KR102486067B1 - 차열 코팅, 터빈 부재, 가스 터빈 및 차열 코팅의 제조 방법 - Google Patents

차열 코팅, 터빈 부재, 가스 터빈 및 차열 코팅의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

차열 코팅은 모재 상에 적층되는 본드 코트층과, 상기 본드 코트층 상에 적층된 세라믹스층으로서, 10% 이상 15% 이하의 기공률을 갖는 제 1 층, 및 0.5% 이상 9.0% 이하의 기공률을 가지며, 또한, 상기 제 1 층 상에 적층된 제 2 층을 포함하는 세라믹스층을 구비한다.

Description

차열 코팅, 터빈 부재, 가스 터빈 및 차열 코팅의 제조 방법
본 개시는 차열 코팅, 터빈 부재, 가스 터빈 및 차열 코팅의 제조 방법에 관한 것이다.
산업용 가스 터빈의 분야에서는, 날개의 형상이나 날개에 마련된 냉각 구조를 변경하지 않고, 내열 부재로의 열부하를 저감할 수 있는 차열 코팅(Thermal Barrier Coating: TBC)이 알려져 있다.
예를 들면 특허문헌 1에는, 높은 차열성과 열 사이클 내구성을 양립하기 위해, 소정의 입도 분포를 갖는 용사 입자를 용사하는 것에 의해 세라믹스층을 형성하는 차열 코팅의 제조 방법이 개시되어 있다.
일본 특허 제 5602156 호 공보
석유를 연료로 한 오일 연소 가스 터빈에서는, 연소 가스에 포함되는 부식성 물질이 차열 코팅의 세라믹스층의 기공으로부터 세라믹스층에 침투하여 세라믹스층을 열화시키는 경우가 있는 것이 알려져 있다. 그 때문에, 연소 가스에 포함되는 부식성 물질에 의해 차열 코팅의 내구성이 저하하는 일이 있다.
그래서, 예를 들면 차열 코팅의 세라믹스층의 기공률을 저감하는 것에 의해 부식성 물질이 세라믹스층에 침투하는 것을 억제하는 것을 고려할 수 있다. 그러나, 세라믹스층의 기공률을 저감시키면, 세라믹스층의 열전도율이 상승해 버리기 때문에, 차열 코팅의 차열성이 저하하여 버린다.
상술의 사정을 감안하여, 본 발명의 적어도 일 실시형태는, 차열 코팅의 내구성을 향상시키는 것을 목적으로 한다.
(1) 본 발명의 적어도 일 실시형태에 따른 차열 코팅은,
모재 상에 적층되는 본드 코트층과,
상기 본드 코트층 상에 적층된 세라믹스층으로서,
10% 이상 15% 이하의 기공률을 갖는 제 1 층, 및
0.5% 이상 9.0% 이하의 기공률을 가지며, 또한, 상기 제 1 층 상에 적층된 제 2 층을 포함하는 세라믹스층을 구비한다.
상기 (1)의 구성에 의하면, 세라믹스층이 10% 이상 15% 이하의 기공률을 갖는 제 1 층과 0.5% 이상 9.0% 이하의 기공률을 갖는 제 2 층을 포함하므로, 제 1 층에 의해 세라믹스층의 열전도율의 상승을 억제하면서, 제 2 층에 의해 부식성 물질의 침투를 억제할 수 있다.
즉, 제 1 층의 기공률이 작아지면 제 1 층에 있어서의 열전도율이 상승하므로, 제 1 층의 기공률이 10% 미만이 되면, 차열 성능이 불충분하게 될 우려가 있다. 또한, 제 1 층의 기공률이 커지면 본드 코트층과의 밀착성이 저하하는 경향이 있으므로, 제 1 층의 기공률이 15%를 초과하면, 본드 코트층과의 밀착성이 불충분하게 될 우려가 있다.
그 점, 상기 (1)의 구성에 의하면, 제 1 층의 기공률이 10% 이상 15% 이하이므로, 제 1 층의 내구성을 확보하면서, 제 1 층의 열전도율의 상승을 억제할 수 있다.
제 2 층의 기공률을 0.5% 미만으로 하기 위해서는, 예를 들면 화학 증착법에 의한 코팅과 같이, 챔버를 구비하는 대규모의 장치가 필요하다. 또한, 제 2 층의 기공률이 9%를 초과하면, 제 2 층에 의한 부식성 물질의 침투를 억제하는 효과가 불충분하게 될 우려가 있다.
그 점, 상기 (1)의 구성에 의하면, 제 2 층의 기공률이 0.5% 이상 9.0% 이하이므로, 부식성 물질의 침투 억제를 용이하게 실현할 수 있다.
이와 같이, 상기 (1)의 구성에 의하면, 연소 가스에 부식성 물질이 포함되는 환경하에서도 차열 코팅의 내구성을 향상시킬 수 있다.
(2) 몇 가지의 실시형태에서는, 상기 (1)의 구성에 있어서, 상기 제 2 층의 기공률은 1.0% 이상 7.5% 이하이다.
제 2 층의 형성 조건을 적절히 설정하는 것에 의해, 제 2 층의 기공률을 0.5%로 저감하는 것이 가능하지만, 제 2 층의 기공률의 하한값을 1.0%로 인상하는 것에 의해, 제 2 층의 형성 조건을 완화할 수 있다. 또한, 제 2 층의 기공률이 작을수록, 부식성 물질의 침투를 억제하는 효과가 높아지지만, 발명자들의 예의 검토 결과, 제 2 층의 기공률을 7.5% 이하로 하는 것에 의해 부식성 물질의 침투를 억제하는 효과가 보다 향상하는 것을 발견하였다. 따라서, 제 2 층의 기공률의 상한값은 7.5%이어도 좋다.
그 점, 상기 (2)의 구성에 의하면, 제 2 층의 기공률이 1.0% 이상 7.5% 이하이므로, 제 2 층의 형성 조건의 완화와, 부식성 물질의 침투 억제 효과의 향상을 실현할 수 있다.
(3) 몇 가지의 실시형태에서는, 상기 (1)의 구성에 있어서, 상기 제 1 층에는, 그 층 두께 방향으로 연장되는 세로 균열이 도입되어 있지 않으며,
상기 제 2 층의 상기 기공률은 0.5% 이상 4.0% 미만이다.
모재와 함께 차열 코팅이 가열되는 경우, 열팽창에 의한 치수 변화는 제 1 층보다 모재가 커진다. 따라서, 제 1 층에 있어서, 그 층 두께 방향으로 연장되는 세로 균열이 도입되어 있는 경우, 모재와 함께 차열 코팅이 가열되면, 제 1 층의 세로 균열의 간극의 간격이 넓어지게 된다. 그 때문에, 제 1 층에 있어서, 그 층 두께 방향으로 연장되는 세로 균열이 도입되어 있으며, 제 1 층 상에 제 2 층이 형성되어 있는 경우, 모재와 함께 차열 코팅이 가열되면, 제 2 층에는 면 방향으로 신장시키는 응력이 작용한다. 그 때문에, 제 2 층의 기공률이 4.0% 미만이 되면 제 1 층의 열팽창의 영향에 의해 제 2 층에 균열이 생기기 쉬워지고, 제 2 층에 생긴 균열로부터 부식성 물질이 침투할 우려가 있기 때문에, 제 2 층의 기공률을 4.0% 미만으로 하는 것이 곤란하다. 그러나, 부식성 물질의 침투 억제의 관점에서는, 제 2 층의 기공률을 작게 하는 것이 바람직하다.
그 점, 상기 (3)의 구성에 의하면, 제 1 층에는 그 층 두께 방향으로 연장되는 세로 균열이 도입되어 있지 않으므로, 세로 균열이 도입되어 있는 경우와 비교하여, 제 1 층에 있어서의 열팽창에 의한 치수 변화를 억제할 수 있다. 이에 의해, 제 2 층의 기공률을 4.0% 미만으로 하여도, 제 2 층에 균열이 생기기 어려워진다. 따라서, 제 2 층에 있어서의 균열의 발생을 억제할 수 있는 동시에 제 2 층에 있어서의 기공률을 작게 할 수 있으므로, 제 2 층에 의한 부식성 물질의 침투를 억제하는 효과를 향상시킬 수 있다.
(4) 몇 가지의 실시형태에서는, 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나의 구성에 있어서, 상기 제 2 층은 적산 입도 10% 입경이 30㎛ 이상 40㎛ 이하로 되고, 적산 입도 50% 입경이 40㎛ 이상 60㎛ 이하로 되고, 적산 입도 90% 입경이 70㎛ 이상 80㎛ 이하로 되는 입도 분포를 갖는 제 1 용사 입자를 용사하여 형성되어 있다.
종래는 평균 입경 10㎛ 내지 150㎛의 범위, 일반적으로는 10㎛ 내지 100㎛로 정규 분포에 가까운 입도 분포를 갖는 용사 입자를 이용하여 세라믹스층을 형성하는 것이 일반적이었다.
발명자들이 예의 검토한 결과, 상기 입도 분포를 갖는 종래의 용사 입자보다 소경 입자의 비율을 저감하고, 비교적 큰 입자를 주(主)로 하는 용사 입자를 이용하여 세라믹스층을 형성하는 것에 의해, 세라믹스층의 기공률이 상승하여 세라믹스층의 차열성이 향상하는 것을 발견했다. 또한, 발명자들은 상술한 바와 같이, 종래의 용사 입자보다 소경 입자의 비율을 저감하고, 비교적 큰 입자를 주로 하는 용사 입자를 이용하여 세라믹스층을 형성하는 것에 의해, 기공을 기점으로 하여 신장되는 미세한 결함(층형상 결함)의 발생이 억제되어 열 사이클 내구성이 향상하는 것을 발견했다.
구체적으로는, 발명자들은 상기 입도 분포를 갖는 종래의 용사 입자보다 적산 입도 10% 입경을 증대시키고, 용사 입자 중에 포함되는 입경이 작은 입자의 비율을 저하시키는 것에 의해, 세라믹스층의 차열성이 향상하는 동시에 열 사이클 내구성이 향상하는 것을 발견했다.
또한, 발명자들이 예의 검토한 결과, 종래의 용사 입자보다 소경 입자의 비율을 저감하고, 비교적 큰 입자를 주로 하는 상술한 용사 입자에 대하여, 더욱 대경 입자의 비율을 감소시키는 것에 의해, 열 사이클 내구성을 확보하면서, 세라믹스층의 기공률이 작아지는 것을 발견했다.
