KR100199111B1 - 액상 소결을 이용하여 금속 제품을 수리 또는 접합시키기 위한 방법 및 그 조성물 - Google Patents

액상 소결을 이용하여 금속 제품을 수리 또는 접합시키기 위한 방법 및 그 조성물 Download PDF

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Abstract

금속 물질을 수리하거나 결합시키기 위해 이에 상응하는 금속분말을 고체상태에서 소결하여 조성물속에 다공질구조를 형성한다. 그후 브론, 실리콘과 같은 융점강하제를 혼합하기 위하여 개량된 저융점 브레이즈 합금층을 소결된 부근 표면에 첨가한다. 이때 조성물의 개량된 층은 녹지만 소결층과 매조금속은 고체상태를 유지하는 온도에서 처리한다. 이와같이 개량된 재료는 모세관 현상에 의해 소결층속으로 유입하여 액상소결을 촉진시켜 모재금속에 가까운 성질을 갖는 치밀한 결합물을 만든다.

Description

[발명의 명칭]
액상소결을 이용하여 금속제품을 수리 또는 접합 시키기 위한 방법 및 그 조성물
[발명의 분야]
본 발명은 금속 재료의 수리 또는 접합에 관한 것이고, 특히 니켈, 철 또는 코발트기 초합금 제품의 수리에 관한 것이다.
[발명의 배경]
니켈 및 코발트기 초합금으로 제조되는 개스 터빈 엔진 부품들은 제조과정 또는 서비스과정에서 발생되는 결함을 종종 포함한다. 이러한 부품들은 고가이기 때문에, 수리를 해서 사용해야 할 필요성이 있게 된다. 그러나, 적당한 수리 방법의 부재로 인하여, 현재 상기 부품의 많은 부분이 고철화되고 있는 실정이다. 미리 제작된 초합금 부품을 사용하는 것도 적당한 접합 기법이 마련되지 않았기 때문에 마찬가지로 제한된다.
몇 개의 수리 기법이 이미 개발되어 현재 특정 분야에서 사용되고 있다. 초합금을 융접(fusion welding)하는 것은 초합금이 융접과 관련하여 크랙을 형성하는 경향이 있기 때문에 어렵게 된다[탐부라지 등, Int. Met. Rev., 제28권, No. 1, 페이지 1-22(1983) 참조]. 저강도의 충진재를 사용하여 융접을 하는 것은 가능하지만, 불행하게도 이러한 방법은 낮은 응력이 작용하는 구역에만 사용될 수 있다.
초합금 부품을 수리 또는 접합하기 위하여 브레이징(brazing)도 통상적으로 사용된다. 몇몇 공정에 있어서는, 결함부위(defects)가 불화물 이온(미합중국 특허 제 4,098,450호 참조) 또는 수소[제이. 씨. 베이크, Welding J, Res. Supp., 8월호, 페이지 559-566(1971) 참조]에 의해 세척되므로써, 산화물은 크랙 또는 흠결부 표면으로부터 제거된다. 그리고나서, 브레이즈 합금(braze alloy)이 간극내로 유동되어 수리를 유효화하거나 또는 접합부를 형성한다. 이러한 기법에 있어서의 한가지 문제점은 세척절차의 적절성과 관련된다. 즉, 크랙 표면이 부적절하게 세척되는 경우에는, 불완전한 접합부가 형성된다. 브레이징에 있어서의 두 번째 문제점은, 용접 접합부에 있어서와 마찬가지로, 브레이징된 접합부가 전형적으로 모재 합금보다 취약하게 된다는데 있다. 확산 브레이징(diffusion brazing)은 브레이징의 변형으로서(미합중국 특허 제 3,678,570 호 참조), 충진재 합금이 모재 합금과 유사한 조성을 가지며, 모재 금속에 근접하는 레벨의 강도를 얻을 수 있다. 그러나, 적당한 접합시간이 얻어질 수 있도록 하기 위해서는, 매우 얇은 조인트 간극이 사용되어 상기 강도 레벨을 얻을 수 있어야 하는데, 그러한 얇은 간극이 수리 여건상 일반적으로 허용되는 것은 아니다.
