KR100626777B1

KR100626777B1 - 초합금 제품과 그 위에 코팅을 형성하는 장치 및 방법

Info

Publication number: KR100626777B1
Application number: KR1019990028349A
Authority: KR
Inventors: 말로니마이클제이
Original assignee: 유나이티드 테크놀로지스 코포레이션
Priority date: 1998-07-17
Filing date: 1999-07-14
Publication date: 2006-09-22
Also published as: EP0972853B1; EP0972853A1; DE69903503D1; JP2000160324A; JP2000144388A; UA63933C2; SG71925A1; KR20000011701A; DE69903503T2

Abstract

개선된 단열 코팅을 갖는 제품이 개시되어 있다. 이 제품은 초합금 기재와, 이 기재의 표면상에 생성된 부착성 알루미늄 층을 구비하고 있다. 또한 이 제품은 원주상 입자를 형성하는 세라믹 물질 층을 더 구비하고 있으며 또한 알루미늄 층 위에는 단열 코팅이 형성되어 있다. 이 코팅은 산화 이트륨과 산화 세륨, 바람직하게는 적어도 약 5중량%의 산화 이트륨과 그 나머지는 산화 세륨으로 이루어진 것과 같은 두개의 물질의 대체로 균질한 혼합물로 구성된다. 이 제품은 또한 단열 코팅의 부착을 향상시키기 위하여 산화 이트륨 보강된 산화 지르코늄의 층과 같은 중간의 세라믹 결합제 코팅도 구비하고 있다. 이 제품을 제조하기 위한 관련 장치 및 방법도 역시 개시되어 있다.

Description

초합금 제품과 그 위에 코팅을 형성하는 장치 및 방법{ARTICLE HAVING A DURABLE CERAMIC COATING AND APPARATUS AND METHOD FOR MAKING THE ARTICLE}

도 1은 본 발명에 따른 TBC를 갖는 제품의 단면도

도 2는 본 발명에 따른 TBC를 생성하기 위한 도가니를 구비하는 장치의 개략도

도 3a 및 도 3b는 도 2의 도가니의 다른 도면

도 4는 산화 이트륨과 산화 세륨의 상태도

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

12: 기재 14: 금속 결합제 코트

16: 산화 알루미늄 층 18: TBC

28: 건 29: 전자 빔

30: 도가니 32: 캐루셀

본 발명은 단열 코팅(thermal barrier coating: TBC)에 관한 것으로, 특히 세라믹 TBC를 갖는 제품과, 그러한 제품을 제조하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

전자빔을 이용한 물리적 증착법(EB-PVD)은 기재 및 다른 성분을 원주상 입자 코팅의 얇은 층으로 코팅하기 위한 방법중 하나로서, 보통은 낮은 가스 압력으로 유지되는 밀봉 챔버내에서 수행되는 것이다. 세라믹 TBC를 초합금으로 제조된 기재에 도포하는 것이 공지되어 있는데, 예를 들면 원주상 입자 세라믹 단열 코팅을 개시하는 스트랭맨(Strangman)의 미국 특허 제 4,321,311 호와; 원주상 입자 세라믹 TBC를 제조하기 위한 방법을 개시하는 스트랭맨의 미국 특허 제 4,405,649 호와; 내구성 있는 세라믹 TBC를 갖는 금속 제품을 제조하기 위한 방법을 개시하는 울리온(Ulion) 등의 미국 특허 제 4,405,660 호와; 세라믹 코팅을 도포하기 위한 EB-PVD 방법을 개시하는 기깅스(Giggins) 등의 미국 특허 제 5,087,477 호가 있다.

EB-PVD중에는 전자 빔이 예를 들면 소정 물질의 막대 또는 봉과 같이 고상으로 제공된 코팅 표적상에 충돌한다. 표적은 냉각되어 있는 보통 중공형 실린더의 형태의 도가니내에 유지된다. 빔은 표적의 노출 단부를 가열하여, 표적 물질의 용융 풀(pool)을 형성한다. 이 물질은 증발하여 증기 또는 증발물이 챔버내로 퍼지면 기재의 표면상에서 응결되어 코팅을 형성하게 된다. 그러한 표적/코팅 물질중의 하나가 산화 이트륨 안정화된 산화 지르코늄(yttria stabilized zirconia: YSZ)인데, 이것은 구성물의 증기 압력이 유사하다는 특성을 갖는다. 따라서 구성물은 유사한 비율로 증발하는 경향이 있으며, 생성된 TBC의 조성물은 표적의 조성물에 대응한다.

TBC의 일반적인 목적은 물론 구성요소로의 열 흐름을 감소시켜서 기재를 보호하는 것이다. 항공기 응용예에 있어서 특히 제 1 의 여러개의 터빈 단과 관련하여 터빈 블레이드와 베인은 2500-3000℉(1371.1-1648.9℃)까지의 가스 온도를 받으며, 이 온도는 그 아래에 놓여 있는 기재의 융점보다 높다. 그러므로, TBC는 낮은 열 전도율을 가져야만 하며, 보통 구성요소는 냉각되어야 한다. 그러나 구성요소에 냉각 공기를 제공하면 터빈의 작동 효율이 감소된다.

공지되어 있는 표적/코팅 물질중 하나가 산화 이트륨 안정화된 산화 지르코늄(YSZ)인데, 이것은 구성물의 증기 압력이 유사하다는 특성을 갖는다. 따라서 구성물은 가열시 유사한 비율로 증발하는 경향이 있으며, 생성된 TBC의 조성물은 표적의 조성물에 대응한다. EB-PVD 방법으로 도포된 약 7중량%를 갖는 7YSZ, YSZ이 대략 실온 내지 약 2200℉(1024.4℃)에서 약 15-20 Btu-in./(hr-ft²-℉) 또는 2-2.5W(m-℃)의 상대적으로 일정한 열 전도율을 갖는다. 그것의 열 전도율은 온도의 증가에 따라 증가하는 경향이 있다. YSZ이 오랜 기간동안 만족스러운 TBC로서의 역할을 하고 있지만, 보다 낮은 열 전도율을 갖는 TBC가 소망된다.

