KR101301232B1

KR101301232B1 - 납땜 합금 및 부품 수리 방법

Info

Publication number: KR101301232B1
Application number: KR1020097021415A
Authority: KR
Inventors: 파울 하인츠; 로베르트 징어
Original assignee: 지멘스 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2007-03-14
Filing date: 2008-02-26
Publication date: 2013-08-28
Also published as: KR20100034729A; EP2117766A1; WO2008110454A1; JP2010520814A; US8613885B2; KR20120059653A; US20100025454A1; JP5780703B2

Abstract

종래 기술에 따른 많은 공지된 납땜 합금이 융점 저하제로서 실리콘 또는 보론을 이용하지만, 이는 열적-기계적 특성에 바람직하지 못한 영향을 미치는 취성 상을 형성한다. 납땜 합금은 갈륨 및/또는 게르마늄을 포함하고, 바람직하게는 Y' 상을 형상하고 개선된 기계적 특성을 갖는다.

Description

납땜 합금 및 부품 수리 방법{SOLDER ALLOYS AND METHOD FOR THE REPAIR OF A COMPONENT}

본 발명은 특허청구범위 제 1 항에 기재된 납땜 합금에 관한 것이고 그리고 제 17 항에 기재된 부품 수리를 위한 프로세스에 관한 것이다.

부품을 제조한 후에 수리를 필요로 하는 경우가 종종 있으며, 예를 들어 주조(casting) 후에 또는 사용 후에 균열이 형성되는 경우가 있을 것이다. 이러한 목적을 위한 수 많은 수리 프로세스가 있으며, 예를 들어 용접 프로세스가 있을 것이다; 그러나, 이러한 프로세스에서, 부품의 기저(substrate; 또는 기판) 물질을 부가적으로 용융시킬 필요성 있으며, 이는 특히 주물에 손상을 입히는 결과를 초래할 것이고 그리고 부품을 지향성으로 응고시키고(directionally solidified) 기저 물질 성분의 증발을 초래할 수 있을 것이다. 납땜 프로세스가 용접 프로세스를 위한 온도 보다 낮은 온도에서 실시되며, 그에 따라 기저 물질의 용융 온도 보다 낮은 온도에서 실시된다. 그럼에도 불구하고, 균열부가 땜납(solder)으로 충진될 수 있도록 또는 높은 작업 온도에서 침하부(depression)가 전체 부품을 약화(weaken)시키지 않도록, 땜납이 높은 강도를 가져야 한다.

그에 따라, 본 발명의 목적은 전술한 문제점을 극복할 수 있는 땜납 합금 및 부품 수리 프로세스를 제공하는 것이다.

이러한 목적은 특허청구범위 제 1 항에 기재된 납땜 합금으로 이루어진 땜납에 의해서 달성될 수 있을 것이며, 상기 땜납은:
갈륨 (Ga) 및/또는 게르마늄 (Ge), 그리고
선택적으로,
크롬 (Cr),
코발트 (Co),
알루미늄 (Al),
텅스텐 (W),
니켈을 포함하고,
이하의 조성 중 하나를 가지며,
여기에서 G = Ga 및/또는 Ge 이고:
Ni-Cr-G
Ni-Co-G
Ni-W-G
Ni-Al-G
Ni-Cr-Co-G
Ni-Cr-W-G
Ni-Cr-Al-G
Ni-Co-W-G
Ni-Co-Al-G
Ni-W-Al-G
Ni-Cr-Co-W-G
Ni-Cr-Co-Al-G
Ni-Cr-W-Al-G
Ni-Co-W-Al-G
Ni-Cr-Co-W-Al-G
이다.

