KR102616606B1 - Method for repairing vane and manufacturing core plug of gas turbine by 3D printing - Google Patents
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Abstract
본 발명 3D프린팅에 의한 가스터빈의 베인 수리 및 코어플러그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 베인의 커버플레이트를 제거하는 1단계 공정; 상기 베인의 내부에 내장된 코어플러그를 인출하는 2단계 공정; 상기 인출된 코어플러그는 폐기하고 새 코어플러그를 제조하고, 베인의 손상 부분은 수리하는 3단계 공정; 상기 제조된 코어플러그의 베인의 홀에 삽입하는 4단계 공정; 상기 커버플레이트를 베인에 접합하는 5단계 공정;을 포함하는 것이 특징인 3D프린팅에 의한 가스터빈의 베인 수리 및 코어플러그 제조방법에 관한 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명 3D프린팅에 의한 가스터빈의 베인 수리 및 코어플러그 제조방법은 작업 공정이 간단하고, 고가의 브레이징 용가재를 사용하는 대신 다소 저렴한 모재와 같은 소재를 사용할 수 있고, 레이저 용접에 의한 소재에 입열량이 적어 변형이 없고, 작업속도가 빠르며 로봇작업이 가능하여 생산단가가 낮은 장점이 있다.
특히, 일반적인 3D프린팅 레이저 용접과 달리 본 발명에서는 용접시 모재에 초음파 진동을 주거나 또는 원적외선 가열과 동시에 초음파 진동을 주면서 레이저 용접을 실시하기 때문에 용접의 접합력을 향상시키고, 용접후 열처리 과정을 생략할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 손상된 베인 재생수리시 코어플러그를 교체하기 위해서는 베인의 한 쪽 끝단에 있는 커버플레이트(Cover plate)를 제거 후 다시 용접해야 하는데 이때 TIG용접으로 접합시 소재의 변형이 발생할 수 있으나 본 발명의 레이저 용접을 적용하면 소재의 변형이 적으며 , 특히 수리부품에 대한 한번의 고정에 X, Y, Z축을 공유해서 베인의 손상부를 동시에 수리할 수 있는 장점이 있다는 등의 현저한 효과가 있다.The present invention relates to a vane repair and core plug manufacturing method of a gas turbine by 3D printing, and more specifically, to a first-step process of removing the cover plate of the vane; A two-step process of extracting the core plug built into the vane; A three-step process of discarding the extracted core plug, manufacturing a new core plug, and repairing the damaged portion of the vane; A four-step process of inserting the manufactured core plug into the hole of the vane; It relates to a vane repair and core plug manufacturing method of a gas turbine by 3D printing, which includes a five-step process of joining the cover plate to the vane.
As described above, the gas turbine vane repair and core plug manufacturing method using 3D printing of the present invention has a simple work process, can use a somewhat inexpensive material such as a base material instead of using an expensive brazing filler material, and can be used by laser welding. It has the advantage of low heat input to the material, no deformation, fast work speed, and low production cost as robot work is possible.
In particular, unlike general 3D printing laser welding, in the present invention, laser welding is performed by applying ultrasonic vibration to the base material during welding or by applying ultrasonic vibration at the same time as far-infrared heating, thereby improving the bonding strength of the weld and omitting the heat treatment process after welding. There is an advantage to having it.
In addition, in order to replace the core plug when repairing a damaged vane, the cover plate at one end of the vane must be removed and welded again. In this case, deformation of the material may occur during joining with TIG welding, but the laser of the present invention may cause deformation of the material when joining. When welding is applied, there is a significant effect such as less deformation of the material, and in particular, the advantage of being able to repair damaged parts of the vane at the same time by sharing the X, Y, and Z axes in one fixation of the repair part.
Description
본 발명은 가스터빈의 베인 수리 및 코어플러그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 3D프린팅에 의한 가스터빈의 베인 수리 및 코어플러그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a gas turbine vane repair and core plug manufacturing method, and more specifically to a gas turbine vane repair and core plug manufacturing method by 3D printing.
가스터빈은 천연가스 연료와 고압의 압축된 공기를 혼합해서 연소기를 통해 점화 팽창된 고온고압가스를 가스터빈 내부의 블레이드, 베인 등 고온부품을 통해 터빈로터를 고속으로 회전시키면서 발전기로부터 전력을 생산한다. A gas turbine mixes natural gas fuel and high-pressure compressed air, ignites through a combustor, and uses the expanded high-temperature, high-pressure gas to rotate the turbine rotor at high speed through high-temperature parts such as blades and vanes inside the gas turbine, producing power from a generator. .
