KR102141797B1 - 터빈 블레이드의 제조 방법 - Google Patents

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마사키 다네이케
요시유키 이노우에
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히사시 기타가키
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미츠비시 히타치 파워 시스템즈 가부시키가이샤
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Abstract

땜납재가 배치된 터빈 블레이드의 모재를 가열하여 상기 땜납재를 용융시켜 상기 모재에 접합하는 납땜 처리를 행하는 것과, 납땜 처리된 모재를 가열하여 안정화 처리를 행하는 것과, 안정화 처리가 행해진 모재를 가열하여 시효 처리를 행하는 것을 포함하며, 납땜 처리 및 안정화 처리를 하나의 가열 처리로서 행한다.

Description

터빈 블레이드의 제조 방법
본 발명은 터빈 블레이드의 제조 방법에 관한 것이다.
가스 터빈은 압축기와 연소기와 터빈을 갖고 있다. 압축기는 공기를 취입하여 압축하여 고온 고압의 압축 공기로 한다. 연소기는 이 압축 공기에 대하여 연료를 공급하여 연소시킨다. 터빈은, 차실 안에 복수의 정익(靜翼) 및 동익(動翼)이 교대로 배치되어 있다. 터빈은, 압축 공기의 연소에 의해 발생한 고온 고압의 연소 가스에 의해 동익이 회전한다. 이 회전에 의해, 열에너지가 회전 에너지로 변환된다.
정익이나 동익과 같은 터빈 블레이드는 고온하에 노출되기 때문에, 내열성이 높은 금속 재료를 이용하여 형성된다. 터빈 블레이드를 제조하는 경우, 예를 들어 특허문헌 1에 기재되어 있는 바와 같이, 주조나 단조 등에 의해 모재(母材)를 형성하고, 가열하여 용체화 처리(溶體化處理)를 행한다. 그 후, 모재에 땜납재를 배치하여 가열함으로써 납땜 처리를 행하고, 냉각한 후, 안정화 처리 및 시효 처리의 가열 처리를 행한다.
일본 공개특허공보 제2002-103031호
특허문헌 1에 기재된 제조 방법에 있어서, 안정화 처리에서는, 납땜 처리에 이용되는 땜납재의 액상선 온도(液相線溫度)보다도 높은 온도에서 가열 처리가 행해진다. 따라서 납땜 처리 후의 모재를 안정화 처리하는 경우, 가열에 의해 땜납재가 다시 용융하고, 땜납 탈락이 발생하는 경우가 있다. 이 때문에, 종래 안정화 처리를 행할 때는, 모재에 땜납재를 더하는 작업을 행할 필요가 있어서 수고스러웠다.
본 발명은 상기를 감안하여 이루어진 것이며, 제조 공정에 있어서의 수고를 경감하는 것이 가능한 터빈 블레이드의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 관한 터빈 블레이드의 제조 방법은, 땜납재가 배치된 터빈 블레이드의 모재를 가열하여 상기 땜납재를 용융시켜 상기 모재에 접합하는 납땜 처리를 행하는 것과, 납땜 처리된 상기 모재를 가열하여 안정화 처리를 행하는 것과, 상기 안정화 처리가 행해진 상기 모재를 가열하여 시효 처리를 행하는 것을 포함하며, 상기 납땜 처리 및 상기 안정화 처리는 하나의 가열 처리로서 행한다.
본 발명에 의하면, 납땜 처리 및 안정화 처리를 하나의 가열 처리로서 행하기 때문에, 땜납재를 다시 더하는 작업 자체가 불필요해진다. 이에 의해, 제조 공정에 있어서의 수고를 경감할 수 있다. 또한, 납땜 처리 및 안정화 처리의 2종류의 처리를 집중하여 행하기 때문에, 단시간에 효율적인 처리가 가능해진다.
또한, 상기 땜납재의 액상선 온도보다도 높고, 또한 상기 모재에 석출한 γ´ 상이 성장하는 제1 온도로서 행해도 좋다.
본 발명에 의하면, 하나의 가열 처리에 의해 납땜 처리 및 안정화 처리가 병행하여 행해지기 때문에, 효율적으로 가열 처리를 행할 수 있다.
또한, 상기 납땜 처리 및 상기 안정화 처리와 상기 시효 처리를 연속하여 행해도 좋다.
본 발명에 의하면, 납땜 처리 및 안정화 처리와 시효 처리를 연속하여 행하기 때문에, 가열 처리 시간의 단축화를 도모할 수 있다.
또한, 상기 납땜 처리 및 상기 안정화 처리를 상기 제1 온도에서 행한 후, 상기 시효 처리의 가열 온도인 제2 온도로 조정하는 조정 처리를 행해도 좋다.
본 발명에 의하면, 하나의 가열 처리 도중에 가열 온도를 제1 온도에서 제2 온도로 조정함으로써 연속하여 가열을 행하기 때문에, 효율적으로 가열 처리를 행할 수 있다.
또한, 상기 제2 온도는 상기 제1 온도보다도 낮아도 좋다.
본 발명에 의하면, 가열 온도를 제1 온도에서 제2 온도로 저하시킴으로써, 납땜 처리 및 안정화 처리를 행한 후의 열을 유효하게 이용할 수 있다.
또한, 상기 납땜 처리, 상기 안정화 처리 및 상기 시효 처리는 히터를 갖는 소정의 가열로에서 행하고, 상기 조정 처리는 상기 히터를 정지시키는 것, 또는 상기 히터를 정지시키고 상기 가열로 안에 냉각용 기체를 공급함으로써 상기 가열로의 온도를 저하시켜도 좋다.
