KR100250363B1 - 블레이드 표면에 내마모성층을 도포하는 방법 - Google Patents

블레이드 표면에 내마모성층을 도포하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 개스 터어빈 공업에 사용하기 위한 내마모성 층에 관한 것이다. 본 발명의 바람직한 실시태양은 실질적으로 산화물이 없는 니켈계 초내열성 합금 매트릭스내에 분산되어 있는, 니켈-피복되고 산화이트륨-도우핑된 질화실리콘 미립자를 포함한다. 내마모성층은 저압 플라즈마 분무 공정을 이용하여 형성시킨다.

Description

블레이드 표면에 내마모성층을 도포하는 방법
제1도는 본 발명에 따른 내마모성층을 가진 터어빈 블레이드의 투시도이고,
제2도는 본 발명의 방법을 상세하게 나타내는 블록 다이아그램이며,
제3도는 본 발명 내마모성층의 단면을 나타내는 현미경 사진이다.
본 발명은 개스 터어빈 엔진 부품의 표면에 내마모성층을 도포하는 방법에 관한 것이다.
이튼(Eaton)등의 미합중국 특허 제 4,386,112 호에는 금속재의 개스 터어빈 엔진 블레이드의 표면상에 내마모성층을 도포하는 방법 및 장치가 기술되어 있다. 내마모성층은 니켈, 약 15 내지 22% 의 크롬 및 약 4 내지 8% 의 알루미늄을 함유하는 금속 매트릭스(NiCrAl)내의 탄화실리콘(SiC) 입자를 포함한다. 이러한 층은 통상의 플라즈마 용사 스트림내에 SiC 입자 및 NiCrAl 분말 입자를 분사시킴으로써 도포된다. SiC 입자는 NiCrAl 분말 입자를 스트림내로 분사시키는 위치의 축방향 하류의 위치에서 플라즈마 스트림내로 분사된다. 전형적인 플라즈마 용사 공정에서는 플라즈마 스트림이 입자를 가열시키고, 입자들을 기재상에 충돌시킴으로써 기재상에 내마모성 피복층을 형성시킨다.
이튼등은 용사 스트림내로의 세라믹 및 금속 분말 입자의 분사 위치가 내마모성 피복층을 만드는데 있어서 매우 중요하다고 역설하였다. 이튼등에 따르면, 세라믹 입자 스트림의 잔류시간은 짧아야 하며, 그렇지 않으면 세라믹 입자상의 각이진 절단 모서리가 파손될 것이다. 또한, 세라믹 입자는 스트림에 의한 세라믹 입자의 가속화를 최소화시키기 위하여 기재에 가까운 위치에서 용사 스트림내로 분사되어야만 한다. 세라믹 입자의 속도가 너무 빠른 경우, 입자들이 기재를 때려 되튀게 된다. 이튼등에 의해 논의된 실시예에서, 세라믹 입자를 용사 스트림내로 분사시키는 위치와 기재사이의 축방향 거리(axial distance)는 약 1.5 mm인 반면, 금속 입자를 용사 스트림내로 분사시키는 위치와 기재사이의 거리는 약 60 mm이다.
이튼등의 문헌에 의한 절차를 이용하여 형성시킨 피복층은 세라믹 및 금속의 개개층을 다수개 포함하며, 이때 금속은 세라믹 입자를 층내에 고정시키는 매트릭스로서 작용한다. 각각의 금속층은 산화물 필름에 의해 인접한 층들로부터 분리된다. 이러한 필름은 통상의 플라즈마 용사 기술을 이용하여, 즉, 대기중에서 NiCrAl 합금 분말을 용사 도포한 직접적인 결과로서 생긴다.
이튼등의 기술에 따라 생성된 피막은 약 540℃ 의 최대 사용온도를 갖는다. 이러한 온도 이상에서, 매트릭스 물질은 실질적인 산화를 일으키며, 크리프 강도(creep strength)와 같은 기계적 특성이 나빠지게 되며, 나아가 매트릭스와 SiC 입자들 사이에서 층의 특성을 상당히 악화시키는 고상 반응이 일어난다.
이튼등의 특허에 기술된 바와 같은 피막의 개발과 관련된 잇점에도 불구하고, 그들은 중요한 한계를 갖는다. 예를들면, 그들 피막은 항공기용 개스 터어빈 엔진의 터어빈 부분에 사용하기에 적합하지 못하다.
따라서 공업적으로 이튼등의 문헌에 기술된 것보다도 실질적으로 더 우수한 특성을 갖는, 매트릭스 물질과 내마모제의 배합물에 대해 계속 연구되어 왔다. 이러한 특성들은 예를들면 내산화성, 고온강도, 고온마모성 및 화학적 안정성등이다.
