KR100367803B1 - 보호코팅을형성시키는방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 CrAlM2(여기서 M2는 Y, Si, Hf, Ta, Nb, Mn, Pt, 회토류 원소 또는 이들 원소들 중 2종 이상임)의 입자를 함유하는 전조로부터 금속 매트릭스 M1(여기서 M1은 Ni 또는 Co 또는 Fe, 또는 이들 원소들 중 2종 또는 이들 원소 모두임)을 입자가 매트릭스와 함께 동시전착되도록 3 mA/cm2미만의 전류 밀도에서 전해 용착시킴으로써 용착시키는 것으로 이루어지는, 기판 상에 코팅을 형성시키는 방법에 관한 것이다. 바람직하게는, 용착은 50 ㎛ 미만의 두께를 갖는 층을 형성하고, 입자의 전조 투입량 40 g/l 미만에서 수행된다.

Description

보호 코팅을 형성시키는 방법
본 발명은 기재 상에 오버레이(overlay) 코팅과 같은 보호 코팅을 제공하는 것에 관한 것이다. 이러한 코팅은 특히 부식 및(또는) 침식이 일어나기 쉬운, 고온 환경에 처해지는 부품 상에 사용된다. 유일한 것은 아니지만 이러한 코팅의 주된 응용 분야는 가스 터어빈 엔진의 부품, 특히 그의 초합금으로 된 부품, 예를 들면 가스 터어빈 샤프트, 링 (ring), 디스크, 연소통, 고정자 및 회전자 블레이드, 및 안내 날개에 대한 것이다. 본 발명은 또한 상기 부품, 및 이 부품을 포함하는 기계 및 운행체 또는 고정 설비에 관한 것이다.
가스 터어빈의 부품, 특히 연소기 부근 및 다운스트림의 내부 부품은 고온에서 내부식성 및 고강도를 나타내어야 한다고 오랫동안 인식되어 오고 있다.
충분한 고온 강도를 제공하기 위하여 상기 부품에 초합금 물질로 된 하중 지탱 구조물을 제공하는 것이 공지되어 있다. 사용되는 대표적인 초합금은 특정 응용 분야의 요구 사항에 따라, Ni, Co 및 Fe 기재 초합금(이들의 예로는 상품명 IN100, IN718, IN738, MAR-M002, MAR-M247, CMSX-4, PWA1480 및 PWA1484로 알려져 있는 것들이 있다)이다. Fe 및 Co 기재 초합금은 주로 고용체 보강된다. Ni 기재 합금은 Ni를 주성분으로 하며, 주로 소정량의 Cr, Co, Fe, Mo, W 또는 Ta를 함유하고, 종종 고용체 또는 침전 보강된다. 침전 보강된 Ni 기재 합금은 가스 터어빈 부품에 널리 사용되며 주로 Al, Ti 또는 Nb를 함유하여 적절한 열처리 과정에서 침전된제2상이 생성되도록 한다. 가스 터어빈 부품에 사용되는 Ni 기재 침전 보강된 초합금의 예로는 상품명 INCO 713, B-1900, IN-100, MAR-M 200 및 MAR-M 247로 알려져 있는 것들이 있다. Co 기재 초합금의 예에는 MAR-M 509 및 Haynes 188이 있고, Fe 기재 초합금의 예에는 Incoloy 802 및 Incoloy 903이 있다. 초합금 가스 터어빈 부품은 때때로 공작되거나 또는 주조되며, 보다 극한 작동 조건의 경우, 일정 방향으로 고화되거나 또는 단결정 구조물의 형태일 수 있다.
초합금 그 자체는 통상적으로 가동중의 부식성/산화성 대기를 견딜 수 없기 때문에 초합금 부품을 내부식성 물질로 피복시키는 것이 일반적인 관례가 되었다.
한 가지 방법은 초합금을 알루미나이징시키는 것이다. 이 방법은 통상적으로 소위 팩 알루미나이징법(pack aluminising process)을 사용하거나 또는 물리적 증착법에 의해 수행된다. 이들 방법은 초합금 내에 Al을 확산시켜 Ni 기재 초합금의 경우에는 NiAl과 같은 알루미나이드를 형성시키는 것이다. 가동중에는 Al2O3로 이루어진 표면층이 형성되어 아래에 있는 물질을 보호하는데, 이 층은 열 팽창 및 수축 때문에 박리되기 쉽다. 이것은 바깥쪽으로 확산되는 Al에 의해 점차적으로 복구되는데, 마침내 특정 위치에서 박리된 물질을 대신하기에 충분한 Al이 더이상 없을 때에는 초합금 부품이 급속한 국부 부식을 일으키게 되기 쉽다. 마찬가지로 크롬 및 규소를 둘 다, 또는 하나만, 그리고 알루미늄과 함께 또는 단독으로 초합금내로 확산시켜 크로마이드 또는 실리사이드를 포함하는 표면층을 형성시킬 수 있다. 이하에서는 주로 알루미나이징에 관하여 설명하지만, 이러한 내용은 다르게는 적절하게 변경을 가하여 크로마이징 및(또는) 실리코나이징에 적용될 수 있는 것으로 이해해야 한다.
