초합금 재료용 구조 브레이즈{STRUCTURAL BRAZE FOR SUPERALLOY MATERIAL}

본 출원은 2014년 4월 14일자로 출원되고 본원에 인용에 의해 포함되는 미국 특허 출원 제14/251,691호(어토니 도켓(attorney docket) 번호 2013P24727US)의 일부 계속 출원이다.

본 발명은 일반적으로 재료들의 기술 분야, 그리고 보다 자세하게는 브레이징 프로세스(brazing process)를 사용한 초합금 재료들의 결합(joining) 또는 보수(repair)에 관한 것이다.

초합금 재료들의 보수는 용접 응고화 크래킹(weld solidification cracking) 및 변형 시효 크래킹(strain age cracking)에 대한 이들 초합금 재료들의 민감성으로 인해 어려운 것으로 인지된다. 용어 "초합금"은, 당분야에서 보편적으로 사용되는 바와 같이 본원에서 사용되는데; 즉, 고온들에서 탁월한 기계적 강도 및 크리프 내성(resistance to creep)을 나타내는 내부식 및 내산화성이 높은 합금이다. (http://en.wikipedia.org/wiki/Superalloy) 초합금들은 전형적으로 높은 니켈(nickel) 또는 코발트(cobalt) 함량을 포함한다. 초합금들의 예들은, Hastelloy, Inconel 합금들(예컨대, IN 738, IN 792, IN 939), Rene 합금들(예컨대, Rene N5, Rene 80, Rene 142), Haynes 합금들, Mar M, CM 247, CM 247 LC, C263, 718, X-750, ECY 768, 282, X45, PWA 1483 및 CMSX (예컨대, CMSX-4) 단결정 합금들의 상표명들 및 브랜드 네임들(brand names)로 시판중인 합금들을 포함한다.

브레이징 프로세스들은 일부 적용분야들에서 초합금 재료들을 보수하기 위해서 사용된다. 브레이즈(braze) 재료의 비교적 낮은 용융 온도(melting temperature)로 인해서, 브레이즈 조인트(braze joint)가 일반적으로 용접 조인트(weld joint)보다 기계적으로 취약하고 허용가능한 더 낮은 작동 온도를 갖는 것으로 이해되지만, 브레이즈 보수들은 소정의 더 낮은 응력 및/또는 더 낮은 온도 적용분야들에서 이용가능할 수 있다.

융점 억제제 재료(melting point depressant material)로서 붕소 또는 규소를 사용하는 전형적인 브레이즈 재료들은, 초합금 기재 재료들의 사용에 있어서 값이 제한되는데, 이는 이 재료들이 조인트 및 보수된 구역의 연성을 감소시키는 유해한 상들(deleterious phases)을 생성하기 때문이다. 하프늄(hafnium) 및/또는 지르코늄(zirconium)을 포함하는 붕소 및 규소가 없는 브레이즈 합금들은 베이스(base) 초합금 특성들의 80% 이하의 기계적 특성들이 청구되는 것을 위해 개발되고 있다.

본 발명자는 공동 계류중인 미국 특허 출원 공개 번호 US 2013/0302647A1(어토니 도켓 번호 2011P24893US) 및 US 2014/0007988A1(어토니 도켓 번호 2011P25126US01)에서 개시된 것들을 포함하는, 융점 억제제 재료로서 티타늄(titanium)을 활용하는 수개의 붕소 및 규소가 없는 브레이즈 합금들을 개발하였다. 티타늄계 브레이즈 합금들은, 보수가 구조적 보수로 고려될 수 있으며 비교적 높은 응력을 받는 컴포넌트(component)의 구역들에서 사용될 수 있도록, 보수된 기재 재료 특성들에 근접한(예컨대, 재료 특성의 80 % 초과) 기계적 강도를 갖는 브레이징되는 조인트들을 제공할 수 있다.

본 발명은 도시하는 도면들을 고려하여 하기 설명에서 설명된다.
도 1은 가스 터빈 베인(gas turbine vane)의 측단면도이며, 여기서 큰 갭 불연속부(gap discontinuity)가 브레이징에 의해 보수된다.
도 2는 가스 터빈 베인의 측단면도이며, 여기서 좁은 갭 불연속부가 브레이징에 의해 보수된다.