다른 종속항들은 다른 수단들과 서로 원하는 방식으로 조합될 수 있는 추가적인 바람직한 수단들을 포함하며, 이들 수단은 다음과 같다:
- 상기 납땜 합금이 실리콘을 포함하지 않으며,
- 상기 납땜 합금이 탄소를 포함하지 않으며,
- 상기 납땜 합금이 철을 포함하지 않으며,
- 상기 납땜 합금이 망간을 포함하지 않으며,
- 상기 납땜 합금이 갈륨 (Ga)을 포함하고 게르마늄 (Ge)을 포함하지 않으며,
- 상기 납땜 합금이 게르마늄 (Ge)을 포함하고 갈륨 (Ga)을 포함하지 않으며,
- 상기 납땜 합금이 갈륨 (Ga) 및 게르마늄 (Ge)을 포함하며,
- 상기 납땜 합금에서, 갈륨 (Ga) 또는 게르마늄 (Ge) 함량이 3 중량% 이상이고,
특히, 갈륨 또는 게르마늄 함량이 3 중량% 이며,
- 상기 납땜 합금에서, 갈륨 (Ga) 또는 게르마늄 (Ge) 함량이 6 중량% 이상이고,
특히, 갈륨 또는 게르마늄 함량이 6 중량% 인,
- 상기 납땜 합금에서, 갈륨 (Ga) 또는 게르마늄 (Ge) 함량이 28 중량% 이하이고,
특히, 갈륨 또는 게르마늄 함량이 18 중량% 이하이며,
- 상기 납땜 합금에서, 갈륨 (Ga) 또는 게르마늄 (Ge) 함량이 13 중량% 이하이고,
특히, 갈륨 또는 게르마늄 함량이 13 중량% 이며,
- 상기 납땜 합금에서, 갈륨 (Ga) 또는 게르마늄 (Ge) 함량이 8 중량% 이하이고,
특히, 갈륨 또는 게르마늄 함량이 8 중량% 이며,
- 상기 납땜 합금이 18 중량% 내지 28 중량%, 특히, 20 중량%, 보다 특히 26 중량%의 게르마늄 (Ge)을 포함하고,
- 상기 납땜 합금이 21 중량% 내지 25 중량% 게르마늄 (Ge), 특히, 23 중량% 게르마늄 (Ge)을 포함하며,
- 상기 납땜 합금이 28 중량% 내지 35 중량% 갈륨 (Ga)을 포함하고,
- 상기 납땜 합금이 크롬 (Cr)을 특히, 0.1 중량% 이상 포함하고,
- 상기 납땜 합금 코발트 (Co)를 특히, 0.1 중량% 이상 포함하고,
- 상기 납땜 합금이 알루미늄 (Al)을 특히, 적어도 0.1 중량% 포함하며,
- 상기 납땜 합금이 텅스텐 (W)을 특히, 적어도 0.1 중량% 포함하며,
- 상기 납땜 합금이 티타늄 (Ti)을 특히, 적어도 0.1 중량% 포함하고,
- 상기 납땜 합금이 몰리브덴 (Mo)을 특히, 적어도 0.1 중량% 포함하고,
- 상기 납땜 합금이 탄탈륨 (Ta)을 특히, 적어도 0.1 중량% 포함하며,
- 상기 납땜 합금이 니켈 (Ni) 그리고 갈륨 (Ga) 또는 게르마늄 (Ge) 그리고
크롬 (Cr), 코발트 (Co), 텅스텐 (W) 및 알루미늄 (Al)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나의 추가적인 합금 원소를 포함하며,
- 상기 납땜 합금이 니켈 (Ni) 그리고 갈륨 (Ga), 또는 게르마늄 (Ge) 그리고 크롬 (Cr), 코발트 (Co), 텅스텐 (W) 및 알루미늄 (Al)으로 이루어진 그룹으로부터 배타적으로(exclusively) 선택된 2개의 추가적인 합금 원소를 포함하며,
- 상기 납땜 합금이 니켈 (Ni) 그리고 갈륨 (Ga), 또는 게르마늄 (Ge) 그리고 크롬 (Cr), 코발트 (Co), 텅스텐 (W) 및 알루미늄 (Al)으로 이루어진 그룹으로부터 배타적으로 선택된 3개의 추가적인 합금 원소를 포함하며,
- 상기 납땜 합금이 니켈 (Ni), 크롬 (Cr), 코발트 (Co), 텅스텐 (W), 알루미늄 (Al) 및 갈륨 (Ga) 또는 게르마늄 (Ge)을 포함하고,
- 상기 납땜 합금이 보론 (B) 및/또는 지르코늄 (Zr)을 포함하지 않으며,
- 상기 납땜 합금이 니켈 (Ni)을 가장 높은 중량비로 포함하고,
- 상기 납땜 합금이 니켈 (Ni)을 가장 높은 부비피(proportion by volume)로 포함하며,
- 상기 납땜 합금에서, 상기 크롬 함량이 2 중량% - 10 중량%, 특히, 3 중량% - 9 중량%, 보다 특히, 8 중량% 이고,
- 상기 납땜 합금에서, 상기 알루미늄 함량이 1 중량% - 5 중량%, 특히, 2 중량% - 4 중량%, 보다 특히, 3 중량% 이며,
- 상기 납땜 합금에서, 상기 텅스텐 함량이 2 중량% - 6 중량%, 특히, 3 중량% - 5 중량%, 보다 특히, 4 중량% 이고,
- 상기 납땜 합금에서, 상기 코발트 함량이 2 중량% - 10 중량%, 특히, 3 중량% - 9 중량%, 보다 특히, 8 중량% 이며,
- 상기 납땜 합금이 실리콘을 포함하지 않으며,
- 상기 납땜 합금이 탄소를 포함하지 않으며,
- 상기 납땜 합금이 철을 포함하지 않고,
- 상기 납땜 합금이 망간을 포함하지 않으며,
- 상기 납땜 합금이 텅스텐을 포함하지 않고,
- 상기 납땜 합금에서, 상기 알루미늄 함량이 1.0 중량% 내지 2.0 중량%, 특히, 1.5 중량% 이고,
- 상기 납땜 합금에서, 상기 텅스텐 함량이 1 중량% 내지 3 중량%, 특히, 2 중량% 이며,
- 상기 납땜 합금에서, 상기 코발트 함량이 3 중량% 내지 5 중량%, 특히, 4 중량% 이고,
- 상기 납땜 합금에서, 상기 크롬 함량이 3 중량% 내지 5 중량%, 특히, 4 중량% 이며,
- 상기 납땜 합금이 크롬 (Cr)을 포함하지 않고,
- 상기 납땜 합금이 코발트 (Co)를 포함하지 않으며 ,
- 상기 납땜 합금이 알루미늄 (Al)을 포함하지 않으며,
- 상기 납땜 합금에서, 상기 납땜 합금이 니켈, 게르마늄, 텅스텐 및 알루미늄으로 이루어지고,
- 상기 납땜 합금에서, 상기 납땜 합금이 니켈, 게르마늄, 코발트 및 텅스텐으로 이루어지며,
- 상기 납땜 합금에서, 상기 납땜 합금이 니켈, 게르마늄, 크롬 및 텅스텐으로 이루어지고,
- 상기 납땜 합금에서, 상기 납땜 합금이 니켈, 게르마늄, 크롬 및 코발트로 이루어지며,
- 상기 납땜 합금에서, 상기 납땜 합금이 니켈, 게르마늄, 코발트 및 알루미늄으로 이루어지고,
- 상기 납땜 합금에서, 상기 납땜 합금이 니켈, 게르마늄, 크롬 및 알루미늄으로 이루진다.
상기 목적은 제 17 항에 기재된 프로세스에 의해서 달성된다.
상기 프로세스는 부품(1)을 보수하기 위한 것으로서 땜납(10)을 특히 1140℃ 이상, 보다 특히 1160℃ 이상에서 이용하는 단계를 포함한다.
다른 종속항들은 프로세스를 위한 다른 수단들과 서로 원하는 방식으로 조합될 수 있는 추가적인 바람직한 수단들을 포함하며, 이들 수단은 다음과 같다:
- 상기 납땜 프로세스가 등온 조건하에서 실시되고,
- 상기 납땜 프로세스가 온도 구배에 의해서 실시되며,
- 상기 땜납이 지향성 응고되고, 특히 단결정 형태로 응고되며,
- 상기 땜납이 PWA 1483, PWA 1484 또는 Rene N5 합금에 대해서 사용되고,
- 상기 부품의 기판이 지향성 응고되고, 특히 단결정 형태로 응고되며,
- 상기 온도가 1160℃ 이고,
- 상기 온도가 1180 ℃ 이며,
- 상기 온도가 1200 ℃ 이고,
- 상기 온도가 1230 ℃ 이고,
- 상기 온도가 1260 ℃ 이며,
- 상기 온도가 1280 ℃ 이며,
- 상기 온도가 최대 1280℃, 특히 최대 1160 ℃ 이며,
- 10 mbar (1000 Pa) 미만의 특히, 약 1 mbar (100 Pa)의 전체(overall) 압력이 프로세스 챔버 내에서 설정되며,
- 상기 프로세스 챔버 내의 전체 압력이 0.1 mbar (10 Pa) 초과로 특히, 1 mbar (100 Pa) 초과로 설정되고,
- 부품이 땜납과 함께 프로세스 챔버 내에서 가열되기에 앞서서, 상기 프로세스 챔버가 불활성 가스로 특히, 10 시간 이상, 특히 48 시간 동안 퍼지되며,
- 상기 퍼지 작업의 처리량이 0.2 ℓ/min 및 1 ℓ/min 이고,
- 상기 퍼지 작업의 처리량이 1 ℓ/min 이며,
- 특히 순도 6.0의 상기 불활성 가스가 상기 프로세스 챔버 내로 도입되기에 앞서서 가스 청정 카트릿지를 통해서 필터링되며,
- 상기 납땜의 지속시간이 10 시간 이상, 특히 48 시간 이상이고,
- 상기 땜납(10)이 특히 다결정 형태(CC)의 부품 내에서 다결정 형태(CC)로 응고된다.

