KR20000048547A - 단열층을 제조하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

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토마스 융
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칼 하인쯔 호르닝어
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Abstract

본 발명은 기부(2)와 그 위에 배열된 세라믹 단열층(3)으로 이루어진 부품에 관한 것이다. 이 단열층(3)은 실질적으로 주로 기부(2)의 표면(6)에 수직으로 정렬되고, 각 스템 지름이 2.5㎛ 이하인 세라믹 스템(5)을 가진 스템 구조(4)로 되어 있다. 본 발명은 또한 반응을 일으키는 액체 가스 스퍼터링 공정 방법에 따른 기부(2)의 피복 가공 방법 및 기부(2)상에 단열층(3)을 제조하기 위한 피복 가공 장치에 관한 것이다.

Description

단열층을 제조하기 위한 방법 및 장치 {METHOD AND DEVICE TO PRODUCE A HEAT INSULATING LAYER}
US-PS 제 5,238,752호에서는 금속간의 점착 중간 피복을 가진 단열층 시스템이 공지되어 있다. 이 단열층 시스템은 금속 기부상에, 특히 항공기 날개용 Cr-Co-강을 형성한다. 기부를 위한 또 다른 재료로서 코발트 기재 합금 또는 니켈 기재 합금이 주어진다. 상기 금속 기부의 바로 위에는 특히 니켈 알루미늄산염 또는 백금 알루미늄산염으로 된 금속간 점착 중간층이 제공된다. 상기 점착 중간층에는 알루미늄 산화물로 된 얇은 세라믹층이 연결되고, 그 위에는 특히 이트륨 산화물에 의해 안정된 지르콘 산화물로 된 본래의 단열층이 덮여 있다. 지르콘 산화물로 된 이 세라믹 단열층은 막대 모양의 구조를 갖고 있고, 이 막대 모양의 스템은 실질적으로 기부의 표면에 수직으로 정렬된다. 이럼으로써, 순환되는 허용 열전도의 개선이 보장된다. 단열층은 전자빔-PVD(Physical Vapour Deposition)-방법에 의해서 기부상에서 분리되고, 이 때 금속 산화 물질로 된 전자빔 카농포에 의해 지르콘 산화물과 이트륨산화물이 증발된다. 이 방법은 기부가 약 950 ℃ 내지 1000 ℃의 온도로 미리 가열되는 장치에서 실행된다. 기부는 피복 가공 과정 동안 금속 산화물로 된 광선 속에서 회전된다. 막대 모양의 입자 구조 및 그의 특성은 US-PS 제 5,238,752호에 개시되어 있지 않았다. 산소권에서 기부상의 지르콘 산화물의 분리가 일어나고, 막대 모양의 입자 구조를 가진 세라믹 피복을 제조하기 위한 전자빔 PVD 방법은 또한 US-PS 제 5,087,477호 및 US-PS 제 5,262,245호에 개시되어 있다.
가스 터빈 날개에 대한 단열층 시스템의 형성을 위한 또다른 방법 및 실시예는 US-PS 제 4,405,659호 및 US-PS 제 5,514,482호에 개시되어 있다. UP-PS 제 4,405,659호에 따르면, 전자빔 PVD 방법에 의해서 약 125 ㎛의 층 두께를 제공하고 스템 모양의 구조인 이트륨 산화물에 의해 안정된 지르콘 산화물로 된 단열층의 형성이 가능해진다. 스템의 평균적인 횡단면 치수는 규정 치수 6.5 ㎛2이다.
US-PS 제 4,321,310호 및 US-PS 제 4,321,311호에서는 지르콘 산화물과 MCrAlY 종류의 합금으로 된 금속 기부 사이에 점착 중간층을 갖는 절연층 시스템이 개시되어 있다. 여기에서 "M"은 코발트, 니켈 또는 철 중에서 하나의 금속을 의미하고, "Cr"은 크롬을, "Al"은 알루미늄을, "Y"는 이트륨을 의미한다. 지르콘 산화물로 된 단열층을 제조하기 위한 가능한 방법으로서 PVD(Physical Vapor Deposition)-방법이 제공된다.
마찬가지로 WO 제 93/18199 Al호에서는 초합금으로 된, 그리고 단열층과 점착층이 있는 결합 시스템으로 되어 있는 금속 부품, 특히 가스 터빈 날개인 금속 부품의 피복 가공이 개시되어 있다. 이 경우, 단열층의 형성은 바람직하게는 전자빔 PVD 방법으로 행해지고, 아크를 통한 분리 및 스퍼터링링과 같은 다른 PVD-방법도 적합할 수 있다.
