KR20080012744A

KR20080012744A - 부식 코팅되는 부품의 코팅전 버니싱

Info

Publication number: KR20080012744A
Application number: KR1020070027460A
Authority: KR
Inventors: 데이비드 에이. 러츠; 모니카 디. 킨슬러
Original assignee: 유나이티드 테크놀로지스 코포레이션
Priority date: 2006-08-03
Filing date: 2007-03-21
Publication date: 2008-02-12
Also published as: US8221841B2; CN101117898A; RU2007120712A; EP1862643A2; EP1862643A3; JP2008038896A; US20100119375A1; SG139615A1; EP1862643B1; CA2590496A1

Abstract

가스 터빈 엔진 블레이드는 플랫폼을 구비한다. 루트가 플랫폼에 매달려 있고, 에어포일이 플랫폼으로부터 연장된다. 에어포일은 선단 에지 및 후단 에지와, 압력측 및 흡입측을 구비한다. 블레이드는 표면을 가진 기재를 구비한다. 압축 응력이 표면의 제1 영역 아래에 존재한다. 제1 표면 영역은 팁으로부터의 스팬방향 거리가 국소 팁-플랫폼간 스팬의 50% 이상인 위치에서 에어포일의 스트림방향 주연부의 대부분에 걸쳐 연장된다. 코팅은 상기 위치를 포함하는 표면 상에 있다.

터빈 엔진, 블레이드, 부식 코팅, 버니싱, 잔류 압축 응력

Description

부식 코팅되는 부품의 코팅전 버니싱 {PRE-COATING BURNISHING OF EROSION COATED PARTS}

도1은 블레이드의 도면이다.

도2는 블레이드를 제조하거나 또는 다시 제조하기 위한 제1 공정의 흐름도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

40 : 블레이드

42 : 에어포일

44 : 플랫폼

46 : 부착 루트

48 : 선단 에지

50 : 후단 에지

52 : 압축측

54 : 흡입측

본 발명은 가스 터빈 엔진에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 부식 코팅된 블레이드에 관한 것이다.

현대의 항공기 가스 터빈 엔진 내에서 작동하는 압축기 블레이드는 부식 손상을 겪는다. 이 손상은 (예를 들어 공항 활주로로부터의) 먼지와 모래의 유입에 의해 발생될 수 있다. 부식 손상은 성능을 저하시키고 피로 수명을 감소시키는 공기역학적 특성의 변화로 인해 블레이드의 작동 수명을 단축시킨다.

블레이드 수명을 연장하는 하나의 방법은 Co-WC 및 NiCr-CrC와 같은 내부식성 코팅을 부식이 가장 심한 블레이드 에어포일의 영역에 적용하는 것이다. 그러나, 이들 코팅은 통상적으로 티타늄 및 니켈계 합금인 블레이드 기재의 피로 특성에 해로운 영향을 미친다. 결론적으로, 부식 코팅은 작동 응력이 감소된 블레이드 피로 강도를 넘지 않는 에어포일의 영역에만 적용된다. 부식 코팅이 기재의 피로 특성에 미치는 해로운 영향을 완화하는 방법을 갖는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 태양은 가스 터빈 엔진 블레이드에 관한 것이다. 블레이드는 플랫폼을 구비한다. 루트가 플랫폼에 매달려있으며, 에어포일이 플랫폼으로부터 연장된다. 에어포일은 선단 에지 및 후단 에지와, 압축측 및 흡입측을 구비한다. 블레이드는 표면을 가진 기재를 구비한다. 압축 응력이 표면의 제1 영역 아래에 존재한다. 제1 영역은 팁으로부터의 스팬방향 거리가 국소 팁-플랫폼간 스팬의 50% 이상인 위치에서 에어포일의 스트림방향 주연부의 대부분에 걸쳐 연장된다. 코팅은 이 위치를 포함하는 표면의 제1 영역의 적어도 일부분 위에 존재하다.

본 발명의 다른 양태는 금속재 물품의 제조 방법에 관한 것이다. 이 물품은 기재 및 부식 코팅을 포함한다. 코팅의 피로 효과를 완화하기 위해 버니싱되도록 기재의 영역의 범위가 선택된다. 이 영역에 롤러 변형이 수행되고, 그 후 코팅이 적용된다.