도 1은 본 발명에 따른 땜납을 이용한 처리 중의 그리고 처리 후의 두 부품의 단면을 도시한 단면도이다.

도 2는 터빈 블레이드 또는 베인(vane)의 사시도이다.

도 3은 연소 챔버의 사시도이다.

도 4는 가스 터빈을 도시한 도면이다.

도 5는 초합금을 기재한 표이다.

도 1은 본 발명에 따른 땜납 합금으로 이루어진 땜납(10)으로 처리되는 부품(1)을 도시한다. 부품(1)은 기판(4)을 포함하며, 상기 기판은, 특히 고온 용도를 위한 부품의 경우에, 특히 증기 또는 가스 터빈(100)(도 4 참조)을 위한 연소 챔버 요소(155)(도 3 참조) 또는 터빈 블레이드 또는 베인(120, 130)(도 2 참조)인 경우에, 니켈-계 또는 코발트-계 초합금으로 이루어진다(도 5 참조). 바람직하게, 땜납(10)은 도 5에 따른 모든 합금에 대해서 이용될 수 있을 것이다. 바람직하게, 이는 공지된 PWA 1483, PWA 1484 또는 Rene N5 물질일 수 있을 것이다. 땜납(10)은 또한 항공기용 블레이드 또는 베인에서도 사용될 수 있을 것이다.

땜납으로 충진되는 균열(7) 또는 침하부(7)가 기판(4) 내에 존재한다. 균열(7) 또는 침하부(7)는 바람직하게 약 200 ㎛ 의 폭과 5 mm 이하의 깊이를 가진다. 이러한 경우에, 땜납 합금으로 이루어진 땜납(10)이 침하부(7) 내로 또는 그에 인접하여 도포되고, 그리고 땜납(10)은 기판(4)의 용융 온도 미만의 열처리(+T)에 의해서 용융되고 그리고 침하부(7)를 완전히 충진한다.

땜납 합금(10)이 니켈을 기초로 하며, 그에 따라 상기 합금의 가장 큰 비율은 바람직하게 니켈(Ni)이 차지한다.

바람직하게, Ni-Ge 또는 Ni-Ga의 이원계 시스템이 이용된다. 바람직하게, 갈륨 (Ga) 함량은 적어도 0.1 중량% 이다. 유사하게, 게르마늄 함량도 적어도 0.1 중량% 인 것이 바람직하다. 이러한 적은 비율도 니켈 또는 니켈 합금의 납땜 거동에 영향을 미칠 것이다.

니켈 및 갈륨 및/또는 게르마늄의 잔류물(나머지)에 더하여, 크롬 (Cr), 코발트 (Co), 알루미늄 (Al) 및 티타늄 (Ti), 텅스텐 (W), 몰리브덴 (Mo) 또는 탄탈륨 (Ta)의 추가적인 성분이 바람직하게 존재할 수 있으며, 이러한 것이 이용된다면, 적어도 0.1 중량%의 비율로 이용되는 것이 바람직할 것이다.

바람직하게, 크롬 함량은 2 중량% - 10 중량% 이고, 특히 3 중량% - 9 중량% 이며, 특히 바람직한 예시적인 실시예는 4 중량% 또는 8 중량%의 크롬 함량을 가지며, 그에 따라 바람직한 크롬 값은 또한 3 중량% 내지 5 중량% 또는 7 중량% 내지 9 중량%, 바람직하게는 8 중량% 가 될 것이다. 크롬 함량은 또한 바람직하게 4 중량% 이다.

바람직하게, 알루미늄 함량은 1 중량% - 5 중량%, 특히 바람직하게 2 중량% - 4 중량% 이다. 특히 양호한 예시적인 실시예는 알루미늄 함량이 3 중량% 인 납땜 합금을 포함한다.

바람직하게, 텅스텐 함량은 2 중량% - 6 중량%, 특히 바람직하게 3 중량% - 5 중량% 이다. 텅스텐 함량이 4 중량% 일 때 특히 양호한 결과가 달성된다.

