KR101597924B1

KR101597924B1 - 2겹 금속층을 포함하는 층 시스템

Info

Publication number: KR101597924B1
Application number: KR1020147003244A
Authority: KR
Inventors: 게오르크 보스타뇨글로; 악셀 카이저; 베르너 슈탐; 얀 슈타인바흐; 디미트리오스 토마이디스
Original assignee: 지멘스 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2011-07-08
Filing date: 2011-07-08
Publication date: 2016-03-07
Also published as: US9435222B2; RU2014104513A; CN103649372B; EP2699713B1; US20140234662A1; RU2566693C2; CN103649372A; EP2699713A1; KR20140024968A; WO2013007281A1

Abstract

고함량의 Cr 및 추가로 규소를 포함하는 공지된 보호층들은 사용되는 동안 탄소의 영향 하에 추가로 취화되는 취화상을 형성한다. 본 발명에 따른 보호층은 겉에만 탄탈을 함유한 2겹 금속층을 포함한다.

Description

2겹 금속층을 포함하는 층 시스템{LAYER SYSTEM HAVING A TWO-PLY METAL LAYER}

본 발명은, 청구항 제1항에 따라 특히 고온 조건에서 부식 및/또는 산화로부터 부품을 보호하기 위한 보호층에 관한 것이다.

부품의 내식성 및/또는 내산화성을 증대시키는, 금속 부품용 보호층들은 종래 기술에 많이 공지되어 있다. 상기 보호층의 대부분은 MCrAlY라는 속명으로 공지되어 있는데, 여기서 M은 철, 코발트 및 니켈을 포함하는 그룹에 속하는 원소들 중 하나 이상의 원소를 나타내며, 그외 주요 성분은 크롬, 알루미늄 및 이트륨이다.

상기 유형의 전형적인 코팅층은 미국 특허 제4,005,989 및 4,034,142로부터 공지되었다. 또한, NiCoCrAlY 합금에 레늄(Re)을 첨가하는 점도 공지되었다.

고정식 가스 터빈뿐 아니라 항공기 엔진에서도 유입 온도를 상승시키기 위한 노력은 가스 터빈과 같은 전문 분야에서 큰 의미가 있는데, 그 이유는 유입 온도가 가스 터빈을 이용해 달성할 수 있는 열역학적 효율에 대한 중요한 결정변수이기 때문이다. 가이드 블레이드 및 회전 블레이드와 같이 높은 열하중에 노출될 부품들을 위한 모재로서 특별히 개발된 합금, 특히 단결정 초합금의 이용을 통해, 1000℃를 현저히 상회하는 유입 온도가 가능하다. 그간, 종래 기술에서는 고정식 가스 터빈의 경우 950℃ 이상의 유입 온도가, 그리고 항공기 엔진의 가스 터빈에서는 1100℃ 이상의 유입 온도가 가능해졌다. 복잡하게 구성될 수 있는, 단결정 기재를 갖는 터빈 블레이드의 구성에 대한 예시들은 WO 91/01433 A1호에 공지되어 있다.

고부하 노출 부품들을 위해 그간 개발된 모재의 물리적 내구성은 유입 온도의 추가 상승 가능성의 관점에서는 실질적으로 문제가 없지만, 충분한 내산화성 및 내식성을 달성하기 위해서는 보호층을 이용할 수밖에 없다. 대략 1000℃의 연도 가스 온도로부터 예상되는 부식 작용 하에서의 보호층의 충분한 화학적 내성 외에도, 보호층은 특히 보호층과 모재 사이의 기계적 상호 작용의 관점에서 충분히 우수한 기계적 특성도 보유해야 한다. 특히 보호층은, 모재의 만일의 변형에 순응할 수 있으면서 파열되지는 않도록 충분한 연성도 가져야 하는데, 그 이유는 이러한 방식으로 산화 및 부식의 작용 지점들이 형성될 수 있기 때문이다.

그에 상응하게, 본 발명의 과제는, 부식 및 산화 시 우수한 내고온성 및 우수한 장시간 안정성을 보유하면서도, 특히 가스 터빈 내 고온에서 예상되는 기계적 하중에 매우 적합한 합금 및 보호층을 제공하는 것이다.