브레이즈 충진재를 사용한 접합 또는 수리에 대한 다른 선택적인 접근은 넓은 간극용 브레이징 혼합물(wide gap brazing mixtures)을 사용하는 것이다. 상기 넓은 간극용 브레이징 혼합물은 고융점 합금과 브레이즈 합금의 혼합물이고, 상기 브레이즈 합금은 통상적인 형태의 것(미합중국 특허 제 3,155, 491 호 참조)이거나 또는 확산 브레이징 형태의 것(미합중국 특허 제 4,381,944 호 및 제 4,088,844 호 참조)일 수 있다. 상기 고융점 합금은 전형적으로 접합될 모재 금속과 유사한 조성을 가지며, 상기 브레이즈 합금은 통상 2-4% 붕소 및 실리콘을 포함한다. 30-70%의 브레이즈 합금을 함유하는 넓은 간극용 브레이징 혼합물이 사용되어 왔다. 브레이즈 합금 매트릭스에 있어서의 합금 입자들의 불균일한 조직이 전형적으로 얻어지게 되는데, 이러한 미세조직을 보다 균일화하기 위해 확산 열처리가 사용될 수 있다. 그러나, 접합부에 있어서의 융점 억제제의 평균적인 함량은 아직까지 1-3%의 붕소 및 실리콘 정도이다. 이러한 형태의 수리를 위해, 결함부위는 브레이징 혼합물이 사용되기 전에 연마되므로써 부적절한 세척과 관련된 문제점이 발생되는 것을 미연에 방지한다. 그러나, 접합부의 강도가 여전히 모재 금속의 강도보다 대체로 낮기 때문에, 이러한 방법에 따른 접합 또는 수리는 낮은 응력이 작용하는 구역에만 사용될 수 밖에 없다. 또한, 이러한 기법을 사용하는 것은 충진재와 터빈 부품에 사용되는 보호 코팅과의 양립성(compatibility)에 의해 제한된다[안토니 가워드, Superalloys, 페이지 745-754(1988) 참조]. 실리콘 및 붕소와 같은 융점 억제제의 높은 함량은 상기 보호 코팅의 성능에 악영향을 미친다.
넓은 간격 브레이징(wide gap brazing)에 관한 하나의 서술에 다르면, 고융점 합금은 접합부에 소결되므로써 다공성 조직을 형성할 수 있고, 상기 다공성 조직은 다음단계에서 브레이즈 합금으로 침윤된다(infiltrated)[췌이스틴 메츠거, Welding J., Res. Sup., 페이지 111s-117s(4, 1979) 참조]. 이에 따라, 브레이즈 합금의 매트릭스에 있어서, 분말 입자들의 명백하게 불균일한 조직이 생성되며, 상기 불균일한 조직은 모재 금속보다는 낮고 순수한 브레이즈 접합부보다는 높은 기계적 특성을 갖는다.
액상 접착(liquid phase bonding)이 니켈기 초합금들을 접합시키기 위해 사용될 수 있다는 것이 밝혀졌다[엠. 진딘 등, High Temp. Tech. 제 6 권, No. 1, 페이지 3-8(2, 1988) 참조]. 이러한 공정에 있어서는, 통상적인 초합금 분말들이 접합부에 위치되며, 상기 분말들은 부분적인 액화 및 가속적인 소결이 발생되는 온도로 가열된다. 불행히도, 이러한 온도에서는 접합되는 모재 합금들도 부분적으로 액화되며, 이에 따라 상기 액상 접착 기법은 완성된 형상의 부품을 수리 또는 접합시키기 위해서는 사용될 수 없게 된다.
상기 문헌들은 본 발명에서 참조로 인용된다.
[발명의 요약]
본 발명은 금속 제품에 있어서의 불연속부를 접합 또는 수리하기 위한 방법에 관한 것이다.
본 발명은 또한 상기 방법에 사용되는 충진재의 조성에 관한 것이다.
[도면의 간단한 설명]
이하, 첨부한 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상술하는 바, 첨부한 도면이 본 발명을 한정하는 것으로 간주되어서는 아니된다.
제1a, 1b, 1c, 1d, 1e 및 1f도는 본 발명에 따른 수리 방법의 흐름을 나타내는 단면도.
제2a, 2b, 2c, 2d 및 2e도는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수리 방법의 흐름을 나타내는 단면도.
제3a 및 3b도는 결함부위에 층을 형성하는 과정을 포함하는 본 발명의 또 다른 실시예를 나타내는 단면도.
제4도는 예1(a)에서 형성된 접합부에 대한 현미경 사진.
제5도는 예1 및 예2에서 형성된 접합부의 응력파열특성을 나타내는 그래프.
[발명의 상세한 설명]
본 발명의 방법은, 제1a도에 도시한 바와 같이, 접합부의 영역에서 수리또는 접합될 제품의 표면을 세척하는 단계를 포함한다. 그리고나서, 제1b도에 도시한 바와 같이, 바람직한 기계적인 특성 또는 환경 저항성을 갖는 분말이 공극(void)을 충진시키기에 충분한 양만큼 접합부에 인가된다. 전체 부품 또는 제작물은 상기 분말의 고상 소결(solid state sintering)이 발생되는 온도까지 진공, 불황성 분위기 또는 환원 분위기에서 가열된다. 상기 부품 또는 제작물은 분말의 부분적인 치밀화(densification)를 유효화하기에 충분한 시간동안 상기 온도에서 유지된다. 냉각을 하면, 접합 또는 수리 구역에는 제1c도에 도시한 바와 같은 다공성 금속조직이 생성된다. 모재와 유사한 조성을 갖는 브레이즈 합금 층 또는 분말이, 제 1d도에 도시한 바와 같이, 다공성 영역의 표면에 인가된다. 상기 브레이즈 합금 또는 분말 조성은 모재 합금 조성에 융점 억제제를 첨가하므로서 얻어지며, 상기 융점 억제제는 전기한 바 있는 소결온도 미만의 온도로 고상선(solidus)을 낮추게 된다. 상기 부품 또는 제작물은 상기 브레이즈 합금이 용융되는 온도까지 진공중에서 가열된다. 이러한 온도에 유지되는 동안, 상기 브레이즈 합금은 상기 다공성 영역으로 유입되어 상기 다공성 영역내의 틈새들을 부분적으로 충진시키게 된다(제1e도 참조). 액상의 존재로 인하여 소결이 증진되며, 접합부 영역에서 분말의 비교적 완전한 치밀화를 달성할 수 있게 된다. 완전한 치밀화를 유효화하기에 충분한 시간이 경과된 후에, 상기 부품 또는 제작물은 냉각된다. 이러한 공정의 결과로서 99+%정도의 치밀한 접합부를 얻을 수 있게 된다(제1f도 참조). 액상 소결(liquid phase sintering)을 증진시키기에 충분한 정도의 브레이즈 합금만이 사용되면 되기 때문에, 상기 접합부는 또한 최소량의 융점 억제제를 포함한다. 이러한 이유로, 모재 금속의 특성에 근접하는 특성을 얻을 수 있으며 코팅 시스템과의 양립성에 있어서도 아무런 문제가 발생되지 않는다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 수리 또는 접합될 제품의 모재 금속은 철, 니켈, 또는 코발트기 초합금 군들중의 하나이다. 수리될 영역이 결함부위를 포함하는 경우, 이러한 결함부위는 손상된 구역을 그라인딩하거나 또는 절단하므로서 제거된다.
