KR20080057225A - Method of repairing a component comprising a directed microstructure, by setting a temperature gradient during exposure to the laser heat; a component produced by such a method - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 첨부된 청구의 범위 청구항 1에 따른 방향성 미세구조를 갖는 기본 물질을 포함하는 부품 수리 방법과 청구항 26에 따른 부품에 관한 것이다.The invention relates to a part repair method comprising a base material having a directional microstructure according to claim 1 and to a part according to claim 26.
최근, 터빈 부품은 방향성 미세구조를 갖는 물질로 종종 제조된다. 이러한 상황에서, 방향성 미세구조를 갖는 물질들은 공통의 우선적인 방향으로 입자들이 연장되는 입자 구조를 갖는 특히 단결정 물질 및 물질들을 의미하는 것으로서 이해되어야 한다. 실례를 통해, 입자들은 다른 방향들에서 보다 특정의 우선적인 방향에서 보다 큰 크기를 가질 수도 있다. 이러한 유형의 입자 구조를 갖는 부품들은 방향성으로 고화된 부품으로 또한 공지되어 있다.Recently, turbine components are often made of materials with directional microstructures. In this situation, materials with directional microstructures should be understood as meaning particularly single crystal materials and materials having a particle structure in which the particles extend in a common preferential direction. By way of example, particles may have a larger size in a particular preferred direction than in other directions. Parts having this type of particle structure are also known as directionally solidified parts.
예컨대 터빈 블레이드(blade) 또는 베인(vane)과 같이 상당히 높은 응력을 받는 부품들은 작동 중에 높은 열 및 기계적 응력을 받게 되며, 이는 재료 피로를 야기하여 결국 균열이 발생하게 된다. 방향성 미세구조를 갖는 기본 물질로 부품 들을 제조하는 것은 비교적 비용이 많이 들기 때문에, 이러한 유형의 부품들은 손상된 후 수리되는 것이 일반적으로 의도된다.Substantially high stressed components, such as turbine blades or vanes, for example, are subject to high thermal and mechanical stress during operation, which causes material fatigue and eventually cracks. Since manufacturing parts from base materials with directional microstructures is relatively expensive, it is generally intended that these types of parts be repaired after being damaged.
손상된 부품들을 수리하는 하나의 방법은 납땜이다. 이러한 납땜 동안, 손상 부위의 부품의 물질 즉, 기본 물질에 땜납이 적용되며, 가열 작용에 의해 기본 물질에 결합된다. 그러나, 납땜 후에, 지금까지 통상적이었던 과정에서, 납땜 물질은 단결정 또는 방향성으로 고화된 구조를 갖지 않는다. 그러나, 특히 고온 범위에서 방향성 미세구조의 재료 물성보다 불량한 재료 물성에 의해 정렬되지 않은 구조가 발생되며, 이 결과, 납땜 위치가 주위의 기본 물질의 재료 물성보다 불량한 재료 물성을 갖는다.One method of repairing damaged parts is soldering. During this soldering, solder is applied to the material of the part at the point of damage, ie the base material, and is bonded to the base material by the heating action. However, after soldering, in the process so far conventional, the brazing material does not have a single crystal or directionally solidified structure. However, in the high temperature range, an unaligned structure occurs due to material properties that are poorer than those of the directional microstructure, and as a result, the soldering position has material properties that are poorer than those of the surrounding base material.
방향성 미세구조를 갖는 손상된 부품을 수리하기 위해, 용접된 구조에 방향성 미세구조를 생성시키는데 또한 사용될 수 있는 용접 방법도 이용될 수 있다. 이러한 유형의 방법은 예를 들어 유럽특허공개 제 089 090 A1호에 개시된다.To repair damaged parts with directional microstructures, welding methods can also be used that can also be used to create directional microstructures in welded structures. A method of this type is disclosed, for example, in EP 089 090 A1.
사용되는 다른 방법들과 납땜 분말은 미국특허 제6,283,356호, 미국특허 제4,705,203호, 미국특허 제4,900,394호, 미국특허 제6,565,678호, 미국특허 제4,830,934호, 미국특허 제4,878,953호, 미국특허 제5,666,643호, 미국특허 제6,454,885호, 미국특허 제6,503,349호, 미국특허 제5,523,170호, 미국특허 제4,878,953호, 미국특허 제4,987,736호, 미국특허 제5,806,751호, 미국특허 제5,783,318호, 미국특허 제5,873,703호에 개시된다.Other methods and solder powders used are US Patent No. 6,283,356, US Patent 4,705,203, US Patent 4,900,394, US Patent 6,565,678, US Patent 4,830,934, US Patent 4,878,953, US Patent 5,666,643. , US Patent No. 6,454,885, US Patent 6,503,349, US Patent 5,523,170, US Patent 4,878,953, US Patent 4,987,736, US Patent 5,806,751, US Patent 5,783,318, US Patent 5,873,703 do.
미국특허 제6,050,477호는 2개의 부품 요소를 결합시키기 위한 방법을 개시하는데, 여기서, 2개의 부품 부재 사이의 대부분의 영역에 걸쳐 땜납이 적용되며, 동일한 방향성 미세구조를 형성하기 위해 온도 구배가 사용된다. 전체 부품이 가열된다.US 6,050,477 discloses a method for joining two component elements, where solder is applied over most of the area between the two component elements, and a temperature gradient is used to form the same directional microstructure. . The whole part is heated.
미국특허공개 제2003/0075587 A1호는 방향성으로 고화된 미세구조를 갖는 부품의 수리 방법을 개시하는데, 여기서, 수리된 위치는 수리되어야 하는 부품과 동일한 미세구조를 갖지 않는다.U.S. Patent Publication No. 2003/0075587 A1 discloses a method of repairing a part having a directionally solidified microstructure, where the repaired position does not have the same microstructure as the part to be repaired.
미국특허 제6,495,793호는 물질 컨베이어를 통해 공급되는 물질을 용융시키는 레이저를 사용하는 니켈-계 초합금용 용접 수리 방법을 개시한다. 더욱이, 용접 프로세스 동안 기본 물질이 용융된다.U. S. Patent No. 6,495, 793 discloses a welding repair method for nickel-based superalloys using a laser to melt a material fed through a material conveyor. Moreover, the base material is melted during the welding process.
부품 또는 수리 위치의 미세구조의 기재는 없다.There is no description of the microstructure of the part or repair location.
유럽특허공개 제1 285 545 A1호는 수리하고자 하는 위치에 이미 용융된 추가의 물질이 첨가된다. 이 경우에도 역시, 기본 물질은 용융된다. 방향성 미세구조를 갖는 부품들을 처리하기 위해 마찬가지로 온도 구배가 사용된다.EP 1 285 545 A1 adds an additional material that is already molten at the location to be repaired. In this case too, the base material is melted. Temperature gradients are likewise used to process components with directional microstructures.
미국특허 제4,878,953호는 방향성 미세구조를 갖는 부품을 수리하기 위한 용접 방법을 개시하는데, 여기서, 수리하고자 하는 위치에 물질이 분말로 적용되며, 이러한 위치는 미립자형 미세구조를 갖는다. 여기서도 역시 기본 물질이 용융된다.U. S. Patent No. 4,878, 953 discloses a welding method for repairing parts having directional microstructures, wherein the material is applied in powder at the location to be repaired, which location has a particulate microstructure. Here too the base material is melted.
그러나, 용접 방법들은 수리하고자 하는 부품의 기본 물질을 항상 용융한다. 결국, 기본 물질의 용융이 방향성 구조의 무결성(integrity)을 손상시키므로 부품의 구조적인 지지 영역들(structurally bearing regions)이 용접되어선 안 된다. 따라서, 부품의 구조적인 지지 영역에 손상부가 위치되지 않는다면 용접 프로세스 에 의해 방향성 미세구조를 갖는 부품들이 오로지 수리된다. 반대로, 부품의 구조적 지지 영역에 손상이 발생된다면, 방향성의 용접된 구조가 수리되어야 하므로, 이 부품은 수리불가로 판정되어 손상되지 않은 부품으로 교체된다.However, welding methods always melt the base material of the part to be repaired. After all, the melting of the base material impairs the integrity of the directional structure so that structurally bearing regions of the part should not be welded. Thus, parts with directional microstructures are repaired only by the welding process unless damage is located in the structural support area of the part. Conversely, if damage occurs to the structural support area of the part, the directional welded structure must be repaired, so that the part is determined to be unrepairable and replaced with an undamaged part.