다른 방법은 예를 들면 MCrAlY, MCrAlHf, MCrAlYHf, MCrAlYHfSi 및 MCrAlTaY(여기서 M은 Co 또는 Ni 또는 Fc 또는 이들의 혼합물임)의 오버레이로 초합금을 피복시키는 것이다. Y, Si 또는 Hf의 첨가는 표면으로부터의 Al2O3의 박리를 막는데 도움을 주어서 부품의 수명을 연장시킨다. 이들 물질은 플라즈마 분무법에 의해 또는 본 출원인의 영국 특허 공고 제2 167 446호에 기재되어 있는 방법과 같은 동시 전착법에 의해 도포될 수 있다. 부품에 이들 물질을 피복하여 두께가 75 내지 200 μm 이상인 층을 생성시키는 것이 일반적이다. 피복 공정은 비용이 많이 들지만, 상기한 치수의 두께로 부품을 피복시키면 부품이 비용에 상응하는 긴 수명을 갖게 된다.
상기한 치수의 두께를 갖는 층의 문제점은 현대적인 가스 터어빈일 수록 가동시의 조건이 점차적으로 보다 극한적이므로 열에 의한 기계적 피로 균열이 일어나기 쉽다는 것이며, 이것은 코팅이 특히 터어빈 블레이드와 같은 벽이 얇은 중공 초합금 부품에 도포된 경우 코팅의 균열은 블레이드 파괴를 초래할 수 있기 때문에 매우 바람직하지 않다.
미합중국 특허 제4,897,315호에는 단결정 Ni 기재 초합금 상에 0.001 인치 (25.4 μm) 두께의 NiCoCrAlY층을 플라즈마 분무시키는 방법이 개시되어 있다. 플라즈마 용착 후, 코팅을 유리 비이드 피이닝(peening)시키고, 팩 시멘테이션 혼합물로 알루미나이징시키고, 최종적으로 확산 및 침전 열 처리 단계를 수행한다. 상기 특허 명세서에는, MCrAlY 코팅을 도포하는 바람직한 방법은 플라즈마 분무법에 의한 것이라고 표시되어 있지만, 또한 MCrAlY는 예를 들면 플라즈마 분무법, 전자 빔 증발법, 전기도금법, 스퍼터링법 또는 슬러리 용착법으로 도포할 수 있다고 개괄적으로 설명되어 있다. 선행 기술에서 피이닝 조작을 한 이유는 용착된 상태의 MCrAlY가 특별히 매끈하지 않기 때문인 것으로 생각된다.
비록 미합중국 특허 제4 897 315호에서 MCrAlY을 용착시키는 다른 방법도 언급하고 있지만 우수한 내부식성과 온도 순환에 대한 우수한 복원력을 모두 갖는 코팅을 제조할 수 있는 어떠한 특정 방법도 알려져 있지 않다. 공지되어 있는 도금 방법은 모두 너무 다공질이어서 일부 구간에서 두께 조절이 제대로 되지 않거나 또는 온도 순환 조건 하에서 균열을 일으키기 쉬운 코팅을 생성시킨다.
본 출원인의 영국 특허 공고 제2 254 338호에서 본 출원인들은 3 mA/cm2의 전류 밀도 및 70 g/l의 전조(電槽) 분말 농도로 24시간 동안 CoCrAlY를 동시 전착시켜 50 내지 125 μm 두께의 코팅을 형성시키는 방법을 발표하고 있다. 비록 영국 특허 공고 제2 254 338호에 기재한 도금 파라미터 중 일부가 본 발명을 예시하기 위해 하기하는 실시예에 사용된 파라미터들과 유사한 크기를 갖지만, 그 차이가 실제로 제조되는 코팅의 구조에 중요한 영향을 미치는 것으로 생각된다. 영국 특허 공고 제2 254 338호는 구체적으로는 복잡하거나 급작스럽게 변하는 형체의 코팅 문제를 극복하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 본 발명이 해결하려고 하는 문제점과 동일한 문제점을 해결하기 위한 것은 아니다.
본 발명은 선행 기술의 문제점을 완화시키는 것을 목적으로 하며, 구체적으로는 모든 구간에서 두께 조절이 양호하면서 비다공질이고 매끈하며, 온도 순환 환경 하에서 쉽게 균열을 일으키지 않는 코팅을 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 제1면에 따르면, CrAlM2(여기서 M2는 Y, Si, Ti, Hf, Ta, Nb, Mn, Pt 및 희토류 원소로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 원소임) 입자를 함유하는 전조 (bath)로부터 금속 매트릭스 M1(여기서 M1은 Ni 또는 Co 또는 Fe, 또는 이들 원소들 중 2종 또는 이들 원소 모두임)을 3 mA/cm2미만의 전류 밀도에서 상기 CrAlM2입자가 상기 금속 매트릭스 M1과 동시 전착되도록 전해 용착시킴으로써 용착시키는 것을 포함하는, 기재 상에 코팅을 형성시키는 방법이 제공된다.