본 발명에 의하면, 히터를 정지시킴으로써 조정 처리를 행하는 경우에는, 냉각 작업이나 온도 관리 등의 작업 부담이 경감되어 공정을 간소화할 수 있다. 또한, 히터를 정지시키고 가열로 안에 냉각용 기체를 공급함으로써 조정 처리를 행하는 경우에는, 단시간에 가열로의 온도를 저하시킬 수 있다.
또한, 상기 조정 처리는 상기 로 속의 온도(爐內溫度)를 상기 제2 온도보다도 낮은 제3 온도로 저하시킨 후, 상기 히터를 작동시켜 상기 로 속의 온도를 상기 제2 온도까지 상승시켜도 좋다.
본 발명에 의하면, 제1 온도로부터 제2 온도를 거쳐서 제3 온도로 변화하는 연속한 가열 처리를 효율적으로 행할 수 있다.
또한, 상기 모재의 표면에 상기 모재보다도 내산화성이 높은 금속 재료를 이용하여 언더 코트(under coat)를 형성하는 것과, 상기 언더 코트를 형성한 후, 상기 언더 코트의 표면에 톱 코트(top coat)를 형성하는 것을 포함하며, 상기 톱 코트의 형성은 상기 모재에 대하여 상기 납땜 처리 및 상기 안정화 처리를 행한 후에 행하고, 상기 시효 처리는 상기 톱 코트를 형성한 후에 행해도 좋다.
본 발명에 의하면, 언더 코트를 형성한 후, 납땜 처리 및 안정화 처리를 하나의 가열 처리로서 톱 코트의 형성 전에 행하기 때문에, 가열 처리를 단시간에 효율적으로 할 수 있는 동시에 톱 코트의 균열을 억제할 수 있다.
또한, 상기 언더 코트의 형성은 상기 납땜 처리 및 안정화 처리를 행한 후에 행해도 좋다.
본 발명에 의하면, 납땜 처리 및 안정화 처리를 행한 후에 언더 코트를 형성하고, 그 후 톱 코트를 형성하는 것으로 된다. 이와 같이, 언더 코트를 형성하고 나서 톱 코트를 형성하기까지 열처리 등의 다른 프로세스를 행하지 않기 때문에, 언더 코트의 표면에 이물(異物) 등이 부착되는 것을 억제할 수 있다. 이물 등이 표면에 부착되면, 언더 코트의 앵커 효과(anchor effect)가 저하된다. 이에 대하여, 본 변형예에서는, 이물 등의 부착을 억제함으로써 앵커 효과의 저하를 억제할 수 있다. 이에 의해, 언더 코트와 톱 코트의 밀착성이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 모재의 표면에 상기 모재보다도 내산화성이 높은 금속 재료를 이용하여 언더 코트를 형성하는 것과, 상기 언더 코트를 형성한 후, 상기 언더 코트의 표면에 톱 코트를 형성하는 것을 포함하며, 상기 톱 코트의 형성은, 상기 언더 코트를 형성한 후, 상기 모재에 대하여 상기 납땜 처리 및 상기 안정화 처리와, 상기 시효 처리를 행한 후에 행해도 좋다.
본 발명에 의하면, 언더 코트를 형성한 후, 납땜 처리 및 안정화 처리와 시효 처리를 연속하여 톱 코트의 형성 전에 행하기 때문에, 가열 처리를 단시간에 효율적으로 할 수 있는 동시에 톱 코트의 반점(斑点)이나 균열을 억제할 수 있다.
본 발명에 의하면, 제조 공정에 있어서의 수고를 경감하는 것이 가능한 터빈 블레이드의 제조 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 제1 실시형태에 관한 터빈 블레이드의 제조 방법의 일례를 나타내는 플로 차트이다.
도 2는 납땜 처리 및 안정화 처리를 하나의 가열 처리로서 행하는 경우의 가열 온도의 시간 변화의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 3은 제2 실시형태에 관한 터빈 블레이드의 제조 방법의 일례를 나타내는 플로 차트이다.
도 4는 납땜 처리 및 안정화 처리와 시효 처리를 연속하여 행하는 경우의 가열 온도의 시간 변화의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 5는 제3 실시형태에 관한 터빈 블레이드의 제조 방법의 일례를 나타내는 플로 차트이다.
도 6은 변형예에 관한 터빈 블레이드의 제조 방법의 일례를 나타내는 플로 차트이다.
도 7은 제4 실시형태에 관한 터빈 블레이드의 제조 방법의 일례를 나타내는 플로 차트이다.
도 8은 납땜 처리 및 안정화 처리와 시효 처리를 연속하여 행하는 경우의 가열 온도의 시간 변화의 다른 예를 나타내는 그래프이다.
도 9는 비교예에 관한 터빈 블레이드의 모재에 대하여 γ´ 상의 석출 상태를 나타내는 현미경 사진을 나타내는 도면이다.
도 10은 실시예 1에 관한 터빈 블레이드의 모재에 대하여 γ´ 상의 석출 상태를 나타내는 현미경 사진을 나타내는 도면이다.
도 11은 실시예 2에 관한 터빈 블레이드의 모재에 대하여 γ´ 상의 석출 상태를 나타내는 현미경 사진을 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명에 관한 터빈 블레이드의 제조 방법의 실시형태를 도면에 기초하여 설명한다. 또한, 이 실시형태에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 또한, 하기 실시형태에 있어서의 구성 요소에는, 당업자가 치환 가능한 동시에 용이한 것, 또는 실질적으로 동일한 것이 포함된다.