즉, 발명자들이 예의 검토한 결과, 제 2 층을 용사에 의해 형성할 때에, 적산 입도 10% 입경이 30㎛ 이상 40㎛ 이하로 되고, 적산 입도 50% 입경이 40㎛ 이상 60㎛ 이하로 되고, 적산 입도 90% 입경이 70㎛ 이상 80㎛ 이하로 되는 입도 분포를 갖는 제 1 용사 입자를 이용하는 것에 의해, 제 2 층의 기공률을 저하시켜 부식성 물질의 침투를 억제할 수 있는 것이 판명되었다. 또한, 상기 제 1 용사 입자를 이용하는 것에 의해, 제 2 층에 있어서의 기공을 기점으로 하여 신장하는 미세한 결함(층형상 결함)의 발생이 억제되어 열 사이클 내구성이 향상하는 것이 판명되었다. 즉, 제 1 용사 입자를 이용하는 것에 의해, 제 2 층에 있어서의 기공률을 0.5% 이상 9.0% 이하로 할 수 있는 것이 판명되었다.
따라서, 상기 (4)의 제 1 용사 입자를 용사하여 제 2 층을 형성하는 것에 의해, 제 2 층의 내구성을 확보하면서, 제 2 층에 의해 부식성 물질의 침투를 억제할 수 있다.
(5) 몇 가지의 실시형태에서는, 상기 (4)의 구성에 있어서, 상기 제 1 층은 적산 입도 10% 입경이 40㎛ 이상 50㎛ 이하로 되고, 적산 입도 50% 입경이 60㎛ 이상 70㎛ 이하로 되고, 적산 입도 90% 입경이 80㎛ 이상 100㎛ 이하로 되는 입도 분포를 갖는 제 2 용사 입자를 용사하여 형성되어 있다.
상술한 바와 같이, 발명자들이 예의 검토한 결과, 종래의 용사 입자보다 소경 입자의 비율을 저감하고, 비교적 큰 입자를 주로 하는 용사 입자를 이용하여 세라믹스층을 형성하는 것에 의해, 기공률이 상승하여 세라믹스층의 차열성이 향상하는 동시에, 층형상 결함의 발생이 억제되어 세라믹스층의 열 사이클 내구성이 향상하는 것을 발견했다.
따라서, 제 1 층을 용사에 의해 형성할 때에, 상기 (5)의 제 2 용사 입자와 같이, 적산 입도 10% 입경이 40㎛ 이상 50㎛ 이하로 되고, 적산 입도 50% 입경이 60㎛ 이상 70㎛ 이하로 되고, 적산 입도 90% 입경이 80㎛ 이상 100㎛ 이하로 되는 입도 분포를 갖는 제 2 용사 입자를 이용하는 것에 의해, 제 1 층에 있어서의 기공률을 10% 이상 15% 이하로 할 수 있어서, 제 1 층의 내구성을 확보하면서, 제 1 층의 차열성을 향상시킬 수 있다.
(6) 몇 가지의 실시형태에서는, 상기 (5)의 구성에 있어서, 상기 제 2 용사 입자의 적산 입도 10% 입경에 대한 상기 제 1 용사 입자의 적산 입도 10% 입경의 비율은, 상기 제 2 용사 입자의 적산 입도 50% 입경에 대한 상기 제 1 용사 입자의 적산 입도 50% 입경의 비율, 및 상기 제 2 용사 입자의 적산 입도 90% 입경에 대한 상기 제 1 용사 입자의 적산 입도 90% 입경의 비율보다 크다.
발명자들이 예의 검토한 결과, 상술한 바와 같이, 적산 입도 10% 입경을 크게 하는 것에 의해, 용사에 의해 형성되는 층의 열 사이클 내구성이 향상하는 것을 발견했다. 반대로 말하면, 용사 입자의 적산 입도 10% 입경을 작게 하면, 용사에 의해 형성되는 층의 열 사이클 내구성이 저하하는 것이 판명되었다. 또한, 발명자들이 예의 검토한 결과, 상술한 바와 같이, 용사 입자에 있어서의 대경 입자의 비율을 감소시키는 것에 의해, 용사에 의해 형성되는 층의 기공률을 작게 할 수 있는 것이 판명되었다.
따라서, 열 사이클 내구성의 관점에서, 제 2 용사 입자의 적산 입도 10% 입경에 대하여 제 1 용사 입자의 적산 입도 10% 입경이 그다지 작아지지 않도록 하면서, 제 2 층에 의한 부식성 물질의 침투 억제의 관점에서, 제 2 용사 입자의 적산 입도 50% 입경 및 적산 입도 90% 입경에 대하여 제 1 용사 입자의 적산 입도 50% 입경 및 적산 입도 90% 입경을 작게 하는 것이 바람직하다.
그 점, 상기 (6)의 구성에 의하면, 제 2 용사 입자의 적산 입도 10% 입경에 대한 제 1 용사 입자의 적산 입도 10% 입경의 비율이, 제 2 용사 입자의 적산 입도 50% 입경에 대한 제 1 용사 입자의 적산 입도 50% 입경의 비율, 및 제 2 용사 입자의 적산 입도 90% 입경에 대한 제 1 용사 입자의 적산 입도 90% 입경의 비율보다 크므로, 제 2 층의 내구성을 확보하면서, 제 2 층에 의해 부식성 물질의 침투를 억제할 수 있다.
(7) 몇 가지의 실시형태에서는, 상기 (1) 내지 (6) 중 어느 하나의 구성에 있어서, 상기 제 1 층 및 상기 제 2 층은, 대기 플라즈마 용사에 의해 생성된 용사층이다.
예를 들면 화학 증착법이나 물리 증착법에 의해 제 1 층 및 제 2 층을 생성하는 경우나, 예를 들면 감압 플라즈마 용사에 의해 제 1 층 및 제 2 층을 생성하는 경우에는, 챔버를 구비하는 대규모인 장치가 필요하게 되어, 장치의 비용이 고액이 되는 것 외에, 절차 등의 준비 등을 포함한 공정 수가 많아지기 쉽다.
그 점, 상기 (7)의 구성에 의하면, 제 1 층 및 제 2 층을 대기 플라즈마 용사에 의해 생성하는 것에 의해, 예를 들면 화학 증착법이나 물리 증착법, 감압 플라즈마 용사 등에 의해, 제 1 층 및 제 2 층을 생성하는 경우와 비교하여, 장치 구성이 간소하므로, 장치의 비용을 염가로 할 수 있는 것 외에, 절차 등의 준비 등을 포함한 공정수를 삭감할 수 있어서, 택트 타임을 단축할 수 있다.
(8) 몇 가지의 실시형태에서는, 상기 (1) 내지 (7) 중 어느 하나의 구성에 있어서, 상기 제 2 층의 두께는 상기 제 1 층의 두께의 10% 이상 100% 이하이다.
예를 들면 제 2 층의 두께가 제 1 층의 두께의 10% 미만이면, 예를 들면 제 1 층의 두께를 0.5㎜로 하면, 제 2 층의 두께가 0.05㎜(50㎛) 미만이 되기 때문에, 국소적으로 층의 두께가 얇은 장소가 있으면, 기공이 제 2 층을 관통할 우려가 있다. 한편, 예를 들면 제 2 층의 두께가 제 1 층의 두께의 100%를 초과하면, 제 2 층의 기공률이 제 1 층보다 낮고 열전도율이 높기 때문에, 세라믹스층에 있어서의 차열 효과가 불충분하게 될 우려가 있다.
그 점, 상기 (8)의 구성에 의하면, 제 2 층의 두께가 제 1 층의 두께의 10% 이상 100% 이하이므로, 차열성을 확보하면서, 부식성 물질의 침투를 억제할 수 있다.
(9) 몇 가지의 실시형태에서는, 상기 (1) 내지 (8)의 구성에 있어서, 상기 제 2 층은 상기 제 1 층과 동일한 재질로 구성된다.
상기 (9)의 구성에 의하면, 제 2 층이 제 1 층과 동일한 재질로 구성되므로, 동일한 조성의 재료로 제 1 층과 제 2 층의 성막 조건의 급변을 없앨 수 있어서, 제 1 층과 제 2 층의 계면의 밀착성이 높다. 또한, 제 1 층과 제 2 층에서, 고온 환경하에서의 선팽창 계수나 상안정성(相安定性) 등이 동일하게 되므로, 고온 환경하에서의 차열 코팅의 품질 열화를 억제할 수 있다.
(10) 본 발명의 적어도 일 실시형태에 따른 터빈 부재는, 상기 구성 (1) 내지 (9) 중 어느 하나의 차열 코팅을 가지므로, 연소 가스에 부식성 물질이 포함되는 환경하에서도 터빈 부재의 내구성을 향상시킬 수 있다.
(11) 본 발명의 적어도 일 실시형태에 따른 가스 터빈은, 상기 구성 (10)의 터빈 부재를 가지므로, 연소 가스에 부식성 물질이 포함되는 환경하에서도 가스 터빈에 있어서의 터빈 부재의 내구성을 향상시킬 수 있다.
(12) 본 발명의 적어도 일 실시형태에 따른 차열 코팅의 제조 방법은,
모재 상에 본드 코트층을 적층시키는 공정과,
상기 본드 코트층 상에 제 1 층을 적층시키는 공정과,
상기 제 1 층 상에 적산 입도 10% 입경이 30㎛ 이상 40㎛ 이하로 되고, 적산 입도 50% 입경이 40㎛ 이상 60㎛ 이하로 되고, 적산 입도 90% 입경이 70㎛ 이상 80㎛ 이하로 되는 입도 분포를 갖는 용사 입자를 용사하여 제 2 층을 적층시키는 공정을 포함한다.
상기 (12) 방법에 의하면, 제 1 층 상에 적산 입도 10% 입경이 30㎛ 이상 40㎛ 이하로 되고, 적산 입도 50% 입경이 40㎛ 이상 60㎛ 이하로 되고, 적산 입도 90% 입경이 70㎛ 이상 80㎛ 이하로 되는 입도 분포를 갖는 용사 입자를 용사하여 제 2 층을 적층시키는 공정에 의해, 0.5% 이상 9.0% 이하의 기공률을 갖는 제 2 층을 형성할 수 있다. 이에 의해, 제 2 층에 의해 부식성 물질의 침투를 억제할 수 있다.
이와 같이, 상기 (12) 방법에 의하면, 연소 가스에 부식성 물질이 포함되는 환경하에서도 차열 코팅의 내구성을 향상시킬 수 있다.
(13) 몇 가지의 실시형태에서는, 상기 (12) 방법에 있어서, 상기 제 1 층을 적층시키는 공정은, 상기 본드 코트층 상에 적산 입도 10% 입경이 40㎛ 이상 50㎛ 이하로 되고, 적산 입도 50% 입경이 60㎛ 이상 70㎛ 이하로 되고, 적산 입도 90% 입경이 80㎛ 이상 100㎛ 이하로 되는 입도 분포를 갖는 용사 입자를 용사하여 제 1 층을 적층시키는 공정이다.
