KR20080113229A - 용접 첨가 물질, 용접 첨가 물질의 용도, 용접 방법 및 부품 - Google Patents

용접 첨가 물질, 용접 첨가 물질의 용도, 용접 방법 및 부품 Download PDF

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우베 파울
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지멘스 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은 용접 첨가 물질, 용접 첨가 물질의 용도, 용접 방법 및 용접 첨가 물질에 의해 일정한 니켈계 초합금의 용접성을 크게 향상시키는 부품에 관한 것이고, 이 부품은 이하의 성분(wt%로)을 포함한다: 18.0%-20.0% 크롬(Cr), 9.0%-11.0% 코발트(Co), 7.0%-10.0% 몰리브덴(Mo), 2.0%-2.5% 티타늄(Ti), 1.0%-1.7% 알루미늄(Al), 0.04%-0.08% 탄소(C), 나머지 니켈(Ni)을 포함한다.

Description

용접 첨가 물질, 용접 첨가 물질의 용도, 용접 방법 및 부품 {WELDING ADDITIVE MATERIAL, USE OF THE WELDING ADDITIVE MATERIAL, WELDING METHODS AND COMPONENT}
본 발명은 청구항 제 1 항에서 설명된 용접 필러(weld filler), 청구항 제 7 항에서 청구된 용접 필러의 용도, 청구항 제 15 항에서 청구된 용접 프로세스, 그리고 청구항 제 17 항에서 청구된 부품에 관한 것이다.
모든 고온 물질 중에, 니켈계 초합금은 기계적 성질, 부식에 대한 저항 그리고 비행기 및 파워 플랜트용 가스 터빈 구성에 대한 공정성(processability)의 가장 바람직한 조합을 갖는다. 강도에서의 상당한 증가가 응집되어 있는(coherent) γ' 상 NI3(Al-Ti, Ta, Nb)의 부피 만큼 매우 높은 비율로 입자 경화에 의해 가능하게 된다. 그러나, 일반적으로 높은 γ' 함유량을 갖는 합금은 제한된 정도로 용접 가능하게만 고려될 수 있다. 이러한 열등한 용접성은 이하에 의해 야기된다:
a) 니켈 합금은 진정한 철(authentic iron) 및 Co 합금의 수치와 유사하게, 비교적 낮은 열전도도 및 비교적 높은 열팽창 계수를 갖는 것이 일반적이다. 따라서, 유입된 용접 열은 비교적 천천히 흩어지고, 불균질한 히팅이 높은 열 응력을 유도하며, 이에 의해 열적 피로가 야기되고 이 열적 피로는 상당한 작용으로만 감당할 수 있다.
b) 니켈 합금은 고온 범위 내에서 온도 사이클에서의 빠른 변화의 경우에 핫 크랙(hot cracks)에 매우 민감하다. 그 원인은 황화물 또는 붕소화물과 같은 낮은 용융상의 형성 또는 화학 조성에서의 변동(분리(segregation))으로부터 초래되는 입자 경계 융합(grain boudnary fusion)이다.
c) 니켈 합금은 γ 매트릭스에서 γ' 상의 높은 비율을 갖는 것이 일반적이다. 터빈 부품을 위한 니켈계 초합금의 경우에, γ' 상은 40vol%를 초과하는 양에 이른다. 이는 특히 낮은 온도에서 그리고 온도 필드의 범위에서 높은 강도를 얻지만 또한 물질의 낮은 연성을 유도하고, 이 온도 필드의 범위에서 γ/γ' 침전 현상이 일어날 수 있다("연성-강하(dip) 온도 범위", "하위고상 연성 강하"로도 알려짐, 약 700℃ 내지 1100℃, 합금에 따라). 결과적으로, 쉽게 일어날 수 없는 응력이 플라스틱 유동을 통해 흡수되고 이는 일반적으로 크랙 형성의 위험을 증가시킨다.
d) 니켈 합금은 변형-에이지 크래킹으로서도 알려진 포스트-용접(post-weld) 열처리 크랙의 현상을 나타낸다. 이 경우에, 크랙은 열-영향을 받는 존에서 γ/γ' 침전 현상의 결과로서 용접 이후의 제 1 열처리에서 또는 - 용접 필러가 γ' 상을 형성할 수 있다면 - 용접 금속에서도 특징적인 방식으로 만들어진다. 이는 주 위 매트릭스의 수축의 결과로 γ' 상의 침전 동안 형성되는 국부적인 응력에 의한다. 변형-에이지 크래킹에 대한 감수성은 Al 및 Ti와 같은 γ'-형성 합금 성분의 증가하는 레벨과 함께 증가하게 되고, 또한 이는 미세구조에서 γ' 상의 비율을 증가시킨다.
베이스 금속 및 필러가 동일한 용접이 종래의 용접 프로세스를 이용하여 상온에서 시도된다면, 터빈 레이저 날개(예를 들어 IN 738 LC, Rene 80, IN 939)에 대한 많은 산업적인 Ni-계 초합금에 대해, 열 영향을 받은 존에서 그리고 용접 금속에서 크랙의 형성을 피하는 것이 현재 가능하지 않다.
