KR100312399B1 - 접촉표면간에프레팅마모저하방법및힘전동방법과그방법을사용하는프레팅-피로내성압축기에어호일루트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 구리-알루미늄 합금으로 표면을 코팅함으로써 니켈, 코발트 또는 티타늄 합금의 침식 마모 방지에 관한 것이다.

Description

접촉 표면 간에 프레팅 마모 저하방법 및 힘 전동방법과 그 방법을 사용하는 프레팅-피로 내성 압축기 에어호일 루트

제1도는 언코팅(uncoated) 니켈 모재와, 종래 안티-프레팅(anti-fretting) 코팅이 이루어진 동일 모재와, 본 발명의 안티-프레팅 코팅이 이루어진 동일 모재에서 수행된 프레팅 시험의 비교 결과를 나타낸 도면이다.

본 발명은 많은 니켈, 코발트, 및 티타늄 합금의 고온 프레팅 내마모성(the high temperature fretting wear resistance)을 증가시키는 방법에 관한 것이다.

본 발명은 현재 포기된, 1991년 9월 16일자 출원된 07/760,318호의 일부 연속 출원이다.

프레팅 마모는, 정적이면서, 진동과 같은 전달힘을 통하여 고주파수 저진폭 동작으로 서로 상관하여 진동되도록 설계된 접촉상태로 있는 2개 파트의 정합면에서 발생하는 것이다. 각 표면이 접촉 시에 많은 극미세한 거친면을 가지므로, 프레팅 작용은, 물질전달(material transfer)을 발생하는 파쇄되는 이들 접합부에서 국부적 점착을 일으키거나, 파편(debris)을 마모하거나 또는, 그 양쪽 모두를 발생하는 것이다. 만일 접촉부에 금속이 유사하거나 그 구성 요소가 양호한 상호 용해성을 갖는다면, 대부분의 프레팅 마모물(fretting wear)은 자연적으로 점착하여 있을 것이다. 상승 온도는, 부하가 크고 주파수가 높아서 그 과정이 상당히 가속될 것이다. 만일 정합면이 과도하게 연마되어 마디를 만들게 되면, 응력 집중이 마모 상처를 남기고 그리고 피로 강도의 감소를 초래하여(특정적으로 프레팅 피로(fretting fatigue)로 공지), 부품(들)의 파손이 발생하게 된다. 프레팅 마모를 받는 물질의 특정예로는, 터보팬 에어호일 블래이드루트(turbofan airfoil bladeroots), 마찰 댐퍼(friction dampers), 느슨한 이음쇠를 갖는 축상에 베어링, 및 구동-커플링 성분 등이 있다.

프레팅을 극복하기 위한 선행 기술의 노력에는 접촉 상태에 물질 표면에 안티-프레팅 코팅(anti-fretting coatings)을 하는 것이 포함된다. 상기 코팅은 연성 금속막으로 작용하여, 모재 면(substrate surface)과의 접촉을 유지하면서, 코팅부 사이에 전단 매카니즘에 의한 진동 에너지를 일소시키는 것이다. 니켈, 코발트, 및 티타늄 합금에 대한 상기 선행 기술의 안티-프레팅 코팅은 Cu-Ni 또는 Cu-Ni-In 조성물에 기본하여 이루어진 것이다. 그 성공은 양호한 것으로 보고되었다. 그러나, 약537.8℃(1000°F)이상의 온도에서는, 산화 가속도가 급하게 코팅을 악화시키어 모재와의 접촉 및 프레트(fret)가 이루어지게 한다.

또한, 통상의 방법은 주로 소정 부품에 상기 구성물을 열적으로 분무하는 방식으로 이루어진다. 부가하여, 이러한 사실은 열적 분무동작의 줄 무늬 성질(the line-of-sight nature of thermal spraying)로 인한 단점이 있으며, 이러한 유형의 작업은 얇은-게이지 물질에 유해한 효과(예, 뒤틀림)를 미치는 것이다.

본 발명의 방법에 따라, 니켈, 코발트, 및 티타늄의 표면에 가해지는 힘-전달 및 힘-수용 베어링 면은 648.9℃(1200°F)에 이르는 또는 그 보다 높은 온도에서 일 표면 또는 양 표면에 구리 합금을 코팅하여 프레팅 마모를 방지하는 것이다. 바람직하게, 구리 합금은 구리 약92중량%, 및 알루미늄 약8중량%를 함유한다. 다르게는, 상기 합금은 알루미늄 약4 내지 약8% 및 규소 약4%의 구리를 함유하는 것이다. 다른 요소, 예컨대 철, 또는 니켈 약5중량%의 첨가는 약537.8℃(1000°F)까지의 온도에서 성공적인 결과를 제공할 수 있지만, 일반적으로 이들 첨가 요소는 고온 산화 내성을 저하시키므로 더 높은 온도에서는 상기 합금을 사용하여 성공적인 결과를 달성할 수 없다.

