KR100671575B1 - 내식 알루미늄-합금 층에 의한 니켈계 제품의 표면 보호방법 - Google Patents

내식 알루미늄-합금 층에 의한 니켈계 제품의 표면 보호방법 Download PDF

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Abstract

가스 터빈 에어포일(airfoil)(22)의 내면(36)과 같은 니켈계 제품의 표면은 알루미늄 및 하나 이상의 다른 원소의 보호층(40)으로 보호된다. 보호층(40)을 형성하기 위해서, 도너(donor) 합금을 제품의 보호된 표면과 접촉시키고, 동시에 도너 합금의 절대 고상(solidus) 온도의 약 0.7 보다 높지만 상기 도너 합금이 제품의 보호 표면과 접촉하는 응축상의 형태로 유지되도록 하는 코팅 온도로 상기 제품 및 상기 도너 합금을 가열한다. 이후에 도너 합금은 제품의 보호된 표면으로 상호확산된다.

Description

내식 알루미늄-합금 층에 의한 니켈계 제품의 표면 보호 방법{PROTECTING A SURFACE OF A NICKEL-BASE ARTICLE WITH A CORROSION-RESISTANT ALUMINUM-ALLOY LAYER}
도 1은 터빈 블레이드의 사시도이다.
도 2는 도 1의 터빈 블레이드의 2-2선을 따라 취한 확대 개략 단면도이다.
도 3은 가스 터빈 에어포일(airfoil)의 내부 코팅을 위한 방법의 블록 흐름도이다.
본 발명은 알루미늄-합금 표면 보호층에 의한 니켈계 제품의 보호 방법, 더욱 구체적으로는 가스 터빈 에어포일의 내면의 보호 방법에 관한 것이다.
항공기 가스 터빈 (제트) 엔진에 있어서, 공기는 엔진의 정면으로 유입되고, 축에 탑재된 압축기에 의해 압축되어 연료와 혼합된다. 혼합물은 연소되고, 고온 배기 가스는 동일한 축에 탑재된 터빈을 통과한다. 연소 가스의 흐름은 터빈 블레 이드 및 베인의 에어포일 부분과의 충돌에 의해서 터빈을 회전시키고, 축을 회전시켜 압축기 및 팬에 동력을 제공한다. 가스 터빈 엔진의 더욱 복잡한 변형예에 있어서, 압축기 및 고압 터빈은 하나의 축에 탑재되고, 팬 및 저압 터빈은 개별적인 축에 탑재된다. 어떠한 경우에도, 고온 배기 가스는 엔진의 후면으로부터 흘러나와 엔진을 구동하여 항공기를 앞으로 나아가게 한다.
연소 가스가 고온일수록 제트 엔진의 작동이 보다 효율적으로 된다. 따라서, 연소 가스의 온도를 올리는 것이 권장되었다. 연소 가스의 최고 온도는, 고온 연소 가스가 충돌하는 터빈의 베인 및 블레이드의 재료에 의해 통상적으로 제한된다. 종래 엔진에 있어서, 터빈 베인 및 블레이드는 니켈계 초경합금(super alloy)으로 제조되고, 약 1900 내지 2150oF 까지의 온도에서 작동할 수 있다.
터빈 블레이드 및 베인의 에어포일 부분의 작동 온도의 한계를 현재 수준까지 증가시키기 위해서 많은 방법이 사용되었다. 예를 들어, 기본 재료 자체의 조성 및 가공법을 향상시키고, 다양한 고형화 기법을 개발하여 배향된 입자 구조 및 단결정 구조의 이점을 수득하였다.
또한, 물리적 냉각 기법을 사용할 수 있다. 한가지 기법에 있어서, 내부 냉각 통로가 터빈 에어포일 내부에 존재한다. 공기가 내부 냉각 통로를 통해 에어포일의 외면의 개구 밖으로 배출되도록 하여, 에어포일 내부로부터 열을 제거하고, 어떤 경우에는 에어포일의 표면에 보다 냉각된 공기의 경계층을 제공한다.
상기 방법과 함께 코팅 및 보호 표면층을 사용하여 터빈 에어포일의 외면 및 내면의 부식 및 산화를 방지한다. 예를 들어, 내부 냉각 통로의 표면은 확산형 알루미나이드 코팅으로 보호될 수 있고, 상기 알루미나이드 코팅은 내면의 추가적인 산화를 방지하는 산화알루미늄 보호용 박편으로 산화된다. 화학적 증착법, 증기상 알루미나이딩, 및 전술한 팩킹 기법을 포함해서, 상호확산형 알루미나이드 보호층을 형성하는 알루미늄 코팅이 공지되어 있다.
