KR102395009B1 - 가스 터빈용 독립형 세라믹 시일 - Google Patents

Abstract

다양한 실시예는 가스 터빈 시일 및 그러한 시일을 형성하는 방법을 포함한다. 시일을 형성하는 방법은, 세라믹 층을 형성하기 위해 세라믹 재료를 기재 상에 적용하고, 세라믹 층으로부터 기재를 제거하고, 그리고 독립형 세라믹 시일을 형성하도록 세라믹 층을 마무리함으로써, 가스 터빈 내의 밀봉을 위한 독립형 세라믹 시일을 형성하는 단계를 포함한다. 본 방법은 세라믹 재료의 입자를 기재의 표면 상에 용융 또는 증기 상태 중 하나로 침착하는 단계 및 세라믹 층을 형성하도록 세라믹 재료를 담금질하는 단계를 포함한다. 세라믹 재료는 t' 정방정계 구조를 갖는 이트리아 안정화 지르코니아를 포함한다. 독립형 세라믹 시일을 포함하는 가스 터빈이 추가로 개시된다.

Description

가스 터빈용 독립형 세라믹 시일

본 명세서에 개시된 발명의 요지는 터빈에 관한 것이다. 구체적으로, 본 명세서에 개시된 발명의 요지는 가스 터빈에서의 시일(seal)에 관한 것이다.

가스 터빈 내의 주 가스 유로(main gas-flow path)는 통상적으로 압축기 입구, 압축기, 터빈 및 가스 유출부의 작동 구성요소를 포함한다. 또한, 터빈의 다양한 피가열 구성요소를 냉각시키는 데 사용되는 이차 유동이 있다. 대체적으로, 가스 유로로부터 또는 그 내로의 이러한 유동과 가스 누출의 혼합은 터빈 성능에 해롭다. 터빈 구성요소들 사이의 냉각 유동의 누출은 대체적으로 감소된 전력 출력 및 더 낮은 효율을 야기한다. 누출은 가스 터빈의 작동 동안 소정 구성요소의 열 팽창 및 구성요소들 사이의 상대 이동에 의해 야기될 수 있다. 따라서, 고온 가스 경로 내로의 고압 냉각 유동의 누출은 유해한 기생 손실(parasitic loss)을 초래할 수 있다. 따라서, 전체 효율은 요구되는 경우에만 냉각 유동을 제공하면서 시일 구성요소로 누출 위치를 차단함으로써 개선될 수 있다. 현재의 가스 터빈 시일은 그러한 누출 제어를 달성하기 위해 금속 시일의 많은 상이한 조합 및 구성을 사용한다. 예를 들어, 스플라인 시일(spline seal)은 가스 터빈의 링 조립체에서 인접한 고정자 부품들 사이에 사용될 수 있다.

가스 터빈 및 엔진은 1800℉ 초과의 온도, 및 전형적으로 2200℉ 내지 2700℉의 온도에서 기능하도록 예정되어 있다. 이와 같이, 다수의 터빈 구성요소는 세라믹 매트릭스 복합재(ceramic matrix composite, CMC)와 같은 고급 재료로 형성될 수 있다. Haynes 288, 214와 같은 특수 합금으로부터 제조된 전통적인 금속 시일은 크리프(creep), 산화 및 고온 부식으로부터의 가속화된 파괴로 인해 1800℉ 초과의 온도에 노출되는 응용예에 적합하지 않다. 또한, 금속 시일은 고온에서 CMC 구성요소와 반응할 수 있다.

방향성 고화 및/또는 단결정 니켈계 초합금은 흔히 고온 응용예를 위한 터빈 블레이드의 제조에 사용되지만, 이들 응용예에 필요한 박막 시일(thin seal)로 제조하기가 어렵고 고가인 것으로 밝혀졌다. 또한, 이러한 유형의 재료의 시일은 고온에서의 가혹한 환경에 노출될 때 산화를 방지하기 위해 본드 코트(bond coat) 위에 열 장벽 층의 형성을 여전히 필요로 할 것이다. 따라서, 이러한 3층 복합 구조물을 포함하기 위한 시일의 제조는 확장가능(scalable)하지 않으며, 따라서 실행가능한 옵션이 아니었다.

따라서, 고온에서 가혹한 환경에 노출되는 가스 터빈 부품에 사용하기 위한, 스플라인 시일과 같은 개선된 시일에 대한 요구가 있다. 또한, 가스 터빈 CMC 구성요소와 함께 사용하기 위한 개선된 시일에 대한 요구가 있다. 그러한 시일은 긴 구성요소 수명을 갖는 적절한 밀봉(sealing)을 제공하도록 내고온성, 내마모성, 및 충분히 가요성이어야 한다.