머테리얼 싸이언스 앤드 엔지니어링, A, 140, 191, 528 페이지 내지 533 페이지에, 테. 융(T. Jung)과 아. 베스트팔(A. Westphal)의 "반응 유동 가스 스퍼터링링에 의한 실리콘상의 지르코니아 박막 침전: 저에너지 미립자 충격의 영향"이라는 논문에는 반도체 기반의 지지체, 특히 규소 기반의 지지체에 대한 지르코늄 산화물층을 형성하기 위한, 소위 반응 가스류 스퍼터링링 방법이 기술되어 있다. 이 방법은 지르코늄 산화물의 무결정질의 성장을 초래하는 지르코늄 산화물의 냉각 분리에 관한 것이다. 이 무결정질의 분리는 정확히 지지체 온도 800 ℃ 이하에서 이루어지고, 지지체의 점차적인 가열은 지지체 캐리어에 대해 직접적으로 손상을 일으킨다. 이 경우에 가열은 최대 약 800 ℃의 온도까지 이루어질 수 있고, 그 결과 발생할 수 있는 열손실을 고려하여 지지체 자체의 가열은 400 ℃ 이상이다.
이 논문에 대해서는 DD 제 294 511 A5호에 개시된 "반응을 일으키는 가스류 스퍼터링링에 대한 방법과 장치"가 대응된다. 상기 간행물에 개시된 방법에 따르면, 불활성 가스, 특히 아르곤은 중공 음극에 의해 안내되고, 그 내부에 양극이 배열된다. 그 결과, 아르곤 원자의 이온화가 이루어진다. 이와 같은 이온화는 음극에서 발생하여, 음극 물질이 중공 음극의 내부공간에 다다르고, 이러한 음극으로부터 불활성 가스 기류가 함께 나오게 된다. 음극 물질로서는 중공 음극 밖에서 산소를 공급받는 순수한 금속이 사용된다. 그 결과 금속, 특히 지르코늄의 완전한 산화가 이루어진다. 이 때, 공급되는 산소의 부분 압력은 크기상에서 10-4Pa 이다. 피복 가공이 가능한 반도체 주변의 전체 다이내믹 압력은 약 13Pa 내지 24Pa에 달한다. 분리율은 지지체가 약 400 ℃의 온도를 나타낼 때 약 15nm/s에 달한다. 중공 음극은 순수도가 99.7 %인 지르코늄으로 된 원통형의 관으로 이루어졌다.
큰 피복 가공면과 피복 가공율의 달성을 위한 중공 음극의 양자 택일적인 형성은 융과 베스트팔의 표면 및 코팅 기술, 59, 1993, 171페이지 내지 176 페이지까지(이 내용에는 DE 제 42 35 935 Al호가 대응한다)의 "반응 유동 가스 스퍼터링링에 의한 알루미나 필름의 급속한 침전"의 논문에 개시되어 있다. 소정의 중공 음극은 하우징에서 지르코늄으로 된 플레이트가 나란히 배열되게 선형으로 형성된다. 각각 인접한 2개의 플레이트 사이로 불활성 가스 기류가 통과한다. 그 결과 인접한 플레이트 사이에 불활성 가스 원자로 된 플라즈마가 형성된다. 더욱이, 이 플레이트는 냉각 장치, 특히 냉각 채널을 구비하고 있다. 중공 음극으로 규소와 녹슬지 않는 강 및 유리로 된 시험재가 피복 가공되고 200 ℃까지 알루미늄 산화물의 고체가 테스트되었다. 결정자 크기와 그 방향에 대한 산화물층의 구조 특성에 대한 보고는 두 개의 제시된 논문에는 포함되어 있지 않다.
본 발명은, 기부와 그 위에 배열된 세라믹 단열층을 포함하며, 이 단열층이 실질적으로 주로 기부의 표면에 수직으로 정렬되는 세라믹 스템을 갖는 스템 구조를 갖도록 구성된 부품, 특히 가스 터빈 날개에 관한 것이다. 본 발명은 또한 진공하에서 기부를 단열층으로 피복 가공하기 위한 방법 및 기부상에 단열층, 특히 단열층 시스템을 제조하기 위한 피복 가공 장치에 관한 것이다.
도 1은 단열층이 있는 피복 가공 장치 내부에 배열된 부품을 도시한 도면.
도 2는 상기 부품의 확대 종단면도.
본 발명의 목적은 심한 열 교환 장애가 일어나는 단열층에 대해서 고도의 내성을 갖는 부품, 특히 가스 터빈 날개를 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 과제는, 상응하는 세라믹 단열층을 구비한 상기 유형의 부품을 제조하기 위한 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
부품과 관련된 목적은, 세라믹 스템을 가진 스템 구조이고, 실질적으로 주로 기부의 표면에 수직으로 정렬되며, 평균 스템 지름이 2.5㎛ 이하인 세라믹 단열층을 부품의 기부상에 제공함으로써 달성된다.
