KR101492313B1 - 나노 및 마이크로 구조의 세라믹 열 차단 코팅 - Google Patents

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Abstract

세라믹 층(16)의 연성은 나노 구조를 가지는 내부 세라믹 층(10)에 의해 개선된다.

Description

나노 및 마이크로 구조의 세라믹 열 차단 코팅{NANO AND MICRO STRUCTURED CERAMIC THERMAL BARRIER COATING}
본 발명은 나노 구조 및 마이크로 구조 층을 가진 세라믹 열 차단 코팅에 관한 것이다.
열 차단 코팅은 낮은 열 전도성뿐만 아니라 기판 또는 금속 접합 코팅에 양호한 접합을 제공해야만 한다.
특히, 열 차단 코팅의 연성은 개선되어야만 한다.
그러므로, 본 발명의 목적은 세라믹 열 차단 코팅의 연성을 개선하는 것이다.
이 문제는 제1항에 따른 열 차단 코팅에 의해 해결된다.
도 1은 본 발명의 개략도이다.
도 2는 가스 터빈을 도시한다.
도 3은 터빈 블레이드를 도시한다.
도 4는 연소 챔버를 도시한다.
도 5는 초합금의 목록을 도시한다.
아래의 예와 도면은 본 발명의 실시예에 불과하다.
도 1에서는 구성요소(1, 120, 130, 155)가 도시된다. 이는 특히, 도 5에 주어진 바와 같은 니켈계 초합금으로 만들어진 가스 터빈(100, 도 2)을 위한 블레이드 또는 베인(120, 130, 도 3)과 같은 구성요소인 경우에 금속 기판(4)을 도시한다.
기판(4) 상에는, 금속 접합 코팅(7), 특히 MCrAlY 종류가 바람직하게 도포된다.
일부 경우에서, 세라믹 열 차단 코팅(TBC, 16)은 기판(4) 상에 직접 도포될 수 있다. 기판(4) 상에서 또는 접합 코팅(7) 상에서, 세라믹 TBC을 도포하는 동안 또는 적어도 코팅 시스템의 작동 동안 알루미늄 산화 층(8, TGO)이 형성된다.
접합 코팅(7)은 바람직하게는 상부 영역 내에 감소된 양의 알루미늄 및/또는 크롬을 가진 2개 층의 금속 층이다. 바람직하게는, 이 상부 금속 층은 약 16% 내지 18%의 크롬(Cr) 및 4% 내지 5%의 알루미늄(Al)을 가진다. 이는 세라믹 층에 직접적으로 대면하는 금속 층의 연성을 개선한다.
세라믹 열 차단 코팅(16)은 2개 층의 세라믹 층 코팅(10, 13)이다. 특히, 세라믹 TBC(16)는 오직 2개의 층(10, 13)으로 이루어진다.
기판(4) 상에 또는 그 위의 금속 접합 코팅(7) 상의 내부 세라믹 코팅(10)은 나노 구조이고 위에 놓인 세라믹 층(13)보다 특히 더 얇다. 이는 세라믹 코팅의 연성 및 접착성을 개선한다.
나노구조는 세라믹 층(10)의 입자 크기의 약 70%, 특히 적어도 90%가 500nm 보다 작으며, 특히 300nm 이하인 것을 의미한다. 소결을 피하기 위한 최소 입자 크기는 100nm 보다 크고(이상이고), 매우 특히 200nm 이상이다. 오직 내부 세라믹 층(10)만이 나노구조이다. 외부 층(13)은 마이크로 구조이다. 마이크로구조는 입자의 입자 크기의 적어도 70%, 특히 적어도 90%가 1㎛보다 크며, 특히 20㎛보다 크다는 것을 의미한다.
하부 층(10)은 특히 상부 세라믹 열 차단 코팅(10)보다 더 얇다. 이는 상부 층(13)의 두께가 세라믹 층(13)의 전체 두께의 적어도 60%, 특히 70%를 포함하는 것을 의미한다.
특히, 하부 세라믹 층(10)은 최소 10㎛, 특히 20㎛, 내지 100㎛까지의 두께를 가진다.
특히, 내부 세라믹 층(10)은 3 부피% 내지 14 부피%까지, 특히 9 부피% 내지 14 부피%의 공극률을 가진다. 특히, 상부 세라믹 층(13)은 내부 세라믹 층(10)보다 더 큰(적어도 10%, 특히 20% 이상의 차이) 공극률, 특히 15 부피%보다 더 큰 공극률 및 30 부피%까지의 공극률을 가진다.
