KR101661384B1 - 높은 γ/γ'' 전이 온도를 갖는 금속 본드코트 또는 합금 그리고 그 구성 요소 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 국부 응력의 감소로 이어지는 고온에서 상 감마/감마'를 안정화시킨 니켈 계열 코팅 내로의 탄탈의 첨가에 관한 것이다.

Description

높은 γ/γ' 전이 온도를 갖는 금속 본드코트 또는 합금 그리고 그 구성 요소{METALLIC BONDCOAT OR ALLOY WITH A HIGH γ/γ' TRANSITION TEMPERATURE AND A COMPONENT}
본 발명은 γ 및 γ'의 상을 갖는 금속 본드코트 그리고 그 구성 요소에 관한 것이다.
가스 터빈 내의 고온 가스 경로를 위한 구성 요소는 Ni- 또는 Co-계열 재료로부터 제조된다. 이들 재료는 강도에 대해 최적화되고, 더 높은 온도에서의 산화 및/또는 부식 공격을 견딜 수 없다. 그러므로, 이들 종류의 재료는 열 장벽 코팅(TBC: thermal barrier coating) 시스템을 위한 본드코트로서 또한 사용될 수 있는 MCrAlY-코팅에 의해 산화에 대항하여 보호되어야 한다. TBC 시스템에서, MCrAlY 코팅은 한편으로 고온 가스 공격에 대항할 것이 요구되고, 다른 한편으로 이러한 코팅은 기판에 TBC를 부착할 것이 요구된다. 산화에 대항하는 이러한 시스템을 개선시키는 것은 증가된 수명 성질과 더불어 상승된 본드코트 사용 온도로 이어질 것이다.
고온 부식/산화에 대항하여 재료를 보호하기 위해, MCrAlY 오버레이 코팅은 주로 저압 플라즈마 스프레이(LPPS: low pressure plasma spraying), 공기 플라즈마 스프레이(APS: air plasma spraying), 전자 빔 물리 기상 증착(EBPVD: electron beam physical vapor deposition), 저온 스프레이(CS: cold spray) 또는 고속 산소-연료(HVOF: high velocity oxy-fuel) 공정에 의해 코팅된다. MCrAlY 코팅은 니켈 및/또는 코발트, 크롬, 알루미늄, 실리콘, 레늄 그리고 이트륨과 같은 희토류 원소를 기반으로 한다. 본드코트 온도를 상승시킴에 따라, 이들 코팅이 파괴될 수 있고, 이것은 열 장벽 코팅의 파쇄로 이어질 수 있다. 그러므로, 사용 온도를 상승시킴에 따라, 개선된 코팅은 산화 공격을 견딜 것이 요구된다. 추가로, 이러한 종류의 코팅은 수용 가능한 열-기계 성질을 가져야 한다. 이들 요청은 단지 본드코트의 최적화된 조성에 의해 성취될 수 있다.
그러므로, 본 발명의 목적은 위에서 언급된 문제점을 해결하는 것이다.
이 문제점은 청구항 1에 따른 금속 코팅 또는 합금 그리고 청구항 18에 따른 구성 요소에 의해 해결된다.
종속 청구항에서, 추가의 장점을 성취하도록 서로와 임의로 조합될 수 있는 추가의 개선 사항이 개시되어 있다.
도1 및 도2는 합금 내의 γ'-, γ- 및 β-상의 분률을 도시하고 있다.
도3은 터빈 블레이드를 도시하고 있다.
도4는 가스 터빈을 도시하고 있다.
도5는 초합금의 목록을 도시하고 있다.
도면 및 설명은 단지 본 발명의 실시예이다.
도3은 길이 방향 축(121)을 따라 연장되는 터보-기계(turbomachine)의 회전자 블레이드(rotor blade)(120) 또는 안내 베인(guide vane)(130)의 사시도이다.
터보-기계는 항공기 또는 전기를 발생시키는 발전소의 가스 터빈, 증기 터빈, 또는 압축기일 수 있다.
블레이드 또는 베인(120, 130)은 길이 방향 축(121)을 따라 연속적으로 고정 영역(400), 인접한 블레이드 또는 베인 플랫폼(403) 그리고 메인 블레이드 또는 베인 부분(406) 그리고 블레이드 또는 베인 팁(415)을 갖는다.
안내 베인(130)으로서, 베인(130)은 그 베인 팁(415)에서 (도시되지 않은) 추가의 플랫폼을 가질 수 있다.
(도시되지 않은) 샤프트 또는 디스크에 회전자 블레이드(120, 130)를 고정하는 데 사용되는 블레이드 또는 베인 루트(root)(183)가 고정 영역(400) 내에 형성된다.