본 발명의 하나 이상의 실시예의 상세한 사항이 첨부된 도면 및 이하의 설명에 개시되어 있다. 본 발명의 다른 특징, 목적 및 이점은 상세한 설명, 도면 및 청구항으로부터 명확해질 것이다.

여러 도면에서 유사한 도면 부호 및 표시는 유사한 요소를 지시한다.

도1은 예시적인 블레이드(40)를 도시한다. 블레이드는 에어포일(42), 플랫폼(44) 및 부착 루트(46)를 구비한다. 에어포일은 선단 에지(48), 후단 에지(50) 및 이들 사이에서 연장되는 압력측(52)과 흡입측(54)을 구비한다. 에어포일은 플랫폼 외측 표면(58)에서의 내측 단부(56)로부터 외측 단부 또는 팁(60)까지 연장된다. 루트는 플랫폼(44)의 하측(62)에 매달려있으며, 블레이드(40)를 디스크(도시되지 않음)의 상보적인 슬롯에 고정하기 위해 회선 형태(convoluted)의 프로파일(예를 들어, 소위 도브테일 또는 전나무 프로파일)을 가질 수 있다. 국소 스팬(S)은 팁(60)과 에어포일 내측 단부(56) 사이의 반경방향 거리이다. 스팬(S)은 에어포일 시위(chord)를 따라 변할 것이다.

예시적인 에어포일은 하나 이상의 형태의 마모 및/또는 손상을 겪을 수 있다. 마모는 넓게 분포된 부식을 포함할 수 있다. 손상은 보통 선단 에지(48)의 근처 또는 팁(60)에서의 외부 물체 손상(foreign object damage: FOD)에 의한 흠집 및 파편을 포함할 수 있다. 부식은 통상적으로 에어포일의 외측 부분을 따라[예를 들어, 구역(66)을 따라] 집중된다. 예시적인 구역(66)은 팁(60)으로부터 경계부(68)까지 압력측 및 흡입측을 따라 에어포일 스팬의 절반을 약간 넘어 연장된다. 이 구역 안에서는, 통상적으로 에어포일의 외측 1/3[즉, 팁(60)에 가장 근접한 에어포일의 1/3]을 따라 가장 심한 부식이 존재할 것이다. 예시적인 경계부(68)는 팁으로부터 반경방향 거리(S₁)에 있다. 예시적인 거리(S₁)는 시위(chord) 전체를 따라 스팬(S)의 50%보다 약간 길다. 부식 손상의 실제 범위는 에어포일 디자인과 엔진의 작동 특성 모두에 의해 영향을 받는다.

내부식성을 제공하기 위해, 금속 블레이드 기재는 구역(72)을 따라 코팅(70)을 가질 수 있다. 예시적인 티타늄계 기재 합금은 Ti-6Al-4V, Ti-8Al-1Mo-1V, Ti-6Al-2Sn-4Mo-2Zr, Ti-6Al-2Sn-4Mo-6Zr 및 Ti-5.5Al-3.5Sn-3Zr-1Nb를 포함한다. 다른 기재는 스테인리스강(예를 들어, 17-4PH) 및 니켈계 초합금(예를 들어, 합금 718)을 포함하지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 예시적인 코팅은 Co-WC, NiCr-CrC, Ti-N 및 Ti-AlN을 포함한다. 예시적인 구역(72)은 팁(60)으로부터 경계부(74)까지 압력측과 흡입측을 따라 에어포일의 대부분에 걸쳐 연장된다. 예시적인 경계부(74)는 팁으로부터 반경방향 거리(S₂)에 있다. 예시적인 거리(S₂)는 시위 전체를 따라 스팬(S)의 50%보다 길고, 거리(S₁)보다 길다. 코팅은 가장 심한 부식 영역을 지나 연장될 수 있고, 향상된 외부 물체 손상을 제공할 수 있다.

코팅(70)은 블레이드의 구조적 특성(예를 들어, 피로 특성)에 해로운 영향을 줄 수 있다. 전통적으로, 이것은 비교적 낮은 응력을 받는 블레이드 에어포일의 영역에 부식 코팅을 사용하는 것을 제한하여 왔다. 본 발명에 따르면, 블레이드는 이러한 영향 중 하나 이상을 완화하기 위하여 버니싱 공정 처리되어, 블레이드 에어포일의 보다 많은 부분에 코팅을 적용하는 것을 허용한다. 예시적인 버니싱 공정은 저소성 버니싱 공정이다.