상기 과제는, 적어도

기재와,

하나 이상의 제1 하부 층 및 이 하부 층 위에 놓인 제2 상부 층으로 이루어진 적어도 2겹인 금속층을 포함하는 층 시스템에 의해 해결되며,

상기 하부 층은 탄탈(Ta)을 미함유하고, 규소(Si)를 미함유하고, 철(Fe)을 미함유한 MCrAlX 합금을 포함하며, 특히 적어도 하기의 원소들(표시 단위: 중량%):

24% 내지 26%, 특히 25%의 코발트(Co)와,

12% 내지 14%, 특히 13%의 크롬(Cr)과,

10% 내지 12%, 특히 11%의 알루미늄(Al)과,

0.2 내지 0.5%, 아주 특별하게는 0.3%의 스칸듐 및 희토류 원소들을 포함하는 그룹에 속하는 원소들 중 적어도 하나, 특히 이트륨(Y)과,
니켈, 특히 잔량의 니켈을 함유하고,

상기 제2 층은, 탄탈(Ta) 및/또는 철(Fe)을 함유하거나, γ-상 및 γ'-상 그리고 선택에 따라 β-상을 함유한 MCrAlX 합금을 포함하며,

X는 선택적 원소이고, 스칸듐, 레늄, 및 희토류 원소들을 포함하는 그룹에 속하는 원소들 중 적어도 하나, 특히 이트륨(Y)이다.

또한,

하부 층의 합금은 코발트(Co)와, 크롬(Cr)과, 알루미늄(Al)과, 이트륨(Y)과, 니켈(Ni)로 구성되고,

상부 층의 합금 내 탄탈(Ta)의 함량은 0.1중량% 내지 7.0중량%이고, 특히 1중량% 이상(≥ 1WGT%)이며,

상부 층의 합금 내 탄탈(Ta)의 비율은 적어도 2.0중량%이고, 특히 3.0중량% 내지 6.0중량%이며,

상부 층의 합금 내 탄탈(Ta)의 비율은 4중량% 내지 8중량%이고, 특히 5중량% 내지 7중량%, 아주 특별하게는 6중량%이며,

상부 층의 합금 내 코발트(Co)의 함량은 적어도 1중량%이며,

상부 층의 합금은 적어도 1중량%의 크롬(Cr)을 함유하며,

하부 층의 합금은 레늄(Re)을 함유하지 않고,

상부 층의 합금 내 알루미늄(Al)의 함량은 5중량% 내지 15중량%이고, 특히 8중량% 내지 12중량%이며,

상부 층의 합금은 레늄(Re)을 함유하지 않고,

상기 금속층들의 합금들에 대해,

지르코늄(Zr)을 함유하지 않고, 그리고/또는

티타늄(Ti)을 함유하지 않고, 그리고/또는

갈륨(Ga)을 함유하지 않고, 그리고/또는

게르마늄(Ge)을 함유하지 않는 점이 적용되며,

하부 층 및/또는 상부 층의 합금은 규소(Si)를 함유하지 않고,

상기 층들 각각의 합금은 하프늄(Hf)을 함유하지 않고,

상부 층의 합금은 니켈을 기반으로 하고,

하부 층의 합금은 니켈을 기반으로 하며,

상부 층은, γ-상, γ'-상 및 선택적으로 β-상을 함유하고,

특히 β-상도 함유하며,

상부 층의 합금은 적어도 1중량%의 알루미늄(Al)을 함유하고,

상부 층(10)의 합금은 적어도 0.1중량%의 이트륨(Y)을 함유하고, 특히 이트륨의 함량은 0.3중량%, 특히 0.1중량% 내지 0.7중량%이며,

상부 층의 합금 내 코발트(Co)의 함량은 15중량% 내지 30중량%, 특히 18중량% 내지 27중량%, 아주 특별하게는 21중량% 내지 24중량%이며,

상부 층의 합금 내 크롬(Cr)의 함량은 12중량% 내지 22중량%, 특히 15중량% 내지 19중량%이고,

상부 층은 β-상, 특히 적어도 5부피%의 β-상을 함유하며,

상부 층은, 니켈(Ni), 코발트(Co), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 탄탈(Ta) 그리고 선택적으로 이트륨(Y)으로 이루어진 합금을 포함하고, 특히 상기 원소들로 구성되며,

상부 층은, 니켈(Ni), 코발트(Co), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 탄탈(Ta), 철(Fe) 그리고 선택적으로 이트륨(Y)으로 이루어진 합금을 포함하고, 특히 상기 원소들로 구성되며,

상부 층은, 니켈(Ni), 코발트(Co), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 탄탈(Ta) 및 이트륨(Y)으로 이루어진 합금을 포함하고, 특히 상기 원소들로 구성되며,

상부 층은, 니켈(Ni), 코발트(Co), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 탄탈(Ta), 철(Fe) 및 이트륨(Y)으로 이루어진 합금을 포함하고, 특히 상기 원소들로 구성되며,

상기 층들(7, 10)의 합금은 철(Fe)을 함유하지 않으며,

상부 층의 합금 내 철(Fe)의 함량은 0.5중량% 내지 5.0중량%, 특히 1.0중량% 내지 4.0중량%이고, 아주 특별하게는 2.7중량%이며,