본 발명의 제2면에 따르면, CrAlM2(여기서 M2는 Y, Si, Ti, Hf, Ta, Nb, Mn, Pt 및 희토류 원소로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 원소임) 입자를 함유하는 전조로부터 금속 매트릭스 M1(여기서 M1은 Ni 또는 Co 또는 Fe, 또는 이들 원소들 중 2종 또는 이들 원소 모두임)을 5 mA/cm2미만의 전류 밀도에서 상기 CrAlM2입자가 상기 금속 매트릭스 M1과 두께가 50 μm 미만인 층의 형태로 동시 전착되도록 전해 용착시킴으로써 용착시키는 것을 포함하는, 기재 상에 코팅을 형성시키는 방법이 제공된다.
본 발명의 제3면에 따르면, CrAlM2(여기서 M2는 Y, Si, Ti, Hf, Ta, Nb, Mn, Pt 및 희토류 원소로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 원소임) 입자를 함유하는 전조로부터 금속 매트릭스 M1(여기서 M1은 Ni 또는 Co 또는 Fe, 또는 이들 원소들 중 2종 또는 이들 원소 모두임)을 5 mA/cm2미만의 전류 밀도 및 입자의 전조 투입량 40 g/l 미만에서 상기 CrAlM2입자가 상기 금속 매트릭스 M1과 동시 전착되도록 전해 용착시킴으로써 용착시키는 것을 포함하는, 기재 상에 코팅을 형성시키는 방법이 제공된다.
상기 본 발명의 각 면에서 특징으로 언급하지는 않았지만, 상기 방법을 3 mA/cm2미만의 전류 밀도에서 행하는 것이 바람직하다. 마찬가지로, 매트릭스 물질과 입자가 두께가 50 μm 미만인 층의 형태로 동시 전착되는 것이 바람직하고, 마찬가지로 입자의 전조 투입량 50 g/l 미만에서 용착을 행하는 것이 바람직하다.
본 발명에서, 본 출원인들은 비교적 낮은 전류 밀도가 피복 방법에서 특히 중요한 파라미터임을 발견하였다. 본 발명 이전에는 대부분의 도금 방법에서 전류 밀도가 특히 중요한 것으로 생각되지는 않았으며, 중요하게 생각된 경우에도 상당히 높은 전류 밀도에서 도금하는 것이 바람직하다고 생각되었다(예를 들면, 50 내지 80 mA/cm2의 전류 밀도를 사용하여 100 μm/h 내지 150 μm/h의 높은 용착 속도를 편리하게 달성하였다고 기재한 미합중국 특허 제5 064 510호 참조).
당업계에서는 비교적 낮은 전류 밀도를 사용하는 것에 대한 편견이 있다는 것을 알 수 있으며, 그 이유는 정확히 알려져 있지 않지만, 낮은 전류 밀도에서는 피복 공정이 보다 느리므로 총 비용에 나쁜 영향을 미치기 때문이라고 설명할 수 있겠다.
본 발명에서는, 2.5 mA/cm2미만의 전류 밀도를 더욱 선호한다. 몇몇 경우에서는 약 2 mA/cm2미만의 전류 밀도가 더욱 바람직하며, 한 예로서 약 1 mA/cm2의 전류 밀도를 사용한다.
본 발명에서 사용되는 비교적 낮은 전류 밀도에서는, 용착되었을 때의 코팅상의 입자 구성이 보다 작은 크기의 입자가 우선적으로 포함된다(예를 들면, 15 μm 미만의 분말을 사용하였을 때 10 μm보다 큰 입자가 10 μm보다 작은 입자만큼 우선적으로 포함되지 않음)는 점에서 전조 내에서의 구성과는 상이하게 되는 경향이 있음을 발견하였다. 이것은, 패러데이의 법칙(Faraday's law) 및 스토우크스의 방정식(Stokes' equation)에 기초한 이론(Transactions of the Institute of Metal Finishing, "The Production of Multi-Component Alloy Coatings by Particle CoDeposition" 제목의 포스터(J. Foster) 등의 논문, pp.115-119, Vol.63, No. 3-4, 1985년 참조)에서 적절한 전류 밀도 및 교반 조건을 사용한다고 가정하였을 때, 용착된 상태의 코팅내에 특정 비율의 분말이 포함되도록 하기 위해서는 입자 크기가 클 수록 보다 작은 전조 투입량이 필요하기 때문에 특히 놀라운 것이다. 따라서 누구나 보다 큰 입자가 우선적으로 도금될 것으로 예측할 것이나, 본 발명자들은비교적 낮은 전류 밀도에서는 이와 반대되는 상황이 일어난다는 것을 발견하였다. 실제로 일어나는 이러한 현상이 적어도 부분적으로는 본 발명에서 얻을 수 있는, 선행 기술의 문제점들을 극복한 우수한 코팅의 원인인 것으로 생각된다.