보다 낮은 열 전도율을 갖는 TBC는 항공기 및 다른 가스 터빈 응용예에 대하여 여러가지의 장점을 제공한다. TBC 두께 및 가스 온도가 일정하면 블레이드/베인 온도가 저하하여 블레이드/베인 수명이 연장된다. 코팅 두께 및 금속 온도가 일정하면 보다 높은 가스 온도가 가능해져서 효율이 향상된다. 가스 온도 및 금속 온도가 일정하면 코팅 두께를 보다 얇게 할 수 있어서, 회전하는 블레이드가 발휘하는 당김력을 대폭 감소시킬 수 있으므로 디스크를 보다 작고 가볍게 할 수 있으며, 또 크리프 수명을 증가시킬 수 있다. 더구나, 보다 두꺼운 코팅에 있어서의 열 응력은 TBC 손상에 기여한다고 생각되기 때문에 코팅이 보다 얇으면 코팅이 두꺼운 것보다 더 내구성이 크다고 생각된다. 전술한 것의 변경예, 예를 들면 약간 더 얇은 TBC의 적용 및 약간 더 높은 가스 온도에서의 동작이 또한 가능할 수도 있다.

열 전도율의 감소와 같은 향상된 특성을 갖는 TBC를 형성하기 위한 노력의 일환으로, 구성물의 다른 조합이 이용되었다. 바인(Vine) 등의 미국 특허 제 5,334,462 호는 세라믹 절연 물질 및 그것으로 제조된 절연 코팅을 개시하고 있다. 이 코팅 물질은 산화 이트륨 보강된 산화 세륨이다. 소량, 예를 들면 0.5 중량%의 산화 이트륨를 추가하면, 산화 세륨이 더욱 단단해져서 TBC로서 이용가능한 물질을 제공한다. 산화 이트륨 보강된 산화 세륨의 전술한 유익한 효과로 인하여, 산화 세륨내의 산화 이트륨의 고체 용해능력의 한계를 약 12 중량%까지, 심지어는 그 이상으로 증가시키는 것이 제안된 바 있다.

산화 이트륨과 산화 세륨의 표적 물질의 고체원을 이용한 EB-PVD 방법으로 도포된 이 물질의 시험예에 따르면 EB-PVD 방법이 표적에 필적하는 산화 이트륨의 비율을 갖는 TBC를 제공하지 못한다. 산화 세륨이 산화 이트륨보다 증기압이 높기 때문에, 형성된 TBC가 표적에 비해서 훨씬 낮은 산화 이트륨의 중량비를 갖는다고 생각된다. 바인 등의 특허에서 인식된 바와 같이, EB-PVD 방법을 이용할 때 표적에서의 산화 이트륨이 9 중량%이면 TBC는 단지 0.5 중량비의 산화 이트륨을 갖는다. 더구나 혼합 불가능한 구성물의 단일 표적원은 두개의 상이한 구성물 사이에 생성된 열 구배로 인하여 가열중 균열되는 경향이 있다.

게다가, TBC는 부식 저항을 갖는 것이 바람직하다.

본 발명의 일반적인 목적은 개선된 세라믹 TBC를 갖는 제품을 형성하는 것이다.

본 발명의 다른 일반적인 목적은 TBC를 형성하는 두개 이상의 증발물의 혼합물을 생성하기 위한 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 특정 목적은 공지된 TBC보다 열 전도율이 낮은 TBC를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 특정 목적은 증기 플럭스에서 구성물의 양을 조절할 수 있는 장치 및 방법을 제공하여, TBC의 구성물을 조절할 수 있게 하는 것이다.

본 발명의 또다른 특정 목적은 상당히 상이한 증기압을 갖는 물질, 예를 들면 산화 이트륨과 산화 세륨으로 구성된 TBC를 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 특정 목적은 산화 이트륨 및 산화 세륨과 같이 상당히 상이한 증기압을 갖는 구성물로 TBC를 형성하기 위한 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 산화 이트륨 및 산화 세륨으로 구성되고 비교적 많은 양의 산화 이트륨을 갖는 TBC를 형성하는 것에 관한 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따라, 초합금 제품이 개시된다. 이 제품은 초합금 기재와, 이 기재의 표면상에 생성된 부착성 알루미늄 층을 구비하고 있다. 또한 이 제품은 원주상 입자를 형성하는 세라믹 물질 층을 더 구비하고 있으며 또한 알루미늄 층 위에는 단열 코팅이 형성되어 있다. 이 코팅은 적어도 약 5중량%의 산화 이트륨과 그 나머지는 산화 세륨으로 구성된, 산화 이트륨 및 산화 세륨으로 되어 있다. 이 제품은 또한 알루미늄 층과 단열 코팅의 사이에 산화 이트륨 보강된 산화 지르코늄의 층과 같은 세라믹 결합제 코트를 구비할 수도 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 초합금 제품상에 세라믹 단열 코팅을 형성하기 위한 장치가 개시된다. 이 장치는 코팅 챔버와, 이 코팅 챔버를 진공배기하기 위한 장치를 구비하는 것이 바람직하다. 도가니는 코팅의 적어도 두개의 구성물을 별개로 제공하기 위하여 별도의 채널을 형성한다. 이 장치는 또한 적어도 두개의 구성물을 가열하여 증발시키기 위한 가열기/증발기를 구비하여, 적어도 제 1 및 제 2 증발물의 "증기 플럭스" 또는 혼합물을 형성한다. 상기 채널은 제 1 및 제 2 증발물을 형성할 수 있도록 이격된 위치에 위치하여, 제품상에서의 응결 전에 대체로 균질한 증기 혼합물을 형성한다.