본 발명의 연구 과정에서, 발명자들은 알루미늄과 함께 다른 원소를 동시 침착시키는 것이 보호층의 내산화성 및/또는 내식성을 향상시키는데 바람직하다는 사실을 인식하였다. 종래의 이용가능한 침착 방법에 있어서는, 합금의 조성을 잘 조절하면서 알루미늄 이외의 개질용 원소를 함유한 합금을 내면에 도포시키는 것이 어렵다는 결점을 안고 있다. 따라서, 종래의 침착 방법에 있어서는, 주로 알루미늄과 동시 침착된 원소의 합금의 유익한 효과를 이용하는 복잡한 확산형 알루미나이드 합금 보다는 오히려 단순한 확산형 알루미나이드를 도포하는 방식으로 수행되었다.
따라서, 특정 표면 영역, 특히 가스 터빈 에어포일과 같은 제품의 내면에 알루미늄-함유 보호층을 침착시키는 향상된 방법에 대한 필요성이 대두되었다. 본 발명은 이러한 필요성을 충족시키면서 이에 따른 추가적인 이점을 제공한다.
본 발명은 니켈계 초경합금으로 제조된 가스 터빈 에어포일과 같은 제품의 표면을 보호하기 위한 방법을 제공한다. 이러한 접근법은 보호 표면에 도포된 보호층의 조성은 조절이 곤란한 증기상의 특성에 좌우되기 보다는 오히려 응축상 합금의 합금 함량을 변화시킴으로써 이루어진다. 따라서, 유용한 공정은 기본적으로 알루미늄으로 동시 침착시킨 합금 원소들의 유리한 효과를 이용하는 보다 복잡한 확산형 알루미나이드 보호층보다는 오히려 단순한 확산 알루미나를 도포시키는 편이다. 본 발명의 접근 방법에 있어서는 내면이 보호되는 경우에 보다 큰 이점이 실현되지만 내부 및 외부의 보호 표면 둘다를 용이하게 제조하는데 사용될 수 있다.
제품의 표면을 보호하는 방법은 니켈계 합금으로 제조된 제품을 제공하는 것을 포함한다. 알루미늄 및 하나 이상의 다른 원소의 도너 합금을 제공하고, 상기 합금을 제품의 보호된 표면 위에 도포시킨다. 도포 단계는, 도너 합금을 제품의 보호된 표면과 접촉시키는 단계, 및 이와 동시에 절대 고상 온도의 약 0.7 보다 높지만 도너 합금을 제품의 보호된 표면과 접촉하는 응축상의 형태로 유지시켜 주는 코팅 온도로 상기 제품 및 도너 합금을 가열하는 단계를 포함한다. 상기 코팅 온도는 바람직하게는 약 1700 내지 약 2100oF이다. 이후에 도너 합금은 부분 또는 전체적으로 제품의 보호 표면으로 상호확산된다. 상호확산은 목적하는 정도의 상호확산을 달성하는데 필요한 시간 동안 계속되지만, 전형적으로는 코팅 온도에서 약 1 내지 약 10 시간동안 일어난다.
가장 관심있는 제품은 가스 터빈 에어포일과 같은 가스 터빈 엔진의 부품이다. 내면 및 외면이 둘다 보호될 수 있지만, 내부 보호된 표면이 더욱 큰 관심의 대상인데, 이는 다른 유형의 코팅 공급원으로부터 내부의 보호 표면까지의 시선상 접근법이 없어서 코팅재 및 보호 층에 의한 내면 보호가 더욱 어렵기 때문이다.
알루미늄의 합금은 하나 이상의 다른 원소, 예를 들어 크롬, 지르코늄, 하프늄, 이트륨, 세륨, 백금 및 팔라듐, 및 이들의 혼합물을 포함한다. 일부 구체적인 예로는, 알루미늄과 합금의 약 30 중량% 미만의 크롬; 알루미늄과 합금의 약 64 중량% 미만의 백금; 알루미늄과 합금의 약 60 중량% 미만의 팔라듐; 알루미늄과 합금의 약 50 중량% 미만의 지르코늄; 알루미늄과 합금의 약 69 중량% 미만의 하프늄; 알루미늄과 합금의 약 60 중량% 미만의 이트륨; 및 알루미늄과 합금의 약 40 중량% 미만의 세륨이 있다. 또한, 상기 합금에는 규소와 같은 융점 강하제가 포함될 수 있다. 바람직한 규소 융점 강하제의 경우, 합금의 규소 함량은 바람직하게는 합금의 약 20 중량% 미만이다. 본 발명의 방법의 특별한 이점은, 2종 이상의 원소를 동시에 조절가능하게 침착시키는 것이 매우 어려운 증착 기법과는 달리 2종 이상의 원소의 도너 합금을 용이하게 제조하여 사용할 수 있다는 점이다.