한 실시태양에서, M1은 Co를 포함한다. 이것은 특히 매끈한 코팅을 촉진시키는데 도움을 준다. 코팅 중에 Ni가 존재하는 것이 바람직할 경우, Ni 플래시를 동시 전착된 물질의 상부에 또는 동시 전착 단계 전에 바로 기재 상으로 전기도금 할 수 있다. Ni 플래시의 두께는 약 5 μm일 수 있다.
금속 매트릭스 물질과 입자가 동시 전착되어 두께 25 μm 미만의 층을 형성하는 것이 바람직하다. 특히 바람직한 실시태양에서는, 층의 두께가 약 15 μm일 수 있다. 그러나, 층의 두께가 15 μm 미만일 수도 있으며, 예로서는 약 12 또는 10 μm(또는 그 미만)를 들 수 있다. 대부분의 용도에서 층의 두께가 5 μm 이상인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 층의 두께가 10 μm 이상이다. 그러나, 일부 용도로는 층의 두께가 15 μm 이상일 수 있다.
상기한 바와 같이, 입자의 전조 투입량이 40 g/l 미만에서 용착을 수행하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 입자의 전조 투입량을 약 30 g/l 또는 30 g/l 미만으로 사용한다. 더욱 더 바람직하게는, 약 20 g/l 또는 20 g/l 미만의 투입량을 사용하였다. 특히 바람직한 실시태양에서는, 약 10 g/l의 전조 투입량을 사용하였지만, 그보다 낮은 투입량, 예를 들면 약 1 g/l를 시도할 수 있다. 이렇게 비교적 낮은 전조 투입량은 용착된 코팅이 다공질 방식으로 구성되지 않고 거칠게되지 않는 것을 보장한다.
입자는 구형일 수 있고, 노즐 분무기와 같은 분무기를 사용하여 형성될 수 있다.
바람직하게는 전조 내의 입자는 15 μm 미만, 12 μm 미만 또는 10 μm 미만의 분말로 이루어진다.
바람직한 한 실시태양에서, 전조 중의 입자 분포는 15 내지 12 μm 25 %, 12 내지 10 μm 45 %, 및 10 μm 미만 30 %로 이루어진다. 본 발명자들은 예상밖으로 놀랍게도 비교적 낮은 전류 밀도에서의 도금은 작은 입자가 기재 상에 우선적으로 용착되도록 하고, 상기한 전조 내 분포를 갖는 분말을 사용하였을 때, 10 μm 미만 45 %, 10 내지 12 μm 55 % 및 12 내지 15 μm 0 %(용착 금속 중의 분말량의 중량%)의 분포를 갖는 용착된 상태의 코팅이 얻어짐을 발견하였다.
이러한 세분 단계를 포함하는 방법으로 우수한 코팅을 얻을 수 있으며, 바람직하게는 세분 단계는 동시 전착 단계 중에 포함된다.
한 실시태양에서, 입자들의 단일층 또는 2중층만을 포함하는 보호 물질층이 동시 전착된다. 예를 들면, 입도가 15 μm 미만인 분말을 전조 중에 현탁시켰을 때 세분 단계에 의하여 필요에 따라 실질적으로 연속적인 12 또는 10 μm 입자의 단일층(용착된 상태의 최대 입자의 크기가 각각 12 또는 10 μm임)을 얻을 수 있지만, 실제로는 주어진 소정의 두께를 갖는 코팅을 얻고자 하는 경우 이러한 소정의 두께보다 큰 입도를 갖는 분말을 사용하기란 쉽지 않은 일이다. 다른 바람직한 방법에 있어서, 필요에 따라 실질적으로 10, 12, 15 또는 20 μm 두께의 2중층 또는 3중층을 제공하기 위하여 4 내지 8 μm 분말을 사용할 수 있다.
한 실시태양에서, 동시 전착되는 물질이 도포되는 기재는 가스 터어빈의 부품을 구성할 수 있는 초합금 부품을 포함한다. 다른 실시태양에서, 동시 전착되는 물질은 초합금 부품의 표면 상에 도금된 Ni 플래시(예를 들면 2 μm 두께)의 상부에 도포될 수 있다.
동시 전착 후, 동시 전착된 물질은 40 %(부피 기준) 이상의 입자로 구성될 수 있고, 일부 용도에서는 45 %를 초과할 수 있다.
