KR102190320B1 - 터보 과급기를 위한 장벽 층 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 시스템, 특히 고온에 노출되는 시스템 또는 터보 과급기의 부분들 및/또는 구성요소들을 고온 부식에 대해 보호하기 위한 장벽 코팅을 포함하는 터보 과급기에 관한 것이다. 장벽 층은 적어도 하나의 Cr-Al-O 층을 포함한다.

Description

터보 과급기를 위한 장벽 층{BARRIER COATING FOR TURBOCHARGERS}
본 발명은 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 고온에 노출되는 시스템 또는 터보 과급기의 부분들 및/또는 구성요소들의 고온 부식에 대한 보호를 위해 장벽 층을 구비하는 터보 과급기에 관한 것이다.
EP2112252는 터보 과급기의 부분들과 같은 부분들로부터의 열 소실(dissipation of heat)을 감소시키기 위한 열 절연 층으로서 티타늄 이산화물 또는 적어도 하나의 다른 세라믹 재료와 티타늄 이산화물의 혼합물로 제조된 장벽 층의 사용을 개시하였다. 장벽 층은 바람직하게는 열 분사에 의해 침착된다.
결과적으로, 종래기술에 따른 터보 과급기의 일부 부분들은 필연적으로 고온에 노출된다. 따라서 이러한 부분들은 대체로 생산하기 매우 비용이 높고 어려운 Ni 합금 및/또는 Ti 합금과 같은 매우 온도-안정적인 재료들로 구성된다.
다른 목적을 위한 터보 과급기들의 부분들의 알려진 코팅 또한 존재한다. 예를 들어, EP2406476 및 EP2041400은 터보 과급기 구성요소들의 표면들 상에 침착될 수 있는 촉매 코팅들을 개시한다. EP2041400에 따르면, 이러한 촉매 코팅은 터보 과급기의 압축기의 흐름-안내 부분(flow-guiding part) 상에 오염물 침착을 감소시키기 위한 수단으로서 사용될 수 있다.
본 발명의 목적은 고온에 노출되는 터보 과급기 구성요소들의 서비스 수명을 연장하기 위한 해결책을 제공하는 것이다.
도 1은 예시적인 실시예 1로부터 발생한 층 1의 층 두께를 평가하기 위한 칼로트-그라인딩 측정(calotte-grinding measurement)을 도시한 도면.
도 2는 예시적인 실시예 1로부터 발생한 층 2의 층 두께를 평가하기 위한 칼로트-그라인딩 측정을 도시한 도면.
도 3은 Al0 .7Cr0 .3 표적에 의해 생산되고 코런덤 구조(corundum structure) 내의 (Al,Cr)2O3 층에 대한 반사를 명확하게 나타내는 (Al,Cr)2O3 층의 X-선 회절 다이어그램을 나타낸 도면.
도 4는 Al0 .7Cr0 .3 표적에 의해 생산되고 금속간 상(intermetallic phase) Al8Cr5의 결정 구조의 반사를 명확하게 나타내는 (Al,Cr)2O3 층의 X-선 회절 다이어그램을 나타낸 도면.
이러한 목적은 고온에 노출되는 터보 과급기 구성요소들이 적어도 하나의 알루미늄 크롬 산화물 층(Al-Cr-O)을 포함하는 산화- 및 화학적 장벽 층으로 코팅된다는 점에서 본 발명에 따라 획득된다.
본 발명의 맥락에서, "고온"이라는 표현은 400℃보다 큰 온도, 특히 500℃보다 큰 온도를 의미하는 것으로 이해된다.
본 발명에 따른 장벽 층은, 특히 600℃에 이르는 온도 및 심지어 800℃ 이상의 온도를 거치는 터보 과급기 내의 구성요소들에 있어서, 산화 및 화학적 공격에 대해 뛰어난 장벽으로 밝혀졌다.