합금은 보호할 제품의 표면으로 임의의 조작가능한 방법에 의해 전달될 수 있다. 예를 들어, 슬러리 및 발포체가 있다.
본 발명의 접근법은, 알루미늄이 공급원으로부터 증기상을 경유하며 표면으로 비교적 먼거리에 걸쳐 전달되는, 내면에 대해 통상적으로 사용되는 알루미나이딩 기법과는 다르다. 증기 공급원은 보호되는 표면으로부터 수 인치 정도 이격될 수 있지만, 본 발명의 경우 응축상의 도너 합금은 보호되는 표면과 물리적으로 직접 접촉된다. 다른 원소, 예를 들어 알루미늄 및 합금 원소(들)를 증기 전달하는 상대 속도는, 일정한 조성을 달성하도록 조절하는 것이 곤란하다. 반면, 본 발명의 방법에 있어서는, 알루미늄 및 하나 이상의 합금 원소(들)의 도너 합금 공급원은 보호되는 표면과 물질적으로 직접 접촉하는 응축상, 바람직하게는 기판 표면상의 도너 합금의 연속 또는 불연속 층의 형태이다. 본 발명에서 사용되는, "응축상"은 고체, 액체 또는 고체 및 액체의 혼합물이지만, 증기는 아니다. 대부분의 경우, 알루미늄 및 합금 원소(들)를 둘 다 포함하는 실질적으로 모든 도너 합금은 보호 표면으로 확산되어, 외부 공급원으로부터 도입된 모든 원소 각각의 양이 정확히 알려지게 된다. 코팅 온도에서 원소의 증기압이 있기 때문에 도너 합금은 부수적으로 증기화되고 후속적으로 재침착될 수 있지만, 보호 표면에 대한 도너 합금의 원소 이동의 주요 방식은 도너 합금의 고상 및/또는 액상 확산, 및 니켈계 합금의 고상 확산이다.
코팅 온도는 도너 합금의 절대 고상 온도의 약 0.7 보다 높지만, 도너 합금이 더 이상 응축상으로 존재하지 않을 정도로는 높지 않아야 한다. (절대 온도로 측정된 합금의 고상 온도에 대한 절대 온도로 측정된 온도의 비를 종종 "상동 온도(homologous temperature)"라고 하고, 이러한 경우 코팅 온도는 상동 온도의 약 0.7을 초과하는 온도이다.) 코팅 온도는 도너 합금의 고상 온도를 초과하여, 적어도 약간의 액상이 존재할 수 있다. 도너 합금이 처리될 보호 표면과 접촉하여 주로 응축상(즉, 고체, 액체, 또는 액체 및 고체의 혼합물)으로 존재하는 것이 중요하다.
본 발명의 다른 특징 및 이점은, 본 발명의 원리를 도면과 함께 실시예에 의해 예시하는 하기 바람직한 실시태양의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나, 본 발명의 범위는 바람직한 실시태양으로 한정되지 않는다.
도 1은 터빈 블레이드 또는 터빈 베인과 같은 가스 터빈 엔진의 구성 성분을 나타내고, 본 설명에서는 터빈 블레이드(20)이다. 터빈 블레이드(20)는 임의의 실시가능한 재료로 형성되지만, 바람직하게는 니켈계 초경합금이다. 터빈 블레이드(20)는 고온 배기 가스가 흐르는 방향과 반대인 에어포일 부분(22)을 포함한다. (터빈 베인은 관련된 에어포일 부분에 대해서 유사한 외관을 갖지만, 전형적으로는 에어포일을 지지하는 그밖의 말단 구조물을 포함한다.) 터빈 블레이드(20)는, 에어포일(22)로부터 아래 방향으로 연장되어 있고 터빈 디스크 상의 슬롯과 맞물려 있는 도브테일(dovetail)(24)에 의해 터빈 디스크(도시하지 않음)에 탑재되어 있다. 플랫폼(26)은, 에어포일(22)이 도브테일(24)과 연결된 영역으로부터 외측 종방향으로 연장되어 있다. 많은 내부 통로는 에어포일 내부(22)를 통해서 에어포일(22)의 표면에 있는 개구(28)까지 연장되어 있다. 작동하는 동안, 냉각 공기를 내부 통로를 통해 흐르게 하여 에어포일(22)의 온도를 감소시킨다. 에어포일(22)은 도브테일(24)에 인접한 루트 말단(3), 및 도브테일(24)로부터 떨어져서 반대 방향으로 배치된 팁 말단(32)을 갖는 것으로 기술될 수 있다.