동시 전착 과정 동안, 공기 또는 불활성 기체와 같은 가스를 소정의 위치에서 전조 내로 도입시켜, 용액 내에 한 구역에서는 일반적으로 위쪽으로, 그리고 제2 구역에서는 일반적으로 아래쪽으로 향하는 순환을 일으키고, 기재는 동시 전착 동안 제2 구역 내에 위치시킬 수 있다. 기재(또는 기재를 일부로 하는 부품)은 동시 전착 동안 수평이거나 또는 수평 성분을 갖는 축 주위로 회전시킬 수 있다. 본 출원인들의 영국 특허 공고 제2182055호에 기재한 바와 같은 전착 장치를 사용할 수 있다.
몇몇 경우, 기재를 수평 성분을 갖는 제1 축 주위로 회전시키고, 기재를 제1 축과 평행하지 않는 제2 축 주위로 회전시키는 것이 바람직할 수 있다. 제1 축 주위의 회전 주기는 보다 높은 각속도를 갖는 시기 및 보다 낮은 각속도를 갖는 시기를 포함할 수 있다. 제2 축은 제1 축과 수직이고(이거나) 교차할 수 있다. 제1 축 주위의 회전 주기는 번갈아 정지 및 진행하는 것일 수 있다. 기재를 수평 성분을 갖는 한 개의 축 주위로만 회전시킬 경우, 회전 주기는 보다 높은 각속도를 갖는시기 및 보다 낮은 각속도를 갖는 시기를 포함할 수 있고, 회전은 또한 번갈아 정지 및 진행하는 것일 수 있다. 기재의 조작은 본 출원인의 영국 특허 공고 제2221921호에 기재된 방법에 따를 수 있다.
가장 바람직한 실시태양에서, 동시 전착되는 물질은 후속적으로 예를 들면 팩 또는 증기상 알루미나이징에 의해 알루미나이징된다. 동시 전착과 알루미나이징 사이에 전확산 열 처리를 포함시킬 수 있다. 알루미나이징 단계 후에 후확산 열 처리를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 시효 경화 단계가 이어진다.
백금 용착 단계를 알루미나이징 전 또는 후에, 바람직하게는 전에 포함시킬 수 있다. 백금 용착 단계는 바람직하게는 동시 전착된 물질의 상부에 (5 내지 10 μm 두께의 영역으로) 백금층을 도금하는 것을 포함한다. 전확산 단계는 바람직하게는 동시 전착된 물질(및 경우에 따라서는 존재하는 경우 백금층)을 진공 중에서 약 1시간 동안 1000 내지 1100 ℃의 온도에 두는 것을 포함한다. 팩 알루미나이징 방법을 사용할 경우, 이 공정은 바람직하게는 약 900 ℃에서 약 6 시간 동안 이루어진다. 후확산 단계는 바람직하게는 알루미나이징된 코팅을 진공 중에서 약 1시간 동안 약 1100 ℃의 온도에 두는 것을 포함한다. 시효 경화 단계는 바람직하게는 후확산된 코팅을 진공 중에서 약 16시간 동안 약 870 ℃의 온도에 두는 것을 포함한다.
한 바람직한 방법은 실질적으로 15 μm 두께의 동시 전착된 물질층을 기재에 도포한 다음 알루미나이징 또는 백금 알루미나이징 및 열 처리를 행하는 것이다. 열 처리 후, 초합금 상의 코팅 물질의 총두께는 바람직하게는 75 μm 미만이다.
기재는 가스 터어빈 부품의 가스 세척한 기재, 예를 들면 블레이드의 에어로 포일, 루트 또는 보호판부일 수 있다.
동시 전착된 물질을 상기한 바와 같이 알루미나이징 또는 백금 알루미나이징시키는 데 더하여, 또는 이들의 별법으로서, 예를 들면 주상 물질로 된 열 장벽층을 최종층으로서 용착시킬 수 있다. 열 장벽은 세라믹 물질, 예를 들면 이트리아로 안정화된 지르코니아를 포함할 수 있다.
본 발명의 제4면에 따르면, 본 발명의 제1, 제2 및 제3면 중의 일면 이상에 따른 부품인 기재를 코팅하는 것을 포함하는, 가스 터어빈 부품의 제조 또는 정비방법이 제공된다.
본 발명의 제5면에 따르면, 본 발명의 제4면에 따라 제조되거나 또는 정비된 부품을 포함하는 가스 터어빈 또는 가스 터어빈 부품이 제공된다.
본 발명의 제6면에 따르면, 본 발명의 제5면에 따른 가스 터어빈을 포함하는 운행체 또는 고정 설비가 제공된다. 본 발명의 제6면에 따른 운행체는 예를 들면 항공기, 수상 운행체 또는 육상 운행체를 포함할 수 있다.
본 발명은 여러 가지의 방법으로 수행할 수 있지만, 이제 한 가지의 피복 방법을 예로서 수반되는 도면을 참고로 하여 설명하고자 한다.