블레이드 또는 베인 루트(183)는 예컨대 해머헤드(hammerhead) 형태로 설계된다. 전나무(fir-tree) 또는 더브테일(dovetail) 루트 등의 다른 구성이 가능하다.
블레이드 또는 베인(120, 130)은 메인 블레이드 또는 베인 부분(406)을 지나 유동되는 매체를 위한 선행 모서리(409) 및 후행 모서리(412)를 갖는다.
종래의 블레이드 또는 베인(120, 130)의 경우에, 예컨대 고체 금속 재료 특히 초합금이 블레이드 또는 베인(120, 130)의 모든 영역(400, 403, 406)에서 사용된다.
이러한 형태의 초합금이 예컨대 제EP 1 204 776 B1호, 제EP 1 306 454호, 제EP 1 319 729 A1호, 제WO 99/67435호 또는 제WO 00/44949호로부터 공지되어 있다.
블레이드 또는 베인(120, 130)은 이러한 경우에 또한 방향성 응고에 의한 주조 공정에 의해, 단조 공정에 의해, 밀링 공정 또는 그 조합에 의해 제조될 수 있다.
단결정 구조 또는 구조들을 갖는 공작물이 동작 시에 높은 기계적, 열적 및/또는 화학적 응력에 노출되는 기계를 위한 구성 요소로서 사용된다.
이러한 형태의 단결정 공작물은 예컨대 용융물로부터의 방향성 응고에 의해 제조된다. 이것은 액체 금속 합금이 단결정 구조, 즉 단결정 공작물을 형성하도록 응고되거나 방향성으로 응고되는 주조 공정을 수반한다.
이러한 경우에, 덴드라이트 결정(dendritic crystal)이 열 유동의 방향을 따라 배향되고, 주상 결정질 결정립 구조(columnar crystalline grain structure)(즉, 공작물의 전체 길이에 걸쳐 연장되고 관례적으로 사용되는 용어에 따라 방향성으로 응고되는 것으로서 여기에서 불리는 결정립) 또는 단결정 구조(즉, 전체 공작물이 하나의 단결정으로 구성됨) 중 어느 한쪽을 형성한다. 이들 공정에서, 무방향성 성장이 횡단 방향 및 길이 방향 결정립계를 불가피하게 형성하고, 이것이 방향성 응고 또는 단결정 구성 요소의 유리한 성질을 부정하므로, 구형(다정질) 응고로의 전이가 피해질 것이 필요하다.
명세서에서 방향성 응고 미세-구조가 일반적인 용어로 언급되는 경우에, 이것은 결정립계를 갖지 않거나 기껏해야 작은-각도의 결정립계를 갖는 단결정 그리고 길이 방향으로 연장되는 결정립계를 갖지만 횡단 방향 결정립계를 갖지 않는 주상 결정 구조를 의미하는 것으로서 이해되어야 한다. 결정질 구조의 이러한 제2 형태는 방향성 응고 미세-구조(방향성 응고 구조)으로서 또한 설명될 것이다.
이러한 형태의 공정이 제US A 6,024,792호 및 제EP 0 892 090 A1호로부터 공지되어 있다.
블레이드 또는 베인(120, 130)은 마찬가지로 부식 또는 산화에 대항하여 보호하는 코팅 예컨대 MCrAlX[M은 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni)로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 적어도 1개의 원소이고, X는 활성 원소이고 이트륨(Y) 및/또는 실리콘 및/또는 적어도 1개의 희토류 원소 또는 하프늄(Hf)을 나타냄]를 가질 수 있다. 이러한 형태의 합금이 제EP 0 486 489 B1호, 제EP 0 786 017 B1호, 제EP 0 412 397 B1호 또는 제EP 1 306 454 A1호로부터 공지되어 있고, 이들 문서는 합금의 화학적 조성에 대해 본 발명의 일부를 형성하도록 의도된다.
밀도는 바람직하게는 이론 밀도의 95%이다.
보호 알루미늄 산화물 층[TGO=열 성장 산화물 층(thermally grown oxide layer)]이 (중간 층 또는 최외곽 층으로서) MCrAlX 층 상에 형성된다.
예컨대 ZrO2, Y2O3-ZrO2로 구성되는, 즉 바람직하게는 최외곽 층인 이트륨 산화물 및/또는 칼슘 산화물 및/또는 마그네슘 산화물 및/또는 희토류 원소(란탄, 가돌리늄, 이트륨 등) 중 1개 이상에 의해 불안정화되거나 부분적으로 안정화되거나 완전히 안정화되는 열 장벽 코팅이 MCrAlX 상에 존재하는 것이 또한 가능하다.