상기 (13) 방법에 의하면, 본드 코트층 상에 적산 입도 10% 입경이 40㎛ 이상 50㎛ 이하로 되고, 적산 입도 50% 입경이 60㎛ 이상 70㎛ 이하로 되고, 적산 입도 90% 입경이 80㎛ 이상 100㎛ 이하로 되는 입도 분포를 갖는 용사 입자를 용사하여 제 1 층을 적층시키는 공정에 의해, 10% 이상 15% 이하의 기공률을 갖는 제 1 층을 형성할 수 있다. 이에 의해, 제 1 층의 내구성을 확보하면서, 제 1 층의 열전도율의 상승을 억제할 수 있다.
(14) 본 발명의 적어도 일 실시형태에 따른 차열 코팅의 제조 방법은,
모재 상에 적층된 본드 코트층과, 상기 본드 코트층 상에 적층된 제 1 층을 갖는 기설(旣設) 코팅층에 대하여, 상기 제 1 층 상에 적산 입도 10% 입경이 30㎛ 이상 40㎛ 이하로 되고, 적산 입도 50% 입경이 40㎛ 이상 60㎛ 이하로 되고, 적산 입도 90% 입경이 70㎛ 이상 80㎛ 이하로 되는 입도 분포를 갖는 용사 입자를 용사하여 제 2 층을 적층시키는 공정을 포함한다.
상기 (14) 방법에 의하면, 본드 코트층과 본드 코트층 상에 적층된 제 1 층을 갖는 기설 코팅층에 대하여, 상술한 제 2 층을 적층시키는 공정에 의해, 0.5% 이상 9.0% 이하의 기공률을 갖는 제 2 층을 형성할 수 있다. 이에 의해, 제 2 층에 의해 부식성 물질의 침투를 억제할 수 있다. 따라서, 연소 가스에 부식성 물질이 포함되는 환경하에서도 기설 코팅층의 내구성을 향상시킬 수 있다.
(15) 본 발명의 적어도 일 실시형태에 따른 차열 코팅의 제조 방법은,
모재 상에 적층된 본드 코트층과, 상기 본드 코트층 상에 적층된 제 1 층과, 상기 제 1 층 상에 적층된 제 2 층을 갖는 기설 차열 코팅층에 대하여, 상기 제 2 층을 제거하는 공정과,
상기 제 2 층을 제거한 후의 상기 기설 차열 코팅층에 대하여, 상기 제 1 층 상에 적산 입도 10% 입경이 30㎛ 이상 40㎛ 이하로 되고, 적산 입도 50% 입경이 40㎛ 이상 60㎛ 이하로 되고, 적산 입도 90% 입경이 70㎛ 이상 80㎛ 이하로 되는 입도 분포를 갖는 용사 입자를 용사하여 제 2 층을 적층시키는 공정을 포함한다.
상기 (15)의 방법에 의하면, 기설 차열 코팅층의 제 2 층을 제거하고 새롭게 0.5% 이상 9.0% 이하의 기공률을 갖는 제 2 층을 형성할 수 있다. 따라서, 기설 차열 코팅층에 있어서의 제 2 층이 열화된 경우 등에, 제 2 층을 새롭게 적층시키는 것이 가능해진다. 이에 의해, 새롭게 적층시킨 제 2 층에 의해 부식성 물질의 침투를 억제할 수 있다. 따라서, 연소 가스에 부식성 물질이 포함되는 환경하에서도 기설 차열 코팅층의 내구성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 적어도 일 실시형태에 의하면, 차열 코팅의 내구성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 실시형태에 따른 차열 코팅을 구비하는 터빈 부재의 단면의 모식도이다.
도 2는 용사 입자의 입도 분포를 빈도 분포로 나타낸 그래프의 일 예이다.
도 3은 도 2에 나타낸 용사 입자의 입도 분포를 누적 분포로 나타낸 그래프이다.
도 4a는 용사 입자의 상이에 의한 세라믹스층의 특성의 차이를 나타낸 도면으로서, 열 사이클 내구성에 대한 나타내는 도면이다.
도 4b는 용사 입자의 상이에 의한 세라믹스층의 특성의 차이를 나타낸 도면으로서, 열전도율에 대하여 나타내는 도면이다.
도 4c는 용사 입자의 상이에 의한 세라믹스층의 특성의 차이를 나타낸 도면으로서, 세라믹스층으로의 부식성 물질의 용융염의 침투량을 나타내는 도면이다.
도 4d는 용사 입자의 상이에 의한 세라믹스층의 특성의 차이를 나타낸 도면으로서, 이로전 양을 나타내는 도면이다.
도 5는 용사 입자의 입도 분포를 누적 분포로 나타낸 그래프이다.
도 6은 몇 가지의 실시형태에 따른 차열 코팅의 제조 공정에 대한 흐름도이다.
도 7은 가스 터빈 동익의 구성예를 도시하는 사시도이다.
도 8은 가스 터빈 정익의 구성예를 도시하는 사시도이다.
도 9는 분할환의 구성예를 도시하는 사시도이다.
도 10은 일 실시형태에 따른 가스 터빈의 부분 단면 구조를 모식적으로 도시하는 도면이다.
도 11은 기설 코팅층을 구비하는 터빈 부재의 단면의 모식도이다.
도 12는 기설 코팅층에 대하여 제 2 층을 형성하는 차열 코팅의 제조 공정에 대한 흐름도이다.
도 13은 기설 차열 코팅층을 구비하는 터빈 부재의 단면의 모식도이다.
도 14는 기설 차열 코팅층의 낡은 제 2 층을 제거하고 새로운 제 2 층을 형성하는 차열 코팅의 제조 공정에 대한 흐름도이다.
도 15는 제 2 층 제거 공정에서 낡은 제 2 층을 제거한 후의 터빈 부재의 단면의 모식도이다.
도 16은 차열 코팅층의 기공률을 산출할 때의 피막 단면의 광학 현미경 사진의 일 예이다.
도 17은 차열 코팅층의 기공률을 산출할 때의 피막 단면의 광학 현미경 사진을 2치화한 화상의 일 예이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 몇 가지의 실시형태에 대해 설명한다. 단, 실시형태로서 기재되어 있거나 또는 도면에 도시되어 있는 구성 부품의 치수, 재질, 형상, 그 상대적 배치 등은 본 발명의 범위를 이것으로 한정하는 취지가 아니며, 단순한 설명예에 지나지 않는다.
예를 들면, "어느 방향으로", "어느 방향을 따라서", "평행", "직교", "중심", "동심" 혹은 "동축" 등의 상대적 혹은 절대적인 배치를 나타내는 표현은, 엄밀하게 그와 같은 배치를 나타낼 뿐만 아니라, 공차, 혹은, 동일한 기능을 얻을 수 있을 정도의 각도나 거리를 갖고서 상대적으로 변위하고 있는 상태도 나타내는 것으로 한다.
예를 들면, "동일", "동일하다" 및 "균질" 등의 사물이 동일한 상태인 것을 나타내는 표현은, 엄밀하게 동일한 상태를 나타낼 뿐만 아니라, 공차, 혹은, 동일한 기능을 얻을 수 있을 정도의 차이가 존재하고 있는 상태도 나타내는 것으로 한다.
예를 들면, 사각형상이나 원통형상 등의 형상을 나타내는 표현은, 기하학적으로 엄밀한 의미에서의 사각형상이나 원통형상 등의 형상을 나타낼 뿐만 아니라, 동일한 효과를 얻을 수 있는 범위에서, 요철부나 면취부 등을 포함하는 형상도 나타내는 것으로 한다.
한편, 하나의 구성 요소를 "마련한다", "갖춘다", "구비한다", "포함한다", 또는, "갖는다"라는 표현은, 다른 구성 요소의 존재를 제외하는 배타적인 표현은 아니다.
(차열 코팅)
도 1은 실시형태에 따른 차열 코팅을 구비하는 터빈 부재의 단면의 모식도이다. 몇 가지의 실시형태에서는, 터빈의 동익, 정익 등의 내열 기재(모재)(11) 상에 차열 코팅으로서 금속 결합층(본드 코트층)(12) 및 세라믹스층(13)이 순서대로 형성된다. 즉, 도 1에 도시하는 바와 같이, 몇 가지의 실시형태에서는, 차열 코팅(Thermal Barrier Coating: TBC) 층(10)은 본드 코트층(12) 및 세라믹스층(13)을 포함하고 있다.
본드 코트층(12)은 MCrAlY 합금(M은 Ni, Co, Fe 등의 금속 원소 또는 이들 중 2종류 이상의 조합을 나타냄) 등으로 구성된다.
도 1에 도시한 몇 가지의 실시형태에서는, 세라믹스층(13)은 제 1 층(14)과 제 2 층(15)을 포함하고 있다. 몇 가지의 실시형태에 있어서의 제 1 층(14) 및 제 2 층(15)은 각각 YbSZ(이테르비아 안정화 지르코니아), YSZ(이트리아 안정화 지르코니아), SmYbZr2O7, DySZ(디스프로슘 안정화 지르코니아), ErSZ(어비아 안정화 지르코니아) 등의 어느 하나로 구성된다.
도 1에 도시한 몇 가지의 실시형태에서는, 제 2 층(15)은 제 1 층(14)과 동일한 재질로 구성된다.
이에 의해, 제 2 층(15)이 제 1 층(14)과 동일한 재질로 구성되므로, 동일한 조성의 재료로 제 1 층(14)과 제 2 층(15)의 성막 조건의 급변을 없앨 수 있어서, 제 1 층(14)과 제 2 층(15)의 계면의 밀착성이 높다. 또한, 제 1 층(14)과 제 2 층(15)에서 고온 환경하에서의 선팽창 계수나 상안정성 등이 동일하게 되므로, 고온 환경하에서의 차열 코팅층(10)의 품질 열화를 억제할 수 있다.
도 1에 도시한 몇 가지의 실시형태에서는, 제 1 층(14)은 기공(16)을 많이 포함하는 포러스한 조직으로 된다. 여기에서 말하는 "많이 포함함"이란, 제 2 층(15)과 비교하여 기공률(체적%)이 높은 것을 의미한다. 제 1 층(14)의 기공률 및 두께는 요구되는 열전도성에 따라서 적절히 설정된다. 몇 가지의 실시형태에서는 후술하는 바와 같이, 제 1 층(14)의 기공률은 10% 이상 15% 이하로 된다.