도 1은 일반적인 가스터빈의 단면 개요도, 도 2는 일반적인 가스터빈의 베인을 나타낸 사시도, 도 3은 일반적인 가스터빈의 베인과 코어플러그의 관계를 나타낸 사시 개요도이다.Figure 1 is a cross-sectional schematic diagram of a general gas turbine, Figure 2 is a perspective view showing the vanes of a general gas turbine, and Figure 3 is a perspective schematic diagram showing the relationship between the vanes and core plug of a general gas turbine.
도 1에 도시된 바와 같이 가스터빈(1)은 크게 압축기(10)와 연소기(20)와 터빈(30)으로 구성되는 것으로, 압축기(10)는 공기를 도입하는 공기 도입구가 구비되고, 압축기 케이싱 내에 다수개의 압축기 베인과, 압축기 블레이드가 교대로 배치되어 있다.As shown in Figure 1, the gas turbine 1 is largely composed of a compressor 10, a combustor 20, and a turbine 30. The compressor 10 is provided with an air inlet for introducing air, and the compressor Multiple compressor vanes and compressor blades are arranged alternately within the casing.
그리고 연소기(20)는 상기 압축기에서 압축된 압축 공기에 대하여 연료를 공급하고 버너로 점화함으로써 고온고압의 연소가스가 생성되며, 터빈(30)은 터빈 케이싱 내에 연소가스를 안내하는 복수의 터빈 베인(100)과, 터빈 블레이드가 교대로 배치되고. 압축기(10)와 연소기(20)와 터빈(30) 및 배기실의 중심부를 관통하도록 로터가 배치되어 있는 구성을 지닌다.And the combustor 20 supplies fuel to the compressed air in the compressor and ignites it with a burner, thereby generating high-temperature and high-pressure combustion gas, and the turbine 30 has a plurality of turbine vanes that guide the combustion gas within the turbine casing ( 100) and the turbine blades are arranged alternately. It has a configuration in which a rotor is arranged to penetrate the compressor 10, the combustor 20, the turbine 30, and the center of the exhaust chamber.
더욱 상세하게는 터빈(30)은 연소기에서 나온 고온·고압의 가스의 열에너지를 기계적인 에너지로 변환시켜 주는 부분이다.More specifically, the turbine 30 is a part that converts the thermal energy of the high-temperature and high-pressure gas from the combustor into mechanical energy.
이들 고온부품은 운전 중에 높은 온도 및 압력의 부하를 지속적으로 받게 되어 초내열합금 소재 및 열차폐 코팅 보호막이 피로, 산화, 마모 등 열화되어 손상되는 것은 피할 수 없다. These high-temperature parts are continuously subjected to high temperature and pressure loads during operation, so it is inevitable that the super heat-resistant alloy material and heat shield coating protective film will deteriorate and be damaged through fatigue, oxidation, and wear.
따라서, 근본적으로 고온 부품의 손상을 최소화 할 수 있는 방법은 1) 고온에서 열화가 되지 않는 소재를 개발하거나, 2) 이들 고온부품의 냉각효율을 최대한 높여 소재의 손상을 피하는 것이 유일한 방법이라고 할 수 있다. Therefore, the only way to fundamentally minimize damage to high-temperature components is to 1) develop materials that do not deteriorate at high temperatures, or 2) avoid damage to materials by maximizing the cooling efficiency of these high-temperature components. there is.
본 발명에서는 냉각효율을 최대한 높여 소재의 손상을 최소화하는 방법으로 접근하고자 한다. The present invention seeks to approach this by maximizing cooling efficiency to minimize damage to materials.
특히, 도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이 베인(100)의 내부에 있는 코어플러그(110)는 베인(100)에 있는 쿨링홀(Cooling hole)(130)에 차가운 공기를 골고루 분배하여 어느 한 부분이 과열되어 손상되지 않도록 하는 중요한 기능을 하고 있다. In particular, as shown in FIGS. 2 and 3, the core plug 110 inside the vane 100 evenly distributes cold air to the cooling hole 130 in the vane 100 to cool the air to one side. It has an important function in preventing parts from overheating and being damaged.
따라서 손상된 베인 수리 시 베인(100)의 코어플러그(110)는 필수적으로 교체해야하는 부품이다. Therefore, when repairing a damaged vane, the core plug 110 of the vane 100 is a part that must be replaced.
일반적으로 가스터빈 베인의 코어플러그 제조방법은 도 4에 도시된 바와 같이 Hastelloy박판을 성형하여 만나는 끝단에 스폿용접으로 가접한 후 TIG 용접하여 접합하여 제조하고 있다. In general, the core plug of a gas turbine vane is manufactured by forming a Hastelloy thin plate, spot welding the meeting ends, and then joining them by TIG welding, as shown in Figure 4.