본 발명에 따라, 내마모성층은, 비산화성 플라즈마 스트림을 생성시키고, 생성된 스트림을 플라즈마 용사 노즐의 하류 단부를 통해 블레이드 표면상으로 보내는 단계; 세라믹 및 금속 입자를 노즐 단부의 상류 위치에서 스트림내로 분사시킴으로써 입자들을 스트림내에서 혼합하고 가열한 다음 표면상에 층돌시키는 단계를 포함하는 방법에 의해 개스 터어빈 블레이드의 표면상에 도포된다. 세라믹 입자는 박층의 니켈, 코발트, 또는 니켈 또는 코발트의 합금으로 피복된 SiAlON 또는 결정성 Si3N4이며 ; 금속 입자는 본질적으로 0 내지 10 중량% 의 Co, 6 내지 10 중량% 의 Cr, 5 내지 10 중량% 의 Al, 4 내지 10 중량% 의 W, 2.25 내지 8 중량% 의 Ta, 0 내지 1 중량% 의 Hf, 0.1 내지 0.2 중량% 의 Y, 0.015 내지 0.025 중량% 의 C, 0 내지 2 중량% 의 Mo, 0 내지 3 중량% 의 Re 및 잔량의 니켈로 이루어진 조성을 갖는다.
본 발명의 내마모성층은 약 5 내지 30 부피% 의 세라믹 미립자가 금속 합금 매트릭스를 통해 고루 산포되어 있고 산화된 매트릭스 금속이 실질적으로 부재함을 특징으로 한다. 이러한 층의 두께는 약 125 내지 375μ 이다.
본 발명에 따라 제조된 부품은 파손없이도 고온에서 작동할 수 있으며, 금속 뿐만아니라 세라믹 밀봉부내에 일관성 있게 흠을 낼 수 있다. 본 발명의 내마모성층은 성능, 제작능 및 단가면에서 종래의 층보다 우수하다. 본 발명의 다른 목적, 태양 및 장점은 첨부된 도면에 나타낸 바와 같은 본 발명의 바람직한 실시태양에 대한 하기의 상세한 설명으로서 더욱 잘 인지될 것이다.
본 발명에 따른 내마모성층은 항공기용 개스 터어빈 엔진의 터어빈 부에서 작동하는 블레이드의 선단(tip) 표면상에 사용하기에 특히 적합하다. 제1도에서, 내마모성층(10)은 터어빈 블레이드(14)의 선단 표면 (12)상에 도시되어 있다. 상기 층(10)은 금속 매트릭스(24)내에 분산된 내마모성 입자(22)를 포함한다. 이러한 블레이드는 금속이나 세라믹으로 제작한 고정 밀봉 물질과 마찰을 일으킨다. 당해분야의 전문가들은 고온 및 고응력에 의해 특징지워지는 환경에서의 다른 용도를 잘 알 것이다.
본 발명에 따른 내마모성층의 두께는 125 내지 375μ, 바람직하게는 약 250μ 이다. 내마모제 입자로서 사용된 세라믹 물질은 고온강도 및 고온 안정성을 가지며, 사용도중에 화학적으로 불활성이다(즉, 세라믹 물질이 배치되어 있는 금속 매트릭스 및 그와 접촉하는 밀봉부재와 비반응성이다). 금속 매트릭스는 내산화성이며, 높은 강도, 특히, 온도에 대한 양호한 크리프 강도를 갖는다.
본 발명에 따른 내마모성층은 제2도의 블록 다이아 그램에 도시된 바와 같이 세라믹과 금속 입자의 혼합물을 비산화성 환경에서 가열하여 기재의 표면상으로 추진시키는 플라즈마 용사 기술을 이용하여 제조된다. 비산화성 환경에 대한 필요성이 본 발명의 중요한 특징이며, 본 발명에 따른 층이 우수한데 대한 주요 이유중의 하나이다.
내마모성층을 도포하기 위한 바람직한 수단은 미합중국 캘리포니아 어빈 소재의 일렉트로 플라즈마, 인코포레이티드(Eletro Plasma, Inc)에서 시판하는 타입과 같은 저압 플라즈마 용사(LPPS, low pressure plasma spray) 시스템이다. LPPS 시스템은 매우 낮은 산소의 분압을 특징으로 하는 대기를 제공하여 용사공정 도중에 비산화성 환경을 야기시킨다. LPPS 스프레이 건(spray gun)은 세라믹 및 금속 입자가 분사된 개스의 고온, 고속, 비산화성 스트림을 발생시키며, 산화물이 없고 거의 충분하게 조밀한 용사 침착물을 생성시킨다.