제1도는 코팅 장치의 투시도이다.
제2도는 상기 장치의 측면도이다.
제3도는 상기 장치의 정면도이다.
제4도는 도금하고자 하는 물품을 매다는 지그의 투시도이다.
도면에 나타낸 장치는 평행 배관된 형태의 상부(2)와, 측면(4)가 상부의 한측면(5)와 이어지도록 비스듬하게 된, 아래쪽으로 초살형인 역 피라미드형의 하부(3)을 갖는 용기 또는 콘테이너(1)을 포함한다.
용기(1)은 용기의 측면(4 및 5)와 평행한 수직면내에 놓여지고 그의 연부(7 및 8)이 용기의 인접하는 수직 및 경사진 면과 접촉하는 격벽(6)을 함유한다. 따라서 격벽은 용기를 보다 큰 작업 대역(9) 및 보다 작은 귀환(return) 대역(11)로 나눈다. 격벽(6)의 저부는 용기의 저부 위에서 수평의 연부(12)로 끝남으로써 작업 대역(9) 및 귀환 대역(11) 사이에 중간부(13)을 제공한다. 격벽(6)의 상부는 용기(1)의 상부 연부 아래에서 수평의 연부(14)로 끝난다.
귀환 대역(11)의 저부에는 공기 펌프(나타나 있지 않음)에 연결된 공기 유입구(15)가 있다. 작업 대역(9)에 장착된 것은 피복시키고자 하는 공작물이 그 위에 장착되는 지그(21)로서, 지그(21)은 공작물을 용기 내에서 이하 보다 상세하게 설명되는 방식으로 이동시키도록 배치된다.
이 장치를 전해 도금에 사용하는 경우, 작업 대역 중에 현탁되는 양극에 대하여 지그(21) 상에 장착된 공작물에 전압을 인가하기 위하여 전선이 제공된다.
공작물 상에 코팅을 동시 전착시키기 위해 상기 장치를 사용하는 경우에는, 공작물을 도시한 바와 같이 용기 중에 위치하는 지그(21) 상에 장착시킨다. 지그가 위치하기 전 또는 후에, 용기를 격벽(6)의 상부 연부(14) 위의 레벨 (17)까지 동시 전착될 입자를 함유하는 도금액으로 충전시킨다. 공기를 유입구(15)로 들여보내면, 이것이 귀환 대역(11)을 상승시켜 용액 및 동반된 입자들을 상승시킨다. 귀환 대역의 상부에서는 공기가 빠져 나가 용액 및 입자들이 격벽의 상부 연부(14)에 의해 형성된 넓은 꼭대기의 위어(weir) 위로 흘러 지그(21) 상의 공작물을 지나 아래로 흐른다. 작업 대역(9)의 저부에서는 입자가 침강하여 용기의 경사진 면을 따라 중간부(13)을 향해 아래로 미끌어지기 쉽고, 중간부에서는 입자들이 다시 용액 중에 동반되어 다시 순환되도록 운반된다.
작업 대역(9)에서 아래쪽으로 이동하는 입자가 공작물과 만날 때, 입자는 공작물 상에 침강하기 쉬워 공작물 상에서 동시에 도금되는 금속 내에 매립되게 된다.
제4도에 도시하고, 본 출원인의 영국 특허 공고 제2 254 338호에서 기재한 바와 같이, 피복시키고자 하는 공작물을 용기 (1) 중에 현수되는 제4도에 도시한 지그(21) 상에 장착시킨다. 지그를 제2 및 3도에서는 단순화시켜 도시하였지만 제1도에서는 명료하게 하기 위하여 생략하였다. 지그(21)은 용기(1)의 상부 위에 들어맞는 데크(22), 한 단부 쪽에 매달린 기둥(23) 및 다른 단부에 매달린 한 쌍의 가이드(24)를 포함한다. 가이드(24)는 데크(22) 내의 홀(27)을 통해 위쪽으로 이동하여 가역적 전기 모터(29)에 의해 구동되는 피니언(28)과 맞물리는 수직 랙(26)을 운반하는 크로스 헤드(25)가 그 안에서 활주하는 대향 안내면을 갖는다. 데크(22)는 기둥(23) 내에 장착된 스핀들(35)의 한 단부에 고정된 크라운 휘일(34)와 맞물리는 베벨 피니온(33)을 운반하는 수직 샤프트(32)를 구동시키는 제2 전기 모터(31)을 지탱한다. 스핀들(35)의 다른 단부는 보편적인 조인트(36)에 의해 샤프트(37)의 한 단부와 연결되고, 샤프트(37)의 나머지 단부는 크로스 헤드(25) 내의구형 베어링(38)에 의해 운반된다.
