KR101787766B1 - Ｃｍｃ재료로 만든 부품 표면의 평활화 방법 - Google Patents

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Abstract

거칠고 기복이 있는 표면을 갖는 세라믹 매트릭스 복합재료로 제조한 부품의 표면을 평활화하는 방법이다. 본 방법은 내화 유리질 코팅을 부품의 표면에 침적시키는 것(90)으로 이루어지고, 유리질 코팅은 실리카, 알루미나, 중정석 및 석회를 실질적으로 함유한다.

Description

ＣＭＣ재료로 만든 부품 표면의 평활화 방법{PROCESS FOR SMOOTHING THE SURFACE OF A PART MADE OF CMC MATERIAL}
본 발명은 세라믹 매트릭스 복합재료로 만들어진 부품에 관한 것이다. 본 발명은 특히 이와 같은 부품의 표면 상태를 개선하는 것에 관한 것이다.
항공기용 엔진에서, 그리고 특히 이와 같은 엔진의 가스 터빈에서, 블레이드와 같은 공기역학적 형태를 나타내는 부품은 통상적으로 주조법 및 국소적 기계가공을 사용하여 금속 합금으로 제조된다. 구체적인 에너지 소비의 감소, 오염 감소의 관점에서 항공기용 엔진에 대한 현재의 그리고 미래의 요구사항은 특히 엔진 터빈의 저압 단계에서 이와 같은 엔진의 중량을 상당히 증가시킨다.
블레이드는 저압 단계에서의 중량의 대부분을 구성한다. 현존 금속 합금으로 제조가능한 것보다 더 높은 작업 온도를 또한 수용하면서, 중량을 상당히 감소시키기 위해, 하나의 해결책은 세라믹 매트릭스 복합재료로 블레이드를 제조하는 것일 것이다.
세라믹 매트릭스 복합 (CMC) 재료는 예를 들면, 소위 "내열구조" 복합재료이고, 즉, 양호한 기계적 성질을 갖고 고온에서 그들의 성질을 유지할 수 있는 복합재료이다. 이에 더하여, 이와 같은 부품, 예를 들면 블레이드는 CMC로 제조되었을 때 통상의 금속 합금으로 제조된 동일 부품과 비교하여 중량에서 상당한 감소를 나타낸다.
공지의 방법으로, CMC 부품은 내화 섬유 (탄소 섬유 또는 세라믹 섬유)로 만들어지고 세라믹 매트릭스, 특히 내화성의 탄화물, 질화물, 산화물 등의 매트릭스에 의해서 치밀화된 섬유 강화재로 형성된다. 대표적인 CMC 재료의 예는 C-SiC 재료 (탄소 섬유 강화재 및 탄화 규소 매트릭스), SiC-SiC 재료, 및 C-C/SiC 재료 (탄소 및 탄화 규소 양방의 매트릭스)이다. CMC 재료로 만든 부품의 제작은 잘 알려져 있다. 섬유 강화재는 액체법 (세라믹 매트릭스의 전구체인 수지를 함침 및 경화 및 열분해에 의한 수지의 세라믹으로의 변환, 이 공정은 반복될 수 있음)을 사용 또는 기체법 (화학 증기 침투)을 사용하여 치밀화될 수 있다.
그럼에도 불구하고, CMC 부품은 기복이 있고 비교적 거친 표면 외관을 나타내고, 이것은 블레이드와 같은 부품에 요구되는 공기역학적 성능과 양립할 수 없다. 표면 기복은 섬유 강화재에 기인하고, 반면 거칠음은, 특히 매트릭스가 화학 증기 침투(CVI)에 의해 침적되는 경우, "실-코트(seal-coat)" 세라믹 매트릭스와 관련이 있다.
반대로, 금속 합금 및 관련 방법으로 제조된 부품은 거칠기가 거의 없는 (약 1 마이크로미터(㎛)) 평활한 표면 외관을 나타낸다.
CMC 부품의 표면 상태를 개선하기 위한 한가지 방법은 그것의 표면에 액체조성물을 적용하는 것이고, 그 액체는 세라믹 전구체 폴리머, 예를 들면, 탄화 규소, 및 세라믹 코팅을 형성시킬 수 있는 그레인 형태의 내화 고체 충전재를 함유한다. 세라믹 코팅은 부품의 표면에 존재하는 기복을 평활하게 하는 역할을 한다. 이 단계 후, 약 30시간 지속되는 화학 증기 침투 (CVI)를 사용하여 이행되는 세라믹, 예를 들면, SiC의 침적이 이어지고, 그것에 의해 내화 충전재의 입자들이 함께 결합하는 역할을 한다. CMC 부품의 표면을 처리하는 이와 같은 방법은 US　2006/0141154에 개시되어 있다.