현재, 다수의 프로세스 및 프로세스 단계가 공지되어 있고 이에 의해 니켈계 초합금의 용접성을 향상시킨다:
a) 예열을 구비한 용접:
고강도 필러(니켈계 초합금과 유사함)를 이용하여 니켈계 초합금을 용접할 때 크랙을 피하는 한가지 방법은 온도차를 줄이고 따라서 부품의 나머지와 용접 조인트 사이의 응력 변화도를 줄이는 것이다. 이는 용접 동안 부품의 예열에 의해 얻어진다. 일례는 차폐 및 가스 박스에서 수동식 TIG 용접이고, 용접 조인트는 900℃를 넘는 온도로 유도적으로(유도 코일에 의해) 예열된다. 그러나, 이는 용접 프로세스를 크게 복잡하게 하고 값비싸게 만든다. 또한, 비접근성 때문에, 이는 용접되어야 하는 모든 영역에 대해서 이행될 수 없다.
b) 매우 적은 열의 유입을 구비한 용접:
이는 매우 적은 열이 베이스 금속으로 유입되는 것을 보장하는 용접 프로세 스들의 이용을 포함한다. 이 프로세스는 레이저 용접 및 전자 비임 용접을 포함한다. 두 프로세스 모두 매우 값 비싸다. 또한, 이들은 프로그래밍 및 자동화에 대한 비용을 요구하고, 이는 수리 용접에 대해 비경제적일 수 있으며, 손상 패턴 및 위치는 자주 변동한다.
US 2004/0115086 A1은 다양한 첨가를 가진 니켈 합금을 개시하고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은, 종래 기술의 문제점을 극복한 용접 필러, 용접 필러의 용도, 용접 프로세스 및 부품을 제공하는 것이다.
상기 목적은 청구항 제 1 항에서 청구된 것과 같은 용접 필러에 의해 얻어지는데, 이 경우 용접 필러는,
18.0wt% - 20.0wt% 크롬(Cr), 특히 19wt% Cr,
9.0wt% - 11.0wt% 코발트(Co), 특히 10wt% Co,
7.0wt% - 10.0wt% 몰리브덴(Mo), 특히 8.5wt% Mo,
2.0wt% - 2.5wt% 티타늄(Ti), 특히 2.3wt% Ti,
1.0wt% - 1.7wt% 알루미늄(Al), 특히 1.4wt% Al,
0.04wt% - 0.08wt% 탄소(C), 특히 0.06wt% C 를 포함하고,
선택적으로
0.001wt% - 0.007wt% 붕소(B), 특히 0.005wt% B,
최대 1.5wt%의 철(Fe), 특히 최대 0.5wt% Fe,
최대 0.3wt%의 망간(Mn), 특히 최대 0.15wt% Mn,
최대 0.15wt%의 실리콘(Si), 특히 최대 0.1wt% Si을 포함하며,
나머지는 니켈을 포함한다. 청구항 제 6 항에서 청구된 이러한 용접 필러의 용도, 청구항 제 19 항에서 청구된 용접 프로세스, 그리고 청구항 제 21 항에서 청구된 부품에 의해 상기 목적이 이루어진다.
종속항들은 원하는 바와 같이 서로 유리하게 조합될 수 있는 유리한 구성들을 제공한다.
본 발명은 상온에서 수동식 또는 자동식 용접에 의해 니켈계 초합금으로 만들어진 다른 핫-가스 부품 및 가스 터빈 블레이드 또는 날개의 수리 용접을 가능하게 하는 용접 필러 및 그 용도를 제안한다. 유사하게, 이 용접 필러는 γ' 경화된 니켈계 초합금이지만, 제조되는 부품의 기판의 물질과는 특히 다르다. 이 용접 수리는 베이스 금속의 성질의 약 50% 또는 그 초과에 대응하는 낮은 사이클 피로(LCF)를 가능하게 한다(이 용접은 베이스 금속의 LCF 사이클의 50%를 견딘다).
본 발명은 이하에서 더욱 자세하게 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 필러를 이용하여 용접될 수 있는 물질의 조성 리스트를 도시한다.
도 2는 가스 터빈을 도시한다.
도 3은 터빈 블레이드 또는 날개(vane)의 사시도를 도시한다.
도 4는 연소 챔버 요소의 사시도를 도시한다.
본 발명은 바람직하게 이하의 특징을 포함하는 니켈계 초합금으로 만들어진 터빈 블레이드 또는 날개(120, 130(도 2) 및 뜨거운 가스 구성요소(hot-gas component; 138, 155)(도 3, 4)와 같은 부품을 용접하기 위한 용접 프로세스를 제시한다.
니켈계 초합금으로 만들어진 베이스 금속에서 γ' 상을 조악하게 하는(coarsening) 것을 기대하는 용접 이전의 열처리(cf. EP 1 428 897 A1). 또한 오버에이징(overaging)으로서 알려진 이 열처리는 연성을 증가시키고 따라서 베이스 금속의 용접성을 증가시킨다.