또한, 기공률은 차열 코팅층(10)의 단면에 있어서의 기공의 면적의 비율로서 정의되며, 기공의 면적을 단면의 면적으로 나눈 값을 백분율로 나타낸 값이다. 구체적으로는, 다음과 같이 하여 기공률을 구한다. 예를 들면, 차열 코팅층(10)의 단면을 연마하고 광학 현미경으로 관찰되는 상을 촬영한다. 그리고, 촬영에 의해 얻어진 사진(예를 들면 도 16)에 대하여 2치화 처리를 실행하는 것에 의해, 기공부(공극부)와 피막부를 별도로 추출 가능하게 한다. 그리고, 2치화한 화상(예를 들면, 도 17)으로부터 기공부의 면적과 피막부의 면적을 산출하고, 기공부의 면적을 기공부와 피막부의 면적의 합, 즉 단면의 면적으로 나누어 기공률을 산출한다. 또는, 2치화한 화상으로부터 기공부의 면적과 단면의 면적을 산출하고, 기공부의 면적을 단면의 면적으로 나누어 기공률을 산출한다. 제 1 층(14)의 기공률을 산출하는 경우, 상술한 바와 같이 하여 구한 제 1 층(14)에 있어서의 기공(16)의 면적을 제 1 층(14)의 단면의 면적으로 나누는 것에 의해 제 1 층(14)의 기공률을 구한다.
또한, 도 16은 차열 코팅층의 기공률을 산출할 때의 피막 단면의 광학 현미경 사진의 일 예이다. 또한, 도 17은 차열 코팅층의 기공률을 산출할 때의 피막 단면의 광학 현미경 사진을 2치화한 화상의 일 예이다.
도 1에 도시한 몇 가지의 실시형태에서는, 제 2 층(15)은 제 1 층(14)보다 치밀한 조직으로 되어, 제 1 층(14) 상에 형성되어 있다. 여기에서 말하는 "치밀한 조직"이란, 구체적으로는, 제 1 층(14)이나 본드 코트층(12), 내열 기재(11)로의 후술하는 바와 같은 부식 성분(부식성 물질)의 침투를 억제할 수 있는 기공률을 갖는 조직이다.
제 2 층(15)의 기공률 및 두께는, 부식성 물질의 침투를 억제하는 효과(이하, 침투 억제 효과라 함), 및 세라믹스층(13)으로 했을 때에 요구되는 열전도성 등을 고려하여 적절히 설정된다. 몇 가지의 실시형태에서는, 후술하는 바와 같이, 제 2 층(15)의 기공률은 0.5% 이상 9.0% 이하로 된다.
또한, 세라믹스층(13)의 두께는 특별히 한정되지 않지만, 0.1㎜ 이상 1㎜ 이하 등으로 된다.
즉, 몇 가지의 실시형태에 따른 차열 코팅층(10)은 내열 기재(11) 상에 적층되는 본드 코트층(12)과, 본드 코트층(12) 상에 적층된 세라믹스층(13)을 구비한다. 세라믹스층(13)은 10% 이상 15% 이하의 기공률을 갖는 제 1 층(14), 및 0.5% 이상 9.0% 이하의 기공률을 가지며, 또한, 제 1 층(14) 상에 적층된 제 2 층(15)을 포함한다.
몇 가지의 실시형태에 따른 차열 코팅층(10)에서는, 세라믹스층(13)이 10% 이상 15% 이하의 기공률을 갖는 제 1 층(14)과 0.5% 이상 9.0% 이하의 기공률을 갖는 제 2 층(15)을 포함하므로, 제 1 층(14)에 의해 세라믹스층(13)의 열전도율의 상승을 억제하면서, 제 2 층(15)에 의해 부식성 물질의 침투를 억제할 수 있다.
즉, 제 1 층(14)의 기공률이 작아지면 제 1 층(14)에 있어서의 열전도율이 상승하므로, 제 1 층(14)의 기공률이 10% 미만이 되면, 차열 성능이 불충분하게 될 우려가 있다. 또한, 제 1 층(14)의 기공률이 커지면 본드 코트층(12)과의 밀착성이 저하하는 경향이 있으므로, 제 1 층(14)의 기공률이 15%를 초과하면, 본드 코트층(12)과의 밀착성이 불충분하게 될 우려가 있다.
그 점, 몇 가지의 실시형태에 따른 차열 코팅층(10)에서는, 제 1 층(14)의 기공률이 10% 이상 15% 이하이므로, 제 1 층(14)의 내구성을 확보하면서, 제 1 층(14)의 열전도율의 상승을 억제할 수 있다.
제 2 층(15)의 기공률을 0.5% 미만으로 하기 위해서는, 예를 들면 화학 증착법에 의한 코팅과 같이, 챔버를 구비하는 대규모의 장치가 필요하다. 또한, 제 2 층(15)의 기공률이 9%를 초과하면, 제 2 층(15)에 의한 부식성 물질의 침투를 억제하는 효과가 불충분하게 될 우려가 있다.
그 점, 몇 가지의 실시형태에 따른 차열 코팅층(10)에서는, 제 2 층(15)의 기공률이 0.5% 이상 9.0% 이하이므로, 부식성 물질의 침투 억제를 용이하게 실현할 수 있다.
이와 같이, 몇 가지의 실시형태에 따른 차열 코팅층(10)에서는, 연소 가스에 부식성 물질이 포함되는 환경하에서도 차열 코팅층(10)의 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, 후술하는 바와 같이, 제 2 층(15)을 대기 플라즈마 용사 등의 용사 방법에 의해 형성하는 경우, 용사 거리나 용사 온도 등의 용사 조건, 즉 제 2 층(15)의 형성 조건을 적절히 설정하는 것에 의해, 제 2 층(15)의 기공률을 0.5%로 저감하는 것이 가능하지만, 제 2 층(15)의 기공률의 하한값을 1.0%로 인상하는 것에 의해, 용사 조건을 완화할 수 있다. 따라서, 제 2 층(15)의 기공률의 하한값은 1.0%라도 좋다.
또한, 제 2 층(15)의 기공률이 작을수록, 부식성 물질의 침투를 억제하는 효과가 높아지지만, 발명자들의 예의 검토의 결과, 제 2 층(15)의 기공률을 7.5% 이하로 하는 것에 의해 부식성 물질의 침투를 억제하는 효과가 보다 향상하는 것이 발견되었다. 따라서, 제 2 층(15)의 기공률의 상한값은 7.5%라도 좋다.
(일 실시형태에 따른 차열 코팅층(10)에 대하여)
내열 기재(11)와 함께 차열 코팅층(10)이 가열되는 경우, 열팽창에 의한 치수 변화는 세라믹스층(13)보다 내열 기재(11)가 커지기 때문에, 세라믹스층(13)에는, 면 방향으로 신장시키는 응력이 작용한다. 이와 같은 응력이 작용했을 때에, 세라믹스층(13)에 그 막 두께 방향으로 연장되는 세로 균열이 도입되어 있으면, 세로 균열이 퍼지는 것에 의해, 세라믹스층(13) 자체에 작용하는 응력은 작아져, 세라믹스층(13)을 박리시킬 수 있는 면 방향의 균열이 생기는 것을 억제할 수 있다.
그러나, 세라믹스층(13)에 세로 균열이 도입되어 있으면, 그 세로 균열로부터 부식성 물질이 침투하여, 세라믹스층(13)을 열화시켜 버린다.
그래서, 세라믹스층(13) 중, 제 1 층(14)에 그 막두께 방향으로 연장되는 세로 균열을 도입하고, 제 2 층(15)에 세로 균열을 도입하지 않은 경우, 세로 균열이 도입되어 있지 않은 제 2 층(15)에 의해 부식성 물질의 침투를 억제할 수 있다.
그러나, 제 1 층(14)에 있어서, 그 층 두께 방향으로 연장되는 세로 균열이 도입되어 있는 경우, 내열 기재(11)와 함께 차열 코팅층(10)이 가열되면, 제 1 층(14)의 세로 균열의 간극의 간격이 퍼지게 되고, 세로 균열이 도입되어 있지 않은 제 2 층(15)에는 면 방향으로 신장시키는 응력이 작용한다. 그 때문에, 세로 균열이 도입되어 있지 않은 제 2 층(15)에서는, 그 기공률이 4.0% 미만이 되면 제 1 층(14)의 열팽창의 영향에 의해 제 2 층(15)에 균열이 생기기 쉬워져, 제 2 층(15)에 생긴 균열로부터 부식성 물질이 침투할 우려가 있기 때문에, 제 2 층(15)의 기공률을 4.0% 미만으로 하는 것이 곤란하다. 그러나, 부식성 물질의 침투 억제의 관점에서는, 제 2 층(15)의 기공률을 작게 하는 것이 바람직하다.
그래서, 일 실시형태에 따른 차열 코팅층(10)에서는, 제 1 층(14) 및 제 2 층(15)에는 그 층 두께 방향으로 연장되는 세로 균열을 도입하지 않고, 또한, 제 2 층(15)의 기공률을 0.5% 이상 4.0% 미만으로 했다.
이에 의해, 제 1 층(14)에 세로 균열이 도입되어 있는 경우와 비교하여, 제 1 층(14)에 있어서의 열팽창에 의한 치수 변화를 억제할 수 있으므로, 제 2 층(15)의 기공률을 4.0% 미만으로 하여도, 제 2 층(15)에 균열이 생기기 어려워진다. 따라서, 제 2 층(15)에 있어서의 균열의 발생을 억제할 수 있는 동시에 제 2 층(15)에 있어서의 기공률을 작게 할 수 있으므로, 제 2 층(15)에 의한 부식성 물질의 침투를 억제하는 효과를 향상시킬 수 있다.
(제 1 층(14) 및 제 2 층(15)의 형성 방법에 대하여)
몇 가지의 실시형태에 따른 차열 코팅층(10)에서는, 제 1 층(14) 및 제 2 층(15)은, 대기 플라즈마 용사에 의해 생성된 용사층이다.
예를 들면 화학 증착법이나 물리 증착법에 의해 제 1 층(14) 및 제 2 층(15)을 생성하는 경우나, 예를 들면, 감압 플라즈마 용사에 의해 제 1 층(14) 및 제 2 층(15)을 생성하는 경우에는, 챔버를 구비하는 대규모의 장치가 필요하게 되어, 장치의 비용이 고액이 되는 것 외에, 절차 등의 준비 등을 포함한 공정수가 많아지기 쉽다.
그 점, 몇 가지의 실시형태에 따른 차열 코팅층(10)에서는, 제 1 층(14) 및 제 2 층(15)을 대기 플라즈마 용사에 의해 생성하는 것에 의해, 예를 들면 화학 증착법이나 물리 증착법, 감압 플라즈마 용사 등에 의해 제 1 층(14) 및 제 2 층(15)을 생성하는 경우와 비교하여, 장치 구성이 간소하므로, 장치의 비용을 염가로 할 수 있는 것 외에, 절차 등의 준비 등을 포함한 공정수를 삭감할 수 있어서, 택트 타임을 단축할 수 있다.