<제1 실시형태>
도 1은 제1 실시형태에 관한 터빈 블레이드의 제조 방법의 일례를 나타내는 플로 차트이다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 제1 실시형태에 관한 터빈 블레이드의 제조 방법은, 예를 들어 가스 터빈의 정익이나 동익과 같은 터빈 블레이드의 모재를 형성하는 공정(단계 S10)과, 모재를 용체화 처리하는 공정(단계 S20)과, 모재에 대하여 납땜 처리 및 안정화 처리를 하나의 가열 처리로서 하는 공정(단계 S30)과, 모재를 시효 처리하는 공정(단계 S40)을 포함한다.
단계(S10)에서는, 정익이나 동익 등의 터빈 블레이드를 구성하는 모재가 형성된다. 터빈 블레이드는 가스 터빈에 있어서 고온하에 노출된다. 이 때문에, 터빈 블레이드를 구성하는 모재는, 내열성이 우수한 합금, 예를 들어 Ni기 합금 등의 재료를 이용하여 형성된다. Ni기 합금으로서는, 예를 들어 Cr: 12.0% 이상 14.3% 이하, Co: 8.5% 이상 11.0% 이하, Mo: 1.0% 이상 3.5% 이하, W: 3.5% 이상 6.2% 이하, Ta: 3.0% 이상 5.5% 이하, Al: 3.5% 이상 4.5% 이하, Ti: 2.0% 이상 3.2% 이하, C: 0.04% 이상 0.12% 이하, B: 0.005% 이상 0.05% 이하를 함유하고, 잔부가 Ni 및 불가피 불순물로 이루어지는 조성의 Ni기 합금 등을 들 수 있다. 또한, 상기 조성의 Ni기 합금에 Zr: 0.001 ppm 이상 5 ppm 이하를 함유해도 좋다. 또한, 상기 조성의 Ni기 합금에 Mg 및/또는 Ca: 1 ppm 이상 100 ppm 이하를 함유해도 좋고, 추가로 Pt: 0.02% 이상 0.5% 이하, Rh: 0.02% 이상 0.5% 이하, Re: 0.02% 이상 0.5% 이하 중 1종 또는 2종 이상을 함유해도 좋으며, 이들 쌍방을 함유해도 좋다.
모재는 상기 재료를 이용하여 주조나 단조 등에 의해 형성된다. 주조에 의해 모재를 형성하는 경우, 예를 들어 보통 주조재(Conventional Casting: CC), 일 방향 응고재(Directional Solidification: DS), 단결정재(Single Crystal: SC) 등의 모재를 형성할 수 있다. 이하, 모재로서 일 방향 응고재가 이용되는 경우를 예로 들어 설명하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 모재가 보통 주조재 또는 단결정재라도 동일한 설명이 가능하다.
단계(S20)에 있어서의 용체화 처리는, 전 공정에서 생성된 석출물을 가열에 의해 고용시켜 성분 편석(性分偏析)을 경감시키는 가열 처리이다. 용체화 처리에서는, 예를 들어 1200℃ 정도의 온도에서 모재를 가열한다.
단계(S30)에 있어서의 납땜 처리는 모재에 땜납재를 배치한 상태에서 가열함으로써, 땜납재를 모재에 용융시켜 접합하는 처리이다. 땜납재로서는, 예를 들어 BNi-2 상당재(相當材) 등이 이용된다. 이 경우, 땜납재의 고상선 온도(固相線溫度)는, 예를 들어 970℃ 정도이다. 납땜 처리에 이용되는 땜납재의 양에 대해서는, 실험 등을 행함으로써 미리 조정해 둔다. 납땜 처리에서는, 땜납재를 용융시키는 것이 가능한 제1 온도(T1)에서 가열 처리를 행한다. 제1 온도(T1)로서는, 예를 들어 1060℃ 이상 1100℃ 이하의 온도로 할 수 있다.
단계(S30)에 있어서의 안정화 처리는 모재를 가열함으로써, 모재에 있어서 금속 간 화합물인 γ´ 상을 성장시켜 γ´ 상의 크기, 형태 등을 구비하는 처리이다. 안정화 처리에서는, 예를 들어 납땜 처리에 있어서의 가열 온도와 동등한 온도인 제1 온도(T1)에서 가열 처리를 행할 수 있다.
본 실시형태에서는, 단계(S30)에 있어서, 납땜 처리와 안정화 처리를 하나의 가열 처리로서 행한다. 도 2는 단계(S30)에 있어서의 가열 처리의 일례를 나타내는 그래프이다. 도 2의 횡축은 시간을 나타내고, 종축은 온도를 나타내고 있다.
단계(S30)에서는, 모재에 땜납재를 배치한 상태에서 소정의 가열로에 투입하고, 가열로의 히터를 작동시켜 가열을 개시한다(시각 t1). 가열 개시 후, 먼저 가열로의 로 속의 온도(가열 온도)를 소정의 예열 온도(T0)까지 상승시킨다. 이 예열 온도(T0)는 땜납재의 고상선 온도보다도 낮은 온도로 설정되며, 예를 들어 930℃ 이상 970℃ 이하의 온도로 할 수 있다. 로 속의 온도가 예열 온도(T0)에 도달한 경우(시각 t2), 로 속의 온도의 상승을 정지하고, 소정 시간 당해 예열 온도(T0)에서의 가열 처리(예열 처리)를 행한다. 예열 처리를 행함으로써, 모재 및 땜납재의 온도가 전체적으로 균일하게 상승하고, 각 부위에 있어서의 온도차가 저감한다.
