KR102630007B1 - 터빈 틈새 제어 코팅 및 방법 - Google Patents

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KR102630007B1
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스캇 윌슨
카넷 아칙고즈 도로킨
플로리안 로베르
올리비에 야리
몬티아 네슬러
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오를리콘 서피스 솔루션스 아크티엔게젤샤프트, 페피콘
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Abstract

본 발명은 케이싱 및 케이싱 내에 회전가능하게 장착된 적어도 하나의 터빈 블레이드를 포함하는, 적어도 하나의 고압 및 적어도 하나의 저압 터빈 영역을 갖는 터빈 엔진을 개시하며, 케이싱의 내표면의 적어도 일부는 내표면과 적어도 하나의 블레이드의 팁 사이의 틈새 제어를 제공하는 마모성 슈라우드(shroud)로 덮이고, 블레이드의 팁은 경질 PVD 코팅으로 코팅되고, 적어도 고압 및/또는 저압 영역의 슈라우드 재료는 다공성 세라믹계 재료를 포함하고, 블레이드 팁 상의 경질 PVD 코팅은 본질적으로 액적-없는 질화물 코팅으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

터빈 틈새 제어 코팅 및 방법
본 발명은 가스 터빈 엔진용 블레이드 및 가스 터빈 엔진에 관한 것이다. 본 발명의 첫번째 구현예에 따르면, 개시된 블레이드는 터빈 씰 용도의 틈새(clearance) 제어 코팅을 절삭(cutting) 및 성형하기 위한 물리적 증착(PVD)된 박막 경질 코팅을 포함한다. 이 코팅은 마찰 침입(rub incursion) 중에, 열분사된 CoNiCrAlY-붕소 질화물, NiCrAl 벤토나이트 및 NiCrAl-붕소 질화물 틈새 제어 코팅과 접촉하게 되는 블레이드의 내마모성을 개선한다.
통상적으로, 터빈 엔진은 터빈 케이싱(casing) 또는 하우징에 의해 원주방향으로 외접된(circumscribed) 샤프트-장착 터빈 블레이드를 포함한다. 일반적으로, 블레이드의 팁에 근접한 터빈 케이싱은 예를 들어 높은 내열성 및 내식성을 갖는 금속/세라믹 재료로 구성된 복수의 마모가능한 슈라우드(shroud) 재료(코팅)로 라이닝된다. 많은 경우, 마모성(abradable) 표면 재료 자체는 일정한 정도로 마모된다. 따라서, 조기에 블레이드 팁 마모를 유발할 수 있는 2개의 대향하는 구성요소 사이의 접촉을 방지하기 위해, 블레이드 팁 갭(G)이 유지된다.
이론적 구조는 도 1에 나타나 있는데, 이는 터빈 케이싱(1), 블레이드 루트(7) 및 블레이드 팁(9)을 포함하는 블레이드(5)를 갖는 회전자 디스크(3)를 보여 준다. 마모성 씰(11) 및 마모성 씰(11)과 블레이드 팁(9) 사이의 팁 갭(G)도 도시되어 있다.
고압 블레이드 측과 저압 블레이드 측 사이에 블레이드 가스흐름 누설을 최소화하기 위하여, 블레이드 팁 갭(G)은 현실적으로 가능한 작게 선택되어야 한다.
매우 작은 블레이드 팁 갭(G)을 갖는 시스템을 실현하기 위해서 소위 스퀼러 팁(squealer tip)을 사용하는 것이 당업계에 공지되어 있다. 국제특허공보 WO2015/041787은 스퀼러 팁을 갖는 블레이드를 개시한다. 의도적 작동을 위하여, 처음 사용시 이들 팁은 케이싱 또는 하우징의 마모성 코팅과 접촉하게 되므로, 최소화된 갭(G)을 실현한다. 이러한 스퀼러 팁을 형성하기 위해, 국제특허공보 WO2015/041787은 터빈 블레이드의 팁이 절삭 도구 역할을 하여, 마모성 기판 내로 절삭함으로써, 이를 성형할 수 있도록 선택된 특수 기하학적 구조를 개시한다. 불행하게도, 특수 기하학적 구조를 갖는 이들 팁은 종종 블레이드 팁 속도(velocity)와 마모성 슈라우드 재료에 대한 블레이드 팁의 침입 속도(incursion rate)의 특정 조합에서 마모성 기판과 접촉할 때 마모를 겪는 경향이 있으므로, 마모 손상의 문제가 여전히 존재한다. 이는 특수 마모성 재료가 예컨대 열분사된 CoNiCrAlY-붕소 질화물, NiCrAl 벤토나이트 및 NiCrAl-붕소 질화물인 경우에 특히 해당된다.
또 다른 매우 유사한 접근법은 미국특허공개 US5756217A에 개시되었는데, 여기서는 위와 동일한 목적으로, 마모성 코팅에 대항하여 패턴화된 스트립 코팅이 연마제 코팅으로 사용된다. 이용된 코팅 재료는 지르코늄-, 이트륨- 및/또는 알루미늄-산화물의 군으로부터 선택되고, 재료는 열분사(thermal spraying)를 이용하여 코팅될 구조적 표면 상에 부착된 천공 마스크를 통해 도포된다. 미국특허공개 US5756217A는 이 공정이 후증착 프로파일링 또는 가공을 피할 것이라고 언급하였지만, 제안된 공정의 취급 노력은 상당하며 전술한 마모성 재료에 대한 마모 손상은 중요한 문제로 남아 있다.
미국특허공개 US20150075327A1에서 Linska 등은 전착(electrodeposition)에 의해 생성된 블레이드 팁 상의 내마모성 코팅을 개시한다. 이들 전착된 코팅은 블레이드 팁을 강화시켜 효과적으로 작동하지만 추가적 제조 단계가 필요한 것으로 보인다. 전착 마모 보호층의 또 다른 단점은 전기전도성 재료만이 전기도금에 의해 도포될 수 있다는 사실이다. 이는 이러한 코팅을 비교적 두꺼운(예컨대 300-500 마이크론) 금속 또는 합금 층으로 제한하며, 이들은 많은 경우 내마모성이 충분하지 않다.