비록 이 방법이 CMC 부품의 표면 상태를, 기복을 40 ㎛로, 그 표면 거칠기가 2㎛ 내지 5㎛의 범위에 있는 값으로 저감하는 것에 의해 상당히 개선시키는 것이 가능하지만(세라믹의 CVI 침적에 의해서 조정됨), 세라믹 코팅이 형성된 후 추가적인 CVI에 대한 필요성은 부품을 제조하는데 필요한 비용과 시간의 길이를 상당히 증가시키게 된다.
결과적으로, 부품 제작의 기간 및 비용에 관하여 불리함이 없이 CMC 부품의 표면을 평활화하는데 코팅에 대한 필요성이 있다. 이와 같은 평활화 코팅은 부품상에 침적된 유리질 코팅에 의해 형성될 수 있다.
그럼에도 불구하고, 유리질 평활화 코팅은 CMC 부품의 구조적 및 기능적 특징에 적합하도록 하기 위해 다양한 조건을 만족시켜야 한다. 유리질 평활화 코팅은 특히, 적어도 부품에 적용되는 동안, 평활화에 적합한, 즉 코팅을 부품의 표면 상에 용이하고 균질하게 도포하는 것을 가능하게 하는 표면 장력 및 아마도 점성도 제시해야 한다. 평활화 코팅은 또한 부품이 고온에 노출되었을 때 부품에서의 팽창차를 피하기 위해 부품의 CMC 재료의 열팽창 계수에 근접하는 열팽창계수를 가져야 한다. 최종적으로, 사용된 코팅은 또한 CMC 부품의 이용온도에서의 코팅의 보존성을 보증하기 위해서, 예를 들면 가스 터빈의 블레이드에서는 1100 ℃ 정도보다 높을 수도 있는 상기 온도 보다도 높은 용융 온도를 나타내야 한다.
본 발명의 목적은 양호하게 제어되고, 특히 공기역학적 성능을 필요로 하는 용도에 적합성이 있는 표면 상태를 갖는 CMC 부품을 얻기 위해, 상기 결점을 나타내지 않는 방법을 제안하는 것이다.
이것을 위해, 본 발명은 기복이 있고 거친 표면을 나타내는 세라믹 매트릭스 복합재료로 된 부품의 표면을 평활화하는 방법을 제공하고, 해당 방법에 있어서, 본 발명에 따르면, 내화 유리질 코팅 또는 내화 유리제조 조성물이 복합재료의 표면에 침적되고, 유리질 코팅은 본질적으로 실리카, 알루미나, 중정석(baryte) 및 석회를 함유한다.
그러므로, CMC 재료의 표면에 유리질 코팅을 침적시킴에 의해, 상기 방법은 부품의 표면 상태를 상당히 개선시킬 수 있고, 화학 증기 침투보다 훨씬 신속하고 저렴한 비용으로 처리가 가능하다.
본 발명의 다른 실시예에서, 부품의 표면에 유리질 코팅을 침적하기 전에, 상기 방법은, 액체 조성물을 부품의 표면에 적용함으로써 이루어지는 세라믹 코팅을 형성하고, 상기 액체 조성물은 세라믹 전구체 폴리머 및 고체 내화 충전재를 함유하며, 상기 폴리머를 경화시키고, 및 상기 경화된 폴리머를 열처리하는 것에 의해 세라믹으로 변환시키는 것을 포함한다.
이와 같은 상황에서, 유리질 코팅을 침적하는 것은 또한 고체 충전재 그레인 및/또는 세라믹 코팅의 입자들을 함께 결합시키는 것에 의해 세라믹 코팅을 안정화 및 보강할 수 있게 한다.
바람직하기는, 유리질 코팅은, 중량 퍼센트로, 실리카 55% ~ 70%, 알루미나 5% ~ 20%, 및 석회 5% ~ 10%를 함유한다.
유리질 코팅은 적어도 알칼리토류 산화물 및 알칼리 산화물로부터 선택되는 적어도 하나의 화합물을 추가로 함유한다.
본 발명의 태양에서, 유리질 코팅은 1300℃ 이상의 용융온도를 나타낸다
또 다른 태양에서, 유리질 코팅은 부품의 CMC 재료의 열팽창 계수와의 차이가 불과 ±0.5×10-6K-1 이하인 열팽창계수를 나타낸다.
유리질 코팅은 플라즈마 용사 또는 산소-아세틸렌 화염용사에 의해 부품에 침적될 수 있다.
변환에서, 유리질 코팅은 코팅에 의해 부품상에 침적될 수 있고, 침적된 코팅의 열처리를 연속해서 수행한다.
본 발명은 또한 본 발명의 방법에 따라 표면 상태가 개선된 CMC 부품을 제공하고, CMC 부품의 접근가능한 표면은 실리카, 알루미나, 중정석 및 석회를 실질적으로 함유하는 유리질 코팅으로 피복되어 있다.