예열 처리를 소정 시간 행한 후(시각 t3), 다시 로 속의 온도를 상승시킨다. 로 속의 온도가 제1 온도(T1)에 도달한 경우(시각 t4), 로 속의 온도의 상승을 정지하고, 당해 제1 온도(T1)에서 소정 시간 가열 처리를 행한다. 이 제1 온도(T1)에서의 가열 처리에 의해, 땜납재가 용융하여 모재에 접합된다. 또한, 모재에 있어서 γ´ 상이 성장하여, 당해 γ´ 상의 크기, 형태 등이 구비될 수 있다. 예열 처리를 행한 상태로부터 제1 온도(T1)에서 가열하기 때문에, 모재의 각부가 얼룩 없이 가열되게 된다. 이 때문에, 균일하게 납땜할 수 있는 동시에 모재의 각부에 있어서 γ´ 상이 균일하게 성장한다. 제1 온도(T1)에서의 가열 처리가 소정 시간 행해진 후(시각 t5), 예를 들어 히터를 정지시키고 가열로 안에 냉각용 기체를 공급함으로써 모재의 온도를, 예를 들어 30℃/min 정도의 온도 저하 속도로 소정의 냉각 온도까지 급격히 저하시킨다(급냉). 이 급냉 처리에 의해, γ´ 상의 상태(입경(粒徑) 등)가 유지된다. 그 후, 로 속의 온도가 소정의 냉각 온도까지 저하된 경우(시각 t6), 단계(S30)의 처리가 완료된다. 이와 같이, 본 실시형태에서는, 납땜 처리 및 안정화 처리를 하나의 가열 처리로서 행한다.
단계(S40)에 있어서의 시효 처리는, 안정화 처리를 행한 모재를 가열함으로써, 모재에 있어서, 안정화 처리에서 성장한 γ´ 상을 더욱더 성장시키는 동시에 당해 안정화 처리에서 생긴 γ´ 상보다도 소직경의 γ´ 상을 석출시킨다. 이 소직경의 γ´ 상은 모재의 강도를 증가시킨다. 따라서 시효 처리는 소직경의 γ´ 상을 석출시켜 모재의 강도를 높임으로써, 최종적으로 모재의 강도 및 연성을 조정한다. 즉, 납땜 처리, 안정화 처리 및 시효 처리가 구비됨으로써, γ´ 상의 석출을 조정하고, 강도와 연성을 겸비시킬 수 있다.
시효 처리에서는, 예를 들어 제1 온도(T1)보다도 낮은 제2 온도(T2)에서 소정 시간 가열 처리를 행한다. 제2 온도(T2)로서는, 예를 들어 830℃ 이상 870℃ 이하의 온도로 할 수 있다. 시효 처리를 소정 시간 행한 후, 가열로의 히터를 정지시키고, 가열로 안에 냉각용 기체를 공급함으로써 모재의 온도를, 예를 들어 30℃/min 정도의 온도 저하 속도로 급격히 저하시킨다(급냉).
이상과 같이, 본 실시형태에서는, 하나의 가열 처리에 의해 납땜 처리와 용체화 처리가 행해지기 때문에, 땜납재를 다시 추가하는 작업 자체가 불필요해진다. 이에 의해 제조 공정에 있어서의 수고를 경감할 수 있다. 또한, 납땜 처리 및 안정화 처리의 2종류의 처리를 집중하여 행하기 때문에, 단시간에 효율적인 처리가 가능해진다.
<제2 실시형태>
도 3은 제2 실시형태에 관한 터빈 블레이드의 제조 방법의 일례를 나타내는 플로 차트이다. 도 3에 나타내는 바와 같이, 제2 실시형태에 관한 터빈 블레이드의 제조 방법은, 예를 들어 터빈 블레이드의 모재를 형성하는 공정(단계 S110)과, 모재를 용체화 처리하는 공정(단계 S120)과, 모재에 대하여 납땜 처리 및 안정화 처리와 시효 처리를 행하는 공정(단계 S130)을 포함한다. 단계(S110) 및 단계(S120)에 대해서는 각각 제1 실시형태의 단계(S10) 및 단계(S20)와 동일하기 때문에 설명을 생략한다.
본 실시형태에서는, 단계(S130)에 있어서, 납땜 처리 및 안정화 처리와 시효 처리를 연속하여 행한다. 도 4는 단계(S130)에 있어서의 가열 처리의 일례를 나타내는 그래프이다. 도 3의 횡축은 시간을 나타내고, 종축은 온도를 나타내고 있다.
단계(S130)에서는, 제1 실시형태와 동일하게, 예열 온도(T0)에서 예열 처리(시각 t1 으로부터 t4)를 행하고, 예열 처리 후, 납땜 처리 및 안정화 처리로서의 가열 처리를 제1 온도(T1)에서 행한다(시각 t4로부터 t5).
제1 온도(T1)에서의 가열 처리가 소정 시간 행해진 후(시각 t5), 예를 들어 히터의 동작을 정지하고, 로 속의 온도를 제2 온도(T2)까지 저하시키는 조정 처리를 행한다. 이 때, 예를 들어 3℃/min이상 20℃/min 이하 정도의 온도 저하 속도로 모재 온도를 저하시킨다. 따라서 제1 실시형태에 비하여, 안정화 처리 후(시각 t5 이후)의 온도 저하가 완만하게 행해진다.