특히, 금속 기부의 열보호는 세라믹 단열층에 의해 보장된다. 공지된 세라믹 구조는 물론 열 장애 순환에 아직도 약하고, 상황에 따라서는 부서지거나 해체되는 경향이 있다. 종래 가능한 지름보다 더 작은 지름의 세라믹 스템을 가진 미세한 구조를 통한 열교환의 필요성에 대해 내성이 확실히 높아졌다. 평균 스템 지름이 2.5㎛ 이하인 특히 0.5㎛ 내지 3.0㎛ 사이인 세라믹 스템을 가진 미세한 구조는 높은 팽창 허용 오차와 기부와 섬세한 스템 구조의 표면에 대해 실질적으로 수직의 정렬을 기초로 하여 높은 순환적 장애 허용 능력을 갖고 있다. 이로써, 특히 금속 기본 재료 및 세라믹 단열층의 열팽창 계수의 차가 우수하게 조정된다. 그런 작은 스템 지름은 높은 온도에 대해 개발된 반응성 가스류 스퍼터링링 방법에 의해 달성될 수 있다.
금속 기부, 특히 니켈 기초 합금이나 열에 심하게 손상된 부품을 제조하는 데 적합한 다른 합금으로 구성된, 금속 기부의 세라믹 단열층의 양호한 결합을 위해, 기부에 금속 점착층이 덮인다. 몇몇 마이크로 미터의 두께에 대해서는 US-PS 제 5,238,752호, US-PS 제 4,321,310호 및 US-PS 제 4,321,311호에 개시되어 있다. 금속 점착층은, 바람직하게는 MCrAlY 종류의 합금으로 이루어져 있으며, 이 경우 M은 철, 코발트 또는 니켈 원소 중에서 하나 이상의 원소를, Cr은 크롬을, Al은 알루미늄을, Y는 이트륨이나 희토류 원소 중에서 하나의 원소를 나타낸다. 점착층으로서는 또한 예를 들어 니켈 알루미늄산염 또는 백금 알루미늄산염으로 된 금속간 화합물이 적합하다.
또한, 특히 기부에 단열층의 수명 연장과 점착에 대한 관점에서, 금속 점착층에 단열층을 화학적으로 결합하는 유리한 점이 있다. 예를 들면, 이것은 알루미늄 산화물(Al2O3)로 된 얇은 층에 의해서 달성된다. 마찬가지로, 중간층으로서 AL-Zr-O 3성분 화합물 또는 Al-O-N 화합물로 된 층이 적합하다. AL-ZR-O 3성분 화합물, 예를 들어 Al2Zr2O7은 특히 지르콘 산화물이 있는 단열층의 결합에 적합하다. 예를 들면 마그네슘 산화물로 된 세라믹 단열층의 경우, 그에 상응하는 다른 스피넬(spinel)이 사용될 수 있다. 또한, 질화 알루미늄으로 된 층 또는 질화 알루미늄과 산화 알루미늄으로 된 화합물층(혼합층)도 적합하다.
바람직하게는, 단열층은 금속 세라믹 물질, 특히 지르콘 산화물(ZrO2)을 포함한다. 이 금속 산화물은 높은 온도에서의 위상 변화를 피하기 위해서 특히 이트륨 산화물과 마찬가지로 안정제와 함께 형성된다. 특히, 지르콘 산화물은 3 중량-% 내지 12 중량-%의 함유량으로, 특히 7 중량-%에 의해 이트륨 산화물로 변환된다.
중간 스템 지름이 2.5㎛ 이하인 섬세한 스템 구조를 가진 세라믹 단열층은 1000 ℃ 이상의 순환적인 온도 장애를 나타내는 가스 터빈 부품의 열보호에 특히 적합하다. 여기에는 가스 터빈 연소실의 내열 방호판의 구성 요소와 마찬가지로, 무엇보다도 가스 터빈 날개가 중요하다. 이것은 항공기 터빈에서와 마찬가지로, 발전소에서의 사용을 위한 정적인 가스 터빈에도 역시 적용된다. 물론 본 발명의 목적에 따른 단열층은 다른 심한 열장애를 나타내는 부품에 대해서도 적합하다.
기부상에 단열층을 제조하기 위한 피복 가공 장치와 관련된 목적은 기부 위치 유지 장치, 불활성 가스에 의해 관류될 수 있는 중공 음극, 음극 물질 및 양극을 포함하며, 유지 장치를 향하는 가스 배출구와, 불활성 가스를 위한 가스 유입구 그리고 기부를 가열하기 위한 별도의 추가 가열 장치를 갖춘 장치에 의해 달성된다.