본 발명의 다양한 실시예는 가스 터빈 시일 및 그러한 시일을 형성하는 방법을 포함한다. 하나의 예시적인 실시예에 따르면, 가스 터빈 내의 밀봉을 위한 독립형 세라믹 시일을 형성하는 방법이 개시되는데, 본 방법은 세라믹 층을 형성하기 위해 세라믹 재료를 기재 상에 적용하는 단계; 세라믹 층으로부터 기재를 제거하는 단계; 및 독립형 세라믹 시일을 형성하도록 세라믹 층을 마무리(finishing)하는 단계를 포함한다.

다른 예시적인 실시예에 따르면, 가스 터빈 내의 가스 터빈 고온 가스 경로 유동을 밀봉하기 위한 독립형 세라믹 시일이 개시된다. 독립형 세라믹 시일은 이트리아 안정화 지르코니아(yttria-stabilized zirconia, YSZ)로 구성된다.

또 다른 예시적인 실시예에 따르면, 제2 아치형 구성요소에 인접한 제1 아치형 구성요소 - 각각의 아치형 구성요소는 단부 면에 위치된 하나 이상의 슬롯을 포함함 -; 및 제1 아치형 구성요소의 슬롯 및 제2 아치형 구성요소의 슬롯 내에 배치되는 시일을 포함하는 가스 터빈이 개시된다. 시일은 t' 정방정계 구조를 갖는 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)로 구성된 독립형 세라믹 시일을 포함한다.

첨부 도면을 참조하여 하기의 상세한 설명 및 첨부된 청구범위를 읽을 때 본 발명의 다른 목적 및 이점이 명백해질 것이다. 본 출원의 이들 및 다른 특징 및 개선은 몇몇 도면 및 첨부된 청구범위와 함께 취해질 때 하기의 상세한 설명의 검토 시 당업자에게 명백해질 것이다.

본 발명의 이들 및 다른 특징부는 본 발명의 다양한 실시예를 도시하는 첨부 도면과 함께 취해진 본 발명의 다양한 태양들의 하기의 상세한 설명으로부터 더욱 용이하게 이해될 것이다.
도 1은 공지된 가스 터빈의 부분 절결 사시도를 도시한다.
도 2는 환형 배열체에서, 도 1의 가스 터빈의 예시적인 아치형 구성요소의 사시도를 도시한다.
도 3은 가스 터빈의 공지된 터빈의 부분 종단면도를 도시한다.
도 4는 본 명세서에 도시되거나 기술된 하나 이상의 실시예에 따른, 터빈의 일부분의 개략 단면도를 도시한다.
도 5는 본 명세서에 도시되거나 기술된 하나 이상의 실시예에 따른, 독립형 세라믹 시일을 형성하는 방법에서의 단계를 도시한다.
도 6은 본 명세서에 도시되거나 기술된 하나 이상의 실시예에 따른, 독립형 세라믹 시일을 형성하는 방법에서의 단계를 도시한다.
도 7은 본 명세서에 도시되거나 기술된 하나 이상의 실시예에 따른, 독립형 세라믹 시일을 형성하는 방법에서의 단계를 도시한다.
도 8은 본 명세서에 도시되거나 기술된 하나 이상의 실시예에 따른, 독립형 세라믹 시일을 형성하는 방법에서의 단계를 도시한다.
도 9는 본 명세서에 도시되거나 기술된 하나 이상의 실시예에 따른, 독립형 세라믹 시일을 형성하는 방법을 예시하는 흐름도를 도시한다.
본 명세서에 제시된 바와 같은 도면은 반드시 축척대로 그려진 것이 아님에 유의한다. 도면은 개시된 실시예의 전형적인 태양만을 도시하도록 의도되고, 따라서 본 발명의 범주를 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다. 도면에서, 동일한 도면 부호는 도면들 사이의 동일한 요소를 나타낸다.

본 명세서에 언급된 바와 같이, 개시된 발명의 요지는 터빈에 관한 것이다. 구체적으로, 본 명세서에 개시된 발명의 요지는 그러한 터빈 내의 밀봉에 관한 것이다.

이들 도면에 기재된 바와 같이, "A" 축(도 1)은 (터빈 회전자의 축을 따른) 축방향 배향을 나타낸다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "축방향" 및/또는 "축방향으로"는 터보기계(특히, 회전자 섹션)의 회전 축과 실질적으로 평행한 축(A)을 따르는 물체의 상대 위치/방향을 지칭한다. 본 명세서에 추가로 사용되는 바와 같이, 용어 "반경방향" 및/또는 "반경방향으로"는 축(A)에 실질적으로 수직이고 단 하나의 위치에서 축(A)과 교차하는, 축(도시되지 않음)을 따르는 물체의 상대 위치/방향을 지칭한다. 더욱이, 용어 "원주방향" 및/또는 "원주방향으로"는 축(A)을 둘러싸지만 어떠한 위치에서도 축(A)과 교차하지 않는 원주(도시되지 않음)를 따르는 물체의 상대 위치/방향을 지칭한다. 다양한 도면들 사이의 공통 번호부여는 도면에서 실질적으로 동일한 구성요소들을 나타내는 것으로 추가로 이해된다.