그러나 TIG 용접시 판재의 두께가 0.5mm이하로 얇아 구멍이 발생하거나 작업자의 높은 숙련도가 필요하여 생산단가가 높은 단점이 있었다. However, during TIG welding, the thickness of the plate was less than 0.5 mm, which resulted in holes, and the production cost was high due to the high level of skill required by the operator.
최근에는 도 5에 도시된 바와 같이 스폿용접으로 가접한 후 브레이징 용가제를 사용하여 브레이징 접합하는 공법이 적용되고 있으나 이 방법 또한 성형 --> 스폿용접 --> 브레이징 클리닝 --> 슬러리 브레이징 용가제 부착 --> 건조 --> 진공 열처리 --> 블렌딩 등 복잡한 제작공정과 비싼 브레이징 용가제를 사용하기 때문에 생산 단가가 높은 단점이 있다.Recently, as shown in Figure 5, a method of tack welding by spot welding and then brazing using a brazing filler has been applied, but this method also involves forming --> spot welding --> brazing cleaning --> slurry brazing filler. It has the disadvantage of high production cost due to the complex manufacturing process such as attachment --> drying --> vacuum heat treatment --> blending and the use of expensive brazing fillers.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 고가의 브레이징 용가재를 사용하는 대신 다소 저렴한 모재와 같은 소재를 사용함으로써 생산단가가 저렴하면서 작업효율을 획기적으로 향상시킬 수 있는 3D프린팅 레이저 클래딩에 의한 가스터빈 베인 수리 및 코어플러그 제조방법을 제공하고자 하는 데 그 목적이 있다.The present invention was developed to solve the above-mentioned problems, and is a 3D printing laser cladding that can dramatically improve work efficiency while lowering the production cost by using materials such as somewhat inexpensive base materials instead of using expensive brazing filler metals. The purpose is to provide gas turbine vane repair and core plug manufacturing methods.
본 발명 3D프린팅에 의한 가스터빈의 베인 수리 및 코어플러그 제조방법은 손상된 베인의 커버플레이트를 제거하는 1단계 공정; 상기 베인의 내부에 내장된 코어플러그를 인출하는 2단계 공정; 상기 인출된 코어플러그는 폐기하고 새 코어플러그를 제조하고, 베인의 손상 부분은 수리하는 3단계 공정; 상기 제조된 코어플러그의 베인의 홀에 삽입하는 4단계 공정; 상기 커버플레이트를 베인에 접합하는 5단계 공정;을 포함하는 것이 특징이다.The method of vane repair and core plug manufacturing of a gas turbine by 3D printing of the present invention includes a first step of removing the cover plate of the damaged vane; A two-step process of extracting the core plug built into the vane; A three-step process of discarding the extracted core plug, manufacturing a new core plug, and repairing the damaged portion of the vane; A four-step process of inserting the manufactured core plug into the hole of the vane; It is characterized by including a five-step process of joining the cover plate to the vane.
상술한 바와 같이 본 발명 3D프린팅에 의한 가스터빈의 베인 수리 및 코어플러그 제조방법은 작업 공정이 간단하고, 고가의 브레이징 용가재를 사용하는 대신 다소 저렴한 모재와 같은 소재를 사용할 수 있고, 레이저 용접에 의한 소재에 입열량이 적어 변형이 없고, 작업속도가 빠르며 로봇작업이 가능하여 생산단가가 낮은 장점이 있다. As described above, the gas turbine vane repair and core plug manufacturing method using 3D printing of the present invention has a simple work process, can use a somewhat inexpensive material such as a base material instead of using an expensive brazing filler material, and can be used by laser welding. It has the advantage of low heat input to the material, no deformation, fast work speed, and low production cost as robot work is possible.
특히, 일반적인 3D프린팅 레이저 용접과 달리 본 발명에서는 용접시 모재에 초음파 진동을 주거나 또는 원적외선 가열과 동시에 초음파 진동을 주면서 레이저 용접을 실시하기 때문에 용접의 접합력을 향상시키고, 용접후 열처리 과정을 생략할 수 있다는 장점이 있다.In particular, unlike general 3D printing laser welding, in the present invention, laser welding is performed by applying ultrasonic vibration to the base material during welding or by applying ultrasonic vibration at the same time as far-infrared heating, thereby improving the bonding strength of the weld and omitting the heat treatment process after welding. There is an advantage to having it.