따라서, 본 발명의 목적은 부품의 구조적 지지 영역에 손상이 발생할지라도 방향성 미세구조를 갖는 기본 물질을 포함하는 손상된 부품들을 수리하는데 사용될 수 있는 부품 및 방법을 제공하는 것이다.It is therefore an object of the present invention to provide a part and a method which can be used to repair damaged parts comprising a base material having a directional microstructure even if damage occurs in the structural support area of the part.
이러한 목적은 아래의 청구의 범위의 청구항 1에 기재된 방법과 청구항 26에 기재된 부품에 의해 달성된다.This object is achieved by the method described in claim 1 and the parts described in claim 26 below.
방향성 미세구조를 갖는 기본 물질을 포함하는 부품을 수리하기 위한 본 발명에 따른 방법에서, 수리된 위치가 주변의 기본 물질의 방향성 미세구조에 상응하는 방향성 미세구조를 갖는 방식으로 수리가 실시된다. 기본 물질은 특히 니켈-계 물질일 수 있다. 본 발명에 따른 방법에서, 땜납은 수리하고자 하는 위치의 영역에 적용되어 가열 작용에 의해 부품에 납땜된다. 가열 작용 동안, 온도 구배(temperature gradient) 즉, 고온에서 저온까지의 온도 프로파일이 수리하고자 하는 위치의 영역에 형성된다.In the method according to the invention for repairing a part comprising a base material having a directional microstructure, the repair is carried out in such a way that the repaired position has a directional microstructure corresponding to the directional microstructure of the surrounding base material. The base material may in particular be a nickel-based material. In the method according to the invention, the solder is applied to the area of the position to be repaired and soldered to the part by heating action. During the heating action, a temperature gradient, ie a temperature profile from high temperature to low temperature, is formed in the region of the location to be repaired.
납땜 프로세스에서, 기본 물질이 아닌 땜납만이 용융되어 다시 고화(solidifying)될 수 있으며, 땜납이 기본 물질과 접합부를 형성하여, 기본 물질의 양호한 재료 물성에 악영향을 주지 않으면서 심지어 부품의 구조적 지지 영역에 본 발명에 따른 수리 프로세스가 사용될 수 있다. 땜납의 에피택셜 성장(epitaxial growth) 및 고화 즉, 고화되는 동안 땜납의 결정질 배향이 기질(substrate) 즉 기본 물질의 결정질 배향에 의해 결정되는 성장이 온도 구배에 의해 달성될 수 있다. 따라서, 온도 구배는 방향성이 아닌 미세구조와 비교해서 유사하게 향상된 재료 물성을 갖는 납땜된 땜납 내에 단결정 납땜 영역 또는 다른 방향성 미세구조를 허용한다. 방향성 성장은 온도 구배의 방향으로 즉, 저온에서 고온으로의 방향으로 생성된다. 방향성 성장 및 생성된 방향성 미세구조로 인해, 납땜된 땜납은 부품의 기본 물질에 대해 유사하게 양호한 재료 물성을 갖는다.In the soldering process, only solder, not the base material, can melt and solidify again, and the solder forms a junction with the base material, even in the structural support area of the part, without adversely affecting the good material properties of the base material. In the repair process according to the invention can be used. Epitaxial growth and solidification of the solder, ie, growth in which the crystalline orientation of the solder during solidification is determined by the substrate, ie the crystalline orientation of the base material, can be achieved by temperature gradients. Thus, temperature gradients allow for single crystal solder regions or other directional microstructures in soldered solder with similarly improved material properties compared to non-directional microstructures. Directional growth is produced in the direction of the temperature gradient, ie from the low temperature to the high temperature. Due to the directional growth and the resulting directional microstructure, the soldered solder has similarly good material properties for the base material of the part.
본 발명에 따른 수리 방법의 온도 구배는 부품의 기본 물질의 방향성 미세구조의 배향의 방향으로 연장되는 방식으로 생성되는 것이 바람직하다. 이러한 방법으로, 기본 물질의 방향성 미세구조의 배향의 방향으로 고화되는 땜납의 방향성 성장을 달성할 수 있다.The temperature gradient of the repair method according to the invention is preferably created in such a way that it extends in the direction of the orientation of the directional microstructure of the base material of the part. In this way, it is possible to achieve directional growth of the solder which solidifies in the direction of the orientation of the directional microstructure of the base material.
본 발명에 따른 방법의 유리한 변경예에서, 땜납은 부품의 기본 물질의 용융 온도보다 낮은, 바람직하게 상당히 낮은 용융 온도를 갖는 제1 성분과, 제1 성분의 용융 온도보다는 높고 기본 물질의 용융 온도 이하인 용융 온도와 높은 강도를 갖는 제2 성분을 포함한다. 본 발명에 따른 유리한 변경예에서, 기본 물질에서 보다 멀리 위치한 영역에서보다 기본 물질의 근접한 영역에서 땜납 내의 제1 성분의 비율이 보다 높은 방식으로 납땜하고자 하는 위치의 영역에 땜납이 적용된다. 본 발명에 따른 이러한 구성에서, 낮은 용융 온도를 갖는 제1 성분은 땜납과 기본 물질 사이에 접합부를 생성시키는 역할을 하는 반면, 높은 용융 온도를 갖는 성분은 납땜된 땜납의 내구성(강도)을 책임진다. 땜납이 기본 물질 내에 보다 높은 비율의 제1 성분을 가짐으로써, 납땜된 땜납과 기본 물질 사이에 양호한 접합을 형성할 수 있다. 다른 한편, 기본 물질에서 보다 멀리 위치한 영역에는 상대적인 면에서 보다 많은 제2 성분 즉 보다 높은 내구성을 갖는 보다 많은 성분이 존재하며, 이 결과, 부품의 다음 작동 동안 보다 높은 응력을 받게 되는 납땜된 위치의 영역들이 보다 높은 내구성을 갖게 된다.In an advantageous variant of the method according to the invention, the solder is of a first component having a melting temperature lower than the melting temperature of the base material of the part, preferably significantly lower than the melting temperature of the first component and below the melting temperature of the base material. A second component having a melting temperature and a high strength. In an advantageous variant according to the invention, the solder is applied in the region of the position to be soldered in such a way that the proportion of the first component in the solder is higher in the region closer to the base material than in the region located further away from the base material. In this arrangement according to the invention, the first component having a low melting temperature serves to create a joint between the solder and the base material, while the component having a high melting temperature is responsible for the durability (strength) of the soldered solder. . By having a higher proportion of the first component in the base material, it is possible to form a good bond between the soldered solder and the base material. On the other hand, in the region located further away from the base material, there are more second components in relative terms, i.e. more components with higher durability, which results in the soldered position being subjected to higher stress during the next operation of the part. The areas will have higher durability.
본 발명에 따른 방법에서, 납땜하고자 하는 위치의 영역 즉, 땜납에 온도 구배를 생성시킬 수 있는 모든 가열 조작이 가열 작용을 제공하는데 사용될 수 있다. 실례를 통해, 예를 들어 레이저 또는 종래의 조명 장치에 의한 광학적 가열 조작, 또는 예를 들어 히팅 코일에 의한 유도 가열 조작을 사용할 수 있다. 대안으로, 방향성으로 배향된 미세구조를 갖는 주조 물질(casting material)을 위한 주조로(casting furnace)를 또한 사용할 수 있다.In the method according to the invention, any heating operation that can create a temperature gradient in the area of the position to be soldered, ie the solder, can be used to provide the heating action. By way of example, it is possible to use an optical heating operation, for example with a laser or a conventional lighting device, or an induction heating operation, for example with a heating coil. Alternatively, casting furnaces for casting materials with directionally oriented microstructures can also be used.