(제 2 층(15)의 형성에 이용하는 용사 입자에 대하여)
도 2는 종래의 세라믹스층의 형성에 이용한 용사 입자나, 몇 가지의 실시형태에 따른 제 1 층(14) 및 제 2 층(15)의 형성에 이용한 용사 입자의 입도 분포를 빈도 분포로 나타낸 그래프의 일 예이다. 또한, 도 3은 도 2에 나타낸 용사 입자의 입도 분포를 누적 분포로 나타낸 그래프이다.
종래는, 평균 입경 10㎛ 내지 150㎛의 범위, 일반적으로는 10㎛ 내지 100㎛로 정규 분포에 가까운 입도 분포를 갖는 용사 입자를 이용하여 세라믹스층을 형성하는 것이 일반적이었다. 도 2 및 도 3에서는 종래의 세라믹스층의 형성에 이용한 용사 입자의 입도 분포를 파선으로 나타내고 있다.
발명자들이 예의 검토한 결과, 종래의 세라믹스층의 형성에 이용한 용사 입자보다 소경 입자의 비율을 저감하고, 비교적 큰 입자를 주로 하는 용사 입자를 이용하여 세라믹스층을 형성하는 것에 의해, 세라믹스층의 기공률이 상승하여 세라믹스층의 차열성이 향상하는 것을 발견했다. 또한, 발명자들은 종래의 세라믹스층의 형성에 이용한 용사 입자보다 소경 입자의 비율을 저감하고, 비교적 큰 입자를 주로 하는 용사 입자를 이용하여 세라믹스층을 형성하는 것에 의해, 기공을 기점으로 하여 신장되는 미세한 결함(층형상 결함)의 발생이 억제되어 열 사이클 내구성이 향상하는 것을 발견했다.
구체적으로는, 발명자들은 종래의 세라믹스층의 형성에 이용한 용사 입자보다 적산 입도 10% 입경을 증대시키고, 용사 입자 중에 포함되는 입경이 작은 입자의 비율을 저하시키는 것에 의해, 세라믹스층의 차열성이 향상하는 동시에 열 사이클 내구성이 향상하는 것을 발견했다.
또한, 발명자들이 예의 검토한 결과, 종래의 세라믹스층의 형성에 이용한 용사 입자보다 소경 입자의 비율을 저감하여, 비교적 큰 입자를 주로 하는 상술한 용사 입자에 대하여, 더욱 대경 입자의 비율을 감소시키는 것에 의해, 열 사이클 내구성을 확보하면서, 세라믹스층의 기공률이 작아지는 것을 발견했다.
즉, 발명자들이 예의 검토한 결과, 제 2 층(15)을 용사에 의해 형성할 때에, 예를 들면 적산 입도 10% 입경이 30㎛ 이상 40㎛ 이하로 되고, 예를 들면 적산 입도 50% 입경이 40㎛ 이상 60㎛ 이하로 되며, 예를 들면 적산 입도 90% 입경이 70㎛ 이상 80㎛ 이하로 되는 입도 분포를 갖는 제 1 용사 입자(1)를 이용하는 것에 의해, 제 2 층(15)의 기공률을 저하시켜 부식성 물질의 침투를 억제할 수 있는 것이 판명되었다. 또한, 제 1 용사 입자(1)를 이용하는 것에 의해, 제 2 층(15)에 있어서의 기공을 기점으로 하여 신장되는 미세한 결함(층형상 결함)의 발생이 억제되어 열 사이클 내구성이 향상하는 것이 판명되었다. 즉, 제 1 용사 입자(1)를 이용하는 것에 의해, 제 2 층(15)에 있어서의 기공률을 0.5% 이상 9.0% 이하로 할 수 있는 것이 판명되었다.
따라서, 제 1 용사 입자(1)를 용사하여 제 2 층(15)을 형성하는 것에 의해, 제 2 층(15)의 내구성을 확보하면서, 제 2 층(15)에 의해 부식성 물질의 침투를 억제할 수 있다.
도 2 및 도 3에서는, 적산 입도 10% 입경이 30㎛ 이상 40㎛ 이하로 되고, 적산 입도 50% 입경이 40㎛ 이상 60㎛ 이하로 되고, 적산 입도 90% 입경이 70㎛ 이상 80㎛ 이하로 되는 입도 분포를 갖는 제 1 용사 입자(1)의 입도 분포의 일 예를 나타내고 있다.
(제 1 층(14)의 형성에 이용하는 용사 입자에 대하여)
상술한 바와 같이, 발명자들이 예의 검토한 결과, 종래의 세라믹스층의 형성에 이용한 용사 입자보다 소경 입자의 비율을 저감하고, 비교적 큰 입자를 주로 하는 용사 입자를 이용하여 세라믹스층을 형성하는 것에 의해, 기공률이 상승하여 세라믹스층의 차열성이 향상하는 동시에, 층형상 결함의 발생이 억제되어 세라믹스층의 열 사이클 내구성이 향상하는 것을 발견했다.
즉, 발명자들이 예의 검토한 결과, 제 1 층(14)을 용사에 의해 형성할 때에, 예를 들면 적산 입도 10% 입경이 40㎛ 이상 50㎛ 이하로 되고, 예를 들면 적산 입도 50% 입경이 60㎛ 이상 70㎛ 이하로 되며, 예를 들면 적산 입도 90% 입경이 80㎛ 이상 100㎛ 이하로 되는 입도 분포를 갖는 제 2 용사 입자(2)를 이용하는 것에 의해, 제 1 층(14)의 열 사이클 내구성이 향상하는 것을 발견했다. 즉, 제 2 용사 입자(2)를 이용하는 것에 의해, 제 1 층(14)에 있어서의 기공률을 10% 이상 15% 이하로 할 수 있어서, 제 1 층(14)의 내구성을 확보하면서, 제 1 층(14)의 차열성을 향상시킬 수 있다.
도 2 및 도 3에서는 적산 입도 10% 입경이 40㎛ 이상 50㎛ 이하로 되고, 적산 입도 50% 입경이 60㎛ 이상 70㎛ 이하로 되며, 적산 입도 90% 입경이 80㎛ 이상 100㎛ 이하로 되는 입도 분포를 갖는 제 2 용사 입자(2)의 입도 분포의 일 예를 나타내고 있다.
도 4a 내지 도 4d는 용사 입자의 상이에 의한 세라믹스층(13)의 특성의 차이를 나타낸 도면이다. 도 4a는 열 사이클 내구성에 대해서만 나타내는 도면이다. 도 4b는 열전도율에 대하여 나타내는 도면이다. 도 4c는 세라믹스층(13)으로의 부식성 물질의 용융염의 침투량을 나타내는 도면이다. 도 4d는 이로전 양을 나타내는 도면이다. 도 4a 내지 4d에 나타내는 값은 각각, 도 3에 나타낸 입도 분포를 갖는 종래의 세라믹스층의 형성에 이용한 용사 입자에 의해 형성된 종래의 세라믹스층에 있어서의 특성값을 1로 했을 때의 상대값으로서 나타내고 있다
도 4a 내지 4d에서는, 도 3에 나타낸 입도 분포를 갖는 종래의 세라믹스층의 형성에 이용한 용사 입자에 의해 형성된 종래의 세라믹스층을 "종래 TBC"라 표기한다. 마찬가지로 도 3에 나타낸 입도 분포를 갖는 제 1 용사 입자(1)만에 의해 형성된 단층의 세라믹스층을 "제 1 용사 입자(1)만"이라 표기하고, 도 3에 나타낸 입도 분포를 갖는 제 2 용사 입자(2)만에 의해 형성된 단층의 세라믹스층을 "제 2 용사 입자(2)만"이라 표기한다. 그리고, 도 3에 나타낸 입도 분포를 갖는 제 1 용사 입자(1)에 의해 형성된 제 2 층(15)과 도 3에 나타낸 입도 분포를 갖는 제 2 용사 입자(2)에 의해 형성된 제 1 층(14)을 갖는 세라믹스층(13)을 "제 1 용사 입자(1)＋제 2 용사 입자(2)"라 표기한다.
도 4a 내지 4d에 나타내는 바와 같이, 제 2 용사 입자(2)만에 의해 형성된 단층의 세라믹스층에서는, 종래의 세라믹스층의 형성에 이용한 용사 입자에 의해 형성된 종래의 세라믹스층과 비교하면, 용사 입자의 소경 입자의 비율을 저감하고 있으므로, 열 사이클 내구성이 향상하며, 열전도율이 대략 동등하게 되어 있다. 또한, 제 2 용사 입자(2)만에 의해 형성된 단층의 세라믹스층에서는, 용융염 침투량 및 이로전 양이 종래의 세라믹스층의 형성에 이용한 용사 입자에 의해 형성된 종래의 세라믹스층과 동등하다.
제 1 용사 입자(1)만에 의해 형성된 단층의 세라믹스층에서는, 종래의 세라믹스층의 형성에 이용한 용사 입자에 의해 형성된 종래의 세라믹스층과 비교하면, 용사 입자의 소경 입자 및 대경 입자의 비율을 각각 저감하고 있으므로, 열 사이클 내구성이 향상하여, 용융염 침투량 및 이로전 양이 저감된다. 그러나, 제 1 용사 입자(1)만에 의해 형성된 단층의 세라믹스층에서는, 종래의 세라믹스층의 형성에 이용한 용사 입자에 의해 형성된 종래의 세라믹스층과 비교하면, 기공률이 저하하므로, 열전도율이 커진다.
이들에 대하여, 제 1 용사 입자(1)에 의해 형성된 제 2 층(15)과 제 2 용사 입자(2)에 의해 형성된 제 1 층(14)을 갖는 세라믹스층(13)에서는, 종래의 세라믹스층의 형성에 이용한 용사 입자에 의해 형성된 종래의 세라믹스층과 비교하면, 열 사이클 내구성이 향상하고, 열전도율이 대략 동등하게 되어, 용융염 침투량 및 이로전 양이 저감한다.
즉, 제 1 용사 입자(1)에 의해 형성된 제 2 층(15)과 제 2 용사 입자(2)에 의해 형성된 제 1 층(14)을 갖는 세라믹스층(13)에서는, 열 사이클 내구성, 열전도율, 용융염 침투량 및 이로전 양의 점에서, 종래의 세라믹스층의 형성에 이용한 용사 입자에 의해 형성된 종래의 세라믹스층보다 뛰어난 특성을 갖는다.