로 속의 온도가 제2 온도(T2)에 도달한 경우(시각 t7), 히터를 작동시켜 로 속의 온도를 제2 온도(T2)로 한 상태에서 시효 처리로서의 가열 처리를 행한다. 따라서 안정화 처리 후에는, 가열로 속을 소정의 냉각 온도까지 냉각하지 않고, 시효 처리를 행하기 위한 제2 온도(T2)로 로 속의 온도를 시프트시켜서 연속하여 시효 처리를 행한다. 이와 같이, 본 실시형태에서는, 납땜 처리 및 안정화 처리와, 시효 처리를 연속하여 행한다.
시효 처리에서는, 제1 실시형태와 동일하게, 예를 들어 제1 온도(T1)보다도 낮은 제2 온도(T2)에서 소정 시간 가열 처리를 행한다. 제2 온도(T2)로서는, 예를 들어 830℃ 이상 870℃ 이하의 온도로 할 수 있다. 본 실시형태에서는, 안정화 처리 후의 온도 저하를 완만하게 행한 경우라도, 제1 실시형태처럼 급냉한 경우와 동일하게, 시효 처리에 있어서 γ´ 상의 성장 및 소직경의 γ´ 상의 석출이 행해진다. 이 때문에, 강도 및 연성의 밸런스가 우수한 모재가 형성된다.
시효 처리를 소정 시간 행한 후(시각 t8), 가열로의 히터를 정지시키고, 가열로 안에 냉각용 기체를 공급함으로써 모재 온도를, 예를 들어 30℃/min 정도의 온도 저하 속도로 급격히 저하시킨다(급냉). 로 속의 온도가 소정의 온도로 된 후(시각 t9), 가열로 안에서 모재를 취출함으로써, 가열 처리가 종료된다.
이상과 같이, 본 실시형태에서는, 납땜 처리 및 안정화 처리와 시효 처리를 연속하여 행하기 때문에, 가열 처리 시간의 가일층 단축화를 도모할 수 있다. 또한, 납땜 처리 및 안정화 처리를 제1 온도(T1)에서 행한 후, 시효 처리의 가열 온도인 제2 온도로 조정하는 조정 처리를 행함으로써, 가열로 안의 열을 유효하게 이용할 수 있다.
<제3 실시형태>
도 5는 제3 실시형태에 관한 터빈 블레이드의 제조 방법의 일례를 나타내는 플로 차트이다. 도 5에 나타내는 바와 같이, 제3 실시형태에 관한 터빈 블레이드의 제조 방법은, 제1 실시형태에 관한 터빈의 제조 방법에 있어서, 모재에 언더 코트 및 톱 코트를 형성하는 공정을 포함하고 있다. 언더 코트 및 톱 코트는 가스 터빈의 터빈 블레이드를 고온으로부터 보호하기 위한 차열 코팅(Thermal Barrier Coating: TBC)으로서 형성된다.
본 실시형태에 관한 터빈 블레이드의 제조 방법은, 예를 들어 터빈 블레이드의 모재를 형성하는 공정(단계 S210)과, 모재를 용체화 처리하는 공정(단계 S220)과, 모재에 언더 코트를 형성하는 공정(단계 S230)과, 모재에 대하여 납땜 처리 및 안정화 처리를 하나의 가열 처리로서 행하는 공정(단계 S240)과, 모재에 톱 코트를 형성하는 공정(단계 S250)과, 모재를 시효 처리하는 공정(단계 S260)을 포함한다.
단계(S210) 및 단계(S220)에 대해서는 각각 제1 실시형태의 단계(S10) 및 단계(S20)와 동일하기 때문에 설명을 생략한다. 단계(S220) 후, 언더 코트를 형성하기 전에, 예를 들어 모재의 표면에 알루미나(Al2O3)를 분사함으로써, 모재 표면을 조면화하는 블라스트 처리(blast process)를 행해도 좋다. 또한, 블라스트 처리 후, 모재의 표면을 세정하는 클리닝 처리를 행해도 좋다.
단계(S230)에서는 모재의 표면에 언더 코트를 형성한다. 언더 코트는 모재의 산화를 방지하는 동시에 톱 코트의 밀착성을 향상시킨다. 언더 코트의 재료로서는, 예를 들어 모재보다도 내산화성이 높은 MCrAlY 등의 합금 재료가 이용된다. 단계(S230)에서는, 예를 들어 모재의 표면을 가열한 후, 상기 합금 재료 등을 모재의 표면에 용사(溶射)함으로써 언더 코트를 형성한다.
언더 코트를 형성한 후, 단계(S240)에서는 납땜 처리 및 안정화 처리를 하나의 가열 처리로서 행한다. 이 가열 처리는 제1 실시형태의 단계(S30)와 동일한 순서로 행한다. 따라서 언더 코트가 형성된 모재에 대하여 예열 온도(T0)(예를 들어, 930℃ 이상 970℃ 이하의 온도)에서 예열 처리가 행해진 후, 제1 온도(T1)(예를 들어, 1060℃ 이상 1100℃ 이하의 온도)에서 가열이 행해진다. 단계(S240)에서는, 이러한 온도에서 가열 처리가 행해짐으로써, 언더 코트가 조면화된 모재의 표면에 확산되어, 모재의 표면과 언더 코트 사이의 밀착성이 향상된다.