상부 층(13)은 플라스마 분사, HVOF 또는 냉간 가스 분사와 같은 임의의 코팅 방법에 의해 도포될 수 있다. 나노 구조 세라믹 층(10)은 바람직하게는 현탁(solution), 플라스마 분사(plasma spraying) 또는 용액 전구 플라스마 분사(solution precursor plasma spraying) 또는 임의의 졸 겔 기술에 의해 도포된다.
2 개의 세라믹 층(10, 13)의 재료는 동일할 수 있으며, 특히 이 재료는 이트륨 안정화 지르코니아이다. 또한, 내부 세라믹 층(10)은 나노구조의 부분적으로 안정화된 지르코니아일 수 있고 상부 층(13)은 상이한 조성을 제공하고 특히 가돌리늄 지르코네이트(Gd2Zr2O7과 같은) 또는 가돌리늄 하프네이트(Gd2Hf2O7와 같은)인 파이로클로르의 구조를 가지는 세라믹 층이다.
도 3은 종방향 축(121)을 따라 연장되는, 터보기계의 회전자 블레이드(120) 또는 안내 베인(130)의 사시도를 도시한다.
터보기계는 항공기 또는 전기를 발생시키기 위한 발전 플랜트의 가스 터빈, 스팀 터빈 또는 압축기일 수 있다.
블레이드 또는 베인(120, 130)은 종방향 축(121)을 따라 차례로 고정 영역(400), 인접 블레이드 또는 베인 플랫폼(403) 및 메인 블레이드 또는 메인 파트(406)를 가진다. 안내 베인(130)으로서, 베인(130)은 안내 베인의 베인 팁(415)에서 추가적인 플랫폼(도시되지 않음)을 가질 수 있다.
회전자 블레이드(120, 130)를 샤프트 또는 디스크(도시되지 않음)에 고정하기 위해 사용되는 블레이드 또는 베인 루트(183)가 고정 영역(400) 내에 형성된다. 블레이드 또는 베인 루트(183)는 예를 들어, 헤머헤드 형태로 디자인된다. 전나무(fir-tree) 또는 더브테일(dovetail) 루트와 같은 다른 형태도 가능하다. 블레이드 또는 베인(120, 130)은 메인 블레이드 또는 베인 파트(406)를 통해 유동하는 매체를 위한 선단 에지(409) 및 후단 에지(412)를 가진다.
통상적인 블레이드 또는 베인(120, 130)의 경우에, 예를 들어 중실형 금속 재료, 특히 초합금이 블레이드 또는 베인(120, 130)의 모든 영역(400, 403, 406)에 사용된다. 이러한 종류의 초합금은, 예를 들어, EP 1 204 776 B1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 A1, WO 99/67435 또는 WO 00/44949로부터 알려지며, 이러한 문서들은 합금의 화학적 조성과 관련하여 본 개시내용의 일부를 형성한다. 이러한 경우에, 블레이드 또는 베인(120, 130)은 주조 공정에 의해, 또한 방향성 응고에 의해서, 단조 공정에 의해서, 밀링 공정에 의해서 또는 이들의 조합에 의해서 생성될 수 있다.
단-결정 구조 또는 구조물을 가진 작업편이 작동 동안 높은 기계적, 열적 및/또는 화학적 부하에 노출되는 기계를 위한 구성요소로서 사용된다. 이러한 종류의 단-결정 작업편은 예를 들어, 용융물로부터의 방향성 응고에 의해 생성된다. 이는, 액체 금속 합금이 단-결정 구조, 즉 단-결정 작업편을 형성하기 위해 즉, 방향성을 가지고 응고되는 주조 공정을 포함한다. 이러한 공정에서, 덴드라이틱(dendritic) 결정이 열 유동의 방향을 따라 형성되고 주상 결정 입자 구조(즉, 작업편의 전체 길이를 따라서 연장하고 일반적인 용어에 따르면, 방향성을 가지고 응고된다고 본문에서 지칭되는 입자) 또는 즉, 전체 작업편이 단일의 결정으로 이루어지는 단-결정 구조를 형성한다. 이러한 공정에서, 구형(다결정질) 응고로의 전환은 피해야만 하며, 이는 비-방향성 성장은 불가피하게 횡방향 및 종방향 입자 경계를 형성하기 때문이며, 이는 방향성을 가지고 응고된 또는 단-결정의 성분이 가지는 양호한 특성을 상쇄시킨다. 일반적으로, 방향성을 가지고 응고되는 마이크로구조물이라고 지칭되는 경우, 이는 임의의 입자 경계를 가지지 않는 또는 기껏해야 작은-각도 입자 경계를 가지는 단일 결정, 그리고 종방향을 따라 연장되는 입자 경계를 가지면서 횡방향 입자 경계를 가지지 않는 주상 결정 구조 모두를 아우르는 것으로 이해되어야한다. 후자의 결정 구조의 경우에서, 방향성을 가지고 응고된 마이크로 구조(방향성을 가지고 응고된 구조)로서 지칭될 수도 있다. 이러한 종류의 공정은 US 6,024,792 및 EP 0 892 090 A1으로부터 알려진다.