도 2는 에어포일(22)의 내부를 통해 연장되어 있는 하나의 내부 통로(34)를 나타내는, 에어포일(22)의 종방향 단면도이다. 내부 통로(34)는 에어포일의 내면(36)을 갖고, 또한 에어포일(22)의 금속 부분인 에어포일의 외면(38)이 있다.
보호 영역(40)은 에어포일 내부의 보호된 표면(36)에 존재한다. 보호 영역(40)은 알루미늄 및 하나 이상의 다른 원소의 도너 합금을 에어포일 내부의 보호된 표면(36)에 침착시킴으로써 형성되어, 에어포일(22)의 본체는 기판(42)으로서 작용하게 된다. ("보호된 표면"이라는 용어는 보호되었거나, 보호되기 이전이지만 보호 영역의 형성에 의해 보호 표면을 나타내는데 사용된다.) 도너 합금은 전형적으로 보호 표면과 접촉하여 고체 또는 액체 층의 형태로 침착된다. 적어도 하나의 다른 (합금) 원소는, 예를 들어 크롬, 지르코늄, 하프늄, 이트륨, 세륨, 백금 및 팔라듐, 및 이들의 혼합물, 또는 후술하는 기법에 의해서 도포될 수 있는 임의의 다른 이용가능한 원소일 수 있다. 침착된 도너 합금은 기판(42)의 재료와 함께 상호확산되어 에어포일 내부의 보호된 표면(36) 아래에 보호 영역(40)을 형성한다. 대부분의 경우, 보호 영역(40)은, 도너 합금의 알루미늄 및 하나 이상의 다른 원소의 농도가 에어포일 내부의 보호된 표면(36) 근방에서 가장 높고, 에어포일 내부의 보호된 표면(36)에서 기판(42)까지의 거리가 증가할수록 농도가 감소한다. 변형된 확산 알루미나이드 보호 영역(40)은 전형적으로는 약 0.0005 내지 약 0.005 인치 두께이다. 고온 산화 환경에 노출된 경우, 에어포일 내부의 보호된 표면(36)에서의 알루미늄-농축 영역이 산화되어, 에어포일 내부의 보호된 표면(36)에서 고부착성인 알루미늄 산화물(Al2O3)의 보호용 박편을 형성하여 추가의 산화 손상을 억제하거나 지연시킨다. 하나 이상의 다른 원소는 보호 영역(40)에 의해 내산화성 및/또는 내식성을 개질 및 향상시킨다. 후술하는 바와 같이 에어포일의 외면(38)에 도포된 오버레이 코팅은 에어포일 내부의 보호된 표면(36)에 사용되지 않았는데, 이것은 적합한 침착 기법이 알려지지 않았기 때문이다.
또한, 에어포일의 외면(38)도 보호될 수 있는데, 도 2에서 한가지 방법을 예시한다. 보호 코팅재(44)는 오버레이되어 에어포일의 외면(38)과 접촉하게 된다. 보호 코팅재(44)는 에어포일의 외면(38)과 오버레이되어 접촉하게 되는 보호층(46)을 갖는다. 보호층(46)은 바람직하게는 확산 알루미나이드 또는 오버레이 조성물로 형성된다. 사용시, 확산 알루미나이드는 단순한 확산 알루미나이드 또는 보호 영역(40)과 관련해서 전술한 바와 같은 변형된 확산 알루미나이드일 수 있다. 사용시, 오버레이 보호 코팅재는 바람직하게는 MCrAlX 유형이다. "MCrAlX"라는 용어는, 환경 코팅재 또는 열 차단 코팅 시스템에서의 결합 코팅으로서 사용될 수 있는 다양한 부류의 오버레이 보호층(46)에 대한 당해 기술분야의 단축 용어이다. 상기 및 다른 형태에 있어서, M은 니켈, 코발트, 철 및 이들의 조합을 말한다. 이러한 보호 코팅재의 몇몇의 경우, 크롬은 제외될 수 있다. X는 하프늄, 지르코늄, 이트륨, 탄탈, 레늄, 루테늄, 팔라듐, 백금, 규소, 티탄, 붕소, 탄소 및 이들의 조합을 나타낸다. 구체적인 조성은 당해 기술분야에 공지되어 있다. MCrAlX 조성의 몇몇 예로는, 예를 들어 NiAlCrZr 및 NiAlZr을 포함하지만, 이러한 예의 목록으로 한정되는 것으로 여겨서는 안된다. 보호층(46)은 약 0.0005 내지 약 0.010 인치 두께이다. 이러한 보호층(46)은 일반적으로 당해 기술분야에 공지되어 있다.
