KR930003644B1 - 잔류변형이 축적된 단결정질 니켈 초합금재 물품을 부식성 매체에 노출시킬 때의 균열발생을 방지하기 위한 방법 - Google Patents

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내용 없음.

Description

잔류변형이 축적된 단결정질 니켈 초합금재 물품을 부식성 매체에 노출시킬 때의 균열발생을 방지하기 위한 방법

제 1 도는 에어포일형 날개가 부식성 환경에 노출되어 있는 동안 발생되는 전형적인 날개의 시위방향(chordwise)으로의 균열을 도시하는 이미 사용된 단결정질 에어포일형 날개의 사시도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 단결정질 에어포일형 날개 2 : 기저부

3 : 에어포일 4 : 오목면

5 : 볼록면 6 : 전연부

7 : 후연부 8 : 플랫폼

9 : 선단부 10 : 내부 냉각통로

본 발명은 가스터빈엔진의 구성요소를 새것으로 수리하는 방법에 관한 것으로, 특히 단결정질 초합금재의 에어포일형 날개내의 잔류 인장변형을 감소시키기 위한 방법에 관한 것이다.

축류 가스터빈엔진은 압축기부, 연소부 및 후미 터빈부를 포함한다. 터빈부내에는 회전가능한 에어포일형 날개와 고정 날개판(vane)이 교대로 열을 지어 배치되어 있다. 고온 연소가스가 터빈부를 통과할 때, 에어포일형 날개는 회전구동되어 샤프트를 회전시키고, 이 샤프트의 회전에 의해 압축기부 및 기타 부속시스템이 구동된다. 가스의 온도가 높을수록, 터빈부로 부터 얻어지는 작동력은 보다 더 커지게 된다. 터빈부의 작동 온도를 증가시키기 위해, 터빈의 에어포일형 날개 및 날개판은 고온에서 기계적 강도를 유지해 주는 니켈 초합금재를 사용하여 제작된다.

특히, 단결정절 니켈 초합금재의 에어포일형 날개와 날개판을 사용하면 합금조직내에 취약한 입자 경계부가 생기지 않게 되므로, 구조적인 파손의 가능성이 제한되는 동시에 고온에서 기계적 강도를 가지게 된다. 상기와 같은 물품은 통상 도금토팅 또는 일반적으로 선호되는 확산접합식, 알루미나이드(aluminide) 코팅중에 어느 하나에 이한 내식성 및/또는 내열성을 향상시크는 코팅을 포함한다. 분(Boone)등의 미합중국 특허 제3,544,348호 및 벤덴(Benden)등의 미합중국 특허 제4,132,816호에는 초합금재 물품에 알루미나이드 코팅을 부착하는 다양한 방법이 개시되어 있고, 프레스톤(Preston)의 미합중국 특허 제4,005,989호에는 도금/알루미나이드의 복합 코팅이 개시되어 있다. 이들 특허는 모두 본 출원인에게 양도되었다.

가스터빈엔진의 분해수리는 엔진의 분해, 검사, 낡은 부품의 보수와 교체 및 재조립 과정을 포함한다. 이때, 주기적으로 고온에서 작동되는 터빈부의 날개 및 날개판의 상태는 특히 중요하다. 리(Lee)등의 미합중국 특허 제4,176,433호에는 터빈 날개판의 무리를 새것으로 수리하는 방법이 개시되어 있다. 이 방법은 날개판의 무리중 재사용이 가능한 날개판을 육안검사로 골라내는 단계와, 이후의 코팅제거 및 기타 처리단계를 포함한다. 이러한 방법은 날개판의 무리를 새것으로 수리하는 방법으로 개시되어 있지만, 이 방법은 에어포일형 날개 및 날개판의 일반적인 분해수리 방법을 예시한 것이다.

보수를 요하는 에어포일형 날개 또는 날개판은 세척된 후 모든 표면으로부터 코팅이 제거되어야만 한다. 이렇게 하지 않으면, 이후의 작업도중에 해로운 합금이 용융되어 하부면의 갈라짐 또는 결함이 유발된다. 코팅의 제거는 통상 코팅된 물품을 염산(HCl)과 같은 고온의 산욕(acid bath)내에 코팅된 물품을 침지시킴으로써 달성된다.