불만 금속 충진재가 인가될 표면은 연마재 또는 광택이 있는 산화되지 않은 금속을 노출시키기 위한 특정의 화학적인 수단을 이용하여 세척된다. 선택적으로, 상기 공정은 산화 층들을 제거할 수 있는 개스 분위기에서 수행될 수 있다. 수소 함유 환원 분위기 또는 진공은 알루미늄을 포함하지 않는 합금들에 적당하고, 불소함유 분위기는 알루미늄을 포함하는 합금들에 사용될 수 있다.
접합부 또는 공극은 요구되는 기계적 및/또는 환경 저항적 특성을 갖는 분말 금속으로 충진된다. 특히, 상기 분말 금속의 조성은 높은 인장강도, 크리이프 강도, 경도, 산화 저항성, 부식 저항성, 또는 마모 저항성을 갖도록 선택될 수 있다. 그러므로, 특정의 경우에는, 모재 금속과 동일한 조성을 갖는 분말이 사용될 수 있다. 분말의 크기는 어떠한 등급의 것이라도 무방하다. 거칠은 입자와 미세한 입자의 혼합물을 사용하는 것이 바람직하며, 이와 같이 하므로서 더 큰 초기 패킹 밀도를 얻게 되고 소결이 증진되며 액상 소결을 위해 필요한 브레이즈 합금의 양이 감소된다. 처리중 분말이 적소에 유지되도록 하기 위해, 고온에서 증발되는 결합제 화합물(binder compound)이 사용될 수 있다. 분말이 접합부 또는 공극으로부터 누출되는 것을 방지하기 위해, 기계적인 댐(dam)이 사용될 수도 있다. 소결시의 수축을 보상하기 위해 특정 정도의 과충진(overfilling)이 필요하다.
수리될 제작물 또는 부품은 불활성 분위기, 환원 분위기 또는 진공하에서 노(furnace)내에 위치되고, 분말의 고상 소결을 증진시키기에 적당한 온도, 전형적으로는 1000-1400℃범위내의 온도로 가열된다. 상기 온도는 모재 합금에 유해한 결과를 초래하지 않도록 선택되어야 한다. 상기 온도는 초기 용융을 방지하기 위해 모재 합금의 고상선 미만이어야 하고, 입자 성장 또는 비가역적 상변환과 같은 고상 분화(solid state degradation)가 발생되지 않도록 하기 충분히 낮은 온도여야 한다. 상기 제작물 또는 부품은 부분적인 고상 소결이 일어나기에 충분한 시간동안 선택된 온도에서 유지된다. 고상 소결은, 분말 괴체(mass)또는 압문체(compact)내의 입자들이 고체 상태로 표면 확산에 의해 압밀되며(consolidated) 분말 자체는 고체상태로 유지되는 그러한 공정이다. 부분적인 고상 소결에 의해 100% 미만의 조밀성을 갖는 다공성 조직이 생성된다. 선택되는 온도에 따라 20분 내지 24시간 범위내의 시간이 적당하게 된다. 상기 제작물 또는 부품은 그리고나서 주위온도로 냉각된다.
그리고나서, 저융점 브레이즈 합금의 얇은 층이 부분적으로 소결된 영역의 표면에 부가된다. 전형적으로는, 0.5-3mm의 층이 부가된다. 상기 분말의 조성은 상기한 바 있는 최초로 사용된 분말의 경우에 있어서와 동일한 기준하에서 선택된다. 소결 온도 미만으로 고상선을 낮추기 위해 붕소 및 실리콘과 같은 융점 억제제가 첨가된다. 이러한 목적을 달성하기 위해 필요한 최소량의 융점 억제제가 사용되며, 전형적으로는 0.1-2%붕소 및 0.1-2%실리콘이 사용된다. 상기 브레이즈 합금은 분말로서 또는 테이프 또는 호일의 형태로 부가될 수 있다.