또한, 손상된 베인 재생수리시 코어플러그를 교체하기 위해서는 베인의 한 쪽 끝단에 있는 커버플레이트(Cover plate)를 제거 후 다시 용접해야 하는데 이때 TIG용접으로 접합시 소재의 변형이 발생할 수 있으나 본 발명의 레이저 용접을 적용하면 소재의 변형이 적으며 , 특히 수리부품에 대한 한번의 고정에 X, Y, Z축을 공유해서 베인의 손상부를 동시에 수리할 수 있는 장점이 있다는 등의 현저한 효과가 있다.In addition, in order to replace the core plug when repairing a damaged vane, the cover plate at one end of the vane must be removed and welded again. In this case, deformation of the material may occur during joining with TIG welding, but the laser of the present invention may cause deformation of the material when joining. When welding is applied, there is a significant effect such as less deformation of the material, and in particular, the advantage of being able to repair damaged parts of the vane at the same time by sharing the X, Y, and Z axes in one fixation of the repair part.
도 1은 일반적인 가스터빈의 단면 개요도.
도 2는 일반적인 가스터빈의 베인을 나타낸 사시도.
도 3은 일반적인 가스터빈의 베인과 코어플러그의 관계를 나타낸 사시 개요도.
도 4는 종래의 용접에 의한 가스터빈 베인의 코어플러그 제조 공정도.
도 5는 종래의 브레이징에 의한 가스터빈 베인의 코어플러그 제조 공정도.
도 6은 본 발명의 3D프린팅에 의한 가스터빈의 베인 수리 및 코어플러그 제조방법을 나타낸 공정도.Figure 1 is a cross-sectional schematic diagram of a typical gas turbine.
Figure 2 is a perspective view showing the vanes of a typical gas turbine.
Figure 3 is a perspective schematic diagram showing the relationship between the vane and core plug of a general gas turbine.
Figure 4 is a process diagram for manufacturing a core plug of a gas turbine vane by conventional welding.
Figure 5 is a process diagram for manufacturing a core plug of a gas turbine vane by conventional brazing.
Figure 6 is a process chart showing the vane repair and core plug manufacturing method of a gas turbine by 3D printing of the present invention.
본 발명 3D프린팅에 의한 가스터빈의 베인 수리 및 코어플러그 제조방법은 손상된 베인(100)의 커버플레이트(120)를 제거하는 1단계 공정; 상기 베인(100)의 내부에 내장된 코어플러그(110)를 인출하는 2단계 공정; 상기 인출된 코플러그(110)는 폐기하고 새 코어플러그(110)를 제조하고, 베인(100)의 손상 부분은 수리하는 3단계 공정; 상기 제조된 코어플러그(110)의 베인(100)의 홀(130)에 삽입하는 4단계 공정; 상기 커버플레이트(120)를 베인(100)에 접합하는 5단계 공정;을 포함하는 것이 특징이다.The method of vane repair and core plug manufacturing of a gas turbine by 3D printing of the present invention includes a first step of removing the cover plate 120 of the damaged vane 100; A two-step process of withdrawing the core plug 110 built into the vane 100; A three-step process of discarding the extracted nose plug 110, manufacturing a new core plug 110, and repairing the damaged portion of the vane 100; A four-step process of inserting the manufactured core plug 110 into the hole 130 of the vane 100; It is characterized by including a five-step process of joining the cover plate 120 to the vane 100.
상기 3단계 공정에서 새 코어플러그(110)는 박판의 초내열합금을 사용하여 성형 또는 레이저 클래딩으로 3D프린팅하여 제조하는 것이 특징이다.In the above three-step process, the new core plug 110 is manufactured using a thin super heat-resistant alloy by molding or 3D printing with laser cladding.
그리고 상기 3단계 공정에서 베인(100)에 미세한 크랙만이 형성되어 있는 경우, 크랙에 형성된 금속산화물을 제거한 후, 레이저 클래딩에 의해 크랙을 충진 및 레이저 클래딩에 의한 육성용접으로 접합하는 것이 특징이다.In addition, in the case where only a fine crack is formed in the vane 100 in the above three-step process, the metal oxide formed in the crack is removed, and then the crack is filled by laser cladding and joined by build-up welding by laser cladding.