또한, 용사 공정을 위한 비산화성 환경을 제공하는 한은, 또다른 유형의 플라즈마 용사 시스템을 본 발명을 수행하는데 사용할 수도 있다. 이러한 시스템은 플라즈마 스트림 및 기재를 용사공정 도중에 불활성 개스 대기로 블랭킷팅 (blanketing)시키는 시스템을 포함한다. 이러한 유형의 용사 시스템의 예를 미합중국 인디애나 인디애나폴리스 소재의 유니온 카바이드 코포레이션(Union Carbide Corporation)에서 시판하고 있으며, 공업적으로는 아르곤-슈라우드(argon-shroud) 시스템으로서 지칭된다.
플라즈마 용사 시스템은 세라믹 및 금속 입자를 플라즈마 용사 스트림내로 도입시키기 위한 별개의 분말 공급장치를 포함해야만 한다. 세라믹 입자를 용사 스트림내로 도입시키기 위한 적어도 하나의 공급장치 및 금속입자를 용사 스트림내로 도입시키기 위한 또다른 공급장치가 있어야만 한다. 이러한 전용의 분말 공급장치를 사용함으로써 용사 시스템의 운전자들은 용사된 층내의 세라믹 및 금속입자의 양을 정밀하게 조절하고, 따라서 층의 특성을 조절할 수 있다.
세라믹 및 금속입자는 종래기술과 구별되는 방법으로 용사 스트림내로 분사된다. 스트림은 플라즈마 건상의 노즐의 하류 단부를 통하여 블레이드 표면상으로 향한다. 세라믹 및 금속입자는 입자들이 스트림내에서 혼합되고 가열되어 블레이드 표면과 충돌되도록 노즐 단부의 상류의 위치에서 스트림내로 분사된다. 세라믹 및 금속입자는 스트림의 축에 대해 거의 축방향 반경 위치에서 스트림내로 도입된다. 세라믹 입자는 노즐을 통하여 스트림 축에 대해 약 10 내지 20°의 각도로 스트림내로 도입되며 ; 금속 입자는 스트림 축에 수직인 선에 대해 약 10 내지 20°의 각도로 스트림내로 도입된다. 세라믹 및 금속 분말 포트(port)의 이러한 배향은 용사 스트림내에서의 입자들의 혼합을 촉진시켜, 스트림내에서 입자의 혼합이 거의 없거나 전혀없는 용사 시스템과 비교할때 더 우수한 양질의 용사된 침적물을 생성시키는 것으로 관찰된다.
종래기술의 층과 비교하여 본 발명의 층이 우수한 주요 이유중의 하나는 사용되는 물질과 관련한다. 본 발명의 내마모성층을 구성하는 세라믹은 몇가지 중요한 특성을 갖는다. 첫째로, 세라믹은 내마모제이며, 그것은 아주 고온에서 사용하는 경우에 조차도 그러한 마모 특성을 보유한다. 더우기, 세라믹은 세라믹이 분산되어 있는 매트릭스 물질 뿐만아니라 서로 마찰되도록 설계된 밀봉 물질에 대해 불활성이다; 바꾸어 말하면, 세라믹은 매트릭스 또는 밀봉 물질과 화학적으로 반응하지 않는다. 마지막으로, 세라믹은 플라즈마 용사될 수 있는 형태로 존재한다. 특히, 세라믹 입자는 그들이 효과적으로 분말 공급장치로부터 플라즈마 용사 스트림내로 및 블레이드 표면상으로 향하게 되도록 하는 크기를 가지며, 또한 기재상에 용사할 때 기재에 접착되는 특성을 갖는다.
본 발명의 층을 구성하는 세라믹은 Si3N4및 SiAlON 으로 이루어진 군중에서 선택된다. 이들 세라믹 둘다는 모두 우수한 내마모제이며, 금속 매트릭스 및 금속 밀봉물질과 화학적으로 불활성이다. 이들 세라믹의 불활성 특성은 약 1,100℃ 정도의 높은 온도에서 적어도 500 시간 이하의 기간동안 관찰된다. 바람직한 세라믹은 그레인(grain) 경계에서의 결정성 실리케이트를 특징으로 하는 다결정질 베타-Si3N2이며, 그레인 경계에서의 무정형 및 유리질 실리카는 최소화되어야만 한다. 산화이트륨 및 산화알루미늄과 같은 산화물이 최상의 결정성 그레인 경계상(boundary phase)을 형성할 수 있으며, Si3N4그레인 경계에서의 결정성 산화이트륨 실리케이트가 가장 바람직하며, 약 2 내지 15 중량% 의 산화이트륨의 존재하에 형성된다. 가장 바람직한 결정성 Si3N4세라믹이 미합중국 미시간주 리보니아 소재의 이스카 세라믹스, 인코포레이티드(Iscar Ceramics, Inc.)사에서 상표 명 이스카나이트(Iscanite)로 시판되고 있다. 본 발명을 수행하는데 사용되는 세라믹 미립자는 약 50 내지 175μ의 호칭 직경을 가져야만 한다. 이러한 미립자의 메쉬 (mesh) 크기는 -270 내지 +400 메쉬 (호칭치수 50μ 미립자) 내지 -70 내지 +100 메쉬 (호칭치수 175μ 미립자)의 범위이다. 다음과 같은 2 가지의 크기 범위가 바람직하다: (1) +170 내지 -270 메쉬 및 (2) +120 내지 -170 메쉬.