샤프트(37)은 그들에 단단하게 결합되어 있는 다수개의 스퍼어를 운반하는데, 제4도에서는 단지 1개의 스퍼어(39)만을 도시하였다. 스퍼어(39)는 샤프트(37)의 축을 함유하는 평면내에서 연장되고, 스퍼의 장방향 축은 샤프트(37)의 축과 각 α를 이룬다. 피복시키고자 하는 3개의 가스 터어빈 블레이드(42)가 스퍼어(39) 상에 이격되어 장착되어 있으며, 블레이드의 장방향 축은 블레이드의 장방향 축이 샤프트(37)의 축과 (90-α)°의 각을 이루도록 스퍼어(39)의 장방향 축과 수직인 평면 내에서 연장된다.
전자 모터 제어기(43)을 데크(22) 상에 장착시키고, 선로(44 및 45)로 모터(29 및 31)과 연결시킨다. 제어기(43)은 샤프트(37)을 공칭 수평축(x축) 주위로 회전시키도록 정지를 갖고 모터(31)을 한 방향으로 구동시키도록 디자인된다. 제어기(43)은 다르게는 모터(29)를 반대 방향으로 구동시켜 크로스 헤드(25)를 왕복운동시켜 x축 주위로의 회전 상에 보편적인 조인트(36) 내에서의 회전축(y축) 주위의 진동 회전을 겹쳐놓도록 디자인된다.
모터(29 및 31)에 의해 실행되는 주기의 파라미터 및 각 α는 피복시키고자 하는 공작물을 피복시키고자 하는 모든 표면이 충분한 시간 동안 일반적으로 위쪽을 향하도록 하여 용착될 때 도금된 금속 내에 포함될 하강하는 입자들의 적당한 투입량을 받을 수 있도록 선택된다. 이제 코팅의 한 특정예 및 이의 제조 방법을 실시예를 통해 설명한다.
실시예
한 단부에 루트부(44) 및 다른 단부에 보호판부(45)를 갖는 에어로포일 단면(43)을 갖는 가스 터어빈 블레이드(42) 상에 코팅을 형성시키는데, 이 때 루트 및 보호판의 플랫포옴은 모두 에어로포일부의 축과 약 70 °의 각으로 연장되고, 루트부 및 보호판부는 블레이드를 그의 일부로 하는 링의 원주와 각각 30 ° 및 40 °로 연장되는 단면을 갖는다. 이러한 형태의 블레이드의 경우 각 α는 70 °이다.
블레이드의 에어로포일 및 플랫포옴부 상에 18,32 중량%의 Cr, 8.25 중량%의 Al, 0.457 중량%의 Y 및 나머지 양의 코발트를 함유하는 코팅을 형성시키기로 하였다. 이러한 코팅을 제조하기 위하여, 전조에 CoSO4·7H2O 400 g/l, NaCl 15 g/l 및 붕산 H3BO320 g/l를 함유하는 코발트 도금액을 채웠다. 전조를 45 ℃의 온도 및 pH 4.5로 유지시켰다. 5 내지 12 μm의 입도 분포를 갖고, 크롬 67.8 중량%, 알루미늄 30.1 중량% 및 이트륨 1.7 중량%를 함유하는 분말을 전조에 10 g/l의 농도로 투입하였다. 분말의 입도 분포(% 단위)는 다음과 같다: 0 내지 2 μm 0.01, 2 내지 4 μm 0.05, 4 내지 6 μm 0.13, 6 내지 8 μm 4.43, 8 내지 10 μm 43.61, 10 내지 12 μm 51.77.
코팅시키기 전에, 루트 및 보호판부의 도금하지 않을 부분에 왁스 마스크를 가하고 나머지 표면을 코발트 도금에 적절한 종래의 제제를 처리하였다.
블레이드를 그의 축(제4도 참조)이 수평인 지그의 x축과 20°가 되도록 지그(50)에 고정시켰다. 도금 동안 지그의 x축은 3분의 주기로 x축에 수직인 y축 주위로 + 및 - 25 °로 진동된다. 동시에, 지그를 완전히 회전하는데 10분이 걸리는 주기로 한 방향으로 x축 주위로 360 °에 걸쳐 회전시켰다. 그러나, x 축 주위로의 회전은 3초 동안의 진행 기간과 10초 동안의 정지기가 반복되어 단속적이다.
도금은 1.5 A/cm2의 전류 밀도에서 실질적으로 12 미크론의 두께를 갖는 코팅을 생성시키기에 충분한 시간 동안 수행한다.
에어로포일부 및, 루트 및 보호판 플랫포옴을 덮고 함유된 분말의 중량비가 0.27인 우수한 품질의 코팅이 제조되었다.
보다 작은 입자가 우선적으로 도금되었으며, 용착된 상태의 입자 중 크기가 12 μm보다 큰 입자는 실질적으로 없었고, 보다 큰 입자들(즉, 12 내지 15 μm의 입자들)은 도금액 중에 남아있었다. 피복된 블레이드를 지그로부터 분리한 후 마스킹을 제거하였다.