항공우주 분야의 저소성 버니싱은 미국 특허 제5,826,453호, 제6,672,838호 및 제6,893,225호와 미국 특허 공개 제2005-0155203호에 개시되어 있다. 티타늄계 부품을 위한 그러한 버니싱의 사용은 또한 P. Prevey N. Jayaraman과 R. Ravindranath의 "Ti-6Al-4V 항공 엔진 블레이드 도브테일에서 손상 공차를 향상시키기 위한 디자인에 있어서의 잔류 압축 응력의 사용(Use of Residual Compression in Design to Improve Damage Tolerance in Ti-6Al-4V Aero Engine Blade Dovetails)"(Proc. 10th Nat. HCF Conf., New Orleans, LA, Mar. 8-11, 2005) 및 P. Prevey, N. Jayaraman과 J. Cammett의 "피로 손상 기구의 완화를 위한 저소성 버니싱의 개요(Overview of Low Plasticity Burnishing for Mitigation of Fatigue Damage Mechanisms)"(Proceedings of ICSP 9, Paris, Marne la Vallee, France, Sept. 6-9, 2005)에 개시되어 있다.

부식 코팅 적용 전에, 블레이드 에어포일은 구역(80)을 따라 저소성 버니싱(low plasticity burnishing: LPB) 공정 처리될 수 있다. 예시적인 구역(80)은 팁(60)으로부터 경계부(82)까지 압력측과 흡입측을 따라 에어포일의 대부분에 걸쳐 연장된다. 예시적인 경계부(82)는 팁으로부터 반경방향 거리(S₃)에 있다. 예시적인 거리(S₃)는 시위 전체를 따라 스팬(S)의 50%보다 길고, 거리(S₁, S₂)보다 길다.

버니싱되지 않은 블레이드와 비교하여, 버니싱은 팁(60)으로부터 플랫폼(44)을 향해 보다 큰 반경방향 스팬에 걸쳐 코팅(70)이 적용되는 것을 허용한다. 예를 들어, 종래 기술의 공정에서는, 거리(S₂)가 비교적 작을 수 있다[예를 들어, 거리(S₁)보다 작고, 스팬(S)의 50% 미만임]. 예를 들어, CFM56 압축기 모델에 있어서의 블레이드는 팁으로부터 대략 스팬의 30 내지 40%를 연장하는 부식 코팅을 채용하지만, 다양한 다른 엔진 계열의 블레이드는 부식 코팅을 전혀 사용하지 않는다.

팁 영역의 버니싱이 공지되어 있지만, 본 발명의 버니싱의 본질은 당분야의 통상적인 지식의 버니싱과 비교하여 하나 이상의 차이를 가질 수 있다. 부식 코팅에 대한 적절한 고려가 없이 적용되면, 종래 기술의 버니싱은 에어포일의 훨씬 작은 범위에 걸쳐 이루어질 수 있다. (블레이드에 작용하는 작동 응력보다는 외부 물체 손상에 대비하기 위해) 종래 기술은 팁으로부터 보다 작은 반경방향 스팬에 적용되고, 선단 에지 근처에 더욱 국한될 수 있다. 코팅되지 않은 블레이드에 있어서의 외부 물체 손상(FOD)에 대비하는 버니싱은 부식 코팅과 결합하여 사용하기 위한 것보다 더 깊을 것이다. 그러나, 팁 및/또는 선단 에지 부분의 보다 깊은 버니싱을 보다 말단의 그리고/또는 후단 에지/하류 부분의 보다 얕은 버니싱과 조합하는 것이 가능할 것이다.

도2는 예시적인 버니싱 및 코팅 공정(100)을 도시한다. 이 공정에는 깨끗한 블레이드 기재가 주어질 수 있다. 이 기재는 버니싱(102) 처리된다. 예시적인 버니싱은 유체 롤링 요소에 의한 것이다. 예시적인 롤링 요소는 구/공이다. 1점 버니싱 및 대향하는 2점 캘리퍼 버니싱이 앞서 인용한 참고문헌에 개시되어 있다.