본 발명에 따라 형성된 층의 내마모성은 층내의 세라믹 미립자의 부피% 의 함수이다. 세라믹의 바람직한 범위는 약 5 내지 40 부피% 이다. 5 부피% 이하에서, 층들은 적당한 내마모 특성을 갖지 않으며, 조밀한 금속 매트릭스를 제공하는 방법으로는 40 부피%를 넘는 내마모제를 갖는 층들을 제조할 수 없다. 가장 바람직한 세라믹의 양은 약 15 내지 25 부피% 이다.
용사공정 도중에 블레이드 표면에 접착되는 세라믹 입자의 능력을 향상시키기 위해서는, 세라믹 입자의 표면을 처리해야만 한다. 세라믹 입자를 처리하는 바람직한 방법은 그들을 플라즈마 용사전에 금속 박층으로 피복시키는 방법이다. 4 내지 40μ 두께의 금속층으로 피복된 세라믹 입자는 피복되지 않은 입자보다도 플라즈마 용사된 경우에 금속 기재 표면에 실질적으로 더 우수하게 접착된다. 즉, 40μ이상에서는 접착성 면에서 우수성이 떨어지며, 4μ 미만에서는 세라믹 입자상에 금속층이 연속적으로 피복되지 않기 때문에 바람직하지 못하다. 한편, 금속층의 두께가 증가할수록 고온에서 약한 금속물질(니켈 또는 코발트)의 양이 증가하여 팁의 기계적 강도가 감소하게 된다. 따라서, 금속 피복층은 약 4 내지 25μ 의 두께로 도포하는 것이 바람직하며, 약 5μ 이 가장 바람직하다. 코발트층, 또는 니켈 또는 코발트를 기제로 하는 합금층을 사용할 수 있지만, 바람직한 조성물은 니켈이며, 통상의 전해공정 또는 무전해공정을 이용하여 피복층을 도포한다.
세라믹 입자를 금속 박층으로 피복하면 용사공정도중 내마모성층내 에서의 세라믹 입자의 포획 효율(capture efficiency)이 증가한다. 금속 피막이 없으면, 바람직한 LPPS 공정을 이용하여 약 12 부피% 이상의 세라믹을 함유하는 층들을 생성시키기가 어려우며, 금속 피막이 있으면, 약 20부피% 의 세라믹을 함유하는 층들을 쉽게 제조한다. 세라믹 입자상의 금속 피막은 또다른 잇점을 준다. 특히, 상기 피막은 블레이드 표면과 충돌할 때 세라믹 입자가 파쇄되는 경향을 감소시킨다. 또한, 금속 분말 입자 및 금속 피복된 세라믹 입자중 일부는 플라즈마 용사 스트림내에서 응집되어 세라믹 입자가 블레이드 표면과 충돌할때 블레이드 표면으로부터 되튀는 경향이 감소되는 것으로도 생각된다.
본 발명의 내마모층내에 매트릭스를 형성하는 금속성 성분은 내산화성이며, 양호한 고온강도, 특히는 양호한 크리프 저항성을 갖는다. 매트릭스의 순환적(cyclic) 내산화성은 매트릭스 물질의 플라즈마 용사층의 (산화에 기인한)중량 증가가 1,150℃ 에서 300회 사이클후에 단지 약 3 mg/㎠ 이하까지 되도록 함에 틀림이 없다. (순환적 산화 시험은 1,150℃ 에 50분간 노출시키고, 이어서 10분간 강제 공기냉각시킴을 포함한다. 1 사이클은 상기 온도에 50분 노출시킨 다음 10분동안 강제 공기 냉각시키는 것의 조합이다). 플라즈마 용사된 매트릭스의 크리프 파열강도는 1,095℃ 및 3.4 MPa 에서 적어도 250 시간이다. 불충분한 매트릭스 크리프 강도는 사용시에 내마모성층의 파손을 야기시킬 것이다. 용사층을 도포하기 위한 LPPS 기술은 상기 언급된 매트릭스 강도를 달성하는데 상당한 기여를 한다. 특히, 본 발명의 용사된 매트릭스내에 산화물 필름이 전혀 존재하지 않는다. 이튼 등의 문헌[미합중국 특허 제 4,386,112 호]에 기술된 층내에는 이러한 산화물이 존재하며, 이러한 산화물은 통상의 플라즈마 용사 기술을 사용한 결과이다. 용사된 매트릭스내의 산화물은 빈약한 크리프 강도를 갖는 생성물을 생성시킨다.