상부 층의 합금 내 크롬(Cr)의 함량은 12중량% 내지 16중량%, 특히 14.4중량%이며,

상부 층의 합금 내 알루미늄(Al)의 비율은 7중량 내지 8중량%, 특히 7.75중량%이고,

상부 층의 합금 내 레늄(Re)의 비율은 0.1중량% 내지 2중량%이고,

상부 층의 합금 내 탄탈(Ta)의 함량은 5중량% 내지 6.8중량%이고,

금속층들의 합금은 백금(Pt)을 함유하지 않고,

상부 층의 합금 내 코발트(Co)의 함량은 11중량% 내지 14.5중량%이고,

상부 층의 합금 내 크롬(Cr)의 함량은 14중량% 내지 16중량%이고,

상부 층의 합금 내 알루미늄(Al)의 함량은 9중량% 내지 13중량%이고,

상부 층의 합금 내 이트륨(Y)의 함량은 0.1중량% 내지 0.7중량%이고,

상부 층의 합금은 4중량% 내지 7.5중량%, 특히 3.0중량% 내지 6.0중량%의 탄탈(Ta)을 함유하고,

상부 층의 합금 내 탄탈(Ta)의 함량은 3.5중량% 내지 5.5중량%, 특히 4.5중량%이고,

상부 층의 합금 내 코발트(Co)의 함량은 21중량% 내지 25중량%이고, 특히 22중량% 내지 23.5중량%이고, 아주 특별하게는 23중량%이고,

상부 층의 합금 내 크롬(Cr)의 함량은 18중량% 내지 22중량%이고,

상부 층은 이트륨(Y)을 함유하지 않고,

상부 층의 합금 내 알루미늄(Al)의 함량은 8중량% 내지 12중량%이며,

상부 층의 합금 내 이트륨(Y)의 함량은 0.1중량% 내지 0.7중량%인 점에 의해, 추가의 장점들이 획득된다.

이처럼 위에 열거한 조치들은, 추가의 장점들을 획득하기 위해 임의의 방식으로 서로 조합될 수 있다.

종속 청구항들에는 바람직한 방식으로 임의로 서로 조합될 수 있는 추가의 바람직한 조치들이 열거되어 있다.

본 발명은 하기에서 더 상세하게 설명된다.

도 1은 보호층을 포함한 층 시스템을 도시한 도이다.
도 2는 초합금들의 조성에 관한 도표이다.
도 3은 가스 터빈을 도시한 도이다.
도 4는 터빈 블레이드를 도시한 도이다.
도 5는 연소실을 도시한 도이다.

도면들 및 상세한 설명은 본 발명의 실시예들일 뿐이다.

본 발명에 따라, 고온에서 부식 및 산화로부터 기재(4)를 포함한 부품을 보호하기 위한 층 시스템(1, 120, 130, 155)(도 1)은, 하나 이상의 제1 하부 층(7) 및 제2 상부 층(10)으로 이루어진 2겹의 금속층(7, 10)을 포함하며,

상기 하부 층(7)은, 탄탈(Ta)을 미함유하고, 규소(Si)를 미함유하고, 철(Fe)을 미함유한 MCrAlX 합금을 포함하며, 특히 적어도 하기의 원소들(표시 단위: 중량%):

24% 내지 26%, 특히 25%의 코발트(Co)와,

12% 내지 14%, 특히 13%의 크롬(Cr)과,

10% 내지 12%, 특히 11%의 알루미늄(Al)과,

0.2% 내지 0.5%, 아주 특별하게는 0.3%의, 스칸듐 및 희토류 원소들을 포함하는 그룹에 속하는 원소들 중 적어도 하나,

특히 이트륨(Y)과,

니켈,

특히 잔량의 니켈을 함유하며,

상기 제2 층은, 탄탈(Ta) 및/또는 철(Fe)을 함유하거나, γ-상 및 γ'-상 그리고 선택에 따라 β-상을 함유한 MCrAl 합금을 포함한다.

보호층(13)은 우수한 내식성 및 매우 우수한 내산화성을 가지며, 연성 또한 탁월하기 때문에, 유입 온도가 추가로 상승하는 가스 터빈(100)(도 3)에서 사용하기에 매우 적합하다.

보호층(13)은 하부의 MCrAlX 층(7)과 외부 층(10)을 포함하며, 외부 층(10)은 탄탈(Ta) 및/또는 철(Fe)을 함유한 MCrAlX 합금을 포함한다. X는 선택적 원소이며, 바람직하게는 스칸듐, 희토류 원소, 특히 이트륨 및/또는 레늄이다. 주로 사용되는 레늄(Re)은 하부 층(7)에서는 제외될 수 있으며, 그럼으로써 하부 층(7)의 연성을 저하시킬 수도 있는 취성 레늄 상은 형성되지 않다.

하부 층(7)은 바람직하게는 순수한, 다시 말해 탄탈 및/또는 철이 첨가되지 않은 NiCoCrAl 층이며, 외부 층(10)은 우수한 산화 방지를 위한 상들의 조정, 즉 상 전이를 위해 탄탈 및/또는 철과 같은 첨가물을 함유한다.