원형이나 장방형의 횡단면을 지닌 중공 원통형으로 실현되는 중공 음극 장치에서는 음극과 양극 사이에 동일 전압을 인가함으로써 내열 방전이 형성된다. 양극은 예를 들면 막대 모양으로 형성될 수 있고, 음극 내부에 배열되거나 또는 그 외부에서, 특히 하우징으로서 음극을 감싸도록 배열될 수 있다. 음극에서 형성되는 플라즈마에 의해 어떤 경우든 플라즈마와 음극 사이에는 일정한 이온화를 유지할 정도로 큰 전압 강하가 존재한다. 이온화된 불활성 가스 원자는 중공 음극의 음극에 의한 접속 금속면상에 부딪치고, 말하자면 이온 충격을 초래하고, 적어도 금속면의 부분적인 분진을 만든다. 음극 물질은, 바람직하게는 지르콘으로 된 합금으로 구성되고, 음극 물질에서 지르콘 원자나 지르콘 원자 클러스터에 의해 만들어진다. 연속 산화되고 기부에서 분리된 지르콘의 소정 안정화에 부합되게 이트륨과 같은 안정제 금속이 음극 물질에 혼합되거나 추가된다. 따라서, 음극 물질은 이에 대응되게 금속 지르콘과 이트륨의 소정의 면적과 부피 비율을 나타낸다.
지르콘 산화를 위해 그리고 경우에 따라서는 혼합된 이트륨의 산화를 위해, 특히 산소가 그에 상응하는 양으로 유도되는 중공 음극 밖에서 산화제가 상기 장치에 공급된다. 불활성 가스, 특히 아르곤의 가스 기류에 의해 금속 원자 및/또는 금속 클러스터로서 살포되어 존재하는 지르코늄 미립자와 이트륨 미립자는 중공 음극 배열에서 꺼내져 운반된다. 중공 음극 밖에서 이것은 조정된 산소 반응권에서 완전히 산화된다. 산화제 유입에 의한 산소의 공급에 의해서 중공 음극으로의 산소의 침투는 불활성 가스 기류와의 결합속에서 저지되고, 그 결과 음극 물질의 산화도 또한 피할 수 있다. 산화된 금속 미립자는 금속 산화 세라믹 단열층으로서 기부에 침전된다. 산화는 또한 기부의 표면상에 침전된 직후에 일어날 수 있다. 소정 스템 구조의 달성을 위해 피복 가공 장치 내에서 압력과 마찬가지로 온도, 특히 기부의 온도가 그에 상응하게 설정된다. 기부는 가열 장치에 의해서 900 ℃ 이상의, 특히 950 ℃ 내지 약 1050 ℃의 온도까지 가열된다.
고온 가스류 스퍼터링링 방법의 실행을 위한 피복 가공 장치에 의해 불활성 가스(플라즈마원)와 피복 가공이 가능한 부품의 이온화를 위한 작용권이 해제된다. 종래 PVD-방법, 특히 전자빔 PVD 방법에 비해서, 잔류 가스의 압력(진공 압력, 필요한 진공 시스템의 펌프 수준)처럼 잔류된 작용 가스에 대한 반응성 가스(산소)의 비율과 마찬가지로 작용 압력과 같이 단위량의 치역이 주어진다. 피복 가공이 가능한 부품에서의 기압은 잔류 가스 압력의 경우에 방법을 실행하기 위해서 10-3mbar일 수가 있고, 크기 배열에서 잔류 압력의 상한계는 10-2mbar에 위치할 수 있다. 부품(피복 가공 장치의 주챔버)에서의 작동 압력은 크기 배열에서 0.2 mbar와 0.9 mbar 사이에 위치한다. 이온화된 불활성 가스(플라즈마 가스), 예를 들면 아르곤에 대한 반응성 가스(산소)의 비율은 0.01 내지 0.04의 범위에 위치한다.
플라즈마원의 기압권은 실질적으로 부품의 기압을 해제시키고, 부품에 대한 잔류 가스 압력의 크기 배열에서 잔류 가스의 압력을 나타낸다. 따라서 원천의 가스 기류에 의한 부품, 즉 피복 가공 시스템의 주챔버에서 작동 기압이 정해진다. 따라서, 중공 음극에서 주챔버에 대한 과압이 존재한다. 이온화된 불활성 가스(플라즈마 가스)에 대한 잔류 가스 미립자, 특히 산소의 비율은 특히 1% 이하이다. 이로써 피복 가공 원천(중공 음극)의 산화가 부동하는 작동 상태와 같이 되지 않으므로, 직류 작동에서 이온화 원천(중공 음극 배열)이 조작될 수 있다. 그럼으로써 글로우 방전의 발생 및 전호 플라즈마의 생성이 음극 물질의 산화에 의해 피해질 수 있다.