상기 크랙에 충진하는 혼합물은 중량비로 실리콘(Si) 7% 이하, 보론(B) 2% 이하, 탄소(C) 0.01% 이하, 알루미늄(Al) 0.1% 이하, 지르코늄(Zr) 0.05% 이하, 코발트(Co) 0.5% 이하, 인(P) 0.01% 이하, 황(S) 0.02% 이하, 텅스텐(W) 3% 이하, 탄탈룸(Ta) 2% 이하, 크롬(Cr) 20∼30%, 나머지는 니켈(Ni)로 이루어진 것이 특징이다.The mixture filling the crack contains, by weight, 7% or less of silicon (Si), 2% or less of boron (B), 0.01% or less of carbon (C), 0.1% or less of aluminum (Al), 0.05% or less of zirconium (Zr), and cobalt. (Co) 0.5% or less, phosphorus (P) 0.01% or less, sulfur (S) 0.02% or less, tungsten (W) 3% or less, tantalum (Ta) 2% or less, chromium (Cr) 20-30%, the rest It is characterized by being made of nickel (Ni).
또한, 상기 3단계 공정에서 베인(100)의 파손 부분이 큰 경우, 파손 부분을 절삭가공한 후 3D프린팅에 의해 파손된 부분을 생성하는 것이 특징이다.In addition, in the above three-step process, if the damaged part of the vane 100 is large, the damaged part is cut and then created by 3D printing.
또한, 상기 5단계 공정에서 커버플레이트(120)를 베인(100)에 접합은 레이저 클래딩에 의한 육성용접으로 접합하는 것이 특징이다.In addition, in the above five-step process, the cover plate 120 is joined to the vane 100 by layer welding using laser cladding.
또한, 상기 5단계 공정에서 레이저 클래딩에 의한 육성용접으로 커버플레이트(120)를 베인(100)에 접합할 때에는 초음파진동과 원적외선 가열을 함께 하는 것이 특징이다.In addition, when joining the cover plate 120 to the vane 100 through build-up welding using laser cladding in the above five-step process, ultrasonic vibration and far-infrared heating are used together.
이하, 본 발명 3D프린팅에 의한 가스터빈 베인의 코어플러그 수리방법을 첨부한 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the method of repairing the core plug of a gas turbine vane using 3D printing of the present invention will be described in detail with the accompanying drawings.
도 5는 본 발명의 3D프린팅에 의한 가스터빈의 베인 수리 및 코어플러그 제조방법을 나타낸 공정도이다.Figure 5 is a process chart showing the vane repair and core plug manufacturing method of a gas turbine by 3D printing of the present invention.
도 5에 도시된 바와 같이 본원 발명은 손상된 베인(100)의 커버플레이트(120)를 제거하는 1단계 공정; 상기 베인(100)의 내부에 내장된 코어플러그(110)를 인출하는 2단계 공정; 상기 인출된 코어플러그(110)는 폐기하고 새 코어플러그(110)를 제조하고, 베인(100)의 손상 부분은 수리하는 3단계 공정; 상기 제조된 코어플러그(110)의 베인(100)의 홀에 삽입하는 4단계 공정; 상기 커버플레이트(120)를 베인(100)에 접합하는 5단계 공정;을 포함하여 3D프린팅에 의한 가스터빈의 베인 수리 및 코어플러그 제조방법을 특징으로 하고 있다.As shown in Figure 5, the present invention includes a one-step process of removing the cover plate 120 of the damaged vane 100; A two-step process of withdrawing the core plug 110 built into the vane 100; A three-step process of discarding the extracted core plug 110, manufacturing a new core plug 110, and repairing the damaged portion of the vane 100; A four-step process of inserting the manufactured core plug 110 into the hole of the vane 100; It features a vane repair and core plug manufacturing method of a gas turbine by 3D printing, including a five-step process of joining the cover plate 120 to the vane 100.
더욱 상세하게는, 먼저 1단계 공정으로 손상된 베인(100)에서 커버플레이트(120)를 제거하는 것이다.More specifically, the cover plate 120 is first removed from the damaged vane 100 in a one-step process.
베인(100)으로부터 커버프레이트(120)를 제거하는 작업은 널리 공지된 수단이기에 상세한 설명은 생략하도록 한다.Since the operation of removing the cover plate 120 from the vane 100 is a widely known method, detailed description will be omitted.
2단계 공정으로는 베인(100)의 내부에 내장된 코어플러그(110)를 인출하도록 한다.In the second step process, the core plug 110 built into the vane 100 is pulled out.
인출된 코어플러그(110)는 앞서 설명한 바와 같이 재생 또는 수리를 하여 사용할 수 없기에 폐기하도록 한다.The withdrawn core plug 110 cannot be used by regeneration or repair as described above, so it is discarded.
그리고 3단계 공정으로 폐기된 코어플러그(110)를 대체하기 위하여 새 코어플러그(110)를 제조하도록 한다.Then, a new core plug 110 is manufactured to replace the discarded core plug 110 in a three-step process.