하부 층(7)의 조성은 바람직하게 상대적으로 좁은 범위로 설정되며, 특히 도 2에 따라 또는 동일한 팽창 및 우수한 점착을 위해, 니켈 또는 코발트 초합금들에 매칭된다. 하부 층의 연성은, 외부 금속층(10)의 연성보다 훨씬 더 높게, 적어도 10%, 특히 20% 더 높게 나타난다.

그러므로 외부 층(10)은 매우 가변적으로, 기재(4)의 조성과는 명백히 무관하게, 그리고 (산화물 성장이 빠르게 진행되는) 높은 작동 온도 또는 평균 온도와 장기적 산화 방지의 절충 없이 용도에 따라 형성될 수 있다:

외부 층(10)은 탁월한 내산화성을 갖는 데 반해, 하부 층은 매우 높은 인성(toughness)을 가짐으로써 기재(4)를 보호하며, 상기 기재는 차후 문제없이 재사용될 수 있다.

분말은 예컨대 플라즈마 용사(APS, LPPS, VPS 등)에 의해 도포된다. 다른 방법들(PVD, CVD, 저온 가스 분사 등)도 마찬가지로 고려될 수 있다.

상기 보호층(13)은 초합금에 대한 접착 매개층으로도 작용한다. 상기 보호층(13) 상에는 추가 층들, 특히 세라믹 열절연 층(16)이 도포될 수 있다.

부품(1, 120, 130)의 경우, 보호층(13)은 바람직하게는, 특히 도 2에 따라, 니켈 또는 코발트 기반의 초합금으로 형성된 기재(4) 상에 적층된다.

상기 유형의 조성물들은 GTD222, IN939, IN6203 및 Udimet 500이라는 명칭 의 주조 합금으로서 공지되었다. 부품(1, 120, 130, 155)의 기재(4)에 대한 추가 대안들이 도 2에 열거되어 있다.

부품(1) 위 보호층(13)의 두께는 바람직하게 약 100㎛ 내지 300㎛이다. 보호층(13)은 특히, 부품이 약 950℃의 재료 온도에서(항공기 터빈의 경우 약 1100℃의 재료 온도에서) 연도 가스에 노출되는 동안, 상기 부품(1, 120, 130, 155)을 부식 및 산화로부터 보호하기에 적합하다.

따라서 본 발명에 따른 보호층(13)은 가스 터빈(100)의 부품, 특히 가이드 블레이드(130), 회전 블레이드(120), 또는 가스 터빈(100)이나 증기 터빈의 터빈 상류 또는 터빈 내부에서 고온 가스에 노출되는 열차폐 부재(155)를 보호하기에 특히 적합하다. 보호층(13)은 오버레이로서(보호층이 외부층인 형태), 또는 본드 코트(보호층이 중간층인 형태)로서 이용될 수 있다.

도 1에는, 하나의 부품으로서 층 시스템(1)이 도시되어 있다. 층 시스템(1)은 기재(4)를 포함한다. 기재(4)는 금속 및/또는 세라믹일 수 있다. 특히, 예컨대 터빈 회전 블레이드(120)(도 4) 또는 터빈 가이드 블레이드(130)(도 3, 도 4), 열차폐 부재(155)(도 5)와 같은 터빈 부품들, 그리고 증기 터빈 또는 가스 터빈(100)의 또 다른 하우징 부재들(도 3)의 경우, 기재(4)는 니켈기 또는 코발트기 초합금을 함유하며, 특히 상기 초합금으로 구성된다. 바람직하게는, 니켈기 초합금이 사용된다.

기재(4) 상에 본 발명에 따른 보호층(13)이 제공된다. 바람직하게 상기 보호층(13)은 플라즈마 용사(VPS, LPPS, APS1, ...)에 의해 도포된다. 상기 보호층은 외부층(미도시) 또는 중간층(도 1)으로서 이용될 수 있다. 중간층으로서 이용되는 경우, 보호층(13) 상에 세라믹 열절연 층(16)이 제공된다.

작동 중에 그리고/또는 세라믹 층(16)의 도포 시, 금속층(13) 상에 알루미늄 산화물층이 형성된다.

보호층(13)은, 새로 제조된 부품들 및 재가공된 부품들에 도포될 수 있다. 재가공(refurbishment)이란 부품(1)의 사용 후 경우에 따라 상기 부품으로부터 층들(열절연 층)이 박리되고, 부식 산물 및 산화 산물이 예를 들어 산처리(산 스트리핑)에 의해 제거되는 것을 의미한다. 경우에 따라서는 균열도 보수되어야 한다. 그 후에 상기 부품을 다시 코팅할 수 있는데, 그 이유는 기재(4)가 매우 비싸기 때문이다.