유리질 코팅은 또한 적어도 알칼리토류 산화물 및 알칼리 산화물로부터 선택되는 적어도 하나의 화합물을 추가로 함유할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시에서, 부품은 또한 세라믹 상(phase)과 고체 충전재를 포함하는 세라믹 코팅을 겸비하는 것도 좋다.
상기 부품은 특히 가스 터빈 블레이드일 수 있다.
본 발명의 다른 특성 및 이점은 본 발명의 비제한적 실시예로서 제공되는 특정 구현예의 설명 및 첨부된 도면을 참조로 설명하기로 한다.
도 1은 추가의 표면 처리 없이 CMC 부품의 일부의 표면 상태를 나타내는 3차원 도면이다;
도 2는 도 1에 나타낸 부품의 일부에서 치수 변화의 측정을 나타낸 곡선이다;
도 3은 항공기용 엔진의 블레이드를 제작하는데 사용되는 금속 부품의 표면에서의 치수 변화의 측정을 나타내는 곡선이다;
도 4는 본 발명에 따른 방법의 수행의 연속 단계를 나타내는 흐름도이다; 그리고
도 5는 터보기계 블레이드의 사시도이다.
본 발명은 기복이 있고 거친 표면을 나타내는 세라믹 매트릭스 복합(CMC) 재료로 만든 부품의 표면을 평활화하는 방법을 제공한다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 평활화 방법을 수행하는 CMC 부품을 제작하는 방법은 다음 단계를 포함한다.
CMC 부품의 제작은 제조하고자 하는 부품의 형상에 근접하는 형상을 갖는 섬유 예비성형체가 이로부터 형성되는 섬유 구조체를 제공하는 것으로부터 출발한다(단계 10).
섬유 구조물은 다음과 같은 다양한 형태일 수 있다:
ㆍ2차원 (2D) 직물;
ㆍ3D 조직에 의해 얻어진 또는 다층으로서의 3-차원 (3D) 직물;
ㆍ브레이딩(braiding);
ㆍ편물(knitting);
ㆍ펠트(felt); 및
ㆍ사(yarn) 또는 토우의 단일방향 (UD) 시트 또는 다수의 UD 시트를 다른 방향으로 중첩하고 UD 시트를 예를 들면 봉제에 의해, 화학 결합제에 의해 또는 바느질에 의해 결합시켜 얻은 다방향(MD) 시트.
직포, 브레이딩, 편물, 펠트, 시트 등의 다수의 중첩층들로 구성된 섬유 구조체를 사용하는 것이 또한 가능하고, 이 층들은 예를 들면, 봉제에 의해, 사 또는 강성 요소의 주입에 의해, 또는 바느질에 의해 함께 결합된다.
섬유 구조체를 구성하는 섬유는 내화 섬유, 즉 예를 들면, 탄화 규소 (SiC)로 만들어진 세라믹 섬유, 탄소섬유 또는 내화 산화물, 예를 들면 알루미나 (Al2O3)로 만들어진 섬유이다.
일단 섬유 조직을 만들면, 세라믹-전구체 고화 수지를 함유하는 액체 조성물에 함침하여 고화시킨다 (단계 20). 이 목적을 위해, 섬유 조직을 수지와 보통은 이를 위한 용매를 함유하는 욕조에 침적한다. 드립 건조(drip-drying) 후 건조로에서 건조를 완료한다. 건조를 수지의 예비경화 또는 부분경화에 의해 동시에 수행할 수 있다. 이와 같은 예비경화는 추가 경도를 부여하기 위하여, 예비형성하는 경우에는, 섬유 조직에 충분한 변형능을 유지하기 위해 예비경화를 제한한 채로 남아 있어야 한다.
다른 공지의 함침법, 예를 들면 섬유 조직을 연속 함침장치에 통과시키는 것에 의해 예비 함침포의 제조, 주입 함침(infusion impregnation), 또는 수지 트랜스퍼 성형(RTM:resin transfer molding)에 의한 함침과 같은 공지의 함침기술이 사용될 수 있다.
고화 수지는 열분해 후에 이것이 충분한 세라믹 잔류물을 남기고, 계속해서 제작된 섬유 예비성형체가 확실하게 고화되도록 선택된다.
세라믹 전구체 수지는, 예를 들면, 탄화 규소(SiC)의 전구체인 폴리카보실란 수지, 또는 SiCO의 전구체인 폴리실록산 수지, 또는 SiCNB의 전구체인 폴리보로카보실라잔 수지 또는 폴리실라잔 수지 (SiCN) 일 수 있다.
함침 후, 제작되는 부품의 섬유 강화재를 구성하기 위한, 상기 부품의 형상과 실질적으로 일치하는 형상을 갖는 섬유 예비성형체는 지지공구를 사용하여 섬유 조직을 적합하게 하는 것에 의해 그 자체를 성형한다.