바람직하게는, 이러한 층은 본 발명에 따라 PVD 프로세스에 의해, 바람직하게는 드롭릿 필터(droplet filter) 없이 반응성 아크 증발(reactive arc vaporization)에 의해 침착된다.
바람직하게는, 이러한 층은 CrN의 계면 층 및 Al-Cr-O의 기능 층을 포함한다.
본 발명의 다른 세부사항들이 예시적인 실시예들과 관련하여 기술될 것이다:
두 개의 예시적인 실시예들 1 및 2에 따른 층들을 생산하기 위해서, 아래의 프로세스 파라미터들이 사용되었다(표 1 및 2 참조):
계면의 침착에서의 프로세스 파라미터들
예 표적들 방전 전류 x 표적 기판 온도 사전처리
(에칭 프로세스)		 계면
(침착 프로세스)
1 2xCr Cr: 140A 450℃ Cr-금속 이온 에칭(18분) (13분 동안 3Pa N2에서의) CrN
2 2xCr Cr: 140A 450℃ Cr-금속 이온 에칭(18분) (7분 동안 3Pa N2에서의) CrN
기능 층의 침착에서의 프로세스 파라미터들
예 표적들 방전 전류 x 표적 기판 온도 기체 흐름 기능 층
1 2xAlCr AlCr: 200A 450℃ 400 sccm O2 (60분 동안) Al-Cr-O
2 2xAlCr AlCr: 200A 450℃ 400 sccm O2 (30분 동안) Al-Cr-O
예시적인 실시예들 1 및 2에 따른 본 발명에 따라 생산된 층들의 층 두께들이 칼로트 그라인딩 프로세스를 이용하여 층 두께 테스트 디바이스의 도움으로 측정되었다(표 3과 도 1 및 2 참조):
예시적인 실시예들 1 및 2로부터 발생하는 층 1 및 2의 층 두께
예 계면 두께 기능 층
1 0.5㎛ 4.0㎛
2 0.3㎛ 1.9㎛
본 발명에 따라 Al-Cr-O 층들을 생산하기 위해서, 바람직하게는 원자 농도가 0.2≤x≤0.9인 Al1 - xCrx 조성을 갖는 표적들이 사용되었다. 일반적으로, 이러한 표적들은 임의의 화학적 조성이 표시된 영역에서 사용될 수 있도록 분말 야금에 의해 생산된다.
바람직하게는, 전술된 예시적인 실시예들 1 및 2에서 이미 나타내어진 바와 같이, 표적들이 산소 대기 내에서 증발된다. 본 발명에 따르면, 표적들은 증발률을 제어하기 위해서 서로 다른 방전 전류들을 이용하여 동작될 수 있다.
본 발명에 따르면, 층들의 화학적 조성이 바람직하게는 이러한 방식으로 생산된 층의 분석이 y≤0.3인 (Al,Cr)2O3 -y의 조성을 산출하도록 제어된다.
경우에 따라서, 코팅 온도는 코팅된 기판 재료 및 후속 이용에 적응될 수 있다. 전형적으로, 코팅 온도는 100℃와 600℃ 사이이다.
코팅될 기판들이 서로 다른 형태들 및 크기들을 가질 수 있기 때문에, 시스템 내의 코팅 동안 기판이 고정되도록 이용되는 기판 홀더의 실시예가 기판의 형태에 적응된다.
이들 모두가, 모든 경우에서 전술된 화학적 조성이 사실상 유지되지만 산화물 층의 다른 상 조성들이 서로 다른 프로세스 파라미터들에 대해 생산된다는 사실을 야기한다.
층의 상들이 일반적으로 X-선 회절(XRD) 방법들을 이용하여 측정된다. 결과적으로, 일부 경우들에서 측정된 XRD 스펙트럼이 예를 들어 도 3에 도시된 바와 같이 코런덤 구조 내의 (Al,Cr)2O3 층에 대한 반사를 명확하게 나타낼 수 있다. 이러한 경우에, 도 3은 Al0 .7Cr0 .3 표적에 의해 생산된 (Al,Cr)2O3 층의 X-선 회절 다이어그램을 나타낸다.