미국특허공개 US20150368786A1에는, 에어포일(airfoil)의 팁을 코팅하는 방법이 개시되는데, 이 방법은 에어포일의 팁 영역(section)만을 PVD 코팅에 노출시키기 위하여 기계적 마스크를 사용한다. 스텔라이트, 탄화물 또는 질화물 코팅의 개시된 두께는 25.4 내지 127 ㎛로 언급되었고, 이는 마모성에 관한 에어포일의 원하는 두께 공차를 보장해야 한다. 작동 중에 마모되지 않고 에어포일의 구조적 완전성을 보호하는 재료로서, 입방정(cubic) 붕소 질화물이 마모 코팅의 가장 바람직하고 유일한 예로 개시되었다. 입방정 붕소 질화물은 공지된 매우 높은 경도, 내마모성 및 1300℃까지의 내산화성 때문에 사용이 기대될 수 있다. 그러나, 기술 기판 상의 증착은 육방정(hexagonal) 붕소 질화물의 존재가 대부분 관찰되기 때문에 매우 어려울 수 있다. 또한, 성장 중에 발생하는 일반적인 PVD 코팅의 높은 응력(stress)은 요구되는 코팅 두께를 상당히 제한할 수 있고, 대부분의 PVD 코팅된 탄화물 또는 질화물을 에어포일 상의 내마모성 층으로 도포하는데 이용불가능하게 만들 수 있다.
따라서, 전술한 바와 같이 마모성 기판과의 접촉에 있어 내마모성을 나타내는 블레이드 팁을 갖는 블레이드에 대한 기술이 요구된다.
본 발명에 따르면, 블레이드 팁은 예컨대 절삭 도구용으로 알려진 물리적 증착된 박막 코팅으로 코팅된다.
가스 터빈 엔진의 컴프레서로 혼입된 고체 입자에 의한 침식 및 부식에 대항하는 터빈 엔진 상의 PVD 코팅을 사용하는 것은 이미 공지되어 있다. 예를 들어, 유럽특허공개 EP0674020B1은 입자에 의한 이러한 부식에 대항하는 다중층 내식성 코팅을 기술한다.
그러나, 본 발명에 따르면, PVD 코팅은 마모성 기판과의 상호작용에서 야기되는 마모에 대항하여 블레이드의 팁을 강화시키는데 사용된다. 터빈의 심한 마찰 침입 조건 하에서 블레이드 재료의 과도한 마찰 가열로 인해, 및/또는 마모성 코팅이 너무 높은 벌크 경도 조건으로 열분사될 경우, 심각한 마모 손상이 발생한다. 관찰된 메커니즘은 블레이드 재료 가열과 함께 연화, 극도의 벌크 소성 변형 및 파괴(fracture) 및 블레이드 재료의 고정자 슈라우드로의 전달이다. 블레이드 재료(주로 티타늄 합금에 국한됨)의 연소는 결과적으로 심각한 엔진 손상을 일으킬 수도 있다. 블레이드 재료의 균열은 경도가 특정 경도보다 높은 마모성 슈라우드에 대항하여 비효율적인 절삭으로 발생하는 극도의 블레이드 절삭력 때문에 일어난다. 본 발명의 초점은 지정된 CoNiCrAlY-hBN, NiCrAl-벤토나이트, NiCrFeAl-hBN 및 NiCrAl-hBN 마모성 코팅에서 1종 이상의 금속 합금 또는 금속 합금 산화물 성분에 의한 전술한 블레이드 재료의 2개의 본체 마모에 대한 대책에 있고, 여기서 hBN은 육방정 붕소 질화물의 약어로 사용된다.
고정자(슈라이드)에 대한 회전자 상의 블레이드 사이의 침입 마찰은 예를 들어 다음과 같은 여러가지 원인에서 발생할 수 있다:
ㆍ 회전자와 고정자 부품 간의 서로 상이한 열 팽창 효과
ㆍ 단단한 항공기의 경착륙이나 급상승(surge) 같은, 엔진 상태 또는 부하의 급격한 변화
ㆍ "과열" 운전 조건
ㆍ 급속한 엔진 정지
ㆍ 케이싱 진원도(out-of-roundness)로 인한 뒤틀림 관련 요인
ㆍ 베어링의 틈새 및 불안정성에 기인하는 회전자 진동
특정 블레이드 팁 속도 및 고정자(슈라우드) 내로의 블레이드의 침입 속도 하에서, 블레이드 팁의 마모 손상이 발생할 수 있다. 또한, 틈새(마모성) 코팅이 특정 경도를 초과하는 경도 또는 밀도로 분사되는 경우, 증가된 블레이드 마모 손상이 그렇지 않으면 발생하지 않았을 광범위한 침입 조건에 걸쳐 발생할 수 있다.
전술한 바와 같은 경우의 결과로서의 마모의 유형은 예를 들어 모래 또는 먼지와 같은 입자가 가스흐름 내에 혼입되고 터빈에 진입하여 블레이드와 부딪히는 경우 발생하는 부식 충격 손상과는 매우 다르다는 것을 주목해야 한다.
따라서, 본 발명의 목적은 전술한 경우의 결과인 마모 손상을 예를 들어 다음에서 제거하는 것이다:
ㆍ 티타늄 합금 컴프레서 블레이드
ㆍ 니켈 합금 컴프레서 블레이드
ㆍ 스테인리스강 컴프레서 블레이드
도 1은 블레이드 루트(7) 및 블레이드 팁(9)을 갖는 회전자 디스크(3) 상의 적어도 하나의 블레이드(5)뿐만 아니라, 블레이드 팁(9)의 대향 측의 터빈 케이싱(1) 안에 위치하며 갭(G)에 의해 분리된 마모성 씰(11)을 포함하는 산업 또는 항공우주 터빈의 개략도이다.
도 2는 코팅된 블레이드 팁 영역(9) 상의 및 주위의 균일한 코팅 두께 분포를 개략적으로 도시한다.
본 발명에 따르면, 이는 터빈 엔진의 컴프레서 영역에서의 침입 마찰 중에 예를 들어 CoNiCrAlY-hBN, NiCrAl-벤토나이트, NiCrAl-hBN, NiCrFeAl-hBN와 같은 마모성 틈새 제어 코팅과 접촉하게 되는 블레이드 표면 상의 박막 물리적 증착(PVD)된 경질 코팅을 도포함으로써 달성된다.
다시 말해, 본 발명에 따르면, 블레이드, 특히 블레이드 팁에 도포된 PVD 경질 코팅은 블레이드 팁과 마모성 기판의 상호작용으로 인한 마모에 대항하여 보호하는 목적을 갖는다.
놀랍게도, 절삭 도구용으로 알려진 PVD 코팅은 이러한 맥락에서 유리하게 이용될 수 있고, 특히 저압 및 고압 컴프레서 회전자 및 항공기 엔진의 블리스크, 및 산업용 가스 터빈 컴프레서 회전자에 사용되는 티타늄 합금, 스테인리스강 및/또는 니켈 합금 블레이드 상에 코팅될 경우, 우수한 보호 성능을 나타낼 수 있다.