또한, 블레이드 또는 베인(120, 130)은 부식 또는 산화물에 대해 보호하는 코팅을 가질 수 있으며, 예를 들어, MCrAlX이며, M은 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소이며, X는 활성 원소이고 이트륨(Y) 및/또는 실리콘 및/또는 적어도 하나의 희토류 원소 또는 하프늄(Hf)을 나타낸다. 이러한 종류의 합금은 EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 B1, EP 0 412 397 B1 또는 EP 1 306 454 A1으로부터 알려진다.
즉, 이트륨 산화물 및/또는 칼슘 산화물 및/또는 마그네슘 산화물에 의해 안정화되지 않은, 부분적으로 안정화된 또는 완전히 안정화된 예를 들어, ZrO2, Y2O4-ZrO2 로 이루어진 열 차단 코팅이 MCrAlX 상에 존재할 수 있다. 주상 입자는 예를 들어, 전자 빔 물리 증착법(EB-PVD)와 같은 적절한 코팅 공정에 의해 열 차단 코팅 내에 생성된다.
용어 재생(refurbishment)은 보호 층이 사용된 후에, 보호 층이 구성요소(120, 130)로부터 제거되어야만 하는 것을(예를 들어, 샌드 블라스팅에 의해) 의미한다. 그리고나서, 부식 및/또는 산화 층 또는 생성물이 제거된다. 필요하다면, 구성요소(120, 130) 내의 균열이 본 발명에 따른 솔더를 사용하여 보수된다. 구성요소(120, 130)의 재코팅이 뒤따르고, 그 후에 구성요소(120, 130)가 다시 사용될 수 있다.
블레이드 또는 베인(120, 130)은 중실형 또는 중공형 디자인일 수 있다. 블레이드 또는 베인(120, 130)이 냉각되어야 한다면, 이는 중공형이고 필름 냉각 구멍(418, 은선으로 나타냄)을 포함할 수도 있다.
도 4는 가스 터빈(100, 도 2)의 연소 챔버(110)를 도시한다.
연소 챔버(110)는 예를 들어, 환형 연소 챔버로서 알려진 바와 같이 구성되며, 이러한 구성에서, 주연 방향으로 회전 축(102) 둘레에 배열되는 복수의 버너(107)가 공통 연소 챔버 공간(154) 안으로 개방되고, 버너(107)는 불꽃(156)을 생성한다. 이러한 목적을 위해, 전체적인 연소 챔버(110)는 회전축(102)의 둘레에 위치된 환형 형태이다.
비교적 높은 효율을 달성하기 위해, 연소 챔버(110)는 약 1000℃ 내지 1600℃의 작동 매체의 비교적 높은 온도에 맞추어 설계된다. 재료에 불리한 작동 매개변수에서의 비교적 긴 작동 시간을 허용하기 위해, 연소 챔버 벽(153)에는 작동 매체(M)에 대면하는 그것의 측면 상에 열 차폐 요소(155)로부터 형성된 내부 라이닝이 제공된다. 합금으로부터 만들어진 각 열 차폐 요소(155)는 작동 매체 측면 상에 특별한 열-저항 보호 층(MCrAlX 층 및/또는 세라믹 코팅)을 가지거나 고온을 견딜 수 있는 재료(중실형 세라믹 벽돌)로부터 만들어진다. 이러한 보호 층은 터빈 블레이드 또는 베인과 유사할 수 있으며, 즉, 예를 들어 MCrAlX를 의미하며, M은 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소이며, X는 활성 원소이고 이트륨(Y) 및/또는 실리콘 및/또는 적어도 하나의 희토류 원소 또는 하프늄(Hf)을 나타낸다. 이러한 종류의 합금은 EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 B1, EP 0 412 397 B1 또는 EP 1 306 454 A1으로부터 알려지며, 이는 함급의 화학적 조성과 관련하여 본 개시내용의 일부를 형성하고자 하는 의도이다.