이와 같은 일반적인 처리방법에 따라, 내측면과 외측면의 양면에 알루미나이드 코팅을 구비하고 외측면에 추가로 도금 코팅을 구비하는 일군의 이미 사용된 단결정질 에어포일형 날개를 끓는 염산내에 침지시켜 코팅을 제거한 후, 상기 날개를 검사해 본 결과, 상당수의 날개가 산욕의 부식 환경으로 부터 발생된 균열에 의해 수리가 불가능할 정도로 손상되었음을 발견하였다. 즉, 산에 노출된 53개의 날개중 26개에서 날개의 시위방향으로 군열이 발생하여 49%의 파손율을 나타냈다. 이러한 높은 파손율에 의해 단결정질 물품을 사용하는 가스터빈엔진의 수리비용이 상당히 증가하게 된다. 결과적으로, 상기와 같은 균열이 발생하는 원인을 규명하고 단결정질 초합금재의 에어포일형 물품이 수리중 손상되는 것을 방지 하는 적절한 방법을 결정하는 것이 필요하게 되었다.

본 발명의 목적은 이미 사용된 단결정질 초합금재 물품으로 부터 코팅을 제거하는 동안 발생되는 균열발생의 원인을 규명하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 이미 사용된 단결정질 초합금재 물품이 엔진의 수리동안 균열을 발생하는 것을 방지하기 위한 방법을 수립하는 것이다.

이와 같은 본 발명의 목적 및 다른 목저은 이미 사용된 단결정질 물품을 부식환경에 노출시키기 이전에, 예비적으로를 수행함으로써 달성되어진다. 이러한 열처리를 수행함으로서, 주기적인 엔진작동중에 축적되어진 잔류변형이 제거되는데, 만일 이러한 잔류 변형이 제거되지 않으면 세척 및 코팅의 제거를 위해 요구되는 부식환경에 노출되었을 때 이미 사용된 단결정질 물품에 응력에 의한 균열이 발생하게 된다. 일반적으로, 비산화성 분위기 또는 진공하에서 954 내지1121℃의 온도로 1 내지 4시간 동안 상기 물품을 열처리하게 되면, 단결정질 물품에서의 균열발생을 방지할 수 있을 만큼 충분히 잔류 변형을 감소시킬 수 있다.

제 1 도에는 이미 사용된 단결정질 에어포일형 날개(1)이 도시되어 있다. 이 날개(1)은 기저부(2)와 에어포일(3)을 포함하며, 에어포일(3)은 오목면(4), 볼록면(5), 전연부(6), 후연부(7), 플랫폼(8) 및 선단부(9)를 구비한다. 날개(1)은 비교적 차가운 공기를 날개(1)에 골고루 인도하여 고온작동이 가능하게 해주는 내부 냉각 통로(10)을 또한 포함한다. 또한, 날개(1)은 처음에는 내측 및 외측 양면에 표면코팅(11)을 구비하였으나, 이는 제거되었으므로 도시를 생략하였다. 코팅은 미합중국 특허 제3,928,026호, 제3,544,348호 및 제4,132,816호에 설명된 것과 같은 확산코팅 또는 도금코팅 중 어느 하나로 되거나, 미합중국 특허 제4,005,989호에 설명된 것과 같은 확산코팅 및 도금코팅의 복합코팅으로 될 수 있으며, 상기 특허들은 모두 본원에 참조물로써 포함된다. 상기 날개(1) 및 본 발명이 적용되는 다른 날개 및 날개판은 모두 가스터빈엔진의 터빈부에 사용되는 형태의 것이며, 듈(Duhl)등의 미합중국 특허 제4,209,348호에 개시된 것과 같은 단결정질 니켈 초합금재로 제작된 것이다.

일반적으로 가스터빈엔진의 분해수리는 분해, 검사, 보수/부품교체 및 재조립의 과정을 포함하는데, 이때 특히 고온의 터빈부에서 직면하게 되는 격심한 작업조건을 감안하여 터빈부의 날개 및 날개판의 상태에 대해서 각별한 주의를 기울여야 한다. 통상, 냉각통로를 구비하는 에어포일형 날개는 냉각통로에서 582 내지 649℃의 공기에 노출되며, 날개의 외측면에서 1093 내지 1204℃의 가스에 노출된다. 가스터빈엔진의 전형적인 주기적 작동중 발생되는 급속한 가속 및 감속작용에 의해 에어포일형 날개가 급속하게 가열 및 냉각되고, 이에 따라 높고 불균일한 응력이 발생된다. 초합금재 날개는 터빈의 높은 작동온도, 발생가능한 대규모의 열적변화 및 급속한 열순환을 견디어 내기 위해 복잡한 형상으로 형성되는 것이 요구되며, 이러한 형상의 복잡성 때문에 상기와 같이 국부적으로 집중되는 응력이 매우 커지게 된다. 이러한 응력에 의해 주변온도에서 에어포일의 특정부분에 높은 잔류변형이 발생하게 되며, 이에 따라 수차례 사용되어진 단결정질 물품은 물품의 세척 또는 코팅제거중 직면하에 되는 부식환경하에서 재료에 균열이 발생하게 되는 문제점을 가지게 된다.