본 명에서 전반에 걸쳐, "팁핑(tipping)"이라는 표현은 적어도 팁 상에, 좋기로는 블레이드 팁의 주변부에도 코팅을 제공하는 것을 의미할 때 사용된다. "주변부(periphery)라는 용어를 정의하기 위하여, 블레이드 표면 상의 하나의 지점은 (회전축에서 볼 때) 고정된 블레이드의 최외곽 부분으로부터 100배 이하의 코팅 두께만큼 멀리 있을 경우, 이 지점은 본 발명에 따르면 블레이드 팀의 주변부의 일부로 간주될 수 있다고 추정된다.
지금까지, 팁핑 목적으로 PVD 코팅을 블레이드 팁 상에 도포하는 것은 당업계에 공지되어 있다. 블레이드는 일반적으로 (생산에 있어서) 가장 경제적인 해결책으로 어떤 형태의 팁핑도 없이 사용된다.
그러나, 팁핑이 사용되는 경우, 공지된 기술은 일반적으로 대기 플라즈마 용사(Atmospheric Plasma Spray: APS) 및 고속화염용사(High Velocity Oxygen Fuel: HVOF)와 같은 열분사에 의해 증착된 것과 같은 두꺼운 경질 코팅으로 제한된다. 이러한 기술로 도포된 코팅은 일반적으로 100 내지 200 마이크로미터 두께이고 다음과 같은 단점을 겪는다:
- 블레이드 팁 재료에 대한 불충분한 접착력; APS 및 HVOF 코팅은 코팅될 표면에 기계적으로 결합된다.
- 특히 고압 항공기 컴프레서에 사용된 얇은 블레이드 팁의 경우, 코팅 치수(두께) 및 중량이 너무 크다.
- 코팅될 재료의 제조는 예를 들어, 그릿 블라스팅에 의한 표면 거칠기를 필요로 하며, 이는 블레이드 성분의 기계적 완전성을 손상시킬 수 있다.
대조적으로, PVD 기술에 의해 팁 상에 증착된 코팅은 기판 재료에 주로 야금학적으로 결합되고 매우 높은 접착 강도를 가지므로, 블레이드 재료에 악영향을 미칠 수 있는 표면 예비제조 기술을 필요로 하지 않고, 유달리 단단하고, 내산화성이다. 본 발명에 따르면, PVD로 증착된 팁 코팅은 블레이드 팁에 매우 얇은 층, 예를 들어 1-40 마이크론, 좋기로는 5-25 마이크론 두께로 도포될 수 있는데, 제어된 고유의 코팅 응력 및 적당한 표면 거칠기의 장점을 가지면서, 동시에 PVD 코팅은 고밀도 및 내마모성을 나타낸다.
본 발명에 따라 블레이드를 PVD 코팅으로 팁핑하는 것은 예를 들어 블레이드의 팁 및/또는 블레이드의 주변부에, 예를 들어 티타늄 질화물(TiN), 티타늄 알루미늄 질화물(TiAlN), 티타늄 규소 질화물(TiSiN), 티타늄 탄소 질화물(TiCN), 크롬 질화물(CrN) 또는 알루미늄 크롬 질화물(AlCrN), 또는 이들의 조합물과 같은 얇은(예컨대, 1-40 마이크론 두께) 경질(예컨대, 1000-3500 HV 고유 코팅 경도) PVD 코팅을 도포함을 의미한다. 이들은 절삭 도구에 있어 전형적으로 사용되는 경질 코팅이다.
놀랍게도 본 발명자들은, 이들 PVD 코팅으로, 특히 경질 박막 PVD 코팅으로 인하여 블레이드 마모 손상이 슈라우드 내로의 광범위한 블레이드 침입 조건 하에 감소될 수 있고 및/또는 제거될 수 있음을 발견하였다. 또한, 놀랍게도, 상기 언급된 질화물계 코팅은 고온에서 앞서 설명한 바와 같은 산화물 또는 입방정 붕소 질화물에 비해 상당히 낮은 내산화성을 갖는 것으로 알려져 있으나, 상기 언급된 질화물계 코팅은 때 이른 산화를 겪지 않는다. 왜 이러한 효과가 나타나는지 완전히 명확하지 않지만, 블레이드 팁 및 마모성 표면 상호작용에 존재하는 조건이 고속 절삭 도구가 금속 합금 소재 상에서 작업할 때의 조건과 거의 유사하다는 점이 가능한 설명이 될 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예를 이용하여 상세히 기술할 것이다.
본 발명자들은 광범위한 마모성 재료에 대한 연구를 기반으로 하였다. 이들 마모성 재료도 (예컨대 하우징 상에) 코팅되어 있지만, 이들을 PVD 코팅과 명확히 구별하기 위하여, 이들 재료의 축적은 코팅된 슈라우드라고 칭할 것이다.
시험은 다음 슈라우드 코팅 재료를 기반으로 하였다:
1. Ni 4Cr 4Al 21 벤토나이트
제품명: Durabrade 2313, Metco 314NS, Metco 312NS, Durabrade2311
이들은 안정화된 벤토나이트 코어를 완전히 캡슐화시키는 니켈 크롬 알루미늄 합금으로 구성된 서멧(cermet) 분말이다. 캡슐화는 화학적 피복 처리를 이용하여 달성된다. 이는 견고하고 고품질의 결합제-없는 복합 분말을 제공한다. 이 분말은 최종 도포에 적합한 다양한 내식성 및 마모가능성을 갖는 기판을 제조하도록 설계되었다.
2. CoNiCrAlY-hBN-폴리에스테르
CoNiCrAlY (코발트-니켈-크롬-알루미늄-이트륨) 매트릭스는 다른 니켈-크롬계 마모성 재료와 비교하여 개선된 내산화성 및 내침식성을 제공한다. 붕소 질화물 성분은 고체 유활을 제공하므로, 마찰 침입 중에 마모가능성을 개선하고 블레이드 마모를 감소시킨다. 기판 공극율은 35 내지 60 부피%일 수 있고; 이는 코팅에 포착된 폴리에스테르의 양을 통해 제어된다. 이는 티타늄 합금, 강 또는 초합금 성분에 대항하여 우수한 파쇄성(friability)을 허용하는 제어된 웹-유사 금속 구조이다.
이들 기판은 최대 50℃ (1380℉)의 서비스 온도에서 사용될 수 있으나; 산화되기 쉬운 성질은 650℃(1200℉) 보다 높은 온도에서 예상될 수 있다. 극한 환경 조건 하에서 또는 경질의 내식성 코팅이 필요할 경우의 사용할 경우, 경질의 뾰족한 메이팅(mating) 블레이드 또는 칼날이 권장된다. Metco 2042 및 Metco 2043 코팅은 최대 650℃ (1200℉)의 서비스 온도에서 노출된 비-팁핑 니켈 합금 및 스테인레스강 성분에 의해 쉽게 절삭된다. 노출된 비처리 티타늄 성분에 대항하여 사용할 경우, 최대 550℃ (1020℉)의 서비스 온도에서 Metco 2042가 권장된다.