도 3에는, 예를 들어 가스 터빈(100)의 부분 종단면도가 도시되어 있다. 가스 터빈(100)은 내부에 샤프트(101)를 구비한 회전자(103)를 포함하며, 터빈 회전자라고도 불리는 상기 회전자는 회전축(102)을 중심으로 회전 가능하게 지지된다. 회전자(103)를 따라서 차례로 흡기 하우징(104)과, 압축기(105)와, 동축으로 배치된 복수의 버너(107)를 구비한, 예컨대 토로이달 형상의 연소실(110), 특히 환형 연소실과, 터빈(108)과, 배기 하우징(109)이 배치된다. 환형 연소실(110)은 예컨대 환형 고온 가스 채널(111)과 통해 있다. 그곳에서 예컨대 연속으로 연결된 4개의 터빈 단(112)이 터빈(108)을 형성한다. 각각의 터빈 단(112)은 예컨대 2개의 블레이드 링으로 형성된다. 고온 가스 채널(111) 내에는 작동 매체(113)의 유동 방향으로 볼 때 가이드 블레이드 열(115) 다음에 회전 블레이드들(120)로 형성된 열(125)이 위치한다.

이 경우, 가이드 블레이드들(130)은 고정자(143)의 내부 하우징(138)에 고정되는 반면, 열(125)의 회전 블레이드들(120)은 예컨대 터빈 디스크(133)에 의해 회전자(103)에 장착된다. 회전자(103)에는 제너레이터 또는 작동 기계가 연결된다(미도시).

가스 터빈(100)의 운전 동안 압축기(105)에 의해 흡기 하우징(104)을 통해 공기(135)가 흡입되어 압축된다. 압축기(105)의 터빈 측 단부에 공급된 압축 공기는 버너들(107)로 안내되어 거기서 연료와 혼합된다. 이어서 상기 혼합기는 작동 매체(113)를 형성하면서 연소실(110) 내에서 연소된다. 연소실로부터 작동 매체(113)는 고온 가스 채널(111)을 따라 가이드 블레이드들(130) 및 회전 블레이드들(120)을 통과하여 흐른다. 작동 매체(113)가 회전 블레이드들(120)에서 팽창하여 운동량을 전달함에 따라, 회전 블레이드들(120)이 회전자(103)를 구동하고 회전자는 자신에 연결된 작동 기계를 구동한다.

고온의 작동 매체(113)에 노출된 부품들은 가스 터빈(100)의 운전 동안 열하중에 노출된다. 작동 매체(113)의 유동 방향으로 볼 때 첫 번째 터빈 단(112)의 가이드 블레이드들(130) 및 회전 블레이드들(120)은 환형 연소실(110)에 덧대어진 열차폐 부재들과 함께 가장 큰 열하중에 노출된다. 그곳의 주된 온도를 견디기 위해, 상기 온도는 냉각제에 의해 냉각될 수 있다. 마찬가지로 부품들의 기재는 방향성 구조를 가질 수 있으며, 다시 말하면 단결정(SX 구조)이거나, 또는 길이방향으로 배향된 입자들만을 포함한다(DS 구조). 부품들, 특히 터빈 블레이드들(120, 130)을 위한 부품들 및 연소실(110)의 부품들을 위한 재료로서 예컨대 철, 니켈 또는 코발트 기반의 초합금들이 이용된다. 상기 초합금들은 예컨대 EP 1 204 776 B1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 A1, WO 99/67435 또는 WO 00/44949로부터 공지되었다.

가이드 블레이드들(130)은, 터빈(108)의 내부 하우징(138)을 향하는 (여기에는 도시되지 않은) 가이드 블레이드 루트와, 상기 가이드 블레이드 루트 반대편의 가이드 블레이드 헤드를 포함한다. 가이드 블레이드 헤드는 회전자(103)를 향해 있으면서 고정자(143)의 고정 링(140)에 고정된다.

도 4에는, 종축(121)을 따라 연장되는 터보 기계의 회전 블레이드(120) 또는 가이드 블레이드(130)의 사시도가 도시되어 있다.

터보 기계는 항공기 또는 전기 발전용 발전 설비의 가스 터빈, 증기 터빈 또는 압축기일 수 있다.

블레이드(120, 130)는 종축(121)을 따라 연속적으로 고정 영역(400)과, 이 고정 영역에 인접한 블레이드 플랫폼(403)과, 블레이드 베인(406)과, 블레이드 팁(415)을 포함한다. 가이드 블레이드(130)로서 블레이드(130)는 그 블레이드 팁(415)에 추가의 플랫폼(미도시)을 포함할 수 있다.