또한 본 발명은 초합금 제품상에 세라믹 코팅을 형성하는 방법에 관한 것이기도 하다. 이 방법은 낮은 가스 압력으로 유지된 밀봉 챔버내에 코팅의 제 1 구성물과 코팅의 제 2 구성물을 제공하는 단계와; 제 1 증발물 및 제 2 증발물의 증기 플럭스가 형성되도록 제 1 증발물과 제 2 증발물을 형성하여 상기 제 1 구성물 및 제 2 구성물을 별도로 증발시키는 단계와; 구성물 상에서 플럭스를 응결시켜서 제품상에 코팅을 형성하는 단계를 구비한다.

도 1(축적대로 도시하지 아니함)을 참조하면, 본 발명에 따른 제품의 일부가 참조번호(10)로 일괄하여 표시되어 있다. 이 제품은 신규한 단열 코팅(TBC) 뿐만 아니라 금속 코팅도 갖는다. 스트랭맨의 미국 특허 제 4,405,659 호와 기깅스 등의 미국 특허 제 5,087,477 호와 스트랭맨의 미국 특허 제 5,514,482 호는 초합금 제품으로 만들어진 공기 냉각 터빈과 같이, 금속 결합제 코트와 TBC를 제품에 도포하는 것에 대하여 일괄하여 개시하고 있다.

초합금 기재와 같은 기재(12)가 MCrAlY의 층(14)으로 피복되고, 필요하다면 금속 기재와 TBC의 사이에 금속간 알루미나이드, 또는 금속 결합제 코트로서의 역할을 하는 다른 적절한 물질이 개재된다. 필수적인 것은 아니지만, 층(14)의 두께는 약 2 내지 10 mil(0.0508 내지 0.254 mm)이고 균일한 것이 바람직하다. 또한 층은 예를 들면 피닝(peening), 연마 및/또는 열처리로 처리되어, 코트의 구조 및 기재에 대한 접착력을 향상시킬 수도 있다. 금속 결합제 코트(14) 위에는 얇은 산화 알루미늄 층(16)이 형성된다. 그러나 TBC의 도포후에 산화 알루미늄 층이 형성될 수도 있다. 그리고 기재에 사용되는 특정 물질에 따라서, 별도의 금속 결합제 코트를 반드시 도포하지 않아도 되도록 기재의 바로 위에 산화 알루미늄 층이 형성될 수도 있다. 예를 들면 본 발명의 출원인에게 양도되고 본 명세서에 참조로 인용되는 덜(Duhl)의 미국 특허 제 4,719,080 호와 울리온 등의 미국 특허 제 5,262,245 호를 참조하길 바란다. 그런 다음에는 예를 들면 전자 빔을 이용한 물리적 증착법(EB-PVD) 또는 다른 적절한 기법에 의하여 산화 알루미늄 층상에 TBC(18)가 적층된다. 스트랭맨의 미국 특허 제 4,405,659 호와 기깅스 등의 미국 특허 제 5,087,477 호는 산화 이트륨으로 안정화된 산화 지르코늄(YSZ)으로 구성된 TBC를 개시하고 있다. 본 발명이 산화 이트륨 및 산화 세륨과 같이 상이한 증기압력을 갖는 표적 물질로 TBC를 형성하는 것에 대하여 특히 유용하기는 하지만, 본 발명을, 유사한 증기압력을 갖는 물질을 구비하는 다른 물질에도 동일하게 적용하는 것이 가능하다.

바인 등의 미국 특허 제 5,334,462 호에서 인식할 수 있는 바와 같이, 산화 세륨에 소량의 산화 이트륨을 추가하면 경도의 증가와 같은 바람직한 특성을 갖는 물질을 만들 수 있다. 바인 등의 특허에서는 산화 세륨이 약 5 중량%까지의 산화 이트륨을 갖는 바람직한 특성을 갖도록 하는 것을 제안하고 있다. 또한 바인은 EB-PVD에 의해 산화 이트륨과 산화 세륨이 적층되며, 표적의 조성물이 TBC의 조성물과 전체적으로 일치하지 않는 것을 알게 되었다. 일예로서, 약 9 중량%의 산화 이트륨을 함유하는 표적은 약 0.5 중량%의 산화 이트륨을 갖는 TBC를 만든다. 따라서, 종래기술에서는 특히 EB-PVD 방법을 이용하여 TBC를 만드는 경우에 단순히 표적의 산화 이트륨 함량을 증가시키는 것만에 의해서, 생성된 TBC의 산화 이트륨 함량을 연속적으로 증가시키는 것이 가능하지 않다고 제안하고 있다.

일반적으로 본 발명은 물리적으로 별개의 표적 물질의 독립적인 증발을 이용하여, 증발물의 혼합물을 생성하고 생성된 TBC의 조성물을 조절할 수 있게 한다. 표적 물질중 하나가 다른 물질에 비하여 훨씬 낮은 증기압을 갖는 경우에는, 증발되는 물질의 상대적인 양을 조절하는 것이 가능해져서, 필요에 따라 생성된 TBC의 조성물을 조절할 수 있게 된다. 예를 들면 EB-PVD 방법을 이용하여 산화 이트륨과 산화 세륨을 TBC로서 도포할 예정인 경우에, 본 발명에서는 종래기술에서 가능했던 것보다 상당히 높은 산화 이트륨 함량을 갖는 TBC를 형성할 수 있다.