코팅 두께는 0.1 내지 약4.Omils 범위, 바람직하게 약0.75 내지 약1.5밀의 범위 내에 있다.

코팅은 전형적인 물리적 기화증착 기술(physical vapor deposition techniques)을 적용하여 이루어진다. 음극성 아크 증착기술(cathodic arc deposition)이 바람직한 방법이지만, 다른 형태의 이온 기화증착기술을 적용할 수 도 있다.

본 발명에 따른 얇은 니켈 또는 니켈-합금 작업편의 코팅은, 적어도 648.9℃(1200°F)까지의 온도에서의 언코팅 작업편과 대조적으로, 내구성이 현저하게 향상되어진 것이다. 본 발명의 코팅은 압축기 에어호일 루트(compressor airfoil roots)와 같은 부품에 특히 유용한 것이지만, 블래이드와 베인 에어호일 댐핑 시스템((blade and vane airfoil damping systems)과 같은 프레팅 마모가 문제가 되는 니켈 또는 니켈 합금면에도 유익하게 적용할 수 있는 것이다. 또한, 안티-프레팅 코팅은 코발트와 티타늄 합금면에도 유익한 것이다.

본 발명에 따른 코팅은 대략 676.7℃(1250°F)에 이르는 온도에서도 유익함으로; 구리-니켈, 및 구리-니켈-인듐, 또는 은 도금과 같은 합금의 코팅 및 건조막 윤활제(dry film lubricants)의 사용을 포함하는, 프레팅 마모를 최소로 하는 통상의 방법을 능가하는 잇점을 제공하는 것이다. 종래의 코팅이 단지 약537.8℃(1000°F)까지의 온도에서만 효과적이라는 결함이 있는데, 이러한 온도는 프레팅이 문제가 되는 많은 용도, 예컨대 현대 제트 엔진에서 만나게 되는 온도보다 낮은 온도이다.

본 발명의 코팅의 경우에, 특히 규소의 존재하에 구리와 알루미늄 함량이 코팅 니켈-기본 합금면을 사용하는 중에 만나게 되는 고온 환경에서 접촉면의 산화를 최소로 하는 것이다. 이러한 사실은 537.8℃(1000°F)를 초과하는 온도에서 코팅의 보호 성질을 유지하는데, 종래 코팅은 상기 온도에서 유효하지 않은 것이다. 이러한 상승된 온도에서도 산화 내성을 보유함으로써, 프레팅에 대한 내성은 통상의 코팅 실행이 효과적이지 않은 니켈-기본 합금에 적용하여도 유지되는 것이다.

본원의 방법에 따라서, Ni-19.5Cr-13.5Co-4.2Mo-3Ti-1.4Al-0.08Zr-0.05C 중량% 혼합물인 AMS 5544에 상응하는 니켈-기본 합금의 시험 견본을 이온 기화 증착 코팅법(ion vapor deposition coating)으로 코팅한다. 통상적인 저압 불활성 가스 기화 증착실에서 중량%로 Cu-7.5Al을 함유하는 합금을 1.25밀의 코팅 두께로 증착하는 코팅작업을 수행한다. 상기와 같이 준비된 시험 견본은, 접촉면으로서 합금 AMS 5596의 평판 견본을 사용하며, 평판-진동 스프링 마모 시험 설비(oscillating spring-on-plate wear test facility)로 스프링 형태에 시험을 받게 된다. 구리 62%, 니켈38%의 종래 안티-프레팅 코팅으로 코팅된 AMS 5544와 언코팅된 AMS 5544의 시험 스프링을 준비하여 동시적으로 시험하여서 결과를 대비한다. 1.27mm(0.050인치)접촉반경을 갖고 0.381mm(0.015인치)두께인 각 견본의 2개 스프링을, 1100psi 최대 접촉 압력을 생성하며, 15파운드의 하중을 가진, 3.175mm(0.125인치)두께의 2개 언코팅 평판에 대향하여 적재한다. 스프링은 수직 평면에서 경성(rigid)을 유지하는 반면에 평판은 300Hz의 진동수와 0.127mm(0.005 인치) 진폭의 전자기 요동기(electromagnetic shaker)로 진동된다. 전체 고정물은 648.9℃(1200°F)의 온도를 발생하는 저항-요소 로(resistant-element furnace)로 둘러 싸이게 된다. 두께 측정은 2시간 간격으로 스프링 및 평판 견본에서 행해지며, 시험은 10시간 또는 실패할 때까지, 먼저 오는 대로 처리된다. 제1도에 도시된 바와 같이, 본 발명의 코팅은, 언코팅 모재 및 통상의 안티-프레팅 코팅과 비교하여, 니켈 모재의 프레팅 마모율을 현저하게 저하시킨 것이다. Cu-8Al, 및 Cu, 4-8Al, 0-4Si의 안티-프레팅 코팅을 사용하여 니켈, 코발트 및 티타늄 모재를 시험하여도 유사한 결과가 얻어진다.