상온에서 자동화된 플라즈마 파우더 용접 또는 레이저 파우더 용접과 같은 자동화된 프로세스를 이용한 대안적인 용접, 또는 TIG 혹은 플라즈마 파우더 용접과 같은 종래의 수동식(manual) 용접 프로세스를 이용하는 예열(상온에서)이 없는 용접.
산화로부터 보호하기 위해 용접 동안 전체 구성요소가 유입되는 폐쇄된 차폐 가스 또는 진공 박스의 이용은 필요하지 않다. 또한, 차폐 가스의 대응하는 큰 유동에 의해 용접 동한 상기 구성요소가 보호되는 관통-유동 박스는 필요하지 아니하다.
용접 동안 핫 크래킹(hot cracking) 및/또는 산화되기 지극히 쉬운 베이스 금속에 대해, 산화를 감소시키기 위한 수소 및/또는 핫 크래킹을 억제하기 위한 질소를 함유한 차폐 가스를 이용하는 것이 권장된다(차폐 가스는 EP 04011321.9호에서 개시되어 있고 차폐 가스의 조성은 본 발명의 명세서의 일부를 형성한다).
베이스 금속 및 용접 필러를 균질화하기 위해 용접 이후 열처리: 용액 어닐링. 용액 어닐링 온도는 베이스 금속에 적합해야 한다. 용액 어닐링 온도는 용액 어닐링 온도보다 높아야만 하지만 용접 필러의 고상 온도(solidus temperature)보다는 낮아야만 한다. 원하는 γ' 조직(크기, 형태, 분포)을 설정하기 위해 단일 단계 또는 다중 단계 에이지 경화(hardening)가 핫 가스 성분의 프로세싱 동안 이후의 스테이지에서 또는 이후에 즉시 일어날 수 있다.
용접 필러는 베이스 합금(SC 60) 및 이 합금의 변형(SC 60+)으로 나눠진다.
SC 60
이 용접 필러는 상온에서 비교적 뛰어난 용접 성질을 갖는다. 이를 얻기 위해, 합금에서 Al 및 Ti의 레벨은 변형-에이지(strain-age) 크래킹에 대해 매우 낮은 감수성(susceptibility)을 얻는 방식으로 선택되었다. Al 함유량은 1.7% 미만으로 선택되었고 Cr 성분은 18-20%로 선택되었으며, 이에 의해 이 합금은 부식 방지 Cr2O3 덮개층을 형성하고 작동 조건 하에서 이 층의 재생성을 위한 충분한 저장소(reservoir)를 함유한다.
SC 60+
이하에서 설명된 변화는 SC 60과 비교하여 실행되는 것이 바람직하다.
철: 철은 최대 0.5wt%로 제한되는 것이 바람직하고, 이에 의해 산화에 대한 합금의 저항을 향상시키고 취성의(embrittling) TCP 상(TCP = 조직적으로 밀폐되게 압축된(topologically closed packed)이 형성되는 위험을 감소시킨다.
실리콘: 실리콘은 최대 0.1wt%로 제한되는 것이 바람직하고, 이에 의해 핫 크래킹을 최소화한다.
이 성분을 만들 때 그리고 용접 동안, 산화물 및 특히 황화물이 입자 경계(grain boundary)에 형성될 수 있다. 한편으로는 황 및 산소를 함유한 이러한 얇은 입계(intercrystalline) 공융혼합물(eutectics)은 입자 경계를 취성화한다. 다른 한편으로, 이들은 낮은 녹는 온도를 갖고, 이는 입자 경계의 국부적인 융합에 의해 입자 경계 크래킹에 대해 높은 감수성을 유도한다. 산소 취성화는 Hf의 첨가에 의해 야기되는 입자 경계의 화학 조성에서의 국부적인 변화에 의해 특히 반작용을 받고, 이는 입자 경계에서 분리되며 이에 의해 산소 편에서 입자 경계 확산을 더욱 어렵게 만들고, 따라서 입자 경계 취성화를 방해하며, 이는 산소에 의해 야기된다. 또한, 하프늄은 γ' 상에 혼합되고, 이에 의해 강도를 증가시킨다.
이하의 테이블은 두 개의 예시적인 실시예를 요약한다(wt%로 나타냄).