섬유 예비성형체의 성형은 바람직하게는 제작되는 부품의 복합재료 중의 섬유의 단위 부피 당 농도를 증가시키기 위해, 섬유 구조체를 압축하는 것에 의해 수행된다.
예비성형체를 성형한 후, 수지를 경화하거나 예비 경화가 있는 경우에는, 예비성형체를 공구에 보유하여 경화를 완료한다.
그 다음에, 수지를 열분해하는 열처리에 의해 고화를 완료한다. 열분해는 예를 들면, 약 900℃ 내지 1000℃의 범위의 온도에서 수행한다.
고화는 또한 화학 증기 침투 (CVI)에 의해서도 수행할 수도 있다.
이러한 고화 후, 세라믹 매트릭스를 사용하여 섬유 예비성형체의 치밀화를 계속한다(단계 30).
치밀화는 바람직하기로는 화학 증기 침투(CVI)에 의하여 수행하며, CVI 공정의 매개변수와 반응 기체의 성질이 제작되는 매트릭스의 성질에 적합하게 된다. 그러므로, 단일의 오븐에서 고화 수지의 열분해 작업에서부터 치밀화를 실시하는 조작까지 계속하는 것이 가능하다.
CVI에 의해 형성된 세라믹 매트릭스는 SiC 매트릭스 또는 규소-붕소-탄소(Si-B-C) 매트릭스 또는 탄화붕소(B4C) 매트릭스와 같은 적어도 일부는 자기-수복성인 매트릭스 또는 비수복성 세라믹 매트릭스와 수복성 세라믹 매트릭스의 교호 상들을 갖는 서열화된 매트릭스(sequenced matrix)일 수 있다. 특히, 다음의 문헌들을 참조할 수 있다: FR　2　401　888, US　5　246　736, US　5　965　266, US　6　068　930, 및 US　6　291　058.
세라믹 매트릭스를 복수의 연속 침투 사이클에서 침적하여 각 사이클 사이에 기계조작을 수행하여 재료의 표면 기공을 다시 열고, 섬유 강화재에 매트릭스의 침적을 촉진시킬 수 있다.
도 1은 상기의 방법을 사용하여 성형 및 치밀화한, SiC 섬유(Guipex® 기재-8 사틴)의 3-차원 제직의 고화 다층 섬유 조직으로 제작된 CMC 부품의 일부의 표면 상태를 나타낸 것이다. 도 2의 측정에서 나타낸 바와 같이, 부품은 그 표면 상에 200 ㎛ 이상의 진폭을 갖는 기복과 약 5 ㎛의 수준을 나타내는 거칠기 양방을 나타낸 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 이러한 표면 요철에 의해서 공기 역학적 용도로는 이와 같은 부품을 변화시키지 않고 그대로 사용할 수 없다. 도 3은, 비교를 위해, 항공기 엔진의 저압 단계에서의 금속재료로 제작된 블레이드의 표면 상태의 측정을 나타낸 것이다. 블레이드는 그 표면에 어느 기복도 나타내지 않고 약 1 ㎛의 평균 조도를 보여주고 있다는 것을 알 수 있다.
이 목적을 위해, 및 본 발명의 실시예 의하면, 부품의 CMC 재료의 접근가능한 표면에 내화 유리질 코팅을 직접 침적된다(단계 90). 용어 "접근가능한 표면"은 부품의 외부의 기하 표면, 및 재료의 내부이지만 외부로 개방된 구멍의 표면, 즉 외부로부터 접근할 수 있는 구멍의 표면을 의미하는데 사용된다. 본 명세서에서 기재한 실시에서, 코팅은 부품의 CMC 재료와 직접 접촉한다.
침적된 유리질 코팅의 조성물은 부품의 CMC 재료와 적합성이 있도록 선택된다. 특히, 코팅 조성물은 열팽창 계수가 CMC 재료 부품의 열팽창 계수와 비교적 유사하도록, 즉 부품의 CMC 재료의 열팽창 계수의 계수와의 차이가 ±0.5×10-6K-1이하가 되도록 선택된다. 예를 들면, 유리질 코팅은 열팽창 계수가 4×10-6K-1 내지 5×10-6K-1의 범위이고, CMC의 열팽창 계수는 일반적으로 4 내지 4.5의 범위이다. 유리질 코팅 조성물은 또한 CMC 재료와 화학적으로 상호반응하지 않도록 선택된다.
또한, 유리질 코팅은 CMC 부품의 이용 조건의 함수로서 선택될 수 있다. 특히, 유리질 코팅은 부품의 이용 온도에서 견딜 수 있어야 하고 부품에 규정된 수명 이상의 수명을 나타내어야 한다. 이러한 목적을 위해, 유리질 코팅은 부품의 최고 이용 온도보다 높은 용융온도를 갖는 것을 선택한다. 예를 들면, 가스 터빈의 블레이드를 구성하는 부품의 경우, 이와 같은 부품에 의해 만나게 되는 최고 온도는 1100℃일 수 있다. 이와 같은 환경 하에서, 유리질 코팅은 1300℃보다 낮지 않은 용융온도를 나타내어야 한다.