도 2를 참조하면, 비교적 높은 산화 이트륨 함량을 갖는 산화 이트륨 보강된 산화 세륨 TBC와 같은 두개의 표적 물질로부터 TBC를 형성하기 위한, EB-PVD 방법을 이용한 장치(20)가 도시되어 있다. 다른 장치, 스퍼터링과 같은 다른 응용 방법 및 다른 물질을 본 발명에 이용하는 것도 가능하다. 예시된 경우에는 장치(20)의 일부가 "세라믹 코팅을 도포하기 위한 EB-PVD 방법"이라는 발명의 명칭의 기깅스 등의 미국 특허 제 5,087,477 호(본 출원인에게 양도되고 본 명세서에 참고로 인용됨)에 도시 및 기술된 장치와 유사하다. 이 장치(20)는 벽(24, 24)으로 형성된 밀봉 코팅 챔버(22)와, 챔버를 진공배기하기 위한 진공장치와 같은 수단(26)을 구비한다. 종래기술의 도가니와 상당히 다른 도가니(30)내에 수용된 어떤 표적 물질을 가열 및 진공배기하기 위한 전자 빔 건(28)과 같은 적어도 하나의 장치가 제공된다.

코팅될 부분(10)은 표적에 대하여 이격된 관계로 유지되고, 이동가능할 수도 있고 또 다른 방법으로 종래기술에서 공지된 바와 같이 표적에 대하여 조정가능할 수도 있다. 건(28)은 종래기술에서 공지된 바와 같이 건에서 발생된 빔(29)을 편향시키는 조립식 자계 발생기(도시하지 않음)를 구비한다. 종래기술에 있어서는, 표적 물질을 가로질러 빔을 주사하기 위하여 편향이 이용되는데, 그것은 형상이 대체로 원통형이고 직경이 약 75mm(3in)이다. 도가니(30)는 종래기술과 상당히 다르며, 캐루셀(carousel)(32)상에 위치된다. 캐루셀(32)은 도가니를 회전시켜서 표적 물질을 빔의 경로내로 이동시키며, 그 곳에서 표적 물질은 후술하는 바와 같이 증발된다. 캐루셀은 후술하는 바와 같이 제어 유닛(36)의 지령을 받아서 모터(35)에 의하여 화살표(33)로 표시한 방향으로 회전한다. 다양한 표적 대 기재 분리가 만족스러운 TBC를 형성하도록 이용될 수도 있지만, 본 실시예에서는 약 3.5 인치의 분리를 이용하였다.

도 3a 및 도 3b에 도가니(30)를 상세히 도시한다. 이 도가니는 구리로 제조되는 것이 바람직하며, 당해 분야에 공지되어 있는 바와 같이 액체 냉각된다. 물과 같은 액체가 도가니내에 제공되어 있는 냉각 통로(37)를 통과한다.

종래기술의 도가니와는 다르게, 본 발명의 도가니는 서로 분리되어 있는 두개 이상의 표적 물질을 제공한다. 바람직한 실시예에 있어서, 도가니는 원판형상이고 한쌍의 채널(34, 36)을 형성한다. 그러나 더 많은 채널이 제공될 수도 있다. 채널은 분리되어 있거나 물리적으로 상이한 TBC의 구성물을 수용하며, 서로 물리적으로는 분리되어 있지만 서로 인접하여 있다. 도시된 경우에는, 하나의 채널(34)이 산화 이트륨을 수용하며 다른 채널(36)이 산화 세륨을 수용한다.

경우에 따라서는 추가의 채널이 제공될 수도 있을 것이고, 또 구성물이 산화 지르코늄, 산화 하프늄, 산화 란탄, 산화 칼슘 및 산화 스칸듐을 비롯한 다른 산화물을 포함할 수도 있지만 이것에 제한되는 것이 아니다. 이들 물질을 증발시키고 후속적으로 기재상에서 응결시키면, 양이온 소격자(sublattice)상에 산화 이트륨 및/또는 산화 세륨 대신에 상기 다른 산화물을 제한적으로 사용하는 것을 특징으로 하는 TBC가 형성될 것이다. 이것은 TBC내에 다른 바람직한 특성을 제공할 수도 있다.

도가니의 특정 치수가 본 발명에서 중요한 것은 아니라고 여겨진다. 채널은 서로 충분히 분리되어서 구성물이 서로 독립적으로 증발될 수 있어야 한다. 채널은 증발된 물질이 제품상에서의 응결 전에 균질한 혼합물을 형성할 수 있도록 충분히 밀접하게 배치되어 있어야 한다. 채널은 원호형인 것이 바람직하지만(원형인 것이 더욱 바람직하다) 반드시 이것에 제한되지는 않으며 동심이어서 캐루셀이 회전하고 있는 동안 빔에 대하여 연속적인 공급 경로를 제공한다. 도시된 도가니(32)는 약 1.5 인치의 두께(T)를 가지며, 채널은 각기 깊이가 약 1 인치이고 경사진 벽(38, 40, 42, 44)으로 형성된다. 소정 채널의 벽(38, 40, 42, 44)의 하부는 약 0.5인치 만큼 서로 분리되며 일 채널의 벽(38)의 상부는 약 0.25 인치 만큼 다른 채널의 인접한 벽(44)부로부터 분리된다. 필요하다면 표적 물질이 증발하고 있는 곳에서 이격되어 있는 각 구성 물질의 호퍼(46, 48)에 의해서 표적 물질이 채널에 연속적으로 첨가된다.