성분 SC 60 변형 SC 60+ 효과
Cr 18.0 - 20.0 18.0 - 20.0 부식 저항, 황화(sulfidation)에 대해 저항을 증가시킴, 고용체 경화
Co 9.0 - 11.0 9.0 - 11.0 스택킹 결함 에너지를 감소시키고, 이에 의해 크립(creep) 강도의 증가를 초래하며 용액 어닐링 성질을 향상시킴
Mo 7.0 - 10.0 7.0 - 10.0 고용체 경화, 탄성율을 증가시킴, 확산 계수를 감소시킴
Ti 2.0 - 2.5 2.0 - 2.5 γ'에서 Al을 치환함, γ' 부피비를 증가시킴
Al 1.0 - 1.7 1.0 - 1.7 γ' 성형, 약 950℃를 초과하는 온도에서 산화에 대해 효과적인 긴 시간 보호, 강한 고용체 경화
Fe 최대 1.5 최대 0.5 TCP 상의 형성을 촉진시킴, 산화에 대한 저항에 역효과를 가짐
Mn 최대 0.3 최대 0.15
Si 최대 0.15 최대 0.1 TCP 상의 형성을 촉진시킴, 핫 크래킹을 증가시킴
C 0.04 - 0.08 0.06 카바이드 성형
B(선택적) 0.003 - 0.007 최대 0.001 입자 경계 활동을 가진 성분(큰 원자), 입자 경계 응집을 증가시킴, 초기 크래킹의 위험을 감소시킴, 연성 및 크립 파괴 강도를 증가시킴, 입자 경계 상에 카바이드 필름의 형성을 막음, 산화의 위험을 감소시킴
Ni 나머지 나머지
한가지 이용례는 수동식 TIG 용접 및 플라즈마-아크 파우더 서피싱(surfacing)에 의해 특히 작동 응력을 겪을 때 합금 르네80(Rene80)의 용접이다. 추가적인 용접 프로세스 및 수리 응용은 제외되지 않는다. 용접 수리 조인트는 터빈 블레이드 또는 날개의 에어호일(airfoil)에서 또는 에어호일/플랫폼 변이에서 "구조적" 수리를 가능하게 하는 성질을 갖는다.
다른 니켈계 필러는 γ' 상의 레벨에 따라 선택될 수 있고, 특히 35vol%와 동등하거나 이보다 큰 것이 선호되며, 75vol%의 바람직한 최대 상한을 갖는다.
이 물질들 IN 738, IN 738 LC, IN 939, PWA 1483 SX 또는 IN 6203 DS는 본 발명에 따른 용접 필러를 이용하여 바람직하게 용접될 수 있다.
도 2는 예로서 가스 터빈(100)을 통한 부분적인 종단면도를 도시한다. 내부 에서, 가스 터빈(100)은 샤프트(101)를 구비한 로터(103)를 갖고, 로터는 회전축(102) 주위로 회전 가능하도록 장착되며 또한 터빈 로터로서 지칭된다. 흡입 하우징(104), 압축기(105), 예를 들어 토로이달(toroidal) 연소 챔버(110), 특히 환형 연소 챔버로서 다수의 동축으로 배열된 버너(107)를 구비한 연소 챔버, 터빈(108) 및 배출-가스 하우징(109)이 로터(103)를 따라 서로 따라오며 위치한다. 환형 연소 챔버(110)는 예를 들어 환형 핫-가스 통로(111)와 소통하고, 이에 의해 예를 들어 4개의 연속적인 터빈 스테이지(112)가 터빈(108)을 형성한다. 각각의 터빈 스테이지(112)는 예를 들어 두 개의 블레이드 또는 날개 링으로 형성된다. 작업 매개물(113)의 유동 방향에서 볼 때, 핫-가스 통로(111)에서 안내 날개(115)의 하나의 열 뒤에 로터 블레이드(120)로 형성된 열(125)이 온다.
안내 날개(130)는 스테이터(143)의 내부 하우징(138)에 고정되고, 반면에 열(125)의 로터 블레이드(120)는 예를 들어 터빈 디스크(133)에 의해 로터(103)에 끼워진다. 발전기(미도시)는 로터(103)에 결합된다.
가스 터빈(100)이 작동하는 동안, 압축기(105)는 흡입 하우징(104)을 통해 에어(135)를 빨아들이고 이를 압축시킨다. 압축기(105)의 터빈부 단부에 제공된 압축된 에어는 버너(107)로 통과하고 여기서 이는 연료와 혼합된다. 이후 이 혼합물은 연소 챔버에서 연소되고 이에 의해 작업 매개물(working medium; 113)을 형성한다. 거기로부터, 작업 매개물(113)은 안내 날개(130) 및 로터 블레이드(120)를 지나 핫-가스 통로(111)를 따라 유동한다. 이 작업 매개물(113)은 로터 블레이드(120)에서 팽창되고 그 모멘텀을 전달하며 이에 의해 로터 블레이드(120)가 로 터(103)를 구동시키고 차례로 로터가 이에 연결된 발전기를 구동시킨다.