납땜 처리 및 안정화 처리 후, 단계(S250)에서는 언더 코트의 표면에 톱 코트를 형성한다. 톱 코트는 모재의 표면을 고온으로부터 보호한다. 톱 코트의 재료로서는, 세라믹 등의 열전도율이 작은 재료가 이용된다. 세라믹으로서는, 예를 들어 지르코니아를 주성분으로 하는 재료 등이 이용된다. 단계(S250)에서는, 예를 들어 상기 재료를 언더 코트의 표면에 대기 플라즈마 용사함으로써 형성된다.
톱 코트를 형성한 후, 단계(S260)에서는 시효 처리를 행한다. 시효 처리에서는, 제1 실시형태와 동일하게, 예를 들어 제1 온도(T1)보다도 낮은 제2 온도(T2)에서 소정 시간 가열 처리를 행한다. 제2 온도(T2)로서는, 예를 들어 830℃ 이상 870℃ 이하의 온도로 할 수 있다. 또한, 시효 처리는 톱 코트를 형성하기 전에 행해도 좋다. 즉, 납땜 처리 및 안정화 처리 후, 계속하여 시효 처리를 행하고, 그 후에 톱 코트를 형성하는 것이어도 좋다.
톱 코트를 형성한 모재에 대하여, 예를 들어 870℃를 초과하는 바와 같은 온도에서 가열 처리를 행한 경우, 톱 코트에 반점이나 크랙 등이 생길 가능성이 있다. 본 실시형태에서는, 언더 코트를 형성한 후, 납땜 처리 및 안정화 처리를 하나의 가열 처리로서 톱 코트의 형성 전에 행하기 때문에, 가열 처리를 단시간에 효율적으로 행할 수 있는 동시에 톱 코트의 균열을 억제할 수 있다.
또한, 제3 실시형태에서는, 언더 코트를 형성한 후에 납땜 처리 및 안정화 처리를 행하는 경우를 예로 들어 설명했지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 도 6은 변형예에 관한 터빈 블레이드의 제조 방법을 나타내는 플로 차트이다. 도 6에 나타내는 바와 같이, 변형예에 관한 터빈 블레이드의 제조 방법은, 단계(S210) 및 단계(S220)에 대해서는 제3 실시형태와 동일하지만, 단계(S220) 후에 납땜 처리 및 안정화 처리를 행하고(단계 S240A), 납땜 처리 및 안정화 처리 후에 언더 코트를 형성한다(단계 S230A)는 점에서 제3 실시형태와는 상이하다. 언더 코트를 형성한 후는, 열처리를 행하지 않고, 톱 코트를 형성한다(단계 S250). 또한, 톱 코트를 형성한 후에는, 제3 실시형태와 동일하게 시효 처리를 행한다(단계 S260).
언더 코트를 형성한 후, 톱 코트를 형성하기 전에, 열처리 등의 다른 프로세스를 행하지 않도록 함으로써, 언더 코트의 표면에 이물 등이 부착되는 것을 억제할 수 있다. 이물 등이 표면에 부착되면, 언더 코트의 앵커 효과가 저하된다. 이에 대하여, 본 변형예에서는, 이물 등의 부착을 억제함으로써 앵커 효과의 저하를 억제할 수 있다. 이에 의해, 언더 코트와 톱 코트의 밀착성이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
<제4 실시형태>
도 7은 제4 실시형태에 관한 터빈 블레이드의 제조 방법의 일례를 나타내는 플로 차트이다. 도 7에 나타내는 바와 같이, 제4 실시형태에 관한 터빈 블레이드의 제조 방법은, 제2 실시형태에 관한 터빈의 제조 방법에 있어서, 모재에 언더 코트 및 톱 코트를 형성하는 공정을 포함하고 있다.
본 실시형태에 관한 터빈 블레이드의 제조 방법은, 예를 들어 터빈 블레이드의 모재를 형성하는 공정(단계 S310)과, 모재를 용체화 처리하는 공정(단계 S320)과, 모재에 언더 코트를 형성하는 공정(단계 S330)과, 모재에 대하여 납땜 처리 및 안정화 처리와 시효 처리를 행하는 공정(단계 S340)과, 모재에 톱 코트를 형성하는 공정(단계 S350)을 포함한다.
단계(S310) 및 단계(S320)에 대해서는 각각 제1 실시형태의 단계(S10) 및 단계(S20)와 동일하다. 또한, 단계(S320) 후, 언더 코트를 형성하기 전에, 블래스트 처리 및 클리닝 처리를 행하고, 그 후 단계(S330)에 있어서 언더 코트를 형성하는 구성에 대해서는 제3 실시형태와 동일하다.
언더 코트를 형성한 후, 단계(S340)에서는 납땜 처리 및 안정화 처리와 시효 처리를 연속하여 행한다. 이 가열 처리는 제2 실시형태의 단계(S130)와 동일한 순서로 행한다. 따라서 언더 코트가 형성된 모재에 대하여 예열 온도(T0)(예를 들어, 930℃ 이상 970℃ 이하의 온도)에서 예열 처리가 행해진 후, 제1 온도(T1)(예를 들어, 1060℃ 이상 1100℃ 이하의 온도)에서 납땜 처리 및 안정화 처리의 가열 처리가 행해진다. 그 후, 조정 처리가 행해지고, 제2 온도(T2)(예를 들어, 830℃ 이상 870℃ 이하의 온도)에서 시효 처리의 가열 처리가 연속하여 행해진다. 단계(S340)에서는, 이러한 온도에서 가열 처리가 행해짐으로써, 언더 코트가 조면화된 모재의 표면에 확산되어, 모재의 표면과 언더 코트 사이의 밀착성이 향상된다.