특히, 코팅된 단결정질 니켈 초합금재의 터빈 에어포일형 날개가 2,000 내지 10,000 시간동안 가스터빈엔진의 작동을 받은 상태에서 특정한 부식매체에 노출되면, 응력부식 과정에 의해 균열이 발생할 수 있다. 날개의 길이(span) 방향으로의 체적 잔류인장변형이 인치당 1,000 내지 1,500 마이크로인치 정도이면, 53개의 날개를 끓는 염산에 노출시켰을 때 26개가 날개의 에어포일부에서 날개의 시위방향으로의 균열을 일으키기에 충분하였다. 날개의 길이방향으로의 변형은 엔진의 작동중 에오포일이 구심력을 받을 때 발생된다. 이러한 초합금재 날개내의 변형은 다수의 변형측정계를 물품의 곳곳에 위치시키고, 물품을 조각으로 잘라내어 변형의 풀림을 측정함으로써, 기저부 플랫폼(8)로 부터 날개의 선단부(9)에 이르기까지 측정된다. 제 1 도에는 니켈을 주성분으로 하는 단결정질 초합금재의 에어포일형 날개상에 발생된 전형적인 날개의 시위방향으로의 균열(12)가 도시되어 있으며, 이 균열은 날개의 길이 방향으로의 변형에 대해 수직하다.

단지 단결정질 물품만이 상기와 같은 균열 발생과정을 나타낸다. 단결정질이 아닌 초합금재 물품은 엔진 작동시 유사한 응력 및 변형을 받아도 유사한 처리조건하에서 균열을 발생하지 않는다. 균열 발생과정이 모두 완전하게 규명되어 있지는 않으나, 균열 발생과정은 코팅과 산의 반응시 유리된 자유수소와 단결정질 초합금의 미세구조내의 결함 사이의 사호작용를 포함하는 것으로 생각된다. 즉, 단결정질 물품에는 수소를 수용하는 입자 경계부가 없으므로 수소원자는 합금의 미세구조내의 결함내로 확산해 들어가서 결함을 더욱 악화시키고, 결과적으로 균열을 발생시킬 수 있게 된다. 이러한 결함은 합금내의 잔류변형에 의해 악화되어 균열이 일어날 수 있는 장소가 제공되어진다.

이러한 응력에 의한 균열발생을 방지하기 위해서는, 잔류변형 또는 부식환경중 어느 하나를 제거하는 것이 요구된다. 이러한 요구는, 상온에서의 잔류변형을 응력 부식에 의한 균열발생이 일어나지 않는 임계치 이하로 감소시키는 응력제거 열처리를 수행함으로써, 가장 경제적이면서도 가장 효과적으로 해결된다.

본 기술분야의 당업자에게 이해될 수 있는 바와같이, 상기 임계치는 물품의 재료, 형상, 직면하게 되는 열적 순환주기의 회수와 범위 및, 발생되는 실제의 잔류변형에 따라 물품간에 서로 상이하게 된다. 일반적으로, 비산화성 분위기 또는 진공하에서 954 내지 1121℃의 온도로 1 내지 4시간동안 물품에 열처리를 수행하면, 단결정질 물품내의 균열발생을 방지하기에 충분한 정도로 잔류변형이 감소된다.

시험을 수행한 대부분의 물품에 있어서, 잔류변형을 50% 감소시킴으로써, 부식환경에 노출된 물품의 균열발생을 충분히 방지할 수 있는 것으로 밝혀졌다. 20 내지 30%를 감소시킬 때에도 일부 물품에서는 균열발생이 방지될 수 있으나, 잔류변형을 50% 감소시킴으로써 보다 안전하게 균열발생을 방지할 수 있다.

