KR20000077103A - 터블레이션을 구비하는 제품과, 슬러리 및 터블레이션제공 방법 - Google Patents

터블레이션을 구비하는 제품과, 슬러리 및 터블레이션제공 방법 Download PDF

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레티그마크제라드
에브아프네심
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제이 엘. 차스킨, 버나드 스나이더, 아더엠. 킹
제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

제품은 납땜 합금과 같은 접착제로 기판의 표면에 접착된 터블레이션 재료를 포함한다. 일 실시예에 있어서, 터블레이션 재료는 약 125미크론 내지 약 4000미크론 범위내의 평균 미립자 사이즈를 가진 개별 금속 합금 미립자의 미립자 위상을 포함한다. 다른 실시예는 터블레이션을 도포하는 방법과, 터블레이션을 형성하기 위한 제품을 포함한다.

Description

터블레이션을 구비하는 제품과, 슬러리 및 터블레이션 제공 방법{ARTICLE HAVING TURBULATION AND METHOD OF PROVIDING TURBULATION ON AN ARTICLE}
본 발명은 터빈 엔진에 이용되는 금속 구성요소와 같이 표면 돌기(surface protuberances)가 필요한 제품에 관한 것이다. 몇몇 실시예에 있어서, 보다 자세하게 본 발명은 제품의 다양한 표면상의 열전달 특성을 증가시키기 위한 향상된 기술에 관한 것이다.
터빈 엔진 구성요소의 온도를 임계 레벨 이하로 유지하기 위한 다양한 기술이 개발되었다. 예를 들면, 엔진 압축기로부터의 냉각제 공기는 종종 하나 또는 그 이상의 구성요소 표면을 따라서 구성요소를 관통하게 된다. 이러한 유동은 "배면 공기 유동(backside air flow)"으로서 본 기술 분야에 공지되어 있으며, 이러한 냉각제 공기는 연소시 고온 가스에 직접 노출되지 않는 엔진 구성요소의 표면으로 배향된다. 배면 공기 유동과 조합하여서, 열전달을 향상시키기 위해서 "터블레이터(turbulators)"가 이용되어 왔다. 터블레이터는 구성요소의 표면의 선택된 부분에 돌기 또는 "범프(bumps)"를 구비하고 있으며, 이 돌기 또는 범프는 표면을 따라 통과하는 냉각제 매체를 이용하여 열전달을 향상시키는 기능을 한다.
일반적으로, 터블레이터는 주조에 의해 성형된다. 그러나, 주조에 의해서 구성요소의 특정 영역에 터블레이션을 형성하는 것은 쉽게 이용될 수 없다. 예를 들면, 내부 캐비티의 특정 부분과 같은 터빈 엔진 부품의 몇몇 부분에; 용융된 금속 유동이 억제되는 위치에; 또는 제조 동안에 몰드 부분이 분리되는 영역에 주조로 돌기를 형성하는 것은 매우 어렵다. 또한, 엔진 노즐의 외부 플랫폼과 같은 터빈 부품의 외부 표면의 일부에 터블레이션을 제공하는 것은 어렵다.
몇몇 경우에, 엔진 구성요소의 표면상의 터블레이션은 엔진이 서비스되는 동안에 수리되거나 수정된다. 다른 경우에, 구성요소내의 특정 위치에서의 열전달 및 냉각 효과를 개선하기 위해서 서비스 또는 수리 동안에 엔진 구성요소에 터블레이션을 추가할 필요가 있을 수 있다. 이러한 터블레이션의 추가 및 수리는 주조 공정에 의해 성취될 수 없다.
이미 형성된 구성요소에 터블레이션을 형성하는 하나의 공지된 기술은 기판의 표면상으로 와이어-분사 터블레이션 기술이다. 이러한 형태의 터블레이션과 관련된 결함은 코팅이 산화되어 열전달 효율을 감소시키는 것이다. 산화가 심한 경우에, 코팅 파쇄가 야기되어 열전달 이점이 순차적으로 완전히 상실된다.
더욱이, 다양한 형태의 금속 기판에 터블레이션을 형성하는 방법은 본 기술 분야에 유리하다. 캐비티내에 놓여 있는 표면상에 그리고 쉽게 접근할 수 없는 모든 다른 표면상에 터블레이션을 제공할 수 있는 방법이 필요하다. 상이한 사이즈 및 형상과 패턴으로 돌기를 형성할 수 있는 방법이 또한 요구된다. 또한, 소망하는 열전달 특성 및 내구성을 가진 터블레이션이 그 위에 제공된 제품이 필요하다.