본 발명의 상기 서술은 당업자에 의해 상당한 개질, 변화 및 변형될 수 있고 상기 개질, 변화 및 변형이 하기의 청구 범위에 나열된 본 발명의 영역내에 있다고 간주할 수 있음은 물론이다.

Claims (20)

1. 537.8℃(1000°F) 내지 676.7℃(1250°F)의 온도에서 접촉면 사이의 프레팅 마모를 저하시키는 방법에 있어서, 상기 방법은: 1개 이상의 상기 접촉면에 구리 88 내지 96중량%, 알루미늄 약4 내지 약8중량%, 및 규소 0 내지 4중량%를 함유하는 코팅을 적용하는 단계와; 접촉면을 접촉상태로 배치하는 단계와; 상기 온도에서 접촉면 사이의 상대적 운동을 발생하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 프레팅 마모 저하방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 접촉면은 니켈, 코발트 및 티타늄 합금으로 구성된 군으로부터 선택된 금속으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 프레팅 마모 저하방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 코팅이 물리적 기화 증착법(physical vapor deposition)으로 부착되고 0.1 내지 4밀 두께로 이루어지는 것을 특징으로 하는 프레팅 마모 저하방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 코팅이 0.75 내지 1.5밀 두께로 이루어지는 것을 특징으로 하는 프레팅 마모 저하방법.
5. 제4항에 있어서, 표면이 니켈-기본 합금인 것을 특징으로 하는 프레팅 마모 저하방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 코팅이 구리 92중량% 및 알루미늄 8중량%로 구성되는 것을 특징으로 하는 프레팅 마모 저하방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 코팅이 음극선 아크 증착법(cathodic arc deposition)에 의해 적용되는 것을 특징으로 하는 프레팅 마모 저하방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 코팅이 구리 92.5중량% 및 알루미늄 7.5중량%로 이루어지는 것을 특징으로 하는 프레팅 마모 저하방법.
9. 제트 엔진의 접촉 부품 사이에 힘 전동(傳動)시키는 방법(a method for transmitting forces between contacting components of a jet engine)에 있어서, 상기 방법은: 구리 88 내지 96중량%, 알루미늄 4 내지 8중량%, 및 규소 0 내지 4중량%로 구성되는 안티-프레팅 코팅을 상기 접촉 부품의 접촉면에 적용하는 단계와; 접촉상태로 상기 코팅면을 배치하는 단계와; 537.8℃(1000°F) 내지 676.7℃(1250°F)의 온도에서 상기 일 부품에 힘을 적용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 힘 전동방법.
10. 제9항에 있어서, 상기 접촉 부품은 니켈, 코발트 및 티타늄 합금으로 구성된 군으로부터 선택된 금속으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 힘 전동 방법.
11. 제10항에 있어서, 상기 코팅이 물리적 기화 증착법으로 증착되고, 0.1 내지 4밀 두께인 것을 특징으로 하는 힘 전동방법.
12. 제11항에 있어서, 상기 코팅이 0.75 내지 1.5밀 두께인 것을 특징으로 하는 힘 전동방법.
13. 제12항에 있어서, 상기 부품이 니켈-기본 합금인 것을 특징으로 하는 힘 전동방법.
14. 제13항에 있어서, 상기 코팅이 구리 92중량% 및 알루미늄 8중량%로 구성되는 것을 특징으로 하는 힘 전동방법.
15. 제13항에 있어서, 상기 코팅이 구리 92.5중량% 및 알루미늄 7.5 중량%로 이루어지는 것을 특징으로 하는 힘 전동방법.
16. 537.8℃(1000°F) 내지 약676.7℃(1250°F)의 온도에서 사용하는 프레팅-피로 내성 압축기 에어호일 루트(a fretting-fatigue resistant compressor airfoil root)는, 니켈, 코발트, 및 티타늄 합금으로 구성된 군으로부터 선택된 금속의 에어호일 루트(airfoil root)를 포함하며, 그 표면은 구리 88 내지 96중량%, 알루미늄 4 내지 8중량%, 및 규소 0 내지 4중량%로 구성되는 합금의 코팅을 갖고, 상기 코팅은 0.1 내지 4밀 두께인 것을 특징으로 하는 에어호일 루트.
17. 제16항에 있어서, 상기 루트가 니켈-기본 합금이고, 상기 코팅이 구리 92중량% 및 알루미늄 8중량%로 구성되는 것을 특징으로 하는 에어호일 루트.
18. 제17항에 있어서, 상기 코팅이 0.75 내지 1.5밀 두께인 것을 특징으로 하는 에어호일 루트.
19. 제16항에 있어서, 상기 코팅은 구리 92.5중량% 및 알루미늄 7.5중량%로 구성되는 것을 특징으로 하는 에어호일 루트.
20. 제19항에 있어서, 상기 루트는 니켈-기본 합금으로 이루어지고, 상기 코팅은 0.75 내지 1.5밀 두께인 것을 특징으로 하는 에어호일 루트.