도 1을 참조하면, 가스 터빈(10)의 일 실시예의 사시도가 도시되어 있다. 이러한 실시예에서, 가스 터빈(10)은 압축기 입구(12), 압축기(14), 복수의 연소기(16), 압축기 배출부(도시되지 않음), 복수의 터빈 블레이드(20)를 포함하는 터빈(18), 회전자(22) 및 가스 유출부(24)를 포함한다. 압축기 입구(12)는 공기를 압축기(14)에 공급한다. 압축기(14)는 압축된 공기를 복수의 연소기(16)에 공급하며, 여기서 압축된 공기는 연료와 혼합된다. 복수의 연소기(16)로부터의 연소 가스는 터빈 블레이드(20)를 추진시킨다. 추진된 터빈 블레이드(20)는 회전자(22)를 회전시킨다. 케이싱(26)은 압축기 입구(14), 압축기(14), 복수의 연소기(16), 압축기 배출부(도시되지 않음), 터빈(18), 터빈 블레이드(20), 회전자(22) 및 가스 유출부(24)를 봉입하는 외부 인클로저(enclosure)를 형성한다. 가스 터빈(10)은 단지 예시적이며, 본 발명의 교시 내용은 다양한 가스 터빈에 적용될 수 있다.

일 실시예에서, 가스 터빈(10)의 고온 가스 경로(hot gas path, HGP)의 각각의 스테이지의 고정 구성요소는 한 세트의 노즐(고정자 에어포일) 및 한 세트의 슈라우드(shroud)(회전자 에어포일(20)에서의 HGP의 정적 외부 경계)로 구성된다. 노즐들 및 슈라우드들의 각각의 세트는 고온 가스 경로의 원주 둘레에 배열되는 다수의 아치형 구성요소로 구성된다. 더 구체적으로 도 2를 참조하면, 가스 터빈(10)의 터빈(18)의 복수의 아치형 구성요소(30)를 포함하는 환형 배열체(28)의 일 실시예의 사시도가 도시되어 있다. 예시된 실시예에서, 도시된 바와 같은 환형 배열체(28)는 예시적인 목적을 위해 하나의 아치형 구성요소가 제거된 상태의 7개의 아치형 구성요소(30)를 포함한다. 각각의 아치형 구성요소들(30) 사이에는 세그먼트간 갭(inter-segment gap)(33)이 있다. 이러한 세그먼트화된 구성은 열 왜곡 및 구조적 부하를 관리하고 하드웨어의 제조 및 조립을 용이하게 하기 위해 필요하다.

당업자는 환형 배열체(28)가 임의의 개수의 아치형 구성요소(30)를 가질 수 있고; 복수의 아치형 구성요소(30)가 다양한 형상 및 크기의 것일 수 있고; 금속 및/또는 CMC 구성요소를 포함할 수 있고; 복수의 아치형 구성요소(30)가 가스 터빈(10)에서 상이한 기능을 제공할 수 있다는 것을 쉽게 인식할 것이다. 예를 들어, 터빈 내의 아치형 구성요소는 아래에서 논의되는 바와 같은 외부 슈라우드, 내부 슈라우드, 노즐 블록, 및 다이어프램을 포함할 수 있지만, 이로 제한되지 않는다.

도 3을 참조하면, 가스 터빈(10)(도 1)의 터빈(18)의 일 실시예의 단면도가 도시되어 있다. 이러한 실시예에서, 케이싱(26)은 복수의 외부 슈라우드(34), 내부 슈라우드(36), 복수의 노즐 블록(38), 복수의 다이어프램(40), 및 터빈 블레이드(20)를 봉입한다. 외부 슈라우드(34), 내부 슈라우드(36), 노즐 블록(38) 및 다이어프램(40) 각각은 아치형 구성요소(30)의 일부를 형성한다. 외부 슈라우드(34), 내부 슈라우드(36), 노즐 블록(38) 및 다이어프램(40) 각각은 그의 측면에 하나 이상의 슬롯(32)을 갖는다. 이러한 실시예에서, 복수의 외부 슈라우드(34)는 케이싱(26)에 연결되고; 내부 슈라우드(36)는 복수의 외부 슈라우드(34)에 연결되고, 복수의 노즐 블록(38)은 복수의 외부 슈라우드(34)에 연결되고; 복수의 다이어프램(40)은 복수의 노즐 블록(38)에 연결된다. 당업자는 아치형 구성요소의 많은 상이한 배열체 및 기하학적 형상이 가능하다는 것을 쉽게 인식할 것이다. 대안적인 실시예는 상이한 아치형 구성요소 기하학적 형상, 더 많은 아치형 구성요소, 또는 더 적은 아치형 구성요소를 포함할 수 있다.