브레이즈 합금이 인가된 후에, 제작물 또는 부품은 진공, 불활성 분위기 또는 환원 분위기하에서 노내에 위치되며, 상기 부분적인 소결 사이클에서 사용되었던 온도와 유사한 온도, 전형적으로는 800-1600℃, 바람직하게는 1000-1400℃범위내의 온도로 가열된다. 상기 온도는, 저융점 브레이즈 합금이 액화되어 이전에 소결되었던 구역에 있는 소공들(pores)의 표면을 습윤시키도록, 선택된다. 상기 부품 또는 제작물은 액상 소결을 증진시키기에 충분한 시간동안, 전형적으로는 20분 내지 24시간동안, 선택된 온도에서 유지된다. 액상 소결은, 분말 괴체내의 근접한 입자들이 입자들 사이에 존재되는 액상 확산에 주로 근거하여 압밀되는 공정이다. 상기 부품 또는 제작물은 그리고나서 실온으로 냉각된다. 상기 부품 또는 제작물은 그리고나서 접합부 및 모재 금속의 기계적인 성질을 향상시키기 위해 적당한 열처리를 받는다. 열처리 기법의 하나로서, 열간 정수압 압축(hot isostatic pressing)이 사용되어 특정의 미소한 내부 다공부를 폐쇄시킬 수 있다. 열간 정수압 압축은 부품을 고압(10-50KSI) 및 1000℃이상의 온도에 동시에 노출시키는 공정이다.
상기 과정의 결과로서 모재 금속의 기계적인 특성과 유사한 기계적 특성을 가지면서 최소한의 융점 억제제 첨가량을 함유하는 접합부 또는 수리 구역이 얻어진다.
분말 금속 및 저융점 브레이즈 합금 모두를 교대적인 층으로서 또는 혼합물로서 동시에 인가하므로서 접합부 또는 수리 구역을 형성하는 것도 마찬가지로 가능하다. 부품은 그리고나서 모든 구성 합금이 고체상태로 존재되는 특정의 온도에서 부분 소결 처리된다. 부분적으로 소결된 구역은 그리고나서 저융점 브레이즈 합금이 액체로 되어 액상 소결이 발생될 수 있는 온도로 가열된다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 분말 금속의 부분적으로 소결된 층이 제2a도에 도시한 바와 같은 방법에 의해 준비된다. 저융점 브레이즈 합금의 층이 그리고나서 상기 부분적으로 소결된 구역(제2b도 참조)상에 인가되고, 부품은 브레이즈 합금의 용융은 발생되지만 특정의 현저한 침윤(infiltration)은 발생되지 않는 온도로 가열된다. 상기 온도는 완전한 침윤을 위해 필요한 온도보다 낮으며 전형적으로는 800-1200℃의 범위내로 된다. 이에 따라, 소결된 층의 상부에 표피부(skin)가 형성되며, 상기 표피부는 냉각되었을 때 상기 부분적으로 소결된 구역을 효과적으로 캡슐화한다(encapsulates)(제2c도 참조).
최종적으로, 상기 부품은 열간 정수압 압축 사이클에 처하여지며, 열간 정수압 압축에서는 상기 부분적으로 소결된 구역의 치밀화를 위해 높은 개스 압력(10-50psi) 및 브레이즈 합금의 재용융 온도 미만의 온도(800-1200℃)가 사용된다(제2d도 참조). 브레이즈 합금 조성 재료를 포함하는 외부 표피부는 그리고나서 제거된다(제2e도 참조). 이에 따라, 브레이즈 합금 조성을 포함하지 않는 접합부가 생성된다.
마찬가지로, 제품내의 결함부위도 수리될 수 있다. 결함부위의 표면은 표면산화물을 제거할 수 있는 적당한 분위기, 예컨대 수소 또는 불소 분위기에 노출되므로서 세척된다. 제3a도에 도시한 바와 같이, 전기한 바 있는 고상 소결 및 액상 소결을 포함하는 두 단계의 공정을 이용하므로서 결함부위상에 층이 형성된다. 상기 층은 결함부위를 효과적으로 덮으며, 결함부위를 외부 표면으로부터 밀봉시키게 된다. 부품은 그리고나서 열간 정수압 압축 처리를 받는다. 부품의 표면과 결함부위 표면의 압력차로 인하여 상기 결함부위는 없어지기 시작하며 표면들의 확산접착이 발생된다. 그러므로, 제3b도에 도시한 바와 같이, 부품으로부터 결함부위가 제거된다.
[예]
이하, 본 발명을 한정하는 것으로 간주되어서는 아니되는 특정의 예들을 참조로 하여 본 발명을 상술한다.