실례를 통해, 유도 가열을 위해 핫 박스(hot box)를 사용하는 것이 공지되어 있다. 핫 박스는 수리하고자 하는 부품을 유지하는 홀더와, 부품을 국부적으로 가열하기 위해 홀더(holder) 내에서 이동가능하게 배열되는 유도 코일을 갖춘 장치를 의미하는 것으로 실질적으로 이해되어야 한다. 홀더는 납땜 프로세스 동안 예컨대 아르곤과 같은 불활성 가스로 넘쳐흐를 수 있다.By way of example, it is known to use a hot box for induction heating. Hot box is to be substantially understood as meaning a device having a holder holding a part to be repaired and an induction coil movably arranged in a holder for locally heating the part. The holder may overflow with an inert gas such as, for example, argon during the soldering process.
본 발명에 따른 프로세스의 변경예에서, 기분 물질의 열처리가 땜납을 납땜하는 프로세스와 병합될 수 있다. 이러한 방법으로, 기본 물질 물성의 일신(refurbishment)(재생(rejuvenation))이 수리와 동시에 실현될 수 있다.In a variant of the process according to the invention, the heat treatment of the mood material can be combined with the process of soldering the solder. In this way, refurbishment (rejuvenation) of the base material properties can be realized simultaneously with repair.
본 발명의 추가의 특징, 특성 및 장점은 첨부된 도면을 참조한 다음의 예시적인 실시예로부터 명확해 질 것이다.Further features, features and advantages of the present invention will become apparent from the following exemplary embodiments with reference to the attached drawings.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명에 따른 방법의 예시적인 실시예를 보여주는 도면이다.1A-1C show an exemplary embodiment of a method according to the invention.
도 2는 본 발명에 따른 방법의 예시적인 실시예의 변경예를 보여주는 도면이다.2 shows a variant of an exemplary embodiment of the method according to the invention.
도 3은 터빈 블레이드 또는 베인을 나타내는 도면이다.3 shows a turbine blade or vane.
도 4는 가스 터빈을 나타내는 도면이다.4 shows a gas turbine.
도 1a는 손상된 부품(1)의 개략도를 나타내는 도면이다.1A is a diagram showing a schematic view of a damaged part 1.
부품(component; 1)의 기본 물질(base material)은 합금, 바람직하게 니켈계 합금을 포함하며, 도면에서 짧은 대각 점선으로 나타내어진 방향성 미세구조(directional microstructure)를 갖는다. 부품(1)의 손상부 또는 수리하고자 하는 위치(3)가 표면(5)의 영역 내에 위치되며 도면에서 만입부(indentation)로서 도시된다.The base material of component 1 comprises an alloy, preferably a nickel-based alloy, and has a directional microstructure, represented by a short diagonal dotted line in the figure. The damaged part of the part 1 or the
손상된 부품(1)을 수리하기 위해, 본 발명의 예시적인 실시예에서 분말 형태인 것이 바람직한 땜납(solder; 7)을 예비세정된 손상 위치(3)에 적용한 후, 가열 작용에 의해 부품(1)의 기본 물질을 납땜한다(도 1b). 바람직하게 예비세정된 손상 위치(3) 안으로 땜납(7) 모두가, 필요하다면 적은 양의 땜납(7)이 도입되는 것이 필요하며, 특히 땜납(7)은 용융 작업 동안의 단계들에는 공급되지 않는 것이 바 람직하다.In order to repair the damaged part 1, a solder 7, which is preferably in powder form in an exemplary embodiment of the invention, is applied to the
용해시키기 전에, 땜납(7)을 손상부 또는 수리하고자 하는 위치(3) 안으로 가압하는 것이 바람직하다. 이것은 전체 손상부(3)가 땜납(7)으로 채워지게 되는 장점을 갖는다. 특히, 불균일한 단면 영역을 갖는 상당히 깊은 균열부(3)(고종횡비(high aspect ratio))의 경우에, 종래 기술에 따라 분말 공급기를 이용한 분말의 외부 공급은 땜납(7)이 균열부의 끝부에 도달하는 것을 보장하지 않는다. 땜납(7)은 페이스트(paste), 슬러리(slurry)의 형태, 또는 순수 분말 형태, 또는 포일(foil)에 의해 적용될 수 있으며, 이후, 손상부(3)에 도입될 수 있다. 도입 또는 적용의 다른 형태도 또한 고려될 수 있다.Prior to melting, it is desirable to press the solder 7 into the damaged part or the
이러한 정황에서, 땜납(7)의 물질 조성이 부품(1)의 물질 조성과 유사한 것이 유리하다. "유사한 것"의 의미는 땜납(7)의 물질이 기본 물질의 성분에, 추가로 보다 낮은 용융점의 하나 이상의 작용제(예를 들어, 붕소, 실리콘)가 더해진 모든 성분을 포함한다는 것을 의미한다. 그러나, 땜납(7)은 가열 작용에 의해 땜납(7)은 용융되지만 부품(1)의 기본 물질은 용융되지 않도록 부품(1)의 기본 물질의 용융 온도 보다 낮은 용융 온도를 갖는 하나 이상의 성분을 포함해야만 한다. 땜납(7)은 하나의 성분으로 이루어지는 것이 바람직한데 즉, 땜납(7)은 하나의 합금으로 이루어지며, 2개의 합금의 분말 혼합물로 이루어지지 않는다. 납땜하는 동안 땜납(7)의 납땜 온도는 부품(1)의 기본 물질의 용융 온도보다 낮은 적어도 30 ℃ 또는 적어도 50 ℃이므로, 기본 물질에 대한 위험이 존재하지 않는다. 납땜 온도와 용융 온도 사이의 차이가 50 ℃ 내지 70 ℃가 되는 것이 바람직하다. 이것은 기본 물질이 초합금인 경우 특히 중요하다. 초합금을 사용하는 경우, 크롬은 용융 온도에 근접한 높은 온도에서 기화되며, 결국, 땜납(7)의 납땜 온도와 기본 물질의 용융 온도 사이의 차이가 가능한 한 크도록 땜납(7)의 용융 온도가 가능한 한 낮게 유지되어야 한다. 땜납(7)의 납땜 온도와 기본 물질의 용융 온도 사이의 차이는 또한 바람직하게 적어도 70 ℃, 바람직하게 70 ℃ ± 4 ℃이다. 땜납(7)의 납땜 온도와 기본 물질의 용융 온도의 최대 차이는 바람직하게 120 ℃이다. 무엇보다도 수리하고자 하는 위치(3) 안으로 땜납(7)이 유동하도록 땜납(7)이 용융되는 것이 바람직하다. 이것을 달성하는데 필요한 온도는 방향성 미세구조를 설정하는데 사용되는 온도 보다 높거나 낮을 수 있다.In this context, it is advantageous for the material composition of the solder 7 to be similar to the material composition of the component 1. By "similar" it is meant that the material of the solder 7 includes all of the components of the base material plus an additional lower melting point of one or more agents (eg boron, silicon). However, the solder 7 comprises at least one component having a melting temperature lower than the melting temperature of the base material of the part 1 so that the solder 7 is melted by the heating action but the base material of the part 1 does not melt. must do it. The solder 7 preferably consists of one component, that is, the solder 7 consists of one alloy and does not consist of a powder mixture of two alloys. Since the soldering temperature of the solder 7 during soldering is at least 30 ° C. or at least 50 ° C. lower than the melting temperature of the base material of the part 1, there is no danger to the base material. It is preferable that the difference between the soldering temperature and the melting temperature is 50 ° C to 70 ° C. This is especially important when the base material is superalloy. In the case of using superalloys, chromium is vaporized at a high temperature close to the melting temperature, so that the melting temperature of the solder 7 is as high as possible so that the difference between the soldering temperature of the solder 7 and the melting temperature of the base material is as large as possible. Should be kept as low as possible. The difference between the soldering temperature of the solder 7 and the melting temperature of the base material is also preferably at least 70 ° C, preferably 70 ° C ± 4 ° C. The maximum difference between the soldering temperature of the solder 7 and the melting temperature of the base material is preferably 120 ° C. First of all, it is preferable that the solder 7 is melted so that the solder 7 flows into the
납땜하고자 하는 초합금에 대한 제한은 없다. 그러나, 물질들 PWA 1483, PWA 1484 및 RENE N5가 본 발명에 따른 땜납(7)의 사용에 특히 유리함이 증명되었다. PWA 1483은 약 1341 ℃의 용융점을 가지며, RENE N5는 약 1360 ℃ 내지 1370 ℃의 범위의 용융점을 갖는다. 땜납(7)의 용융점은 예를 들어 1160 ℃ 내지 1220 ℃이다.There is no restriction on the superalloy to be soldered. However, the materials PWA 1483, PWA 1484 and RENE N5 proved to be particularly advantageous for the use of the solder 7 according to the invention. PWA 1483 has a melting point of about 1341 ° C and RENE N5 has a melting point in the range of about 1360 ° C to 1370 ° C. The melting point of the solder 7 is, for example, 1160 ° C to 1220 ° C.
