KR20000016211A - 초합금으로 이루어진 베이스 구조물 및 오버레이 시스템을포함하는 생성물 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초합금으로 구성된 베이스 구조물 및 침식성 고온 가스에 대해 베이스 구조물을 보호하기 위한 오버레이 시스템을 포함하는 생성물에 관한 것이다. 상기 시스템은 가스에 노출될 수 있는 외부 표면을 가진 세라믹 열절연층을 가지며 부가적으로, 베이스 구조물상에 놓이고 하기와 같은 화학적 원소의 조성(질량부)을 갖는 중간층을 포함한다: 레늄 35-60%, 알루미늄 10-20%, 갈륨 0-10%, 규소, 하프늄 및 이트늄과 같은 각각의 활성 원소 0-2%, 제조 과정에 따른 불순물 및 크롬 및 나머지. 상기 중간층은 본 발명에 따라 플라즈마 스프레이 또는 기상 증착에 의해 형성된다.

Description

초합금으로 이루어진 베이스 구조물 및 오버레이 시스템을 포함하는 생성물 및 그 제조 방법

전술한 바와 같은 생성물은 미국 특허 제 4,321,310호, 제 4,321,311호, 4,055,075 및 5,262,245호에 공지되어 있다. 상기 특허에 공지된 생성물은 대응하는 생성물의 기본 형상에 대한 여러가지 실시예로서 고려될 수 있다. 모든 경우, 생성물은 초합금으로 이루어진 기본 구조물 및 세라믹 열절연층으로 형성된 외부 표면을 포함한다. 세라믹 열절연층과 기본 구조물 사이에는 대개 금속 접착층이 배치된다. 접착층은 MCrAlY의 조성을 갖는다. 즉, 철, 코발트 및/또는 니켈을 기본으로 함유하고(이것이 "M"으로 표시됨), 크롬, 알루미늄 및 이트륨 또는 이트륨과 동등한 스칸듐과 같은 원소 또는 희토류 원소를 중요한 부가 성분으로 함유하는 합금의 조성을 갖는다. MCrAlY의 조성은 당업자에게 일반적으로 공지되어 있다; 상기 조성이 부가의 원소를 첨가함으로써 개발될 수 있다는 것도 일반적으로 공지되어 있다. 상기 부가 원소로는 규소, 하프늄, 탄탈, 티타늄, 백금 및 레늄이 있다. 접착층에 대한 공지된 대안적 조성은 니켈 및 알루미늄 또는 백금 및 알루미늄으로 이루어진 금속간 화합물이다.

국제 공개 제 89/07159 A1호, 유럽 특허 제 0 486 489 B1호 및 유럽 특허 공개 제 0 412 397 A1호에는 초합금으로 이루어진 기본 구조물을 침식성 고온 가스로부터 보호하기 위한 오버레이 시스템이 공지되어 있다. 상기 오버레이 시스템은 먼저 순수한 금속이며 MCrAlY의 함금으로 이루어진 층을 포함한다. 레늄을 부가로 함유하는 것을 특징으로 하는 MCrAlY의 합금에 대한 매우 바람직한 조성도 공지되어 있다.

스위스 특허 제 CH 660 200 A5호에는 초합금 또는 고용융 금속으로 이루어진 부품상에 고온-부식 방지층을 제공하기 위한 방법이 공지되어 있다. 상기 부품은 터빈 블레이드이며, 고온 부식 방지 층은 금속 합금, 특히 철-코발트 기본 합금 또는 니켈 기본 합금으로 이루어진다. 특히 니켈 기본-초합금으로 이루어진 금속 기본 구조물상에는 보호 산화물을 형성하는 원소에 대한 확산 차단 수단으로 사용되는, 백금 금속 또는 레늄으로 이루어진 관련 중간층이 제공된다. 상기 중간층상에 금속 고온-부식 방지 층이 제공된다. 중간층은 5μm 내지 100μm의 두께를 갖는다.