예시적인 버니싱(102)은 에어포일의 인접 영역 위에 약간 겹쳐서, 기본적으로 코팅될 영역 전체에 걸쳐 이루어진다. 예시적인 버니싱은 얕다(즉, 기재의 전체 두께/깊이를 통해 연장하지 않는 잔류 압축 응력을 부여함). 예시적인 버니싱은 약 0.015 인치(0.381 mm)까지의 깊이 구역에 걸쳐 잔류 압축 응력을 부여한다[예를 들어, 보다 좁게는 0.004 내지 0.008 인치(0.1016 내지 0.2032 mm)].

이 구역에서의 예시적인 잔류 응력은 Ti-6Al-4V에 대해 100 내지 110 ksi(689 내지 758 MPa)의 피크 값을 가지며, 보다 넓게는 90 내지 120 ksi(620 내지 827 MPa)의 피크 값을 갖는다. 이 범위의 상단은 기재의 강도에 의해 제한될 수 있다. 이 구역 아래에서는 잔류 응력이 저하될 것이다. 그러한 얕은 깊이의 응력 분포는 부품의 뒤틀림을 제한할 수 있다. 다른 예에서, 합금 718 블레이드에 있어서의 잔류 응력은 이 재료의 높은 항복 강도로 인해 150 ksi(1034 MPa)에 접근할 수 있다.

LPB는 쇼트 피이닝과 같은 보다 전통적인 공정보다 현저히 적은 냉간 작업으로 귀결된다. 이것은 본 발명에서의 사용과 특별한 관련성을 갖고 있다. 위에서 인용된 프레비(Prevey) 등의 참고 문헌은 600℃의 온도에 노출된 후의 LPB의 개선된 피로 특성을 보여주었다. 500℃를 넘는 온도에서 작동하는 압축기 블레이드와 관련된 기재 가열을 고려한다면 이것은 중요해진다. 피이닝 응력은 중간 온도에서 시간이 지남에 따라 감소하여, 그들의 유리한 효과를 무효화시키는 경향이 있다. LPB 응력은 이들 동일한 온도에서 보다 안정적으로 보이는 낮은 수준의 냉간 작업과 관련이 있다. 따라서, LPB는 부식 코팅 영역에 있어서 쇼트 피이닝에 비해 유리하다.

원하는 응력 분포를 제공하는데 필요한 버니싱 파라미터는 상호작용 파괴 시험 공정을 통해 개발될 수 있다. 예시적인 시험 공정에 있어서, 국소화된 검사 공정(예를 들어, x-선 회절)이 잔류 응력의 깊이 및 크기 분포를 평가하는데 사용될 수 있고, 그 위치에 대한 버니싱 파라미터의 변경의 필요성을 표시할 수 있다.

예시적인 방법에 있어서, 코팅에 의해 피복되고 버니싱 처리되는 것을 넘어서 블레이드 영역의 추가적인 기계적 처리가 있을 수 있다. 예를 들어, 쇼트 피이닝(shot peening)(104)이 있을 수 있다. 쇼트 피이닝은 부착 루트(46)에 적용될 수 있다. 쇼트 피이닝은 버니싱보다 얕지만 피크가 높은 압축의 응력 분포를 제공할 수 있다.

코팅은 [예를 들어, HVOF(high velocity oxy-fuel) 또는 다른 고에너지 열 스프레이 공정에 의해, 또는 물리적 기상 증착(PVD)에 의해] 적용될 수 있다(106).

본 발명의 하나 이상의 실시예가 설명되었다. 그렇지만, 다양한 변형이 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있다는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 본 발명은 여러가지 기존의 코팅, 버니싱 및 다른 기술 및 장치를 사용하거나 또는 그것의 변형으로서 실시될 수 있다. 또한, 다양한 경계 또는 전이 영역은 상술한 것들을 벗어난 특징을 가질 수 있다. 블레이드 에어포일에 적용되는 것으로 설명되었지만, 부식 코팅은 다른 영역 및 다른 구성요소에 적용될 수 있다. 따라서, 다른 실시예들이 이하의 청구항의 범위 내에 있다.

본 발명에 따르면, 블레이드는 부식 코팅이 기재의 피로 특성에 미치는 해로운 영향을 완화하기 위하여 버니싱 공정 처리되어, 블레이드 에어포일의 보다 많은 부분에 코팅을 적용할 수 있게 된다.