가스 터빈(100)이 작동하는 동안, 핫 작업 매개물(113)에 노출된 구성요소는 열적 응력을 받는다. 환형 연소 챔버(110)를 나타내는 열 차폐 성분과 함께 작업 매개물(113)의 유동 방향에서 본 것처럼 제 1 터빈 스테이지(112)의 로터 블레이드(120) 및 안내 날개(130)는 최고의 열적 응력을 받는다. 여기서 우세한 온도를 견딜 수 있기 위해, 이들은 냉각제에 의해 냉각되어야만 한다. 이러한 구성요소로 된 기판은 방향성 구조를 가질 수 있는데, 즉 단결정 형태(SX 구조) 또는 오직 종방향으로 배향된 입자들(DS 구조)을 갖는다. 예로서, 철계, 니켈계 또는 코발트계 초합금이 이러한 부품들에 대한, 특히 연소 챔버(110)의 부품 및 터빈 블레이드 또는 날개(120, 130)에 대한 물질로서 이용된다. 이러한 형태의 초합금은 예를 들어 EP 1 204 776 B1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 A1, WO 99/67435 또는 WO 00/44949호에서 공지되어 있고, 상기 서류들은 이 합금의 화학적 조성과 관련하여 명세서의 일부를 형성한다.
이 안내 날개(130)는 안내 날개 루트(root)(여기서는 미도시)를 가지고, 이는 터빈(108)의 내부 하우징(138)을 향하며, 안내 날개 헤드는 안내 날개 루트로부터 그 대향 단부에 있다. 안내 날개 헤드는 로터(103)를 향하고 이는 스테이터(143)의 고정 링(140)에 고정된다.
도 3은 종축(121)을 따라 연장하는 터빈 기계의 로터 블레이드(120) 또는 안내 날개(130)의 사시도를 도시한다.
터빈 기계는 항공기의 또는 전류를 생성하기 위한 발전소의 가스 터빈, 스팀 터빈, 또는 압축기일 수 있다.
블레이드 또는 날개(120, 130)는, 종축(121)을 따라 연속적으로, 고정 영역(400), 접합 블레이드 또는 날개 플랫폼(403), 그리고 메인 블레이드 또는 날개 부품(406) 및 블레이드 또는 날개 팁(415)을 갖는다. 안내 날개(130)로서, 날개(130)는 그 날개 팁(415)에 추가적인 플랫폼(미도시)을 가질 수 있다.
샤프트 또는 디스크(미도시)에 로터 블레이드(120, 130)를 고정하는데 이용되는 블레이드 또는 날개 루트(183)는 고정 영역(400)에 형성된다. 예를 들면 블레이드 또는 날개 루트(183)는 해머헤드 형태로 설계된다. 퍼-트리(fir-tree) 또는 열장이음(dovetail) 루트와 같은 다른 구성도 가능하다. 블레이드 또는 날개(120, 130)는 메인 블레이드 또는 날개 부품(406)을 지나서 유동하는 매개물을 위한 선행 에지(409) 및 후행 에지(412)를 가진다.
종래의 블레이드 또는 날개(120, 130)의 경우에, 예로서 고체 금속 물질, 특히 초합금이 블레이드 또는 날개(120, 130)의 모든 영역(400, 403, 406)에 이용된다. 이러한 형태의 초합금은 예를 들어 EP 1 204 776 B1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 A1, WO 99/67435 또는 WO 00/44949에 공지되어 있고, 이러한 서류들은 이 합금의 화학 조성에 대해 명세서의 일부를 형성한다. 이러한 경우에 블레이드 또는 날개(120, 130)는 캐스팅 프로세스, 또한 방향적 고형화, 단조 프로세스, 밀링 프로세스 또는 이의 조합에 의해 만들어질 수 있다.
단일 결정 구조 또는 구조들로 된 워크 피스(work piece)는 기계를 위한 구성요소로서 이용되고, 작동시 높은 기계적, 열적 및/또는 화학적 응력에 노출된다. 이러한 형태의 단일 결정 워크 피스는 예를 들어 용융물로부터의 방향적 고형화에 의해 만들어진다. 이는 캐스팅 프로세스를 포함하고, 이 프로세스에서 액체 금속 합금은 고형화되어 단일 결정 구조, 즉 단일 결정 워크 피스를 형성하거나 또한 방향적으로 고형화한다. 이 경우에, 수지상 결정(dendritic crystal)들은 열 유동의 방향을 따라 배향되고 주상 결정 입자 구조(즉, 워크 피스의 전체 길이를 넘어 뻗어 있는 입자이고, 통상적으로 사용되는 언어에 따라 방향적으로 고형화된 것으로 여기서 지칭됨) 또는 단일 결정 구조, 즉 전체 워크 피스가 하나의 단일 결정으로 이루어진 구조를 형성한다. 이러한 프로세서에서, 구형(globular)(다결정) 고형화로의 변이는 피해질 필요가 있는데, 왜냐하면 비방향성 성장은 필수적으로 횡방향 및 종방향 입자 경계를 형성하고, 이는 방향적으로 고형화되거나 또는 단일 결정 구성요소의 바람직한 성질을 부정한다(negate). 이 텍스트에서 일반적인 용어로 방향적으로 고형화된 미세구조를 지칭하는 경우에, 이는 둘 모두의 단일 결정을 의미하는 것으로 이해되어야 하는데, 이는 입자 경계를 가지고 있지 않거나 또는 적어도 작은-각의 입자 경계, 및 주상 결정 구조를 갖고, 이는 종방향을 따라 뻗은 입자 경계를 가지지만 횡방향 입자 경계를 갖지 않는다. 또한, 결정체 구조의 제 2 형태는 방향적으로 고형화된 미세구조(방향적으로 고형화된 구조)로서 설명된다. 이러한 형태의 프로세스들은 US-A 6,024,792 및 EP 0 892 090 A1에서 공지되어 있고, 이러한 서류들은 이 고형화 프로세스와 관련하여 명세서의 일부를 형성한다.