높은 온도를 사용하는 경우, DS 또는 SX 물질 내의 재결정이라는 추가의 문제가 발생되어, 결국 이 경우 역시, 땜납(7)의 납땜 온도와 부품(1)의 기본 물질의 용융 온도 사이에 상당한 차이가 존재할 필요가 있다.With the use of high temperatures, additional problems arise, such as recrystallization in the DS or SX material, which, in turn, also results in a significant difference between the soldering temperature of the solder 7 and the melting temperature of the base material of the component 1. There is a need.
땜납(7)에 대한 가열 작용을 실시하기 위해, 본 예시적인 실시예에서, 용융시키고자 하는 땜납(7)을 조사(irradiate)해서 이 땜납(7)에 용융에 필요한 열을 제공하는 전자 비임 건(electron beam gun; 9)이 설치되는 것이 바람직하다. 전자 비임 처리는 바람직하게 진공 상태에서 실시된다. 특히, 예컨대 초합금의 경우와 같이 산화-민감(oxidation-sensitive) 물질의 경우에, 산화는 중요한 역할을 하며, 결국, 레이저 또는 전자 비임에 의해 진공 상태에서 열 처리가 실시된다. 전자 비임 처리는 물질 안으로 에너지를 보다 양호하게 도입시킨다는 이점을 가지며, 전자 비임이, 본 실시예의 경우 광학계(optics)를 이루는 코일에 의해 수리하고자 하는 위치(3) 위로 접촉없이 이동될 수 있다는 추가의 이점을 갖는다. 땜납(7)에 대한 가열 작용은 또한 레이저 비임에 의해 실시될 수도 있다.In order to perform the heating action on the solder 7, in this exemplary embodiment, an electron beam gun that irradiates the solder 7 to be melted to provide heat to the solder 7 for melting. (electron beam gun) 9 is preferably provided. The electron beam treatment is preferably carried out in a vacuum. In particular, in the case of oxidation-sensitive materials, such as in the case of superalloys, for example, oxidation plays an important role, after which the heat treatment is carried out in a vacuum by means of a laser or electron beam. The electron beam treatment has the advantage of introducing more energy into the material, and further suggests that the electron beam can be moved without contact over the
레이저 파워 또는 전자 비임의 파워는 땜납(7)을 완전히 용융시키고 땜납(7)을 용융 온도에 이르게 할 정도이다. 땜납(7)의 납땜 온도는 일부의 경우 땜납(7)의 용융 온도 이상으로 140 ℃까지이다. Nd-YAG 레이저의 파워는 바람직하게 1500 내지 2000W이다.The power of the laser power or electron beam is such that it completely melts the solder 7 and brings the solder 7 to the melting temperature. The soldering temperature of the solder 7 is in some cases up to 140 ° C. above the melting temperature of the solder 7. The power of the Nd-YAG laser is preferably 1500 to 2000W.
본 발명에 의하면, 납땜 작업 동안, 손상부(3)의 영역에서 신중하게 기본 물질의 미세구조의 우선적인 방향으로 온도 구배(temperature gradient)가 생성된다. 이 온도 구배는 부품(1) 및 전자 비임 건(electron beam gun; 9)을 서로에 관해 이동시킴으로써 생성될 수 있다. 따라서, 예시적인 실시예에서, 전자 비임 건(9)은 표면(5)과 평행하게 땜납(7) 위로 안내된다. 전자 비임 건(9)이 땜납(7) 위로 안내되는 속도(rate)는 손상부(3)의 영역에 즉 땜납(7)에 원하는 온도 구배가 형성되는 방식으로 선택된다. 이 온도 구배는 전자 비임 건(9)에 의해 용융되었던 땜납(7)이 다시 고화될 때 에피택시(epitaxy)형의 방향성 미세구조의 형성을 유도한다. 온도 구배의 기울기(steepness)는 예를 들어, 전자 비임 건(9) 및 부품(1)이 서로에 관해 이동되는 속도에 의해 또는 파워에 의해 설정될 수 있다. 이러한 정황에서, 온도 구배의 기울기는 단위 길이 당 온도의 증가 또는 감소를 의미하는 것으로 이해된다. 고화되는 땜납(7) 내의 방향성 미세구조의 형성을 야기하는 온도 구배의 기울기는 땜납(7)의 조성에 따라 좌우된다.According to the invention, during the soldering operation, a temperature gradient is produced in the preferential direction of the microstructure of the base material carefully in the region of the
설정하고자 하는 온도 구배는 소위 GV 다이어그램에 의해 제공되며, 이는 다양한 금속들 및 금속 합금들에 대해 상이하며 모든 합금에 대해 계산되거나 실험적으로 결정될 필요가 있다. GV 다이어그램에서의 곡선(L)은 2개의 매개 변수 즉 고화 속도 및 온도 구배의 범위로 분리되는데, 여기서, 구형(globulitic) 형태로 합금이 고화되며, 이러한 글로불리틱 형태로부터, 수지상(dendritic) 방향성 미세구조를 형성하도록 합금이 고화된다. GV 다이어그램의 내용과 설명은 예를 들어 "등각 전이로의 원주상(Columnar to equiangular transition)"이라는 제목의 1984년 출판된 제이. 디. 헌트(J.D. Hunt)의 재료 과학 공학 65권에 소개되어 있다.The temperature gradient to be set is provided by a so-called GV diagram, which is different for various metals and metal alloys and needs to be calculated or experimentally determined for all alloys. The curve (L) in the GV diagram is divided into two parameters, the range of solidification rate and temperature gradient, where the alloy solidifies in globulitic form, and from this globulitic form, the dendritic directionality The alloy solidifies to form a microstructure. The contents and descriptions of the GV diagrams are described, for example, in J. 1984, entitled "Columnar to equiangular transition." D. In J.D. Hunt, Vol. 65 in Materials Science and Engineering.
온도 구배는 수리하고자 하는 위치(3)의 후방측의 부품(1)의 온도와 땜납(7)의 납땜 온도로부터 결정된다. 바람직하게, 국제특허공개 제WO 98/20995호, 국제특허공개 제WO 98/05450호, 국제특허공개 제WO 96/05006호, 또는 유럽특허공개 제0 631 832 A1호에 개시된 바와 같이, 부품(1)은 냉각되지 않거나 실온으로 유지되거나, 적절하다면, 300 ℃까지 예열된다.The temperature gradient is determined from the temperature of the component 1 on the rear side of the
레이저에 의해 또는 전자 비임에 의한 동등한 방법으로 단결정 구조를 생성시키는 방법은 유럽특허공개 제1 437 426 A1호 또는 국제특허출원공개 제WO 03/087439 A1호에 또한 개시되어 있으며, 이는 단결정 구조를 생성시키기 위한 레 이저 또는 전자 비임의 사용에 관하여 본 개시의 일부를 형성하게 된다.Methods for producing single crystal structures by laser or in an equivalent manner by electron beams are also disclosed in EP 1 437 426 A1 or WO 03/087439 A1, which produce a single crystal structure. It will form part of the present disclosure with regard to the use of lasers or electron beams to make them work.