고정 영역(400)에는 샤프트 또는 디스크에 회전 블레이드들(120, 130)을 고정하기 위해 이용되는 블레이드 루트(183)가 형성된다(미도시). 블레이드 루트(183)는 예컨대 해머 헤드로서 형성된다. 전나무형 기저부 또는 도브테일형 기저부와 같은 다른 디자인도 가능하다. 블레이드(120, 130)는 블레이드 베인(406)을 지나 흐르는 매체를 위해 전연(409) 및 후연(412)을 갖는다.

종래의 블레이드(120, 130)의 경우, 블레이드(120, 130)의 모든 영역(400, 403, 406)에 예컨대 괴상 금속 재료, 특히 초합금이 이용된다.

그러한 초합금들은 예컨대 EP 1 204 776 B1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 A1, WO 99/67435 또는 WO 00/44949로부터 공지되었다. 이 경우, 블레이드(120, 130)는 주조법에 의해, 또한 방향성 응고를 이용한 주조법에 의해, 단조법에 의해, 밀링 기법에 의해, 또는 이들이 조합된 방법에 의해 제조될 수 있다.

작동 중에 높은 기계적, 열적 및/또는 화학적 하중에 노출되는 기계용 부품으로서, 단결정 구조(들)를 가진 피가공재가 이용된다. 상기 유형의 단결정성 피가공재의 제조는 예컨대 용융물의 방향성 응고에 의해 이루어진다. 이는, 액상 금속 합금이 단결정 구조로, 다시 말해 단결정성 피가공재로 응고되거나 방향성 응고되는 주조법이다. 이 경우, 수지상 결정이 열 흐름을 따라서 배향되면서, 주상 결정립 구조(주상, 다시 말해 피가공재의 전체 길이에 걸쳐 연장되고, 본원에서는 일반적인 표현에 따라서 방향성 응고되는 것으로서 지칭되는 입자)를 형성하거나, 단결정 구조를 형성하며, 즉 전체 피가공재가 단결정으로 구성된다. 이런 방법들에서는 등축정(다결정) 응고로의 전이를 피해야 하는데, 그 이유는 비방향성 성장에 의해 필연적으로 횡방향 및 종방향 결정립계가 형성되고, 이들 결정립계는 방향성 응고 부품 또는 단결정성 부품의 우수한 특성을 무효화하기 때문이다. 따라서, 일반적으로 방향성 응고 구조라고 하면, 이는 결정립계를 갖지 않거나 기껏해야 소각립계를 갖는 단결정뿐 아니라, 종방향 결정립계는 확실히 갖지만 횡방향 결정립계는 갖지 않는 주상 결정 구조도 의미한다. 후자의 결정 구조를 방향성 응고 구조하고도 한다. 상기 방법들은 US-PS 6,024,792 및 EP 0 892 090 A1로부터 공지되었다.

마찬가지로 블레이드(120, 130)는 부식 또는 산화에 대항하는 본 발명에 따른 보호층(13)을 포함할 수 있다. 밀도는 바람직하게는 이론 밀도의 95%이다. (중간층으로서 또는 최외부층으로서의) MCrAlX 층 상에는 보호용 산화알루미늄 층(TGO = thermal grown oxide layer)이 형성된다.

MCrAlX 상에는 바람직하게 최외부층인 열절연 층도 제공될 수 있으며, 이 열절연 층은 예컨대 ZrO₂, Y₂O₃-ZrO₂로 구성되며, 다시 말하면 열절연 층은 안정화되지 않거나, 산화이트륨 및/또는 산화칼슘 및/또는 산화마그네슘에 의해 부분적으로 또는 완전히 안정화된다. 열절연 층은 MCrAlX 층 전체를 덮는다. 예컨대 전자빔 물리 증착(EB-PVD)과 같은 적합한 코팅 방법들을 통해, 열절연 층 내에 주상 결정립이 생성된다. 또 다른 코팅 방법들, 예컨대 대기 플라즈마 용사(APS), LPPS, VPS 또는 CVD도 생각해볼 수 있다. 열절연 층은, 열충격 저항성을 개선하기 위해 다공성 입자, 미소 균열 입자 또는 거시 균열 입자를 포함할 수 있다. 따라서 열절연 층은 바람직하게는 MCrAlX 층보다 더 다공성이다.

블레이드(120, 130)는 중공형 또는 중실형으로 형성될 수 있다. 블레이드(120, 130)가 냉각되어야 한다면, 상기 블레이드는 중공형이고, 경우에 따라 (파선으로 도시된) 막 냉각 구멍들(418)을 더 포함한다.

도 5에는, 가스 터빈(100)의 연소실(110)이 도시되어 있다. 연소실(110)은 예컨대 이른바 환형 연소실로서 형성되고, 회전축(102)을 중심으로 원주 방향으로 배치된 복수의 버너(107)가 공통 연소실 공간(154)과 통하며, 화염(156)을 발생시킨다. 이를 위해, 연소실(110)은 전체적으로 회전축(102)을 중심으로 배치되는 환형 구조로 형성된다.