3. NiCrFeAl-hBN
제품명: Metco 301C-NS 및 Metco 301NS, 즉 Ni13Cr8Fe6.5BN3.5Al 2.
니켈 크롬 합금/붕소 질화물 열분사 분말은 니켈-크롬 합금, 육방정 붕소 질화물, 및 알루미늄으로 구성된 서멧 복합물이며, 기계적 피복 기술을 이용하여 제조된다. 이 분말은 최종 도포에 적합한 다양한 내식성 및 마모가능성을 갖는 기판을 생성하도록 설계되었다. 분말은 수소 또는 아세틸렌을 연료 가스로 사용하는 연소 분말 분무 공정을 통해 가장 잘 도포된다.
4. 알루미늄 청동(bronze) 폴리에스테르
제품명: Metco 604NS, Metco 605NS, Metco 610NS
Metco 604NS, Metco 605NS 및 Metco 610NS는 염분으로 인한 침식이 우려되는 해양 환경에서 작동하는, 항공우주 및 산업적 터빈 틈새 제어용 마모성 기판을 생산하도록 설계된 분말 재료이다. 이 분말의 금속 매트릭스는 미리 합금된 알루미늄 청동 재료이다. 특별히 제형화된 폴리에스테르 재료는 알루미늄 청동 매트릭스와 조합되어 저밀도 기판 구조를 형성한다. Metco 604NS 및 605NS의 경우, 폴리에스테르는 금속 성분과 혼합된다. Metco 610NS는 폴리에스테르 성분이 고체 유기 결합제를 사용하여 금속 성분에 피복되어 있는 복합물 재료이다.
NiCrAl-hBN-폴리에스테르에 관하여, 미국특허출원: WO 2011/094222 A1 (Dorfman, Wilson 등)에 기술된 바와 같은 기판을 참조할 수 있다.
본 발명의 기술적 효과를 입증하기 위하여, Oerlikon Balzers에서 물리적 증착(PVD) 공정을 이용하여 블레이드 팁 상에 증착된 TiAlN 코팅의 성능이 시험된 프레임으로 평가 프로그램이 수행되었다. 따라서, TiAl6V4 및 Inconel 718 블레이드는 TiAlN-팁핑되었고, 특정 Oerlikon Metco 마모성 기판에 대항하여 침입 시험하였다.
TiAlN-팁핑된 TiAl6V4 합금 블레이드를 450℃에서 다음에 대항하여 마찰 시험하였다:
1) M2042 마모성 기판: 각각 표준 및 고경도 수준 HR15Y 39 및 69, 및
2) M314NS 마모성 기판: 표준 경도 수준 HR15Y 50
또한, TiAlN-팁핑된 IN718 합금 블레이드를 750℃에서 다음에 대항하여 마찰 시험하였다:
1) M2043 마모성 경도 HR15Y 67
2) M314 마모성 경도 HR15Y 50
모든 마모성 기판은 스위스의 Oerlikon Metco 장소(OM-CH)에서 열분사되었다.
Oerlikon Metco (OM) 침입 시험 시설에서 일련의 16건의 침입 시험을 수행하였다.
시험은 침입 속도가 5 또는 500㎛/s인 동안 250 및 410m/s의 속도로 수행하였다. 도달될 침입 깊이는 1.0 mm이었다.
주어진 시험 조건에서 (주로 낮은 블레이드 팁 속도 및 높은 침입 속도에서) 노출된 티타늄 합금 블레이드는 마모성 Metco 2042 및 Metco 2043에 대항하여 일반적으로 상당한 마모를 겪는다. 대조적으로, TiAlN 팁핑은 블레이드 마모가 관찰되지 않은, 즉 0%의 블레이드 마모의 결과를 갖는 개선된 마찰 성능을 생성하는 것으로 밝혀졌는데, 상기 결과는 공칭 1.0 mm인 마모성 코팅 슈라우드로의 블레이드 팁의 총 침입 깊이의 백분율로 측정된다. 일부 다소 음의 블레이드 마모값, 예컨대 -1.0%가 얻어졌는데, 이는 블레이드 팁 또는 팁 코팅에 대한 손상이 발견됨 없이, 슈라우드 재료가 블레이드 팁으로 약간 전달되었음을 나타낸다.
Metco 314NS도 팁핑 없는 노출된 TiAl6V4 블레이드를 사용하여 마찰시켰을 때 블레이드 마모를 나타냈다. 그러나, 이들 블레이드를 TiAlN으로 팁핑한 후, 침입 시험은 블레이드 마모가 없는 개선된 마찰 성능을 보였다.
이 프로그램은, 얇은 경질 PVD 코팅을 예를 들어 티타늄 합금 및 니켈 합금 블레이드 팁과 같은 블레이드 팁에 도포할 경우, 블레이드 팁 마모 손상의 급격한 감소를 관찰할 수 있다는 것을 명확히 보여주었고, 이는 분사된 특정 마모성 (틈새 제어) 기판 재료의 절삭 성능이 적어도 70HR15Y(고분자 연소 열처리후 상태: post polymer burn out heat treated state)까지의 경도값으로 개선된다는 것을 보여준다.
본 발명의 두 번째 구현예는 예를 들어 공기 터빈, 산업용 가스 터빈 및 터보과급기와 같은 고압 컴프레스 틈새 제어용으로 사용되는 마모성 코팅에 관한 것이다.
관련된 블레이드 재료는 예를 들어 티타늄 합금, 스테인레스강 합금 및 니켈계 초합금이다.
이들 응용분야를 위한 종래 마모성 재료는 낮은 내산화성 및/또는 낮은 소결 내성을 나타내므로, 일반적으로 낮은 열 안정성을 갖는 금속 합금이다. 이들은, 블레이드가 대부분의 경우 보호 팁핑을 갖지 않으므로 블레이드 손상을 완화하기 위해, 의도적으로 보다 연하고(softer) 보다 다공성 조건으로 제조된다. 그 결과, 낮은 벌크 경도를 갖는 마모가능물질이 생긴다. 마모성 코팅의 다공성 성질은 금속 합금의 노출된 표면적을 더 넓히기 때문에 이들 코팅을 고온 산화에 특히 취약하게 만든다. 또한, 필요한 높은 다공성은 코팅 인장 강도를 약화시키고 내식성을 저하시킨다.
특히 고온 적용에 초점이 맞춰지면, 이러한 재료는 일반적으로 내열성이 없다는 것이 단점이 된다.