본 발명의 예시적인 실시예에서, 부품(1)의 기본 물질 내의 방향성 미세구조의 우선적인 방향은 도면의 평면에서 좌측에서 우측으로 연장된다. 고화되는 땜납(7)에서의 기본 물질의 미세구조에 상응되는 우선적인 방향을 갖는 방향성 미세구조의 형성을 유도하기 위해, 전자 비임 건(9)이 기본 물질의 방향성 미세구조의 우선적인 방향에 평행하게 부품(1)에 관해 이동된다.In an exemplary embodiment of the invention, the preferred direction of the directional microstructure in the base material of the component 1 extends from left to right in the plane of the drawing. In order to induce the formation of a directional microstructure having a preferential direction corresponding to the microstructure of the base material in the solder 7 to be solidified, the electron beam gun 9 is parallel to the preferred direction of the directional microstructure of the base material. Is moved about the component 1.
부품(1)이 SX 구조를 갖는다면, 수리된 위치(3)는 마찬가지로 SX 구조 또는 대안으로 DS 구조를 가질 수 있다. 부품(1)이 DS 구조를 갖는다면, 수리된 위치(3)는 마찬가지로 DS 또는 대안으로 SX 구조를 가질 수 있다. 부품(1) 및 수리된 위치(3)가 동일한 미세구조를 갖는 것이 바람직하다. 동등하게, 부품(1)은 방향성으로 고화된 구조를 가질 필요가 없는데, 이 경우, 수리된 위치(3) 내의 땜납(7)의 방향성으로 고화된 구조가 보다 높은 온도에서 기계적 강도에 관해 낮은 용융점의 부정적 효과를 보상하기 때문에, 높은 온도에서 수리된 위치(3) 내의 방향성으로 고화된 구조는 부품(1)의 강도를 증가시킨다.If the part 1 has an SX structure, the repaired
수리하고자 하는 위치의 폭(b)(도 1a)은 1 ㎛ 내지 1000 ㎛, 바람직하게 대략 500 ㎛이다. 레이저 또는 전자 비임은 수리하고자 하는 위치(3)의 전체 폭(b)을 바람직하게 커버할 수 있다. 부품(1)이 수리하고자 하는 위치의 영역에서만 가열되므로, 이는 국소 수리 프로세스 또는 국소 납땜 프로세스를 구성한다. 수리하고자 하는 위치(3)의 폭(b)이 5 ㎛ 내지 300 ㎛인 것이 바람직하다. 수리하고자 하는 위치(3)가 5 ㎛ 내지 1000 ㎛의 폭(b)을 갖는 것이 동등하게 유리하다. 더욱 이, 20 ㎛ 내지 300 ㎛의 균열 폭(b)이 수리될 수 있다. 수리하고자 하는 위치(3)는 바람직하게 20 ㎛ 내지 100 ㎛이 폭(b)을 갖는다. 수리하고자 하는 위치(3)가 50 ㎛ 내지 300 ㎛의 폭을 갖는 것이 동등하게 바람직하다. 수리하고자 하는 위치(3)가 50 ㎛ 내지 200 ㎛의 폭(b)을 갖는다면 추가의 이점이 달성된다. 또한, 50 ㎛ 내지 100 ㎛의 폭을 갖는 손상부 혹은 균열부(3)가 상기한 프로세스에 의해 유리한 방법으로 또한 수리된다.The width b (FIG. 1A) of the position to be repaired is 1 μm to 1000 μm, preferably approximately 500 μm. The laser or electron beam may preferably cover the entire width b of the
수리될 수 있는 위치의 길이에 대한 제한은 없다. 그러나, 이러한 상황에서, 전자 비임 건 또는 레이저(9) 및 전자 비임이 종방향으로 (도면의 평면 안으로) 이동될 수 있는데, 이 경우, 레이저는 국제특허출원공개 제WO 03/087439호에 개시된 바와 같은 방향으로 이동된다. 레이저 비임 또는 전자 비임이 이동되는 속도는 바람직하게 100 mm/min 내지 130 mm/min이다. 레이저 또는 전자 비임의 유지 시간은 고화의 물질 및 중량에 따라 좌우된다.There is no limit to the length of the location that can be repaired. In this situation, however, the electron beam gun or the laser 9 and the electron beam can be moved in the longitudinal direction (into the plane of the drawing), in which case the laser has been described in WO 03/087439. Are moved in the same direction. The speed at which the laser beam or electron beam is moved is preferably from 100 mm / min to 130 mm / min. The holding time of the laser or electron beam depends on the material and weight of the solidification.
도 1c는 손상부(3)가 수리된 후의 부품(1)을 도시한다. 현재 고화된 땜납(7)의 영역을 대각선으로 이어지는 점선으로 도시된 바와 같이, 고화된 땜납(7) 즉 수리 물질은 부품(1)의 기본 물질의 방향성 미세구조와 동일한 우선적인 방향을 갖는 방향성 미세구조를 갖는다.1c shows the part 1 after the
전자 비임은 또한 예를 들어 땜납(7) 모두를 조사하고 적어도 이로써 상기 땜납(7)을 완전히 가열시키도록 또한 폭이 넓을 수 있다. 전자 비임 건이 이동되는 것이 반드시 필요한 것은 아니다. 땜납(7)으로부터 부품(1)의 기질(substrate) 안으로의 열의 소산은 땜납(7) 내부에 온도 구배를 발생시킨다. 온도는 땜납(7)의 외부면에서 가장 높고 부품(1)의 기질과 땜납(7) 사이의 경계에서 보다 낮다. 적절하다면, 부품(1)은, 부품(1)의 형상 또는 손상부(3)의 형상의 기능으로서 원하는 특정 온도 구배를 설정하기 위해 후방측, 손상부(3)의 반대쪽 또는 그 밖의 부위에서 냉각되거나 가열될 수 있다.The electron beam may also be wide, for example to irradiate all of the solder 7 and at least thereby fully heat the solder 7. It is not necessary for the electron beam gun to be moved. Dissipation of heat from the solder 7 into the substrate of the component 1 creates a temperature gradient inside the solder 7. The temperature is highest at the outer surface of the solder 7 and lower at the boundary between the substrate of the component 1 and the solder 7. If appropriate, the component 1 is cooled at the rear side, opposite the
본 발명의 예시적인 실시예에서, 전자 비임 건(9)은 열을 제공하기 위해 사용된다. 그러나, 대안으로, 예를 들어 종래의 조명 장치에 의한 조명과 같이 다른 광학적 가열 방법을 사용할 수도 있다. 더욱이, 광학 가열 방법 대신에 유도 가열 방법을 또한 사용할 수 있으며, 이 경우, 가열 코일에 의해 납땜이 가열된다. 마지막으로, 방향성으로 지향된 미세구조를 갖는 주형을 제조하기 위한 예컨대 "핫 박스(hot box)" 또는 주조로(casting furnace)와 같은 특수 가열로(heating furnace)를 또한 사용할 수 있다. 이 경우, 사용되는 프로세스는 손상부 또는 땜납-충진형 손상부의 영역에서의 고화를 위해 요구되는 방향으로 온도 구배를 생성시키기에 적합해야 한다. 노(furnace)가 사용된다면, 이것은 예를 들어, 노의 여러 영역에 개별적으로 가열 작용을 설정할 수 있게 하는 고정 노(stationary furnace)에 의해 실시될 수 있다.In an exemplary embodiment of the invention, the electron beam gun 9 is used to provide heat. Alternatively, however, other optical heating methods may be used, such as, for example, illumination by conventional lighting devices. Moreover, an induction heating method may also be used instead of the optical heating method, in which case the solder is heated by the heating coil. Finally, special heating furnaces such as, for example, "hot boxes" or casting furnaces for producing molds with directionally directed microstructures can also be used. In this case, the process used should be suitable to create a temperature gradient in the direction required for solidification in the area of damage or solder-filled damage. If a furnace is used, this can be done, for example, by a stationary furnace, which makes it possible to individually set the heating action in several areas of the furnace.