예컨대 가스 터빈 엔진 블레이드(gas turbine engine blade) 또는 베인의 플랫폼(platform) 또는 에어포일 섹션(airfoil section) 상에서 사용중 유도된 균열들(service-induced cracks)을 갖는 것으로 발견된 가스 터빈 엔진 블레이드 또는 베인을 보수할 때, Rene 80 및 IN 939 초합금 재료를 포함하는 초합금들에, 특히 유용한 브레이즈 합금들이 본원에서 개시된다. Rene 80 컴포넌트들은 특별한 어려움을 제시하는데, 이는 왜냐하면 이 컴포넌트들이 일부 다른 합금들, 이를테면 1,235℃에서 용체화 열처리(solution heat treated)될 수 있는 합금 247 컴포넌트들보다 낮은 1,205℃에서 용체화 열처리될 수 있기 때문이다. 아래에 개시된 합금들은, 용체화 열처리 중 브레이즈 조인트를 융합하고(fuse) 균질화하며 브레이즈를 달성하기 위해서 컴포넌트의 특별한 초합금 재료를 위한 용체화 열처리 온도 레지먼트(regiment)와 협동적으로 작동하도록 맞춤화될 수 있는 액상 및 고상 온도들 및 용융 온도 범위들을 갖도록 제형화될 수 있다. 이러한 브레이즈 재료들은 당해 특별한 초합금 기재 재료들을 위한 용체화 열처리 온도를 포함하거나 용체화 열처리 온도 미만인 용융 온도 범위들(즉, 레지먼트동안 사용되는 피크 유지 온도(peak hold temperature))을 갖도록 선택될 수 있다. 브레이즈 조인트의 균질화 및 응고는, 유리하게는 초합금 기재 재료 내로 그 재료에서 이미 존재하지 않았던 임의의 새로운 원소 성분(elemental constituent)을 도입하지 않는다.

본원에 개시된 합금들은, 니켈, 크롬(chromium) 및 티타늄 뿐만 아니라 지르코늄 및 하프늄 중 적어도 하나를 포함하며, 이는 Ni-Cr-Ti-(Zr 및/또는 Hf)로서 언급될 수 있다. 본원에 설명된 모든 백분율들은 명세서 도처에서 중량 %(wt%)로 부여된다.

개시된 합금들 중 티타늄 그리고 지르코늄 및/또는 하프늄은 합금들의 융점(melting point)을 낮추도록 기능한다. 조성물들은 충분한 양의 티타늄 그리고 지르코늄 및/또는 하프늄을 포함하여, 이들이 대략 1,100 내지 1,200℃ 범위 내의 용융 온도(melting temperature) 범위를 나타낸다. 유리하게는, 본원에 개시된 합금들은 Rene 80 합금의 1,205℃의 용체화 열처리 온도를 포함하거나 그 미만인 용융 온도 범위를 나타내며, 이는, 합금들이 Rene 80 합금뿐만 아니라 Rene 80보다 높은 용체화 열처리 유지 온도들을 갖는 CM 247 및 IN 939와 같은 합금들과 함께 사용하기에 특히 적절하게 한다.

개시된 합금들중 티타늄 함량은 합금들의 강도를 증가시키도록 기능한다.

개시된 합금들중 지르코늄 및/또는 하프늄 함량은 합금들의 연성(ductility)을 증가시키도록 기능한다.

Ni-Cr-Ti-Zr 브레이즈 합금은 보수되거나 결합될 초합금 컴포넌트가 하프늄을 포함하지 않거나 약간만 포함할 때 바람직할 수 있다. Ni-Cr-Ti-Hf 브레이즈 합금은 보수되거나 결합될 초합금 컴포넌트가 지르코늄을 포함하지 않거나 약간만 포함할 때 바람직할 수 있다. Ni-Cr-Ti-Zr-Hf 브레이즈 합금은 보수되거나 결합될 초합금 컴포넌트가 이들 엘리먼트들(elements) 전부를 포함할 때 바람직할 수 있다.

일 실시예에서, 4원 브레이즈 합금(quaternary braze alloy)은,

4.5 - 15.0% Cr;

7.0 - 16.5% Ti;

10.0 - 16.0% Zr;

잔부 Ni를 포함한다.

하나의 이러한 브레이즈 합금은,

6.5% Cr;

7.5% Ti;

11.0% Zr;

잔부 Ni를 포함하며,

이는 1,160℃의 액상선 온도를 갖는다.

이러한 군(group)의 다른 합금들은,

4.5 - 5.5% Cr;

7.0 - 8.0% Ti;

13.0 - 14.0% Zr;

잔부 Ni를 함유할 수 있다.

이러한 군의 특정 합금은,

4.9% Cr;

7.3% Ti;

13.0% Zr;

잔부 Ni를 포함하며,

이는 1,180℃의 액상선 온도를 갖는다. 이러한 브레이즈 합금은 Rene 80 초합금 재료에서 1.2 mm 폭의 표면 개구 균열에 균열이 없는 브레이즈 보수를 형성하도록 성공적으로 시험되었다. 이 균열에는 먼저, -325 메쉬(mesh) 합금 CM 247 분말이 충전되었고, 이후에 브레이즈 합금 분말이 초합금 재료의 표면을 덮기 위해 적용되었으며 1,220℃의 용체화 열처리 온도로 4 시간 동안 가열되었으며, 브레이즈 합금 분말은 합금 CM 247 분말로 균열 둘레를 충전하기 위해서 용융되고 유동되었다.

다른 실시예에서, 4원 브레이즈 합금은

4.5 - 5.5% Cr;

7.0 - 8.0% Ti;

18.0 - 19.5% Hf;

잔부 Ni를 포함한다.