본 분야의 전문가들은 양호한 고온 특성을 갖는 많은 합금이 존재한다는 것을 알 것이다. 예를들면, 개스 터어빈 블레이드를 성형하는데 사용되는 초내열성 합금(superalloy)은 우수한 크리프 저항을 갖지만 비교적 불량한 내산화성을 갖는다. 내산화성 피복용 합금은 일반적으로 불량한 크리프 강도를 갖는다. 선행기술에서는 우수한 순환적 내산화성 및 우수한 크리프 파열강도를 모두 갖는 금속 합금을 확인하지 못하였다. 본 발명에 이르러 본 발명의 연마층내에 매트릭스 물질로서 사용하는데 요구되는 내산화성 및 합금 강도를 갖는 3 가지의 합금을 개발하였다. 이들 조성물이 하기의 표 1 에 설명되어 있다. 이러한 합금의 조성 범위는 0 내지 10 중량% 의 Co, 6 내지 10 중량% 의 Cr, 5 내지 10 중량% 의 Al, 4 내지 10 중량% 의 W, 2.25 내지 8 중량 % 의 Ta, 0 내지 1 중량% 의 Hf, 0.1 내지 0.2 중량% 의 Y, 0.015 내지 0.025 중량% 의 C, 0 내지 2 중량% 의 Mo, 0 내지 3 중량% 의 Re 및 잔량의 Ni 이다. 3 가지 합금에 대한 더욱 구체적인 조성 범위는 각각 다음과 같다: 8 내지 10 중량% 의 Cr, 5.8 내지 7.8 중량% 의 Al, 8 내지 10 중량% 의 W, 2.25 내지 4.25 중량% 의 Ta, 0.1 내지 0.2 중량% 의 Hf, 0.05 내지 0.15 중량% 의 Y, 0.01 내지 0.03 중량% 의 C, 0.5 내지 1.5 중량% 의 Mo, 및 잔량의 Ni; 8 내지 10 중량% 의 Cr, 8 내지 10 중량% 의 Al, 4 내지 6 중량% 의 Ta, 0.1 내지 0.2 중량% 의 Y, 0.01 내지 0.03 중량% 의 C, 및 잔량의 Ni; 및 8 내지 10 중량% 의 Co, 6 내지 8 중량% 의 Cr, 5 내지 7 중량% 의 Al, 4 내지 6 중량% 의 W, 6 내지 8 중량 % 의 Ta, 0.4 내지 0.6 중량% 이 Hf, 0.4 내지 0.6 중량% 의 Y, 0.01 내지 0.03 중량% 의 C, 1 내지 3 중량% 의 Re, 및 잔량의 Ni. 상기 3 가지 합금에 대한 특정 조성을 하기에서 설명한다.
[표 1]
상술된 유형의 합금은 통상의 진공 용사 또는 급속 고화(RSR) (rapid solidification rate) 가공법에 의해 분말 입자로 형성된다. 분말 입자는 특정 산화물 또는 기타의 오염 물질이 없어야만 한다. 본원에 참조로 인용된 미합중국 특허 제 4,355,057 호에 기술된 바와 같은 공정이 분말 제조에 유용할 것이며 ; 다른 공정들도 본 분야의 전문가에게 공지되어 있다. 매트릭스를 제조하는데 사용된 분말의 호칭 직경은 10 내지 100μ, 바람직하게는 약 25μ 이어야 한다.
본 발명에 따라 제조된 내마모성층은 이전에는 달성하지 못했던 특성들의 조합을 갖는다. 특히, 본 발명에 사용된 세라믹 성분은 세라믹이 혼입되어 있는 매트릭스 물질 뿐만아니라 입자와 마찰되는 밀봉 물질에 대해 불활성이다. 세라믹 성분은 또한 고온에서 사용하는 경우에 조차도 우수한 마모특성을 나타낸다. 종래의 내마모성층에 사용된 세라믹 물질은 매트릭스 또는 밀봉 물질과 반응하거나, 또는 고온에서 사용할 때 특성 저하를 일으킨다. 본 발명의 세라믹 성분은 또한 플라즈마 용사 공정에 의해 약 20 부피% 의 양으로 내마모성층내로 용이하게 혼입된다. 본 발명에 따른 금속 매트릭스를 형성시키는데 사용된 합금은 우수한 내산화성 및 크리프 강도를 갖는다. 또한, 비산화성 플라즈마 용사 환경을 사용한 결과로서, 내마모성층에는 산화물이 없으며 이론적 농도에 가깝다. 조합된 상기 언급한 특성들의 결과로 종래기술에 의해 기술된 층들보다 더 우수한 내구성을 갖는 저단가의 내마모성층이 제공된다.