도 2는 도 1a 내지 도 1c를 참조하여 설명되었던 본 발명의 예시적인 실시예의 변경예를 도시한다. 이러한 예시적인 실시예의 변경예에서, 손상부(3)에 적용되는 땜납(17)은 2개의 성분을 포함하는데, 이들 2개의 성분 중 제1 성분은 부품(1)의 기본 물질의 용융 온도보다 상당히 낮은 용융 온도를 구비한다. 반대로, 제2 성분은 제1 성분의 용융 온도와 기본 물질의 용융 온도 사이의 범위에 있는 용 융 온도를 갖는다. 또한, 제2 성분은 특히 예를 들어 대략 기본 물질의 크기의 고강도를 또한 갖는다.2 illustrates a modification of an exemplary embodiment of the invention that has been described with reference to FIGS. 1A-1C. In a variation of this exemplary embodiment, the
제1 성분이 비교적 높은 비율의 분말을 형성하는 땜납 조성(18)이 무엇보다도 먼저 적용되는 방식으로 분말 형태의 땜납(17)이 사전세정된 손상부(3)에 적용되는 것이 바람직하다. 이후, 제1 성분이 제2 성분 보다 감소된 비율로 존재하는 땜납 조성(19)의 적용이 실행된다. 이때 땜납(17)이 기본 물질에 납땜된다면, 높은 비율의 제1 성분 즉, 낮은 용융 온도를 갖는 성분은 기본 물질에 땜납을 납땜하기에 용이하게 하는 한편, 제1 성분의 비율이 감소되는 땜납 조성(19)은 수리된 위치의 보다 높은 강도를 보장한다.It is preferable that the
땜납 조성(18)은 수리하고자 하는 위치(3)의 보다 높은 강도를 보장할 수 있게 하며, 보다 높은 내산화성 및/또는 내식성을 가지도록 표면에 땜납 조성(19)이 보다 근접할 수 있다. 땜납(7)의 이러한 2개층의 구조에 대한 대안예로서, 수리하고자 하는 위치(3)의 땜납(7)은 위치(3)의 기부로부터, 땜납(7)의 조성이 연속적으로 변하는 부품의 표면(5)까지 물질 구배(material gradient)를 가질 수 있다.The
본 발명에 따른 프로세스의 모든 예시적인 실시예에서, 기본 물질의 물성의 일신(refurbishment)(재생(rejuvenation))을 허용할 수 있도록, 가열 작용에 의해, 기본 물질에 대한 열처리를 동시에 수행하는데 사용되는 부품(1)의 기본 물질에 땜납(7, 17)을 납땜할 수 있다.In all exemplary embodiments of the process according to the invention, it is used to simultaneously perform heat treatment on the base material, by heating action, to allow refurbishment (rejuvenation) of the physical properties of the base material.
상기한 예시적인 실시예와 그 변경예에서, 땜납(7, 17)은 수리하고자 하는 위치에 분말 형태로 적용된다. 그러나, 대안으로, 땜납(7, 17)은 포일 또는 페이 스트로서 적용될 수도 있다.In the above exemplary embodiment and variations thereof, the
땜납(7, 17)의 분말은, 예를 들어, 나노 분말의 형태이며, 분말의 입자 크기는 500 나노미터 미만, 또는 300 나노미터 미만 또는 100 나노미터 미만이다. 이것은 나노 분말의 땜납(7)이 마이크로미터-크기의 입자들을 갖는 동일한 조성의 종래의 분말에 비해 보다 낮은 용융 온도를 갖기 때문이다. 땜납(7, 17)의 분말은 또한 나노 분말과 종래의 분말 즉 마이크로미터 범위의 입자 크기를 갖는 분말의 혼합물을 포함할 수 있다.The powders of the
용융점에서의 감소는 결과대로 목표로 한 방법으로 설정될 수 있다. 땜납(7)이 부분적으로 또는 완전히 적용될 수 있게 하는 포일 또는 페이스트가 나노 분말을 또한 포함할 수 있다.The reduction in the melting point can be set in the targeted way as a result. Foils or pastes that allow the solder 7 to be applied partially or fully may also include nanopowders.
이 경우, 종래 기술에 비해 유리한 점은 분말이 분말 공급기를 통해 공급되지 않고 수리하고자 하는 위치(3)에 사전-컴팩트화된(ready-compacted) 형태로 공급된다는 점이다. 종래 기술에 공지된 바와 같이, 노즐을 통해 수리하고자 하는 위치(3)로 나노분말을 공급하는 것은 거의 불가능한데, 그 이유는 나노분말의 입자들이 지나치게 작아서 분무되는 동안 너무 광범위하게 흩어지게 되기 때문이다.In this case, an advantage over the prior art is that the powder is not supplied through the powder feeder but is supplied in a ready-compacted form at the
도 3은 종축선(121)을 따라 연장되며 본 발명의 프로세스에 의해 수리되는, 터보머신(100)의 회전자 블레이드(rotor blade; 120) 또는 가이드 베인(guide vane; 130)의 사시도를 도시한다.3 shows a perspective view of a
이 터보머신은 전기, 증기 터빈 또는 압축기를 발생시키는 파워 플랜트의 또는 항공기의 가스 터빈일 수 있다.This turbomachine may be a gas turbine of an aircraft or of a power plant generating electricity, a steam turbine or a compressor.
블레이드 또는 베인(120, 130)은 종축선(121)을 따라 연속해서, 고정 영역(400), 인접 블레이드 또는 베인 플랫폼(403) 및 주 블레이드 또는 베인 부재(406)를 구비한다. 가이드 베인(130)과 같이, 베인(130)은 베인 팁(vane tip; 415)에 추가의 플랫폼(도시 안됨)을 구비할 수 있다.The blades or
회전자 블레이드(120, 130)를 샤프트 또는 디스크(도시 안됨)에 고정시키는데 사용되는 블레이드(blade) 또는 베인 루트(vane root; 183)가 고정 영역(400) 내에 형성된다.Blades or
블레이드 또는 베인 루트(183)는 예를 들어 해머헤드(hammerhead) 형태로 구성된다. 전나무(fir-tree) 또는 도브테일(dove-tail)과 같은 다른 구성도 가능하다.The blade or
블레이드 또는 베인(120, 130)은 주 블레이드(main blade) 또는 베인 부분(vane part; 406)을 지나서 유동하는 매체를 위한 선단 가장자리(leading edge; 409) 및 후단 가장자리(trailing edge; 412)를 구비한다.Blades or
종래의 블레이드 또는 베인(120, 130)의 경우에, 실례를 통해 고체 금속 물질 특히 초합금이 블레이드 또는 베인(120, 130)의 모든 영역(400, 403, 406)에 사용된다.In the case of conventional blades or
이러한 유형의 초합금은 예를 들어 유럽특허 제1 204 776 B1호, 유럽특허공개 제1 306 454호, 유럽특허공개 제1 319 729A1호, 국제특허출원공개 제WO 99/67435호 또는 국제특허출원공개 제WO 00/44949호에 공지되어 있으며, 이들 문서들은 합금의 화학적 조성과 관련하여 본 개시의 일부분을 형성한다.Superalloys of this type are described, for example, in European Patent No. 1 204 776 B1, European Patent Publication No. 1 306 454, European Patent Publication No. 1 319 729A1, International Patent Application Publication No. WO 99/67435 or International Patent Application Publication. Known in WO 00/44949, these documents form part of the present disclosure with respect to the chemical composition of the alloy.
이 경우, 블레이드 또는 베인(120, 130)은 방향성 고화에 의해 주조 프로세스(casting process)에 의해 제조된다.In this case, the blades or
단결정 구조 또는 구조들을 갖는 작업편은 작동 중에 높은 기계적, 열적 및/또는 화학적 응력에 노출되는 기계에 대한 부품으로서 사용된다. 이러한 유형의 단결정 작업편은 예를 들어, 용융물로부터 방향성 고화에 의해 제조된다. 이것은 단결정 구조 즉, 단결정 작업편을 형성하도록 액체 금속 합금이 고화(고화)되거나 방향성으로 고화되는 주조 프로세스를 수반한다. 이 경우, 수지상 결정들은 열 흐름의 방향을 따라 배향되며 원주상 결정체 입자 구조(즉, 작업편의 전체 길이에 걸쳐 연장되며, 여기서, 통상적으로 사용되는 언어에 따라, 방향성으로 고화되는 것으로 지칭되는 입자들) 또는 단결정 구조 중 어느 하나를 형성하며 즉, 전체 작업편이 하나의 단일 결정으로 이루어진다. 이들 프로세스에서, 구형의 (다결정질) 고화로의 변이가 방지될 필요가 있는데, 그 이유는 비-방향성 성장이 회피할 수 없이 가로 및 종방향 입자 경계들을 형성하며, 이는 방향성으로 고화되거나 단결정인 부품의 유리한 물성을 무효화시킨다.Workpieces having a single crystal structure or structures are used as parts for machines that are exposed to high mechanical, thermal and / or chemical stresses during operation. Monocrystalline workpieces of this type are produced, for example, by directional solidification from the melt. This involves a casting process in which the liquid metal alloy is solidified (solidified) or directionally solidified to form a single crystal structure, ie a single crystal workpiece. In this case, the dendritic crystals are oriented along the direction of the heat flow and are referred to as columnar crystal grain structures (i.e., extending over the entire length of the workpiece, where they are directionally solidified, depending on the commonly used language). ) Or a single crystal structure, ie, the entire workpiece consists of one single crystal. In these processes, transition to spherical (polycrystalline) solidification needs to be prevented, because non-directional growth inevitably forms transverse and longitudinal grain boundaries, which are directionally solidified or monocrystalline. It negates the beneficial physical properties of the part.