전술한 바와 같이 산화 이트륨과 산화 세륨은 별도의 채널내에 제공되며 바람직하게는 적어도 약 2 mm, 더욱 바람직하게는 약 3-5 mm의 입자 크기를 갖는 "자갈형상체(gravel)"로서 제공된다. 또한 조대한 물질이 사용될 수도 있다. 더 미세한 물질이 이용되는 경우에는, 보다 작은 입자가 인접한 물질의 증발중 채널로부터 변위되는 경향이 있다. 예를 들면 작은 입자는 증발하기 전에 채널로부터 송풍되는 경향이 있다. 따라서 약 2 mm, 바람직하게는 약 3 mm보다 미세한 입자는 일반적으로 사용되지 않는다. 전술한 바와 같이 호퍼(46, 48) 또는 다른 적절한 기구에 의하여 추가의 산화 이트륨과 산화 세륨이 도가니에 첨가될 수도 있다.

장치에 대하여 기술하였으므로 이제부터는 장치의 동작에 대하여 기술한다. 도 2를 참조하면, 당해 분야에 공지되어 있는 바와 같이 코팅될 부분(10)이 형성되었고 (적절하다면) 금속 결합제 코트(14)(도 1)가 도포되었으며 산화 알루미늄 층(16)이 형성되었다.

코팅될 부분(10)이 챔버(22)내에 배치되고, 챔버는 TBC의 도포에 적절한 압력으로, 전형적으로는 약 10^-4 torr 미만의 압력으로 진공배기된다. 그런 다음에는 예를 들면 EB-PVD 방법에 의하여 TBC가 도포된다. TBC가 어떻게 도포되는지와 무관하게, TBC의 도포중 기재의 온도를 제어하는 것이 중요하다고 생각된다.

YSZ 또는 YsCeO2가 EB-PVD 방법에 의하여 도포되는 경우에, 기재의 온도는 적어도 약 950℃ 또는 1750℉이어야만 한다. 그러나 실제 온도는 물질 및 장비의 동작 매개변수에 따라 변경될 수도 있다. 기재가 초기에는 건이나 외부 가열기(도 시하지 않음)중 어느 하나를 이용하여 가열되고 또한 표적의 증발중에는 건에 의하여 기재에 간접적으로 도포되어 기재의 온도를 유지시킨다.

산화 이트륨 보강된 산화 세륨(YsCeO2)의 테스트 샘플은 기재가 충분히 가열되지 않은 경우에 TBC의 도포중 알루미늄 층에 대하여 TBC의 상대적으로 빈약한 접착성을 나타내었다. 또한 테스트에 따르면 EB-PVD 방법에 의한 산화 이트륨 및 산화 세륨의 증발중 발생된 열이 적절한 기재 온도를 유지하기에 충분하지 않았다. 따라서 추가의 가열기가 이용되어야 한다.

산화 이트륨 및 산화 세륨을 도포하기 전에 알루미늄 층 위에 YSZ과 같은 세라믹의 얇은 층을 도포하면, 산화 이트륨 및 산화 세륨의 도포중 기재를 가열하기 위하여 추가의 외부 가열기를 이용하지 않더라도 그리고 기타 다른 방법으로 적절한 기재의 온도를 유지시키지 않더라도, 적절한 부착성 층 또는 산화 이트륨 보강된 산화 세륨 층을 위한 세라믹 접착제 코트가 제공된다는 것이 발견되었다.

도 1에 있어서는 세라믹 접착제 코트 층이 17로 점선 표시된다. 하나의 테스트에 있어서, 층은 EB-PVD 방법으로 도포된 7YSZ으로 구성되었고, 두께는 약 0.5 mil(0.0127mm)이었다(그러나 상기 층이 예를 들면 수 mil 까지의 상이한 두께를 가질 수도 있다). 세라믹 접착제 코트는 산화 알루미늄 층을 거의 완전히 덮을 정도로 충분히 두꺼워야 하지만, 터빈 블레이드와 같은 회전하는 부분상에 세라믹 접착제 코트를 사용하는 경우에는 이 추가의 층이 블레이드의 당김력에 큰 역할을 할 것이기 때문에 이 층이 이 -목적을 수행하기 위하여 필요한 것보다 더 두껍지는 않아야 한다. 스퍼터링에 의하여 만족스러운 YSZ 세라믹 접착제 코트 층을 제공할 수 있다고 여겨진다. YSZ 층을 비롯한 샘플을 현미경으로 검사해본 바, YSZ과 산화 이트륨 보강된 산화 세륨 사이의 입자 경계를 가로질러 에피택셜 성장(epitaxial growth)이 발생하였다. 더구나, YSZ 층은 외부의 TBC가 손상되는 경우에 어떤 열 응력을 제공한다.

두개의 분리된 구성물의 혼합물을 이용하여 TBC를 도포하기 위해서는 각각의 구성물이 가열 및 증발되어야 한다. 도시된 경우에 있어서는 단 하나의 전자 빔 건이 이용되며, 당해 분야에 공지되어 있는 바와 같이 빔을 편향시키기 위한 조립식 가변 자계 발생기를 구비한다. 건이 조립식 자계 발생기를 구비하지 않는 경우에 또는 조립식 발생기가 소망하는 동작 특성을 모두 갖고 있지 않은 경우에는 외부의 자계 발생기를 이용할 수도 있다. 종래기술에 있어서는 종래의 표적을 훨씬 더 균일하게 가열하기 위하여 그러한 편향이 이용된다.