이 블레이드 또는 날개(120, 130)는 유사하게 부식 또는 산화에 대해 보호하는 코팅을 갖는데, 예를 들어 MCrAlX이고 여기서 M은 철(Fe), 코발트(Co), 니 켈(Ni)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 성분이고, X는 활성화 성분(active element)이며 이트륨(Y) 및/또는 실리콘 및/또는 적어도 하나의 희토류 성분, 또는 하프늄(Hf)을 나타낸다. 이러한 형태의 합금은 EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 B1, EP 0 412 397 B1 또는 EP 1 306 454 A1으로부터 공지되어 있고, 이는 이 합금의 화학적 조성과 관련하여 본 명세서의 일부를 형성한다. 이 밀도는 이론적 밀도의 95%인 것이 바람직하다. 보호성 알루미늄 산화물층(TGO = 열적으로 성장된 산화물층)은 MCrAlX층(중간층 또는 최외곽층) 상에 형성된다.
또한, 이트륨 산화물 및/또는 칼슘 산화물 및/또는 마그네슘 산화물에 의해 완전히 안정화되거나, 부분적으로 안정화되거나 또는 안정화되지 않은 ZrO2, Y2O3-ZrO2로 이루어지고 바람직하게 최외곽층인 열적 배리어 코팅이 MCrAlX 상에 존재하는 것이 가능할 수도 있다. 이 열적 배리어 코팅은 전체 MCrAlX 층을 덮는다. 주형 입자는 예를 들어 전자 비임 물리적 기상 증착(EB-PVD)과 같은 적절한 코팅 프로세스에 의해 열적 배리어 코팅에서 만들어진다. 예를 들어 대기 플라즈마 스프레잉(atmospheric plasma spraying; APS), LPPS, VPS, 또는 CVD와 같은 다른 코팅 프로세스가 고안 가능하다. 열적 배리어 코팅은 뛰어난 열적 충격 저항을 위해 다공성, 마이크로크랙-함유 또는 매크로크랙-함유 입자를 가질 수 있다. 열적 배리어 코팅은 따라서 MCrAlX 층보다 더욱 다공성인 것이 바람직하다.
블레이드 또는 날개(120, 130)는 그 형태가 중공형 또는 고체일 수 있다. 블레이드 또는 날개(120, 130)가 냉각된다면, 이는 중공형이고 또한 필름-냉각 홀(film-cooling hole; 418, 점선으로 표시됨)을 가질 수 있다.
도 4는 가스 터빈(100)의 연소 챔버(110)를 도시한다. 연소 챔버(110)는 예를 들어 환형 연소 챔버로서 공지된 것처럼 구성되고, 여기에 다수의 버너(107)가 공통 연소 챔버 공간(154)으로 개방되어 회전축(102) 주위로 원주를 따라 배열되고 이는 화염(156)을 생성한다. 이러한 목적을 위해, 연소 챔버(110) 전체는 회전축(102) 주위로 위치한 환형 구성을 이룬다.
비교적 높은 효율을 얻기 위해, 연소 챔버(110)는 약 1000℃ 내지 1600℃의 작업 매개물(M)의 비교적 고온에 대해 설계된다. 물질에 대해 바람직하지 않은 이러한 작동 파라미터를 가진 채 비교적 긴 서비스 수명을 가능하게 하도록, 연소 챔버 벽(153)이 제공되고 그 측부 상에서 이는 작동 매개물(M)을 향하며, 내부 라이닝이 열 차폐 요소(155)로부터 형성된다.
연소 챔버(110)의 내부의 고온 때문에, 지지 요소를 위해 및/또는 열 차폐 요소(155)를 위해 냉각 시스템이 제공될 수 있다. 이 열 차폐 요소(155)는 이 경우에 예를 들어 중공형이고 또한 연소 챔버 공간(154)으로 개방된 냉각 홀(미도시)을 가질 수 있다.
작업 매개물 부분 상에서, 각각의 열 차폐 요소(155)는 특히 열 저항 보호층(MCrAlX 층 및/또는 세라믹 코팅)을 장착하거나 또는 고온을 견딜 수 있는 물질로 만들어진다(고체 세라믹 브릭(bricks)). 이 보호층은 예를 들어 MCrAlX와 같은 터빈 블레이드 또는 날개와 유사할 수 있고; M은 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 성분이고, X는 활성 성분(active element)이고 이트륨(Y) 및/또는 실리콘 및/똔느 적어도 하나의 희토류 성분, 또는 하프늄(Hf)을 나타낸다. 이런 형태의 합금은 EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 B1, EP 0 412 397 B1 또는 EP 1 306 454 A1에서 공지되어 있고, 이는 이 합금의 화학적 조성에 관하여 본 발명의 명세서의 일부를 형성한다.