본 발명의 일 실시예는 기판의 표면상에 터블레이션을 제공하는 방법에 대한 것으로, 이 방법은 기판의 표면상에 납땜 합금 및 터블레이션 재료로 구성되는 한 층을 도포하는 단계와; 기판의 표면상의 층을 융합시키며, 이에 의해 납땜 합금이 터블레이션 재료를 초합금 기판에 접착시키는 단계를 포함한다. 상기 재료의 층은 납땜 판 및 슬러리를 포함하는 다양한 형태로 기판에 도포될 수 있다. 또한, 기판은 초합금 기판과 같은 금속 기판일 수 있다. 본 발명의 다른 실시예는 납땜 합금에 의해 초합금 기판의 표면에 접착된 기판 및 터블레이션 재료를 포함하는 제품에 관한 것이다. 본 발명의 또다른 실시예는 정밀한 미립자 사이즈를 가진 터블레이션 재료가 이에 접착된 기판을 포함하는 제품에 관한 것이다. 다른 실시예는 터블레이션 재료를 포함하는 납땜 판 및 슬러리를 포함한다.
도 1은 돌기를 포함하는 납땜 판의 부분 단면도,
도 2는 돌기를 포함하는 납땜 판의 정면 사시도,
도 3은 기판에 부착된 것을 도시하는 것으로 도 2의 납땜 판의 단면도.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
10 : 납땜 판 12 : 돌기
14 : 미립자 16 : 납땜 판
20 : 구성요소 22 : 내부 캐비티
24 : 납땜 합금 필름 26 : 미립자 위상
본 발명은 모든 금속성 재료 또는 합금과 함께 사용될 수 있지만, 1000℃ 이상과 같이 고온 환경용으로 설계된 내열 합금과 함께 통상 사용된다. 본 명세서에 있어서, "금속계(metal-based)"라는 것은 금속 또는 금속 합금으로 주로 형성된 기판을 가리킨다. 몇몇 내열 합금은 코발트계, 니켈계 및 철계 합금을 포함하는 "초합금(superalloys)"이다. 일 실시예에 있어서, 초합금은 니켈계 또는 코발트계이며, 니켈 또는 코발트는 중량으로 가장 무거운 단일 요소이다. 예시적인 니켈계는 적어도 약 40중량%의 Ni과, 코발트, 크롬, 알루미늄, 텅스텐, 몰리브덴, 티탄늄 및 철로 구성되는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 성분을 포함한다. 니켈계 초합금의 예는 상표명 Inconel(등록상표), Nimonic(등록상표), Rene(등록상표)[예를 들면, Rene(등록상표)80-, Rene(등록상표)95 합금, Rene(등록상표)142 및 Rene(등록상표)N5] 및 Udimet(등록상표)로 표시되며, 배향적으로 결정되고 단일 결정 초합금을 포함한다. 예시적인 코발트계는 적어도 약 30중량%의 Co와, 니켈, 크롬, 알루미늄, 텅스텐, 몰리브덴, 티탄늄 및 철로 구성되는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 성분을 포함한다. 코발트계 초합금의 예는 상표명 Hayness(등록상표), Nozzaloy(등록상표), Stellite(등록상표) 및 Udimet(등록상표)로 표시된다.
기판의 타입은 광범위하게 다양할 수 있는 반면에, 종종 연소기 라이너, 연소기 돔, 버켓 또는 블레이드, 노즐 또는 베인과 같은 초합금으로 형성된 터빈 엔진 부분의 형태이다. 다른 기판은 플랜지, 케이싱 및 링을 포함한 슈라우드내 세정 제어 영역과 같은 터빈 엔진의 고압 스테이지에 있지 않은 터빈 부분이다. 이러한 부분은 이러한 부품이 노출되는 보다 저온 환경에서 초합금으로 형성되지 않을 수 있다. 이러한 구성요소용의 전형적인 합금은 Inconel(등록상표)718, Inconel(등록상표)900 시리즈 및 Waspaloy(등록상표)를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 적어도 납땜 합금 성분 및 터블레이션 재료를 포함하는 재료의 한 층은 기판, 특히 초합금 기판상의 표면상에 터블레이션을 제공하도록 이용된다. 본 명세서에 있어서, 재료의 용어 "층"은 함께 압착된 단일 층 또는 몇몇 개별 서브층을 가리키는데 이용된다. 재료의 "층"은 그내에 분산된 개별 위상과, 서브층에 의해 규정된 몇몇 위상을 구비하는 매트릭스 위상을 포함하는 몇몇 위상을 구비할 수 있다. 재료의 층은 납땜 판 뿐만 아니라 적어도 터블레이션 재료 및 납땜 합금 성분을 함유하는 슬러리의 경우와 같은 자체 직립형 판의 형태일 수 있다. 본 명세서에 있어서, "터블레이션 재료"는 기판에 융합될 때에 기판의 표면을 지나 연장되는 다수의 돌기를 형성하는 재료이다. 이들 다수의 돌기는 함께 "터블레이션"을 규정하며, 이 터블레이션은 처리된 기판을 통한 열전달을 향상시키는데 효과적인 거친 표면으로서 형성된다. 본 발명의 몇몇 실시예에 따르면, 터블레이션 재료는 기판에 접착된 개별 미립자로 구성되는 미립자 위상을 포함한다. 개별 미립자의 미립자 위상은 본 실시예에 대해 후술하는 바와 같은 굵은 분말로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 재료의 층은 납땜 판, 특히 생형 납땜 테이프(green blaze tape)이다. 이러한 테이프는 시중에서 입수가능하다. 일 실시예에 있어서, 생형 납땜 테이프는 물 또는 유기 액체와 같은 액체 매체내의 금속 분말 및 결합제의 슬러리로부터 형성된다. 액체 매체는 결합제를 위한 솔벤트로서 기능을 할 수 있다. 금속 분말은 종종 "납땜 합금"이라고 한다.
납땜 합금의 조성물은 기판의 조성물과 유사한 것이 바람직하다. 예를 들면, 기판이 니켈계 초합금이라면, 납땜 합금은 유사한 니켈계 초합금 조성물을 함유할 수 있다. 변형예에 있어서, 니켈계 납땜 합금 또는 코발트계 납땜 합금은 통상 코발트계 초합금과 함께 이용된다. 니켈계 또는 코발트계 조성물은 일반적으로 니켈 또는 코발트가 조성물내의 단일 가장 무거운 요소인 조성물을 가리킨다. 또한, 납땜 합금 조성물은 실리콘, 붕소, 인 또는 이들의 조합물을 함유하며, 이들은 용융점 억제물질로서 작용한다. 은, 금 또는 팔라듐, 이들의 혼합물을 구리, 망간, 니켈, 크롬, 실리콘 및 붕소와 같은 다른 금속과 조합하여 함유하고 있는 귀금속 조성물과 같은 다양한 형태의 납땜 합금이 이용될 수 있다. 납땜 합금 요소를 적어도 하나 포함한 혼합물이 또한 이용될 수 있다. 예시적인 납땜 합금은 2.9중량%의 붕소, 92.6중량%의 니켈 및 4.5중량%의 주석과; 3.0중량%의 붕소, 7.0중량%의 크롬, 3.0중량%의 철, 83.0중량%의 니켈 및 4.0중량%의 실리콘과; 19.0중량%의 크롬, 71.0중량%의 니켈 및 10.0중량%의 실리콘과; 1.8중량%의 붕소, 94.7중량%의 니켈 및 3.5중량%의 실리콘을 포함한다.
생형 납땜 테이프를 형성하기 위해 슬러리내에 결합제로서 다양한 재료가 통상 이용된다. 비제한적인 예는 폴리에틸렌 산화물 및 다양한 아크릴과 같은 수성계 유기 재료를 포함한다. 솔벤트계 결합제가 또한 이용될 수 있다. 추가적인 유기 솔벤트(예를 들면, 아세톤, 톨루엔 또는 다양한 크실렌) 또는 물이 점도를 조정하기 위해 솔벤트에 첨가될 수 있다.
슬러리는 통상 Mylar(등록상표)와 같은 재료로 형성된 플라스틱 판과 같은 제거가능한 지지 판상에 주조된다. 테이프-주조를 위해 닥터 블레이드 장치가 이용될 수 있다. 다음에, 슬러리내의 실질적으로 모든 휘발성 재료가 증발되게 된다. 최종 납땜 합금 테이프는 통상적으로 약 1미크론 내지 약 250미크론 범위, 바람직하게 약 25미크론 내지 약 125미크론 범위의 두께를 갖고 있다.
상술한 납땜 합금 및 결합제를 함유하는 납땜 테이프는 시중에서 입수할 수 있다. 판매되는 제품의 일 예는 Sulzer Metco로부터 입수할 수 있는 납땜 테이프의 Amdry 라인이다. 예시적인 등급은 Amdry(등록상표)100이다.
생형 납땜 테이프에 도포되는 터블레이션 재료는 통상 굵은 분말이며, 이 분말은 처리된 구성요소의 열전달을 향상시키는 기능을 하는 돌기를 형성하기에 충분한 사이즈를 가진 미립자로 형성된다. 많은 실시예에 있어서, 미립자의 사이즈는 돌기에 의해 제공되게 되는 소망하는 정도의 표면 거칠기 및 표면적(그리고 열전달)에 의해 대부분 결정된다. 표면 거칠기는 광학 프로파일로메트리(optical profilometry)에 의해 측정할 때 표시된 영역에서 중심선 평균 거칠기 값("Ra") 뿐만 아니라 평균 피크-대-벨리 거리("Rz")에 의해 특징화된다. 일 실시예에 따르면, Ra는 약 1.0밀보다 큰 것과 같이 약 1밀보다 크며, 바람직하게 약 2.0밀보다 크다. Ra는 전형적으로 약 25밀보다 작으며, 보다 바람직하게 약 10밀보다 작다. 유사하게, 일 실시예에 따르면, Rz은 약 5밀보다 큰 것과 같이 약 1밀보다 크다. Rz는 전형적으로 약 10밀 이하, 보다 전형적으로 약 50밀 이하이다. 본 명세서에 있어서, "미립자"는 1:1보다 큰 종횡비를 갖는 섬유를 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 터블레이션 분말 미립자의 평균 사이즈는 약 150미크론 내지 약 2050미크론과 같이 약 125미크론 내지 약 4000미크론 범위이다. 바람직한 실시예에 있어서, 분말 미립자의 평균 사이즈는 약 180미크론 내지 약 600미크론 범위이다.
종종 터블레이션 재료는 기판 금속의 재료와 유사한 재료로 형성되며, 상기 기판 금속은 납땜 합금의 재료와 유사하다. 그러나, 터블레이션 분말은 납땜 합금의 것보다 높은 용융점 또는 연화점을 갖고 있어서, 터블레이션 분말은 용융 조작을 통해 상당히 본래 그대로 유지된다. 통상적으로, 터블레이션 분말은 니켈, 코발트, 알루미늄, 크롬, 실리콘, 철 및 구리로 구성되는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 요소를 포함한다. 분말은 분자식 MCrAlY의 초합금 조성물과 같은 단열 코팅(TBC) 시스템에 대한 초합금 본드 코트 조성물로 형성되며, 상기 분자식에서 "M"은 Fe, Ni 또는 Co와 같은 다양한 금속 또는 금속의 조합물일 수 있다. 일반적으로 MCrAlY 재료는 약 17.0 내지 23%의 크롬; 약 4.5 내지 12.5%의 알루미늄 및 약 0.1 내지 1.2%의 이트륨의 조성물 범위를 가지며, M은 평형제를 구성한다.
그러나, 본 공정의 중요한 이점은 터블레이션 재료의 조성물을 수정함으로써 기판의 선택된 부분의 표면 "화학적성질"을 변경시킬 수 있는 것에 관한 것이라는 것을 강조해야 한다. 예를 들면, 터블레이션 재료용의 산화방지 또는 부식방지 금속 합금을 이용하여 이들 소망하는 특성을 나타내는 터블레이티드 표면이 되게 한다. 다른 예시로서, 열전달에 영향을 주는 터블레이션 재료의 열전도율은 228Btu·in/ft2·hF 정도의 열전도율을 가진 니켈 알루미나이드와 같은 높은 열전도율을 가진 재료를 이용함으로써 증가될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 터블레이션 분말은 약 60Btu·in/ft2·hF 이상, 바람직하게 약 130Btu·in/ft2·hF와 같은 약 80Btu·in/ft2·hF 이상의 열전도율을 가진 재료로 형성된다. 반대로, 터블레이션을 형성하기 위한 종래 기술의 주조 기술은 돌기용의 모재만을 이용하여 터블레이티드 표면의 특성을 선택할시에 가요성을 제한하는 것이 통상적이다.
분말은 살포, 붓는 것, 블로잉, 롤-용착 등과 같은 다양한 기술에 의해 랜덤하게 도포될 수 있다. 용착 기술의 선택은 소망하는 패턴의 돌기를 제공하기 위한 분말 미립자의 소망하는 배열에 의해 부분적으로 달라진다. 일 예로서, 분말의 계량된 부분이 돌기의 소망하는 패턴-밀도가 비교적 낮은 경우에 있어서 체를 통해서 테이프 표면상으로 살포될 수 있다.
통상적으로, 접착제는 터블레이션 분말이 그 위에 도포되기 전에 생형 납땜 테이프의 표면에 도포된다. 모든 납땜 접착제는 순차적인 융합 단계 동안에 완전히 휘발될 수 있는 한에는 이용될 수 있다. 접착제의 예시적인 예는 폴리에틸렌 산화제 및 아크릴 재료를 포함한다. 납땜 접착제의 판매되는 예는 Cotronics Corporation으로부터 입수할 수 있는 "4B Braze Binder"를 포함한다. 접착제는 다양한 기술에 의해 도포될 수 있다. 예를 들면, 액체형 접착제는 표면상에 분무 또는 코팅될 수 있다. 3M Company의 467 접착제 테이프와 같은 양면 접착제를 구비한 얇은 매트 또는 필름이 선택적으로 이용될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 납땜하기 전에, 분말 미립자는 열전달에 가장 적당한 소망하는 정렬을 제공하도록 테이프 표면으로 이송된다. 예를 들면, 길다란 형상을 가진 섬유를 포함하는 바늘모양 미립자는, 그 가장 긴 치수가 기판에 접촉하는 납땜 판의 표면에 실질적으로 수직으로 연장되도록 물리적으로 정렬될 수 있다. 또한, 분말의 정렬은 다양한 다른 기술에 의해 실행될 수 있다. 예를 들면, 자석 또는 정전기 공급원이 소망하는 배향을 성취하도록 이용될 수 있다. 또다른 실시예에 있어서, 개별 미립자 또는 미립자의 덩어리는 납땜 합금으로 코팅되며, 이러한 코팅된 미립자는 기판에 도포하기 위한 접착제 시트상에 위치된다. 접착제 시트는 융합 조작 동안에 실질적으로 완전히 연소되게 제공되는 모든 적당한 접착제로 형성될 수 있다. 적당한 접착제는 상술하였다.
몇몇 실시예에 있어서, 터블레이션 분말은 납땜 판의 표면상에서 패턴화된다. 패턴화를 위한 다양한 기술이 존재한다. 일 실시예에 있어서, 분말은 스크린 프린팅 기술에 의해 스크린을 통해 기판 표면에 도포된다. 스크린은 돌기의 소망하는 형상 및 사이즈에 따라서 사전선택된 사이즈 및 정렬의 구멍을 구비한다. 선택적으로, 납땜 접착제는 스크린을 통해 판상에 도포된다. 스크린을 제거하면 패턴화된 접착제 층이 된다. 분말이 판에 도포되는 경우에, 분말은 접착제를 함유하는 영역에 접착된다. 스크린을 이용함으로써 미립자의 다수의 "덩어리"를 가진 패턴이 형성되며, 상기 덩어리는 스크린에서 개구의 간격에 대응하는 피치에 의해 서로 이격되어 있는 것이 일반적이다. 잉여 분말은 쉽게 제거되고, 미립자의 소망하는 패턴을 잔류시킨다. 다른 실시예로서, "쿠키 컷터(cookie cutter)" 기술이 이용될 수 있으며, 납땜 테이프는 우선 소망하는 터블레이션 패턴을 규정하도록 절단되고, 잉여 납땜 테이프가 제거된다. 다음에, 터블레이션 분말은 패턴화된 테이프에 도포될 수 있다. 또다른 실시예에 있어서, 터블레이션 재료의 미립자는 납땜 합금으로 코팅되며, 코팅된 미립자는 융합 단계 동안에 휘발되는 접착제 시트상에 용착된다. 여기에서, 접착제 시트는 융합시키기 전에 기판에 터블레이션 재료를 용착하기 위한 간단한 수단을 제공하지만, 최종 용융 제품에서는 어떠한 역할도 하지 않는다.
다른 실시예에 있어서, 터블레이션 분말은 이미 형성된 테이프의 표면상에 터블레이션 분말을 제공하는 것이 아니라 생형 납땜 테이프의 형성 동안에 납땜 합금 분말, 결합제 및 솔벤트와 같은 생형 납땜 테이프의 다른 성분과 혼합된다. 다음에, 터블레이션 분말은 생형 납땜 테이프내의 분산된 미립자 위상을 형성한다.
다음에 Mylar(등록상표) 뒤붙임부와 같은 제거가능한 지지 시트는 생형 납땜 테이프로부터 분리된다. 다음에, 테이프는 터블레이션이 필요한 성분-기판의 일부분에 용착된다. 일 예로서, 접착제가 이용될 수 있다. 테이프를 기판 재료에 용착하기에 적당한 모든 접착제가 적당하며, 융합 단계 동안에 완전히 휘발되게 제공된다.
다른 간단한 용착 수단이 몇몇 실시예에서 이용된다. 생형 납땜 테이프가 기판의 선택된 부분상에 위치될 수 있으며, 다음에 결합제를 부분적으로 용해시키고 가소화하는 솔벤트와 접촉되어, 테이프가 기판 표면에 공형되고 접착되게 한다. 일 예로서, 테이프가 기판상에 위치된 후에 톨루엔, 아세톤 또는 다른 유기성 솔벤트가 납땜 테이프상에 분무 또는 브러싱될 수 있다.
기판에 생형 납땜 테이프를 도포한 다음에, 터블레이션 재료는 기판에 융합된다. 융합 단계는 납땜과 용접과 같은 다양한 기술에 의해 실행될 수 있다. 일반적으로, 융합은 충전물 금속 또는 합금을 이용하는 것을 포함해 금속을 결합시키는 모든 방법을 포함하는 납땜에 의해 실행된다. 따라서, 납땜 테이프 및 납땜 포일이 "납땜"이 아닌 융합 공정에서 이용될 수 있는 것이 명확하다. 납땜 온도는 사용된 납땜 합금의 형태에 따라 부분적으로 달라지며, 전형적으로 약 525℃ 내지 약 1650℃의 범위이다. 니켈계 납땜 합금의 경우에, 납땜 온도는 약 800℃ 내지 약 1260℃의 범위인 것이 통상적이다.
가능하다면, 납땜은 종종 진공 노에서 실행된다. 진공의 정도는 납땜 합금의 조성물에 따라서 부분적으로 달라진다. 통상적으로, 진공은 진공 챔버로부터 소망하는 수준까지 대기를 배기시킴으로써 성취되는 약 10-1torr 내지 약 10-8torr의 범위이다.
구성요소 자체가 노내로 삽입되기에 너무 큰 경우와 같이 그 자체가 노의 사용에 영향을 주지 않는 영역에 도포되는 터블레이션의 경우에, 토치 또는 다른 국부적 가열 수단이 이용될 수 있다. 예를 들면, 아르곤 커버 실드 또는 플럭스를 구비한 토치가 납땜 표면에 배향된다. 이러한 목적을 위한 가열 기술의 특정 예시적인 형태로는 가스 용접 토치(예를 들면, 옥시-아세틸렌, 옥시-수소, 에어-아세틸렌, 에어-수소); RF(무선 주파수) 용접; TIG(텅스텐 불활성 가스) 용접; 전자-비임 용접; 저항 용접 및 IR(적외선) 램프를 이용하는 것을 포함한다.
융합 단계는 납땜 판을 기판에 융합시킨다. 납땜 재료가 냉각되는 경우에, 이 재료는 기판의 표면에서 야금적 접착부를 형성하며, 터블레이션 재료는 고형화된 납땜 매트릭스 재료내에서 기계적으로 보유된다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 재료의 층은 제 1 및 제 2 표면을 구비하는 금속 포일의 형태인 납땜 판이다. 포일은 이전 실시예에서 설명한 것과 유사하게 납땜 합금과 같은 기판의 것과 유사한 금속 재료로 형성된다. 따라서, 기판이 니켈계 초합금이라면, 포일 재료도 니켈계 초합금이다. 납땜 테이프의 경우와 같이 결합제를 함유하지 않은 포일용 납땜 합금 조성물은 용융점 억제물질로서 기능을 하는 실리콘, 붕소 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있다. 다른 납땜 합금 조성물은 또한 코발트 또는 철; 또는 상술한 정확한 금속 조성물과 같은 것이 적당할 수 있다. 통상적으로, 포일의 두께는 약 0.1미크론 내지 약 2500미크론, 바람직하게 약 25미크론 내지 약 200미크론이다.
이러한 포일을 제조하는데 다양한 기술이 이용될 수 있다. 제 1 기술에 있어서, 금속 분말 재료 및 결합제의 혼합물이 제거가능한 지지 시트상에 테이프-주조된다. 지지 시트는 제거되고, 다음에 나머지 생형 시트는 예를 들면 진공 열처리를 이용하는 것에 의해 "프리-폼" 포일로 소결된다. 소결 온도는 포일-합금의 조성물과, 분말 미립자의 사이즈 및 포일의 소망하는 밀도와 같은 다양한 인자에 따라 달라진다. 이러한 공정은 통상적으로 "테이프-주조 프리-폼" 기술이라고 한다.
다른 제 2 기술에 따르면, 금속 분말 재료는 지지 시트상에 금속의 얇은 층으로서 용착된다. 진공 플라즈마 증착, HVOF(고속 산소-연료) 또는 공기 플라즈마(AP) 분사와 같은 증착을 위한 다양한 열 분사 기술이 이용된다. 다른 증착 기술은 스퍼터링 또는 물리적 증착(PVD)과 같은 것이 이용될 수 있다. 다음에, 지지 시트는 제거되고, 소망하는 금속 포일이 잔류한다.
포일을 제조하기 위한 제 3 기술은 때때로 무정형 금속 리본 기술이라고 한다. 이러한 공정에 있어서, 금속 분말 재료는 용융되고, 용융된 재료는 용융된 재료를 급속히 급냉시키는 고속 롤러상에 부어진다. 급냉된 재료는 롤러로부터 리본으로서 사출된다. 납땜 포일은 Wesgo and Allied Signal Company와 같은 다양한 공급원으로부터 시중에서 입수할 수 있다. 일반적으로, 납땜 포일은 상술한 생형 납땜 테이프와 상이하며, 포일은 터블레이션의 도포전에 그리고 기판에 융합시키기 전에 소결되고 응고된 형태로 된다.
터블레이션 분말은 납땜 포일의 제 1 표면에 도포된다. 일반적으로, 분말은 생형 납땜 테이프를 구현하는 상술한 실시예에 대해 설명한 분말과 동일한 특성을 갖고 있다. 이 경우에, 분말은 기판 금속의 것과 유사한 재료로 형성되며, 상기 기판 금속은 납땜 합금의 것과 유사하다. 따라서, 분말은 통상 니켈계이며, 상술한 바와 같이 분자식 MCrAlY의 조성물을 가질 수 있다. 상술한 기술은 열 분사 또는 주조와 같이 분말을 도포하는데 이용될 수 있다.
통상적으로, 접착제는 터블레이션 분말을 도포하기 전에 포일의 제 2 표면에 도포된다. 접착제는 상술한 바와 같이 선택되며, 접착제는 금속 포일을 접착하고 다음 융합 단계 동안에 완전히 휘발된다. 예시적인 접착제는 폴리에틸렌 산화물 및 다양한 아크릴과 같은 상술한 것과 같다. 접착제를 도포하기 위한 기술은 상술한 것과 유사하거나 동일하다.
더욱이, 분말 미립자는 기판 표면에 대한 필요한 열전달 특성에 의거하여 상술한 바와 같이 운반 및 정렬된다. 유사하게, 분말 미립자는 또한 다양한 기술에 의해서 포일의 표면상에 패턴화된다.
몇몇 경우에, 포일이 부착될 기판 표면은 만곡된다. 이러한 경우에, 동일한 곡률을 가진 포일을 제공하는 것이 바람직하다. 비교적 얇은 포일이 기판의 곡률을 일치시키도록 쉽게 굽혀진다. 보다 두꺼운 두께의 포일은 통상 가요성이 없지만 다른 기술에 의해 형상화될 수 있다. 일 예로서, 제거가능한 지지 시트가 제조 동안에 이용될 수 있으며, 이 시트는 기판의 소망하는 곡률을 갖고 있다. 납땜 재료는 예를 들면 열 분사 또는 주조(예를 들면, 결합제 없이 액체 금속 주조 또는 결합제를 구비한 분말-슬러리 주조)와 같은 상술한 기술에 의해서 지지 시트에 용착될 수 있다. 다음에, 터블레이션 분말은 상술한 것과 같이 포일상에 용착될 수 있다. 소망하는 곡률을 가진 터블레이션-함유 포일은 지지 시트로부터 분리될 수 있다(선택적으로, 터블레이션 분말은 지지 시트가 제거된 후에 포일 표면에 도포될 수 있다).