코발트 함량 2 중량% - 10 중량% 이고, 특히 바람직하게 3 중량% - 9 중량% 이다. 특히 바람직한 예시적인 실시예는 코발트 함량이 4 중량% 또는 8 중량% 이고, 그에 따라 특히 바람직한 코발트 함량은 3 중량% 내지 5 중량% 또는 7 중량% 내지 9 중량%, 특히 8 중량% 이다. 또한, 코발트 함량이 4 중량% 인 것이 바람직하다.

바람직하게, 갈륨 또는 게르마늄 함량 적어도 3 중량%, 특히 바람직하게 적어도 6 중량% 이다. 바람직하게, 게르마늄 또는 갈륨 함량은 18 중량% 의 최대 값으로 제한된다. 유사하게, 최대 갈륨 또는 게르마늄 함량이 바람직하게 13 중량% 이고 그리고 매우 특히 바람직하게 8 중량% 이다.

납땜 합금으로서의 니켈-계 초합금 내의 갈륨 (Ga) 함량은 바람직하게 28 중량% 내지 35 중량% 이다.

특히 이원계 시스템의 경우에 즉, NiGe20, NiGe23 또는 NiGe26의 경우에, 특히 단결정 형태의 응고의 경우에, 게르마늄 함량은 18 중량% 내지 28 중량%, 특히 20 중량%, 23 중량%, 26 중량% 또는 27 중량% 인 것이 바람직하다.

니켈, 크롬, 코발트, 텅스텐, 알루미늄, 갈륨 또는 게르마늄의 전술한 납땜 성분들은 바람직하게 최종적(conclusive)이다.

단지 갈륨 또는 게르마늄 만을 이용하는 것을 우선적으로 설명한다.

이하에서는, 유리하게 이용되는 합금의 최종적인 조성을 설명하면, 여기에서 합금은 게르마늄만을 또는 갈륨만을 또는 게르마늄 및 갈륨만을 포함한다(G = 갈륨 및/또는 게르마늄이며, 즉 Ga 만을 또는 Ge 만을 또는 Ga 및 Ge를 포함한다):

Ni-Cr-G

Ni-Co-G

Ni-W-G

Ni-Al-G

Ni-Cr-Co-G

Ni-Cr-W-G

Ni-Cr-Al-G

Ni-Co-W-G

Ni-Co-Al-G

Ni-W-Al-G

Ni-Cr-Co-W-G

Ni-Cr-Co-Al-G

Ni-Cr-W-Al-G

Ni-Co-W-Al-G

Ni-Cr-Co-W-Al-G 이다.

땜납(10)은 바람직하게 보론을 포함하지 않는다. 유사하게 그리고 바람직하게, 땜납(10)은 지르코늄을 포함하지 않는다. 유사하게 그리고 바람직하게, 레늄(rhenium) 첨가를 생략할 수 있다. 유사하게, 하프늄을 이용하지 않는 것이 바람직하다.

실리콘 및/또는 탄소의 존재 또는 첨가를 피하는 것이 바람직한데, 이는 이들이 땜납 내에서 취성(brittle)의 상(phases)을 형성하기 때문이다.

유사하게, 철 및/또는 망간의 존재 또는 첨가를 피하는 것이 바람직한데, 이는 이들 원소가 저-융점 상 또는 비-산화 상(non-oxidizing phases)을 형성하기 때문이다.

땜납(10)은 등온 프로세스 또는 온도 구배 프로세스에서 부품(1, 120, 130, 155))의 기판(4)으로 결합(join)된다. 기판(4)이 예를 들어 SX 또는 DS 조직을 가지는 지향성 조직(directional structure)를 가지는 경우에, 땜납도 지향성 조직를 가질 수 있도록, 바람직하게는 온도 구배 프로세스가 적합하다. 그러나, 땜납 내의 지향성 응고 조직은 또한 등온 프로세스에서도 제공될 수 있을 것이다.

마찬가지로, 부품(1)은 반드시 지향성으로 응고된 조직을 가질 필요가 없다(그보다는 CC 조직). 부품의 CC 기판에서의 땜납은 CC 조직내에서 유사하게 납땜될 것이고 그리고 응고될 것이며, 그러한 땜납은 다결정 형태(CC)로 응고된다.

이하의 땜납은 특히 땜납의 다결정 응고와 관련된 것들이다.

NiGe

NiGeW4Al3

NiGeCo8W4

NiGeCr8W4

NiGeCr8Co8W4Al3

NiGeCr8Co8

NiGeCo8Al3

NiGeCr8Al3

NiGeCr4Co4W2Al1.5.

이러한 경우에, 게르마늄 함량은 20 중량% - 30 중량% 이고, 특히 26 중량% 또는 27 중량% 이다.

(등온 프로세스 또는 온도 구배 프로세스에서의) 용융 중에, 고온에서 기판(4)으로부터 크롬이 증발되는 것을 감소시키는 불활성 가스, 특히 아르곤을 이용하는 것이 바람직하며, 또는 환원 가스(아르곤/수소)가 이용된다.

또한, 특히 중공형(hollow) 부품들의 경우에, 기판(4)을 두껍게 하기 위해서 땜납(10)이 부품(1, 120, 130, 155)의 표면의 넓은 면적에 도포된다. 바람직하게, 땜납(10)을 이용하여 균열(7) 또는 침하부(7)를 충진한다.

프로세스 및 그 프로세스의 파라미터

땜납(10) 또는 부품(1, 120, 130, 155)이 산화될 때 종종 실행되는 바와 같이 땜납(10)이 진공하에서 납땜될 때, 불활성 가스(Ar, He, Ar/He, H₂...)의 이용 및/또는 진공의 이용은 부품(1, 120, 130, 155)의 성분(constituents)과 관련한 문제 또는 매우 낮은 프로세스 압력에서의 땜납(10) 증발 문제를 초래한다. 과도하게 높은 산소 부분압(p_O2)에서, 땜납(10) 또는 부품(1, 120, 130, 155)이 산화된다.