새 코어플러그(110)는 성형 또는 3D프린팅 중 택일하여 제조하도록 한다.The new core plug 110 is manufactured by either molding or 3D printing.
코어플러그(110)를 제거한 베인(100)은 수리를 하도록 한다.The vane 100 from which the core plug 110 has been removed must be repaired.
상기 베인(100)의 수리는 베인(100)에 미세한 크랙만이 형성되어 있는 경우, 크랙에 형성된 금속산화물을 제거한 후, 레이저 클래딩에 의해 크랙을 충진 및 레이저 클래딩에 의한 육성용접으로 접합하도록 한다.In the repair of the vane 100, when only a fine crack is formed in the vane 100, the metal oxide formed in the crack is removed, and then the crack is filled by laser cladding and joined by build-up welding by laser cladding.
이때, 금속산화물을 제거한 후에는 히트틴트(Heat Tint) 또는 형광침투탐상에 의한 크랙의 깊이 및 크기 등을 검사하는 공정이 포함된다.At this time, after removing the metal oxide, a process of inspecting the depth and size of the crack by heat tint or fluorescent penetrant inspection is included.
상기 크랙에 충진하는 혼합물로는 중량비로 실리콘(Si) 7% 이하, 보론(B) 2% 이하, 탄소(C) 0.01% 이하, 알루미늄(Al) 0.1% 이하, 지르코늄(Zr) 0.05% 이하, 코발트(Co) 0.5% 이하, 인(P) 0.01% 이하, 황(S) 0.02% 이하, 텅스텐(W) 3% 이하, 탄탈룸(Ta) 2% 이하, 크롬(Cr) 20∼30%, 나머지는 니켈(Ni)로 이루어진 것을 사용하도록 한다.The mixture filling the cracks includes, by weight, 7% or less of silicon (Si), 2% or less of boron (B), 0.01% or less of carbon (C), 0.1% or less of aluminum (Al), and 0.05% or less of zirconium (Zr), Cobalt (Co) 0.5% or less, phosphorus (P) 0.01% or less, sulfur (S) 0.02% or less, tungsten (W) 3% or less, tantalum (Ta) 2% or less, chromium (Cr) 20-30%, the rest should be made of nickel (Ni).
또한, 상기 3단계 공정에서 베인(100)의 파손 부분이 큰 경우에는 파손 부분을 절삭가공한 후 3D프린팅에 의해 파손된 부분을 생성하도록 한다.In addition, if the damaged part of the vane 100 is large in the above three-step process, the damaged part is cut and then 3D printed to create the damaged part.
3D프린팅은 베인(100)에 직접 적층할 수도 있으며, 별도로 절삭가공에 의해 없어진 만큼의 베인(100)을 3D프린팅으로 생성한 후 레이저 클래딩에 의한 육성용접으로 별도로 생성한 베인(100)을 원 베인(100)에 접합할 수도 있다.3D printing can be directly laminated on the vane (100), and after creating the vane (100) as much as lost by cutting processing by 3D printing, the separately created vane (100) is formed by welding by laser cladding into a single vane. It can also be conjugated to (100).
이때, 접합력을 향상시키기 위해 상술한 혼합물을 사용하도록 한다.At this time, the above-mentioned mixture should be used to improve bonding strength.
이어, 4단계 공정으로는 상기 제조된 코어플러그(110)를 베인(100)의 홀에 삽입하는 것이다.Next, in the fourth step process, the manufactured core plug 110 is inserted into the hole of the vane 100.
코어플러그(110)를 베인(100)의 내부에 고정 및 접합하는 것은 널리 공지된 수단이기에 상세한 설명은 생략하도록 한다.Since fixing and joining the core plug 110 to the inside of the vane 100 is a widely known method, detailed description will be omitted.
끝으로 5단계 공정으로 제거한 커버플레이트(120)를 베인(100)에 레이저 클래딩에 의한 육성용접으로서 접합하는 것이다.Lastly, the cover plate 120 removed in the 5-step process is joined to the vane 100 by build-up welding using laser cladding.
레이저 클래딩시 접합력을 향상시키기 위하여 베인(100)의 금속 조성과 동일한 분말가루 또는 금속와이어를 사용하도록 하며, 커버플레이트(120)의 파손이 있는 경우에는 3D프린팅에 의해 새로이 제조한 것을 사용하도록 한다.In order to improve bonding strength during laser cladding, powder or metal wire that is the same as the metal composition of the vane 100 should be used, and if the cover plate 120 is damaged, a new one manufactured by 3D printing should be used.