[실시예]

이미 사용된 일군의 단결정질 니켈 초합금재의 에어포일형 날개를 코팅의 제거 이전에 예비로 열처리하였다. 이들 날개들은엔진에서의 작동시간, 재료 및 형상에 있어서 전술한 49%의 파손율을 나타냈던 날개군과 동일한 것이다. 열처리전에 표본군에 대해 변형을 측정한 결과, 인치당 1,000 내지 1,500 마이크로인치의 잔류인장변형이 축적되어 있음을 알았다. 그후, 상기 에어포일을 1079℃로 가열하고 비산화성 분위기에서 4시간 동안 유지하였다. 본 실시예에서는 비산화성 분위기를 위해 수소를 사용하였으나, 아르곤 또는 질소와 같은 다른 비산화성 기체를 사용해도 무관하다. 상기 에어포일형 날개를 냉각시킨 후 평가해본 결과, 잔류인장변형이 열처리전의 인치당 1,000 내지 1,500 마이크로인치로 부터 열처리후에는 인치당 400 내지 700 마이크로인치로 감소되었다. 그후 코팅을 제거하기 위해 끓는 염산욕에 상기 에어포일형 날개를 침지시켰으며, 그 결과 부식환경에 노출된 41개의 물품중 어느것도 코팅을 제거한 후 균열을 일으키지 않았다.

잔류변형을 감소시키기 위해 재료를 열처리하는 것은 잘 알려져 있으나, 단결정질 물품은 잔류변형이 축적된 이후 균열을 일으키는 경향을 가진다는 사실 또는 이 잔류변형을 임계치 이하로 감소시키면 물품을 새것으로 수리하는 동안 균열이 발생되는 것을 방지할 수 있다는 사실에 대해서는 알려져 있는 바가 없다. 코팅의 제거나 부식성 세척 이전에 응력제거를 위한 예비열처리를 수행함으로써 에어포일 물품의 심각한 손상을 방지할 수 있고, 따라서 폐기해야할 부품을 줄일 수 있으며, 따라서, 엔진의 수리비용을 절감할 수 있다.

지금까지 본 발명을 가스터빈엔진에 사용되는 에어포일형 날개와 연관하여 기술하였으나, 열적작동을 받는 모든 단결정질 초합금재는 본 발명으로 부터 효과를 얻을 수 있음을 당업자는 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

또한, 본 발명의 적합한 실시예는 1079℃에서 4시간동안 열처리하는 것과 관련하여 기술되어 있지만, 본 발명은 기술된 특정 실시예에 한정되지 않으며, 열처리 온도, 열처리 분위기 및 열처리 시간등에 있어서 본 발명의 범위를 이탈하지 않는 한도내에서 많은 변형예가 가능하다는 것도 당해업자는 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

Claims (7)

1. 단결정질 니켈 초합금재 물품을 부식성 매체에 노출시키기 이전에 상기 물품의 균열이 발생되기 시작하는 수준 이하로 잔류변형이 감소되도록 상기 물품에 응력제거 열처리를 수행하며, 이러한 열처리는 비산화성 분위기 또는 진공하에서 954 내지 1121℃의 온도로 1 내지 4시간동안 수행되는 것을 특징으로 하는 잔류변형이 축적된 단결정질 니켈 초합금재 물품을 부식성 매체에 노출시킬 때의 균열발생을 방지하기 위한 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 잔류변형을 50% 감소시키는 것을 특징으로 하는 단결정질 니켈 초합금재 물품의 균열발생을 방지하기 위한 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 열처리는 비산화성 분위기하에서 1079℃의 온도로 4시간동안 수행되는 것을 특징으로 하는 단결정질 니켈 초합금재 물품의 균열발생을 방지하기 위한 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 물품은 가스터빈엔진에서 주기적인 사용에 의해 잔류변형이 축적된 단결정질 니켈 초합금재의 에어포일형 물품인 것을 특징으로 하는 단결정질 니켈 초합금재 물품의 균열발생을 방지하기 위한 방법.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 잔류변형을 50% 감소시키는 것을 특징으로 하는 단결정질 니켈 초합금재 물품의 균열발생을 방지하기 위한 방법.
6. 제 4 항에 있어서, 상기 물품의 열처리는 비산화성 분위기 또는 진공하에서 954 내지 1121℃의 온도로 1 내지 4시간동안 수행되는 것을 특징으로 하는 단결정질 니켈 초합금재 물품의 균열발생을 방지하기 위한 방법.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 열처리는 비산화성 분위기하에서 1079℃의 온도로 4시간동안 수행되는 것을 특징으로 하는 단결정질 니켈 초합금재 물품의 균열발생을 방지하기 위한 방법.

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