[예 1(a)]
16% 크롬(Cr), 8.5%코발트(Co), 1.75%몰리브덴(Mo), 2.6%텅스텐(W), 0.9%니오브(Nb), 3.4%티타늄(Ti), 3.4%알루미늄(Al), 0.01%붕소(B), 1.75%탄탈륨(Ta), 잔량 니켈(Ni) 및 가능한한 적은 함량의 실리콘(Si)이 공칭 조성을 갖는 니켈기 초합금인 IN738 플레이트들 사이에 접합부가 형성된다. 대응되는 조성을 갖는 -140 메시 및 -325 메시 입자 크기의 분말 혼합물이 진공하에서 4시간동안 1200℃의 온도에 노출되므로서 상기 접합부내에서 부분적으로 소결된다. 상기 모재 합금과 동일한 공칭 조성을 갖지만 1% 붕소 및 1% 실리콘이 첨가되는 브레이즈 합금층이 상기 접합 구역에 인가된다. 상기 접합부는 진공하에서 1200℃의 온도로 4시간동안 가열되며, 그리고나서 1120℃에서 2시간동안 그리고 845℃에서 24시간동안 시효된다(aged). 상기와 같은 처리의 결과로서 제4도에 도시한 바와 같은 완전하고 치밀한 접합부가 생성되었다. 상기 접합부로부터 채취한 시편에 대해 응력파열시험을 한 결과, 상기 접합부는, 제5도에 도시한 바와 같이, 모재 합금의 크리이프 강도에 근접하는 크리이프 강도를 갖는 것으로 나타났다.
[예 1(b)]
IN738분말 층이 예1(a)의 방법을 사용하여 AISI 304 스테인리스강 시트의 표면상에 침착되었다. 시트의 두께는 상기 표면상에 형성된 연속적인 층에 의해 0.025인치만큼 증가되었다. 상기 층은 재료의 산화 저항성을 증가시킨다.
[예 2]
제2예에서, 14%크롬, 9.5%코발트. 4%몰리브덴, 4%텅스텐, 5%티타늄, 3%알루미늄, 0.015%붕소 및 잔량 니켈의 공칭 조성을 갖는 레네(Rene)80분말의 -325메시 분말을 사용하여 IN738 합금제 플레이트들 사이에 접합부가 형성되었다. 상기 접합부는 진공하에서 1200℃의 온도로 2시간동안 부분적으로 소결되었다. 제1예와 동일한 공칭 조성을 갖는 브레이즈 합금 층이 상기 접합부상에 인가되었다. 상기 접합부는 진공하에서 1200℃의 온도로 2시간동안 가열되었고 1120℃에서 2시간동안 그리고 845℃에서 24시간동안 시효되었다. 결과적인 접합부는 완전하고 치밀하였다. 응력파열특성도, 제5도에 도시한 바와 같이, 모재 금속의 그것과 유사하였다.
[예 3]
예2에 제시된 기법을 사용하여 손상된 터빈 블레이드 및 베인에 대한 수리가 행하여졌다. 하나의 예에서, 레네 80합금 터빈 베인 부분품의 3/4인치 크랙이 손상된 구역을 제거하고 -325메시의 대응 합급 분말로 충진시킴으로써 수리되었다. 두 번째 예에서, 그 선단이 마찰에 의해 마모된 레네 80합금 터빈 블레이드에 0.100인치 만큼 높이를 증가시키도록 인가되는 분말 빌드업(power buildup)이 형성되었다. 상기 두 개의 부분품들은 예2에서와 같이 처리되었다.
[예 4]
비교를 위해, 채스틴 및 메츠커(Chasteen Metzger, supra)의 기법을 사용하여 AISI 304 스테인리스강 기질상에 분말 빌드업이 형성되었다. 레테 80분말층이 1130℃의 온도에서 30분동안 소결되었다. 7%크롬, 3%철, 6%텅스텐, 4.5%실리콘, 3%붕소 및 잔량 니켈의 조성을 갖는 브레이즈 합금 층이 소결 층상에 침착되었고 1130℃의 온도에서 30분동안 처리되었다. 이에 따라, 브레이즈 합금 매트릭스내에 합금 입자들이 포함되는 명백한 2성분 조직이 얻어졌다. 이러한 결과는 균일한 미세조직을 생성하는 본 발명의 결과와 대조되는 것이다.
[예 5]
예 1에 기재된 것과 동일한 양상으로, IN738합금으로부터 접합부가 준비되었다. 예 1의 처리에 이어서, 부품 또는 제작물은 1200℃의 온도에서 그리고 15,000psi의 아르곤 개스 압력하에서 2시간동안 열간 정수압 압축 사이클에 처하여졌다. 이러한 열간 장수압 압축에 의해 모든 잔류 다공부가 제거되었다. 응력파 열특성을 시험하기 위한 바아(bar)가 준비되었고 시험되었다. 제5도에 도시한 바와 같이, 모재 금속의 특성에 접근하는 특성이 얻어졌다.
[예 6]
용접 크랙들을 포함하는 용접된 IN738합금 터빈 블레이드가 상기 크랙들의 제거를 위해 처리되었다. 크랙이 형성된 구역은 처리되기 이전에 제거되지는 않았다. 대응되는 합금 분말 조성을 갖는 층이 크랙이 형성된 구역상에 인가되었고 진공하에서 그리고 1200℃의 온도에서 4시간동안 소결되었다. 그리고나서 예 1에서 사용된 것과 동일한 조성을 갖는 브레이즈 합금 층이 인가되었고, 블레이드는 진공하에서 1200℃의 온도로 4시간동안 처리되었고 15,000psi의 아르곤 개스압력하에서 1200℃의 온도로 2시간동안 열간 정수압 압축되었다. 표면 침착물은 처리후 제거되었다. 금속조직시험에 의해 크랙들이 완전히 제거됐다는 것이 밝혀졌다.