최신 기술에 따르면, 블레이드 합금이 일반적으로 니켈계 초합금으로 제조되는 항공우주 및 산업적 가스 터빈 엔진의 터빈 영역에서 틈새 제어용 고온 마모성 코팅으로 일반적으로 사용되는, 열적으로 안정한 지르코니아계 폴리에스테르 세라믹 열분사 분말이 있다. 또한, 다공성이고 내열성인 니켈 및 코발트 합금계 코팅도 블레이드 합금이 티타늄 합금, 스테인레스강 또는 니켈계 초합금으로 제조되는 항공우주 및 산업적 가스 터빈 엔진의 고압 컴프레서 영역에서 이용된다. 그러나, 노출된 티타늄 합금, 스테인레스강 합금 또는 니켈 합금은 이들 경질 세라믹 마모가능물질에 대항하여 너무 많이 마모되기 때문에, 대부분의 고온 씰링 용도에서 각각의 블레이드 팁은 입방정 붕소 질화물 연마제 입자로 덮여야 하는데, 이는 설정된 전기도금 및 고온 블레이징 기술을 이용하여 도포된다. 또한, 특히 티타늄 합금이 사용될 경우, 높은 경도의 마모성 코팅에 대항하여 마모시키면 티타늄 연소(fire)의 가능성이 있다.
상기 첫번째 구현예는 마모가능물질에 의해 유발된 마모에 대항하여 보호하기 위한 블레이드 팁에 도포된 경질의 박막 코팅을 개시한다. 놀랍게도, 본 발명자들은 노출된 블레이드 팁이 경질의 내마모성 박막으로 코팅되는 경우, 열분사된 다공성 지르코니아 산화물과 같은 내열성 슈라우드 재료 또는 마그네슘 알루미네이트(마그네슘 스피넬)와 같은 기타 다공성 저밀도 세라믹조차도 블레이드 팁에 손상을 주지 않는 슈라우드 재료로 사용될 수 있다. 이로 인해, 특히 항공기 터빈, 산업적 가스 터빈 및 터보과급기의 저압 및 고압 컴프레서 영역에서 열적으로 안정한(고융점, 높은 내산화성) 세라믹 또는 금속간(intermetallic) 계통 틈새 제어 재료의 사용이 가능하다.
고압 컴프레서 틈새 제어 (마모성) 응용분야의 최신 기술 수준은 다음과 같은 마모성 코팅이다:
ㆍ 세라믹 마모가능물질보다 벌크 경도가 낮고 (더 연하고),
ㆍ 세라믹 마모가능물질보다 더 다공성이고,
ㆍ 일반적으로 세라믹보다 낮은 열안정성(산화 및 소결 내성)을 갖는 금속 합금임.
이들은, 블레이드가 대부분의 경우 보호 팁핑을 갖지 않으므로 블레이드 손상을 완화하기 위해, 의도적으로 보다 연하고 보다 다공성인 조건으로 제조된다.
한편, 블레이드 손상(마모)을 제거하기 위해 블레이드 팁을 코팅하는 것이 알려져 있다. 블레이드 팁 상에 증착된 TiAlN 및 AlCrN과 같은 PVD 박막 코팅의 사용은 터보 기계에서 사용된다.
여기서, 블레이드 재료의 예로는 다음을 들 수 있다:
ㆍ 티타늄 합금, 예컨대 TiAl6V4, Ti6242, 감마 TiAl 유형(Ti-45Al-8Nb)
ㆍ 스테인레스강 합금, 예컨대 17-4 PH 강
ㆍ 니켈계 초합금, 예컨대 lnconel 718.
본 발명자들은 박막 경질 코팅이 마모 보호 효과 면에서 매우 효율적이어서, 열분사된 다공성 지르코니아 산화물 코팅, 예를 들어 Metco 2460 (M2460)과 같이 열안정성이 더 높은(고융점/소결 내성, 높은 내산화성) 더 단단한 마모성 슈라우드 재료가 유리하게 사용될 수 있음을 발견하였다.
TiAlN 코팅은 물리적 증착(PVD) 공정을 이용하여 블레이드 팁(lnconel 718) 상에 증착되었다. 침입 시험된 2개의 상이한 세트의 Metco 2460NS 마모성 코팅은 열분사되었다.
침입 시험 시설에서 2가지 침입 시험이 수행되었다. 첫번째 시험은 TiAlN 블레이드 팁 코팅을 경질 버전의 플라즈마 분사된 M2460NS 코팅에 대항하여 마찰을 일으킨 반면, 두번째 시험은 표준 파라미터를 사용하여 플라즈마 분사된 M2460NS 코팅의 또 다른 세트를 사용하여 수행하였다.
두 가지 시험 모두는 다음 조건에서 수행되었다:
ㆍ 블레이드 팁 속도 410 m/s
ㆍ 침입 속도 50 ㎛/s.
ㆍ 슈라우드 온도 1100℃
ㆍ 침입 깊이 0.2 mm 또는 0.5 mm.
M2460NS는 지르코니아계 폴리에스테르 세라믹 열분사 분말이고, 이는 앞서 언급한 바와 같이 종래 기술에 따라 입방정 붕소 질화물이 블레이드 재료로 사용되는 항공우주 및 산업적 가스 터빈 엔진의 터빈 영역에서 틈새 제어용 고온 마모성 코팅으로 일반적으로 사용된다.
이 코팅의 아래 두 가지 변형체는 열분사에 의해 제조되고 열처리되어 폴리에스테르 다공성 형태를 태운다.
고경도 M2460NS: 59HR15N(폴리머가 연소된 상태) 평균에서 마크로 경도를 측정하였다. 이 M2460NS 마모성 코팅 샘플을 폴리머 연소(550℃/6시간) 후 시험하였다. 410 m/s의 블레이드 팁 속도 및 50 ㎛/s의 침입 속도로 시험을 수행한 결과, 블레이드 마모와 관련 없는 우수한 마찰 성능을 보였다.
표준 경도 M2460NS 코팅: 36HR15N(폴리머가 연소된 상태) 평균에서 마크로 경도를 측정하였다. 이 M2460NS 마모성 코팅 샘플을 폴리머 연소(550℃/6시간) 후 시험하였다. 410 m/s의 블레이드 팁 속도 및 50 ㎛/s의 침입 속도로 시험을 수행한 결과, 블레이드 마모와 관련 없는 우수한 마찰 성능 및 및 표면 블레이드 높이 증가(침입 깊이의 백분율로 2.1% 블레이드 높이 증가)를 보였다.
M2460 슈라우드에 대항하는 침입 시험시, 비-팁핑되(비코팅된) lnconel 718 블레이드에서 발견된 전형적인 블레이드 마모는 총 침입 깊이의 백분율로서 70-100% 마모 범위이다. M2460 슈라우드에 대항하는 침입 시험시, 전형적으로 제로(zero) 블레이드 마모가 종래의 입방정 붕소 질화물 팁핑된 lnconel 718 블레이드에서 발견된다.
