KR100943789B1

KR100943789B1 - 코팅된 금속 부품 및 이의 형성 방법

Info

Publication number: KR100943789B1
Application number: KR1020090010682A
Authority: KR
Inventors: 존 허버트 우드
Original assignee: 제너럴 일렉트릭 캄파니
Priority date: 2000-12-21
Filing date: 2009-02-10
Publication date: 2010-02-23
Also published as: US6391479B1; KR20090024764A; EP1217096B1; JP2002302779A; EP1217096A2; KR20020050715A; EP1217096A3; JP4060072B2

Abstract

본 발명은 내산화성 코팅 층 및 내산화성 코팅 층과 부품 사이에 배치된 중간층을 포함하는, 의도적으로 첨가된 질소를 함유하는 합금으로 이루어진 코팅된 금속 부품에 관한 것이다. 중간층은 실질적으로 질소를 함유하지 않는다(질소가 존재하는 경우, 이는 내산화성 층과 함께 질화물을 형성한다).

Description

코팅된 금속 부품 및 이의 형성 방법{A COATED METAL COMPONENT AND A METHOD OF FORMING THEREOF}

본 발명은 일반적으로 금속 부품상에 내산화성 금속 코팅을 형성시키는데 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명에서는 합금 에이치알-120(HR-120)과 알루미늄-함유 내산화성 코팅 사이의 양립성을 개선시키는 작용을 하는 중간층을 제공한다.

HR-120은 일부 기체 터빈 고온부 부품에 사용되는 더욱 값비싼 Ni-계 초합금을 대체할 수 있는 양호한 고온 특성을 갖는 Ni-Fe-Cr 합금이다. HR-120의 공칭 조성은 Ni 37중량%, Cr 25중량%, Co 3중량% 이하, Mo 2.5중량% 이하, W 2.5중량% 이하, Cb 0.7중량%, Mn 0.7중량%, Si 0.6중량%, Al 0.1중량%, C 0.05중량%, B 0.004중량%, N 0.2중량% 및 나머지량의 Fe이다. 그러나, 작업 온도가 상당히 높으면, 과도한 산화의 위험으로부터 합금을 보호하기 위해 내산화성 코팅이 필요해질 수 있다. 기체 터빈에 사용되는 내산화성 코팅에는 전형적으로 알루미늄이 풍부한 데, 그 이유는 Al이 부품의 표면에 보호성 산화물 스케일(scale)을 형성하는데 바람직한 원소이기 때문이다.

HR-120은 고용체(solid solution) 강화제로서 작용하는 질소를 의도적으로 첨가시켜 포함하고 있다는 점에서 보다 독특한 고온 합금이다. 전형적으로 터빈 버킷(bucket), 노즐 및 측판(shroud)에 사용되는, 분무된 MCrAlY(여기에서, M은 Co, Ni 및/또는 Fe이다) 코팅 및 확산 알루미나이드 코팅(즉, Al이 기재내로 확산되고 기재내의 다른 원소가 알루미늄과 함께 코팅을 형성할 때 형성된 코팅)으로 코팅된 HR-120 샘플을 고온에 노출시키면, MCrAlY 코팅의 경우 코팅/기재 계면에서 또는 확산 알루미나이드 코팅의 경우 코팅 자체내에 질화알루미늄 상(phase)이 형성되었다. 후자의 경우에는, 이러한 작용에 의해 코팅중 일부가 완전히 효능을 잃게 되고 정적 공기 노출동안 간단히 부스러져버렸다. MCrAlY 코팅의 경우, 코팅/기재 계면을 따라 연속적인 질화알루미늄 층이 형성되었다. 취화 단계(brittle phase)에 있는 이러한 층은 미세구조가 바람직하지 않은데, 그 이유는 이러한 층이 존재하지 않을 때보다 보호성 코팅이 보다 용이하게 이층되기 때문이다.

이렇게 취성의 질화물 상이 형성되는 것은 HR-120중의 N이 사용된 결과이다. 고온에서 질소와 코팅중의 알루미늄이 상호 확산된 결과 서로 접촉하게 될 때, 질소는 알루미늄과 용이하게 결합한다.

코팅된 HR-120의 작업 노출시 취성의 질화물 층이 형성되는 것을 막을 필요가 있다. 본 발명은 그러한 요구를 충족시키고자 한다.

최근, HR-120과 내산화성 코팅 사이에 중간층을 침착시킴으로써, HR-120중의 질소와 코팅중의 알루미늄의 상호작용의 결과 취성의 질화알루미늄이 형성되는 것을 방지하거나 억제할 수 있음을 발견하였다. 놀랍게도, 이러한 중간층이 존재하여도 코팅된 합금의 기계적 특성 및 물리적 특성에 끼치는 영향은 최소이다.