하기 실시예로써 본 발명의 특징 및 잇점을 예시할 것이다.
[실시예 1]
미합중국 캘리포니아 어빈 소재의 일렉트로 플라즈마, 인코포레이티드에서 제조한 모델번호 132 노즐을 포함하며 상술한 바와 같은 플라즈마 용사 스트림내로 금속 및 세라믹 입자를 도입시키는데 적당한 저압 플라즈마 용사 시스템을 사용하여, 니켈계 초내열성 합금 개스 터어빈 엔진 블레이드로부터 제작한 부품의 표면에 내마모성층을 도포한다.
대표적인 그릿 블라스팅 (grit blasting) 기술을 이용하여 블레이드를 세정하고, 세척한 다음, LPPS 챔버내로 삽입시킨다. 챔버를 펌핑하여 압력을 적어도 약 150 μHg 이하로 낮춘다. 이어서, 챔버를 아르곤 또는 헬륨으로 적어도 약 55 mmHg이하의 압력까지 재충진시킨 다음, 부품을 적어도 약 840 내지 930℃ 의 온도로 예열시킨다. 이어서 건조상태의 자유 유동성 금속 및 세라믹 분말 입자를 노즐 단부의 상류에서 플라즈마 스트림 내로 도입시킨다. 입자는 플라즈마 스트림에 의해 운반되어 블레이드 표면상에 침착된다. 이때, 세라믹 입자는 2 내지 15 중량% 의 이트륨이 함유된, 상기 언급된 니켈-피복된 이스카나이트세라믹이며 ; 금속 매트릭스는 상기 언급된 조성을 갖는 합금 2 (Alloy 2)이다. 중요한 피복 파라메타는 하기 표 2에서와 같다.
[표 2]
생성된 층은 제3도에 도시된 바와 같이 금속 매트릭스 전체에 고루 분포된 세라믹 미립자를 특징으로 하며 ; 층은 함유물 및 다른 이러한 오염물질이 없으며, 칩 (chip), 광대한 크랙 및 다른 결점이 없다. 층은 적어도 약 93% 농도를 갖고, 산화물이 없으며, 금속 매트릭스내에 약 20 부피%의 세라믹 미립자를 함유한다. 층의 두께는 약 250μ 이다. 현대식 개스 터어빈 엔진의 터어빈 부분에서의 운전조건을 시뮬레이션하는 시험에서, 내마모성층은 세라믹 및 금속 밀봉부에 대해 훌륭하게 마찰한다.
[실시예 2]
Si3N4내마모성제 미립자가 실시예 1 에서와 같이 니켈로 피복되지 않은 것을 제외하고는, 실시예 1 에서와 동일한 절차에 따라 피복된 샘플을 제조한다. 플라즈마 용사공정 도중에, 많은 피복되지 않은 Si3N4미립자가 그들이 용사되는 블레이드 표면으로부터 되튀어나오는 것이 가시적으로 관찰된다. 용사된 시험편의 금속학적 시험에 의해 세라믹 미립자가 내마모성층내에 거의 존재하지 않으며, 층내에 존재하는 미립자중 많은 것들이 용사공정 도중에 비산됨을 알 수 있다. 그러므로, 본 실시예는 피복되지 않은 세라믹 미립자를 사용하면 한계적으로 유용한 내마모성층이 수득됨을 보여준다.
