Strategy of Suppressing the Solidification Cracking Susceptibility of 247LC Superalloy Weld Metals using Commercial Ni-Based Fillers

Abstract

The solidification cracking susceptibility of 247LC superalloy dissimilar welds with ERNiCrCoMo-1, ERNiCrMo3, and ERNiFeCr-2 commercial fillers was quantitatively evaluated using Varestraint testing for the sound weld geometries of gas turbine blades. We confirmed that the solidification brittle temperature range (BTR) of the 247LC/ ERNiCrMo-3 dissimilar weld was 217 K, which was measured using a thermo-vision camera during the Varestraint testing, and the BTR increased to 260, and 485 K with the ERNiCrCoMo-1 and ERNiFeCr-2 fillers, respectively, Based on theoretical calculations of the weld solidification path (i.e., using Scheil’s model; performed via the software Thermo-Calc) for each dissimilar weld, the variation in the BTR can be considered to be highly dependent on the solid-liquid coexistence temperature range of the dissimilar welds, and it is also correlated with the low-temperature formation of topologically closed packed phases during the terminal stage. Based on the experimental and theoretical results, the commercial Ni-based filler ERNiCrMo-3 is expected to be an effective welding material for 247LC dissimilar welding and the successful manufacturing of high-soundness blades.

Solidification Crack Free Welding Strategy via Ultra High Precision Laser Scanning at a Single Grain of Directionally Solidified and Single Crystal Superalloys

“…대한용접․접합학회지 제41권 제4호, 2023년 8월 255 향응고 및 단결정 니켈계 초내열합금을 기반으로 한 각 종 고부가 소재부품의 제조기술 국산화 연구개발이 활 발하게 진행되고 있다. 해당 부품(예: 가스터빈 블레이 드, 베인 등)들은 신품 제조 [1][2][3][4] 및 유지보수 [5][6][7] 시 용 접 및 적층제조 공정의 적용이 필수적이며, 따라서 용 접 야금학적 현상의 이해를 바탕으로 한 용접 건전성 확보는 해당 부품의 성능, 내구성과 직결되는 주요 핵심 공정기술이다. 하지만 일방향응고 및 단결정 초내열합 금들은 용접 시 고온균열이 발생하는 난용접(Difficultto-weld) 소재들로 잘 알려져 있어, 용접 건전성 확보 에 상당한 어려움이 있다 1,6,[8][9][10] .…”

“…대표적인 일방향응고 초내열합금으로 알려진 CM-247LC합금 용접의 경우, 용융부(Fusion Zone, FZ) 의 응고균열 1,3) 및 부분액상화영역(Partially Melted Zone, PMZ)의 액화균열 4,11) 발생이 특히 문제시되는 것 으로 알려져 있다. 해당 함금에 대한 Varestraint 균열 시험 결과로부터, 응고균열발생 온도범위(Solidification Brittle Temperature Range, BTR)는 400 K 1) , 액화 균열발생 온도범위(Liquation Cracking Temperature Range, LCTR)는 620 K 11) 으로 보고된 바 있으며, 이는 용접 승온 및 냉각 과정 상의 1,000 K이라는 넓 은 온도범위에 걸쳐 고온균열이 발생될 수 있음을 의미 한다.…”

“…해당 함금에 대한 Varestraint 균열 시험 결과로부터, 응고균열발생 온도범위(Solidification Brittle Temperature Range, BTR)는 400 K 1) , 액화 균열발생 온도범위(Liquation Cracking Temperature Range, LCTR)는 620 K 11) 으로 보고된 바 있으며, 이는 용접 승온 및 냉각 과정 상의 1,000 K이라는 넓 은 온도범위에 걸쳐 고온균열이 발생될 수 있음을 의미 한다. CM247LC 합금의 용접 응고균열 만감도를 저 감시키기 위해, 용접성이 우수한 상용 용가재 적용 2,3) , 응고모드 제어 1) 그리고 저입열 급속용융 레이저 공정 의 적용 12) 등이 검토된 바 있으며, 특히 최근에는 용융 부에서의 응고결정립계 형성 억제를 통한 무균열 용접 가능성을 제시한 연구결과도 보고되고 있다 13) . 한편 CMSX-4, CMSX-10 등의 대표적인 단결정 초내열합 금에서도 적층제조 시 응고균열이 발생하는 등, 상당한 난용접 소재로 알려져 있으나, CM247LC 합금과 같 이 균열 민감도의 정량평가 등 용접 야금학적 검토에 대해서는 그 선행 결과가 부족한 실정이다 9) .…”

“…본 논문에서는, 초정밀 레이저 공정을 바탕으로 한 최근의 일방향응고용 CM247LC 초내열합금의 무균열 용접 가능성에 그 재현성 검토를 실시하였고, 그 결과 를 바탕으로 CMSX-4 단결정 초내열합금의 무균열 용 접 가능성에 대한 결과를 새롭게 제시하고자 한다. 잘 알려져 있다 1,3,8) .…”