도 2 및 도 3b를 참조하면, 각각의 표적 물질을 증발시키기 위하여 빔(29)이 채널(34)과 채널(36)의 사이에서 앞뒤로 주사된다. 주사 속도는 빔이 표적 물질상에 충돌하여 증발될 수 있도록 할 정도로 충분히 느려야 하지만 양자의 구성물이 챔버(22)내에 기상으로 동시에 존재하도록 할 정도로는 충분히 빨라야 한다. 빔이 장비의 제한으로부터 벗어나 너무 빨리 주사될 수 있다고는 생각하지 않는다. 소정 시간에 단 하나의 구성물이 증기로서 존재하는 경우에는, 형성된 TBC가 이산된 표적 물질 층의 특징을 갖는다. 본 명세서에 사용하는 "주사"라는 용어는 빔이 하나의 출발점으로부터 일 채널의 구성물을 지나서 다른 채널로 이동하고 이 다른 채널의 다른 구성물을 지나서 다시 상기 일 구성물로 복귀하게 되는 하나의 빔 이동 경로를 말한다. 빔을 늦은 것보다는 빠르게 주사하는 것이 바람직한데, 예를 들면 적어도 초당 약 3번, 바람직하게는 적어도 초당 약 10번으로 주사하는 것이 좋다고 생각된다.

빔이 표적 물질에 충돌하고 있는 시간, 즉 빔이 머무는 시간은 중요하다. 표적 물질상의 머뭄 시간이 길수록 그 표적을 더욱 많이 가열하게 되어, 머뭄 시간이 짧은 경우에 비하여 표적이 더 많이 증발된다. 각 표적상의 머뭄 시간은 소망하는 TBC 조성 뿐만 아니라 표적의 상대적인 증기압력에 의거하여서도 부분적으로 조절된다. 예를 들면 TBC내의 물질 함량을 증가시키는 것이 소망되는 경우에는 빔이 물질상에 더 오랫동안 머물 것이다.

빔이 주사되고 있을 때에는 캐루셀(32)이 회전하고 있다. 회전은 증발될 물질을 연속적으로 제공할 정도로는 충분히 빠르게 발생하지만, 빔이 물질상에서 반복적으로 충돌하여 그 물질을 증발시킬 정도로는 충분히 느리게 발생한다. 전술한 도가니 및 표적 물질의 경우에 바람직한 회전 속도는 약 3rpm 이하이다. 또한 입자 크기는 캐루셀이 회전하여야 하는 속도에 영향을 미칠 것인데, 입자가 클수록 캐루셀은 보통 더 느리게 회전할 것이다. 도가니가 회전하고 있는 동안 빔을 주사하면, 빔이 상당히 오랜 기간 동안 도가니의 어떤 일 부분에 반복적으로 머무르는 일이 발생하지 않기 때문에 도가니 물질의 증발을 방지하는데 도움이 될 것이다. 증기가 균일하게 산재되도록 양자의 표적 물질은 기상으로 존재하는데, 예를 들면 코팅 대상 부분 위에서 응결하여 TBC 층(18)(도 1)을 형성하기 전에 증기는 대체로 균질한 혼합물을 형성한다.

도 4는 산화 이트륨 및 산화 세륨의 부분적인 상태도를 도시한다. 이 다이아그램에 표시된 바와 같이, 약 12 중량%(약 9.4 몰%와 균등함)까지의 YsCeO2를 갖는 산화 이트륨 및 산화 세륨이 단일 상으로서 존재하며, 적어도 약 2700℉(1482.2℃)까지 안정하다. 본 발명은 훨씬 더 높은 산화 이트륨 함량, 예를 들면 12 중량% 이상의 산화 이트륨을 갖는 TBC를 형성할 수 있으며, 상기 물질이 다수의 상을 구비할 수 있다고 해도 그러한 TBC가 TBC로서 유용할 수도 있다고 여겨진다. 도 4에 표시한 것과 같이, 그러한 TBC는 하나 이상의 상을 갖는다고 예상된다. 아울러, 산화 이트륨의 함량은 60 중량% 이하인 것이 바람직한데, 이는 60%가 넘는 산화 이트륨의 함량은 TBC를 무르게(soft) 할 수 있기 때문이다.

원주상의 YsCeO2의 열 전도율은 적어도 약 60-2200+℉의 범위 내에서 온도의 증가에 따라 감소한다. 다시 말하면, YsCeO2, 특히 9 YsCeO2의 열 전도율은 실제로 그 온도 범위 이상에서 대폭 감소하는데, 실온에서는 약 2.5W/(m℃) 미만이지만 약 2000℉(1093.3℃)에서는 약 1.0 미만이다. YsCeO2의 이트륨 함량이 증가하면 열 전도율이 더욱 감소된다. EB-PVD 방법으로 도포된 50 YsCeO2(50 중량%의 산화 이트륨과 50 중량%의 산화 세륨으로 구성됨)을 샘플을 테스트한 결과 유익한 결과가 나왔다. 샘플은 실온에서 약 1.13 - 1.75 W/mK의 열 전도율을 가졌으며, 이 열 전도율이 약 2200℉(1204.4℃)에서는 약 0.73 - 0.95 W/mK로 감소되었다. 약 60 중량% 이상의 Ce를 함유한 YsCeO2를 예견하지는 않지만, 보다 높은 산화 세륨 농도를 배제하는 것은 아니다. YsCeO2은 YSZ보다 약간 더, 대략 10 - 15% 이상 더욱 밀하고, YsCeO2의 열 전도율은 YSZ의 대략 절반 미만이다.

이에 비하여, 7 중량% YSZ의 샘플은 동일한 온도 범위에 걸쳐서 약 2.3 W/(m℃)까지의 대체로 일정한 열 전도율을 갖는다. 도 4와 관련하여 전술한 바와 같이, 적어도 약 12 중량%까지의 산화 이트륨을 갖는 YsCeO2가 가스 터빈 응용예에서 경험하는 온도에 걸쳐서 YSZ보다 대체로 큰 상 안정성을 갖는다.