또한, 예를 들어 세라믹 열적 배리어 코팅이 MCrAlX 상에 존재할 수 있는데, 이는 예를 들어 이트륨 산화물 및/또는 칼슘 산화물 및/또는 마그네슘 산화물에 의해 비안정화, 부분적으로 안정화 또는 완전히 안정화된ZrO2, Y2O3-ZrO2로 이루어진다.
주상 입자는 예를 들어 전자 비임 물리적 기상 증착(EB-PVD)과 같은 적절한 코팅 프로세스에 의해 열적 배리어 코팅에서 만들어진다. 다른 코팅 프로세스는 예를 들어 대기 플라즈마 스프레잉(APS), LPPS, VPS 또는 CVD와 같은 프로세스가 고안 가능하다. 열적 배리어 코팅은 뛰어난 열적 충격 저항을 위해 다공성, 마이크로크랙-함유 또는 매크로크랙-함유 입자를 가질 수 있다.
이용된 이후, 보호성층은 터빈 블레이드 또는 날개(120, 130), 열 차폐 요소(155)(예를 들어 샌드-블래스팅(sand-blasting)에 의해)로부터 제거된다는 것을 리퍼비쉬먼트(refurbishment)가 의미한다. 이후, 부식 및/또는 산화층 및 제품이 제거된다. 적절하다면, 터빈 블레이드 또는 날개(120, 130) 혹은 열 차폐 요소(155)에서의 크랙은 본 발명에 따른 용접 필러를 이용하여 수리된다. 이후 터빈 블레이드 또는 날개(120, 130), 열 차폐 요소(155)의 재코팅이 뒤따르고, 그 이후 터빈 블레이드 또는 날개(120, 130) 또는 열 차폐 요소(155)가 재이용될 수 있다.

Claims (28)

  1. 용접 필러로서,
    18.0wt% - 20.0wt% 크롬(Cr), 특히 19wt% Cr,
    9.0wt% - 11.0wt% 코발트(Co), 특히 10wt% Co,
    7.0wt% - 10.0wt% 몰리브덴(Mo), 특히 8.5wt% Mo,
    2.0wt% - 2.5wt% 티타늄(Ti), 특히 2.3wt% Ti,
    1.0wt% - 1.7wt% 알루미늄(Al), 특히 1.4wt% Al,
    0.04wt% - 0.08wt% 탄소(C), 특히 0.06wt% C,
    최대 0.5wt%의 Fe를 포함하고,
    선택적으로
    0.001wt% - 0.007wt% 붕소(B), 특히 0.005wt% B,
    최대 0.3wt%의 망간(Mn), 특히 최대 0.15wt% Mn,
    최대 0.15wt%의 실리콘(Si), 특히 최대 0.1wt% Si을 포함하며,
    나머지는 니켈인,
    용접 필러.
  2. 제 1 항에 있어서,
    최대 0.15wt% 망간(Mn)을 포함하는,
    용접 필러.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    최대 0.1wt% 실리콘(Si)을 포함하는,
    용접 필러.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    최대 0.001wt% 붕소(B)를 포함하는,
    용접 필러.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    니켈, 크롬, 코발트, 몰리브덴, 티타늄, 알루미늄, 탄소, 및 선택적인 성분으로서 철, 망간, 실리콘, 붕소로 이루어진,
    용접 필러.
  6. 니켈계 물질을 용접하기 위한 용접 필러의 용도로서,
    18.0wt% - 20.0wt% 크롬(Cr), 특히 19wt% Cr,
    9.0wt% - 11.0wt% 코발트(Co), 특히 10wt% Co,
    7.0wt% - 10.0wt% 몰리브덴(Mo), 특히 8.5wt% Mo,
    2.0wt% - 2.5wt% 티타늄(Ti), 특히 2.3wt% Ti,
    1.0wt% - 1.7wt% 알루미늄(Al), 특히 1.4wt% Al,
    0.04wt% - 0.08wt% 탄소(C), 특히 0.06wt% C 를 포함하고,
    선택적으로
    0.001wt% - 0.007wt% 붕소(B), 특히 0.005wt% B,
    최대 1.5wt%의 철(Fe), 특히 최대 0.5wt% Fe,
    최대 0.3wt%의 망간(Mn), 특히 최대 0.15wt% Mn,
    최대 0.15wt%의 실리콘(Si), 특히 최대 0.1wt% Si을 포함하며,
    나머지는 니켈인,
    용접 필러가 이용되는,
    니켈계 물질을 용접하기 위한 용접 필러의 용도.
  7. 제 6 항에 있어서,
    최대 0.5wt% 철(Fe)을 포함하는,
    니켈계 물질을 용접하기 위한 용접 필러의 용도.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    최대 0.15wt% 망간(Mn)을 포함하는,
    니켈계 물질을 용접하기 위한 용접 필러의 용도.