[실시예 3]
니켈-피복된 Si3N4대신에 피복되지 않은 SiC 미립자를 세라믹 성분으로서 사용한다는 것 이외에는, 실시예 1 에서와 동일한 절차에 따라 피복된 샘플을 제조한다. 내마모성층을 도포한 후, 공기중 1,095℃ 에서 노출시키면 SiC 와 금속 매트릭스 사이에서 심한 화학 반응이 일어나 층의 결합성을 붕괴시키고 층의 추가 사용을 방해한다. 본 실시예에서 제조한 샘플은 이튼등의 미합중국 특허 제 4,386,112 호에 기술된 바와 같은 종래기술을 나타낸 것이다. 비교 목적으로, 실시예 1 의 샘플을 공기중 1,095℃ 에서 500시간동안 노출시키면, 이것은 Si3N4와 금속 매트릭스 사이에서 화학반응을 거의 나타내지 않거나 전혀 나타내지 않으며 열처리후에도 우수한 마모특성을 갖는다
[실시예 4]
분말 야금술 및 고온 등압압축 기술에 의해 샘플을 제조하여 몇가지 유형의 세라믹의 마모특성을 비교한다. 세라믹의 호칭직경은 200 내지 375μ 이며, 금속 매트릭스내에 대략 샘플의 20부피% 에 상당하는 양으로 존재한다. 금속 매트릭스는 상술된 바와 같은 합금 2 (Alloy 2)의 조성을 갖는다. 평가한 세라믹은 다음의 (1) 내지 (7)과 같다: (1) 월메트 퀀텀 (Wallet Quantum) 5000 으로서 시판되는, TiN 으로 도핑된 Si3N4; (2) 세라팁(Ceratip) A-65 로서 시판되는, TiN 으로 도핑된 Si3N4; (3) 스미또모 (Sumitomo) B-90 으로서 시판되는 Si3N4; (4) 그린리프(Greenleaf) 2001 로서 시판되는 Al2O3; (5) 켄네메탈(Kennemetal) KYON 2000 으로서 시판되는 SiAlON; (6) 샌드빅 (Sandvik) CC680 으로서 시판되는 SiAlON; 및 (7) 이스카나이트(Iscanite) 세라믹으로서 시판되는, 산화이트륨 도핑된 Si3N4. 세라믹들의 절삭능을 비교 실험한 결과는 하기 표 3 에서와 같다.
[표 3]
상기와 동일한 절차에 따라 제조한 내마모성층의 성능을 평가하기 위하여 개스 터어빈 운전조건과 동일한 조건하에 몇가지 시험을 행한다. 층들을 Mar-M-509 조성을 갖는 코발트계 주형(Martin Marietta Corporation; 호칭적으로는 23.4 Cr-10 Ni-0.2 Ti-0.6 C-7 W-3.5 Ta-0.5 Zr-잔량 코발트) 또는 플라즈마 용사된 80% 농도의 202NS 구조(Metco Inc. ; 20 중량% 산화이트륨 안정화된 산화지르코늄)인 밀봉 부재와 마찰시킨다. 밀봉부의 마손량과 내마모성층의 마손량사이의 비 (하기 표 4 에서 VWR 로 나타내었음) 및 내마모성층의 마손량과 내마모성층 마손량 및 밀봉부 마손량을 합한 양사이의 비 (하기 표 4 에서 W/I 로 나타내었음)로서 성능을 측정한다. 하기 표 4에서 유입속도(Incursion Rate)로서 확인된 양은 내마모성층이 밀봉 부재로 돌진하는 단위시간당 거리(μ/sec)이다.
[표 4]
각주) :
(A) 측정하지 않음
(B) 내마모성층의 표면이 릴리프 에칭되어 내마모성제가 드러난다.
(C) 플라즈마 용사된 Ni-22 Co-17 Cr-12.5 Al-0.6 Y.
(D) 플라즈마 용사된 합금 2(Alloy 2) (표 1 참조).
24 시간후 공기중 1,095℃ 에서 노출시키는 동안 상기 언급된 세라믹의 산화 거동을 측정하는 시험에서 하기 표 5에서와 같은 결과가 수득된다.
[표 5]
이들 시험 결과는 평가한 세라믹중 단지 그린리프, 켄네메탈 및 이스카나이트만이 허용가능한 고온 안정성을 가짐을 보여준다. 이들 시험 결과를 마찰 시험 결과와 조합하여 보면 켄네메탈 Si3N4생성물 및 이스카나이트 SiAlON 생성물이 최상의 총괄적 특성을 가짐을 보여준다. 플라즈마 용사공정 도중의 세라믹 입자의 거동의 관점에서, 입자는 4 내지 40μ 금속층, 바람직하게는 니켈층으로 피복되어야만 한다. 이러한 세라믹 입자를 앞에서 설명한 절차를 이용하여 상술된 금속 합금과 함께 플라즈마 용사하는 경우, 생성된 생성물은 산화에 대해 내성이 있고, 고온에서 사용하는 도중 높은 강도 및 마모성을 가지며, 화학적으로 안정하다.
전술한 사실로부터, 본 기술분야의 전문가들은 본 발명의 본질적인 특징을 확인할 수 있으며, 다음의 특허청구범위에서 설명하는 바와 같이 본 발명의 정신 또는 범주를 벗어나지 않고서도 각종 변화 및 변형을 행할 수 있다.