한편, 상기 5단계 공정에서 레이저 클래딩에 의한 육성용접으로 커버플레이트(120)를 베인(100)에 접합할 때에는 초음파진동과 원적외선 가열을 함께 하도록 한다.Meanwhile, when joining the cover plate 120 to the vane 100 by growth welding using laser cladding in the above five-step process, ultrasonic vibration and far-infrared heating are used together.
바람직하게는 초음파 진동은 1KHz∼100MHz의 범위로 하고, 원적외선 가열은 원적외선 파장을 10∼1000㎛ 사이에서 진행하여 모재인 베인(100)의 온도를 400∼1000℃ 내로 유지하면서 레이저 클래딩하도록 한다.Preferably, the ultrasonic vibration is in the range of 1KHz to 100MHz, and the far-infrared heating is performed with a far-infrared ray wavelength between 10 and 1000㎛ to perform laser cladding while maintaining the temperature of the base material, vane 100, within 400 to 1000°C.
더욱 상세하게는 진동자(도면 미도시)를 모재인 베인(100)의 표면에 접촉시키고 초음파 진동과 원적외선을 가열하는 것이다.More specifically, a vibrator (not shown) is brought into contact with the surface of the base material, the vane 100, and heated by ultrasonic vibration and far-infrared rays.
최적의 초음파를 레이저 클래딩 되는 부분에 전달하기 위해서 레이저 클래딩 되는 크랙부분으로부터 0.5∼500mm 이내 떨어진 곳에 진동자를 부착하여 모재인 베인(100)에 진동을 주면서 레이저 클래딩을 하는 것이다.In order to optimally transmit ultrasonic waves to the part to be laser cladded, a vibrator is attached within 0.5 to 500 mm from the crack part to be laser cladded, and laser cladding is performed while vibrating the vane 100, which is the base material.
즉, 진동자는 모재인 베인(100)의 표면에 접촉되도록 하되, 크랙으로부터는 0.5∼500mm 이내 떨어진 베인(100)의 표면에 접촉시키도록 한다.That is, the vibrator is brought into contact with the surface of the vane 100, which is the base material, but is made to contact the surface of the vane 100 within 0.5 to 500 mm away from the crack.
상술한 바와 같이 초음파 진동과 동시에 레이저 클래딩할 경우 장점은 용접부에 기공율을 0.01% 이하로 감소시킴과 동시에 결정립의 크기를 기존 레이저 클래딩 보다 50% 이하로 작게 하기 때문에 기계적 특성(경도, 강도, 마모, 피로)이 증가하는 장점이 있다 As mentioned above, the advantage of laser cladding simultaneously with ultrasonic vibration is that it reduces the porosity of the welded area to less than 0.01% and at the same time reduces the size of the grains to less than 50% compared to existing laser cladding, thereby improving mechanical properties (hardness, strength, wear, There is an advantage in increasing fatigue)
본 발명의 3D프린팅에 의한 가스터빈의 베인 수리 및 코어플러그 제조방법은 작업 공정이 간단하고, 고가의 브레이징 용가재를 사용하는 대신 다소 저렴한 모재와 같은 소재를 사용할 수 있고, 레이저 용접에 의한 소재에 입열량이 적어 변형이 없고, 작업속도가 빠르며 로봇작업이 가능하여 생산단가가 낮은 장점이 있다. The vane repair and core plug manufacturing method of a gas turbine by 3D printing of the present invention has a simple work process, and instead of using expensive brazing filler metal, a material such as a somewhat inexpensive base material can be used, and the material can be used by laser welding. It has the advantage of low heat content, no deformation, fast work speed, and low production cost as robot work is possible.
특히, 일반적인 3D프린팅 레이저 용접과 달리 본 발명에서는 용접시 모재에 초음파 진동을 주거나 또는 원적외선 가열과 동시에 초음파 진동을 주면서 레이저 용접을 실시하기 때문에 용접의 접합력을 향상시키고, 용접후 열처리 과정을 생략할 수 있다는 장점이 있다.In particular, unlike general 3D printing laser welding, in the present invention, laser welding is performed by applying ultrasonic vibration to the base material during welding or by applying ultrasonic vibration at the same time as far-infrared heating, thereby improving the bonding strength of the weld and omitting the heat treatment process after welding. There is an advantage to having it.