(제 1 용사 입자(1) 및 제 2 용사 입자(2)의 다른 실시형태에 대하여)
발명자들이 예의 검토한 결과, 상술한 바와 같이, 적산 입도 10% 입경을 크게 하는 것에 의해, 용사에 의해 형성되는 층의 열 사이클 내구성이 향상하는 것을 발견했다. 반대로 말하면, 용사 입자의 적산 입도 10% 입경을 작게 하면, 용사에 의해 형성되는 층의 열 사이클 내구성이 저하하는 것이 판명되었다. 또한, 발명자들이 예의 검토한 결과, 상술한 바와 같이, 용사 입자에 있어서의 대경 입자의 비율을 감소시키는 것에 의해, 용사에 의해 형성되는 층의 기공률을 작게 할 수 있는 것이 판명되었다.
따라서, 열 사이클 내구성의 관점에서, 제 2 용사 입자(2)의 적산 입도 10% 입경에 대하여 제 1 용사 입자(1)의 적산 입도 10% 입경이 그다지 작아지지 않도록 하면서, 제 2 층(15)에 의한 부식성 물질의 침투 억제의 관점에서, 제 2 용사 입자(2)의 적산 입도 50% 입경 및 적산 입도 90% 입경에 대하여 제 1 용사 입자(1)의 적산 입도 50% 입경 및 적산 입도 90% 입경을 작게 하는 것이 바람직하다.
그 때문에, 예를 들면 이하에서 설명하는, 도 5에 나타낸 제 1 용사 입자(1A)와 같이, 제 2 용사 입자(2)의 적산 입도 10% 입경에 대한 제 1 용사 입자(1A)의 적산 입도 10% 입경의 비율을, 제 2 용사 입자(2)의 적산 입도 50% 입경에 대한 제 1 용사 입자(1A)의 적산 입도 50% 입경의 비율, 및 제 2 용사 입자(2)의 적산 입도 90% 입경에 대한 제 1 용사 입자(1A)의 적산 입도 90% 입경의 비율보다 큰 것이 바람직하다.
도 5는 도 3에 나타낸 용사 입자의 입도 분포를 누적 분포로 나타낸 그래프에, 도 3에 나타낸 제 1 용사 입자(1)의 입도 분포와는 상이한 입도 분포를 갖는 제 1 용사 입자(1A)의 입도 분포를 추기(追記)한 그래프이다.
예를 들면, 도 5에 나타내는 제 1 용사 입자(1A)에서는, 상술한 제 1 용사 입자(1)에 비해, 적산 입도 10% 입경이 약간 크고, 적산 입도 50% 입경 및 적산 입도 90% 입경이 각각 작다.
도 5에 나타내는 제 1 용사 입자(1A)에서는, 적산 입도 10% 입경은 예를 들면 38㎛이며, 적산 입도 50% 입경은 예를 들면 50㎛이며, 적산 입도 90% 입경은 예를 들면 75㎛이다.
또한, 도 5에 나타내는 제 2 용사 입자(2)에서는, 적산 입도 10% 입경은 예를 들면 42㎛이며, 적산 입도 50% 입경은 예를 들면 63㎛이며, 적산 입도 90% 입경은 예를 들면 86㎛이다.
즉, 도 5에 나타내는 제 1 용사 입자(1A) 및 제 2 용사 입자(2)에서는, 제 2 용사 입자(2)의 적산 입도 10% 입경에 대한 제 1 용사 입자(1A)의 적산 입도 10% 입경의 비율(38㎛/42㎛=0.905)은, 제 2 용사 입자(2)의 적산 입도 50% 입경에 대한 제 1 용사 입자(1A)의 적산 입도 50% 입경의 비율(50㎛/63㎛=0.794), 및 제 2 용사 입자(2)의 적산 입도 90% 입경에 대한 제 1 용사 입자(1A)의 적산 입도 90% 입경의 비율(75㎛/86㎛=0.872)보다 크다.
이와 같이, 제 2 용사 입자(2)의 적산 입도 10% 입경에 대한 제 1 용사 입자(1A)의 적산 입도 10% 입경의 비율을, 제 2 용사 입자(2)의 적산 입도 50% 입경에 대한 제 1 용사 입자(1A)의 적산 입도 50% 입경의 비율, 및 제 2 용사 입자(2)의 적산 입도 90% 입경에 대한 제 1 용사 입자(1A)의 적산 입도 90% 입경의 비율보다 크게 하는 것에 의해, 제 2 층(15)의 내구성을 확보하면서, 제 2 층(15)에 의해 부식성 물질의 침투를 억제할 수 있다.
(제 1 층(14) 및 제 2 층(15)의 두께에 대하여)
제 1 층(14) 및 제 2 층(15)의 두께는, 예를 들면 대기 플라즈마 용사에 의해 생성하는 경우, 안정된 피막을 얻기 위해서 30㎛ 이상으로 하는 것이 바람직하다.
또한, 제 2 층(15)의 두께가 50㎛ 미만이 되는 경우, 국소적으로 층의 두께가 얇은 장소가 존재하면, 기공이 제 2 층(15)을 관통할 우려가 있기 때문에, 부식성 물질의 침투 억제의 관점에서는, 제 2 층(15)의 두께는 50㎛ 이상으로 하는 것이 바람직하다.
또한, 제 2 층(15)의 두께가 100㎛를 초과하면, 세라믹스층(13) 전체의 열 사이클 내구성이 저하할 우려가 있기 때문에, 제 2 층(15)의 두께는 100㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다.
제 2 층(15)의 두께가 제 1 층(14)의 두께의 10% 미만이면, 예를 들면 제 1 층(14)의 두께를 0.5㎜로 하면, 제 2 층(15)의 두께가 0.05㎜(50㎛) 미만이 되기 때문에, 상술한 바와 같이, 기공이 제 2 층(15)을 관통할 우려가 있다. 한편, 예를 들면, 제 2 층(15)의 두께가 제 1 층(14)의 두께의 100%를 초과하면, 제 2 층(15)의 기공률이 제 1 층(14)보다 낮고 열전도율이 높기 때문에, 세라믹스층(13)에 있어서의 차열 효과가 불충분하게 될 우려가 있다.
따라서, 제 2 층(15)의 두께는 제 1 층(14)의 두께의 10% 이상 100% 이하인 것이 바람직하다.
제 2 층(15)의 두께를 제 1 층(14)의 두께의 10% 이상 100% 이하로 하는 것에 의해, 차열성을 확보하면서, 부식성 물질의 침투를 억제할 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이, 제 2 층(15)의 두께는 50㎛ 이상 100㎛ 이하로 하는 것, 및 제 1 층(14)의 두께의 10% 이상 100% 이하로 하는 것이 바람직하다. 그러므로, 제 1 층(14)의 두께가 만들어낼 수 있는 범위의 하한값은 제 2 층(15)의 두께의 하한값인 50㎛가, 제 1 층(14)의 두께의 100%에 해당하는 경우가 되는 50㎛로 하는 것이 바람직하다. 마찬가지로, 제 1 층(14)의 두께가 만들어낼 수 있는 범위의 상한값은, 제 2 층(15)의 두께의 상한값인 100㎛가, 제 1 층(14)의 두께의 10%에 해당하는 경우가 되는 1000㎛로 하는 것이 바람직하다.
또한, 예를 들면 세라믹스층(13)의 두께를 0.5㎜로 한 경우, 제 2 층(15)의 두께를 그 하한값인 50㎛로 하면, 제 1 층(14)의 두께는 450㎛가 된다. 이 경우, 제 2 층(15)의 두께는 제 1 층(14)의 두께의 11.1%가 된다. 또한, 예를 들면 세라믹스층(13)의 두께를 0.5㎜로 한 경우, 제 2 층(15)의 두께를 상한값인 100㎛로 하면, 제 1 층(14)의 두께는 400㎛가 된다. 이 경우, 제 2 층(15)의 두께는 제 1 층(14)의 두께의 25%가 된다.
(차열 코팅의 제조 방법에 대하여)
도 6을 참조하여, 몇 가지의 실시형태에 따른 차열 코팅의 제조 방법에 대해 설명한다. 도 6은 몇 가지의 실시형태에 따른 차열 코팅의 제조 공정에 대한 흐름도이다.
몇 가지의 실시형태에 따른 차열 코팅의 제조 방법은, 본드 코트층 적층 공정 S10과, 제 1 층 적층 공정 S20과, 제 2 층 적층 공정 S30을 포함한다.
본드 코트층 적층 공정 S10은, 내열 기재(11) 상에 본드 코트층(12)을 적층시키는 공정이다. 본드 코트층 적층 공정 S10에서는, 예를 들면, 전술의 MCrAlY 합금 등의 용사 가루를 내열 기재(11)의 표면에 용사하는 것에 의해 본드 코트층(12)을 형성한다.
제 1 층 적층 공정 S20은 본드 코트층(12) 상에, 용사 입자를 용사하여 제 1 층(14)을 적층시키는 공정이다. 제 1 층 적층 공정 S20에서는, 예를 들면, 적산 입도 10% 입경이 40㎛ 이상 50㎛ 이하로 되고, 적산 입도 50% 입경이 60㎛ 이상 70㎛ 이하로 되며, 적산 입도 90% 입경이 80㎛ 이상 100㎛ 이하로 되는 입도 분포를 갖는 제 2 용사 입자(2)를 대기 플라즈마 용사에 의해 본드 코트층(12)의 표면에 용사하는 것에 의해 제 1 층(14)을 형성한다.
제 2 층 적층 공정 S30은 제 1 층(14) 상에, 용사 입자를 용사하여 제 2 층(15)을 적층시키는 공정이다. 제 2 층 적층 공정 S30에서는, 예를 들면, 적산 입도 10% 입경이 30㎛ 이상 40㎛ 이하로 되고, 적산 입도 50% 입경이 40㎛ 이상 60㎛ 이하로 되고, 적산 입도 90% 입경이 70㎛ 이상 80㎛ 이하로 되는 입도 분포를 갖는 제 1 용사 입자(1)를 대기 플라즈마 용사에 의해 제 1 층(14)의 표면에 용사하는 것에 의해 제 2 층(15)을 형성한다.
몇 가지의 실시형태에 따른 차열 코팅의 제조 방법에서는, 본드 코트층(12) 상에 10% 이상 15% 이하의 기공률을 갖는 제 1 층(14)을 형성할 수 있다. 이에 의해, 제 1 층(14)의 내구성을 확보하면서, 제 1 층(14)의 열전도율의 상승을 억제할 수 있다.