놀랍게도, TiAlN 코팅된 블레이드 팁에서 보이는 상기 범위는 종래의 입방정 붕소 질화물에서 보이는 것과 유사한데, 즉 총 침입 깊이의 백분율로 제로 블레이드 마모이다.
이 결과에 근거하여, 팁이 AlCrN로 코팅될 경우 범위는 적어도 더 낫거나 유사한 수준이라고 추정한다. 특히, 고온에서 AlCrN이 선호될 수 있다. 아마도 이는 PVD 코팅의 증가된 열안정성으로 거슬러 올라간다.
표면 거칠기 측정은 침입 시험 후 (절삭된) 슈라우드 표면에 대해 이루어졌으며 시판 중인 표준 블레이드 팁(연마성 입방정 붕소 질화물)을 사용하여 절삭된 것과 비교하였다. 그 결과(아래 표 1 및 2에 주어짐)는 PVD 팁핑된 블레이드가 더 부드럽고, 낮은 거칠기의 표면 마감을 생성한다는 것을 나타냈다. 이러한 개선은 항공기 터보기계의 모든 영역(컴프레서 및 터빈)에서 항공우주 틈새 제어 용도에 있어 중요하다.
표 1은 침입 후 M2460NS 슈라우드 거칠기 대비 본 발명의 PVD 팁핑된 블레이드를 나타낸다.
# R max
[마이크론]		 Rz
[마이크론]		 Ra
[마이크론]
1 65.4 58.5 9.7
2 73.1 61.2 10.5
3 76.4 62.0 10.9
평균 71.6 60.4 10.4
표 2는 침입 후 M2460NS 슈라우드 거칠기 대비 종래 기술에 따른 cBN 팁핑된 블레이드를 나타낸다.
# R max
[마이크론]		 Rz
[마이크론]		 Ra
[마이크론]
1 91.9 84 13.8
2 93.9 79.4 12.9
3 92.3 77.6 13.1
평균 92.7 80.3 13.3
블레이드에 TiAlN 및/또는 AlCrN PVD 코팅을 사용하여 관찰된 개선:
ㆍ 블레이드 마모가 전형적으로 총 침입 깊이의 70-100%로 높은 비-팁핑된 블레이드와 비교하여 블레이드 마모가 제로로 감소됨.
ㆍ 종래의 입방정 붕소 질화물 팁핑된 블레이드에서 관찰된 것과 동등한 블레이드 마모(제로)
ㆍ 종래의 입방정 붕소 질화물 팁핑된 블레이드에서 관찰된 것보다 슈라우드 표면 거칠기가 더 감소됨.
ㆍ 종래의 입방정 붕소 질화물 팁핑된 블레이드에서 관찰된 것보다 PVD 팁핑된 블레이드는 낮은 비용, 낮은 치수(코팅 두께) 및 높은 제조 견고성을 나타냄. 특히, 복잡한 팁 기하학적 구조를 갖는 더 얇은 블레이드 팁이 PVD 기술로 쉽게 코팅될 수 있는 용이성은 종래 기술에 비해 상당한 이점을 제공한다.
ㆍ 니켈 초합금 및 스테인레스강 블레이드 재료가 경질의 박막 PVD 코팅으로 쉽게 성형 및 코팅될 수 있다는 용이성 때문에, 이제 터보기계의 고압 컴프레서 영역에서의 용도를 위한 다공성 세라믹계 마모가능물질의 사용이 가능하다. 이는 종래 고압 컴프레서 마모가능물질(금속 합금계)에 비하여 다음의 상당한 장점을 갖는다.
삭제
i) 내산화성
ii) 소결 내성
iii) 내식성
ㆍ 경질 박막 PVD 코팅을 사용하여 티타늄 합금과 같은 다른 블레이드 재료가 쉽게 코팅될 수 있다는 용이성 때문에, 이제 터보기계의 저압 컴프레서 영역에서의 용도를 위한 다공성 세라믹계 마모가능물질의 사용 기회가 열렸으며, 이는 종래 저압 컴프레서 마모가능물질(일반적으로 알루미늄 합금계)에 비하여, 다음의 상당한 장점을 갖는다.
삭제
i) 내식성
ii) 개선된 열팽창 불일치 및 잔류 응력 적합성.
경질 박막 코팅된 블레이드 팁과 마모가능물질로서 열적으로 안정한 다공성 세라믹 슈라우드의 조합은 선행기술과 비교하여 유리한 것으로 개시되었다. 좋기로는, 경질의 박막 코팅은 Me1Me2X과 같은 화합물 재료를 포함하고, 여기서 Me1은 좋기로는 Ti, Cr 또는 Zr 또는 이들의 조합물로 형성된 군의 원소이고, Me2는 좋기로는 Al 및/또는 Si이고, X는 좋기로는 N, 0 또는 B 또는 이들의 조합물로 형성된 군의 원소이다. 이 분야의 숙련자는 블레이드 팁 상에 이러한 코팅을 효율적으로 도포하는 여러가지 방법을 알고 있으며, 이들 방법 중 음극 아크 증착 또는 스퍼터링과 같은 물리적 증착이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 경질의 박막 코팅으로 블레이드를 코팅하는 방법이 개시된다. 이 측면은 단지 블레이드 팁 및 마모성 슈라우드에 대항하여 이 팁을 보호하는 것뿐만 아니라, 침식 입자, 예컨대 블레이드의 표면 상에 고속으로 여러 입사각으로 충돌하는 먼지에 대항하여 블레이드를 보호하는 것에 관한 것이다. 전술한 바와 같이, 물리적 증착은 이러한 박막 코팅을 블레이드 표면 상에 도포하는 바람직한 방법 중 하나이다. 예로는 음극 아크 증발 및 스퍼터링을 들 수 있다. 전형적으로 음극 아크 증발은 매우 조밀하고 경질의 층을 제공하는데 이는 본 발명과 관련된 응용분야에서 유리하다. 밀도는 증착될 입자가 고도로 양으로 대전될 때 실현될 수 있다. 기판에 음의 바이어스 전압을 가하면 이들 이온은 코팅될 표면으로 가속화된다. 그러나, 아크 증발 중에 전형적으로 생성되고, 표면 상에 증착되어 박막으로 혼입되는 소위 액적(droplet)으로 인하여, 일반적으로 생성되는 코팅은 상당한 표면 거칠기를 갖는다. 팁을 코팅하는 것과 관련하여 전술한 바와 같이, 이러한 거칠기는 불리할 수 있다.