[예 7]
예 3에서와 같이, IN738 합금 터빈 블레이드 선단이 선택적인 공정에 의해 수리되었는 바, 상기 선택적인 공정에 있어서 IN738 분말 층이 첫 번째로 0.100인치의 두께로 침착되었다. IN738 합금과 동일한 조성을 갖지만 1%붕소 및 1%실리콘이 첨가되는 제2의 브레이즈 합금이 제1층의 상부에 인가되었다. 상기 블레이드가 진공하에서 1050℃의 온도로 4시간동안 가열되므로서, 양 분말의 부분적인 소결이 발생되었다. 그리고나서 블레이드는 동일한 노 사이클(furnace cycle)내에서 1200℃의 온도로 4시간동안 가열되며, 이에 따라 브레이즈 합금이 용융되므로서 IN738 분말의 완전한 액상 소결이 이루어지게 된다. 블레이드는 그리고나서 1120℃의 온도에서 2시간동안 그리고 845℃의 온도에서 24시간동안 시효된다. 이러한 열처리후에 블레이드 선단은 연마에 의해 그 본래의 형상으로 복원된다. 그러므로, 소결온도가 브레이즈 합금의 고상선 미만일 때, 하나의 가열 사이클동안 소결 및 브레이징이 완료될 수 있게 된다.
[예 8]
예 7에서와 같이 IN738 합금 터빈 블레이드가 수리되지만, IN738과 브레이즈 합금 분말의 균질 혼합물이 손상된 구역에 인가된다. 상기 분말 혼합물은 30%의 브레이즈 합금 및 70%의 IN738로 구성된다. 예 7에 기재된 것과 동일한 가열사이클을 사용하므로서, 분말들은 1020℃에서 고체상태 확산에 의해 부분적으로 소결되며, 그리고나서 1200℃에서 완전한 액상 소결이 이루어지게 된다. 열처리후에 잔여부분을 연마에 의해 제거하므로서, 블레이드는 본래의 크기로 복원된다.
[예 9]
IN792 터빈 휘일의 크랙이 연마에 의해 제거되며, 상기 연마에 의해 대체로 1/4 인치의 깊이와1/8 인치의 폭을 갖는 노치가 생성된다. 상기 노치는 IN738 합금 분말로 과충진되며, 이에 따라 접합부의 둘레에는 상기 노치를 충진시키고 남은 합금 분말이 잔류된다. 상기 IN738분말은 진공에서 1050℃의 온도로 4시간동안 소결된다. 중량 퍼센트로 19%크롬, 10%실리콘 및 잔량 니켈의 공칭 조성을 갖는, 시장에서 유통되고 있는(commercial), 브레이즈 합금(100)으로된 제2층이 제1의 소결된 층상에 인간된다. 부품은 그리고나서 진공에서 1100℃의 온도로 30분동안 가열되며; 이에 따라 브레이즈 합금의 부분적인 용융, 표면 밀봉 및 소결된 분말 표면내로의 브레이즈 합금의 제한적인 침윤이 발생된다. 상기 제1의 소결된 층은 50,000psi의 아르곤 개스 압력하에서 1050℃의 온도로 4시간동안 열간 정수압축될 때까지 그 다공성 조직을 보유한다. 이러한 사이클중, IN738 분말은 완전히 압밀된다. 상기 브레이즈 합금은 상기 최종 사이클중 용융되지 않으며 열간 정수압 압축 사이클중 IN738 분말에 대한 캡슐층(encapsulating layer)으로서 작용한다. 여분의 브레이즈 합금 및 IN738 합금은 연마과정에서 상기 부품으로부터 제거 된다.
[예 10]
블레이드 선단의 부식 저항성을 실질적으로 개선하기 위해, IN738 터빈 블레이드가 개조되었다. 첫 번째로 블레이드의 높이가 연마에 의해 0.050 인치 감소되었다. 32%니켈, 21%코발트, 8%알루미늄, 0.5%이트륨 및 잔량 코발트의 조성을 갖는, 시장에서 유통되고 있는, 합금(995)(통상적으로, M Cr Al Y 합금이라 호칭됨)가 블레이드의 선단 구역에 0.050 인치의 두께로 침착된다. 상기 층은 10-5토르(Torr)의 압력하에서 1200℃의 온도로 4시간동안 가열되어 분말의 부분적인 소결을 일으키게 된다. 19%크롬, 10%실리콘 및 잔량 니켈의 조성을 갖는, 제2의, 시장에서 유통되고 있는, 분말(100)이 상기 제1층의 상부에 침작된다. 상기 구조물은 10-5토르의 압력하에서 1155℃의 온도로 30분동안 열처리되며, 이에 따라 상기 제1층의 액상 소결 및 완전한 압밀이 이루어지게 된다. 블레이드 선단은 그리고 나서 본래의 크기로 복원된다. 선단 침착에 있어서의 크롬, 알루미늄, 실리콘 및 이트륨의 부가적인 농도는 유사한 사용조건에서 모재 합금 재료와 비교하여 볼 때 감소된 환경침식율(개선된 부식저항성)을 나타내는데 기여한다.