또한, 몇 가지의 실시형태에 따른 차열 코팅의 제조 방법에서는, 제 1 층(14) 상에, 0.5% 이상 9.0% 이하의 기공률을 갖는 제 2 층(15)을 형성할 수 있다. 이에 의해, 제 2 층(15)에 의해 부식성 물질의 침투를 억제할 수 있다.
이와 같이, 몇 가지의 실시형태에 따른 차열 코팅의 제조 방법에서는, 연소 가스에 부식성 물질이 포함되는 환경하에서도 차열 코팅층(10)의 내구성을 향상시킬 수 있다.
(터빈 부재 및 가스 터빈)
상술한 몇 가지의 실시형태에 따른 차열 코팅은, 산업용 가스 터빈의 동익이나 정익, 혹은 연소기 내통이나 미통, 분할환 등의 고온 부품에 적용하기 유용하다. 또한, 산업용 가스 터빈에 한정되지 않으며, 자동차나 제트기 등의 엔진의 고온 부품의 차열 코팅막에도 적용할 수 있다. 이들 부재에 상술한 몇 가지의 실시형태에 따른 차열 코팅을 마련하는 것에 의해, 내식성 및 열 사이클 내구성이 뛰어난 가스 터빈 날개나 고온 부품을 구성할 수 있다.
도 7 내지 도 9는 상술한 몇 가지의 실시형태에 따른 차열 코팅을 적용 가능한 터빈 부재의 구성예를 도시하는 사시도이다. 도 10은 일 실시형태에 따른 가스 터빈(6)의 부분 단면 구조를 모식적으로 도시하는 도면이다. 상술한 몇 가지의 실시형태에 따른 차열 코팅을 적용 가능한 터빈 부재의 구성예로서, 도 7에 도시하는 가스 터빈 동익(4)이나, 도 8에 도시하는 가스 터빈 정익(5), 도 9에 도시하는 분할환(7), 및 도 10에 도시하는 가스 터빈(6)의 연소기(8)를 들 수 있다. 도 7에 도시하는 가스 터빈 동익(4)은 디스크측에 고정되는 도브테일(41), 플랫폼(42), 날개부(43) 등을 구비하여 구성되어 있다. 또한, 도 8에 도시하는 가스 터빈 정익(5)은 내측 슈라우드(51), 외측 슈라우드(52), 날개부(53) 등을 구비하여 구성되어 있으며, 날개부(53)에는 시일 핀 냉각 구멍(54), 슬릿(55) 등이 형성되어 있다.
도 9에 도시하는 분할환(7)은 환상의 부재를 둘레 방향으로 분할한 부재로서, 가스 터빈 동익(4)의 외측에 복수 배치되며, 터빈(62)의 케이싱에 보지된다. 도 9에 도시하는 분할환(7)에는 냉각 구멍(71)이 형성되어 있다. 도 10에 도시하는 가스 터빈(6)이 구비하는 연소기(8)는 라이너로서, 내통(81)과 미통(82)을 갖는다.
다음에, 상술한 터빈 부재를 적용 가능한 가스 터빈에 대해 도 10을 참조하여 이하에 설명한다. 도 10은 일 실시형태에 따른 가스 터빈의 부분 단면 구조를 모식적으로 도시하는 도면이다. 이 가스 터빈(6)은 서로 직결된 압축기(61)와 터빈(62)을 구비한다. 압축기(61)는 예를 들면 축류 압축기로서 구성되어 있으며, 대기 또는 소정의 가스를 흡입구로부터 작동 유체로서 흡입하여 승압시킨다. 이 압축기(61)의 토출구에는 연소기(8)가 접속되어 있으며, 압축기(61)로부터 토출된 작동 유체는, 연소기(8)에 의해 소정의 터빈 입구 온도까지 가열된다. 그리고 소정 온도까지 승온된 작동 유체가 터빈(62)에 공급되도록 되어 있다. 도 10에 도시하는 바와 같이 터빈(62)의 케이싱 내부에는, 상술한 가스 터빈 정익(5)이 복수단 마련되어 있다. 또한, 상술한 가스 터빈 동익(4)이 각 정익(5)과 1조의 단을 형성하도록 주축(64)에 장착되어 있다. 주축(64)의 일단은 압축기(61)의 회전축(65)에 접속되어 있으며, 그 외단에는 도시하지 않은 발전기의 회전축이 접속되어 있다.
이와 같은 구성에 의해, 연소기(8)로부터 터빈(62)의 케이싱 내에 고온 고압의 작동 유체를 공급하면, 케이싱 내에서 작동 유체가 팽창하는 것에 의해, 주축(64)이 회전하고, 이 가스 터빈(6)과 접속된 도시하지 않은 발전기가 구동된다. 즉, 케이싱에 고정된 각 정익(5)에 의해 압력 강하되고, 이에 의해 발생한 운동에너지는, 주축(64)에 장착된 각 동익(4)을 거쳐서 회전 토크로 변환된다. 그리고, 발생한 회전 토크는 주축(64)에 전달되어 발전기가 구동된다.
일반적으로, 가스 터빈 동익에 이용되는 재료는, 내열 합금(예를 들면 IN738LC=인코사의 시판의 합금 재료)이며, 가스 터빈 정익에 이용되는 재료는 마찬가지로 내열 합금(예를 들면 IN939=인코사의 시판의 합금 재료)이다. 즉, 터빈 날개를 구성하는 재료는, 상술한 몇 가지의 실시형태에 따른 차열 코팅에 있어서 내열 기재(11)로서 채용 가능한 내열 합금이 사용되고 있다. 따라서, 상술한 몇 가지의 실시형태에 따른 차열 코팅을 이들 터빈 날개에 적용하면, 차열 효과와, 내식성 및 내구성이 뛰어난 터빈 날개를 얻을 수 있으므로, 보다 높은 온도 환경에서 사용할 수 있어서, 장수명의 터빈 날개를 실현할 수 있다. 또한, 보다 높은 온도 환경에서 적용 가능한 것은, 작동 유체의 온도를 높일 수 있는 것을 의미하며, 이에 의해 가스 터빈 효율을 향상시키는 것도 가능해진다.
이와 같이, 몇 가지의 실시형태에 따른 터빈 부재인 터빈 날개(4, 5)는 상술한 몇 가지의 실시형태에 따른 차열 코팅을 가지므로, 연소 가스에 부식성 물질이 포함되는 환경하에서도 터빈 부재의 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, 몇 가지의 실시형태에 따른 가스 터빈(6)은, 상기 터빈 부재인 터빈 날개(4, 5)를 가지므로, 연소 가스에 부식성 물질이 포함되는 환경하에서도 가스 터빈(6)에 있어서의 터빈 부재의 내구성을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태로 한정되는 일은 없으며, 상술한 실시형태에 변형을 가한 형태나, 이들 형태를 적절히 조합한 형태도 포함한다.
예를 들면, 상술한 몇 가지의 실시형태에 따른 차열 코팅의 제조 방법은, 본드 코트층 적층 공정 S10과, 제 1 층 적층 공정 S20과, 제 2 층 적층 공정 S30을 포함한다. 그러나, 이미 본드 코트층(12) 및 제 1 층(14)이 형성된 내열 기재(11)에 대하여, 상술한 제 2 층 적층 공정 S30에 의해 제 1 층(14)의 표면측에 제 2 층(15)을 형성하도록 하여도 좋다.
이에 의해, 예를 들면, 제 1 층(14)과 마찬가지의 층을 갖는 종래의 터빈 부재에 대하여, 제 2 층(15)을 형성할 수 있다.
구체적으로는, 예를 들면 도 11에 도시하는 바와 같이, 모재(11) 상에 본드 코트층(12) 및 제 1 층(14)과 마찬가지의 제 1 층(14A)이 적층된 기설 코팅층(10A)에 대하여, 도 12에 나타내는 차열 코팅의 제조 공정에 있어서, 제 2 층(15)을 형성할 수 있다. 또한, 도 11은 제 1 층(14)과 마찬가지의 제 1 층(14A)이 적층된 기설 코팅층(10A)을 구비하는 터빈 부재의 단면의 모식도이다. 도 12는 기설 코팅층(10A)에 대하여 제 2 층(15)을 형성하는 차열 코팅의 제조 공정에 대한 흐름도이다.
도 12에 나타내는 실시형태에 따른 차열 코팅의 제조 방법은, 제 2 층 적층 공정 S30을 포함한다. 도 12에 나타내는 실시형태에 따른 제 2 층 적층 공정 S30은, 상술한 도 6에 나타내는 몇 가지의 실시형태에 따른 제 2 층 적층 공정 S30과 동일하다.
도 12에 나타내는 실시형태에 따른 차열 코팅의 제조 방법에서는, 예를 들면, 가스 터빈(6)의 운전에 제공된, 제 2 층(15)이 형성되어 있지 않은 터빈 부재나, 제 2 층(15)이 형성되어 있지 않은 미사용품의 터빈 부재에 대해, 제 2 층 적층 공정 S30에서, 제 1 층(14A)의 표면에 제 2 층(15)을 형성한다.
이에 의해, 본드 코트층(12)과 본드 코트층(12) 상에 적층된 제 1 층(14A)을 갖는 기설 코팅층(10A)에 대하여, 제 2 층 적층 공정 S30에 의해, 0.5% 이상 9.0% 이하의 기공률을 갖는 제 2 층(15)을 형성할 수 있다. 이에 의해, 제 2 층(15)에 의해 부식성 물질의 침투를 억제할 수 있다. 따라서, 연소 가스에 부식성 물질이 포함되는 환경하에서도 기설 코팅층(10A)의 내구성을 향상시킬 수 있다.
상술한 몇 가지의 실시형태에 따른 차열 코팅의 제조 방법은, 본드 코트층 적층 공정 S10과, 제 1 층 적층 공정 S20과, 제 2 층 적층 공정 S30을 포함한다. 그러나, 상술한 몇 가지의 실시형태에 따른 차열 코팅층(10)을 갖는 터빈 부재의 유지 보수시에, 낡은 제 2 층(15)을 제거한 후에 새로운 제 2 층(15)을 형성할 수 있다.
구체적으로는, 예를 들면 도 13에 도시하는 바와 같이, 모재(11) 상에 적층된 본드 코트(12)층과, 본드 코트층(12) 상에 적층된 제 1 층(14)과, 제 1 층(14) 상에 적층된 제 2 층(15B)을 갖는 기설 차열 코팅층(10B)에 대하여, 도 14에 나타내는 차열 코팅의 제조 공정에서, 낡은 제 2 층(15B)을 제거하고 새로운 제 2 층(15)을 형성할 수 있다. 또한, 도 13은 기설 차열 코팅층(10B)을 구비하는 터빈 부재의 단면의 모식도이다. 도 14는 기설 차열 코팅층(10B)의 낡은 제 2 층(15B)을 제거하고 새로운 제 2 층(15)을 형성하는 차열 코팅의 제조 공정에 대한 흐름도이다.