또한, 세라믹층(48)은 보호층(46)과 오버레이되어 접촉하고 있다. 세라믹층(48)은 바람직하게는 산화이트륨-안정화된 지르코니아로서, 약 2 내지 약 20 중량%, 바람직하게는 약 3 내지 약 8 중량%의 산화이트륨을 함유한 산화지르코늄이다. 세라믹층(48)의 두께는 전형적으로는 약 0.003 내지 약 0.010 인치이다. 다른 이용가능한 세라믹 재료를 사용할 수도 있다. 세라믹층(48)이 존재하지 않는 경우, 보호층(46)은 "환경 코팅재"라고 말한다. 세라믹층(48)이 존재하는 경우, 보호층(46)은 "결합 코팅"이라고 말한다.
도 3은 본 발명의 방법을 실행하기 위한 바람직한 방법을 나타낸다. 제품을 제공하되(60), 이 경우 에어포일 부분(22)은 터빈 블레이드(20) 또는 터빈 베인에서 나타낸 바와 같다. 제품은 임의의 실시가능한 방법으로 제공된다. 터빈 블레이드 에어포일의 경우에 있어서, 터빈 블레이드는 내부 통로(34)를 보유한 채 고형화되거나, 고체 단편으로서 고형화될 수 있고, 내부 통로는 고체 단편으로 기계화될 수 있고, 상기 방법들의 조합을 이용할 수 있다.
제품은 니켈계 합금으로 제조된다. 본원에 사용된 바와 같이, "금속계"는 조성중에 지칭된 금속이 존재하는 다른 어느 원소 보다 더 많이 존재한다는 것을 의미한다. 예를 들어, 니켈계 합금은 임의의 다른 원소 보다 니켈을 더 많이 갖는다. 또한, 니켈계 합금은 니켈계 초경합금일 수도 있는데, 감마-프라임의 석출에 의해서 강화된 조성 또는 관련된 상임을 의미한다. 전형적인 니켈계 합금은 약 1 내지 약 25 중량% 코발트, 약 1 내지 약 25 중량% 크롬, 약 0 내지 약 8 중량% 알루미늄, 0 내지 약 10 중량% 몰리브덴, 약 0 내지 약 12 중량% 텅스텐, 약 0 내지 약 12 중량% 탄탈, 0 내지 약 5 중량% 티탄, 0 내지 약 7 중량% 레늄, 0 내지 약 6 중량 루테늄, 0 내지 약 4 중량% 니오브, 0 내지 약 0.2 중량% 탄소, 0 내지 약 0.15 중량% 붕소, 0 내지 약 0.05 중량% 이트륨, 0 내지 약 1.6 중량% 하프늄, 나머지 니켈 및 부수적인 불순물의 조성을 갖는다.
알루미늄 및 하나 이상의 다른 (합금) 원소의 도너 합금을 제공한다(62). 하나 이상의 다른 원소는 후속적인 가공 후 최종 생성물에서 보호 영역(40)의 특성을 향상시키도록 선택된 임의의 원소이다. 가장 관심있는 하나 이상의 다른 원소의 예로는, 크롬, 지르코늄, 하프늄, 이트륨, 세륨, 백금 및 팔라듐, 및 이들의 혼합물을 들 수 있다. 더욱 바람직한 예로는, 알루미늄 및 도너 합금의 약 30 중량% 미만의 효과량의 크롬을 포함하는 도너 합금; 알루미늄 및 도너 합금의 약 64 중량% 미만의 효과량의 백금을 포함하는 도너 합금; 알루미늄 및 도너 합금의 약 60 중량% 미만의 효과량의 팔라듐을 포함하는 도너 합금; 알루미늄 및 도너 합금의 약 50 중량% 미만의 효과량의 지르코늄을 포함하는 도너 합금; 알루미늄 및 도너 합금의 약 69 중량% 미만의 효과량의 하프늄을 포함하는 도너 합금; 알루미늄 및 도너 합금의 약 60 중량% 미만의 효과량의 이트륨을 포함하는 도너 합금; 및 알루미늄 및 도너 합금의 약 40 중량% 미만의 효과량의 세륨을 포함하는 도너 합금을 든다. 이러한 양이 각각의 경우에서 초과되는 경우, 상동 온도가 너무 낮아져 니켈계 기판 합금과 상용할 수 없어, 도너 합금 중 확산되지 않은 성분이 표면에 존재하거나 상기 표면으로 알루미늄 및 변경 원소를 불충분하게 전달하는 불량한 상호확산 및 가공성을 나타낸다. 더욱더 바람직한 예로는, 알루미늄 및 도너 합금의 약 2 내지 약 30 중량% 양의 크롬을 포함하는 도너 합금; 알루미늄 및 도너 합금의 약 4 내지 약 64 중량% 양의 백금을 포함하는 도너 합금; 알루미늄 및 도너 합금의 약 4 내지 약 60 중량% 양의 팔라듐을 포함하는 도너 합금; 알루미늄 및 도너 합금 의 약 0.1 내지 약 50 중량% 양의 지르코늄을 포함하는 도너 합금; 알루미늄 및 도너 합금의 약 0.1 내지 약 69 중량% 양의 하프늄을 포함하는 도너 합금; 알루미늄 및 도너 합금의 약 0.1 내지 약 60 중량% 양의 이트륨을 포함하는 도너 합금; 및 알루미늄 및 도너 합금의 약 0.1 내지 약 40 중량% 양의 세륨을 포함하는 도너 합금을 들 수 있다. 도너 합금 중 추가 원소의 양이 지시된 양 미만인 경우, 추가 원소의 양은 너무 적어서 보호 영역의 특성에 실질적으로 이로운 영향을 미치지 못한다.