하나의 이러한 브레이즈 합금은,

4.5% Cr;

8.0% Ti;

18.5% Hf;

잔부 Ni를 포함하며,

이는 1,160℃의 액상선 온도를 갖는다.

멀티 컴포넌트(multi-component) 실시예에서, 브레이즈 합금은,

3.5 - 5.0% Cr;

7.0 - 9.0% Ti;

9.5 - 12.0% Zr;

18.0 - 19.0% Hf;

잔부 Ni를 포함한다.

하나의 이러한 브레이즈 합금은,

4.0% Cr;

8.0% Ti;

10.0% Zr;

18.5% Hf;

잔부 Ni를 포함하며,

이는 1,085℃의 액상선 온도를 갖는다.

상기 설명된 브레이즈 합금들을 활용하는 보수 프로세스는, 도 1에 예시되며, 여기서 초합금 기재 재료(12)에 형성된 가스 터빈 엔진 베인(10)은 베인의 표면(16)으로부터 기재 재료(12) 내로 연장하는 사용중 유도된 불연속부(14)를 갖는다. 이 실시예에서, 불연속부(14)는 표면(16)에 0.001 인치들(inches) 보다 더 큰 개구를 갖는 큰 갭 균열로서 예시된다. 임의의 공지된 프로세스를 사용하여 세정된 후에, 균열(14)에는 합금을 함유하는 분말(18), 예를 들면 초합금 입자들(20) 및 브레이즈 재료 입자들(22)의 혼합물을 포함하는 분말이 충전된다. 합금을 함유하는 분말(18)에서의 브레이즈 입자들(22)은 5 내지 50 중량 %의 분말(18)을 구성할 수 있다. 다른 실시예들에서, 합금을 함유하는 분말(18)은 단지 초합금 입자들(20)일 수 있다. 브레이즈 재료 입자들(22)의 메쉬 크기 범위는, 바람직하게는 불연속부(14)의 향상된 충전을 제공하기 위해서 초합금 입자들(20)(예컨대, -120 mesh/+2 micron)보다 더 작다(예컨대, -325 mesh/+2 micron). 브레이즈 재료 입자들(22)의 층은, 브레이징 프로세스 동안 불연속부의 완벽한 충전을 보장하기 위해서, 합금을 함유하는 분말(18) 위에 배치된다. 기재 재료(12)의 용체화 처리 동안, 초합금 입자들(20)은 함께 소결되면서 브레이즈 재료 입자들(22)이 용융하여 불연속부를 충전한다. 이후, 베이스 초합금보다 더 높은 농도로 브레이즈 재료에 포함된 융점 억제제 티타늄, 지르코늄 및/또는 하프늄이 균일한 솔리드 조인트(solid homogenous joint)를 성취하기 위해서 주변 초합금 재료 내로 분배된다. 유리하게는, 브레이즈 재료(22)는 브레이징될 기재(12)에 함유되지 않은 엘리먼트를 함유하지 않으며, 그에 따라, 새로운 엘리먼트가 초합금 재료 내로 도입되지 않으며, 균질화된 조인트 재료의 조성물은 기재 재료(12)와 매우 유사하며, 이에 따라 구조적 조인트를 제공한다.

도 2는 기재 재료(12)의 상이한 구역을 예시하며, 여기서 좁은 갭 불연속부(24)(0.001 인치 미만)가 본원에 개시된 조성물들 중 단지 브레이즈 재료 입자들(22)만을 사용하여 보수된다. 불연속부(24)의 폭이 제한되기 때문에, 브레이즈 재료(22)가 용체화 처리 중 불연속부 내로 유동하여 불연속부를 충전함에 따라, 도 1에서와 같이 초합금 입자들(20)로 불연속부를 충전할 필요가 없다.

다른 실시예들에서, 본원에 개시된 브레이즈 합금들은 포일(foil) 또는 와이어(wire)로서 형성될 수 있으며, 임의의 공지된 프로세스에 의해 적용될 수 있다. 복수 개의 불연속부들을 포함하는 초합금 재료 표면의 보수는, (더 넓은 개구들을 위해 요망되는 바와 같은) 초합금 입자들로 선택적으로 불연속부들을 충전하고, 이후에 표면에 걸쳐 배치되는 개시된 브레이즈 합금들 중 하나의 포일을 갖는 초합금의 열처리를 행하여 브레이즈 재료가 용융하며, 불연속부들 내로 유동하여 초합금 입자들 둘레를 충전하며, 이후 용융 온도 엘리먼트가 기재(12) 내로 확산함에 따라 균질화되고 응고되는 것을 유발함에 따라 성취될 수 있다.

본 발명의 다양한 실시예들이 본원에서 도시되고 설명되어 있지만, 이러한 실시예들이 단지 예시로써 제공되는 것이 자명할 것이다. 다양한 변경들, 수정들 및 치환들이 본원 발명으로부터 벗어나지 않으면서 이루어질 수 있다.