예를 들어, 즉, 이트륨 산화물 및/또는 칼슘 산화물 및/또는 마그네슘 산화물에 의해 안정화되지 않은, 부분적으로 안정화된 또는 완전히 안정화된 예를 들어 ZrO2, Y2O4-ZrO2로 이루어지고 MCrAlX 상에 존재할 수 있는 세라믹 열 차단 층도 가능할 것이다.
주상 입자는 예를 들어, 전자 빔 물리 증착법(EP-PVD)와 같은 적절한 코팅 공정에 의해 열 차단 코팅 내에 생성된다.
용어 재생은 보호층이 사용된 후에, 보호 층이 열 차폐 요소(155)로부터 제거되어야만 하는 것(예를 들어, 샌드 블라스팅에 의해)을 의미한다. 그리고나서, 부식 및/또는 산화 층 또는 생성물이 제거된다. 필요하다면, 열 차폐 요소(155) 내에 균열 또한 본 발명에 따른 솔더를 사용하여 보수된다. 열 차폐 요소(155)의 재코팅이 이에 뒤따르며, 그 후에 열 차폐 요소(155)가 다시 사용될 수 있다.
또한, 연소 챔버(110)의 내부의 고온을 고려하여, 열 차폐 요소(155) 및/또는 이들의 유지 요소를 위한 냉각 시스템이 제공될 수 있다. 이 경우에, 열 차폐 요소(155)는 예를 들어, 중공형이고 연소 챔버 공간(154) 안으로 개방되는 필름 냉각 구멍(도시되지 않음)을 포함할 수도 있다.
도 2는 예를 들어, 종방향 파트 섹션의 형태인 가스 터빈(100)을 도시한다. 내부에서, 가스 터빈(100)은 회전축(102) 둘레에 회전할 수 있도록 장착되고 샤프트를 가지며, 터빈 회전자로도 알려진 회전자(103)를 가진다. 유입구 하우징(104), 압축기(105a), 복수의 동축으로 배열된 버너(107)를 가진 예를 들어, 나선형 연소 챔버(110), 특히, 환형 연소 챔버, 터빈(108) 및 배기 케이싱(109)은 회전자(103)를 따라 서로 뒤따른다. 환형 연소 챔버(110)는 예를 들어 환형, 고온- 가스 통로(111)와 연통하며, 예를 들어, 4개의 연속적인 터빈 스테이지(112)가 터빈(108)을 형성한다.
각 터빈 스테이지(112)는 예를 들어 두 개의 블레이드 또는 베인 링으로부터 형성된다. 작동 매체(113)의 유동의 방향에서 보이는 바와 같이, 고온-가스 통로(111) 내에서 회전자 블레이드(120)로부터 형성된 로우(row, 125)는 안내 베인의 로우(115)를 뒤따른다.
안내 베인(130)이 고정자(143)의 내부 하우징(138)에 고정되지만, 로우(125)의 회전자 블레이드(120)는 예를 들어 터빈 디스크(133)에 의해 회전자(103)에 끼워진다. 발생기 또는 기계(도시되지 않음)가 회전자(103)에 결합된다.
가스 터빈(100)이 작동하는 동안, 압축기(105)는 유입구 하우징(104)을 통해 공기(135)를 흡입하고 압축한다. 압축기(105)의 터빈 측 단부에서 제공되는 압축된 공기는 버너(107)를 지나며, 연료와 혼합된다. 그리고나서, 혼합물은 작동 매체(133)를 형성하기 위해 연소 챔버(110) 내에서 연소된다. 그로부터, 작동 매체(133)는 고온-가스 통로(111)를 따라 안내 베인(130) 및 회전자 블레이드(120)를 통해 유동한다. 작동 매체(113)는 회전자 블레이드(120)에서 팽창하며, 그것의 모멘텀을 전달하며, 회전자 블레이드(120)가 회전자(103)를 구동시키고 회전자는 회전자에 결합된 기계를 구동시킨다.