도너 합금은, 바람직한 다성분 조성으로 고체 도너 합금을 형성함으로써 하나 이상의 추가 성분을 함유할 수 있다. 이와 비교해서, 상이한 원소의 상이한 증기화 및 증기-확산 속도로 인해, 증기상 방법에 있어서 공급원으로부터 하나의 추가 성분도 코팅재에 전달하기가 매우 어렵고, 다수의 추가 성분의 이용도 거의 불가능하다. 예를 들어, 증기상 알루미나이딩에 사용되는 공급원의 한 유형은 알루미늄-크롬 합금이지만, 상기 합금 중 크롬 증기압은 알루미늄의 증기압과 비교해서 매우 작아서, 공급 합금으로부터 증기상을 통해 침착된 코팅재로 전달되는 크롬은 거의 없게 된다.
또한, 도너 합금에 융점 강하제를 첨가하여 그의 융점을 낮출 수 있다. 바람직한 융점 강하제는 도너 합금의 약 2 내지 약 20 중량% 양의 규소이다.
도너 합금은 바람직하게 미분된 형태, 예를 들어 상기 조성의 예비합금된 분말로 제공된다. 두가지 유형 이상의 분말을 함께 혼합하여 도너 합금을 형성할 수 있다. 예를 들어, 도너 합금은, 한가지 유형의 분말이 추가 원소(들)로 합금된 알 루미늄이고 다른 유형의 분말이 순수한 알루미늄 또는 다른 예비합금된 분말인 분말 혼합물일 수 있다. 폭넓은 범위의 조성이 이러한 방법으로 수득될 수 있다.
도너 합금은 에어포일 내부의 보호 표면(36)에 도포된다(64). 도너 합금의 도포는 바람직하게 2 단계로 수행된다. 도너 합금은 내부의 보호된 표면(36)에 전달되어 연속 또는 불연속 층, 또는 응축상(즉, 액체 및/또는 고체이고, 증기 또는 기체가 아님)의 코팅재로서 내부의 보호된 표면(36)에 존재하여, 응축된 형태의 도너 합금이 내부의 보호 표면과 접촉하게 된다(66). 도너 합금의 절대 고상 온도의 약 0.7 보다 높지만 도너 합금이 제품의 보호된 표면과 접촉하는 응축상 형태로 유지되도록 하는 코팅 온도로 상기 제품 및 상기 합금을 가열한다(68). 코팅 온도는, 충분히 높은 확산 속도를 달성하기 위해서 도너 합금의 절대 고상 온도의 약 0.7 보다 높아야 한다. 코팅 온도는, 응축상 도너 합금이 비등 또는 승화에 의해 실질적으로 완전히 증발하거나, 응축상 확산 과정의 이점을 상실할 정도로 높일 수는 없다. 많은 기판 재료를 보호하기 위해서, 기판 재료의 야금술 또는 처리중 고려할 사항에 의해 코팅 온도의 범위는 추가로 제한된다. 바람직한 실시태양에서, 코팅 온도는, 니켈계 합금 기판의 노화 주기 또는 특정 용도에서 사용될 수 있는 납땜 합금과 상용성이도록, 약 2100oF 이하, 바람직하게는 약 1700 내지 약 2100oF의 범위이다. 단계 (66) 및 (68)은 동시에 수행되거나, 단계 (66) 이후의 단계 (68)가 수행되도록 후속적으로 일어난다.