납땜 처리 및 안정화 처리와 시효 처리를 연속하여 행한 후, 단계(S350)에서는 언더 코트의 표면에 톱 코트를 형성한다. 단계(S350)에서는 제3 실시형태의 단계(S250)와 동일한 순서에 의해 톱 코트를 형성한다.
본 실시형태에서는, 언더 코트를 형성한 후, 납땜 처리 및 안정화 처리와 시효 처리를 연속하여 톱 코트의 형성 전에 행하기 때문에, 가열 처리를 단시간에 효율적으로 행할 수 있는 동시에 톱 코트의 반점이나 균열을 억제할 수 있다.
본 발명의 기술 범위는 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에서 적당히 변경을 더할 수 있다. 상기 제2 실시형태에서는, 안정화 처리 후, 로 속의 온도를 제2 온도(T2)까지 저하시키는 조정 처리를 행할 때에, 모재를 3℃/min 이상 20℃/min 이하 정도의 온도 저하 속도로 냉각하는 경우를 예로 들어 설명했지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 8은 납땜 처리 및 안정화 처리와 시효 처리를 연속하여 행하는 경우의 로 속의 온도의 시간 변화의 다른 예를 나타내는 그래프이다. 도 8에 나타내는 바와 같이, 안정화 처리 후, 모재를, 예를 들어 30℃/min 정도의 온도 저하 속도로 냉각하고, 모재 온도가 제2 온도(T2)보다도 낮은 제3 온도(T3)로 된 경우에(시각 t10), 히터를 작동시켜도 좋다. 제3 온도(T3)로서는, 예를 들어 530℃ 이상 570℃ 이하의 온도 정도로 설정할 수 있다.
히터를 작동시킨 후, 로 속의 온도가 제2 온도(T2)까지 상승한 경우(시각 t11), 로 속의 온도의 상승을 정지시켜 가열로 안을 제2 온도(T2)로 한 상태에서 시효 처리를 행한다. 그 후는 제2 실시형태와 동일하게 시효 처리를 소정 시간 행한 후(시각 t12), 가열로의 히터를 정지시키고, 가열로 안에 냉각용 기체를 공급함으로써 모재 온도를, 예를 들어 30℃/min 정도의 온도 저하 속도로 급격히 저하시킨다(급냉). 로 속의 온도가 소정의 온도로 된 후(시각 t13), 가열로 안으로부터 모재를 취출함으로써, 가열 처리가 종료된다. 이와 같이 온도 변화를 행하는 경우라도 가열 처리 시간의 단축화를 도모할 수 있다. 또한, 납땜 처리 및 안정화 처리를 제1 온도(T1)에서 행한 후, 시효 처리의 가열 온도인 제2 온도(T2)로 조정하는 조정 처리를 행함으로써, 가열로 안의 열을 유효하게 이용할 수 있다. 또한, 안정화 처리 후, 모재를, 예를 들어 30℃/min 정도의 온도 저하 속도로 냉각하고, 로 속의 온도가 제2 온도(T2)로 된 경우에 가열로 안을 제2 온도(T2)로 한 상태에서 시효 처리를 행해도 좋다.
또한, 상기 각 실시형태에서는, 조정 처리에 있어서 모재 온도를 제1 온도(T1)로부터 저하시켰을 때에, 히터를 정지시켜 모재 온도를 저하시키는 경우를 예로 들어 설명했지만, 이에 한정하는 것은 아니며, 예를 들어 히터를 정지시키고, 가열로 안에 냉각용 기체를 공급함으로써 모재 온도를 저하시켜도 좋다. 이에 의해, 모재 온도의 저하 속도를 높일 수 있고, 단시간에 모재 온도를 저하시킬 수 있다.
실시예
다음에, 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 실시예에서는 상기 실시형태에서 설명한 조성의 Ni기 합금을 이용하여 터빈 블레이드의 모재를 복수 주조했다. 복수의 모재는 일 방향 응고재로서 형성했다. 이 복수의 모재 중, 제2 실시형태에 있어서 도 4에 나타내는 온도 변화에서 납땜 처리 및 안정화 처리와 시효 처리를 연속하여 행한 것을 실시예 1로 했다. 실시예 1은 제1 온도(T1)를 1090℃ 로 하고, 제2 온도(T2)를 860℃ 로 했다. 또한, 조정 처리에서는, 제1 온도(T1)에서 제2 온도(T2)까지 모재의 온도 저하 속도를 5℃/min로 했다.
또한, 복수의 모재 중, 도 8에 나타내는 온도 변화에서 납땜 처리 및 안정화 처리와 시효 처리를 연속하여 행한 것을 실시예 2로 했다. 실시예 2는 제1 온도(T1)를 1070℃ 로 하고, 제2 온도(T2)를 840℃ 로 했다. 또한, 조정 처리에서는, 제1 온도(T1)에서 제2 온도(T2)까지 모재의 온도 저하 속도를 15℃/min 로 했다.
또한, 복수의 모재 중, 납땜 처리, 안정화 처리 및 시효 처리를 각각 독립하여 행한 것을 비교예로 했다. 비교예에서는, 납땜 처리 및 안정화 처리를 각각 1080℃ 로 행했다. 납땜 처리 후 및 안정화 처리 후에는, 각각 모재의 온도 저하 속도를 30℃/min으로 하여 냉각했다. 또한, 비교예에서는 850℃에서 시효 처리를 행했다.