그에 따라, 본 발명에 따른 프로세스는 또한 프로세스 챔버 내의 진공하에서 납땜 프로세스를 실시하는 것, 바람직하게는 산소 부분압(p_O2)이 최대10^-6 mbar (10^-4 Pa)인 퍼니스(furnace)에서 실시 하는 것을 바람직하게 제안한다. 산소 부분압(p_O2)은 바람직하게 10^-7 mbar (10^-5 Pa) 이상이다.

바람직하게, 전체적인 프로세스 압력은 최대 100 mbar (10　000 Pa), 특히 최 대 10 mbar (1000 Pa)이다. 바람직하게, 전체 프로세스 압력은 적어도 0.1 mbar (10 Pa)이다. 1 mbar (100 Pa)에서 특히 양호한 납땜 결합이 얻어졌다.

특히, 프로세스 챔버 내부가 진공이고, 바람직하게 계속적으로 펌핑 배출(pumped out)되고, 납땜 이전에, 바람직하게 불활성 가스, 바람직하게 (Ar) (Ar 5.0, 바람직하게 Ar 6.0)로 퍼지되기 때문에, 이러한 압력값들이 달성된다. 바람직하게, 적어도 10 시간, 특히 48 시간 동안, 0.2 ℓ/min 내지 1 ℓ/min의 통과 유량으로 실시된다.

이러한 경우에, 아르곤 6.0을 이용하는 것(이는 프로세스 가스 내의 산소 함량이 5 x 10^-7 라는 것을 의미한다)이 바람직하나, 산소 및 물의 함량이 100 배(a foctor of 100) 만큼 감소되어 프로세스 챔버 내로 도입되는 프로세스 가스 내의 산소 함량이 5 x 10^-9 가 되도록 바람직하게 가스 세정 카트릿지를 통해서 필터링된다.

유사하게, 납땜 공정 중에 아르곤이 전술한 압력 값 내에 있는 것이 바람직하다.

납땜 프로세스 동안의 온도는 적어도 1140℃, 특히 적어도 1160℃이다. 또한 바람직한 납땜 온도가 1160℃, 1180℃, 1200℃, 1230℃ 및 1260℃ 이다. 최대 온도가 바람직하게 1280℃ 이고, 특히 최대 1260℃ 이다.

바람직하게, 납땜 처리의 지속시간은 적어도 10 시간, 특히 48 시간이다.

도 2는 길이방향 축선(121)을 따라 연장하는 터보머신의 회전자 블레이 드(120) 또는 가이드 베인(130)을 도시한 사시도이다.

터보머신은 증기 터빈, 압축기 또는 전기 생산을 위한 발전 플랜트의 가스 터빈 또는 항공기의 가스 터빈일 수 있다.

블레이드 또는 베인(120, 130)은, 길이방향 축선(121)을 따라 연속적으로, 고정 영역(400), 인접 블레이드 또는 베인 플랫폼(403) 및 메인 블레이드 또는 베인 부분(406) 및 블레이드 또는 베인 선단부(tip; 415)를 구비한다. 가이드 베인(130)으로서, 베인(130)은 추가적인 플랫폼(도시 하지 않음)을 베인 선단부(415)에 구비할 수 있을 것이다.

회전자 블레이드(120, 130)를 샤프트 또는 디스크(도시 하지 않음)에 고정하는데 이용되는 블레이드 또는 베인 기부(root; 183)가 고정 영역(400)에 형성된다. 블레이드 또는 베인 기부(183)는, 예를 들어, 해머헤드 형태로 디자인된다. 전나무 형태(fir-tree) 또는 도브테일(dovetail)형 기부와 같은 다른 형태도 가능할 것이다. 블레이드 또는 베인(120, 130)은 메인 블레이드 또는 베인 부분(406)을 통과해 유동하는 매체를 위한 선단 엣지(409) 및 후단 엣지(412)를 구비한다.

종래의 블레이드 또는 베인(120, 130)의 경우에, 예를 들어, 중실형(solid) 금속 재료, 특히 초합금, 특히 도 5에 따른 초합금이 블레이드 또는 베인(120, 130)의 모든 영역(400, 403, 406)에 대해서 사용된다.

이러한 타입의 초합금이, 예를 들어, EP 1 204 776 B1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 A1, WO 99/67435 또는 WO 00/44949에 개시되어 있으며; 이들 공보들은 합금의 조성과 관련하여 본원의 개시 내용의 일부를 형성한다. 이러한 경우에, 블레 이드 또는 베인(120, 130)은 주조 프로세스에 의해서, 지향성 응고에 의해서, 단조 프로세스에 의해서, 밀링 프로세스에 의해서 또는 이들의 조합에 의해서 제조된다.

단결정 조직 또는 조직들을 가지는 공작물(workpieces)이 작동중에 높은 기계적, 열적 및/또는 화학적 스트레스에 노출되는 기계를 위한 부품으로서 이용된다.