냉각 공기는, 전형적으로, 노즐 및 슈라우드의 각각의 세트에 대해 세그먼트간 갭(33)을 통한 정적 고온 가스 경로(가스 터빈 엔진(10)의 압축기로부터 블리딩(bleeding)됨) 누출을 능동적으로 냉각하고/하거나 퍼징하는 데 사용된다. 이러한 누출은 열역학적 사이클에 대해 기생(parasitic)하기 때문에 전체 엔진 성능 및 효율에 부정적인 영향을 미치며, 이는 고온 HGP 구성요소의 냉각 설계에 대한 어떠한 이익도 거의 없다. 앞서 나타낸 바와 같이, 시일은 전형적으로 누출을 감소시키기 위해 정적 HGP 구성요소의 세그먼트간 갭(33) 내에 통합된다. 하나 이상의 슬롯(32)은 각각의 아치형 구성요소(30)의 단부에 그러한 시일의 배치를 제공한다. 다양한 실시예에 따르면, 시일은 전형적으로 다양한 유형의 구성의 직선의 직사각형 중실체 단편(solid piece)이고, 표준 스플라인 시일, 중실체 시일(solid seal), 형상화 시일(shaped seal)(예컨대, 도그본(dog-bone)) 등과 같은 임의의 유형의 평면형 시일을 포함할 수 있다는 것이 이해된다.

도 4를 참조하면, 도 1 내지 도 3의 가스 터빈(10)과 대체로 유사한 가스 터빈(50)의 부분 종단면도가 일 실시예에 따라 도 4에 도시되어 있다. 도 4는, 본 명세서에 개시된 바와 같이, 복수의 시일이 그에 대해 배치된, 도 2의 복수의 아치형 구성요소(30) 중 하나와 대체로 유사한, 예시적인, 그리고 더 구체적으로 제1 아치형 구성요소(52)의 단부도를 도시한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 제1 아치형 구성요소(52)는 제1 아치형 구성요소(52)의 단부 면(53) 내에 형성된 하나 이상의 슬롯(60)을 포함한다. 하나 이상의 슬롯(60)은 서로에 대해 소정 각도로 형성되고 서로 연결되는 다수의 슬롯 부분으로, 또는 단일의 수평으로 연장되는 슬롯(60)으로서 구성될 수 있다. 더 구체적으로, 하나 이상의 슬롯(60)은 임의의 개수의 교차 또는 연결된 슬롯 부분으로 구성될 수 있다. 슬롯(들)(60)의 대안적인 구성이 예상된다.

도 4의 예시된 실시예에서, 가스 터빈(50)은 하나 이상의 슬롯들(60) 각각에 배치된 시일(66)을 포함한다. 시일(66)의 설명은 아치형 구성요소(52)의 단일 슬롯(60)과 관련하여 후술될 것이지만, 하나 이상의 슬롯들을 그 안에 배치할 시 인접한 아치형 구성요소의 하나 이상의 슬롯들에 유사하게 적용가능하다는 것이 이해되어야 한다.

앞서 언급된 바와 같이, 가스 터빈 및 엔진은 1800℉ 초과의 온도에서 기능하도록 예정되어 있다. 이와 같이, 시일(66)은 그러한 온도에서의 가혹한 환경에서 사용하기에 적합하여야 한다. 세라믹 재료, 및 특히 지르코니아계 재료는, 그의 고온 능력, 높은 내화도(refractoriness), 낮은 열전도도, 높은 인성, 유리질 분진에 대한 낮은 반응성, 및 플라즈마 분무, 화염 분무 및 물리 증착(physical vapor deposition, PVD) 기법에 의한 침착의 상대적 용이성 때문에, 블레이드, 베인, 버킷(bucket), 슈라우드 등과 같은 가스 터빈 부품 상의 고온 열 장벽 코팅으로서 널리 사용된다. 일례로서, 지르코니아는 보통, 소량의 소정 재료, 예를 들어 산화이트륨(이트리아), 마그네시아, 스칸디아, 산화칼슘, 또는 다양한 희토류 산화물과 같은 산화물과 혼합됨으로써, 완전히 또는 부분적으로 안정화된 형태로 채용된다. 일례로서, 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)가 종종 사용된다. 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)의 t' 상은 주도적으로 용융 및/또는 증기상으로부터의 담금질에 의해 형성 및 안정화된다. 공기 플라즈마 분무(air plasma spraying, APS)는 이들 코팅을 상업적으로 형성하기에 최상의 확장가능한 공정이며, 비교적 낮은 장비 비용 및, 적용과 마스킹의 용이성의 이점을 갖는다.