합금은, 도너 합금으로부터 기판(42)으로의 알루미늄 및 다른 원소의 응축상 확산을 가능하게 하도록, 응축상으로서 내부의 보호된 표면(36)과 직접 물리적으로 접촉되어 있어야 한다. 몇몇의 기타 도포 방법에 있어서, 공급원은 표면과 직접 물리적으로 접촉하지 않고, 종종 표면으로부터 몇몇 인치 정도 떨어져 있어서, 침착될 원소는 일단 기화하고, 증기상 전달에 의해 표면으로 이동하고, 이어서 표면에 침착됨으로써 표면에 도달하게 된다. 이러한 경우, 합금의 원소는 기화되고 매우 다른 속도로 확산하여 표면상에 침착된 재료의 조성을 조절하기 어렵게 만든다. 본 발명의 경우, 도너 합금으로부터 기판으로의 원소의 확산은 고상 또는 액상 확산에 의해 이루어진다. 고상 및 액상에서의 원소의 확산 속도는 동일하지 않지만, 코팅 공급원으로부터 다른 원소의 기화 및 증기상-전달시 달성되었던 것보다는 도너 합금의 조성에 더욱 근접한 기판상의 조성을 수득하게 된다.
응축상 도너 합금은 임의의 실시가능한 방법에 의해 내부의 보호 표면으로 전달될 수 있다(단계 66). 전형적으로, 도너 합금은 캐리어와 혼합되고, 혼합물은 보호 표면에 도포된다. 바람직한 방법은 발포체 또는 슬러리로서 사용된다. 발포체 방법에 있어서, 미분된 도너 합금은 발포제, 예를 들어 폴리우레탄과 혼합된다. 발포 혼합물을 내부 통로(34)로 주입한다. 이어서, 가열함에 따라 발포체가 붕괴될 때, 미분된 도너 합금은 내부의 보호된 표면(36)에 침착된다. 슬러리 방법에 있어서, 미분된 도너 합금은 액체 슬러리-형성제, 예를 들어 액체 아크릴계 화합물과 혼합된다. 혼합물을 액상으로 내부 통로(34)로 주입하여 슬러리로 보호 표면(36)을 코팅하고, 슬리리 형성 캐리어를 기화, 제거하여 보호된 표면(36)에 침착된 도너 합금을 남긴다.
제품 및 합금을 일정한 기간동안 코팅 온도로 유지하여 내부의 보호된 표면(36)의 도너 합금이 보호 표면으로 상호확산하게 한다(70). 코팅 온도 범위에서 바람직한 상호확산 시간(70)은 약 1 내지 약 10 시간이고, 도 2에서 예시한 바와 같이 보호 영역(40)을 생성하게 된다.
또한, 보호된 표면을 세정제, 예를 들어 할라이드-함유 세정제로 세정 및 처리하여, 기판의 표면(42)으로부터의 확산을 방해하는 산화물 및 기타 방해물을 제거한다. 용해성 세정 물질, 예를 들어 암모늄 클로라이드, 암모늄 플루오라이드 또는 염화크롬 수용액을 용매에 용해시켜, 예를 들어 제품을 용액에 침지시키고 건조시킴으로써 상기 용액을 표면에 도포시킨다. 그 결과, 보호 표면상에 세정 물질의 건조막이 형성된다. 대신, 세정 물질, 예를 들어 알루미늄 트리플루오라이드는 캐리어와 혼합되어 표면에 도포될 수 있다.
외면(38)은 선택적이지만 바람직하게 보호된다(72). 외부 보호층(46)은 일단 도포된다(74). 외부 보호층(46)은 임의의 실시가능한 방법에 의해 도포될 수 있다. 예를 들어, 단계 (64)에서 사용된 방법과 동일한 방법을 단계 (74)에서 사용할 수 있다. 상기의 경우, 단계 (64 및 74)는 동시에 수행될 수 있다. 기타 공지된 확산 알루미나이딩 기법, 예를 들어 증기상 알루미나이딩, 전술한 팩킹 알루미나이딩 등을 단계 (74)에서 사용할 수 있다. 상기의 경우, 단계 (74)는 단계 (64) 보다 이전에, 이후에 또는 동시에 수행될 수 있다.
한편, 외부 보호층(64)은 오버레이 코팅재일 수 있다. 사용된 경우, 오버레이 보호층(46)은 바람직하게는 MCrAlX 유형이다. 외부 보호층(46)은 임의의 실시가능한 기법, 예를 들어 물리적 증착법(예를 들어, 스퍼터링, 금속 아크, 전자빔) 또는 열 분무법에 의해 침착된다. 보호층(46)의 두께는 바람직하게는 약 0.0005 내지 약 0.010 인치, 더욱 바람직하게는 약 0.002 내지 약 0.007 인치이다. 이러한 경우, 단계 (74)는 단계 (64) 보다 이전에, 이후에 또는 동시에 수행될 수 있다.