도 14에 나타내는 실시형태에 따른 차열 코팅의 제조 방법은, 제 2 층 제거 공정 S50과, 제 2 층 적층 공정 S30을 포함한다. 도 14에 나타내는 실시형태에 따른 제 2 층 적층 공정 S30은, 상술한 도 6에 나타내는 몇 가지의 실시형태에 따른 제 2 층 적층 공정 S30과 동일하다.
도 14에 나타내는 실시형태에 따른 차열 코팅의 제조 방법에서는, 우선, 제 2 층 제거 공정 S50에서, 도 13에 나타내는 기설 차열 코팅층(10B)의 낡은 제 2 층(15B)을 제거한다. 제 2 층 제거 공정 S50에서는, 예를 들면 블라스트 처리 등에 의해, 낡은 제 2 층(15B)을 제거한다. 도 15는 제 2 층 제거 공정 S50에서 낡은 제 2 층(15B)을 제거한 후의 터빈 부재의 단면의 모식도이다.
이어서, 제 2 층 적층 공정 S30에서, 제 2 층 제거 공정 S50에서 낡은 제 2 층(15B)을 제거한 후의 기설 차열 코팅층(10B)의 제 1 층(14)의 표면에 제 2 층(15)을 형성한다.
즉, 도 14에 나타내는 실시형태에 따른 차열 코팅의 제조 방법은, 모재(11) 상에 적층된 본드 코트층(12)과, 본드 코트층(12) 상에 적층된 제 1 층(14)과, 제 1 층(14) 상에 적층된 제 2 층(15B)을 갖는 기설 차열 코팅층(10B)에 대하여, 제 2 층(15B)을 제거하는 제 2 층 제거 공정 S50을 포함한다. 또한, 도 14에 나타내는 실시형태에 따른 차열 코팅의 제조 방법은, 제 2 층(15B)을 제거한 후의 기설 차열 코팅층(10B)에 대하여, 제 1 층(14) 상에 적산 입도 10% 입경이 30㎛ 이상 40㎛ 이하로 되고, 적산 입도 50% 입경이 40㎛ 이상 60㎛ 이하로 되며, 적산 입도 90% 입경이 70㎛ 이상 80㎛ 이하로 되는 입도 분포를 갖는 용사 입자를 용사하여 제 2 층(15)을 적층시키는 제 2 층 적층 공정 S30을 포함한다.
이에 의해, 기설 차열 코팅층(10B)의 제 2 층(15B)을 제거하고 새롭게 0.5% 이상 9.0% 이하의 기공률을 갖는 제 2 층(15)을 형성할 수 있다. 따라서, 기설 차열 코팅층(10B)에 있어서의 제 2 층(15B)이 열화된 경우 등에, 제 2 층(15)을 새롭게 적층시키는 것이 가능해진다. 이에 의해, 새롭게 적층시킨 제 2 층(15)에 의해 부식성 물질의 침투를 억제할 수 있다. 따라서, 연소 가스에 부식성 물질이 포함되는 환경하에서도 기설 차열 코팅층(10B)의 내구성을 향상시킬 수 있다.
1, 1A: 제 1 용사 입자 2: 제 2 용사 입자
4: 가스 터빈 동익 5: 가스 터빈 정익
6: 가스 터빈 7: 분할환
8: 연소기
10: 차열 코팅층(Thermal Barrier Coating: TBC)
11: 내열 기재(모재) 12: 금속 결합층(본드 코트층)
13: 세라믹스층 14: 제 1 층
15: 제 2 층

Claims (15)

  1. 모재 상에 적층되는 본드 코트층과,
    상기 본드 코트층 상에 적층된 세라믹스층으로서,
    10% 이상 15% 이하의 기공률을 갖는 제 1 층, 및
    0.5% 이상 9.0% 이하의 기공률을 가지며, 또한, 상기 제 1 층 상에 적층된 제 2 층을 포함하는 세라믹스층을 구비하고,
    상기 본드 코트층은 MCrAlY 합금(M은 Ni, Co 및 Fe를 포함한 금속 원소 또는 이들 중 2종류 이상의 조합을 나타냄)으로 구성되고, 상기 제 1 층 및 상기 제 2 층은 각각 YbSZ, SmYbZr2O7, DySZ 및 ErSZ 중 어느 하나로 구성되고,
    상기 제 1 층에는, 그 층 두께 방향으로 연장되는 세로 균열이 도입되어 있지 않으며,
    상기 제 2 층은 상기 제 1 층과 동일한 재질로 구성되는
    차열 코팅.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 층의 기공률은 1.0% 이상 7.5% 이하인
    차열 코팅.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 층의 상기 기공률은 0.5% 이상 4.0% 미만인
    차열 코팅.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 층은, 적산 입도 10% 입경이 30㎛ 이상 40㎛ 이하로 되고, 적산 입도 50% 입경이 40㎛ 이상 60㎛ 이하로 되며, 적산 입도 90% 입경이 70㎛ 이상 80㎛ 이하로 되는 입도 분포를 갖는 제 1 용사 입자를 용사하여 형성되어 있는
    차열 코팅.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 층은, 적산 입도 10% 입경이 40㎛ 이상 50㎛ 이하로 되며, 적산 입도 50% 입경이 60㎛ 이상 70㎛ 이하로 되며, 적산 입도 90% 입경이 80㎛ 이상 100㎛ 이하로 되는 입도 분포를 갖는 제 2 용사 입자를 용사하여 형성되어 있는
    차열 코팅.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 2 용사 입자의 적산 입도 10% 입경에 대한 상기 제 1 용사 입자의 적산 입도 10% 입경의 비율은, 상기 제 2 용사 입자의 적산 입도 50% 입경에 대한 상기 제 1 용사 입자의 적산 입도 50% 입경의 비율, 및 상기 제 2 용사 입자의 적산 입도 90% 입경에 대한 상기 제 1 용사 입자의 적산 입도 90% 입경의 비율보다 큰
    차열 코팅.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 층 및 상기 제 2 층은 대기 플라즈마 용사에 의해 생성된 용사층인
    차열 코팅.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 층의 두께는 상기 제 1 층의 두께의 10% 이상 100% 이하인
    차열 코팅.
  9. 삭제
  10. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 상기 차열 코팅을 갖는
    터빈 부재.
  11. 제 10 항에 기재된 상기 터빈 부재를 갖는
    가스 터빈.
  12. 모재 상에 본드 코트층을 적층시키는 공정과,
    상기 본드 코트층 상에 제 1 층을 적층시키는 공정과,
    상기 제 1 층 상에 적산 입도 10% 입경이 30㎛ 이상 40㎛ 이하로 되고, 적산 입도 50% 입경이 40㎛ 이상 60㎛ 이하로 되며, 적산 입도 90% 입경이 70㎛ 이상 80㎛ 이하로 되는 입도 분포를 갖는 용사 입자를 용사하여 제 2 층을 적층시키는 공정을 포함하고,
    상기 본드 코트층은 MCrAlY 합금(M은 Ni, Co 및 Fe를 포함한 금속 원소 또는 이들 중 2종류 이상의 조합을 나타냄)으로 구성되고, 상기 제 1 층 및 상기 제 2 층은 각각 YbSZ, SmYbZr2O7, DySZ 및 ErSZ 중 어느 하나로 구성되고,
    상기 제 1 층에는, 그 층 두께 방향으로 연장되는 세로 균열이 도입되어 있지 않으며,
    상기 제 2 층은 상기 제 1 층과 동일한 재질로 구성되는
    차열 코팅의 제조 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 층을 적층시키는 공정은, 상기 본드 코트층 상에 적산 입도 10% 입경이 40㎛ 이상 50㎛ 이하로 되며, 적산 입도 50% 입경이 60㎛ 이상 70㎛ 이하로 되고, 적산 입도 90% 입경이 80㎛ 이상 100㎛ 이하로 되는 입도 분포를 갖는 용사 입자를 용사하여 제 1 층을 적층시키는 공정인
    차열 코팅의 제조 방법.
  14. 모재 상에 적층된 본드 코트층과, 상기 본드 코트층 상에 적층된 제 1 층을 갖는 기설 코팅층에 대하여, 상기 제 1 층 상에 적산 입도 10% 입경이 30㎛ 이상 40㎛ 이하로 되고, 적산 입도 50% 입경이 40㎛ 이상 60㎛ 이하로 되며, 적산 입도 90% 입경이 70㎛ 이상 80㎛ 이하로 되는 입도 분포를 갖는 용사 입자를 용사하여 제 2 층을 적층시키는 공정을 포함하고,
    상기 본드 코트층은 MCrAlY 합금(M은 Ni, Co 및 Fe를 포함한 금속 원소 또는 이들 중 2종류 이상의 조합을 나타냄)으로 구성되고, 상기 제 1 층 및 상기 제 2 층은 각각 YbSZ, SmYbZr2O7, DySZ 및 ErSZ 중 어느 하나로 구성되고,
    상기 제 1 층에는, 그 층 두께 방향으로 연장되는 세로 균열이 도입되어 있지 않으며,
    상기 제 2 층은 상기 제 1 층과 동일한 재질로 구성되는
    차열 코팅의 제조 방법.
  15. 모재 상에 적층된 본드 코트층과, 상기 본드 코트층 상에 적층된 제 1 층과, 상기 제 1 층 상에 적층된 제 2 층을 갖는 기설 차열 코팅층에 대하여, 상기 제 2 층을 제거하는 공정과,
    상기 제 2 층을 제거한 후의 상기 기설 차열 코팅층에 대하여, 상기 제 1 층 상에 적산 입도 10% 입경이 30㎛ 이상 40㎛ 이하로 되며, 적산 입도 50% 입경이 40㎛ 이상 60㎛ 이하로 되며, 적산 입도 90% 입경이 70㎛ 이상 80㎛ 이하로 되는 입도 분포를 갖는 용사 입자를 용사하여 제 2 층을 적층시키는 공정을 포함하고,
    상기 본드 코트층은 MCrAlY 합금(M은 Ni, Co 및 Fe를 포함한 금속 원소 또는 이들 중 2종류 이상의 조합을 나타냄)으로 구성되고, 상기 제 1 층 및 상기 제 2 층은 각각 YbSZ, SmYbZr2O7, DySZ 및 ErSZ 중 어느 하나로 구성되고,
    상기 제 1 층에는, 그 층 두께 방향으로 연장되는 세로 균열이 도입되어 있지 않으며,
    상기 제 2 층은 상기 제 1 층과 동일한 재질로 구성되는
    차열 코팅의 제조 방법.
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