이제 도 5 내지 도 9를 참조하면, 독립형 세라믹 시일로서 본 명세서에 기술된 하나 이상의 시일(66)을 제조하는 방법에서의 단계들이 도시되어 있다. 본 방법은 궁극적으로, 시일(66)로서, 그리고 더 구체적으로는 도 1의 가스 터빈(10)과 같은 가스 터빈 내의 시일로서 기능하도록 형상화되고 선택적으로 마무리될 수 있는 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ) 세라믹 구성요소의 독립형 t' 상을 형성하는 데 사용된다. 대안적으로, 시일(66)은 발전, 항공 엔진, 또는 열적으로 그리고 화학적으로 불리한 환경 내에서 작동하는 임의의 시스템에서 사용될 수 있다.

이제 도 5를 참조하면, 전술된 바와 같은 시일(66)과 같은 독립형 시일을 형성하는 방법에서의 단계가 도시되어 있다. 일 실시예에서, 세라믹 재료는 공기 플라즈마 분무(APS)에 의해 실질적으로 평활한 기재 위에 적용된다. 플라즈마 기법은 일반적으로 당업계에 공지되어 있다. (예를 들어, 미국 특허 제5,332,598호(Kawasaki 등); 미국 특허 제5,047,612호(Savkar 및 Liliquist); 미국 특허 제4,741,286호(Itoh 등); 및 미국 특허 제4,455,470호(Klein 등) 참조). 이들 참고 문헌은 플라즈마 분무의 다양한 태양과 관련하여 유익하며, 본 명세서에 참고로 포함된다. 플라즈마 분무 코팅 분야의 당업자는 APS 기법에 의해 코팅을 적용하는 것과 관련된 다른 상세사항과 친숙하다. 다른 단계 및 공정 파라미터의 예는, 침착 전에 표면의 세정; 산화물을 제거하기 위한 그릿 블라스팅(grit blasting); 기재 온도; 분무 거리(분무기에서 기재까지)와 같은 플라즈마 분무 파라미터; 분무 패스의 횟수, 분말 공급 속도, 토치 파워, 플라즈마 가스 선택물의 선택; 침착 각도, 적용된 코팅의 후처리 등을 포함한다. 임의의 수의 파라미터는 코팅 입자 크기 및 입자 속도를 포함하는 APS 시스템으로부터의 세라믹 층의 효과적인 침착과 연관된다. 예를 들어, 논문[Berghaus, et. al., entitled "Injection Conditions and in-Flight Particle States in Suspension Plasma Spraying of Alumina and Zirconia Nano-Ceramics," Proceeding of 2005 International Thermal Spray Conference, Basel, Switzerland, May, 2005]을 참조하라. 또한, 공기 플라즈마 분무 기법에 의한 세라믹 재료의 침착에 관한 추가의 정보는 공통 양도된 미국 특허 출원 공개 제2009/0162670A1호(Yuk-Chiu, L. 등), "Method for Applying Ceramic Coatings to Smooth Surfaces by Air Plasma Spray Techniques, and Related Articles"에서 논의되어 있으며, 이는 그 전체가 본 명세서에 포함되어 있다.

더 구체적으로, 도 5의 실시예에서, 본 발명에 따른 세라믹 재료가 그 상에 침착되는 기재(82) 및 열 분무 시스템(80)이 도시되어 있다. 일 실시예에서, 열 분무 시스템(80)은 공기 플라즈마 분무(APS) 시스템, 저압 플라즈마 분무 시스템, 고속 옥시-연료 열 분무 시스템, 전자 빔 물리 증착 시스템, 또는 진공 플라즈마 분무 시스템을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 기재(82)는 알루미늄계 합금, 니켈계 합금, 철계 합금, 코발트계 합금 등과 같은 금속으로 구성된다. 일 실시예에서, 기재(82)는 전처리된 금속으로 구성된다. 일 실시예에서, 기재(82)는 흑연, 석영, 탄화규소 등 중 하나 이상과 같은 비금속 재료로 구성된다. 도시된 실시예에서, 열 분무 장치(80)는 분무 열원으로서 작용하는 고온 플라즈마 가스(86)의 스트림을 생성하기 위해 전기 아크(도시되지 않음)를 이용하는 플라즈마 분무 시스템(84)이다. 분말 형태의 세라믹 재료(88)가 불활성 가스 스트림(도시되지 않음) 내에서 고온 플라즈마 가스(86)의 스트림 내로 운반되며, 여기서 그것은 가열되고 기재(82)의 표면(83)을 향해 추진되어 세라믹 재료(88)의 층(90)을 형성한다. 시일(66)의 개시된 실시예에서, 세라믹 재료(88)는 이산화지르코늄의 결정 구조가 산화이트륨의 첨가에 의해 실온에서 안정하게 되는 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)이다. 더 구체적으로, 일 실시예에서, 세라믹 재료(86)는 약 3 내지 약 8 중량%의 이트리아의 조성을 갖는 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)이다. 열 분무 장치(80)는, 고온 플라즈마 가스(86)의 스트림에서 YSZ 세라믹 분말(88)을 용융시키고, 이어서 용융된 세라믹 재료보다 실질적으로 더 낮은 온도에 있는 기재 표면(83) 상에 YSZ 세라믹 분말(88)의 용융 입자를 담금질시킴으로써 세라믹 재료(88)의 층(90)을 형성한다. YSZ 세라믹 분말(88)의 용융 입자를 기재 표면(83) 상으로 충돌시키고 극히 신속하게 고형화시키는 것은 정방정계 프라임(t')으로 알려진 이트리아 안정화 지르코니아의 준안정 결정상을 생성한다. 이러한 준안정 상은 또한, t'가 약 1200℃ 미만에서 안정한 것으로 간주되고, 그리고 다른 가공 방법, 조성물, 및 환경적 상 탈안정화 메커니즘(environmental phase destabilization mechanism)에 의해 생산될 경우 존재할 수 있는 YSZ의 다른 상과 비교할 때 상당히 더 높은 파괴 인성을 보유한다는 점에서, 산업계에서 비 변형성 상(non-transformable phase)으로 불린다. 기능성 세라믹 시일에 대한 기계적 요건은 t' 상이 주로 주도적 상(predomiant phase)이라는 것을 필요로 한다.