본 명세서는 방향성으로 고화된(고화된) 미세구조라는 용어를 전반적으로 사용하는데, 이것은 임의의 입자 경계들을 갖지 않거나 기껏해야 작은-각도 경계들을 갖는 단결정과, 종방향으로 연장되는 입자 경계들을 갖지만 어떠한 횡방향 입자 경계들도 갖지 않는 원주상 결정 구조 모두를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 이러한 제2 형태의 결정질 구조는 방향성으로 고화된 미세구조들(방향성으로 고화된 구조들)로도 기재된다.The specification generally uses the term directionally solidified (solidified) microstructure, which has a single crystal that does not have any particle boundaries or at most small-angle boundaries, and which has longitudinally extending particle boundaries but which It should be understood to mean all of the columnar crystal structures that also have no transverse grain boundaries. This second type of crystalline structure is also described as directionally solidified microstructures (directionally solidified structures).
이러한 유형의 프로세스는 미국특허 제6,024,792호 및 유럽특허공개 제0 892 090 A1호에 개시되며, 이들 문서는 본 개시의 일부를 형성한다.Processes of this type are disclosed in US Pat. No. 6,024,792 and EP 0 892 090 A1, which documents form part of this disclosure.
블레이드 또는 베인(120, 130)은, 예를 들어 MCrAlX와 같이(여기서, M은 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni)로 이루어지는 그룹에서 선택되는 하나 이상의 원소, X는 활성 원소이며 이트륨(Y) 및/또는 실리콘 및/또는 하나 이상의 희토류 원소, 또는 하프늄(Hf)을 나타낸다), 부식 또는 산화를 방지하는 본 발명에 따른 보호층(8)을 마찬가지로 구비할 수 있다. 이러한 유형의 합금들은 유럽특허 제 0 486 489 B1호, 유럽특허 제 0 786 017 B1호, 유럽특허 제 0 412 397 B1호 또는 유럽특허출원공개 제 1 306 454 A1호에 개시되며, 이는 합금의 화학 조성에 관하여 본 개시의 일부분을 형성하게 된다.The blades or
예를 들어 ZrO2, Y2O4_ZrO3로 이루어지는 즉, 산화 이트륨 및/또는 산화 칼슘 및/또는 산화 마그네슘에 의해 불안정화, 부분적으로 안정화 또는 완전히 안정화되는 열 배리어 코팅(thermal barrier coating)이 MCrAlX 상에 존재하는 것이 또한 가능하다.A thermal barrier coating composed of, for example, ZrO 2 , Y 2 O 4 _ZrO 3 , i.e., unstabilized, partially stabilized or fully stabilized by yttrium oxide and / or calcium oxide and / or magnesium oxide, is formed on the MCrAlX phase. It is also possible to exist in.
예를 들어, 전자 비임 물리 기상 증착(EB-PVD)과 같은 적합한 코팅 프로세스에 의해 열 배리어 코팅에 원주상 입자들이 생성된다.For example, columnar particles are produced in the thermal barrier coating by a suitable coating process such as electron beam physical vapor deposition (EB-PVD).
일신(refurbishment)은 보호층들이 사용된 후 이들 보호층들이 (예를 들어, 샌드-블라스팅(sand-blasting)에 의해) 부품들(120, 130)로부터 제거되어야만 할 수 있음을 의미한다. 이때, 부식 및/또는 산화층 및 생성물들이 제거된다. 적절 하다면, 부품(120, 130) 내의 균열들도 수리된다. 이후에, 부품(120, 130)의 재코팅이 실시되며, 그 다음 부품(120, 130)이 재사용될 수 있다.Refurbishment means that these protective layers may have to be removed from the
블레이드 또는 베인(120, 130)은 중공 또는 중실의 형태를 갖는다. 블레이드 또는 베인(120, 130)이 냉각된다면, 이 블레이드 또는 베인(120, 130)은 중공이며 또한 막-냉각 구멍(film-cooling hole; 418)을 구비할 수 있다.The blades or
도 4는 가스 터빈(100)의 연소실(110)을 도시한다. 이 연소실(110)은 예를 들어 환형 연소실로서 공지된 것과 같이 구성되며, 여기서, 회전 축선(102) 둘레로 원주상으로 배열되는 화염(156)을 발생시키는 복수의 버너(107)가 공통 연소실 공간(154)으로 개방된다. 이를 위해, 연소실(110)은 전체에 걸쳐 회전 축선(102) 둘레로 위치되는 환형 구성을 갖는다.4 shows a
비교적 높은 효율을 달성하기 위해, 연소실(110)은 대략 1000 ℃ 내지 1600 ℃의 비교적 높은 온도의 작동 매체(M)에 대해 설계된다. 물질들에 대해 유리하지 않은 이들 작동 매개변수를 가질지라도 비교적 긴 사용 수명을 허용하기 위해, 연소실 벽(153)이 제공되며, 이 연소실 벽(153)의 일측면 상에서 작동 매체(M)와 마주하고, 이 연소실 벽(153)에는 열 차폐 요소(155)로부터 내부 라이닝이 형성된다.In order to achieve a relatively high efficiency, the
작동 매체측 상에서, 합금으로 제조된 각각의 열 차폐 요소(155)에 특히 내열 보호층(MCrAlX 층 및/또는 세라믹 코팅)이 제공되거나, 열 차폐 요소(155)가 고온을 견딜 수 있는 물질(고체 세라믹 덩어리)로 이루어진다.On the working medium side, each
이들 보호층들은 터빈 블레이드 또는 베인 즉 MCrAlX(여기서, M은 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 원소이며, X는 활성 원소이고 이트륨(Y) 및/또는 실리콘 및/또는 하나 이상의 희토류 또는 하프늄(Hf)이다)와 유사할 수 있다. 이러한 유형의 합금들은 유럽특허 제 0 486 489 B1호, 유럽특허 제 0 786 017 B1호, 유럽특허 제 0 412 397 B1호 또는 유럽특허출원공개 제 1 306 454 A1호에 개시되며, 이는 합금의 화학 조성에 관하여 본 개시의 일부분을 형성하게 된다.These protective layers are turbine blades or vanes, namely MCrAlX, where M is at least one element selected from the group consisting of iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is the active element and yttrium (Y) and / Or silicon and / or one or more rare earths or hafnium (Hf). Alloys of this type are disclosed in European Patent No. 0 486 489 B1, European Patent No. 0 786 017 B1, European Patent No. 0 412 397 B1 or European Patent Application Publication No. 1 306 454 A1. Regarding the composition, it forms part of the present disclosure.
예를 들어, 예컨대 ZrO2, Y2O4-ZrO2로 이루어진 즉, 이트륨 산화물 및/또는 칼슘 산화물 및/또는 마그네슘 산화물에 의해 안정되지 않은, 부분적으로 안정된 또는 완전히 안정된 세라믹 열 배리어 코팅(thermal barrier coating)이 MCrAlX 상에 존재하는 것이 또한 바람직하다. 예컨대 전자 비임 물리 기상 증착(electron beam physical vapor deposition; EB-PVD)와 같은 적합한 코팅 프로세스에 의해 열 배리어 코팅 내에 원주상 입자들이 생성된다.For example, such as ZrO 2, Y 2 O 4 -ZrO 2 that is composed of yttrium oxide and / or calcium oxide and / or that are not stabilized by the magnesium oxide, partially stabilized or fully stabilized ceramic thermal barrier coating (thermal barrier It is also preferred that the coating is present on MCrAlX. Cylindrical particles are produced in the thermal barrier coating by a suitable coating process such as, for example, electron beam physical vapor deposition (EB-PVD).