제 1 요지로서, 본 발명은 내산화성 코팅 층 및 내산화성 코팅 층과 부품 사이에 배치된 중간층을 포함하는, 의도적으로 첨가된 질소를 함유하는 코팅된 금속 부품을 제공한다. 중간층에는 실질적으로 질소가 함유되지 않는다(질소가 존재하는 경우, 이는 내산화성 층으로부터의 알루미늄과 함께 취성의 질화물 상을 형성한다).

추가적인 요지로서, 본 발명은 부품상에 제 1 중간층(이는 실질적으로 질소를 함유하지 않는다)을 코팅시키는 것을 포함하는, 의도적으로 첨가된 질소를 함유하는 금속 부품상에 코팅을 형성하는 방법을 제공한다.

본 발명에 따라, HR-120으로부터의 질소와 내산화성 코팅으로부터의 알루미늄이 서로 접촉하여 질화알루미늄 상을 형성함으로써 코팅이 시기적으로 이르게 파괴되고 HR-120으로 이루어진 부품의 수명이 단축되는 문제점 없이, HR-120으로 이루어진 상기 부품을 기체 터빈에 성공적으로 사용할 수 있다.

도면을 참조하자면, 도 1은 1800℉(약 982℃)에 1000시간동안 노출시킨 후 HR-120상의 분무된 MCrAIY 코팅의 현미경사진이다. 코팅/기재 계면의 연속적인 짙은 층이 코팅으로부터의 알루미늄과 합금으로부터의 질소가 서로 접촉할 때 형성되는 질화알루미늄 상이다. 이는 취성의 약한 계면 층을 형성하는 경향이 있으며, 이는 작업시 코팅이 훨씬 더 잘 부스러짐을 의미한다.

도 2는 1900℉(약 1038℃)에 1000시간동안 노출시킨 후 확산된 알루미나이드 코팅에서 생기는 문제점을 보여준다. 여기에서는, 짙은 질화물 상이 코팅 내에 또한 코팅 아래의 기재 합금 내에(알루미늄이 합금내로 확산됨으로 인해) 형성된다. 이 경우, MCrAIY에 의해 나타나는 연속적인 층 보다는 불연속적인 큰 입자로서 형성되는 경향이 있다.

도 3은 1900℉(약 1038℃)에 1000시간동안 노출된 후 다른 알루미나이드화된 샘플에서 관찰된 현상을 보여준다. 여기에서는, 취성의 질화물이 형성됨으로 인해 알루미나이드 코팅이 이층되었다. 더욱이, 이러한 현상은 기계에서 겪게 되는 것 같은 열 충격 없이 등온 노출동안 발생하였다.

본 발명은 통상적으로 HR-120과 알루미늄이 풍부한 코팅 사이에 질소를 함유하지 않은 것을 제외하고는 HR-120과 조성이 동일한 물질의 층을 열 분무(HVOF 또는 VPS)에 의해 도포함으로써 수행된다. "질소를 함유하지 않은"이란 용어는 질소가 합금 조성의 일부로서 의도적으로 첨가되지 않음을 의미한다. 이러한 상황에서, 질소는 전형적으로 50ppm 이하, 더욱 통상적으로는 5 내지 25ppm의 양으로 존재한다. 이로 인해, 질소-함유 물질이 Al이 풍부한 코팅과 긴밀하게 접촉하지 못하게 됨으로써, 질화알루미늄 상이 형성되지 못한다. 중간층의 조성은 의도적으로 첨가된 질소를 제외하고는 HR-120과 동일하다.

이 중간층의 조성은 필수적으로 HR-120의 조성과 동일하다. 따라서, 합금의 산화 및 열적 특성에 대한 효과는 최소이다.

중간층은 예컨대 5 내지 100밀(127 내지 2540㎛)의 두께를 갖는다. 더욱 통상적으로, 중간층의 두께는 부품의 형태 및 작업온도에 따라 10 내지 50밀(254 내지 1270㎛), 예컨대 15 내지 35밀(381 내지 889㎛)이다.

본 발명에서는 시기적으로 이른 코팅의 파괴 및 부품의 수명 단축을 일으킬 수 있는 취성의 질화알루미늄 상을 형성하지 않으면서 이러한 물질들의 조합을 사용할 수 있도록 한다. HR-120은 양호한 고온 특성 및 비교적 저렴한 가격 등의 잇점을 갖고, 현재 몇몇 기체 터빈 디자인에서 내부 측판 재료로서 사용되고 있다. 이러한 용도중 몇몇 용도에서는 고온 산화 보호를 위해 알루미늄이 풍부한 코팅을 필요로 한다. 그러나, 본 발명은 알루미늄이 풍부한 코팅과 함께 사용되는 것으로 한정되지는 않는다. 본 발명은 또한 크롬(Cr) 또는 규소(Si)가 풍부한 코팅과 함 께 사용될 수도 있는데, 이는 이들 원소도 고온에서 질소의 존재하에 질화물 상을 형성하는 경향을 강하게 나타내기 때문이다.