도 6에 가장 잘 도시된 바와 같이, 세라믹 재료의 층(90)은 기재(82)의 표면(83) 상에 형성된다. 도 7 및 도 8에 나타낸 바와 같이, 다음 단계에서, 기재(82)는 세라믹 층(90)의 추가 가공 전에 제거된다. 특정 재료 및 공정에 따라, 기재(82)는 기계적(예를 들어, 절단), 열적(예를 들어, 연소) 또는 화학적(예를 들어, 용매 중에서의 용해) 수단을 사용하거나 또는 이들의 조합을 사용하여 제거될 수 있다. 더 구체적으로, 층(90)의 형성에 후속하여, 기재(82)를 제거함으로써 세라믹 층(90)이 복구된다. 일 실시예에서, 기재(82)는 이러한 단계 동안, 예컨대 세라믹 층(90)에 대한 손상 없이 기재(82)의 제거를 제공하는 절단, 침출, 용해, 용융, 산화, 에칭, 또는 임의의 다른 유사한 방법에 의해 기계적으로, 화학적으로, 또는 열적으로 제거될 수 있다. 일 실시예에서, 기재(82)는 산 또는 알칼리 에칭제와 같은 적합한 에칭 매체로 에칭된다. 일 실시예에서, 에칭제 매체는 질산 및 플루오르화 수소산의 조합을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 기재(82)는 농축된 질산(예컨대, 67%, 50%, 40% 등)의 플러시(flush)를 사용하여 제거된다. 다른 실시예에서, 농축된 염산이 기재(82)를 제거하는 데 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 에칭제 매체는 질산, 염산, 및 탈이온수의 혼합물이다.

여전히 도 7 및 도 8을 참조하면, 이제 기재(82)가 제거된 독립형 세라믹 층(90)이 독립형 시일로서 기능하도록, 그리고 더 구체적으로는 독립형 세라믹 시일(66)(도 4)을 형성하도록 요구되는 치수, 강도, 밀도, 표면 텍스처 및/또는 형상으로 마무리된다. 도 7에 가장 잘 도시된 바와 같이, 세라믹 층(90)은 파선(92)으로 나타낸 바와 같이 절단되어, 시일(66)을 형성할 부분(94) 및 폐기될 하나 이상의 부분(96)을 형성한다. 일 실시예에서, 세라믹 층(90)은 실질적으로 마무리된 치수의 시일(66)을 형성하도록 기계적으로 절단된다. 더 구체적으로, 세라믹 층(90)은 이것이 시일(66)로서 기능하는 데 필요한 형상으로 형성되도록 절단된다.

도 8에 가장 잘 도시된 바와 같이, 세라믹 층(90)의 표면(91), 그리고 더 구체적으로는 부분(94)은 다음에, 마무리된 시일(66)의 원하는 평활도, 조도, 치수 등을 생성하기 위해, 예를 들어 연삭, 호닝(honing), 래핑 및/또는 폴리싱을 통해 마무리된다. 이 기법이 세라믹 층(90)을 손상시키지 않는 한, 임의의 종래의 마무리 단계가 수행될 수 있다. 비제한적인 예에는 그릿 블라스팅, 미세 연마지를 이용한 수동 샌딩(hand sanding), 및 기계식 폴리싱/버핑(buffing)이 포함된다. 그릿 블라스팅은 그 자체가 다수의 방식으로 수행될 수 있다. 일례로서, 광 그릿-블라스팅 단계는 탄화규소 입자를 함유하는 가압 공기 스트림을 약 80 psi 미만의 압력에서 세라믹 층(90)의 표면을 가로질러 지향시킴으로써 수행될 수 있다. 도시된 실시예에서, 세라믹 층(90)의 부분(94)은, 방향 화살표로 나타낸 바와 같이, 고속으로 회전하는 수직 스핀들 및 폴리싱 패드(98), 및 적합한 폴리싱 매체를 사용하여 기계적으로 폴리싱/버핑된다. 일부 특정 실시예에서, 시일(66)은 대략 0.05 밀리미터 내지 대략 3.0 밀리미터의 두께, 그리고 더 구체적으로는 대략 0.125 밀리미터 내지 2.5 밀리미터의 두께를 갖도록 마무리된다. 일 실시예에서, 시일(66)은 그가 배치되는 시일 슬롯(60)(도 4)의 폭 및 전체 길이와 실질적으로 동등한 폭 및 전체 길이를 갖도록 마무리된다.