오버레이 시스템내에 레늄을 사용하는 것에 대한 것은 N. Czech, F. Schmitz 및 W. Stamm의 논문 "Thermal Mechanical Fatigue Behaviour of Advanced Overlay Coating", Material and Manufacturing Processes10, 5 (1995) 1021에 공지되어 있다. 상기 논문에는 상응하는 방지층에서 레늄의 작용이 제시된다.

전술한 간행물에 설명된 레늄이 첨가된 MCrAlY의 방지층은 세라믹 열절연층에 대한 접착층으로도 사용된다. 이것과 관련해서, 레늄이 접착층의 산화를 늦춘다는 것이 매우 중요하다. 이로 인해, 접착층의 성분, 특히 알루미늄으로 접착층과 세라믹 열절연층 사이에 형성되어 두께의 증가에 따라 기계적 불안정을 야기시키는 산화물층이 비교적 적게 성장된다; 기계적 불안정의 예로서 특히 세라믹 열절연층이 떨어져 나가고, 결국 전체 오버레이 시스템이 고장날 수 있다.

금속 접착층과 세라믹 열절연층 사이의 산화물층의 성장 속도가 수명을 결정하는 팩터이기 때문에, 접착층에 낮은 산화율을 가진 합금이 바람직하다. 따라서, 전술한 바와 같이 레늄을 함유하는 합금이 바람직하다. 세라믹 열절연층의 화학적 조성 및 접착층에 대한 접착 구조 및 방식도 개발 대상이다. 최근에는 특히 이트륨산화물로 부분적으로 또는 완전히 안정화된 지르코늄산화물로 이루어진 열절연층이 사용된다. 상기 열절연층은 분위기 플라즈마 스프레이에 의해 제조되고, 상기 분위기 플라즈마 스프레이에서는 열절연층의 중요한 특성이 일정 다공성 및 층형태 내지 마이크로 세그멘트화된 구조의 세팅 및 다공성 접착층에 대한 주로 기계적 고착에 의해 세팅된다. 대안으로서 열절연층이 기상 증착 방법에 의해 제조되며, 상기 기상 증착 과정에서는 열절연층이 팽창 허용하는 방사 결정구조 및 상응하게 매끄럽게 제공될 접착층에 대한 주로 화학적인 결합을 갖는다. 접착층에 대한 열절연층의 화학적 결합은 상기 열절연층들 사이에 형성되는 얇은 산화물층에 의해 이루어진다. 산화물층은 경우에 따라서 상응하게 형성된 중간 화합물을 통해 열절연층 뿐만 아니라 접착층과도 견고히 결합된다.

오버레이 시스템은 일반적으로 접착층의 산화 이외에 열절연층에서의 균열을 발생시킬 수 있는 열-기계 교번 부하가 발생함으로써 고장이 난다. 상기 열-기계 교변 부하는 스프레이된 열절연층의 경우에는 결국 세라믹과 금속 사이 경계선 위가 떨어져 나가게 하고 기상 증착된 분리된 절연층의 경우에는 고유 절연층과 접착층 사이에 형성된 산화물층이 떨어지게 한다. 열절연층이 떨어져 나가는 것과 관련해서는 접착층 표면에서의 온도 상승이 발생하고 상기 온도 상승은 접착층의 급속한 산화를 야기시키고 이로 인해 결과적으로 접착층의 급속한 분해을 야기시킨다.

MCrA1Y 타입의 접착층에 레늄을 첨가하는 것이 많은 장점이 있다는 것은 이미 설명되었다. 그러나, 상기 방식의 접착층에 레늄을 첨가하는 것은 제한된 범위로만 가능하다. 왜냐 하면 레늄의 첨가가 어느 정도의 취약성을 야기시킬 수 있기 때문이다. 이 점은 인용한 논문에서도 다루어진다.