도 9는 비교예에 관한 터빈 블레이드의 모재에 대하여 γ´ 상의 석출 상태를 나타내는 현미경 사진이다. 도 10은 실시예 1에 관한 터빈 블레이드의 모재에 대하여 γ´ 상의 석출 상태를 나타내는 현미경 사진이다. 도 11은 실시예 2에 관한 터빈 블레이드의 모재에 대하여 γ´ 상의 석출 상태를 나타내는 현미경 사진이다.
도 9에 나타내는 바와 같이, 비교예에 관한 모재에 있어서는, 안정화 처리에 의해 석출하여 성장한 γ´ 상과 시효 처리에 있어서 석출한 소직경의 γ´ 상이 밸런스 좋게 존재하고 있다. 이에 대하여, 도 10 및 도 11에 나타내는 바와 같이, 실시예 1 및 실시예 2에 관한 모재에 있어서도, 비교예에 관한 모재와 동일하게, 안정화 처리에 의해 석출하여 성장한 γ´ 상과 시효 처리에 있어서 석출한 소직경의 γ´ 상이 밸런스 좋게 존재하고 있다.
따라서 본 실시예에 의하면, 납땜 처리 및 안정화 처리와 시효 처리를 연속하여 행함으로써, 가열 처리 시간의 단축화를 도모할 수 있다. 또한, 납땜 처리, 안정화 처리 및 시효 처리를 각각 독립하여 행한 비교예와 동일한 정도의 γ´ 상의 석출 상태를 얻을 수 있다.
T0: 예열 온도
T1: 제1 온도
T2: 제2 온도

Claims (10)

  1. 땜납재의 고상선 온도보다 높은 온도에서 터빈 블레이드의 모재에 용체화 처리를 행한 후, 상기 땜납재가 배치된 상기 터빈 블레이드의 상기 모재를 가열하여 상기 땜납재를 용융시켜 상기 모재에 접합하는 납땜 처리를 행하는 것과,
    납땜 처리된 상기 모재를 가열하여 안정화 처리를 하는 것과,
    상기 안정화 처리가 행해진 상기 모재를 가열하여 상기 땜납재의 고상선 온도보다 낮은 온도에서 시효 처리를 행하는 것을 포함하며,
    상기 납땜 처리 및 상기 안정화 처리는 하나의 가열 처리로서 행하는 터빈 블레이드의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 납땜 처리 및 상기 안정화 처리는 상기 땜납재의 액상선 온도보다도 높고, 또한 상기 모재에 석출한 γ´ 상이 성장하는 제1 온도로서 행하는 터빈 블레이드의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 납땜 처리 및 상기 안정화 처리와 상기 시효 처리를 연속하여 행하는 터빈 블레이드의 제조 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 납땜 처리 및 상기 안정화 처리를 상기 제1 온도에서 행한 후, 상기 시효 처리의 가열 온도인 제2 온도로 조정하는 조정 처리를 행하는 터빈 블레이드의 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 온도는 상기 제1 온도보다도 낮은 터빈 블레이드의 제조 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 납땜 처리, 상기 안정화 처리 및 상기 시효 처리는 히터를 갖는 소정의 가열로에서 행하고,
    상기 조정 처리는, 상기 히터를 정지시키는 것, 또는 상기 히터를 정지시키고 상기 가열로 안에 냉각용 기체를 공급함으로써, 상기 가열로의 온도를 저하시키는 터빈 블레이드의 제조 방법.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 조정 처리는, 온도를 상기 제2 온도보다도 낮은 제3 온도로 저하시킨 후, 상기 제2 온도까지 상승시키는 터빈 블레이드의 제조 방법.
  8. 땜납재가 배치된 터빈 블레이드의 모재를 가열하여 상기 땜납재를 용융시켜 상기 모재에 접합하는 납땜 처리를 행하는 것과,
    납땜 처리된 상기 모재를 가열하여 안정화 처리를 하는 것과,
    상기 안정화 처리가 행해진 상기 모재를 가열하여 시효 처리를 행하는 것과,
    상기 모재의 표면에 상기 모재보다도 내산화성이 높은 금속 재료를 이용하여 언더 코트를 형성하는 것과,
    상기 언더 코트를 형성한 후, 상기 언더 코트의 표면에 톱 코트를 형성하는 것을 포함하며,
    상기 납땜 처리 및 상기 안정화 처리는 하나의 가열 처리로서 행하고,
    상기 톱 코트의 형성은 상기 모재에 대하여 상기 납땜 처리 및 상기 안정화 처리를 행한 후에 행하고,
    상기 시효 처리는 상기 톱 코트를 형성한 후에 행하는 터빈 블레이드의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 언더 코트의 형성은 상기 납땜 처리 및 안정화 처리를 행한 후에 행하는 터빈 블레이드의 제조 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 모재의 표면에 상기 모재보다도 내산화성이 높은 금속 재료를 이용하여 언더 코트를 형성하는 것과,
    상기 언더 코트를 형성한 후, 상기 언더 코트의 표면에 톱 코트를 형성하는 것을 포함하며,
    상기 톱 코트의 형성은, 상기 언더 코트를 형성한 후, 상기 모재에 대하여 상기 납땜 처리 및 상기 안정화 처리와, 상기 시효 처리를 행한 후에 행하는 터빈 블레이드의 제조 방법.
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