세라믹층(48)은 선택적으로 외부 보호층(46)에 오버레이되도록 도포될 수 있다(76). 세라믹층(48)은 바람직하게는 약 0.003 내지 약 0.010 인치, 더욱 바람직하게는 약 0.005 인치 두께이다. (도 2는 상기 스케일로 도시되지 않았다.) 세라믹층(48)은 바람직하게는 산화이트륨-안정화된 지르코니아로서, 산화이트륨 약 2 내지 약 20 중량%, 바람직하게는 약 3 내지 약 8 중량%를 함유한 산화지르코늄이다. 다른 사용가능한 세라믹 재료도 사용할 수 있다. 세라믹층(48)은 임의의 실시가능한 기법, 예를 들어 물리적 증착법 또는 열 분무법에 의해 침착될 수 있다. 사용된 단계 (76)은 사용된 단계 (74) 이후에 수행되고, 통상적으로는 단계 64 이후에 수행된다.
본 발명의 구체적인 실시태양은 예시할 목적으로 상세히 기술되었지만, 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않는 한 다양한 변형 및 개량이 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 첨부된 특허청구범위로서만 제한된다.
본 발명에 따르면, 상기 성분의 조성을 용이하게 조절가능하게 함으로써, 알루미늄 및 하나 이상의 다른 원소의 합금의 표면 보호층에 의해 니켈계 제품, 특히 가스 터빈 에어포일의 내면의 보호를 간편하게 수행할 수 있고, 합금의 성분 조성도 용이하게 조절해 줄 수 있다.

Claims (20)

  1. 니켈계 합금으로 제조된 제품을 제공하는 단계;
    알루미늄 및 하나 이상의 다른 원소를 포함하는 도너(donor) 합금을 제공하는 단계;
    상기 제품의 보호된 표면에 상기 도너 합금을 도포시키는 단계로서,
    상기 도너 합금을 포함하는 발포체를 형성하고 상기 발포체를 상기 보호된 표면으로 전달하는 것을 포함하는, 상기 도너 합금의 상기 제품의 보호된 표면과의 접촉 공정, 및 상기 도너 합금의 절대 고상(solidus) 온도의 0.7 보다 높지만 상기 도너 합금이 제품의 보호된 표면과 접촉하는 응축상의 형태로 유지되도록 하는 코팅 온도로 상기 제품 및 상기 도너 합금을 가열하는 공정을 포함하는 도포 단계; 및
    이어서 상기 도너 합금을 상기 제품의 보호된 표면으로 상호확산시키는 단계
    를 포함하는 제품의 표면을 보호하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    제품의 제공 단계가 가스 터빈 엔진의 부품(20)을 제공하는 단계를 포함하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    제품의 제공 단계가 가스 터빈 에어포일(airfoil)(22)을 제공하는 단계를 포함하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    제품의 보호된 표면이 제품의 내면(36)인 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    제품의 보호된 표면이 제품의 외면(38)인 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    제품의 보호된 표면이 제품의 내면(36) 및 제품의 외면(38)을 포함하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    도너 합금의 제공 단계가 크롬, 지르코늄, 하프늄, 이트륨, 세륨, 백금 및 팔라듐, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 다른 원소 및 알루미늄의 도너 합금을 제공하는 단계를 포함하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    도너 합금의 제공 단계가 알루미늄 및 도너 합금의 30 중량% 미만의 크롬을 포함하는 도너 합금을 제공하는 단계를 포함하는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    도너 합금의 제공 단계가 알루미늄 및 도너 합금의 64 중량% 미만의 백금을 포함하는 도너 합금을 제공하는 단계를 포함하는 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    도너 합금의 제공 단계가 알루미늄 및 도너 합금의 60 중량% 미만의 팔라듐을 포함하는 도너 합금을 제공하는 단계를 포함하는 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    도너 합금의 제공 단계가 도너 합금에 융점 강하제를 제공하는 단계를 포함하는 방법.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제 1 항에 있어서,
    상호확산 단계가, 1 내지 10 시간동안 도너 합금을 보호된 표면으로 상호확산시키는 단계를 포함하는 방법.
  15. 제 1 항에 있어서,
    가열 단계가 1700 내지 2100oF의 온도로 제품 및 도너 합금을 가열하는 단계를 포함하는 방법.
  16. 제 1 항에 있어서,
    도너 합금이 코팅 온도에서 고상을 포함하는 방법.
  17. 제 1 항에 있어서,
    도너 합금이 코팅 온도에서 액상을 포함하는 방법.
  18. 제 1 항에 있어서,
    도너 합금이 2 이상의 다른 원소를 함유하는 방법.
  19. 삭제
  20. 삭제
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