따라서, 공지된 PVD-방법, 특히 전자빔 PVD 방법의 실행을 위한 공지된 장치에 비해서, 단순화되고 저렴한 진공 시스템을 이끌어내는 분명하고 높은 잔류 가스 압력을 가능하게 한다. 공지된 장치에서 스템 모양의 단열층의 달성을 위해 잔류 가스 압력은 10-6에서 10-5mbar의 범위에 위치한다. 작동 압력은 종래 방법의 경우, 기술적으로 이치에 맞는 0.1mbar 보다 작은 상한계를 가진 10-3에서 10-2mbar의 범위에 위치하고, 따라서 반응하는 가스류 스퍼터링링 방법의 경우 가능한 작동 압력하에 분명하게 위치한다. 게다가 잘 알려진 PVD-방법의 경우 계속되는 작용 가스에 대해서 아르곤과 헬륨 등과 같이 반응성 가스(산소)의 높은 비율이 10:1 이거나 더 높은 것이 필요로 된다. 본 발명에 따른 장치와 방법의 경우에는 실질적으로 더 낮은 비율이 필요하고, 그래서 또한 작동 가스와 반응 가스의 유입 장치가 더 단순하고 저렴하게 실행될 수 있다. 더욱이, 잘 알려진 PVD 방법의 경우는 피복 가공 원천이 주챔버에서 결합 해제되지 않기 때문에 보호되지 않고 산화에 노출된다. 따라서, 본 발명에 따른 장치는 고주파 발전기나 실시간으로 조절된 직류 발전기 없이도 실행될 수 있다.
이 경우 가열 장치는 기부의 균일한 가열, 특히 진공 가열이 주어지도록 형성된다. 높은 재료 농도와 큰 부분 체적을 가진 기부 대신에 전체기부를 위해 균일한 시초 온도를 달성시킨다.
피복 가공 장치 내에서의 진공(작용 압력)은 예를 들어 0.5 mbar 경우처럼, 특히 1mbar 이하에, 특히 0.3mbar와 0.9mbar 사이의 범위에 위치한다. 소정의 진공을 설정하기 위해 예를 들어 루트 펌프 실현의 간단한 구성을 제공할 수 있는 진공 펌프 장치가 마련되어 있다. 종래의 전자빔- PVD-방법에 비해서, 고진공의 달성을 위해 분산 펌프와 마찬가지로 회전 이동 예비 펌프가 마련되고, 가스류 스퍼터링링 방법의 진공 펌프 장치가 실질적으로 더 간단하게 실행된다.
부품, 특히 가스 터빈 날개의 최대로 균일한 피복 가공의 달성을 위해, 가스 배출구에 대한 기부의 움직임을 위한 유지 장치가 형성된다. 특히 유지 장치가 회전 기구를 포함하고, 이 기구에 의해 종축 둘레에 부품의 연속되는 회전이 일어난다.
진공하에서 기부를 단열층으로 피복 가공하기 위한 방법과 관련된 목적은 불활성 가스가 실질적으로 산소 없는 대기권에서 이온화됨으로써 달성된다. 이는 예를 들어 불활성 가스가 중공 음극을 통해 실현되고 이 중공음극에서 이온화됨으로써 이루어진다. 불활성 가스에 의해 중공 음극에서 나오고 불활성 가스에 의해 중공 음극의 밖에서 산소에 의해 금속 산화물로 산화된 불활성 가스의 이온화된 원자는 금속 음극 물질로부터 금속 원자 및/또는 금속 클러스터로부터 풀어진다. 마찬가지로, 금속은 기부에서 분리되고, 거기에서 생긴 산소에 의해 산화될 수 있다. 금속 산화물은 소정의 시초 온도와 콘덴서 온도에 대해 분리된 가열장치로 가열된 기부에서 분리된다. 이로써 미세한 스템 모양의, 중앙의 스템 지름이 2.5㎛ 이하인, 특히 0.5㎛ 내지 2.0㎛의 범위에 있는 미세한 구조를 나타내는 금속 산화물로 된 단열층이 기부상에 생긴다. 특히, 바람직하게는 이 단열층은 특히 열 가스에 의해 움직이는 가스 터빈 장치의 경우처럼, 또 터빈 날개와 절연 구성 요소처럼 열역학적 교환 장애에 대해 특히 양호한 내성을 갖는다.
잘 알려진 전자빔 PVD 방법은 음극 물질로서 주금속과 적어도 안정제 금속으로 된 순수 금속이나 합금이 사용된다. 이 때문에 이트륨이 있는 지르콘으로 된 합금이 우선적이고, 이트륨은 그런 양과 분배에서 지르콘에 첨가되고, 이트륨 산화물에 의해 부분적으로 안정된 지르콘 산화물로 된 단열층이 생겨난다. 물론, 예를 들어 마그네슘과 같이, 열에 높은 내성이 있는 금속 산화물로 되게 하는 다른 금속 또한 음극 물질로서 적합하다. 금속 산화물로 된 부재 대신에 금속 음극의 사용은, 예를 들어 잘 알려진 전자빔 PVD 방법에서 사용되는 것처럼, 제조된 단열층이 실질적으로 훨씬 미세한 구조라는 장점이 있다. 더욱이, 음극 물질에서 추출하는 금속의 비산 물질은 완전 반응의 산화 과정에 의해, 전자빔 PVD 방법의 경우 불균일한 다공성 또는 이상 부재 영향과 같이 세라믹 부재에서의 오류에 의해 발생할 수 있는 층 오류의 발생을 피할 수 있다. 게다가 음극 물질은 세라믹 부재에 비해 더 간단하고 높은 순수도로 만든다.