가장 실용적이고 바람직한 실시태양인 것으로 생각되는 것과 관련하여 본 발명을 기재하였지만, 본 발명이 개시된 실시태양으로 한정되는 것으로 이해되어서는 안되며, 그 반대로 첨부된 특허청구범위의 원리 및 영역내에 포함되는 다양한 변형 및 동종의 장치를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 1800℉(약 982℃)에 1000시간동안 노출된 후 HR-120상의 분무된 MCrAlY 코팅의 현미경사진이다.

도 2는 1900℉(약 1038℃)에 1000시간동안 노출된 후 확산된 알루미나이드 코팅에서 생기는 문제점을 보여주는 현미경사진이다.

도 3은 1900℉(약 1038℃)에서 1000시간동안 노출된 후 다른 알루미나이드화된 (aluminided) 샘플에서 일어난 현상을 나타내는 현미경사진이다.

Claims

질소를 함유하는 금속 부품;

알루미늄을 포함하는 내산화성 코팅 층; 및

상기 부품과 상기 내산화성 코팅 층 사이에 배치되며, 0 ppm 내지 50 ppm 범위의 질소를 함유하는 중간층

을 포함하는, 코팅된 금속 부품.
제 1 항에 있어서,

상기 내산화성 코팅 층이 크롬 또는 규소를 추가로 포함하는, 코팅된 금속 부품.
제 1 항에 있어서,

상기 부품이 Ni 37중량%, Cr 25중량%, Co 3중량% 이하, Mo 2.5중량% 이하, W 2.5중량% 이하, Cb 0.7중량%, Mn 0.7중량%, Si 0.6중량%, Al 0.1중량%, C 0.05중량%, B 0.004중량%, N 0.2중량% 및 나머지량의 Fe의 조성을 가진 HR-120으로 이루어진, 코팅된 금속 부품.
제 1 항에 있어서,

상기 중간층이 Ni 37중량%, Cr 25중량%, Co 3중량% 이하, Mo 2.5중량% 이하, W 2.5중량% 이하, Cb 0.7중량%, Mn 0.7중량%, Si 0.6중량%, Al 0.1중량%, C 0.05중량%, B 0.004중량% 및 나머지량의 Fe의 조성을 가진, 코팅된 금속 부품.
질소를 함유하는 금속 부품;

상기 부품의 표면상에 배치되며, 0 ppm 내지 50 ppm 범위의 질소를 함유하는 중간층;

상기 중간층 위에 배치되며, 알루미늄을 포함하는 내산화성 코팅 층

을 포함하는, 기체 터빈에 사용하기 위한 코팅된 금속 부품.
제 5 항에 있어서,

상기 내산화성 코팅 층이 크롬 또는 규소를 추가로 포함하는, 코팅된 금속 부품.
제 5 항에 있어서,

상기 부품이 Ni 37중량%, Cr 25중량%, Co 3중량% 이하, Mo 2.5중량% 이하, W 2.5중량% 이하, Cb 0.7중량%, Mn 0.7중량%, Si 0.6중량%, Al 0.1중량%, C 0.05중량%, B 0.004중량%, N 0.2중량% 및 나머지량의 Fe의 조성을 가진 HR-120으로 이루어진, 코팅된 금속 부품.
제 5 항에 있어서,

상기 중간층이 Ni 37중량%, Cr 25중량%, Co 3중량% 이하, Mo 2.5중량% 이하, W 2.5중량% 이하, Cb 0.7중량%, Mn 0.7중량%, Si 0.6중량%, Al 0.1중량%, C 0.05중량%, B 0.004중량% 및 나머지량의 Fe의 조성을 가진, 코팅된 금속 부품.
질소를 함유하는 금속 부품상에 0 ppm 내지 50 ppm 범위의 질소를 함유하는 중간층을 코팅시키고,

상기 중간층 상에 알루미늄을 포함하는 내산화성 층을 코팅시킴

을 포함하는, 금속 부품에 코팅을 형성하는 방법.
제 9 항에 있어서,

상기 금속 부품이 Ni 37중량%, Cr 25중량%, Co 3중량% 이하, Mo 2.5중량% 이하, W 2.5중량% 이하, Cb 0.7중량%, Mn 0.7중량%, Si 0.6중량%, Al 0.1중량%, C 0.05중량%, B 0.004중량%, N 0.2중량% 및 나머지량의 Fe로 이루어진, 방법.