게다가, YSZ을 이용하여 수행한 테스트에 의하면, 산화 이트륨 농도의 증가시 물질의 부식 저항이 감소하였다. 하나의 테스트에 있어서는, 7, 12 및 20 중량%의 산화 이트륨을 갖는 YSZ의 샘플에 대하여, 800 ft/sec 및 2000℉(1093.3℃)에서 27 마이크론 알루미늄 입자를 이용하여 침식 시험을 행하였다. 7 YSZ에서 12 YSZ으로 가면서 침식속도가 증가하였고 12 YSZ에서 20 YSZ으로 가면서는 침식속도가 극적으로 증가되었다.

테스트에 의하면, 약간의 산화 이트륨을 첨가하면 산화 세륨의 침식 저항이 향상되었다. 놀랍게도, YSZ내의 산화 이트륨 함량을 증가시키기 위한 전술한 경향과는 반대로, 산화 세륨내에 산화 이트륨을 더 많이 첨가하면 침식 저항이 더욱 향상되었다. 이 테스트에 의하면, 7 YsCeO2의 샘플은 7 YSZ보다 침식 저항이 작지만, 20 YSZ보다는 침식 저항이 컸으며, 따라서 YsCeO2를 예를 들면 엔진 공기 시일내에서 마모가능한 것으로 이용할 수 있을 것이고 플라즈마 분사 또는 다른 적절한 열 분사 공정에 의하여 YsCeO2를 도포할 수 있을 것이라고 예상된다. 더욱이, 산화 이트륨 보강된 산화 세륨의 열팽창계수는 YSZ보다 니켈계 초합금, 예를 들면 기재의 열팽창을 더욱 밀접하게 추종한다. 따라서 특히 얇은 TBC가 도포되는 경우에 상이한 열팽창률로 인한 파쇄가 감소될 것이라고 예상된다. 테스트의 결과, 7 YSZ 뿐만 아니라, 충분히 높은 기재 온도에서 알루미늄 층에 직접 도포되거나 또는 중간 YSZ에 도포된 YsCeO2도 적어도 파쇄에는 저항한다는 것을 확인하였다.

이상에서는 본 발명을 약간 자세하게 기술하였지만, 본 발명의 범위 및 하기의 청구범위로부터 이탈함이 없이 수많은 변형 및 대체를 만들 수도 있을 것이다. 예를 들면 물질을 증발시키기 위하여 다수의 빔을 이용할 수도 있고, 또 코팅의 두께를 통하여 일 물질의 중량비를 등급화시킬 수도 있다. 예를 들면 TBC의 노출면 근방에서는 산화 이트륨의 농도를 올리고 기재 근방에서는 산화 세륨의 농도를 올릴 수도 있다. 따라서 이상에서는 본 발명를 예시적으로 기술한 것이고 한정하고자 하는 것은 아니라는 것을 이해하여야 한다.

본 발명에 따르면, TBC를 형성하는 두개 이상의 증발물의 혼합물을 생성하는 것이 가능해지고 공지된 TBC보다 열 전도율이 낮은 TBC를 제공할 수 있게 되며, 증기 플럭스에서 구성물의 양을 조절할 수 있게 되어 TBC의 구성물을 조절할 수 있으므로, 가스 압력을 높일 수 있게 되어 효율이 향상되고 디스크를 보다 작고 가볍게 만들 수 있으며 또한 크리프 수명을 증가시킬 수 있고, 내구성을 향상시킬 수 있다.

Claims

초합금 기재와;

이 기재의 표면상에 생성된 부착성 산화 알루미늄 층과;

이 산화 알루미늄 층 위에 단열 코팅을 형성하는 물질의 층을 포함하며,

상기 코팅은 12 중량% 내지 60 중량%의 산화 이트륨과 그 나머지는 산화 세륨으로 구성된 초합금 제품.
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제 1 항에 있어서,

상기 산화 알루미늄 층 위에 형성된 중간의 세라믹 층을 더 포함하며, 상기 단열 코팅은 안정화된 산화 지르코늄으로 구성된 중간의 세라믹 층에 도포되는 초합금 제품.
제 1 항에 있어서,

상기 코팅은 산화 지르코늄, 산화 하프늄, 산화 란탄, 산화 칼슘 및 산화 스칸듐으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 추가 구성물을 더 포함하는 초합금 제품.
초합금 기재와;

이 기재의 표면상에 생성된 부착성 산화 알루미늄 층과;

이 산화 알루미늄 층 위의 세라믹제의 원주상 입자 단열 코팅을 포함하며,

상기 코팅은 12 중량% 내지 60 중량%의 산화 이트륨과 그 나머지는 산화 세륨으로 구성된 대체로 균질한 혼합물로 구성되는 초합금 제품.
제 7 항에 있어서,

상기 산화 알루미늄 층 위의 중간 세라믹 결합제 코트를 더 포함하고, 상기 단열 코팅은 상기 중간 세라믹 결합제 코트 위에 도포되는 초합금 제품.
삭제
제 1 항에 있어서,

상기 코팅의 조성은 그의 두께를 통하여 등급화된 초합금 제품.
제 1 항에 있어서,

상기 코팅 층은 마모가능한 물질의 층을 형성하는 초합금 제품.
제 11 항에 있어서,

상기 초합금 제품은 엔진 공기 시일내에 내장되는 초합금 제품.
초합금 제품상에 내구성 있는 단열 코팅을 형성하기 위한 장치에 있어서,

코팅을 위한 적어도 두개의 세라믹 표적 물질을 서로 개별적으로 제공하기 위한 적어도 두 개의 분리된 수납용기를 형성하는 도가니와;