또한, 손상된 베인 재생수리시 코어플러그를 교체하기 위해서는 베인의 한 쪽 끝단에 있는 커버플레이트(Cover plate)를 제거 후 다시 용접해야 하는데 이때 TIG용접으로 접합시 소재의 변형이 발생할 수 있으나 본 발명의 레이저 용접을 적용하면 소재의 변형이 적으며 , 특히 수리부품에 대한 한번의 고정에 X, Y, Z축을 공유해서 베인의 손상부를 동시에 수리할 수 있는 장점이 있다는 등의 현저한 효과가 있다.In addition, in order to replace the core plug when repairing a damaged vane, the cover plate at one end of the vane must be removed and welded again. In this case, deformation of the material may occur during joining with TIG welding, but the laser of the present invention may cause deformation of the material when joining. When welding is applied, there is a significant effect such as less deformation of the material, and in particular, the advantage of being able to repair damaged parts of the vane at the same time by sharing the X, Y, and Z axes in one fixation of the repair part.
1. 가스터빈
10. 압축기
20. 연소기
30. 터빈
100. 베인 110. 코어플러그 120. 커버플레이트
130. 홀 140. 쿨링홀(Cooling Hole)1. Gas turbine
10. Compressor
20. Combustor
30. Turbine
100. Vane 110. Core plug 120. Cover plate
130. Hole 140. Cooling Hole
Claims (7)
상기 3단계 공정에서 새 코어플러그(110)는 박판의 초내열합금을 사용하여 성형 또는 레이저 클래딩으로 3D프린팅하여 제조하고,
상기 3단계 공정에서 베인(100)에 미세한 크랙만이 형성되어 있는 경우 크랙에 형성된 금속산화물을 제거한 후, 레이저 클래딩에 의해 크랙을 충진 및 접합하되, 베인(100)의 파손 부분이 큰 경우 파손 부분을 절삭가공한 후 3D프린팅에 의해 파손된 부분을 생성하며,
상기 크랙에 충진하는 혼합물은 중량비로 실리콘(Si) 7% 이하, 보론(B) 2% 이하, 탄소(C) 0.01% 이하, 알루미늄(Al) 0.1% 이하, 지르코늄(Zr) 0.05% 이하, 코발트(Co) 0.5% 이하, 인(P) 0.01% 이하, 황(S) 0.02% 이하, 텅스텐(W) 3% 이하, 탄탈룸(Ta) 2% 이하, 크롬(Cr) 20∼30%, 나머지는 니켈(Ni)로 이루어지며,
상기 5단계 공정에서 레이저 클래딩에 의한 육성용접으로 커버플레이트(120)를 베인(100)에 접합할 때에는 초음파진동과 원적외선 가열을 함께 하도록 하되, 초음파 진동은 1KHz∼100MHz의 범위로 하고, 원적외선 가열은 원적외선 파장을 10∼1000㎛ 사이에서 진행하여 모재인 베인(100)의 온도를 400∼1000℃ 내로 유지하면서 레이저 클래딩하도록 하는 것이 특징인 3D프린팅에 의한 가스터빈의 베인 수리 및 코어플러그 제조방법.
A first-step process of removing the cover plate 120 of the damaged vane 100; A two-step process of withdrawing the core plug 110 built into the vane 100; A three-step process of discarding the extracted core plug 110, manufacturing a new core plug 110, and repairing the damaged portion of the vane 100; A four-step process of inserting the manufactured core plug 110 into the hole 130 of the vane 100; In the vane repair and core plug manufacturing method of a gas turbine by 3D printing, including a five-step process of joining the cover plate 120 to the vane 100,
In the above three-step process, the new core plug 110 is manufactured using a thin super heat-resistant alloy by molding or 3D printing with laser cladding,
In the above three-step process, if only a fine crack is formed in the vane 100, the metal oxide formed in the crack is removed, and then the crack is filled and bonded by laser cladding. However, if the damaged part of the vane 100 is large, the damaged part is After cutting, the damaged part is created by 3D printing.
The mixture filling the crack contains, by weight, 7% or less of silicon (Si), 2% or less of boron (B), 0.01% or less of carbon (C), 0.1% or less of aluminum (Al), 0.05% or less of zirconium (Zr), and cobalt. (Co) 0.5% or less, phosphorus (P) 0.01% or less, sulfur (S) 0.02% or less, tungsten (W) 3% or less, tantalum (Ta) 2% or less, chromium (Cr) 20-30%, the rest It is made of nickel (Ni),
In the above 5-step process, when joining the cover plate 120 to the vane 100 by welding by laser cladding, ultrasonic vibration and far-infrared heating are used together. Ultrasonic vibration is in the range of 1KHz to 100MHz, and far-infrared heating is used. A gas turbine vane repair and core plug manufacturing method using 3D printing, which is characterized by laser cladding while maintaining the temperature of the base material, the vane 100, within 400∼1000°C by advancing the far-infrared wavelength between 10 and 1000㎛.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |