KR101339083B1 - 자체 치유 가능한 본드 코트 조성물 및 이의 배열 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기판(420), 기판 위에 있는 금속-기재 어드밴스드 본드 코트(435) 및 본드 코트 위에 있는 세라믹 탑 코트(440)를 지니는 열 베리어 코팅(TBC) 시스템(450)에 관한 것이다. 본드 코트(435)는 열적 컨디셔닝 산화 환경에 노출되는 경우에 비-알루미나 세라믹 옥사이드 조성물을 형성할 수 있는 세라믹 옥사이드 전구체 물질을 포함한다. 그러한 본드 코트(435)의 구체예는 1 내지 20중량% 범위의 희토류 원소, 및 약 5 내지 30중량% 범위의 Hf 또는 약 2 내지 20중량% 범위의 Zr을 포함한다. 자가-치유 TBC 시스템(400, 402, 404)의 예는 통상의 본드 코트(433, 437) 또는 통상의 본드 코트 화학물질과 함께 그러한 본드 코트(435) 또는 이의 어드밴스드 본드 코트 화학물질을 사용함으로써 제공된다.

Description

자체 치유 가능한 본드 코트 조성물 및 이의 배열{BOND COAT COMPOSITIONS AND ARRANGEMENTS OF SAME CAPABLE OF SELF HEALING}
본 발명은 금속성 기판과 열 베리어 코팅(thermal barrier coating (TBC))의 외부 배치된 세라믹 층(또한 "탑 코트"라 일컬어짐) 사이에 적용되도록 포뮬레이션(formulation)되고 그러한 목적으로 의도된 어드밴스드(advanced) 본드 코트를 위한 본드 코트 화학물질에 관한 것이다. 본 발명은 또한 그러한 어드밴스드 본드 코트를 포함하는 TBC 시스템, 특히, 어드밴스드 본드 코트로 인해서 자체-치유성을 지니는 TBC 시스템에 관한 것이다.
열 베리어 코팅(TBC)은 일반적으로 외부 단열 세라믹 층과 금속성 부품의 외부 표면상의 하부 산화내성 금속 층(일부 분야에서 베이스코트(basecoat)로 일컬어지는 본드 코트)을 포함하는 2-층 시스템을 포함한다. 전형적으로, 그러한 TBC 시스템의 본드 코트 자체는 본 기술 분야에서 M-Cr-Al-X로 인정된 복잡한 화학 시스템을 나타내며, 상기 식에서, M은 니켈, 코발트 또는 이들 둘의 조합이고, X는 일반적으로 이트륨이지만, 대안적으로 Si, Ta, 또는 Hf일 수 있다. 본드 코트의 합금 조성물은 산화 및 부식 내성에 가장 적합하도록 선택된다. 니켈 기재 합금은 일반적으로 우수한 산화 내성인 것으로 입증되어 있고, 코발트 기재 합금은 우수한 고온 부식 내성을 제공하고 있다. 일반적으로, 이들 본드 코트는, 작업 및 그 밖의 요건에 따라서, 공기 플라즈마 또는 진공 플라즈마/저압 플라즈마, 와이어-아크, 불꽃 연소, 고속 산소-연료 또는 냉 스프레이 공정을 이용함으로써 증착된다.
예를 들어, TBC 시스템은 세라믹 탑 코트, 예컨대, 본드 코트상에 적용되는 이트리아 안정화된 지르코니아를 이용할 수 있다. 그러한 세라믹 탑 코트는 전형적으로는 전자 빔 물리적 기상 증착(electron beam physical vapor deposition (EB-PVD)) 또는 플라즈마 스프레이에 의해서 적용된다. 세라믹 탑 코트 적용 전에, 본드 코트의 표면은 본드 코트와 사용된 특이적 세라믹 탑 코드 사이의 결합성이 최대가 되게 최적화된다. EB-PVD의 경우, 본드 코트는 일반적으로 열적 베리어를 제공하는 주상 세라믹 탑 코트(columnar ceramic top coat)의 증착 전에 연마되고 예비-산화처리된다. 반면, 플라즈마 스트레이된 세라믹 탑 코트는 거친 본드 코트 표면을 선호하며 증착 전에 알루미늄 옥사이드 층의 동일반응계내 형성(in-situ formation)을 요하지 않는다. 플라즈마 스프레이된 세라믹 열 베리어 코팅은 다공성 및 마이크로 크랙(micro crack)에 의존하여 서비스 동안 긴장을 수용한다.
도 1A는 종래 기술에 따른 통상의 TBC 시스템(100)의 개략적인 측단면도를 도시하고 있다. 통상의 TBC 시스템(100)은 기판(120), 본드 코트(130), 및 외부 세라믹 층(140)으로 구성되어 있다. 도 1B는 통상의 본드 코트 화학물질로 형성된 실제 종래 기술의 TBC 시스템(100)의 단면도이며, 여기서, 기판(120)의 상부가 관찰가능한데, 그 위에 본드 코트(130)가 배치되어 있고, 그 위에 외부 세라믹 층(140)이 배치되어 있다.
일반적으로, 작업중의 고온 노출시에, 본드 코트는 본드 코트 합금중의 원소성 구성요소의 선택적 산화에 기인하여 표면 보호성 옥사이드 층으로 성장한다. 이러한 옥사이드 층의 요구되는 성질은 열역학적 안정성, 느린 성장 및 접착성이다. 현재, 합금의 대부분은 크로미아(chromia) 또는 알루미나 포머(former)이며, 본드 코트 중의 비교적 낮은 농도의 이트륨의 존재는 세라믹 탑 코트에 대한 본드 코트/세라믹 탑 코트 경계에서 형성된 옥사이드 층의 접착성을 개선시킨다. 그러나, 옥사이드 스케일(scale)은 전체 시스템(특히, 세라믹 층(140))에 비해서 높은 열전도성 및 낮은 열팽창성을 지녀서, 파쇄를 유도하는 옥사이드/세라믹 층 계면에서의 잔류 스트레스를 증가시킨다.
도 2는 종래 기술에 따른 TBC 시스템(200)의 박리의 한 예를 도시하고 있다. 외곽 쪽으로는 Al2O3 층(233)이 있는 본드 코트(230)와 상부 세라믹 층(240) 사이의 박리 부위(210)가 관찰 가능하다. 기판(220)의 상부가 또한 관찰 가능하다.
현재, 연속적이며 더 접착성인 표면 옥사이드 층의 형성에 대한 방대한 양의 조사 보고서가 있다. 예를 들어, 합금 첨가제를 Cr, Si, Ta, Hf 및 귀금속(Pt, Pd)으로 하고 있는, 소량의 반응성 원소의 첨가가 그러한 형성을 촉진함이 공지되어 있다. 1999년 11월 30일자 허여된 쉬미츠(Schmitz) 및 체코(Czech)의 미국특허 제5,993,980호에서는, 접착-촉진 층의 특정의 포뮬레이션(formulation)이 0.3 내지 2.0%의 이트륨 및/또는 스칸듐 및 희토류 원소를 포함한 군으로부터의 하나 이상의 1가 금속을 포함할 수 있다. 미국특허 제5,993,980호에 인용된 초기 참조문헌 PCT 공보 WO/89/07159호는 2-층 금속성 보호 코팅의 외부층 합금이 이트륨과, 다른 희토류 금속을 배제한 다른 금속을 포함하는 목록으로부터의 0.2 내지 3.0%의 하나 이상의 원소를 포함할 수 있음을 개시하고자 설명하고 있다.
우수한 TBC 시스템을 개발하고자 하는 이들 및 그 밖의 포뮬레이션 및 방법에도 불구하고, TBC 시스템에서의 지속된 문제, 예컨대, 부품 수명의 연장에 대한 TBC 포뮬레이션 및 시스템에 대한 요구가 여전하다.
도면의 간단한 설명
본 발명이 이하 도면을 참조로 하여 설명될 것이다.
도 1A는 종래 기술에 따른 TBC 시스템의 개괄적인 측단면도이고, 도 1B는 통상의 본드 코트 화학물질로 형성된 종래기술에 따른 실제 TBC의 측단면도이다.
도 2는 박리를 입증하고 있는 종래기술에 따른 TBC 시스템의 측단면 현미경사진이다.
도 3A는 산화 조건에 노출시킨 후에 형성된 알루미나 층을 나타내는 종래 기술에 따른 TBC 시스템의 측단면 현미경사진이고, 도 3B는 세라믹 옥사이드 형성을 나타내는 본 발명의 TBC 시스템의 측단면 현미경사진이다.
도 4A 내지 도 4D는 본 발명의 본드 코트 층화 대안물들의 그래픽 단면도이다.
발명의 상세한 설명
상기 논의된 조사중 일부에서 접착 성질이 요구되고 있지만, 본 발명의 방법은 열적 컨디셔닝, 즉, 충분한 시간 동안 충분히 상승된 온도에 노출되는 경우의 세라믹 탑 코트-유사 화학물질의 선택적 산화를 촉진하기에 충분하게 본드 코트 조성물을 변화시키고 있다. 이러한 방법은 유리하게 세라믹 탑 코트에 비견되는 열적 팽창 계수를 지니는 낮은 열전도성 비-알루미나 열적 성장 옥사이드의 이점을 지닌다. 따라서, 열전도성과 열팽창성의 이러한 밀접한 매칭은 알루미나 또는 크로미나 형성의 경우에 비해서 경계에서 생성되는 스트레스 수준을 감소시킨다.
본드 코트 화합물질은 본원에 기재된 비교적 높은 중량 백분율로 하나 이상의 희토류 원소를 첨가하고 또한 Zr 및 Hf중 하나 이상을 첨가하여 알루미늄 농도를 감소시킴으로써 변화된다. 특정의 이론으로 한정하고자 하는 것은 아니지만, 본드 코트에 존재하는 이트륨 및/또는 그 밖의 원소인 희토류 원소의 비교적 높은 수준은, 충분한 Zr 또는 Hf가 존재하는 경우에, 단열 세라믹 옥사이드 조성물, 예를 들어, Gd2O3-ZrO2, Gd2O3-HfO2, Y2O3-ZrO2, Y2O3-HfO2 등을 형성하는 것으로 여겨진다. 따라서, 본 발명의 어드밴스드 본드 코트 화학물질은 가열시에, 예컨대, TBC 시스템을 포함하는 터빈 엔진 부품의 경우의 고온 작동 동안에 대체성 옥사이드 조성물(alternative oxide composition)을 제공하는 능력을 지니는 것으로 보인다.
유리하게는, 이들 대체성 옥사이드 조성물은, 예컨대, 스페이딩(spading) 또는 그 밖의 마모 또는 충격-관련 손실에 기인하여 TBC 시스템의 세라믹층의 일부가 손실된 후에, 본드 코트내에 세라믹-유사 층을 형성시켜서 번-쓰루우(burn-through)"를 방지함으로써 터빈 엔진 부품의 재해성 고장을 방지하거나 유리하게 지연시킬 수 있는 자가-치유 표면층을 제공하는 능력을 지닌다.
본원에서 사용된 용어 "희토류 원소"는 원소 세륨(Ce), 디스프로슘(Dy), 에르븀(Er), 유러퓸(Eu), 가돌리늄(Gd), 홀뮴(Ho), 란탄(La), 루테튬(Lu), 네오디뮴(Nd), 프라세오디뮴(Pr), 사마륨(Sm), 테르븀(Tb), 툴륨(Tm), 이테르븀(Yb), 및 이트륨(Y)을 의미함을 주지해야 한다. 본 기술분야에서 일부 사용되는 다른 정의는 이트륨 외에 다른 비-란타나이드 계열 원소를 포함할 수 있으며, 또한 지구 표면에 자연적으로 존재하지 않는 란타나이드 계열 원소인 프로메튬을 포함할 수 있음을 주지해야 한다. 그러나, 청구범위를 포함한 본 출원의 목적상, 상기 정의된 원소는 용어 "희토류 원소"로 확인된 원소군인 것으로 취급된다. Y 및 Gd를 예로 하는 설명 및 사용은 본 발명의 범위를 한정하는 것을 의미하지 않는다.
본 발명의 구체예의 어드밴스드 본드 코트 포뮬레이션중의 희토류 원소의 상기된 상대적인 높은 중량 백분율에 관해서, 하기 표, 즉, 표 1은 그러한 희토류 원소에 대한 범위 및 포뮬레이션중의 다른 주요 구성요소에 대한 범위를 제공하도 있다.
표 1: 자가-치유 진보성 본드 코트 포뮬레이션 요약
Figure 112009039964442-pct00001
다양한 희토류 원소가 표 1의 시스템중 시스템 A 및 B에서 Y 또는 시스템 C 및 D에서 Gd에 대해서 치환될 수 있음을 주지해야 한다. 이러한 목적을 위해서 및 본원에서 사용되고 있는 용어와 같은 "어드밴스드 본드 코트"를 형성하기에 효과적인 포뮬레이션을 추가로 요약하기 위해서, 시스템 코드 E는 일반화된 식을 제공한다. 이러한 일반화된 식에서, 1-20 전체 REE"는 특정 포뮬레이션의 약 1 내지 약 20중량%가 하나 이상의 희토류 금속으로 구성됨을 나타낸다. 일반화된 식 E에 관해서 추가로, Zr 또는 Hf중 하나 이상이 각각 표시된 범위로 첨가되고 있다. 특정의 이론으로 한정하고자 하는 것은 아니지만, 소량 농도 이상으로 Zr 및 Hf 둘 모두를 함유하는 포뮬레이션은 옥사이드 형성에 비-생산성 경쟁반응을 유도할 수 있고 비용 효과적이지 못할 것이라는 것이 예상된다. 그러나, 포뮬레이션은 Zr 또는 Hf중 하나 이상을 표시된 각각의 범위로 요구하며, 특정 포뮬레이션에서의 다른 것의 첨가(그렇게 하여 둘 모두가 존재)는 그럼에도 불구하고 본원의 교시사항 범위내에 속함을 의미한다. Zr 또는 Hf중 하나는 표시된 농도 범위로 존재하여 충분한 양의 이들 원소가 어드밴스드 본드 코트 층에 이용되어서 본원에 기재된 복합 세라믹 옥사이드가 형성되게 한다. 예를 들어, 2중량% 이상의 Zr, 또는 5중량% 이상의 Hf가 본 발명의 특정의 어드밴스드 본드 코트 구체예에 존재한다.
본 기술분야에 일반적으로 공지된 정보 및 표 1의 정보에 추가로, 하기 명명법은 본드 코트 조성물을 확인하고 구별하도록 적용된다. 본원에서 사용된 용어 "통상의 본드 코트"는 "어드밴스드 본드 코트"와 혼합되거나 병용되지 않으면서, 충분히 열처리되는 경우, 예컨대, 고온 가스 터빈 작동 동안에, 더 외부로 배치된 세라믹 층에 대해서 알루미늄 옥사이드 경계 층을 일반적으로 형성할 수 있는 화학물질을 지니는 본드 코트를 의미한다. 대표적인 통상의 본드 코트는 M-Cr-Al-X 복합 화학물질이며, 여기서, M은 니켈 또는 코발트이거나 이들의 조합이고, Cr은 약 15 내지 25중량%로 존재하고, X는 약 2를 초과하지 않는 전체 중량%로 존재하며, Y, Si, Ta, 및 Hf로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상이고, Al은 약 7 내지 약 15% 범위의 중량%로 존재한다. M-Cr-Al-X 합금의 특정 부유의 한 예로서, CoNiCrAlY 합금은 35-40%Co, 30-35%Ni, 20-25%Cr, 5-10%Al, 및 0.1-2%Y로 구성될 수 있다. 주지된 바와 같이, 통상의 본드 코트의 정확한 합금 조성은 특정의 적용에 산화 및 부식 내성에 대해서 최상의 적합성을 제공하도록 선택될 수 있다. 니켈 기재 합금은 일반적으로 우수한 산화 내성인 것으로 입증되어 있고, 코발트 기재 합금은 우수한 열 부식 내성을 제공한다.
추가로, 본원에서 사용된 "어드밴스드 본드 코트"는 "통상의 본드 코트"에서와 같은 금속 기재 화학물질을 지닌다. 그러나, "어드밴스드 본드 코트"는 표 1에 제공된 대표적인 포뮬레이션 범위에 따라 변화된 화학물질을 지녀서(Y 및 Gd는 어떠한 희토류 금속의 단순한 예임을 인지함), 그러한 본드 코트가 약 5 내지 약 8% 범위의 낮은 중량%의 Al, 모든 희토류 원소에 대해 약 1 내지 약 20중량%의 일반적인 범위로 하나 이상의 희토류 원소, 및 Zr의 경우 약 2 내지 20중량%와 Hf의 경우 약 5 내지 30중량% 범위로 존재하는 Zr 또는 Hf를 지니게 한다. 본원에서 기재된 "어드밴스드 본드 코트"의 다양한 구체예는 대안적으로 열과 산소에 충분히 노출되는 경우에 세라믹 물질을 형성하도록 배치되는 이들의 성질로 인해서 "자가-치유 본드 코트"로 일컬어질 수 있는데, 그러한 세라믹 물질은 어드밴스드 본드 코트 층 위에 있을 수 있는 세라믹 층의 성질과 실질적으로 밀접한 열전도성 및 팽창성을 지님을 주지해야 한다. 다양한 구체예에서, 어드밴스드 본드 코트의 고온 노출시에 형성되는 세라믹 옥사이드는 상부 세라믹 TBC 층의 열전도성의 10% 이내, 대안적으로는 20% 이내의 열전도성을 지닐 수 있다.
열에 대한 충분한 노출시에, 시스템 A는 낮은 열전도성의 Y2O3-HfO2 조성물을 형성한다. 유사하게, 열에 대한 충분한 노출시에, 시스템 B는 낮은 열전도성의 Y2O3-ZrO2 조성물을 형성하고, 시스템 C는 낮은 열전도성의 Gd2O3-ZrO2 조성물을 형성하고, 시스템 D는 낮은 열전도성의 Gd2O3-HfO2 조성물을 형성한다. 충분한 열에 대한 노출은 그러한 세라믹 옥사이드를 형성시키기에 충분한 시간 동안 900℃를 초과하는 온도에 대한 노출을 의미한다. 본 기술분야의 전문가에게는 일반적으로 인식되고 있는 바와 같이, 장치, 예컨대, 가스 터빈 엔진의 작동 시간 동안의 열 노출이 그러한 노출을 제공하는 경향이 있으며, 이들 옥사이드는 낮은 온도에서 보다 더 높은 온도에서 더 빠르게 형성된다. 그러한 열 노출 조건하에, 산소가 주변 대기에 존재하는 경우, 재료가 노출되는 산화 대기가 필요한 열과 산소를 제공하여 본 발명의 어드밴스드 본드 코트 구체예중의 그러한 세라믹 옥사이드의 형성을 보조함이 이해될 수 있다.
상기된 바와 같은 어드밴스드 본드 코트의 구체예의 형성시에, 형성된 비-알루미나 세라믹 옥사이드 조성물의 열전도성은 각각의 어드밴스드 본드 코트 위에 있을 수 있는 세라믹 층의 열전도성과 비교적 근사할 수 있다. 상기 주지된 바와 같이, 그러한 비교적 유사한 열전도성의 한 가지 이점은 부서지는 경향이 낮다는 것이다. 또 다른 이점은, 세라믹 층의 일부가 떨어져 나가거나 달리 제거되어 어드밴스드 본드 코트가 노출되는 경우에 단위 시간당 더 높은 열에 노출되는 그러한 어드밴스드 본드 코트 부위가 비교적 낮은 열 전도성 세라믹-유사 부위를 형성하는, "자가-치유"이다(예, 도 3B 및 도 4A 내지 4C). 이는 부품의 고장 및 번-쓰루우를 지연시킴으로써 부품의 수명을 연장시키는 효과가 있다. 본원에서 사용된 용어 "자가-치유하는" 및 "자가-치유"는 이하 문단에서 기재된 범위로 열전도성을 지니는 세라믹-유사 조성물(이러한 용어는 세라믹 조성물을 포함함)의 형성에 관한 것이다.
상기 자가-치유 부위의 예는 배타적임을 의미하지 않는다. 어드밴스드 본드 코트중의 세라믹-유사 조성물의 형성은 열 노출(및 그 밖의 인자)의 함수로서 시간에 따라서 발생한다. 따라서, 어드밴스드 본드 코트내의 세라믹-유사 영역은 앞선 상부 세라믹 층의 제거를 통해서 노출되는 특정의 부위로 한정되지 않는다. 세라믹-유사 영역 또는 부위의 형성시의 어드밴스드 본드 코트의 열전도성과 관련하여, 형성된 비-알루미나 세라믹 옥사이드의 열전도성은 약 0.2 내지 1.2W/m°K일 수 있다. 더욱 특히, 형성된 특정의 비-알루미나 세라믹 옥사이드 조성물의 열전도성은 약 0.4 내지 0.8W/m°K일 수 있다. 이들 범위는 끝점을 포함하며 제한됨을 의미하지 않는다.
어드밴스드 본드 코트 층 구체예는 또한 외부 세라믹 탑 코트의 CTE에 밀접한 열팽창계수(Coefficient of Thermal Expansion (CTE))를 지니는 성질을 지닌다. 예를 들어, 및 제한하고자 하는 것은 아니지만, 형성된 일부 비-알루미나 세라믹 옥사이드 조성물은 8㎛/m℃ 초과의 CTE를 지닌다.
Y와 Gd가 본원에 정의된 희토류 원소 그룹의 구성원임을 인식할 때, 어떠한 희토류 원소가 단독으로 또는 조합물의 사용에 의해서 표 1에 제공된 포뮬레이션의 Y 또는 Gd중 하나가 대체될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 이로 한정되는 것은 아니지만, 하기 표 2는 본 발명의 교시내용에 따라서 어드밴스드 본드 코트를 생성시키는 적합한 포뮬레이션의 몇 가지 예를 제공한다.
표 2: 특정의 어드밴스드 본드 코트 포뮬레이션
Figure 112009039964442-pct00002
5 내지 8%의 Al 범위는 모든 구체예를 제한함을 의미하지 않으며, 어드밴스드 본드 코트 포뮬레이션이 열적 컨디셔닝시에 알루미나 경계 층이 아닌 세라믹 옥사이드 층을 형성시키는 충분한 농도의 희토류 원소 및 Hf 및/또는 Zr을 제공하기에 효과적인 한, 더 높거나 더 낮을 수 있다는 것이 주지되고 있다. 추가로, 희토류 원소에 대해서 언급된 범위(상기 참조, 예를 들어, 표 1의 시스템 코드 E)와 관련하여, 1 내지 20중량%의 범위는 언급된 범위를 대표하는 것이며, 또한 언급된 끝점을 포함한 본원에서 각각 포함되는 모든 정수를 포함한 모든 더 좁은 범위를 포함함을 나타낸다. 예를 들어, 본원 개시사항에 의한 특정의 구체예에 대한 희토류 원소의 범위는 3 내지 20중량%, 4 내지 20중량%, 3 내지 19중량%, 4 내지 19중량%, 및 상기 범위의 끝점, 즉 1과 20을 포함하고 그 들 사이에 있는 모든 정수에 대한 상기 형태의 범위이다. 다른 방법을 설명하면, 모든 범위의 축소 범위(nested range)중의 하나의 축소 범위의 상한은 언급된 범위내의 정수의 감소로 감소될 수 있으며, 모든 축소 범위중의 하나의 축소 범위의 하한은 언급된 범위내의 정수의 증가로 증가할 수 있다. 다양한 구체예에서, 그러한 서브-범위가 또한 Zr의 경우의 2 내지 20의 언급된 범위 및 Hf의 경우의 5 내지 30중량%의 언급된 범위에 적용된다.
실시예 1
하기 표 3에 기재된 4 가지의 특정의 어드밴스드 본드 코트 포뮬레이션을 하기 원안을 이용하여 제조하였다: 분말 화학물질을 세라믹 조성물을 얻기 위한 요구된 범위를 기초로 하여 특정화시켰다. 분말을 일정한 분말 화학물질을 달성하기 위해서 가스 분무 기술을 이용하여 제조하였다. 이들 분말을 열 스프레이를 이용하여 추가로 증착시켰다. 샘플을 900℃ 초과의 온도로 가열 처리하여 산화 특성을 평가하였다. 모든 이들 특정의 포뮬레이션은 시스템 A 내지 E의 각각의 일반적인 포뮬레이션 범위에 대해서 상기된 바와 같이 기재된 낮은 전도성 옥사이드 조성물을 형성시킴을 입증시켰다.
표 3: 4 가지의 특정의 어드밴스드 본드 코트 포뮬레이션
Figure 112009039964442-pct00003
표 3의 대조 및 K 포뮬레이션의 단면에 대한 현미경사진이 도 3A 및 도 3B에 각각 도시되어 있다. 도 3A는 열적 컨디셔닝 산화 환경에 노출된 후의 종래 기술에 따른 통상의 본드 코트 화학물질의 현미경사진이다. 접착성 Al2O3 층(333)은 기판(320) 위에 있는 본드 코트(330)에 인접하여 관찰되고 있다.
도 3B는 어드밴스드 본드 코트의 변화된 화학물질을 기초로 하는 성공적인 세라믹-유사 옥사이드의 현미경사진을 도시하고 있다. 특히, 이러한 현미경사진은 상기된 방법에 의해서 표 3의 시스템 코드 K의 포뮬레이션을 이용함으로써 생성된 샘플을 취한 것이다. 일부가 (355)로 표시된 세라믹 옥사이드가 Al2O3 층에 우선적으로 형성되고 있으며 어드밴스드 본드 코트(350) 전체에서 분산 관찰되고 있다. 주목할만하게는, 이러한 예에서, (355)로 표시된 바와 같은 세라믹 옥사이드가 표면을 향해서 더 조밀하게 형성되고 있다. 이러한 성공적인 세라믹-옥사이드 형성은 발명자로 하여금 그 자체가 많은 다양한 TBC 시스템 구체예에 대한 신규의 유용하고 유리한 형태 및 구조에 적용되게 함을 이해할 수 있게 하였다. 또한 기판(320)의 상부가 도 3B에서 관찰되고 있다.
상기 주지된 바와 같이, 본 발명은 또한 TBC 시스템의 일부로서 어드밴스드 본드 코트 화학물질 및 어드밴스드 본드 코트의 배열에 관한 것이다. 더욱 특히, 제한하고자 하는 것은 아니지만, TBC 시스템중의 유리하게 설계된 자가-치유 어드밴스드 본드 코트 형상의 세 가지 예가 도 4A 내지 도 4C에 도시되어 있다. 요구된 TBC 시스템 및 적용 환경에 따라서, 새로운 화학물질이 단일 층 본드 코트, 알루미나/크로미아 포머(former)인 기존의 본드 코트의 상부상의 층, 기존의 화학물질로부터 새로운 화학물질로 전이되는 조성 구배 본드 코트, 기존의 본드 코트 화학물질중에 분산된 새로운 본드 코트 분말 또는 기존의 화학물질 본드 코트의 두 층 사이의 새로운 화학물질로서 증착된다. 모든 이들 경우에서, 형성된 열적 성장 옥사이드는 스트레스를 감소시키고, 낮은 열전도성을 보유하며, 그로 인해서 부품의 수명을 연장하는데 도움을 주는 이점을 부여한다.
도 4A는 TBC 시스템(400)의 개괄적인 단면도를 제공한다. TBC 시스템(400)은 한층한층 그 위에 싸이는 구조로 기판(420), 본드 코트(430), 및 세라믹 층(440)으로 구성된다. 본드 코트(430)는 본원에 기재된 적용방법에 의해서 적용되어서 제 1 본드 코트 부분(432)이 통상의 본드 코트 화학물질을 사용함으로써, 즉, 높의 수준의 알루미늄을 포함시킴으로써 적용되게 한다. 제 1 본드 코트 부분(432)의 증착 마지막을 향해서, 이러한 통상의 더욱 알루미늄 풍부한 화학물질의 적용으로부터 본원에 기재된 어드밴스드 본드 코트 화학물질에 이르는 평탄한 전이가 제공되어서, 층이 그 최종 두께를 향해서 더 얇아짐에 따라 어드밴스드 본드 코트가 증착되게 한다. 이러한 사항이 제 2 본드 코트 부분(434)으로서 도 4A에 도시되어 있다. 마지막으로, 세라믹 층(440)이 본드 코트(430) 위에 적용되어서, 세라믹 층(440)이 본드 코트(430)의 제 2의 어드밴스드 본드 코트 부분(434) 위에 직접 놓이게 한다. 도 4A에 도시된 구체예의 이점은, 기판에 대한 더 강한 접착이 통상의 본드 코트의 기존의 화학물질에 의해서 제공되며, 세라믹 층(440)과 직접 연관된 제 2 부분(434) 중의 어드밴스드 본드 코트의 새로운 화학물질이 열팽창계수 및 열전도성과 관련하여 세라믹 코트(440)와 본드 코트(430) 사이의 덜 심각하고 파괴적인 전이를 위해서 제공된다는 것이다.
도 4B는 또한 기판 층(420), 세라믹 층(440), 및 그들 사이의 본드 코트(430)를 유사하게 포함하는 TBC 시스템(402)의 개략적인 단면도이다. 그러나, 그러한 도 4B에서, 본드 코트(430)는 제 1층(433)과 제 2 층(435)으로 구성된다. 제 1 층(433)은 금속 기재 본드 코트 화학물질을 위해서 본원에 개시된 새로운 본드 코트 화학물질보다 비교적 더 높은 알루미늄 농도를 지니는 상기된 바와 같은 더욱 통상의 화학물질을 사용함으로써 적용되고 있다. 상부 본드 코트 층(433)을 적용시키는 본드 코트 층(435)은 본원에 기재된 더 새로운 본드 코트 화학물질로 구성된다. 따라서, 평탄한 화학물질의 전이가 이루어지는 것이 아니라, 두 본드 코트 층(433)과 층(435) 사이의 구별되는 전이가 발생된다. 그러나, 도 4A의 구체예의 이점과 유사하게, 이러한 구체예는 기판(420)에 대한 본드 코트의 더 큰 접착성을 제공하고 또한 세라믹 층(440)과 본드 코트(430)의 새로운 화학물질 층(435) 사이의 더욱 강한 전이를 제공한다.
도 4C는 다수의 본드 코트 층이 제공된 세 번째 구체예를 도시하고 있다. TBC 시스템(404)은 기판(420), 세라믹 층(440) 및 그 사이에 배치된 본드 코트(430)를 포함하며, 그러한 TBC 시스템에서, 본드 코트(430)는 기판(420)의 바로 위에 있는 제 1의 기존(통상) 화학물질 층(433), 본드 코트 층(433)의 바로 위에 있는 새로운 화학물질의 어드밴스드 본드 코트 층(435) 및 본드 코트 층(435) 바로 위에 있는 기존(통상) 화학물질 본드 코트 층(437)을 포함한다. 도 4C에 도시된 바와 같이, 세라믹 층(440)은 최상부 본드 코트 층(437)에 직접적용된다. 이러한 구체예는 작동 동안 세라믹 층(440)의 일부가 부서지거나 TBC 시스템으로부터 우발적으로 제거되는 경우에 그에 의해서 먼저 본드 코트 층(437)이 높은 작동 온도에 노출될 수 있다는 면에서 자가-치유 능력을 위해서 특별히 적용된다. 특정의 이론으로 한정하고자 하는 것은 아니지만, 높은 작업 온도는 본드 코트 층(437)의 그 노출된 부분을 신속하게 열화시키고 제거하며 손실시킴이 예상된다. 이러한 작동 기간 동안 및 그 후에, 본드 코트 층(437)의 일부가 손실되고, 본원에 개시된 새로운 화학물질의 본드 코트 층(435)이 부서지거나 달리 제거된 세라믹 층(440)의 손실을 상쇄하도록 추가의 지속성 보호를 제공하는 TBC-유사 세라믹 옥사이드를 형성시킨다. 따라서, 이러한 자가-치유 특성은 그러한 TBC 시스템(404)을 포함하는 부품이, 도 4C에 도시된 바와 같은 본드 코트에 대한 다층 방법이 없었다면, 달리 발생될 수 있는 재해적 고장을 피하게 한다.
도 4D는 본 발명의 기초적 자가-치유 TBC 구체예를 개략적으로 도시하고 있다. 본원에서, 자가-치유될 수 있는 TBC 시스템(450)은 기판(420), 기판 위에 있는 금속 기재 어드밴스드 본드 코트(435) 및 본드 코트 위에 있는 세라믹 탑 코트(440)를 지닌다. 이러한 형태는 자가-치유 특징이 단순한 형상으로 뿐만 아니라 더 복잡한 배열로 제공될 수 있음을 나타내며 단지 이들 중 세 가지가 도 4A 내지 도 4C에서 상기 나타내고 있음을 의미한다.
일반적으로, 통상의 및 어드밴스드 본드 코트는 작업 요건에 따라서 공기 플라즈마 또는 진공 플라즈마/저압 플라즈마, 와이어-아크, 불꽃 연소, 고속 산소-연료(high velocity oxy-fuel) 또는 냉 스프레이 공정(cold spray process)을 이용함으로써 증착된다. 또한, 베이스 코트 적용에서 사용되는 분말을 형성시키는 어떠한 공지된 방법이 이용될 수 있음을 주지해야 한다. 예를 들어, 이로 한정되는 것은 아니지만, 베이스 코트 분말은 희토류 원소(들)를 포함한 성분을 가스 분무하여 비교적 균일한 분말 입자 화학물질을 얻음으로써 제조될 수 있으며, 이어서 이는 본원에서 지시된 방법에 의해서 기판상에 증착 또는 달리 적용된다.
본 발명의 구체예는 터빈, 예컨대, 가스 터빈 엔진, 및 항공기 엔진뿐만 아니라 본원에 기재된 바와 같은 증가된 보호 및 내구성을 제공하기에 효과적인 어드밴스드 본드 코트를 지니는 열 베리어 시스템을 지니는 부품을 요하는 어떠한 그 밖의 장치를 위한 부품을 포함할 수 있음을 주지해야 한다.
본 발명의 다양한 구체예가 본원에서 도시되고 설명되고 있지만, 그러한 구체예는 단지 예를 위해서 제공되고 있음이 자명할 것이다. 다양한 변화, 변경 및 치환이 본 발명을 벗어나지 않으면서 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구항의 사상 및 범위에 의해서만 제한된다.

Claims (21)

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  10. 기판(420); 기판(420) 위에 있는 금속-기재 본드 코트(434, 435); 및 세라믹 탑 코트(440)를 포함하는 열 베리어 코팅(TBC) 시스템(400, 402, 404, 450)으로서,
    금속-기재 본드 코트(434, 435)가 산화 대기중에서 900℃ 초과의 온도로 가열되는 경우에 비-알루미나 세라믹 옥사이드 조성물을 형성할 수 있는 세라믹 옥사이드 전구체 물질을 포함하며,
    산화 대기중에서 900℃ 초과의 온도로 가열되기 전의 금속-기재 본드 코트(434, 435)가 24 내지 38중량%의 Co; 20 내지 32중량%의 Ni; 11 내지 20 중량%의 Cr; 5 내지 8중량%의 Al; 전체 1 내지 5 중량%의 하나 이상의 희토류 원소; 및 2 내지 20중량%의 Zr을 포함하고,
    비-알루미나 세라믹 옥사이드 조성물이 Zr을 포함하는 TBC 시스템(400, 402, 404, 450).
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  16. 제 10항에 있어서,
    기판(420) 위에 있는 통상의 본드 코트 화학물질의 본드 코트 부위(432)로부터 세라믹 탑 코트(440)에 직접 인접한 금속-기재 본드 코트(434)로 전이되는 전이 본드 코트를 추가로 포함하고,
    통상의 본드 코트 화학물질의 본드 코트 부위(432)가 M-Cr-Al-X를 포함하며, 여기서, M은 니켈, 코발트 또는 이들의 조합이고, Cr은 15 내지 25중량%의 양으로 존재하고, X는 전체 2중량%를 초과하지 않는 양으로 존재하며, Y, Si, Ta 및 Hf로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상이고, Al은 7 내지 15중량% 범위의 양으로 존재하는, TBC 시스템(400).
  17. 제 10항에 있어서,
    기판(420)과 금속-기재 본드 코트(435) 사이에 통상의 본드 코트 화학물질의 제 1 본드 코트 층(433)을 추가로 포함하고,
    통상의 본드 코트 화학물질의 본드 코트 층(433)이 M-Cr-Al-X를 포함하며, 여기서, M은 니켈, 코발트 또는 이들의 조합이고, Cr은 15 내지 25중량%의 양으로 존재하고, X는 전체 2중량%를 초과하지 않는 양으로 존재하며, Y, Si, Ta 및 Hf로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상이고, Al은 7 내지 15중량% 범위의 양으로 존재하는, TBC 시스템(402).
  18. 삭제
  19. 제 10항에 있어서,
    금속-기재 본드 코트(345)가 다층 본드 코트(430)의 부분이고,
    다층 본드 코트(430)가 또한 기판(420) 위에 그리고 금속-기재 본드 코트(435) 아래에 있는 통상의 본드 코트 화학물질의 제 1 본드 코트 층(433); 및 금속-기재 본드 코트(435) 위에 있는 통상의 본드 코트 화학물질의 제 2 본드 코트 층(437)을 포함하며,
    통상의 본드 코트 화학물질의 제 1 및 제 2 본드 코트 층(433, 437)이 M-Cr-Al-X를 포함하며, 여기서, M은 니켈, 코발트 또는 이들의 조합이고, Cr은 15 내지 25중량%의 양으로 존재하고, X는 전체 2중량%를 초과하지 않는 양으로 존재하며, Y, Si, Ta 및 Hf로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상이고, Al은 7 내지 15중량% 범위의 양으로 존재하는, TBC 시스템(404).
  20. 제 10항에 있어서, 하나 이상의 희토류 원소가 세륨, 디스프로슘, 에르븀, 유러퓸, 가돌리늄, 홀뮴, 란탄, 루테튬, 네오디뮴, 프라세오디뮴, 사마륨, 테르븀, 툴륨, 이테르븀, 및 이트륨으로 이루어진 군으로부터 선택되는, TBC 시스템(400, 402, 404, 450).
  21. 삭제
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