상기 분리된 수납용기내의 두 개의 표적 물질을 가열하여 증발시켜서 제 1 및 제 2 의 증발물을 형성하는 가열 및 증발 수단을 포함하고,

상기 제 1 및 제 2 의 증발물이 상기 제품에 도달하여 응결하기 전에 증발물의 상태에서 서로 혼합되어 혼합물을 형성하며,

상기 코팅은 12 중량% 내지 60 중량%의 산화 이트륨과 그 나머지는 산화 세륨으로 구성되는 코팅 형성 장치.
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제 13 항에 있어서,

상기 가열 및 증발 수단은 적어도 하나의 전자 빔을 포함하는 코팅 형성 장치.
제 13 항에 있어서,

상기 가열 수단은 표적 물질중 하나에 표적 물질중 다른 것보다 더 많은 열을 제공하는 코팅 형성 장치.
제 13 항에 있어서,

상기 도가니는 표적 물질을 수납하기 위한 수납용기로서 적어도 두 개의 원형 채널을 제공하는 코팅 형성 장치.
제 13 항에 있어서,

상기 제품상에 중간의 세라믹 결합제 코트를 생성하기 위한 수단을 더 포함하는 코팅 형성 장치.
초합금 제품상에 내구성 있는 단열 코팅을 형성하기 위한 장치에 있어서,

코팅 챔버와;

상기 코팅 챔버내에 위치되는 것으로, 코팅을 위한 적어도 두개의 세라믹 표적 물질을 개별적으로 제공하기 위한 적어도 두 개의 분리된 채널을 형성하는 도가니와;

상기 채널내의 두 개의 표적 물질을 가열하여 증발시켜서 제 1 및 제 2 의 증발물을 형성하는 가열 및 증발 수단을 포함하고,

상기 채널은 상기 챔버내 제품상에서의 응결 전에 상기 제 1 및 제 2 의 증발물이 대체로 균질한 증기 혼합물을 형성하도록 이격 관계로 배치되고,

상기 코팅은 12 중량% 내지 60 중량%의 산화 이트륨과 그 나머지는 산화 세륨으로 구성되는 코팅 형성 장치.
제 20 항에 있어서,

상기 가열 수단이, 전자 빔과, 상기 빔이 상기 채널중 하나를 향하여 배향되어서 상기 하나의 채널내에 위치된 하나의 표적 물질에 충돌하는 제 1 위치와, 상기 빔이 다른 채널을 향하여 배향되어서 상기 다른 채널내에 위치된 다른 표적 물질에 충돌하는 제 2 위치의 사이에서 상기 빔을 주사하기 위한 수단을 포함하는 코팅 형성 장치.
제 21 항에 있어서,

상기 빔 주사 수단이 상기 표적 물질중 다른 것보다 더 오랜 기간동안 상기 빔이 상기 표적 물질중 하나에 충돌되도록 상기 빔을 이동시키는 코팅 형성 장치.
제 20 항에 있어서,

상기 도가니는 원판형이고, 동심의 원호형 수납용기를 형성하며,

이 코팅 형성 장치는 상기 표적 물질을 위한 연속적인 공급 경로가 형성되도록 상기 도가니를 회전시키는 수단을 더 포함하는 코팅 형성 장치.
제품상에 코팅을 형성하는 방법에 있어서,

밀봉 챔버내에 서로 분리식으로 제공되며 코팅될 제품에 대하여 이격된 제 1 의 세라믹 표적 물질과 제 2 의 세라믹 표적 물질을 제공하는 단계와;

상기 제 1 의 표적 물질과 제 2 의 표적 물질을 증발시켜서 상기 증발물의 증기 플럭스를 생성시키는 단계와;

상기 제품상에서 상기 제 1 증발물의 제 2 증발물의 플럭스를 응결시키는 단계를 포함하고,

상기 코팅은 12 중량% 내지 60 중량%의 산화 이트륨과 그 나머지는 산화 세륨으로 구성되는 코팅 형성 방법.
제 24 항에 있어서,

상기 제공 단계는 산화 이트륨 및 산화 세륨을 제공하는 것을 구비하는 코팅 형성 방법.
제 24 항에 있어서,

상기 표적 물질은 적어도 2mm의 입자 크기를 갖는 자갈형상체로서 제공되는 코팅 형성 방법.
제 26 항에 있어서,

상기 표적 물질은 3 내지 5mm의 입자 크기를 갖는 자갈형상체로서 제공되는 코팅 형성 방법.
제 24 항에 있어서,

상기 증발 단계는 상기 표적 물질상에 전자 빔을 충돌시키는 것과, 상기 제 1 표적과 제 2 표적 사이에 전자 빔을 주사하는 것에 의하여 상기 표적 물질을 서로 독립적으로 증발시키는 것에 의하여 수행되는 코팅 형성 방법.
제 28 항에 있어서,

상기 전자 빔이 상기 산화 세륨보다 더 오랫 동안 상기 산화 이트륨상에 충돌하는 코팅 형성 방법.
제 28 항에 있어서,

상기 전자 빔이 상기 제 1 표적과 상기 제 2 표적 사이에서 초당 적어도 3번 주사되는 코팅 형성 방법.
제 24 항에 있어서,

상기 제 1 표적과 제 2 표적은 분리된 무단 경로상에 제공되는 코팅 형성 방법.
제 24 항에 있어서,

상기 증발 단계 전에 중간의 세라믹 물질 층을 상기 제품상에 형성하는 단계를 더 포함하는 코팅 형성 방법.
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