상대적으로 높은 효율을 달성하기 위해, 연소실(110)은 약 1000℃ 내지 1600℃의 비교적 고온의 작동 매체(M)에 적합하게 설계된다. 이처럼 재료들에 대해 불리한 작동 매개변수에서도 비교적 긴 가동 시간이 가능하도록, 연소실 벽부(153)의 작동 매체(M) 쪽 면에 열차폐 부재들(155)로 형성된 내부 라이닝이 제공된다.

또한, 연소실(110)의 내부 온도가 높기 때문에, 열차폐 부재들(155) 또는 열차폐 부재의 고정 부재를 위해 냉각 시스템이 제공될 수 있다. 이 경우, 열차폐 부재들(155)은 예컨대 중공형이고, 경우에 따라 연소실 공간(154)으로 통하는 냉각 구멍들(미도시)을 더 포함한다.

합금으로 형성된 모든 열차폐 부재(155)는 작동 매체 측에서 특히 내열 보호층(MCrAlX 층 및/또는 세라믹 코팅층)을 구비하거나, 내고온성 재료(괴상 세라믹 돌)로 제조된다. 이러한 보호층(13)은 터빈 블레이드의 경우와 유사할 수 있다. MCrAlX 상에는 예컨대 세라믹 열절연 층이 더 제공될 수 있고, 이 열절연 층은 예컨대 ZrO₂, Y₂O₃-ZrO₂로 구성되며, 다시 말하면 상기 열절연 층은 안정화되지 않거나, 산화이트륨 및/또는 산화칼슘 및/또는 산화마그네슘에 의해 부분적으로 또는 완전하게 안정화된다. 예컨대 전자빔 물리 증착법(EB-PVD)과 같은 적합한 코팅 방법들을 통해 열절연 층 내에 주상 결정립이 생성된다. 또 다른 코팅 방법들, 예컨대 대기 플라즈마 용사(APS), LPPS, VPS 또는 CVD도 생각해볼 수 있다. 상기 열절연 층은 열충격 저항성의 개선을 위해 다공성 입자, 미소 균열 입자 또는 거시 균열 입자들을 포함할 수 있다.

재가공(refurbishment)은, 터빈 블레이드(120, 130) 또는 열차폐 부재들(155)의 사용 후 경우에 따라 이들로부터 보호층이 (예컨대 샌드블라스트에 의해) 제거되어야 함을 의미한다. 그 후, 부식층 및/또는 산화층 또는 산화 생성물이 제거된다. 경우에 따라, 터빈 블레이드(120, 130) 또는 열차폐 부재(155) 내 균열도 보수된다. 그 후, 터빈 블레이드(120, 130) 및 열차폐 부재들(155)의 재코팅, 그리고 그러한 터빈 블레이드(120, 130) 또는 열차폐 부재들(155)의 재사용이 이루어진다.