금속 산화물로 된 단열층의 결합은 예를 들어 MCrAlY 종류의 금속 합금으로 된 단열층과 점착층사이의, 균질하게 증가하는 알루미늄 산화물 반응층(중간층)의 형성에 의해 일어난다. 더욱이, 불활성 가스에 의해 관류되는 중공 음극 배열의 사용하에서 반응을 일으키는 가스류 스퍼터링링 방법은 비교적 큰 진공 속에서 마그네슘의 충분한 분리로 기부에서 실현될 수 있는 장점을 갖는다. 복잡한 전자빔 굴절과, 전자빔 접속 기능을 갖는 공지된 전자빔 PVD 방법에 반해 개시된 방법은, 시초 온도와 진공 압력, 산소 부분 압력, 불활성 가스의 진공 전류, 중공 음극 방전과 같이 공정 단위의 용이한 조정 내지 제어에 의해 나타난다. 2.5㎛ 이하의 평균 스템 지름을 갖는 구조의 달성을 위한 필수적인 공정 크기의 결정은, 예를 들어 토른톤(J.A. Thornton)에 의해 바쿰 싸이언스 테크놀로지 저널 11권 1974년, 666 페이지 내지 670 페이지에 기술된 PVD 층 구조형성을 위한 토른톤 도표에 따라 행해진다. 여기에서 층 구조형성은 지지체 온도, 진공실 가스 압력 및 위치 교환 공정의 작동을 위한 층에너지 보존에 의존하여 기술된다.
양극은 가스 유입 범위에서는 피복 가공이나 산화에 노출되지 않기 때문에 마모되지 않는다. 양극과 음극과 같은 마모 부분은, 특히 양극이 중공 음극 내부에 배열됨으로써 함유량이 적을 수가 있고, 그래서 전자나 이온의 직접적인 충격에 노출되지 않는다. 또한, 양극은 높은 순도로 만들어질 수 있다. 뿐만 아니라 비산 물질에 대해 자체가 음극으로 쓰여지고, 금속 산화물체로서 소정 혼합 비율과 결합되지 않는 장점이 있다.
도면에 도시된 실시예에 따라 기부에 단열층의 제조를 위한 장치 및 방법이 더 자세히 설명된다.
도 1에서는 반응하는 가스류 스퍼터링링 방법의 실행을 위한 피복 가공 장치(15)의 원칙적인 구성이, 일정한 축척에 의하지 않고 개략적으로 도시되어 있다. 피복 가공 장치(15)는 진공 펌프 장치(18)에 의해서 1mbar 이하의 진공, 특히 약 0.5mbar의 진공이 생성될 수 있는 하우징(23)을 포함한다. 하우징(23) 내에서 중공 음극(10)은 원통형 단면으로 배열된다. 큰 부품의 피복 가공을 위해, 종축을 따라 정렬된 장방형의 횡단면을 구비한 더 많은 그런 원통형의 중공 음극이나 선형 중공 음극이 사용된다. 중공 음극(10) 내에서 동일 전압 공급원(20)에 의해 중공 음극(10)에 연결된 막대 모양의 양극(11)이 배열된다. 동일 전압 공급원(20)은 예를 들어 400V 내지 800V의 동일 전압을 생성하고, 방전 전류로 약 2A가 공급된다. 중공 음극(10)은 중공 원주로 형성되거나, 예를 들어 중공 음극 배열(10)의 배열이 각각 채워진 플레이트로 구성된 음극 물질(12)을 갖고 있다. 중공 음극(10)은 도시되지 않은 가스 공급부와 연결된 가스 유입구(14)를 갖는 외부 하우징을 포함하고, 가스 공급부를 통해 불활성 가스(19), 특히 아르곤이 중공 음극(10) 내부로 유입된다. 외부 하우징(25)은 불활성 가스의 안내에 이용되고, 반응 가스가 중공 음극(10) 내부로 침투되는 것을 저지하기 위해 이용되며, 또 음극 위치 에너지를 안내하고 비산되지 않는 표면, 특히 도시 되지 않은 음극 물질(12)의 냉각 플레이트의 보호에 이용된다. 가스 유입구(14) 맞은편에 있는 중공 음극(10)은 중공 음극(10)으로 된 음극 물질(12)과 양극(11) 사이의 범위의 통과 후에 불활성 가스(19)가 나오는 가스 배출구(13)를 갖는다. 측지학적으로 가스 배출구(13) 위쪽의 유입 영역에는 산소가 하우징(23)으로 들어올 때 통과하는 산화제 공급부(16)가 배열된다. 측지학적으로 산화제 공급부(16) 위쪽의 유입 영역에 있는 가스 터빈 날개인 부품(1)은 기부(2)에 의해서 유지 장치(8) 내부에 유지된다. 유지 장치(8)는 추가 전압 공급원(22)을 통해 중공 음극(10)과 접속된다. 