본 발명은 초합금으로 이루어진 베이스 구조물 및 침식성 고온 가스로부터 기본 구조물을 보호하기 위한 오버레이 시스템을 포함하며, 상기 오버레이 시스템은 가스에 노출될 수 있는 외부 표면을 가진 세라믹 열 절연층을 포함하는, 생성물에 관한 것이다.

본 발명은 가스 터빈용 부품, 특히 작동 블레이드, 가이드 블레이드 또는 열막이로서, 즉 일반적으로 가스 터빈의 정상 동작 동안 산화 및 부식 작용을 일으킬 수 있는 고온 연도 가스에 노출되는 부품으로서 형성된 그러한 생성물에 관한 것이다.

특히, 연도 가스가 1400℃까지의 평균 온도를 가질 수 있고 전술한 부품이 냉각의 제공에도 불구하고 1000℃ 이상 까지의 온도에 노출되는 것이 고려되어야 하는 고정 가스 터빈용 생성물에 관한 것이다.

본 발명의 목적은 레늄의 사용에 의해 생기는 장점을 대안적인 방식으로 최대한 활용하는, 도입부에 제시된 방식의 생성물을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해 초합금으로 이루어진 베이스 구조물 및 침식성 고온 가스로부터 기본 구조물을 보호하기 위한 오버레이 시스템을 포함하며, 상기 오버레이 시스템이 가스에 노출될 수 있는 외부 표면을 가진 세라믹 열절연층을 포함하는 생성물에 있어서, 상기 열절연층이 중간층 상에 놓이며, 상기 중간층은 베이스 구조물 상에 놓이고 하기와 같은 화학 원소의 조성(질량부)을 갖는 것을 특징으로 하는 생성물이 제공된다:

레늄 35% 내지 60%;

알루미늄 10% 내지 20%;

갈륨 0% 내지 10%;

규소 0% 내지 2%;

하프늄 0% 내지 2%;

이트륨, 스칸듐 및 희토류 원소를 포함하는 그룹으로부터 선택된 하나의 활성 원소:

0% 내지 2%;

제조 과정에 따른 불순물 및 크롬: 나머지

본 발명에 따라 오버레이 시스템에 필요한 레늄의 양을 적어도 상당량으로 함유하는 특별한 중간층이 제공된다. 상기 중간층의 제공에 의해 레늄은 산화 방지제로서의 그 기능이 매우 중요한 장소에, 즉 세라믹 열절연층과 베이스 구조물 또는 그 위에 위치한 금속 접착층 사이의 경계면에 제공된다. 상기 중간층이 상응하게 얇게 제공될 수 있기 때문에 그 기계적 특성 특히, 상기 중간층이 연성인지 또는 연성이 아닌지의 문제가 부차적으로 다루어진다. 중간층은 비교적 많은 알루미늄을 함유하며, 경우에 따라서 갈륨 및/또는 규소도 역시 많이 함유하므로 오버레이 시스템의 금속부분과 세라믹 열절연층 사이의 산화물층 형성을 위한 출발 원소를 제공한다. 접착층의 재료에는 바람직하게는 하프늄, 이트륨 또는 이와 동등한, 스칸듐 및 희토류 원소와 같은 활성 성분이 첨가된다. 왜냐 하면 상기 성분들이 전술한 중간층에 대한 산화물층의 고정을 위해 필요한 도움을 주기 때문이다.

통상의 종류 및 통상의 양의 제조 과정에 따른 불순물의 존재가 항상 고려되어야 한다; 중간층용 합금 제조를 위한 통상의 지식이 고려되어야 한다.

중간층의 바람직한 조성은 하기와 같다(질량부).

레늄 47%;

알루미늄 15%;

이트륨 0.5%;

제조 과정에 따른 불순물 및 크롬: 나머지.

본 생성물의 중간층은 바람직하게는 MCrA1Y타입의 합금으로 형성된 금속 접착층 상에 위치하며, 여기서 M은 합금의 기본으로 철, 코발트 및 니켈을 포함하는 그룹의 적어도 하나의 금속이다. 상기 합금은 또한 부가로 바람직하게는 1% 내지 15% 레늄을 함유하는 것이 바람직하다.