Claims

층 시스템(1)이며,
상기 층 시스템은 적어도
기재(4)와,
하나 이상의 제1 하부 층(7) 및 상기 하부 층(7) 위에 놓인 제2 상부 층(10)으로 구성된 적어도 2겹인 금속층(7, 10)을 포함하며,
상기 하부 층(7)은,
탄탈(Ta)을 미함유하고, 규소(Si)를 미함유하고, 철(Fe)을 미함유한 MCrAlX 합금을 포함하며, 적어도 하기의 원소들(표시 단위: 중량%):
24% 내지 26%의 코발트(Co)와,
12% 내지 14%의 크롬(Cr)과,
10% 내지 12%의 알루미늄(Al)과,
0.2% 내지 0.5%의 스칸듐 및 희토류 원소들을 포함하는 그룹에 속하는 원소들 적어도 하나와,
잔량의 니켈을 함유하며,
상기 제2 상부 층(10)은, 탄탈(Ta) 또는 철(Fe), 또는 탄탈(Ta) 및 철(Fe)을 함유하는 MCrAlX 합금이나, γ-상 및 γ'-상을 함유한 MCrAlX 합금을 포함하며,
이때, M은 철, 코발트 및 니켈을 포함하는 그룹에 속하는 원소들 중 적어도 하나의 원소를 나타내며, X는 각각 선택적 원소이고, 스칸듐(Sc), 레늄(Re), 이트륨(Y) 및 희토류 원소들을 포함하는 그룹에 속하는 원소들 중 적어도 하나인, 층 시스템(1).
제1항에 있어서, 하부 층(7)의 합금은 코발트(Co)와, 크롬(Cr)과, 알루미늄(Al)과, 이트륨(Y)과, 니켈(Ni)로 구성되는, 층 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상부 층(10)의 합금 내 탄탈(Ta)의 함량은 0.1중량% 내지 7.0중량%인, 층 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상부 층(10)의 합금 내 탄탈(Ta)의 비율은 2.0중량% 내지 8.0중량%인, 층 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상부 층(10)의 합금 내 탄탈(Ta)의 비율은 4중량% 내지 8중량%인, 층 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상부 층(10)의 합금 내 코발트(Co)의 함량은 1중량% 내지 30중량%인, 층 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상부 층(10)의 합금은 1중량% 내지 22중량%의 크롬(Cr)을 함유하는, 층 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 하부 층(7)의 합금 내에 레늄(Re)을 함유하지 않는 층 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상부 층(10)의 합금 내 알루미늄(Al)의 함량은 5중량% 내지 15중량%인, 층 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상부 층(10)의 합금 내에 레늄(Re)을 함유하지 않는 층 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 금속층들(7, 10)의 합금들에 대해,
지르코늄(Zr), 티타늄(Ti), 갈륨(Ga) 및 게르마늄(Ge) 중 하나 이상의 원소를 함유하지 않는 점이 적용되는, 층 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 하부 층(7) 또는 상부 층(10), 또는 상기 두 층 모두의 합금은 규소(Si)를 함유하지 않는, 층 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 층들(7, 10)의 각각의 합금은 하프늄(Hf)을 함유하지 않는, 층 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상부 층(10)의 합금은 니켈에 기반하는, 층 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 하부 층(7)의 합금은 니켈에 기반하는, 층 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상부 층(10)의 합금은 1중량% 내지 15중량%의 알루미늄(Al)을 함유하는, 층 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상부 층(10)의 합금은 0.1중량% 내지 0.7중량%의 이트륨(Y)을 함유하는, 층 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상부 층(10)의 합금 내 코발트(Co)의 함량은 15중량% 내지 30중량%인, 층 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상부 층(10)의 합금 내 크롬(Cr)의 함량은 12중량% 내지 22중량%인, 층 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상부 층(10) 내에 β-상을 더 함유하는 층 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상부 층(10)은, 니켈(Ni), 코발트(Co), 알루미늄(Al), 크롬(Cr) 및 탄탈(Ta)로 구성된 합금을 포함하는, 층 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상부 층(10)은, 니켈(Ni), 코발트(Co), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 탄탈(Ta) 및 이트륨(Y)으로 구성된 합금을 포함하는, 층 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상부 층(10)은, 니켈(Ni), 코발트(Co), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 탄탈(Ta) 및 철(Fe)로 구성된 합금을 포함하는, 층 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상부 층(10)은, 니켈(Ni), 코발트(Co), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 탄탈(Ta), 철(Fe) 및 이트륨(Y)으로 구성된 합금을 포함하는, 층 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 층들(7, 10)의 합금 내에 철(Fe)을 함유하지 않는 층 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상부 층(10)의 합금 내 철(Fe)의 비율은 0.5중량% 내지 5.0중량%인, 층 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상부 층(10)의 합금 내 크롬(Cr)의 함량은 12중량% 내지 16중량%인, 층 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상부 층(10)의 합금 내 알루미늄(Al)의 비율은 7중량% 내지 8중량%인, 층 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상부 층(10)의 합금 내 레늄(Re)의 비율은 0.1중량% 내지 2중량%인, 층 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상부 층(10)의 합금 내 탄탈(Ta)의 함량은 5중량% 내지 6.8중량%인, 층 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 금속층들(7, 10)의 합금은 백금(Pt)을 함유하지 않는, 층 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상부 층(10)의 합금 내 코발트(Co)의 함량은 11.0중량% 내지 14.5중량%인, 층 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상부 층(10)의 합금 내 크롬(Cr)의 함량은 14중량% 내지 16중량%인, 층 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상부 층(10)의 합금 내 알루미늄(Al)의 함량은 9중량% 내지 13중량%인, 층 시스템.
삭제
제1항 또는 제2항에 있어서, 상부 층(10)의 합금은 4중량% 내지 7.5중량%의 탄탈(Ta)을 함유하는, 층 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상부 층(10)의 합금 내 탄탈(Ta)의 함량은 3.5중량% 내지 5.5중량%인, 층 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상부 층의 합금 내 코발트(Co)의 함량은 21중량% 내지 25중량%인, 층 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상부 층(10)의 합금 내 크롬(Cr)의 함량은 18중량% 내지 22중량%인, 층 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상부 층(10)은 이트륨(Y)을 함유하지 않는, 층 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상부 층(10)의 합금 내 알루미늄(Al)의 함량은 8중량% 내지 12중량%인, 층 시스템.
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제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 층 시스템(1)을 갖는 가스 터빈(100)의 부품(120, 130, 155)의 상기 기재(4)는 니켈에 기반하거나 코발트에 기반하며, 보호층(13) 상에는 세라믹 열절연 층(16)이 도포되는, 층 시스템.
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