유리질 코팅은 바람직하기는 이하의 중량 백분율을 함유한다:
ㆍ55% 내지 70% 실리카 (SiO2);
ㆍ5% 내지 20% 알루미나 (Al2O3);
ㆍ5% 내지 15% 중정석 (BaO); 및
ㆍ5% 내지 10% 석회 (CaO).
이와 같은 조성을 사용하여, 알루미노-실리케이트 유리가 1100℃보다 높은 용융온도를 나타내는 알칼리토류 플럭스(fluxes)와 함께 형성되고, 이것에 의해 1100℃ 만큼 높을 수 있는 이용 온도까지 그의 보전성을 유지하는 유리질 코팅을 부품 상에 형성한다. 상기 조성물을 이용하여, 유리질 평활화 코팅은 적어도 부품에 적용하는 동안, 평활화에 적합한 즉, 코팅을 부품의 표면에 균일하게 도포하는 것을 용이하게 하는, 표면 장력과 아마도 점도를 나타내게 된다.
평활화 코팅은 또한 부품이 고온에 노출될 때 부품에서 팽창차를 피하기 위해 부품의 CMC 재료의 열팽창 계수에 가까운 열팽창 계수를 갖는다.
실리카는 조성물에 대해 기본 산화물에 해당한다.
천연 무기 원재료로부터 유래하는 알루미나는 유리의 용융온도를 증가시키는 역할을 한다. 이것은 또한 유리의 열팽창계수와 표면 장력을 조절하는 것도 가능하다. 유리질 코팅의 조성물 중에서 알루미나의 백분율이 증가하는 것에 의해, 코팅의 열팽창 계수와 표면 장력이 증가한다.
중정석은 고온에서 유리의 용융기간, 즉 용융이 일어나는 시간의 길이를 조절하는 역할을 한다. 또한 중정석은 유리의 열팽창 계수, 점도 및 표면장력을 조절하는 것이 가능하다. 유리질 코팅의 조성물 중에서 중정석의 백분율을 증가함에 의해, 코팅의 열팽창 계수, 점도 및 표면 장력이 감소한다.
석회는 유리의 점도와 표면장력을 조절하는 역할을 한다. 유리질 코팅의 조성물 중에서 석회의 백분율이 증가함에 의해, 열팽창 계수와 점도는 감소하고 반면 표면장력은 증가한다.
유리질 코팅은 또한 마그네시아 (MgO) 또는 지르코니아 (ZrO2)와 같은 알칼리토류 산화물, 및 산화나트륨 (Na2O) 및 산화칼륨 (K2O)과 같은 알칼리 산화물로부터 선택되는 적어도 하나의 화합물을 추가로 함유할 수 있다. 예를 들면, 유리질 코팅은, 실리카, 알루미나, 중정석 및 석회에 더하여, 0% 내지 5%의 마그네시아 및/또는 0% 내지 10%의 지르코니아 및/또는 0% 내지 5%의 산화나트륨을 포함할 수 있다.
마그네시아는 유리의 표면 장력을 조절하는 역할을 한다. 유리질 코팅의 조성물 중에서 마그네시아의 백분율의 증가에 의해, 코팅의 표면 장력이 증가한다.
지르코니아는 유리의 기계적 성질에 기여한다. 이것은 또한 유리의 표면장력을 조절하는 것도 가능하다. 유리질 코팅의 조성물 중에서 지르코니아의 백분율의 증가에 의해 코팅의 표면장력이 증가한다.
산화나트륨은 유리의 점도 및 표면장력을 조절하는 작용을 한다. 유리질 코팅의 조성물에서 산화나트륨의 백분율의 증가에 의해, 코팅의 점도는 감소하고 표면장력은 증가한다.
일반적으로 말해서, 이러한 종류의 유리 조성물에서, 알칼리토류 산화물(중정석, 석회, 마그네시아 등)의 사용은 통상의 알칼리 산화물 (산화나트륨, 산화칼륨 등)과 비교해서 최고의 이용 온도에 대해 열팽창계수를 감소시키는 역할을 한다.
유리질 코팅은 출발 조성물을 침적시키고, 약 1350℃에서 열처리를 적용함에 의해 얻어지고, 이 열처리는 침적과 동시에 또는 연속해서 실시할 수 있다.
예를 들면, 출발 조성물은 다음의 원재료들을 함유할 수 있다:
ㆍ실리카를 구성하는 모래;
ㆍ주로 알루미나, 및 소량의 실리카를 구성하는 카올린 또는 점토;
ㆍ중정석을 구성하는 탄산바륨; 및
ㆍ석회를 구성하는 탄산칼슘.