  9. 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    최대 0.1wt% 실리콘(Si)을 포함하는,
    니켈계 물질을 용접하기 위한 용접 필러의 용도.
  10. 제 6 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    최대 0.001wt% 붕소(B)를 포함하는,
    니켈계 물질을 용접하기 위한 용접 필러의 용도.
  11. 제 6 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    니켈, 크롬, 코발트, 몰리브덴, 티타늄, 알루미늄, 탄소, 및 선택적인 성분으로서 철, 망간, 실리콘, 붕소로 이루어진,
    니켈계 물질을 용접하기 위한 용접 필러의 용도.
  12. 제 6 항 또는 제 11 항에 있어서,
    니켈계 물질은 35vol% 이상의 비율로 γ' 상을 포함하는,
    니켈계 물질을 용접하기 위한 용접 필러의 용도.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 γ' 상의 비율이 최대 75vol%인,
    니켈계 물질을 용접하기 위한 용접 필러의 용도.
  14. 제 6 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 니켈계 물질이 IN 738 또는 IN 738 LC를 포함하는,
    니켈계 물질을 용접하기 위한 용접 필러의 용도.
  15. 제 6 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 니켈계 물질이 Rene 80을 포함하는,
    니켈계 물질을 용접하기 위한 용접 필러의 용도.
  16. 제 6 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 니켈계 물질이 IN 939를 포함하는,
    니켈계 물질을 용접하기 위한 용접 필러의 용도.
  17. 제 6 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 니켈계 물질이 PWA 14835 X 또는 IN 6203 DS를 포함하는,
    니켈계 물질을 용접하기 위한 용접 필러의 용도.
  18. 제 6 항에 있어서,
    상기 니켈계 물질이 상기 용접 필러와 서로 다른,
    니켈계 물질을 용접하기 위한 용접 필러의 용도.
  19. 부품(1, 120, 130, 138, 155)을 용접하기 위한 프로세스로서,
    청구항 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 따른 용접 필러가 이용되는,
    부품(1, 120, 130, 138, 155)을 용접하기 위한 프로세스.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 부품(1, 120, 130, 138, 155)이 용접 이전에 오버에이징(overaging) 열처리되는,
    부품(1, 120, 130, 138, 155)을 용접하기 위한 프로세스.
  21. 용접 필러를 포함한 니켈계 부품(1, 120, 130, 138, 155)으로서,
    상기 용접 필러가,
    18.0wt% - 20.0wt% 크롬(Cr), 특히 19wt% Cr,
    9.0wt% - 11.0wt% 코발트(Co), 특히 10wt% Co,
    7.0wt% - 10.0wt% 몰리브덴(Mo), 특히 8.5wt% Mo,
    2.0wt% - 2.5wt% 티타늄(Ti), 특히 2.3wt% Ti,
    1.0wt% - 1.7wt% 알루미늄(Al), 특히 1.4wt% Al,
    0.04wt% - 0.08wt% 탄소(C), 특히 0.06wt% C,
    선택적으로
    0.001wt% - 0.007wt% 붕소(B), 특히 0.005wt% B,
    최대 1.5wt%의 철(Fe), 특히 최대 0.5wt% Fe,
    최대 0.3wt%의 망간(Mn), 특히 최대 0.15wt% Mn,
    최대 0.15wt%의 실리콘(Si), 특히 최대 0.1wt% Si을 포함하며,
    나머지는 니켈을 포함하는,
    용접 필러를 포함한 니켈계 부품(1, 120, 130, 138, 155).
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 니켈계 물질이 35vol% 이상의 비율로 γ' 상을 포함하는,
    용접 필러를 포함한 니켈계 부품(1, 120, 130, 138, 155).
  23. 제 21 항 또는 제 22 항에 있어서,
    상기 γ' 상의 비율이 최대 75vol%인,
    용접 필러를 포함한 니켈계 부품(1, 120, 130, 138, 155).
  24. 제 21 항 또는 제 23 항에 있어서,
    상기 니켈계 물질이 IN 738 또는 IN 738 LC를 포함하는,
    용접 필러를 포함한 니켈계 부품(1, 120, 130, 138, 155).
  25. 제 21 항 또는 제 23 항에 있어서,
    상기 니켈계 물질이 Rene 80을 포함하는,
    용접 필러를 포함한 니켈계 부품(1, 120, 130, 138, 155).
  26. 제 21 항 또는 제 23 항에 있어서,
    상기 니켈계 물질이 IN 939를 포함하는,
    용접 필러를 포함한 니켈계 부품(1, 120, 130, 138, 155).
  27. 제 21 항 또는 제 23 항에 있어서,
    상기 니켈계 물질이 PWA 1483 SX 또는 IN 6203 DS를 포함하는,
    용접 필러를 포함한 니켈계 부품(1, 120, 130, 138, 155).
  28. 제 21 항에 있어서,
    상기 니켈계 물질이 상기 용접 필러와 서로 다른,
    용접 필러를 포함한 니켈계 부품(1, 120, 130, 138, 155).
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