중공 음극(10)과 유지 장치 각각의 사이에서 부품(1)에 인가될 수 있는 동일 전압은 이온화된 불활성 가스 원자에 의해 부품(1)의 표면 정화를 위해 작용한다. 유지 장치(8)는, 특히 상세히 도시되지 않은 구동 장치를 갖고 있고, 이 구동 장치에 의해 그의 종축을 중심으로 부품(1)의 연속 회전이 이루어진다. 측지학적으로 부품(1)의 상부에는 열방사 및/또는 대류를 통해 부품을 가열하기 위한 가열 장치(9)가 배열된다. 가열 장치(9)는 물론 요구에 따라 부품(1) 이외에 동일한 측지학적 레벨로도 배열될 수 있다. 마찬가지로 모든 구성 표시는 측지학적으로 반대로 또는 수평으로 배열될 수도 있다.
도 2에 확대 도시된 단열층(3)의 형성을 위해, 부품(1)은 바람직하게 900 ℃ 이상의 온도로 가열된다. 불활성 가스(19)는 가스 유입구(14)를 통해서 중공 음극(10) 내부로 계속 유입된다. 이는 중공 음극(10)에서 압도적인 전압차에 의해서 글로우 방전의 형태로 이온화되고, 이온화된 가스 원자는 음극 물질(12)로 나타난다. 이는 특히 소정 진공 분배에서 안정제 금속, 예를 들어 이트륨과 화합된 지르콘과 같은 순금속이다. 이온화된 불활성 가스 원자에 의해서 음극 물질(12)로부터 금속 원자 및/또는 금속 클러스터가 해체되어 불활성 가스 전류(19)에서 부품(1)의 방향으로 운반된다. 산화제 공급부(16)를 통해 공급된 산소에 의해 금속 원자의 완전 산화, 특히 지르콘 산화물 및 이트륨 산화물로의 완전 산화가 일어난다. 이것은, 만일 측지학적으로 부품(1)의 하부에 배열된 차폐부(21)가, 부품(1)의 기부(2)에 대해 부분적으로 고정된 금속 산화물 세라믹의 단열층(3)의 형태로 측면으로 회전한다면 분리된다. 그의 종축(24)을 중심으로 이루어지는 부품(1)의 회전에 의해서 균일한 피복 가공이 이루어진다. 예를 들어 철, 니켈 및/또는 코발트 그리고 크롬, 알루미늄, 이트륨으로 이루어진, 기부(2)상에 형성된 금속 점착층(17)에 의해서, 및 그 위에서 성장된 예를 들어 알루미늄 산화물로 이루어진 같은 중간층(7)에 의해서 금속 산화물의 열의 안정된 화학적 결합이 기부(2)상에서 이루어진다.
금속 산화물의 분리는 섬세한 구조로 된 스템 구조(4)를 갖는 단열층(3)의 형태로 이루어진다(도 2 참조). 형성된 세라믹 스템(5)은 주로 기부(2)의 표면(6)에 대해 수직으로 방향이 정해지고, 실험에 의해서 특히 0.5㎛ 내지 3.0㎛에 나타난 것처럼 평균 스템 지름이 5.0㎛ 이하이다. 작은 스템 지름을 갖는 섬세하게 구성된 스템 구조(4)에 의해서 1000 ℃ 이상의 온도 차이를 갖는 열의 교환 장애에 대하여 특히 단열층(3)의 높은 내성에 도달된다.
본 발명에 의해서, 간단하게 조절 통제가 가능하고 조절 제어가 가능한 방법에 의해 열적으로 안정된 단열층이 금속 기부상에 증착된다. 하나 혹은 다수의 중간층을 통해 금속의 기부에 열기계적으로 안정적으로 연결되는 이 단열층은 5.0㎛ 이하의 평균 스템 지름을 가진 섬세하게 구성된 스템 구조를 가진다. 특히 그럼으로써 가열 가스와 마찬가지로 열적으로 매우 장애가 되는 부품과 가스 터빈 장치의 예외적인 부품들, 특히 가스 터빈 날개와 연소실 피복부에서의 사용에 적합한 단열층의 높은 내열성이 생겨난다

Claims (16)

  1. 기부(2) 및 그 위에 배열된 세라믹 단열층(3)을 포함하며, 상기 단열층이 기부(2)의 표면(6)에 대해 수직으로 정렬되고 평균 스템 지름이 2.5㎛ 이하인 세라믹 스템(5)을 구비한 구조(4)를 갖도록 구성된 부품.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 단열층의 스템 지름이 0.5㎛ 내지 2.0㎛인 것을 특징으로 하는 부품.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 단열층(3)은 금속 세라믹 물질, 특히 지르콘 산화물(ZrO2) 및 산화 이트륨(Y2O3)과 같은 안정제를 포함하는 금속 세라믹 물질을 함유하는 것을 특징으로 하는 부품(1).