중정석은 바람직하게는 준안정성 유리를 형성하기 위해 탄산바륨으로부터 형성한다.
조성물은 또한 다음의 추가의 원재료들을 함유할 수 있다:
ㆍ주로 마그네시아, 및 소량의 알루미나를 구성하는 동석(steatite);
ㆍ지르코니아를 형성하는 규소산지르코늄(지르콘); 및
ㆍ산화 나트륨을 구성하는 소다 장석(soda feldspar)
원재료의 양은 얻기를 원하는 유리질 코팅의 구성요소의 비율의 함수로서 출발 조성물 중에서 조절한다.
비제한적인 실시예로서, 제1 출발 조성물은 중량 백분율로 다음을 함유하고:
ㆍ39% 실리카 모래;
ㆍ9% 카올린;
ㆍ5% 점토;
ㆍ10% 탄산바륨;
ㆍ7% 탄산칼슘;
ㆍ2% 스테아레이트; 및
ㆍ28% 장석,
그리고 다음을 함유하는 유리질 코팅을 구성하는 역할을 한다:
ㆍ66% 실리카;
ㆍ13% 알루미나;
ㆍ10% 중정석;
ㆍ7% 석회;
ㆍ1% 마그네시아; 및
ㆍ3% 산화나트륨.
제2의 예로서, 출발 조성물은 중량 백분율로 다음을 함유하고:
ㆍ31% 실리카 모래;
ㆍ8% 카올린;
ㆍ5% 점토;
ㆍ10% 탄산바륨;
ㆍ7% 탄산칼슘;
ㆍ2% 스테아레이트;
ㆍ10% 지르코늄 실리카; 및
ㆍ27% 장석;
다음을 함유하는 유리질 코팅을 구성하는 역할을 한다:
ㆍ61% 실리카;
ㆍ12% 알루미나;
ㆍ10% 중정석;
ㆍ7% 석회;
ㆍ1% 마그네시아;
ㆍ6% 지르코니아; 및
ㆍ3% 산화나트륨.
유리질 코팅은 특히 용사 또는 코팅에 의해 CMC 부품 상에 침적될 수 있다.
용사를 사용하는 경우, 조성물은 바람직하게, 산소-아세틸렌 화염 또는 플라즈마에 의해 부품에 용사되는 분말(공급 재료)의 형태이어야 하고, 이것에 의해 재료 상의 온도 침적을 감소시킬 수 있고 결과적으로 부품의 가열을 감소시키는 것이 가능하다. 플라즈마 또는 산소-아세틸렌 화염용사 침적법은 잘 알려져 있고, 간략화의 이유에 대해서는 더 상세히 기재하지 않는다.
코팅에 의한 침적은 특히 용사, 슬립을 도포하는 것에 의해, 또는 침적에 의해 수행될 수 있고, 출발 조성물은 예를 들면, 수중 현탁물로 유지될 수 있다. 이러한 상황에서, 부품 상에 유리질 코팅을 고정시키기 위해서 열처리를 추가할 필요가 있다. 열처리는 바람직하게 국소적으로, 즉 부품 전체를 열처리에 노출시킴이 없이 수행한다.
침적된 유리질 코팅의 두께는 주로 보상되는 요철의 수준의 함수로서 결정된다. 유리질 코팅의 층은 50㎛ 내지 300㎛의 범위에 속하는 두께를 나타낸다.
본 발명의 다른 실시에서, 유리질 코팅을 침적시키기 전에 부품의 접근가능한 표면 위에 세라믹 코팅을 실시한다. 이와 같은 상황에서, 섬유 구조체를 형성하고(단계 10), 고화하며(단계 20), 예비성형체를 치밀화(단계 30)한 후에, 세라믹 코팅 조성물을 제조한다(단계 40). 이 조성물은 분말 형태, 특히 세라믹 분말 형태의 고체 내화 충전재, 세라믹 전구체 폴리머 및 임의로 폴리머를 위한 용매를 포함한다.
예를 들면, 분말은 SiC 분말이다. 분말의 입경은 CMC 복합재료를 충전하기 위해 분말의 그레인이 표면 기공을 침투할 수 있도록 충분히 미세하게 선택한다. 평균 입경은 바람직하기는 100㎛ 미만, 예를 들면, 5 ㎛ 내지 50㎛의 범위에서 선택된다. 예를 들면, 또한 다른 입경의 분말을 사용하는 것도 가능하다. 예를 들면, 5㎛ 내지 15㎛ 범위의 평균 입경을 갖는 입자를 25㎛ 내지 50㎛의 범위의 평균 입경을 갖는 그레인과 병용하는 것이 가능하며, 보다 큰 평균 입경의 그레인들의 중량비율은 예를 들면, 보다 작은 평균 입경의 그레인들의 중량비율보다 적지 않다.