[예 11]
회전하는 IN738 터빈 블레이드의 선단과 마모성 밀봉 재료 사이에서 발생되는 마모 미캐니즘이 블레이드 선단의 금속 매트릭스에 경질 세라믹 입자들을 도입 시킴으로써 변경되었다. 0.001-0.020 인치 범위내의 크기를 갖는 세라믹 입자와 니켈 또는 코발트기 합금 분말의 혼합물이 터빈 블레이드의 선단에 침착되었다. 상기 세라믹 입자는 알루미늄 산화물로 구성된다. 상기 금속 합금 분말은 블레이드 합금 또는 M Cr Al Y 합금과 동일하게 될 수 있다. 상기 침착물은 10-5토르의 압력하에서 1100℃의 온도로 4시간동안 열처리되며, 이에 따라 세라믹 입자들은 포함하는 금속 입자의 부분적인 소결이 발생된다. 19%크롬, 10%실리콘 및 잔량 니켈의 조성을 갖는, 제2의, 시장에서 유통되고 있는, 분말(100)이 제1층상에 침착된다. 상기 제품은 그리고나서 10-5토르의 압력하에서 1155℃의 온도로 30분동안 열처리되며, 이에 따라 제1층의 액상 소결 및 완전한 압밀이 발생된다. 그리고 나서 블레이드 선단이 요구되는 크기로 기계가공되므로서 금속 침착물내의 세라믹 입자들이 노출된다. 따라서, 블레이드 선단과 시라우드 재료 사이의 마모는 부착공정이라기보다는 절단 미캐니즘의 양상으로 발생되며, 이에 따라 매끄러운 밀봉표면이 생성된다. 이러한 조건하에서는, 블레이드 선단의 마모가 감소되며 개스터빈의 작동 효율이 개선된다.
본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 본발명이 그에 한정되는 것이 아니고 이하의 특허청구의 범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 이탈하지 않는 한도내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화 될 수 있다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있다.

Claims (23)

  1. 액상 소결 방법에 있어서, 금속 분말 및 금속 또는 합금 기질이 고체상태로 존재되는 온도에서, 상기 금속 또는 합금 기질상에 상기 금속 분말을 부분적으로 고상 소결시키는 단계; 및 상기 금속 분말 및 상기 금속 또는 합금 기질보다 낮은 융점을 갖는 합금 층을, 상기 소결된 금속 분말의 표면에 인가학, 상기 금속 또는 합금 기질이 고체 상태로 존재되는 온도에서, 상기 소결된 금속 분말을 상기 낮은 융점을 갖는 합금으로 액상 소결시키는 단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 액상 소결 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 금속 또는 합금 기질이 철, 니켈 또는 코발트기 합금인 것을 특징으로 하는 액상 소결 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 금속 또는 합금기질이 철, 니켈 또는 코발트기 초합금인 것을 특징으로 하는 액상 소결 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 부분적인 고상 소결이 800-1600℃범위내의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 액상 소결 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 부분적인 고상 소결이 보호 분위기하에서 그리고 1000-1400℃ 범위내의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 액상 소결 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 금속 분말이 상기 금속 또는 합금 기질과 동일한 공칭 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 액상 소결 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 액상 소결이 800-1600℃ 범위내의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 액상 소결 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 액상 소결이 보호 분위기하에서 그리고 1000-1400℃ 범위내의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 액상 소결 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 낮은 융점을 갖는 합금이 상기 금속 또는 합금 기질의 공칭 조성에0.1-2%실리콘, 0.1-2%붕소 또는 그들의 조합물이 첨가된 공칭 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 액상 소결 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 낮은 융점을 갖는 합금이 상기 금속 분말의 공칭 조성에 0.1-2%실리콘, 0.1-2%붕소 또는 그들의 조합물이 첨가된 공칭 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 액상 소결 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 액상 소결이 완료된 후에 열간 정수압 압축 공정이 수행되는 것을 특징으로 하는 액상 소결 방법.
  12. 제1항에 있어서, 거칠고 미세한 금속 분말 입자들의 혼합물이 사용되는 것을 특징으로 하는 액상 소결 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 금속 또는 기질이 개스 터빈 엔진 부품인 것을 특징으로 하는 액상 소결 방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 소결되는 층이 기질내의 결함부위를 밀봉시키기 위해 형성되며, 상기 기질내의 결함부위는 후속적인 열간 정수압 압축에 의해 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 액상 소결 방법.
  15. 제1항에 있어서, 상기 금속 분말 및 낮은 융점을 갖는 합금의 층들이 공정을 수행하기 전에 인가되며, 그리고나서 상기 부분적인 고상 소결 단계 및 상기 액상 소결 단계가 단일 가열 사이클중 수행되는 것을 특징으로 하는 액상 소결 방법.