Claims

플랫폼과; 플랫폼에 매달린 루트와; 선단 에지 및 후단 에지와 압력측 및 흡입측을 갖는 에어포일을 포함하는 가스 터빈 엔진 블레이드이며,

표면을 갖는 기재와,

상기 표면의 제1 영역 아래의 압축 응력부와,

상기 표면의 제1 영역의 적어도 일부분 상의 코팅을 포함하고,

제1 영역은 팁으로부터의 스팬방향 거리가 국소 팁-플랫폼간 스팬의 50% 이상인 위치에서 에어포일의 스트림방향 주연부의 대부분에 걸쳐 연장되고, 상기 일부분은 상기 위치를 포함하는 가스 터빈 엔진 블레이드.
제1항에 있어서, 상기 제1 영역은 선단 에지를 따라 스팬의 대부분을 포함하는 가스 터빈 엔진 블레이드.
제1항에 있어서, 코팅은 기본적으로 제1 영역의 전체에 걸쳐 있는 가스 터빈 엔진 블레이드.
제1항에 있어서, 제1 영역은 기본적으로 에어포일 전체에 걸쳐 상기 위치의 외측으로 연장되는 가스 터빈 엔진 블레이드.
제1항에 있어서, 코팅은 Co-WC와 NiCr-CrC 중 적어도 하나를 포함하는 가스 터빈 엔진 블레이드.
제1항에 있어서, 블레이드는 압축기 블레이드인 가스 터빈 엔진 블레이드.
기재 및 부식 코팅을 포함하는 금속재 물품의 제조 방법이며,

코팅의 피로 효과를 완화하기 위해 버니싱될 기재의 영역의 범위를 선택하는 단계와,

상기 영역에 롤러 변형을 수행하는 단계와,

코팅을 적용하는 단계를 포함하는 금속재 물품의 제조 방법.
제7항에 있어서, 상기 영역은 코팅이 적용될 영역보다 큰 금속재 물품의 제조 방법.
제7항에 있어서, 상기 영역은 에어포일을 따라 존재하는 금속재 물품의 제조 방법.
제9항에 있어서, 상기 영역은 에어포일의 내측 절반까지 연장되는 금속재 물품의 제조 방법.
코팅 부품의 제조 방법이며,

제1 잔류 응력 분포를 제공하도록 금속 기재를 버니싱하는 단계와,

상기 제1 표면의 적어도 일부분에 코팅을 적용하는 단계를 포함하는 코팅 부품의 제조 방법.
제11항에 있어서, 코팅은 Co-WC 와 NiCr-CrC 중 적어도 하나를 포함하는 코팅 부품의 제조 방법.
제11항에 있어서, 대안적인 제2 잔류 응력 분포는 제1 잔류 응력 분포보다 큰 피로 저항을 코팅되지 않은 기재에 제공하고, 제1 잔류 응력 분포보다 작은 피로 저항을 코팅된 기재에 제공하는 코팅 부품의 제조 방법.
제13항에 있어서, 제1 잔류 응력 분포는 상기 제2 잔류 응력 분포의 잔류 압축 응력보다 큰 영역에 걸쳐 연장되는 잔류 압축 응력을 제공하는 코팅 부품의 제조 방법.
제11항에 있어서, 기재를 피이닝하는 단계를 더 포함하는 코팅 부품의 제조 방법.
제11항에 있어서, 기재를 피이닝하는 단계를 더 포함하고, 피이닝 단계는 버 니싱 단계 이후이며 겹치지 않는 코팅 부품의 제조 방법.
제11항에 있어서, 버니싱은 저소성 유체 롤러 버니싱인 코팅 부품의 제조 방법.
제11항에 있어서, 버니싱 단계는 블레이드 에어포일의 팁으로부터 에어포일의 스팬의 내측 절반을 따르는 위치까지 연속된 구역을 버니싱하는 단계를 포함하는 코팅 부품의 제조 방법.
제18항에 있어서, 연속된 구역의 표면 영역 대부분을 따라, 버니싱이 0.004 내지 0.008 인치(0.1016 내지 0.2032 mm)의 깊이까지 압축 응력을 부여하는 코팅 부품의 제조 방법.
제18항에 있어서, 연속된 구역의 표면 영역의 대부분을 따라, 버니싱이 0.015 인치(0.381 mm)를 초과하지 않는 깊이까지 압축 응력을 부여하는 코팅 부품의 제조 방법.