중간층은 바람직하게는 10μm보다 얇은 특히, 약 5μm의 두께를 갖는다. 그렇게 함으로써 중간층의 기계적 특성 특히, 메짐성이 전체의 오버레이 시스템에 불리하게 작용하지 않는 것이 보장된다.

본 생성물에서 베이스 구조물을 형성하는 초합금은 바람직하게는 니켈 기본 또는 코발트 기본 초합금이며, 이에 대한 예로는 일반적으로 공지된 니켈 기본 초합금 IN738LC 및 코발트 기본 초합금 MAR-M-509가 있다.

본 생성물의 중간층은 바람직하게는 금속 매트릭스에서 레늄 및 크롬의 금속간 화합물로 구성된 상의 분산 형태이다. 상기 금속간 화합물은 특히 Cr₃Re의 대략적인 조성을 갖고, 특히 대체로 일치하는 중량부의 크롬 및 레늄이 존재해야 한다. 알루미늄 및 다른 성분들의 상당량이 주로 금속 매트릭스에 주어지고, 이 매트릭스로 부터 중간층과 열절연층 사이의 산화물층의 형성을 위해 이용된다.

본 생성물의 열절연층은 바람직하게는 적어도 부분적으로 안정화된, 특히 이트륨 산화물의 첨가에 의해 안정화된 지르코늄 산화물로 이루어진다. 지르코늄 산화물은 그것의 중요한 기계적 특성이 사용되는 금속 및 합금의 상응하는 특성과 비교적 유사한 것을 특징으로 한다. 지르코늄 산화물의 안정화는 상응하는 열 부하 하에 의해 순수 지르코늄에 세팅될 수 있는 것과 같은, 지르코늄 산화물 구조에서 상 전달을 막거나 적어도 지연시키는 작용을 한다.

본 생성물은 바람직하게는 가스 터빈용 부품, 특히 작동 블레이드, 가이드 블레이드 또는 열막이로서 형성된다. 이와 관련하여 본 생성물은 가스 터빈에 사용하기에 적합하다. 이는 특히 본 생성물이 고정 가스 터빈에서 통상적으로 형성되는 것과 같은 산화성 및 부식성 연도 가스에 의한 부하 및 1000℃ 이상까지의 온도를 견딜 수 있기 때문이다.

방법에 관련한 상기 목적은 초합금으로 구성된 베이스 구조물 및 침식성의 고온 가스에 대해 상기 베이스 구조물을 보호하기 위한 오버레이 시스템을 가진 생성물을 제조하기 위한 방법에 있어서, 상기 오버레이 시스템의 형성을 위해 중간층이 베이스 구조물상에 제공되며 상기 중간층상에 세라믹 열절연층이 제공되고, 중간층은 화학적 원소의 하기 조성을 가지며 플라즈마 스프레이 특히, 진공-플라즈마 스프레이 또는 기상 증착에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 제조 방법이 제공된다:

레늄 35% 내지 60%;

알루미늄 10% 내지 20%;

갈륨 0% 내지 10%;

규소 0% 내지 2%;

하프늄 0% 내지 2%;

이트늄, 스칸듐 및 희토류 원소를 포함하는 그룹으로부터 선택된 하나의 활성 원소:

0% 내지 2%;

제조 과정에 따른 불순물 및 크롬: 나머지.

모든 경우에 바람직하게는 먼저 베이스 구조물상에 금속 접착층이 제공된 다음, 접착층상에 중간층이 형성된다.

본 발명에 따른 특히 바람직한 두 실시예는 다음에 설명된다.

1.