예를 들면, 탄화물(SiC 이외), 질화물, 또는 붕소화의 분말로부터 선택되는, 실질적으로 동일한 입경을 갖는 다른 분말, 특히 세라믹 분말을 사용할 수 있고, 다른 종류의 분말을 혼합하는 것이 가능하다.
세라믹 전구체 폴리머는 원하는 코팅의 성질의 함수로서 선택한다. SiC 코팅의 경우, 폴리머는 예를 들면, 폴리카르복실란(PCS) 및 폴리티타노카르복실란(PTCS)으로부터 선택되어야 한다.
다른 세라믹 전구체 폴리머, 예를 들면, SiC (또는 과량의 탄소를 갖는, SiC + C)의 전구체인 규소, 기체 중에서 열분해될 때 Si3N4 및/또는 SiC를 기본으로 하는 잔류물을 얻는 역할을 하는 폴리실라잔, 및 BN에 대한 전구체인 폴리보라진이 사용될 수 있다.
고체 충전재를 구성하는 세라믹과 폴리머 전구체인 세라믹은 바람직하게, 반드시 필요한 것은 아니지만, 동일한 종류라는 것에 주의해야 한다.
용매는 사용된 세라믹 전구체 폴리머의 함수로서 결정한다. 예를 들면, PCS로는 용매가 자일렌일 수 있다. 다른 폴리머의 경우 다른 용매가 사용될 수 있고, 예를 들면, 규소에 대해서는 헵탄, 헥산, 메틸에틸케톤, 또는 에탄올이 사용될 수 있다.
세라믹 전구체 폴리머의 양과 비교하여 고체 충전재의 양은, 내화구조 복합재료의 표면기공의 충분한 충전을 확보하고 한편으로 조성물이 특정 깊이까지 침투하는 것이 가능하도록 선택할 수 있다. 그러므로, 고체 충전재의 중량에 의한 양은 바람직하게는 세라믹 전구체 폴리머의 중량의 양의 0.4배 내지 4배의 범위이다. 이 범위는 또한 변환시 세라믹 전구체 폴리머의 수축량을 조정할 수 있게 한다.
사용된 용매의 양은 액체 조성물에 적절한 점도를 부여하여 이들을 부품의 표면에 적용하도록 선택된다.
예를 들면, SiC 코팅을 형성하기 위한 조성물의 대표적인 조성을 다음의 범위로 선택될 수 있다:
ㆍSiC 분말 (5㎛ 내지 50㎛의 범위의 평균입경): 2 중량부(pbw) 내지 7　pbw;
ㆍ PCS (SiC 전구체): 1　pbw 내지 3　pbw; 및
ㆍ자일렌 (PCS 용매): 2　pbw 내지 5　pbw.
부품의 처리를 위하여 액체 조성물을 표면에 적용한다(단계 50).
도포는 주로 브러쉬를 사용하여 실시할 수 있다. 그러나 다른 방법, 예를 들면 용사건이 사용될 수 있다.
용매를 제거하기 위하여 예를 들면, 열풍을 사용하는 건조(단계 60) 후에, 세라믹 전구체 폴리머를 경화한다(단계 70). 경화는 열처리에 의해 실시할 수 있다. 예를 들면, PCS를 사용하는 경우, 온도는 약 350℃에서 체류될 때까지 온도를 점진적으로 상승시킨다.
경화된 폴리머를 세라믹화의 목적을 위해 열처리한다(단계 80). PCS를 사용하여, 약 900℃에서 체류될 때까지 점진적으로 온도가 상승하도록 SiC로의 변환을 실시한다.
액체 조성물의 복수의 연속층을 도포할 수도 있다. 각 층을 도포한 후, 조성물의 건조 및 세라믹 전구체 폴리머의 경화를 적어도 1회의 조작을 진행하는 것이 바람직하다. 세라믹화는 모든 층에 동시에 실시할 수 있다.
당연히, 다른 세라믹 전구체들을 사용하는 경우에는, 경화 조건 및 세라믹 조건이 다를 수 있고, 이들의 조건들은 어느 새로운 특징을 나타내지 않는다.
그러므로 세라믹 전구체 및 고체 충전재의 세라믹화로부터 유래되는 상을 포함하는 세라믹 코팅이 얻어진다. 이러한 코팅은 부품의 표면의 기복과 홈을 충전한다.
그럼에도 불구하고, 이 방법으로 형성된 세라믹 코팅은 구조적으로 안정화될 필요가 있다. 특히, 변환시 세라믹 전구체의 수축으로 인해 고체 충전재의 그레인 간의 결합을 확보하는 것이 필요하다. 세라믹화를 목적으로 하는 열처리 중에, 세라믹 전구체를 구성하는 재료가 수축하고, 그것에 의해 세라믹이 분할하거나 또는 붕괴를 일으킬 수 있다. 그레인은 세라믹의 연속 블록 내에서 더 이상 서로 결합하지 않는다.