이러한 타입의 단결정 공작물은, 예를 들어, 용융체의 지향성 응고(directional solidification)에 의해서 제조된다. 이는 단결정 조직 즉, 단결정 공작물을 형성하기 위해서 액체 금속 합금을 응고시키는 또는 지향성 응고시키는 주조 프로세스를 포함한다. 이러한 경우에, 수지상(dendritic) 결정이 열 유동의 방향을 따라 배향되고(oriented) 주상형 결정 입자(columnar crystalline grain) 조직(즉, 일반적으로 사용되는 언어에서와 같이, 공작물의 전체 길이를 따라 연장하는 입자들을 지향성 응고된 것이라 지칭한다) 또는 단결정 조직을 형성하며, 다시 말해서 전체 공작물이 하나의 결정으로 이루어진다. 이러한 프로세스에서, 구형(globular)(다결정) 응고로의 전환은 피해야 하는데, 이는 비-지향성 성장은 불가피하게 횡방향 및 길이방향 입계(粒界)를 형성하기 때문이고, 이는 지향성 응고된 또는 단결정 성분의 바람직한 특성을 상쇄시키기 때문이다. 본원 명세서에서 지향성 응고된 미세조직이라는 일반적인 용어가 기재된 경우에, 입계를 가지지 않는 또는 기껏해야 작은-각도 입계(small-angle grain boundaries)를 가지는 단결정, 그리고 길이방향으로 연장하는 입계를 가지고 횡방향으로 연장하는 입계는 가지지 않는 주상형 결정 조직 모두를 의미하는 것으로 이해할 수 있을 것이다. 이러한 제 2 타입의 결정 구조 역시 지향성 응고형 미세조직(지향성 응고된 조직)으로서 설명된다. 이러한 타입의 프로세스가 US-A 6,024,792 및 EP 0 892 090 A1에 개시되어 있으며; 이들 공보들은 응고 프로세스와 관련하여 본원 명세서의 개시 내용의 일부를 형성한다.

유사하게, 블레이드 또는 베인(120, 130)은 예를 들어 부식 또는 산화로부터의 보호를 위한 코팅을 가질 수 있다(MCrAlX; 이때 M 은 적어도 철 (Fe), 코발트 (Co), 니켈 (Ni)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 원소이고, X 는 활성 원소이고 그리고 이트륨 (Y) 및/또는 silicon 및/또는 적어도 하나의 희토류 원소, 또는 하프늄 (Hf)을 나타낸다). 이러한 타입의 합금이 EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 B1, EP 0 412 397 B1 또는 EP 1 306 454 A1로부터 공지되어 있으며, 이는 합금의 화학 조성과 관련하여 본 명세서의 일부 개시 내용을 형성한다. 밀도는 바람직하게 이론적인 밀도의 95% 이다.

보호용 알루미늄 산화물 층(TGO = 열적 성장 산화물 층)이 MCrAlX 층 상에 (중간 층 또는 가장 외측 측으로서) 형성된다.

바람직하게, 상기 층은 Co-30Ni-28Cr-8Al-0.6Y-0.7Si 또는 Co-28Ni-24Cr-10Al-0.6Y 의 조성을 가진다. 이러한 코발트-계 보호 코팅에 더하여, Ni-10Cr-12Al-0.6Y-3Re 또는 Ni-12Co-21Cr-11Al-0.4Y-2Re 또는 Ni-25Co-17Cr-10Al-0.4Y-1.5Re 와 같은 니켈-계 호보 층을 바람직하게 이용할 수 있을 것이다.

또한, 예를 들어, 바람직하게 최외측 층이고 그리고 예를 들어 ZrO₂, Y₂O₃-ZrO₂ 으로 이루어진 즉, 이트륨 산화물 및/또는 칼슘 산화물 및/또는 마그네슘 산화 물에 의해서 안정화되지 않은(unstabilized), 부분적으로 안정화된 또는 완전히 안정화된 열적 배리어(barrier) 코팅이 MCrAlX 상에 존재할 수도 있을 것이다. 열적 배리어 코팅은 전체 MCrAlX 층을 덮는다. 예를 들어 전자 비임 물리 기상 증착(EB-PVD)과 같은 적절한 코팅 기술에 의해서 주상형 입자들이 열적 배리어 코팅 내에 생성된다. 다른 코팅 프로세스들, 예를 들어 대기압 플라즈마 스프레잉(atmospheric plasma spraying; APS), LPPS, VPS 또는 CVD도 이용 가능할 것이다. 열적 쇼크에 대한 내성을 개선하기 위해서, 열적 배리어 코팅이 다공성 입자를 포함할 수 있고 또는 미세-균열이나 조대(macro)-균열을 포함할 수 있을 것이다. 그에 따라, 바람직하게, 열적 배리어 코팅이 MCrAlX 층 보다 더 다공성이 된다.

개장(refurbishment)이라는 말은, 사용 후에 부품(120, 130)으로부터 보호 층들을 (예를 들어, 샌드-블래스팅에 의해서) 제거할 수 있다는 것을 의미한다. 이어서, 부식 및/또는 산화 층 그리고 그 생성물들이 제거된다. 만약 해당된다면(if appropriate), 부품(120, 130) 내의 균열들도 보수된다. 그 후에, 부품(120, 130)을 재코팅하고, 이어서 부품(120, 130)을 재사용할 수 있을 것이다.

블레이드 또는 베인(120, 130)이 중공형 또는 중실형일 수 있을 것이다. 블레이드 또는 베인(120, 130)이 냉각된다면, 그 부품들은 중실형일 것이고 또한 필름-냉각 홀(film-cooling holes;418 ; 점선으로 표시됨)을 구비할 수 있을 것이다.

도 3은 가스 터빈의 연소 챔버(110)를 도시한다. 연소 챔버(110)는, 예를 들어 환형 연소 챔버로 공지된 것과 같이 구성되며, 여기에서 불꽃(flames; 156)을 생성하는 다수의 버너(107)가 회전 축선(102)을 중심으로 원주방향으로 정렬되고 공통의 연소 챔버 공간(154)으로 개방된다. 이러한 목적을 위해서, 전체적인 연소 챔버(110)는 회전 축선(102)을 중심으로 배치된 환형 형태가 된다.

상대적으로 높은 효율을 달성하기 위해서, 연소 챔버(110)는 약 1000℃ 내지 1600℃의 작동 매체(M)의 비교적 높은 온도에 맞춰 디자인된다. 재료에 유해한 이러한 작업 파라미터들에서도 비교적 긴 서비스 수명을 제공하기 위해서, 연소 챔버 벽(153)이 작동 매체(M)와 마주하는 측면 상에서 열 차폐 요소(155)로 형성된 내측 라이닝을 구비한다. 작동 매체 측면상에서, 합금으로 제조된 각각의 열 차폐 요소(155)가 특별한 내열성 보호 층(MCrAlX 층 및/또는 세라믹 코팅)을 구비하거나 또는 고온을 견딜 수 있는 물질(중실형 세라믹 벽돌)로 제조된다.