이어서 피복된 표면 위에 10 μm의 백금 용착 금속을 전기 도금시키고, 진공중에서 1시간 동안 1000 내지 1100 ℃에서 전확산시키고, 900 ℃에서 6시간 동안 팩 알루미나이징시키고, 진공 중에서 1시간 동안 1100 ℃에서 후확산시키고, 진공 중에서 16시간 동안 870 ℃에서 시효 경화시킴으로써 피복된 표면을 백금 알루미나이징 시킬 수 있다. 팩 알루미나이징 단계는 예를 들면 유럽 특허 공개 제0024802호에 기재된 바와 같이 압력을 주기적으로 변화시키는 방법으로 될 수 있다.
팔라듐 또는 루테늄을 백금 대신 또는 백금과 함께 사용할 수 있다.
특히 바람직한 M2원소는 Y, Hf, 및 Si이다.
본 발명에 따라 제조된 코팅은 양호한 내산화성 및 열 피로 내성을 갖는다.

Claims (9)

  1. CrAlM2(여기서, M2는 Y, Si, Ti, Hf, Ta, Nb, Mn, Pt 및 희토류 원소로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 원소임) 입자를 함유하는 전조(bath)로부터 금속 매트릭스 M1(여기서, M1은 Ni, Co 및 Fe로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 원소임)을 3 ㎃/㎠ 미만의 전류 밀도에서 상기 CrAlM2입자가 상기 금속 매트릭스 M1과 함께 동시 전착되도록 전해 용착에 의해 용착시키는 것을 포함하는, 기재 상에 보호 코팅을 형성시키는 방법.
  2. CrAlM2(여기서, M2는 Y, Si, Ti, Hf, Ta, Nb, Mn, Pt 및 희토류 원소로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 원소임) 입자를 함유하는 전조로부터 금속 매트릭스 M1(여기서, M1은 Ni, Co 및 Fe로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 원소임)을 5 ㎃/㎠ 미만의 전류 밀도에서 상기 CrAlM2입자가 상기 금속 매트릭스 M1과 함께 두께가 50 ㎛ 미만인 층의 형태로 동시 전착되도록 전해 용착에 의해 용착시키는 것을 포함하는, 기재 상에 보호 코팅을 형성시키는 방법.
  3. CrAlM2(여기서, M2는 Y, Si, Ti, Hf, Ta, Nb, Mn, Pt 및 희토류 원소로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 원소임) 입자를 함유하는 전조로부터 금속 매트릭스 M1(여기서, M1은 Ni, Co 및 Fe로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 원소임)을 5 ㎃/㎠ 미만의 전류 밀도에서 40 g/ℓ 미만의 입자 전조 투입량으로 상기 CrAlM2입자가 상기 금속 매트릭스 M1과 함께 동시 전착되도록 전해 용착에 의해 용착시키는 것을 포함하는, 기재 상에 보호 코팅을 형성시키는 방법.
  4. 제1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전조 내의 입자가 15 ㎛ 미만의 분말을 포함하는 방법.
  5. 제1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 매트릭스와 상기 입자를 동시 전착시키는 동안 입자의 단일층 또는 2중층이 용착되는 방법.
  6. 제1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서, 동시 전착된 물질을 알루미나이징, 크로마이징 또는 실리코나이징하는 것을 더 포함하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 동시 전착된 물질의 상부에 5 내지 10 ㎛ 두께의 백금층을 도금하는 것을 더 포함하는 방법.
  8. 제1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서, 기재 상에 15㎛ 두께의 상기 금속매트릭스와 상기 입자층을 동시 전착시키고, 상기 동시 전착된 물질을 알루미나이징, 크로마이징 또는 실리코나이징시키고, 열처리하는 것을 포함하며, 상기 열처리를 상기 알루미나이징, 크로마이징 또는 실리코나이징 전에 실시하는 경우에는 상기 열처리는 상기 동시 전착된 물질을 진공 하에 1,000 내지 1,100℃에서 1 시간 동안 두는 것을 포함하고, 상기 열처리를 상기 알루미나이징, 크로마이징 또는 실리코나이징 후에 실시하는 경우에는 상기 열처리는 상기 동시 전착된 물질을 진공하에 1,100℃에서 1 시간 동안 두는 것을 포함하고, 상기 열처리 후의 기재 상의 코팅 물질의 두께는 75 ㎛ 미만인 방법.
  9. 제1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서, 기재가 가스 터어빈 샤프트, 링 (ring), 디스크, 연소통, 고정자 블레이드, 회전자 블레이드, 안내 날개, 가스 터어빈 블레이드 에어로포일 단면, 가스 터어빈 블레이드 루트부 및 가스 터어빈 블레이드 보호판부로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 방법.
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