Claims (17)

  1. 비산화성 플라즈마 용사 스트림을 생성시키고, 상기 스트림을 플라즈마 용사 노즐의 하류 단부를 통하여 블레이드 표면상으로 보내는 단계 ; 상기 노즐 단부의 상류 위치에서 세라믹 입자 및 금속 입자를 각각 스트림내로 분사시키는 단계(여기서, 세라믹 입자는 니켈, 코발트, 또는 니켈 또는 코발트의 합금 층으로 피복된 SiAlON 및 결정성 Si3N4으로 이루어진 그룹으로부터 선택되며; 금속 입자는 6 내지 10중량% 의 Cr, 5 내지 10 중량% 의 Al, 4 내지 10 중량% 의 W, 2.25 내지 8 중량% 의 Ta, 0.1 내지 0.2 중량% 의 Y, 0.015 내지 0.025 중량% 의 C 및 잔량의 Ni 로 이루어진다); 상기 입자들을 스트림내에서 혼합하고 가열하는 단계; 및 상기 입자들을 블레이드 표면상에 충돌시켜 내마모성층을 형성시키는 단계를 포함하는, 개스 터어빈 엔진 블레이드의 표면에 내마모성층을 도포하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 세라믹 입자가 니켈 또는 니켈의 합금층으로 피복된 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 니켈 또는 니켈 합금 피막의 두께가 4 내지 40μ 인 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 니켈 또는 니켈 합금 피막의 두께가 4 내지 25μ 인 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 세라믹 입자가 2 내지 15 중량% 의 산화이트륨을 함유하는 Si3N4인 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 금속 입자가 9 중량% Cr, 9 중량% Al, 5 중량% Ta, 0.15 중량% Y, 0.02 중량% C 및 잔량의 니켈로 이루어진 방법.
  7. 55 mmHg 이하의 압력이 되도록 불활성 개스로 재충진시킨 저압 플라즈마 챔버내에서 플라즈마 용사 스트림을 생성시키는 단계; 상기 스트림을 챔버내의 플라즈마 용사 노즐의 하류 단부를 통하여 블레이드 표면상으로 보내는 단계 ; 상기 노즐 단부의 상류 위치에서 세라믹 입자 및 금속 입자를 스트림 내로 분사시키는 단계(여기서, 세라믹 입자는 4 내지 20μ 두께의 니켈층으로 피복되고 50 내지 175μ 의 호칭 직경을 갖는 결정성 Si3N4이며 ; 금속 입자는 6 내지 10 중량% 의 Cr, 5 내지 10 중량% 의 Al, 4 내지 10 중량% 의 W, 2.25 내지 8 중량% 의 Ta, 0.1 내지 0.2 중량% 의 Y, 0.015 내지 0.025 중량% 의 C 및 잔량의 니켈로 이루어진다); 상기 입자들을 스트림내에서 혼합하고 가열하는 단계; 및 상기 입자들을 블레이드 표면상에 충돌시켜 내마모성층을 형성시키는 단계를 포함하는, 니켈계 초내열성 합금으로 제조한 개스 터어빈 엔진 블레이드의 표면에 내마모성층을 도포하는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 금속 입자가 10 중량% 이하의 Co을 추가로 포함하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 금속 입자가 1 중량% 이하의 Hf을 추가로 포함하는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 금속 입자가 2 중량% 이하의 Mo을 추가로 포함하는 방법.
  11. 제1항에 있어서, 금속 입자가 3 중량% 이하의 Re을 추가로 포함하는 방법.
  12. 제7항에 있어서, 금속 입자가 10 중량% 이하의 Co을 추가로 포함하는 방법.
  13. 제7항에 있어서, 금속 입자가 1 중량% 이하의 Hf을 추가로 포함하는 방법.
  14. 제7항에 있어서, 금속 입자가 2 중량% 이하의 Mo을 추가로 포함하는 방법.
  15. 제7항에 있어서, 금속 입자가 3 중량% 이하의 Re을 추가로 포함하는 방법.
  16. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 금속 입자가 9 중량% Cr, 6.8 중량% W, 3.25 중량% Ta, 0.15 중량% Hf, 0.1 중량% Y, 0.02 중량% C, 1 중량% Mo 및 잔량의 니켈로 이루어진 방법.
  17. 제8항, 제9항 또는 제11항에 있어서, 상기 금속 입자가 9 중량% Co, 7 중량% Cr, 6 중량% Al, 5 중량% W, 7 중량% Ta, 0.5 중량% Hf, 0.5 중량% Y, 0.02 중량% C, 2 중량% Re 및 잔량의 니켈로 이루어진 방법.
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