초합금 IN738LC로 이루어진 베이스 구조물을 가진 가스 터빈 부품 특히, 작동 블레이드, 가이드 블레이드 또는 열막이에 인용한 N. Czech, F. Schmitz 및 W. Stamm의 논문에 나타나며 니켈을 기본으로 하는 합금에 특히 일정량의 레늄을 필요로 하는 금속 접착층이 제공된다. 상기 접착층은 진공-플라즈마 스프레이에 의해 도포되며 글라스 펄 등의 분사에 의해 응축된다. 다른 표면 처리 특히, 매끄럽게 하는 과정은 필요없다.

상기 접착층상에는 하기와 같은 조성의 중간층이 제공된다(질량부):

레늄 47%;

알루미늄 15%;

이트륨 0.5%;

제조 과정에 따른 불순물 및 크롬: 나머지.

상기 중간층도 진공-플라즈마 스프레이에 의해 도포되며 약 5μm 까지의 두께를 갖는다.

이어서 상기 중간층상에는 분위기 플라즈마 스프레이에 의해 부분 안정화된 지르코늄 산화물로 이루어진 세라믹 열절연층이 도포된다. 중간층 및 접착층에 대한 세라믹 열절연층의 고정은 일부는 전술한 방식의 화학적 결합에 의해, 일부는 제조 과정에 따라 남은 중간층의 표면 구조물에 대한 기계적 결합에 의해 이루어진다.

2.

코발트 기본 초합금 MAR-M-509로 이루어진 베이스 구조물을 갖는 가스 터빈 부품상에 전술한 실시예의 접착층에 상응하는 접착층이 도포되며 도포 및 분사 후에 폴리싱된다.

이렇게 준비된 접착층상에는 중간층이 전술한 실시예에서와 같이 도포되며 상기 중간층상에 전자 빔에 의한 물리적 기상 증착(EB-PVD)에 의해 부분 안정화된 지르코늄 산화물로 이루어진 열절연층이 도포된다. 열절연층의 제공 전 또는 그 동안에 알맞는 조건의 세팅에 의해, 화학적 결합에 의해 열절연층이 접착되는 산화물층이 중간층상에 형성될 수 있다. 상기 열절연층은 방사 결정 구조를 가지며 따라서 열 팽창에 대해 허용 범위가 넓다. 왜냐 하면 열절연층의 방사 형태 미세 결정이 베이스 구조물로 구성된 금속 구조물 및 오버레이 시스템의 금속 부분의 팽창시 비교적 자유로이 움직일 수 있기 때문이다. 기능을 고려할 때 상기 오버레이 시스템이 제 1 실시예의 오버레이 시스템보다 바람직하다; 그러나 상기 시스템은 복잡한 제조 때문에 매우 비싸므로 실제 작동에 있어 각각의 개별 경우의 조건에 따라 각각의 사용될 층 시스템의 부하능력과 가격의 타협점이 있을 수 있다.

전술한 실시예의 모든 경우에 중간층은 2 상으로 형성된다; 상기 중간층은 금속 매트릭스에서 레늄 및 크롬의 금속간 화합물으로 이루어진 상의 분산 형태로 존재한다. 상기 금속간 화합물은 Cr₃Re의 대략적인 조성을 가지며 금속 매트릭스는 레늄 및 크롬 이외에도 나머지 화학적 조성물을 함유한다. 금속 매트릭스에서는 알루미늄이 경우에 따라서는 갈륨 및 규소가 중간층과 열절연층 사이의 산화물 형성을 위해 사용된다.

상기 중간층은 그것의 중요한 기계적 특성에 무관하게 전체 오버레이 시스템의 특성을 근본적으로 손상시키지는 않는다. 왜냐 하면 중간층이 매우 얇고 높은 레늄 함량 때문에 성분들의 융합이 상당 부분 허용되지 않기 때문이다. 이에 따라 중간층은 문제 없이 금속 접착층과 세라믹 열절연층 사이에 삽입된다. 중간층은 모두, 산화 및 부식과 관련하여 레늄이 접착층으로 합금되어 접착층의 특성이 손상되는 것 없이 화학 성분 레늄이 기여할 수 있는 특성들을 제공한다.