이외에도 블레이드 표면의 표면 거칠기는 침식 입자가 공격하는 중심을 생성하고 침식에 대한 보호를 자연적으로 약화시키는 침식의 중심을 생성한다. 또한, 표면 거칠기는 우발적이고 제어하기 어려운 방식으로 터빈 내의 흐름에 불리하게 영향을 미친다. 음극 아크 증발 중에 박막 내로 또는 박막 표면에 이러한 액적이 증착 및 혼입되는 것을 대부분 피하는 기술들이 있다. 예를 들어, 어떤 기술은 자기장 및/또는 전기장을 사용하여 증착될 대전된 입자의 비행에 영향을 주는 여과된 아크를 사용할 수 있다. 액적이 대전되지 않거나 주로 거시적일 경우, 상당히 가속화되어야 하기 때문에, 코팅 입자는 코팅될 기판으로 가는 도중에 액적으로부터 분리된다.
스퍼터링은 물리적 증착에 기반하여 기판에 박막을 도포하기 위한 다른 선호되는 방법이다. 스퍼터링과 관련하여, 소위 작동 가스의 이온화된 입자는 스퍼터링 타겟의 표면 상에 가속화된다. 이들 이온이 타겟 표면에 충돌할 때, 타겟 재료의 입자가 튕겨나간다. 이온화된 작동 가스 입자의 가속화는 타겟에 인가된 음의 전압에 기반한다. 이들 입자로 타겟을 폭격하면 타겟이 가열되므로, 일반적으로 타겟을 움직일 수 있는 에너지 밀도는 제한적이다. 스퍼터링된 박막은 증착 중에 액적이 형성되지 않기 때문에 음극 아크 증발에 의해 증착된 박막에 비해 표면 거칠기가 작다. 그러나, 일반적으로 스퍼터링된 입자는 대전되지 않거나 이온화 정도가 적어도 매우 낮다. 따라서, 이들 입자는 일단 재료를 제공하는 타겟을 떠나면 코팅될 표면에 대한 방향으로 가속화되지 않을 수 있다. 본 발명자들은 하나의 방법을 발견하여, 필름에 어떠한 액적도 혼입시키지 않으면서 고밀도 박막을 유도하는, 블레이드 코팅을 위한 특별한 PVD 코팅 방법을 사용할 방안을 갖게 되었다.
각각의 방법은 스퍼터링에 기반하지만, 스퍼터링 공정이 실행되는 에너지 밀도는 종래의 스퍼터링에 비해 극적으로 증가된다. 이러한 증가는 타겟으로부터 방출된 대전된 입자를 초래하고, 따라서 대전된 코팅될 입자가 기판 방향으로 가속화되도록 음의 바이어스가 코팅될 기판에 가해질 수 있다. 타겟의 가열은 주기적으로 타겟에서 각 전압을 고주파로 스위치-오프하여 피할 수 있다. 이러한 소위 HIPIMS는 언급한 바와 같이 스퍼터링 방법이지만, 고주파에서 잘 성형된 재현성 있는 고전력 펄스를 제공하는 복잡한 발전기가 필요하다는 단점이 있다. 본 출원인이 개발한 또 다른 스퍼터링 방법에서는, 전력을 스위치-오프하지 않고, 다른 타겟 및/또는 전원 덤프로 스위칭한다. 본 출원인은 이 방법을 "S3p"라는 브랜드로 제공한다. 각각의 스퍼터링 방법을 구현하는 일례의 상세한 설명은 국제특허공개 W02013/060415A1에서 찾을 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따라, 코팅 입자가 표면에 부딪힐 때 블레이드의 사용 중 표면 상에 먼지 입자가 충돌하는 예상 평균 속도와 동일한 자릿수의 속도를 갖도록 하는 속도로 코팅 입자를 가속화시킬 수 있다.
좋기로는, 경질의 박막 코팅은 HIPIMS, 특히 좋기로는 S3p에 의해 제조되고, Me1Me2X과 같은 화합물 재료를 포함하고, 여기서 Me1은 좋기로는 Ti, Cr 또는 Zr 또는 이들의 조합물로 형성된 군의 원소이고, Me2는 좋기로는 Al 및/또는 Si이고, X는 좋기로는 N, 0 또는 B 또는 이들의 조합물로 형성된 군의 원소이다.
상기 설명에서 언급한 모든 PVD 코팅은 단일층 또는 다중층 코팅일 수 있다. 이들은 터빈 블레이드 기판과의 사이에 접착층으로 도포될 수 있으나, 좋기로는 기판 재료 자체 상에 직접 도포된다. 다중층의 경우, 중간층들, 예컨대 금속 중간층들이 예상될 수 있다. 코팅 깊이의 함수로서 재료 조성에 구배를 포함하는 하나 이상의 층을 갖는 것도 가능하지만, 단일층이 바람직하며, 특히 AlCrN 단일층이 바람직하다.
블레이드 팁과 비교하여 블레이드 본체 표면을 또 다른 코팅으로 코팅하는 것도 가능한다. 예를 들어 블레이드의 모든 노출 표면을 블레이드 팁에 사용되는 코팅으로 코팅할 수 있는데, 이는 좋기로는 AlCrN 단일층일 수 있다. 그 후, 팁을 마스킹하고, 먼지 입자가 표면을 충돌하도록 보다 연한 박막 재료로 나머지 표면을 코팅하는 것이 가능하다.
터빈 엔진은 케이싱 및 케이싱 내에 회전가능하게 장착된 적어도 하나의 터빈 블레이드를 포함하는 터빈 영역과 함께 개시되고, 여기서 케이싱 내표면의 적어도 일부는 내표면과 적어도 하나의 블레이드 팁 사이의 틈새 제어를 제공하는 마모성 슈라우드로 덮이고, 블레이드의 팁은 경질 PVD 코팅으로 코팅되고, 슈라우드 재료는 적어도 다공성 세라믹계 재료를 포함하고, 좋기로는 다공성 세라믹계 재료인 것을 특징으로 한다.
PVD 코팅은 Me1Me2X과 같은 화합물 재료를 포함하는 코팅일 수 있고, 여기서 Me1은 좋기로는 Ti, Cr 또는 Zr 또는 이들의 조합물로 형성된 군의 원소이고, Me2는 좋기로는 Al 및/또는 Si이고, X는 좋기로는 N, 0 또는 B 또는 이들의 조합물로 형성된 군의 원소이다.
슈라우드 재료는 지르코니아계 폴리에스테르 세라믹 재료를 적어도 포함하고, 좋기로는 지르코니아계 폴리에스테르 세라믹 재료이다.
전술한 바와 같은 터빈 엔진에 따른 터빈 엔진의 제조방법이 개시되고, 이 방법은 다음 단계들을 포함한다:
- 슈라우드 재료를 케이싱 내표면에 열분사하는 단계,
- 케이싱 내에 사용될 블레이드의 적어도 팁을 PVD 코팅하는 단계.