  16. 철, 니켈 또는 코발트기 초합금을 함유하는 초합금 기질을 포함하는 금속 또는 합금 제품에 있어서, 17-31%크롬, 6-11%알루미늄, 0.5-1%이트륨 및 잔량 철, 니켈 또는 코발트기 초합금을 포함하는 금속 분말을 800-1600℃ 범위내의 온도에서 상기 초합금 기질상에 부분적으로 고상 소결시킴으로써 상기 금속 분말 및 상기 초합금 기질이 고체상태로 존재되도록 하고; 상기 초합금 기질과 동일한 공칭 조성을 가지면서 0.1-2%실리콘, 0.1-2%붕소 또는 그들의 조합물을 포함하며 상기 초합금 기질 및 상기 금속 분말보다 낮은 융점을 갖는 저융점 합금층을 상기 고상 소결된 금속 분말의 표면에 인가하여, 상기 초합금 기질이 고체상태로 존재되는 800-1600℃ 범위내의 온도에서 상기 소결된 분말을 상기 저융점 합금층으로 액상 소결시킴으로써 제조되는 것을 특징으로 하는 금속 또는 합금 제품.
  17. 금속 또는 합금 제품을 수리 또는 접합시키기 위한 방법에 있어서, 수리 또는 접합 구역을 기계적으로 세척하여 산화물 및 결함을 제거하는 단계; 금속 분말을 인가하여 상기 수리 또는 접합 구역을 충진시키는 단계; 상기 수리 또는 접합 구역을 가열하여 상기 금속 분말을 부분적으로 고상 소결시키는 단계; 상기 금속 분말 및 수리 또는 접합될 제품보다 낮은 융점을 갖는 합금 층을 인가하는 단계; 및 상기 수리 또는 접합구역을 가열하여, 상기 수리 또는 접합될 제품 및 상기 금속 분말이 고체상태로 존재되는 온도에서 상기 낮은 융점을 갖는 합금을 용융시켜 상기 금속 분말을 액상 소결시키는 단계;로 구성되는 것을 특징으로 하는 금속 또는 합금 제품을 수리 또는 접합시키기 위한 방법.
  18. 액상 소결 방법에 있어서, 금속 또는 합금 기질에, 상기 금속 또는 합금 기질의 융점과 같거나 큰 융점을 갖는 금속 분말과 상기 금속 또는 합금 기질의 융점보다 낮은 융점을 갖는 저융점 합금 분말의 혼합물을 인가하는 단계; 및 상기 저융점 합금의 융점 미만의 온도에서 상기 분말 혼합물을 부분적으로 고상 소결시키고 상기 저융점 합금의 융점 이상의 온도에서 상기 부분적으로 소결된 분말 혼합물을 액상 소결시키는 단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 액상 소결 방법.
  19. 금속 또는 합금 제품을 수리하거나 접합시키거나 금속 또는 합금 제품에 물질을 첨가하기 위한 방법에 있어서, 금속 분말을 인가하여 접합 또는 수리 구역을 충진시키는 단계; 상기 접합 또는 수리 구역을 가열하여 상기 금속 분말을 부분적으로 고상 소결시키는 단계; 상기 금속 분말 및 상기 금속 또는 합금 제품보다 낮은 융점을 갖는 브레이즈 합금 층을 인가하는 단계; 상기 브레이즈 합금의 용융이 발생되고 최소한의 용융 유량에 의해 상기 부분적으로 소결된 영역 상부의 표면이 액상 소결되도록 하는 온도로 상기 접합 또는 수리 구역을 가열하는 단계; 및 상기 부분적으로 소결된 구역의 치밀화를 위해 제품을 열간 정수압 압축시키는 단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 저융점 브레이즈 합금에 있어서, 중량%로, 14-18%크롬, 7-10%코발트, 1.5-2%몰리브덴. 2-3.2%텅스텐, 0.6-1.2%니오브, 2.8-4.0%티타늄, 1.5-2%탄탈륨, 0.5-1%붕소, 0.5-1%실리콘 및 잔량 니켈로 구성되는 것을 특징으로 하는 저융점 브레이즈 합금.
  21. 제1항에 있어서, 상기 금속 분말이 17-31%크롬, 6-11%알루미늄, 0.5-1%이트륨 및 잔량 니켈, 코발트 또는 철을 함유하는 것을 특징으로 하는 액상 소결 방법.
  22. 합금 제품상에 마모 저항성 층을 형성하기 위한 방법에 있어서, 금속 분말 및 경질 입자의 혼합물을 인가하는 단계; 상기 제품을 가열하여 상기 금속 분말을 부분적으로 고상 소결시키는 단계; 상기 금속 분말 및 상기 합금 제품보다 낮은 융점을 갖는 합금 층을 인가하는 단계; 상기 제품을 가열하여 상기 낮은 융점을 갖는 합금 층을 용융시킴으로써 상기 제품 및 상기 금속 분말이 고체상태로 존재되는 온도에서 상기 금속 분말을 액상 소결시키는 단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 합금 제품상에 마모 저항성층을 형성하기 위한 방법.
  23. 제22항에 있어서, 상기 경질 입자가 금속의 질화물, 산화물, 탄화물, 붕화물 또는 그 혼합물인 것을 특징으로 하는 합금 제품상에 마모 저항성 층을 형성하기 위한 방법.
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