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 철, 코발트 또는 니켈 원자 중에서 하나의 원소에 대해서는 M, 크롬에 대해서는 Cr, 알루미늄에 대해서는 Al과 이트륨이나 희토류 원소 또는 금속 알루미늄에 대해서는 Y로 구성되는 MCrAlY 합금으로 이루어진 금속 점착층(17)이 기부(2)상에 제공되는 것을 특징으로 하는 부품.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 기부(2) 또는 금속 점착층(17)과 단열층(3) 사이에는 특히 알루미늄 산화물(Al2O3), Al-Zr-O 3성분 화합물, Al-O-N-화합물, AlN 또는 AlN-Al2O3-화합물로 이루어진 중간층(7)이 배열되는 것을 특징으로 하는 부품.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기부(2)는 금속, 특히 니켈 기재 합금 또는 코발트 기재 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 부품.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 가스 터빈 날개, 특히 가스 터빈의 전도 날개 혹은 작동 날개, 또는 열가스로 작동 가능한 가스 터빈의 부품, 예컨대 내열 방호판인 것을 특징으로 하는 부품.
  8. a) 기부(2)의 위치를 결정하는 유지 장치(8),
    b) 음극 물질(11)과 양극(12)을 포함하는 불활성 가스에 의해 관류될 수 있고 유지 장치(8)를 향하는 불활성 가스용 가스 유입구 및 가스 배출구를 포함하는 중공 음극 장치(10), 및
    c) 기부(2)의 가열을 위한 별도의 추가 가열 장치(9)를 구비한, 기부(2)상에 단열층(3)을 제조하기 위한 피복 가공 장치.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 가열 장치(9)는 900 ℃ 이상, 특히 950 ℃ 내지 1,050 ℃로 기부를 가열하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 피복 가공 장치.
  10. 제 8항 또는 제 9항에 있어서, 상기 음극 물질은 이트륨과 같이, 특히 안정제 금속을 함유하는 지르콘으로 된 합금이며, 중공 음극(10) 밖에서는 지르콘 산화를 위한 산화제가 제공되는 것을 특징으로 하는 피복 가공 장치.
  11. 제 10항에 있어서, 안정제 금속의 중량% 비율은, 단열층(3)에서 안정제 금속 산화물의 중량% 비율이 지르콘 산화물의 비율의 3.0% 내지 12%, 특히 7%로 조절될 수 있도록 정해지는 것을 특징으로 하는 피복 가공 장치.
  12. 제 8항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서, 진공 펌프 장치(18)는 1mbar 이하, 특히 0.3mbar 내지 0.9mbar의 진공을 형성하기 위해 제공되는 것을 특징으로 하는 피복 가공 장치.
  13. 제 8항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서, 가스 배출구(13)에 대한 기부의 움직임, 특히 연속 회전을 위한 유지 장치를 형성하는 것을 특징으로 하는 피복 가공 장치.
  14. 불활성 가스가 실질적으로 산소가 없는 대기권에서 이온화되고, 이온화된 불활성 가스는 금속의 음극 물질에서 불활성 가스와 함께 기부 방향으로 유도되는 금속 원자를 녹여 기부(2)에 도착하기 전에 산소가 공급되고, 그 결과 기부(2)에서 분리되거나 기부(2)에서 금속이 분리되고 생겨난 산소에 의해 산화되는 금속 산화물이 형성되며, 기부(2)가 800 ℃ 이상의 소정의 시초 온도로 가열되도록 구성된, 단열층(3)이 있는 진공하에서 기부를 피복 가공하기 위한 방법.
  15. 제 14항에 있어서, 시초 온도를 950 ℃ 내지 1,050 ℃로 조절하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 14항 또는 제 15항에 있어서, 시초 온도, 진공 압력, 산소 부분 압력, 불활성 가스의 부피 흐름과 같은 공정 크기를 단열층(3)이 2.5㎛ 이하, 특히 0.5㎛ 내지 2.0㎛ 사이의 스템 지름을 가진 세라믹 스템(5)을 구비하도록 선택하는 것을 특징으로 하는 방법.
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