PVD 코팅 단계는 5W/㎠ 이상, 좋기로는 50W/㎠ 이하, 더욱 좋기로는 40W/㎠ 이하, 및 가장 좋기로는 30W/㎠ 이하의 전력 밀도 펄스로 고전력 임펄스 마그네트론 스퍼터링에 의해 수행될 수 있다.
전력은 DC 발전기에 의해 제공될 수 있고, 펄스는 하나의 재료 전달 스퍼터링 타겟으로부터 또 다른 타겟 및/또는 더미 타겟으로 전력을 스위칭함으로써 실현된다.
놀랍게도, 고전력 임펄스 마그네트론 스퍼터링에 의해 제조된 PVD 코팅(95)은 팁(9) 상에서 측정된 평균 코팅 두께(t)의 약 10%의 최대 편차를 갖는 균일한 코팅 두께 분포를 나타낸다. 코팅 두께 및 특성의 높은 균일성은 도 2에 도시한 바와 같이, 터빈 블레이드 둘레뿐만 아니라, 터빈 블레이드의 블레이드 팁(9)과 맨틀 표면(91) 사이의 코팅된 코너를 따라서도 적용된다. 본질적으로 액적이 없는 코팅은 작동 중에 코팅 실패의 가능성을 감소시키는 극도로 조밀한 구조를 나타낸다. 이러한 특징은 이들의 공극 부피와 거의 관계없이, 금속 또는 세라믹 슈라우드 재료에 대항하여 PVD 코팅의 높은 내구성의 원인으로 추정된다.
본 발명의 PVD 코팅의 여러 변형, 예컨대 Ti50Al50N, Ti40Al60N, Ti33Al67N, 및 Al50Cr50N, Al60Cr40N 및 Al70Cr30N은 증착되어 유사하게 우수한 코팅 두께 분포를 달성한다. Me1Me2X에서 Me2/(Me1+Me2)을 계산하여 코팅의 금속 성분에 대해서만 고려할 때, PVD 코팅(95)이 40 내지 70 원자%(at.%)의 Me2 함량을 나타내면, 최상의 성능 결과가 달성되었다.
본 발명의 PVD 코팅은 박막으로, 예를 들어 1-40 마이크론, 좋기로는 5-25 마이크론 두께로 증착될 수 있다.

Claims (10)

  1. 케이싱 및 케이싱 내에 회전가능하게 장착된 적어도 하나의 터빈 블레이드를 포함하는, 적어도 하나의 고압 및 적어도 하나의 저압 터빈 영역을 갖는 터빈 엔진으로서, 케이싱의 내표면의 적어도 일부는 내표면과 적어도 하나의 블레이드의 팁 사이의 틈새 제어를 제공하는 마모성 슈라우드(shroud)로 덮이고, 블레이드의 팁은 경질 PVD 코팅으로 피복되는 터빈 엔진에 있어서,
    적어도 고압 및/또는 저압 영역의 슈라우드 재료는 다공성 세라믹계 재료를 포함하고, 상기 마모성 슈라우드는 CoNiCrAlY-hBN, NiCrAl-벤토나이트, NiCrAl-hBN 또는 NiCrFeAl-hBN으로 제조되고, 블레이드 팁 상의 경질 PVD 코팅은 Me1Me2X를 포함하는 액적-없는 질화물 PVD 코팅으로 구성되되, Me1은 Ti, Cr 또는 Zr 또는 이들의 조합으로 형성된 그룹의 원소이고, Me2는 Al 및/또는 Si이고, X는 N 또는 N 및 0 또는 N 및 B 또는 N 및 O 및 B로 형성된 그룹의 원소인 것을 특징으로 하는 터빈 엔진.
  2. 제1항에 있어서, 액적-없는 PVD 코팅은 복합 재료 Me1Me2X로 구성되고, 여기서, Me2는 Al 및/또는 Si이고, Me2는 Me2/(Me1+Me2)을 계산할 경우 40 내지 70 원자%의 범위인 것을 특징으로 하는 터빈 엔진.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 블레이드는 티타늄 합금, 스테인리스강 및/또는 니켈 합금으로 구성되는 것을 특징으로 하는 터빈 엔진.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 경질 질화물 PVD 코팅의 고유 코팅 경도는 1000 내지 3500 HV이고, 경질 질화물 PVD 코팅의 두께는 1 내지 40 마이크론인 것을 특징으로 하는 터빈 엔진.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 경질 질화물 PVD 코팅은 TiAlN 또는 AlCrN인 것을 특징으로 하는 터빈 엔진.
  6. 제1항 또는 제2항에 따른 터빈 엔진을 제조하는 방법으로서,
    - 케이싱의 내표면에 슈라우드 재료를 열 분사하는 단계로, 케이싱의 내표면의 적어도 일부는 내표면과 적어도 하나의 블레이드의 팁 사이의 틈새 제어를 제공하는 마모성 슈라우드로 덮이고, 마모성 슈라우드는 CoNiCrAlY-hBN, NiCrAl-벤토나이트, NiCrAl-hBN 또는 NiCrFeAl-hBN으로 제조되는, 열 분사 단계,
    - 적어도 케이싱 내에 사용되는 블레이드의 팁을 PVD 코팅하는 단계로, 블레이드 팁 상의 경질 PVD 코팅은 Me1Me2X를 포함하는 액적-없는 질화물 PVD 코팅으로 구성되되, Me1은 Ti, Cr 또는 Zr 또는 이들의 조합으로 형성된 그룹의 원소이고, Me2는 Al 및/또는 Si이고, X는 N 또는 N 및 0 또는 N 및 B 또는 N 및 O 및 B로 형성된 그릅의 원소인, PVD 코팅를 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 엔진 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    - 블레이드의 팁을 마스킹하는 단계, 및
    - 블레이드의 팁 코팅과 다른 코팅으로 블레이드 본체를 PVD 코팅하는 추가 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 엔진 제조 방법.
  8. 제6항에 있어서, PVD 코팅 단계는 5W/㎠ 이상 그리고 50W/㎠ 이하, 또는 40W/㎠ 이하, 또는 30W/㎠ 이하의 전력 밀도 펄스로 고전력 임펄스 마그네트론 스퍼터링에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 터빈 엔진 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서, 전력은 DC 발전기에 의해 제공되고, 펄스는, 하나의 재료 전달 스퍼터링 타겟으로부터 또 다른 타겟 및/또는 더미 타겟으로 전력을 스위칭함으로써 실현되는 것을 특징으로 하는 터빈 엔진 제조 방법.
  10. 제8항에 있어서, PVD 코팅은 스퍼터링을 기반으로 하고, 스퍼터링 공정이 실행되는 에너지 밀도는 종래의 스퍼터링에 비해 극적으로 증가되는 것을 특징으로 하는 터빈 엔진 제조 방법.
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