가스 터빈(100)이 작동하는 동안, 고온의 작동 매체(113)에 노출된 구성요소는 열 부하(thermal load)에 영향을 받는다. 제1 터빈 스테이지(112)의 안내 베인(130) 및 회전자 블레이드(120)는, 작동 매체(113)의 유동 방향에서 보이는 바와 같이, 환형 연소 챔버(110)를 라이닝하는 열 차폐 요소와 함께 높은 열 부하에 영향을 받는다. 그에 가해지는 온도를 견디기 위해, 이러한 구성요소는 냉매에 의해 냉각될 수 있다.
유사하게, 구성요소의 기판은 방향성 구조를 가질 수 있으며, 즉, 이들은 단-결정 형태(SX 구조)이거나 종방향으로 배향된 입자(DS 구조)만을 포함한다. 예를 들어, 철계, 니켈계 또는 코발트계 초함금은 구성요소, 특히 터빈 블레이드 및 베인(120, 130) 및 연소 챔버(110)의 구성요소를 위한 재료로 사용된다. 이러한 종류의 함금은 예를 들어, EP 1 204 776 B1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 A1, WO 99/67435 또는 WO 00/44949로부터 알려진다.
유사하게, 블레이드 및 베인(120, 130)은 부식에 대해 보호하기 위해 코팅을 가질 수 있다.{MCrAlX이며, M은 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소이며, X는 활성 원소이고 이트륨(Y) 및/또는 실리콘 및/또는 적어도 하나의 희토류 원소 또는 하프늄(Hf)을 나타낸다} 이러한 종류의 합금은 EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 B1, EP 0 412 397 B1 또는 EP 1 306 454 A1으로부터 알려진다.
즉, 이트륨 산화물 및/또는 칼슘 산화물 및/또는 마그네슘 산화물에 의해 안정화되지 않은, 부분적으로 안정화된 또는 완전히 안정화된 예를 들어, ZrO2, Y2O4-ZrO2로 이루어지는 열 차단 코팅은 MCrAlX상에 존재할 수 있다. 주상 입자는 예를 들어, 전자 빔 물리 증착법(EB-PVD)와 같은 적절한 코팅 공정에 의해 열 차단 코팅 내에 생성된다.
안내 베인(130)은 안내 베인 루트로부터 반대 측면 상에 안내 베인 헤드 및 터빈(108)의 내부 하우징(138)에 대면하는 안내 베인 루트(여기에 도시되지 않음)를 가진다. 안내 베인 헤드는 회전자(103)에 대면하고 고정자(143)의 고정 링(140)에 고정된다.

Claims (16)

  1. 기판(4)과,
    금속 접합 코팅(7)과, 내부 세라믹 층(10) 및 외부 세라믹 층(13)으로 이루어진 2개의 층의 세라믹 층(16)을 포함하며,
    내부 세라믹 층(10)만 나노 구조이며,
    내부 세라믹 층(10)은 3 부피% 내지 14 부피% 사이의 공극률을 가지며,
    상부 층인 외부 세라믹 층(13)의 공극률은 내부 층인 내부 세라믹 층(10)의 공극률보다 적어도 10% 더 높고,
    2개의 세라믹 층(10, 13)의 재료는 동일하며, 안정화 지르코니아 또는 이트륨 안정화 지르코니아를 포함하고,
    나노 구조인 상기 내부 세라믹 층(10)은 현탁 플라스마 분사 또는 용액 전구 플라스마 분사 또는 졸 겔 기술에 의해 도포되는 층 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    내부 세라믹 층(10)은 외부 세라믹 층(13)보다 적어도 10% 더 얇은
    층 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    내부 세라믹 층(10)은 100㎛까지의 두께를 가지는
    층 시스템.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    내부 세라믹 층(10)은 적어도 10㎛의 두께를 가지는
    층 시스템.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상부 층인 외부 세라믹 층(13)은 15 부피% 내지 30 부피%의 공극률을 가지는
    층 시스템.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    나노구조 층인 내부 세라믹 층(10)의 입자의 적어도 90%의 최대 입자 크기는 500nm인
    층 시스템.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    내부 세라믹 층(10)의 입자 크기는 적어도 50nm인
    층 시스템.
  10. 삭제
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    외부 세라믹 층(13)은 적어도 70%의 입자 크기가 10㎛보다 큰
    층 시스템.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
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