이로 인해 본 발명은 1000℃ 또는 그 이상의 온도를 가진 침식성 고온 가스에 대해 베이스 구조물 특히 가스 터빈 부품의 베이스 구조물을 보호하기 위해 높은 효율의 층 시스템을 제공한다.

Claims (11)

1. 초합금으로 이루어진 베이스 구조물 및 침식성 고온 가스에 대해 베이스 구조물을 보호하기 위한 오버레이 시스템을 포함하며, 상기 오버레이 시스템은 가스에 노출될 수 있는 외부 표면을 가진 세라믹 열절연층을 포함하는, 생성물에 있어서, 상기 열절연층이 중간층상에 놓이며, 상기 중간층은 베이스 구조물상에 놓이고 하기와 같은 화학 원소의 조성(질량부)을 갖는 것을 특징으로 하는 생성물:

   레늄 35% 내지 60%;

   알루미늄 10% 내지 20%;

   갈륨 0% 내지 10%;

   규소 0% 내지 2%;

   하프늄 0% 내지 2%;

   이트륨, 스칸듐 및 희토류 원소를 포함하는 그룹으로부터 선택된 하나의 활성 원소:

   0% 내지 2%;

   제조 과정에 따른 불순물 및 크롬: 나머지.
2. 제 1항에 있어서, 중간층이 하기와 같은 조성(질량부)을 갖는 것을 특징으로 하는 생성물:

   레늄 47%;

   알루미늄 15%;

   이트륨 0.5%;

   제조 과정에 따른 불순물 및 크롬: 나머지.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 중간층이 금속 접착층상에 놓이고, 상기 접착층이 MCrA1Y 타입의 합금으로 구성되며, 여기서 M은 합금의 기본으로서 철, 코발트 및 니켈을 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속인 것을 특징으로 하는 생성물.
4. 제 3항에 있어서, 접착층의 합금이 부가로 1% 내지 15%(질량부)의 레늄을 함유하는 것을 특징으로 하는 생성물.
5. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 중간층이 10μm 미만 특히, 약 5μm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 생성물.
6. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 초합금이 니켈 기본 또는 코발트 기본 초합금인 것을 특징으로 하는 생성물.
7. 상기 항 중 어는 한 항에 있어서, 중간층은 금속 매트릭스에서 레늄 및 크롬의 금속간의 혼합물로 구성된 상의 분산 형태인 것을 특징으로 하는 생성물.
8. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 열절연층이 적어도 부분적으로 안정화된, 특히 이트륨의 첨가로 인해 안정화된 지르코늄으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 생성물.
9. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 생성물이 가스 터빈용 부품 특히, 작동 블레이드, 유도 블레이드 또는 열막이인 것을 특징으로 하는 생성물.
10. 초합금으로 구성된 베이스 구조물 및 침식성 고온 가스에 대해 베이스 구조물을 보호하기 위한 오버레이 시스템을 포함하며, 상기 오버레이 시스템의 형성을 위해 중간층이 베이스 구조물상에 제공되며 중간층 상에는 세라믹 열절연층이 제공되고, 중간층이 하기와 같은 화학적 원소의 조성(질량부)을 가지며 플라즈마 스프레이 특히, 진공-플라즈마 스프레이 또는 기상 증착에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 제조 방법:

    레늄 35% 내지 60%;

    알루미늄 10% 내지 20%;

    갈륨 0% 내지 10%;

    규소 0% 내지 2%;

    하프늄 0% 내지 2%;

    이트륨, 스칸듐 및 희토류 원소를 포함하는 그룹으로부터 선택된 하나의 활성 원소:

    0% 내지 2%;

    제조 과정에 따른 불순물 및 크롬: 나머지.
11. 제 10항에 있어서, 먼저 금속 접착층이 베이스 구조물상에 제공된 다음, 중간층이 접착층 상에 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.