이러한 보호 층은 터빈 블레이드 또는 베인과 유사할 수 있고, 다시 말해서 예를 들어 MCrAlX 일 수 있으며: 이때 M 은 적어도 철 (Fe), 코발트 (Co), 니켈 (Ni)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 원소이고, X 는 활성 원소이고 그리고 이트륨 (Y) 및/또는 실리콘 및/또는 하나 이상의 희토류 원소 또는 하프늄 (Hf)을 나타낸다. 이러한 타입의 합금이 EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 B1, EP 0 412 397 B1 또는 EP 1 306 454 A1로부터 공지되어 있으며, 이들 공보는 합금의 화학적 조성과 관련하여 본원 명세서의 개시 내용의 일부를 형성할 것이다.

또한, 예를 들어, 세라믹 열적 배리어 코팅이 예를 들어 MCrAlX 상에 존재할 수 있고, 이는 예를 들어 ZrO₂, Y₂O₃-ZrO₂로 이루어질 수 있으며, 즉 이트륨 산화물 및/또는 칼슘 산화물 및/또는 마그네슘 산화물에 의해서 안정화되지 않고, 부분적으로 안정화되고, 또는 완전히 안정화된다. 전자 비임 물리 기상 증착(EB-PVD)과 같은 적절한 코팅 기술에 의해서 주상형 입자들이 열적 배리어 코팅 내에 생성된다. 다른 코팅 프로세스들, 예를 들어 대기압 플라즈마 스프레잉, LPPS, VPS 또는 CVD도 이용 가능할 것이다. 열적 쇼크에 대한 내성을 개선하기 위해서, 열적 배리어 코팅이 다공성 입자를 포함할 수 있고 또는 미세-균열이나 조대-균열을 포함할 수 있을 것이다.

개장(refurbishment)이라는 말은, 사용 후에 열 차폐 요소(155)로부터 보호 층들을 (예를 들어, 샌드-블래스팅에 의해서) 제거할 수 있다는 것을 의미한다. 이어서, 부식 및/또는 산화 층 그리고 그 생성물들이 제거된다. 만약 해당된다면(if appropriate), 열 차폐 요소(155) 내의 균열들도 보수된다. 그 후에, 열 차폐 요소(155)를 재코팅하고, 이어서 열 차폐 요소(155)를 재사용할 수 있을 것이다.

또한, 연소 챔버(110) 내부의 고온으로 인해서, 냉각 시스템이 열 차폐 요소(155) 및/또는 그들의 홀딩 요소에 대해서 제공될 수 있을 것이다. 열 차폐 요소(155)는, 예를 들어, 중공형일 수 있고, 그리고 연소 챔버 공간(154) 내로 개방된 냉각 홀(도시 하지 않음)을 구비할 수도 있을 것이다.

도 4는, 예로서, 가스 터빈(100)의 길이방향 부분 단면도를 도시한다. 내부에서, 가스 터빈(100)은 회전 축선(102)을 중심으로 회전될 수 있도록 장착되고 터빈 회전자로서 지칭되는 샤프트(101)를 구비하는 회전자(103)를 포함한다.

흡기 하우징(104), 압축기(105), 예를 들어, 도넛형(toroidal)의 연소 챔버(110), 특히 환형 연소 챔버가 회전자(103)를 따라서 서로의 뒤를 따라 이어지며, 상기 연소 챔버는 다수의 동축적으로 정렬된 버너(107), 터빈(108) 및 배기-가스 하우징(109)을 구비한다. 환형 연소 챔버(110)는 예를 들어 환형 고온-가스 통로(111)와 소통되며, 그 곳에서 예를 들어 4개의 연속적인 터빈 스테이지(112)가 터빈(108)을 형성한다.

각 터빈 스테이지(112)가, 예를 들어, 2개의 블레이드 또는 베인 링들로부터 형성된다. 작동 매체의 유동 방향(113)에서 볼 때, 고온-가스 통로(111)에서, 가스 터빈(115)의 열(row)이 회전자 블레이드(120)로 형성된 열(125)에 따라서 이어진다.

가이드 베인(130)은 고정자(143)의 내측 하우징(138)에 고정되는 한편, 열(125)의 회전자 블레이드(120)는 예를 들어 터빈 디스크(133)에 의해서 회전자(103)에 장착된다. 발전기(도시 하지 않음)가 회전자(103)에 커플링된다.

터빈(100)이 작동되는 동안, 압축기(105)가 흡기 하우징(104)을 통해서 공기(135)를 흡입하고 압축한다. 압축기(105)의 터빈-측 단부에서 제공되는 압축된 공기가 버너(107)로 전달되고, 여기에서 연료와 혼합된다. 이어서, 혼합물이 연소 챔버(110) 내에서 연소되어, 작동 매체(113)를 형성한다. 그 곳으로부터, 작동 매체(113)는 고온-가스 통로(111)를 따라서 그리고 가이드 베인(130) 및 회전자 블레이드(120)를 통과하여 유동한다. 작동 매체(113)는 회전 블레이드(120)에서 팽창되고, 모멘텀을 전달하며, 그에 따라 회전자 블레이드(120)가 회전자(103)를 구동 시키고 그리고 회전자(103)는 다시 커플링된 발전기를 구동시킨다.