이 목적을 위해, 본 발명에 따르면, 내화 유리질 코팅이 상기 조건 하에서 세라믹 코팅 상에 침적된다(단계 60).
유리질 매트릭스를 형성하는 것에 의해, 유리질 코팅을 침적은 세라믹 코팅의 그레인 및/또는 입자들을 함께 결합시키는 역할을 한다. 이와 같은 함침은 또한 (균일한 마찰 조건하에서) CMC 부품의 마모 강도도 증가시킬 수 있다.
유리질 코팅은, 유리질 코팅 상의 표면 요철을 보상하도록 형성되며 유리질 코팅의 양은 보상하는 요철의 함수로서 선택된다. 유리질 코팅의 층은 50㎛ 내지 300㎛ 범위의 두께를 나타낸다. 이 방법으로 형성된 층은 세라믹 코팅의 표면 및 결과적으로 부품의 표면을 평활하게 하는 역할을 한다. 본 발명의 유리질 코팅은 부품의 표면 기복의 수준을 40㎛ 미만의 값으로 저하시켜, 표면 거칠기의 수준을 1 ㎛ 미만의 값으로 저하시키는 역할을 한다.
본 발명은 각종의 유형의 터보기관 블레이드, 특히 도 5에 나타낸 바와 같은, 각종의 가스터빈스풀(spool)의 컴프레셔 및 터빈 블레이드에 적용할 수 있다.
도 5의 블레이드(10)는 공지의 방법으로 날개(airfoil; 20), 두께가 더 두꺼운 부분, 예를 들면, 전구형상의 단면을 갖는 돌출부(tang;32)에 의해 신장된 기부(30), 및 돌출부(32)와 날개(20) 사이에 위치하는 하부 플랫폼(40), 그리고 블레이드의 자유 말단 부근의 외부 플랫폼(50)을 포함한다.

Claims (17)

  1. 기복이 있고 거친 표면을 나타내는 세라믹 매트릭스 복합재료로 된 부품의 표면을 평활화하는 방법으로, 상기 방법은 내화 유리질 코팅이 부품의 표면에 추가로 침적되고, 유리질 코팅은 실리카, 알루미나, BaO 및 석회를 함유하되 중량%로 실리카 55% 내지 70%, 알루미나 5% 내지 20%, BaO 5% 내지 15%, 및 석회 5% 내지 10%를 함유하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유리질 코팅을 부품의 표면에 침적하기 전에, 부품의 표면에 액체 조성물을 적용하여 세라믹 코팅을 형성하고, 상기 액체 조성물은 세라믹 전구체 폴리머 및 고체 내화 충전재를 함유하고, 상기 폴리머를 경화시키고, 경화된 폴리머를 열처리에 의해서 세라믹으로 변환시키는 것을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 부품은 탄화 규소 매트릭스에 의해 치밀화된 탄소 섬유 강화재를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 부품은 규소계 매트릭스에 의해 치밀화된 탄소 섬유 강화재를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 삭제
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 유리질 코팅은 최소한 알칼리토류 산화물 및 알칼리 산화물로부터 선택된 적어도 하나의 화합물을 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 유리질 코팅은 부품의 CMC 재료의 열팽창계수와의 차이가 단지 ±0.5×10-6K-1 이하만 떨어진 열팽창계수를 나타내는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 유리질 코팅은 1300℃ 이상의 용융온도를 나타내는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 유리질 코팅을 플라즈마 용사 또는 산소-아세틸렌 화염용사에 의해 부품에 침적시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 유리질 코팅을 코팅에 의해 부품 위에 침적시키고, 침적된 코팅의 열처리를 연속해서 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 세라믹 매트릭스 복합재료 부품은 가스 터빈 블레이드인 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 내화 섬유로 제조된 섬유 강화재를 포함하고, 세라믹 매트릭스에 의해서 치밀화된 내열구조 복합재료로 제조된 부품으로서, 상기 부품의 접근가능한 표면이 실리카, 알루미나, BaO, 및 석회를 함유하되 중량%로 실리카 55% 내지 70%, 알루미나 5% 내지 20%, BaO 5% 내지 15%, 및 석회 5% 내지 10%를 함유하는 유리질 코팅을 포함하는 것을 특징으로 하는 것인 부품.
  13. 제12항에 있어서, 상기 유리질 코팅은 최소한 알칼리토류 산화물 및 알칼리 산화물로부터 선택되는 적어도 하나의 화합물을 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 것인 부품.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 부품은 고체 충전재를 갖는 세라믹상을 포함하는 세라믹 코팅을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 것인 부품.
  15. 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 부품은 가스 터빈 블레이드를 구성하는 것을 특징으로 하는 부품.
  16. 제15항에 따른 블레이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 터보기계.
  17. 제11항의 방법을 사용하여 제작된 블레이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 터보기계.
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