열 장벽 코팅은 전체 MCrAlX 층을 덮는다. 주상 결정립이 예컨대 전자 빔 물리 기상 증착(EB-PVD) 등의 적절한 코팅 공정에 의해 열 장벽 코팅 내에 생성된다. 예컨대 대기압 스프레이(APS), LPPS, VPS, 용액 전구체 플라즈마 스프레이(SPPS: solution precursor plasma spray) 또는 CVD 등의 다른 코팅 공정이 가능하다. 열 장벽 코팅은 열 쇼크에 대한 그 저항을 개선시키는 미세-크랙 또는 거대-크랙을 갖는 다공성 결정립을 포함할 수 있다. 그러므로, 열 장벽 코팅은 바람직하게는 MCrAlX 층보다 다공성이다.
블레이드 또는 베인(120, 130)은 형태 면에서 중공 또는 중실일 수 있다. 블레이드 또는 베인(120, 130)이 냉각되어야 하면, 블레이드 또는 베인(120, 130)은 중공이고, (점선에 의해 표시된) 필름-냉각 구멍(418)을 또한 가질 수 있다.
도4는 가스 터빈(100)을 통한 부분 길이 방향 단면도를 예로서 도시하고 있다.
내부에서, 가스 터빈(100)은 회전 축(102)에 대해 회전될 수 있도록 장착되고 샤프트(101)를 갖고 터빈 회전자로서 또한 불리는 회전자(103)를 갖는다.
흡기 하우징(104), 압축기(105), 복수개의 동축 배열 버너(107)를 갖는, 예컨대 환상 연소 챔버(110) 구체적으로 환형 연소 챔버, 터빈(108) 그리고 배기-가스 하우징(109)이 회전자(103)를 따라 서로를 따른다.
환형 연소 챔버(110)는 예컨대 환형 고온-가스 통로(111)와 연통되고, 통로(111)에서 예컨대 4개의 연속 터빈 스테이지(112)가 터빈(108)을 형성한다.
각각의 터빈 스테이지(112)는 예컨대 2개의 블레이드 또는 베인 링으로부터 형성된다. 작동 매체(113)의 유동 방향으로 보이는 것과 같이, 고온-가스 통로(111) 내에서, 일련의 안내 베인(115) 뒤에, 회전자 블레이드(120)로부터 형성되는 열(125)이 후속된다.
안내 베인(130)은 고정자(143)의 내부 하우징(138)에 고정되고, 한편 열(125)의 회전자 블레이드(120)는 예컨대 터빈 디스크(133)에 의해 회전자(103)에 끼워진다.
(도시되지 않은) 발전기가 회전자(103)에 결합된다.
가스 터빈(100)이 동작 중인 동안에, 압축기(105)가 흡기 하우징(104)을 통해 공기(135)를 흡인하고, 공기(135)를 압축한다. 압축기(105)의 터빈측 단부에 제공되는 압축 공기는 버너(107)로 진행되고, 버너(107)에서 압축 공기가 연료와 혼합된다. 혼합물은 그 다음에 연소 챔버(110) 내에서 연소되고, 그에 의해 작동 매체(113)를 형성한다. 연소 챔버(110)로부터, 작동 매체(113)는 고온-가스 통로(111)를 따라 안내 베인(130) 및 회전자 블레이드(120)를 지나 유동된다. 작동 매체(113)는 회전자 블레이드(120)에서 팽창되고, 그에 의해 회전자 블레이드(120)가 회전자(103)를 구동시키고 회전자(103)가 결국 회전자(103)에 결합되는 발전기를 구동시키도록 그 모멘텀을 전달한다.
가스 터빈(100)이 동작 중인 동안에, 고온 작동 매체(113)에 노출되는 구성 요소에는 열 응력이 적용된다. 제1 터빈 스테이지(112)의 안내 베인(130) 및 회전자 블레이드(120)에는 작동 매체(113)의 유동 방향에서 보이는 것과 같이 환형 연소 챔버(110)를 라이닝하는 열 차폐 브릭(heat shield brick)과 함께 최고 열 응력이 적용된다.
안내 베인(130) 및 회전자 블레이드(120)에서 지배되는 온도를 견딜 수 있기 위해, 이들은 냉각제에 의해 냉각될 수 있다.
구성 요소의 기판이 마찬가지로 방향성 구조를 갖고, 즉 이들은 단결정 형태(SX 구조)이거나 단지 길이 방향 배향 결정립(DS 구조)을 갖는다.
예컨대, 철-계열, 니켈-계열 또는 코발트-계열 초합금이 구체적으로 터빈 블레이드 또는 베인(120, 130)을 위한 구성 요소 그리고 연소 챔버(110)의 구성 요소를 위한 재료로서 사용된다.