가스 터빈(100)이 작동되는 동안에, 고온 작동 매체(113)에 노출되는 부품들은 열적 스트레스를 받는다. 제 1 터빈 스테이지(112)의 가이드 베인(130) 및 회전자 블레이드(120)는, 적의 유동 방향에서 볼 때, 환형 연소 챔버(110)를 라이닝하는 열 차폐 요소와 함께, 가장 높은 열적 스트레스를 받는다. 해당 온도에 견딜 수 있도록, 냉매에 의해서 냉각될 수 있을 것이다. 유사하게, 부품의 기판들이 지향성 조직을 가질 수 있으며, 다시 말해, 단결정 형태(SX 조직)이거나 또는 길이방향 배향 입자들(DS 조직) 만을 가질 수 있을 것이다. 예를 들어, 철-계, 니켈-계, 또는 코발트-계 초합금이 부품을 위한, 특히 터빈 블레이드 또는 베인(120, 130)을 위한 그리고 연소 챔버(110)를 위한 물질로서 이용된다. 이러한 타입의 초합금이EP 1 204 776 B1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 A1, WO 99/67435 또는 WO 00/44949로부터 공지되어 있으며; 이들 공보들은 합금의 화학적 조성과 관련하여 본원 명세서의 개시 내용의 일부를 형성한다.

또한, 블레이드 또는 베인(120, 130)이 부식에 대해서 보호하기 위한 코팅(MCrAlX; M 은 철 (Fe), 코발트 (Co), 니켈 (Ni)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 원소이고, X 는 활성 원소(active element)이고 그리고 이트륨 (Y) 및/또는 실리콘, 스칸듐 (Sc) 및/또는 하나 이상의 희토류 원소 또는 하프늄을 나타낸다)을 가질 수 있을 것이다. 이러한 타입의 합금이 EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 B1, EP 0 412 397 B1 또는 EP 1 306 454 A1 으로부터 공지되어 있으며, 상기 공보들은 화학적 조성과 관련하여 본원 명세서의 일부를 형성한다.

예를 들어 ZrO₂, Y₂O₃-ZrO₂으로 이루어진, 즉 이트륨 산화물 및/또는 칼슘 산화물 및/또는 마그네슘 산화물에 의해서 안정화되지 않은, 부분적으로 안정화된 또는 완전히 안정화된 열적 배리어 코팅이 MCrAlX 상에 존재할 수도 있을 것이다. 주상형 입자들이 전자 비임 물리 증착(EB-PVD)와 같은 적절한 코팅 프로세스에 의해서 열적 배리어 코팅 내에 생성될 수 있다.

가이드 베인(130)은 터빈(108)의 내측 하우징(138)과 마주하는 가인드 베인 기부(여기에 도시 하지 않음), 및 가이드 베인 기부로부터의 반대쪽 단부에 위치하는 가이드 베인 헤드를 구비한다. 가이드 베인 헤드는 회전자(103)와 마주하고 그리고 고정자(143)의 고정 링(140)에 장착된다.

Claims

갈륨 (Ga) 및 게르마늄 (Ge) 중 하나 이상, 그리고

선택적으로,

크롬 (Cr),

코발트 (Co),

알루미늄 (Al),

텅스텐 (W),

니켈을 포함하고,

이하의 최종적(conclusive)인 조성 중 하나를 가지며, 여기에서 G 는 Ga 및 Ge 중 하나 이상인:

Ni-Co-G

Ni-W-G

Ni-Al-G

Ni-Cr-Co-G

Ni-Cr-W-G

Ni-Cr-Al-G

Ni-Co-W-G

Ni-Co-Al-G

Ni-W-Al-G

Ni-Cr-Co-W-G

Ni-Cr-Co-Al-G

Ni-Cr-W-Al-G

Ni-Co-W-Al-G

Ni-Cr-Co-W-Al-G

납땜 합금.
제 1 항에 있어서,

상기 갈륨 (Ga) 또는 게르마늄 (Ge) 함량이 3 중량% 이상인

납땜 합금.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 갈륨 (Ga) 또는 게르마늄 (Ge) 함량이 28 중량% 이하인

납땜 합금.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

크롬 (Cr)을 0.1 중량% 이상 포함하는

납땜 합금.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

코발트 (Co)를 0.1 중량% 이상 포함하는

납땜 합금.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

알루미늄 (Al)을 0.1 중량% 이상 포함하는 .

납땜 합금.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

텅스텐 (W)을 0.1 중량% 이상 포함하는

납땜 합금.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

니켈 (Ni)이 가장 높은 중량비를 가지는

납땜 합금.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 납땜 합금은 2 중량% - 10 중량%의 크롬을 포함하는

납땜 합금.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 납땜 합금은 1 중량% - 5 중량%의 알루미늄을 포함하는

납땜 합금.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 납땜 합금은 2 중량% - 6 중량%의 텅스텐을 포함하는

납땜 합금.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 납땜 합금은 2 중량% - 10 중량%의 코발트를 포함하는

납땜 합금.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 납땜 합금은 1.0 중량% 내지 2.0 중량%의 알루미늄을 포함하는

납땜 합금.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 납땜 합금은 1 중량% 내지 3 중량%의 텅스텐을 포함하는,

납땜 합금.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 납땜 합금은 3 중량% 내지 5 중량%의 코발트를 포함하는

납땜 합금.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 납땜 합금은 3 중량% 내지 5 중량%의 크롬을 포함하는

납땜 합금.
부품(1) 보수를 위한 프로세스로서:

제 1 항에 따른 땜납(10)을 1140℃ 이상의 온도에서 이용하는 단계를 포함하는

부품 보수를 위한 프로세스.
제 17 항에 있어서,

상기 납땜 프로세스가 등온 조건하에서 실시되는

부품 보수를 위한 프로세스.
제 17 항에 있어서,

상기 납땜 프로세스가 온도 구배에 의해서 실시되는

부품 보수를 위한 프로세스.
제 17 항 또는 제 18 항에 있어서,

상기 땜납(10)이 지향성 응고되는

부품 보수를 위한 프로세스.
제 17 항 또는 제 18 항에 있어서,

상기 부품(1, 120, 130, 155)의 기판(4)이 지향성 응고되는

부품 보수를 위한 프로세스.
제 17 항 또는 제 18 항에 있어서,

상기 땜납(10)이 다결정 형태(CC)의 부품 내에서 다결정 형태(CC)로 응고되는

부품 보수를 위한 프로세스.
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제