일신(refurbishment)은, 보호층들이 사용된 후 이들 보호층들이 (예를 들어, 샌드-블라스팅(sand-blasting)에 의해) 열 차폐 요소(155)로부터 제거될 수 있어야 한다는 것을 의미한다. 이때, 부식 및/또는 산화층들 및 생성물들이 제거된다. 적절하다면, 열 차폐 요소(155)의 균열도 또한 수리된다. 이후, 열 차폐 요소(155)의 재코팅이 실행된 후, 열 차폐 요소(155)가 재사용될 수 있다.Refurbishment means that after the protective layers have been used, these protective layers should be able to be removed from the heat shield element 155 (eg, by sand-blasting). At this time, the corrosion and / or oxide layers and products are removed. If appropriate, cracks in the
더욱이, 연소실(110)의 내부의 고온으로 인해, 열 차폐 요소(155) 및/또는 그 유지 요소를 위한 냉각 시스템이 제공될 수 있다. 이때, 열 차폐 요소(155)는 예를 들어 중공의 형태이며 연소실 공간(154) 안으로 개방되는 막-냉각 구멍(도시 안됨)을 구비할 수도 있다. 도 5는 가스 터빈(100)을 통한 부분적 종단면도를 실례로서 도시한다. 내부에서, 가스 터빈(100)은 회전 축선(102)을 중심으로 회전할 수 있도록 장착되며 터빈 회전자라고도 불리는 샤프트(101)를 갖춘 회전자(103)를 구비한다.Moreover, due to the high temperature inside the
흡입 하우징(104), 압축기(105), 예를 들어 공통축으로 배열된 복수의 버너(107)를 갖춘 환상면체형(toroidal) 연소실(110), 특히 환형 연소실, 터빈(108), 및 배출가스 하우징(109)이 회전자(103)를 따라 서로 이어진다.
환형 연소실(110)은 예를 들어 환형 고온-가스 통로(111)와 연통되며, 여기서, 실례로서4개의 연속되는 터빈 스테이지(112)가 터빈(108)을 형성한다 각각의 터빈 스테이지(112)가 예컨대 2개의 블레이드 또는 베인 링으로부터 형성된다. 작동 매체(113)이 유동 방향에서 보면, 고온-가스 통로(111) 내에서 일렬의 가이드 베인(115)에 이어 회전자 블레이드(120)로 형성된 열(row; 125)이 이어진다.The
가이드 베인(130)은 고정자(143)의 내부 하우징(138)에 고정되는 한편, 회전자 블레이드(120)의 열(125)은 예를 들어 터빈 디스크(133)에 의해 회전자(103)에 끼워맞춰진다. 회전자(103)에는 제너레이터(도시 안됨)가 결합된다.The guide vanes 130 are fixed to the inner housing 138 of the stator 143, while the
가스 터빈(100)이 작동되는 동안, 압축기(105)가 흡입 하우징(104)을 통해 공기(135)를 흡입하고 이를 압축시킨다. 압축기(105)의 터빈측 단부에 제공된 압축된 공기는 버너(107)로 공급되며, 여기서 연료와 혼합된다. 이후, 혼합물은 연소실(110)에서 연소되며, 작동 매체(113)를 형성한다. 거기서부터, 작동 매체(113)는 가이드 베인(130) 및 회전자 블레이드(120)를 지나 고온-가스 통로(111) 를 따라 유동한다. 작동 매체(113)는 회전자 블레이드(120)에서 팽창되며, 그 팽창 모멘텀을 전달하여, 회전자 블레이드(120)가 회전자(103)를 구동시키고 이어서 회전자(1093)가 이 회전자에 결합된 제너레이터를 구동시킨다.While the
가스 터빈(100)이 작동되는 동안, 고온 작동 매체(113)에 노출되는 부품들은 열 응력을 받게 된다. 작동 매체(113)의 유동 방향에서 볼 때, 제1 터빈 스테이지(112)의 회전자 블레이드(120) 및 가이드 베인(130)은 환형 연소실(110) 내부에 라이닝(lining)된 열 차폐 요소와 함께 가장 높은 열 응력을 받게 된다. 거기서 우세한 온도를 견딜 수 있기 위해서, 이들은 냉각제에 의해 냉각되어야 한다.While the
부품의 기질은 마찬가지로 방향성 구조를 가질 수 있는데 즉, 부품의 기질은 단결정 형태(SX 구조)를 취하거나 단지 종방향으로 배향된 입자(DS 구조)만을 갖는다. 실례로서, 철-계, 니켈-계 또는 코발트-계 초합금이 부품들에 대한 물질, 특히 터빈 블레이드 또는 베인(120, 130)의 부품들 및 연소실(110)의 부품들에 대한 물질로서 사용된다. 이러한 유형의 초합금들은 유럽특허 제 1 204 776 B1호, 유럽특허 제 1 306 454 B1호, 유럽특허출원공개 제 1 319 729 A1호, 국제특허출원공개 제WO 99/67435호, 또는 국제특허출원공개 제WO 00/44949호에 개시되며, 이는 합금의 화학 조성에 관하여 본 개시의 일부분을 형성하게 된다.The substrate of the part can likewise have a directional structure, ie the substrate of the part has a single crystal form (SX structure) or only has longitudinally oriented particles (DS structure). As an example, iron-based, nickel-based or cobalt-based superalloys are used as materials for the components, in particular for the components of the turbine blades or
블레이드 또는 베인(120, 130)은 또한 부식을 방지하는 코팅(MCrAlX; M은 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni)로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 원소이며, X는 활성 원소이며 이트륨(Y) 및/또는 실리콘 및/또는 적어도 하나의 회토류 우너소 또는 하프늄으로 나타내어진다)을 구비할 수도 있다. 이러한 유형의 합금 들은 유럽특허 제 0 486 489 B1호, 유럽특허 제 0 786 017 B1호, 유럽특허 제 0 412 397 B1호 또는 유럽특허출원공개 제 1 306 454 A1호에 개시되며, 이는 합금의 화학 조성에 관하여 본 개시의 일부분을 형성하게 된다.Blades or
예를 들어, 예컨대 ZrO2, Y2O4-ZrO2로 이루어진 즉, 이트륨 산화물 및/또는 칼슘 산화물 및/또는 마그네슘 산화물에 의해 안정되지 않은, 부분적으로 안정된 또는 완전히 안정된 세라믹 열 배리어 코팅(thermal barrier coating)이 MCrAlX 상에 또한 존재할 수 있다. 예컨대 전자 비임 물리 기상 증착(electron beam physical vapor deposition; EB-PVD)와 같은 적합한 코팅 프로세스에 의해 열 배리어 코팅 내에 원주상 입자들이 생성된다.For example, such as ZrO 2, Y 2 O 4 -ZrO 2 that is composed of yttrium oxide and / or calcium oxide and / or that are not stabilized by the magnesium oxide, partially stabilized or fully stabilized ceramic thermal barrier coating (thermal barrier coating) may also be present on the MCrAlX. Cylindrical particles are produced in the thermal barrier coating by a suitable coating process such as, for example, electron beam physical vapor deposition (EB-PVD).
가이드 베인(130)은 터빈(108)의 내부 하우징(108)과 마주하는 가이드 베인 루트(여기에 도시 안됨), 및 가이드 베인 루트로부터의 반대 단부에 위치되는 가이드 베인 헤드를 구비한다. 가이드 베인 헤드는 회전자(103)와 마주하며 고정자(143)의 고정 링(140)에 고정된다.The
Claims (28)
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KR1020087003673A KR20080057225A (en) | 2008-02-15 | 2005-07-22 | Method of repairing a component comprising a directed microstructure, by setting a temperature gradient during exposure to the laser heat; a component produced by such a method |
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