추가 단계에서, 세라믹 층(90)의 강도를 증가시키기 위해, 추가의 후처리 단계가 수행될 수 있다. 일 실시예에서, 세라믹 층(90)의 밀도에 따라, 세라믹 층(90)은 연소의 가스상의 누출을 방지하고 추가의 강도를 부가하기 위해, 폐쇄된 다공성으로 치밀화될 수 있거나 소결활성 전구체 용액 또는 슬러리로 침윤될 수 있고, 그리고 폐쇄된 다공성으로 소결될 수 있다.

도 6을 참조하여 전술된 바와 같이, 기재(82)의 제거 후에, 도 7에 기술된 바와 같은 절단, 도 8에 기술된 바와 같은 표면 마무리 및 형상화, 및/또는 도 9에 기술된 바와 같은 추가적인 후처리 단계를 포함하는 세라믹 층(90)의 최종 마무리는 원하는 결과적인 독립형 세라믹 시일(66)을 달성하도록 임의의 순서로 수행될 수 있다.

도 10은 다양한 도면에 따른, 가스 터빈에 시일을 형성하는 방법(100)을 예시하는 흐름도이다. 본 방법은 하기 공정을 포함할 수 있다:

102로 나타낸 공정 P1은 세라믹 층을 형성하기 위해 기재 상에 세라믹 재료를 배치하는 단계를 포함한다. 세라믹 재료는 t' 상 정방정계 구조를 갖는 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)를 포함한다. 일 실시예에서, 기재는 금속, 예를 들어 오스테나이트 니켈-크롬 초합금, 및 더 구체적으로는 Inconel®을 포함한다.

104로 나타낸 공정 P2는 세라믹 층으로부터 기재를 제거하는 단계를 포함한다. 기재의 제거는 기계적 수단(예를 들어, 절단), 열적 수단(예를 들어, 연소), 플라즈마-기반 수단(예를 들어, 플라즈마 에칭) 또는 화학적 수단(예를 들어, 용매 중에서의 용해) 중 임의의 것을 사용하거나 이들의 조합을 사용하여 달성될 수 있다.

106으로 나타낸 공정 P3에서, 이제 기재(82)가 제거된 세라믹 층(90)은 독립형 시일로서 기능하도록, 그리고 더 구체적으로는 독립형 세라믹 시일(66)(도 4)을 형성하도록 요구되는 치수, 강도, 밀도, 표면 텍스처 및/또는 형상으로 마무리된다. 이러한 단계에서의 세라믹 층(90)의 마무리는, 원하는 결과적인 시일(66)을 달성하기 위해, 도 7에 관하여 기술된 바와 같은 절단, 도 8에 관하여 기술된 바와 같은 표면 마무리, 및/또는 전술한 바와 같은 추가적인 후처리 단계를 포함할 수 있지만 이로 제한되지 않는다. 시일(66)의 제조 후에, 일 실시예에서, 시일(66)은 터빈(예컨대, 도 1의 가스 터빈(10))에 적용되는데, 여기서 적용은 시일(66)을 슬롯(60) 내에 삽입하는 것을 포함한다.

독립형 시일 구성요소, 그리고 더 구체적으로는 시일(66)의 높은 내화도 및 인성의 주요 요건은, 그것이 제조되는 이트리아 안정화 지르코니아의 t' 상에 의해 제공되며, 넓은 영역에서 기재 상에서의 열 분무의 담금질 형성 공정에 의해 실현가능하게 된다. 생성된 독립형 시일(66)은 감소된 제조 비용을 제공하면서, 높은 내화도(열 안정성), 높은 인성(내마모성 및 내충격성), 및 다양한 두께로 제작되는 능력을 나타낸다.

본 명세서에 도시되고 기술된 방법에서, 다른 공정이 도시되고 있지 않지만 수행될 수 있고, 공정들의 순서는 다양한 실시예에 따라 재배열될 수 있다는 것이 이해된다. 또한, 중간 공정들이 하나 이상의 기술된 공정들 사이에서 수행될 수 있다. 본 명세서에 도시되고 기술된 공정의 흐름은 다양한 실시예의 제한으로서 해석되어서는 안 된다.