도면에는, 텅스텐 탄화물 기판의 위치들의 XRD 반사들 및 에스콜레이트 구조(eskolaite structure) 내의 Cr2O3(실선) 및 코런덤 구조 내의 Al2O3(점선)의 회절 반사들에 대한 위치들이 플롯되었다. 이들 두 라인들 사이는 베가드의 법칙(Vegard's law)에 따라 예상되는 바와 같이, 코런덤 구조 내의 합성된 (Al,Cr)2O3 혼합 결정에 대한 개별 측정된 회절 반사이다.
그러나 전술된 바와 같이 프로세스 조건들이 변화된다면, 산화물의 결정자 크기가 결정자가 XRD를 이용하여 더 이상 검출될 수 없을 만큼 너무 작을 수 있거나 또는 프로세스 조건들에서의 변화가 결과적인 산화물의 구조로 하여금 더욱 비결정질화 되도록 하는 것이 가능하다.
이러한 경우들에서, 산화물은 더 이상 X-선 스펙트럼에서 검출될 수 없지만, 대부분의 경우에서, 주로 금속간 상이며 Al-Cr-O 층의 금속 혼합된 결정들인 실질적으로 관련된 화합물들이 발견될 수 있다. 예를 들어, 하나의 이러한 실질적으로 관련된 화합물은 금속간 상 Al8Cr5이다.
산화물 상이 검출될 수 없지만 실질적으로 관련된 금속간 상 Al8Cr5이 명확하게 분명한 하나의 층 내에서 측정되는 X-선 스펙트럼을 나타내는 상응하는 X-선 회절 다이어그램이 도 4에 도시되었다. 이러한 X-선 회절 다이어그램은 다시 텅스텐 탄화물 기판에 대한 회절 반사(두꺼운 점선) 및 추가로 Al8Cr5 결정 구조에 대한 회절 반사(실선)를 도시하며, 이것은 산화물 층 내의 이러한 금속간 화합물의 존재를 명백하게 나타낸다.
전체가 유사한 방식으로, 소정의 프로세스 조건 하에서, 예를 들어 Al4Cr1 또는 Al9Cr4, 또는 다른 Al-Cr 금속간 화합물 또는 혼합된 결정들을 개별적으로 또는 함께 검출하기 위해, 화학적 조성이 위에서 기술된 산화물 층 내에서 XRD가 사용될 수 있다.

Claims (10)

  1. 시스템의 동작 동안 고온에 노출되는 시스템의 일부 또는 구성요소이며, 산화 및 화학적 장벽 층을 구비하는 PVD-코팅된 기판으로,
    - 상기 시스템이 터보 과급기이고,
    - 상기 기판이 400℃보다 높은 온도에 노출되는 터보 과급기의 일부 또는 요소이고,
    - 상기 장벽 층은 (Al,Cr)2O3-y(y≤0.3)의 조성을 갖는 적어도 하나의 Al-Cr-O 층을 포함하고, X-선 회절 다이어그램이 AlCr 금속간 상(intermetallic phase)의 결정 구조의 반사를 나타내는 것을 특징으로 하는, PVD-코팅된 기판.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 장벽 층은 상기 기판과 상기 Al-Cr-O 층 사이에 위치된 크롬질화물 층을 포함하는, PVD-코팅된 기판.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 Al-Cr-O 층의 X-선 회절 다이어그램이 코런덤 구조(corundum structure) 내의 (Al,Cr)2O3 층의 반사를 나타내는, PVD-코팅된 기판.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 산화물의 결정자 크기가 결정자가 XRD를 이용하여 검출될 수 없을 만큼 작은, PVD-코팅된 기판.
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