이러한 형태의 초합금이 제EP 1 204 776 B1, 제EP 1 306 454호, 제EP 1 319 729 A1호, 제WO 99/67435호 또는 제WO 00/44949호로부터 공지되어 있다.
안내 베인(130)은 터빈(108)의 내부 하우징(138)과 대면하는 (여기에서 도시되지 않은) 안내 베인 루트 그리고 안내 베인 루트로부터 대향 단부에서의 안내 베인 헤드를 갖는다. 안내 베인 헤드는 회전자(103)와 대면하고, 고정자(143)의 고정 링(140)에 고정된다.
위에서 설명된 요건을 충족시키는 새롭게 변형된 코팅이 개발되었다. 이러한 코팅은 양호한 긴 사용 수명, 수용 가능한 기계적 성질 그리고 개선된 내산화성을 갖는다. 이것은 바람직하게는 레늄(Re)을 제외한 니켈 계열 합금 내의 탄탈(Ta)의 존재를 기초로 한다. 탄탈(Ta)은 높은 γ'/γ 전이 온도를 갖는 3상 시스템(γ'/γ/β)의 형성을 안정화시킨다(도2). 이것은 탄탈(Ta)이 본드코트 사용 온도보다 높은 γ'의 높은 전이 온도를 안정화시키기 때문에 국부 응력을 또한 감소시킬 것이다.
그러므로, 바람직하게는 코팅 내의 하프늄(Hf), 실리콘(Si) 또는 지르코늄(Zr)에 대한 필요성이 없다.
매우 양호한 결과가 상승된 γ' 전이 온도를 갖는 제안된 3-상-시스템을 얻는 다음의 원소 조성(Ni-23Co-17Cr-10Al-2Ta-0.3Y)에서 나타난다.
탄탄(Ta) 대신에 레늄(Re)을 함유하는 조성(Ni-25Co-17Cr-10Al-1.5Re-Y)은 탄탈이 첨가되지 않기 때문에 더 낮은 γ'/γ 전이 온도를 갖는다(도1).
본드코트는 바람직하게는 코발트(Co), 크롬(Cr), 알루미늄(Al) 및 선택적으로 이트륨(Y)의 첨가를 갖고 바람직하게는 이들 원소를 함유하는 니켈(Ni) 계열 초합금이다.
매우 바람직하게는, 본드코트는 MCrAlY 합금이고, 이 때에 M=Ni, Co이다.
바람직하게는, 합금은 몰리브덴(Mo) 및/또는 텅스텐(W)을 함유하지 않고, 및/또는 컬럼븀(Nb)을 함유한다.

Claims (19)

  1. 금속 코팅이고, 니켈을 기반으로 하고 γ- 및 γ'-상 그리고 선택적으로 β-상을 함유하는, 금속 코팅에 있어서,
    코팅은 0.1 내지 7 중량%의 탄탈(Ta)을 함유하고,
    금속 코팅은 적어도 1 중량%의 코발트(Co)를 함유하며,
    크롬(Cr)의 양은 12-22 중량%이고,
    알루미늄(Al)의 양은 5-15 중량%이며,
    잔부 니켈(Ni)을 포함하고,
    실리콘(Si), 하프늄(Hf), 및 지르코늄(Zr)을 함유하지 않고,
    니켈(Ni), 코발트(Co), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 탄탈(Ta) 그리고 선택적으로 적어도 0.1 중량%의 이트륨(Y)로 구성되는 것을 특징으로 하는 금속 코팅.
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  6. 제1항에 있어서, 코발트(Co)의 양은 15-30 중량%의 범위인 금속 코팅.
  7. 제1항에 있어서, 이트륨(Y)의 양은 0.1-0.7 중량%인 금속 코팅.
  8. 제1항에 있어서, 금속 코팅은 레늄(Re)을 함유하지 않는 금속 코팅.
  9. 제1항에 있어서, 금속 코팅은 0.1 내지 2 중량%의 레늄(Re)을 함유하는 금속 코팅.
  10. 제1항에 있어서, 코팅은 MCrAlY 합금으로서, 이 M=니켈(Ni)과 코발트(Co) 중 어느 하나 또는 모두인, 금속 코팅.
  11. 제1항에 있어서, 레늄(Re)을 함유하고 탄탈을 함유하지 않는 NiCoCrAlY 합금 또는 코팅에 비해 더 높은 γ'/γ 전이 온도를 갖는 금속 코팅.
  12. 제1항에 있어서, β-상을 함유하는 금속 코팅.
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  14. 제1항에 있어서, 철(Fe)을 함유하지 않는 금속 코팅.
  15. 제1항에 따른 금속 코팅을 함유하는 구성 요소.
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