본 명세서에 사용되는 용어는 단지 특정 실시예를 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 단수 형태("a", "an" 및 "the")는 문맥상 명백히 달리 지시하지 않는 한 복수의 형태를 또한 포함하는 것으로 의도된다. 본 명세서에 사용될 때, 용어 "포함한다" 및/또는 "포함하는"은 언급된 특징부, 정수, 단계, 동작, 요소, 및/또는 구성요소의 존재를 명시하지만, 하나 이상의 다른 특징부, 정수, 단계, 동작, 요소, 구성요소, 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 부가를 배제하지 않는 것을 추가로 이해할 것이다.

이러한 설명은 예들을 사용하여, 최상의 모드를 포함한 본 발명을 개시하고, 또한, 임의의 디바이스 또는 시스템을 제조 및 이용하는 것 그리고 임의의 포함된 방법을 수행하는 것을 포함한 본 발명을 임의의 당업자가 실시하는 것을 가능하게 한다. 본 발명의 특허가능 범주는 청구범위에 의해서 한정되고, 당업자에게 떠오르는 다른 예들을 포함할 수 있을 것이다. 그러한 다른 예들이 청구범위의 문헌적 표현과 상이하지 않은 구조적 요소를 갖는다면, 또는 그들이 청구범위의 문헌적 표현과 사소한 차이를 갖는 등가의 구조적 요소를 포함한다면, 그러한 다른 예들은 청구범위의 범주 내에 있는 것으로 의도된다.

Claims (20)

1. 가스 터빈(10) 내의 밀봉을 위한 독립형 세라믹 시일(66)을 형성하는 방법(100)으로서,
   세라믹 층(90)을 형성하기 위해 기재(82) 상에 세라믹 재료(88)를 적용하는 단계(102);
   상기 세라믹 층(90)의 제 1 표면으로부터 상기 기재(82)를 제거하는 단계(104); 및
   상기 독립형 세라믹 시일(66)을 형성하도록 상기 세라믹 층(90)의 제 2 표면(91)을 마무리하는 단계(106)를 포함하는, 방법(100).
2. 제1항에 있어서, 상기 기재(82)는 금속 또는 금속 합금 중 하나로 구성되는, 방법(100).
3. 가스 터빈(10) 내의 밀봉을 위한 독립형 세라믹 시일(66)을 형성하는 방법(100)으로서,
   세라믹 층(90)을 형성하기 위해 기재(82) 상에 세라믹 재료(88)를 적용하는 단계(102);
   상기 세라믹 층(90)의 제 1 표면으로부터 상기 기재(82)를 제거하는 단계(104); 및
   상기 독립형 세라믹 시일(66)을 형성하도록 상기 세라믹 층(90)의 제 1 표면(91)을 마무리하는 단계(106)를 포함하고,
   세라믹 층(90)을 형성하기 위해 기재(82) 상에 세라믹 재료(88)를 적용하는 단계(102)는 상기 세라믹 재료(88)의 입자를 상기 기재(82)의 표면(83) 상에 용융 또는 증기 상태 중 하나로 침착하는 단계 및 상기 세라믹 층(90)을 형성하도록 상기 용융 또는 증기 상태의 세라믹 재료보다 낮은 온도에 있는 상기 기재 표면(83) 상에 상기 세라믹 재료(88)를 담금질하는 단계를 포함하는, 방법(100).
4. 제1항에 있어서, 세라믹 층(90)을 형성하기 위해 기재(82) 상에 세라믹 재료(88)를 적용하는 단계(102)는 열 분무 침착 공정을 사용하여 적용하는 단계를 포함하는, 방법(100).
5. 제1항에 있어서, 상기 세라믹 재료(88)는 이트리아 안정화 지르코니아(yttria-stabilized zirconia, YSZ)를 포함하는, 방법(100).
6. 제5항에 있어서, 상기 이트리아 안정화 지르코니아는 다른 어떤 구조보다 t' 정방정계 구조를 더 많이 갖는, 방법(100).
7. 제1항에 있어서, 상기 기재(82)를 제거하는 단계(104)는 기계적 수단, 열적 수단, 및 화학적 수단 중 적어도 하나를 사용하여 제거하는 단계를 포함하는, 방법(100).
8. 제1항에 있어서, 상기 기재(82)를 제거하는 단계(104)는 산 또는 알칼리 중 하나를 사용하여 상기 기재(82)를 에칭함으로써 제거하는 단계를 포함하는, 방법(100).
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 방법에 의해 형성된 가스 터빈(10) 내의 가스 터빈 고온 가스 경로 유동을 밀봉하기 위한 독립형 세라믹 시일(66)로서, 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)로 구성된, 독립형 세라믹 시일(66).
10. 제9항에 있어서, 상기 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)는 t' 정방정계 구조를 갖는, 독립형 세라믹 시일(66).
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