터블레이티드 납땜 포일은 터블레이션이 형성될 기판상의 부위에 적당한 크기로 절단된다. 다음에, 포일은 기판의 그 부분에 부착된다. 예를 들면, 포일의 제 1 표면, 즉 터블레이션 분말로 코팅된 표면에 대향된 표면은 접착제 시트 또는 접착제 조성물로 기판에 부착된다. 기판 금속에 포일을 부착시키기에 적당한 모든 접착제는 융합 단계 동안에 완전히 휘발되는 것은 모두 적당하다. 예시적인 접착제는 상술한 것과 같다.
선택적으로, 납땜 포일은 기계적 수단에 의해 부착된다. 몇몇 바람직한 실시예에 있어서, 포일은 일부 위치(스폿 용접)에서 기판 표면에 국부적으로 용접된다. TIG(텅스텐 불활성 가스) 용접, 저항 용접, 가스 용접(예를 들면 토치로); RF(무선 주파수) 용접; 전자-비임 용접; 저항 용접 및 IR 램프 방법과 같은 다양한 가열 기술이 이용될 수 있다.
다음에, 기판에 포일을 융합시키는 것은 상술한 바와 같이 이뤄지며, 이러한 단계 동안에 납땜이 이용된다. 다시 납땜 온도는 포일에 대해 이용되는 납땜 합금의 형태에 따라 부분적으로 달라지며, 전형적으로 약 525℃ 내지 약 1650℃의 범위이다. 상술한 바와 같이 니켈계 납땜 합금의 경우에, 납땜 온도는 약 800℃ 내지 약 1260℃의 범위가 통상적이다. 융합 단계는 상술한 바와 같이 기판에 포일을 융합시키는 것이며, 진공 노에서 실행될 수 있다. 선택적으로, 납땜은 토치를 이용하여 성취될 수 있거나, 포일을 기판, 선택적으로 진공 노에 융합시키는데는 다른 가열 기술(예를 들면 상술한 용접 기술)이 이용될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 기판은 슬러리 형태의 재료의 층으로 코팅된다. 즉, 상술한 실시예와 대조적으로, 납땜 시트(생형 납땜 테이프 또는 납땜 포일의 형태)는 이용되지 않는다. 오히려, 기판의 표면에 액체 매체, 납땜 합금 분말 및 터블레이션 분말을 함유하는 슬러리가 직접 도포될 수 있다. 슬러리는 건조되고, 다음에 코팅된 기판은 납땜이 연화되어 터블레이션 분말을 기판에 접착하는 필름을 형성하도록 가열된다. 선택적으로, 슬러리는 결합제를 함유할 수 있으며, 액체 매체는 결합제를 위한 솔벤트로서 기능을 할 수 있다. 슬러리를 건조시킨 후 그리고 코팅된 구성요소를 노로 운반하는 것과 같이 융합전에 구성요소를 취급해야 할 필요가 있는 경우에 결합제를 이용하는 것이 바람직하다.
액체 매체는 물과, 아세톤, 톨루엔 또는 각종 크실렌과 같은 유기 성분, 또는 물 및 유기 성분의 혼합물일 수 있다. 터블레이션 분말, 납땜 합금 분말 및 결합제는 상술한 재료로 형성될 수 있다. 예를 들면, 터블레이션 분말은 니켈, 코발트, 철 및 구리로 구성되는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 요소를 포함하는 것이 일반적이다. 일 실시예에 있어서, 터블레이션 분말은 분자식 MCrAlY에 따른 조성물을 가지며, 상기 분자식에서 "M"은 Fe, Ni 또는 Co 또는 이들의 조합물의 금속이다. 일반적으로 MCrAlY 재료는 약 17.0 내지 23%의 크롬; 약 4.5 내지 12.5%의 알루미늄 및 약 0.1 내지 1.2%의 이트륨의 조성물 범위를 가지며, M은 평형제를 구성한다. 일 실시예에 있어서, M은 Ni이다. 예로서, 결합제는 폴리에틸렌 산화물 및 다양한 아크릴과 같은 수성계 유기 재료(또는 재료의 조합물)를 포함한다. 솔벤트계 결합제가 또한 이용될 수 있다.
슬러리 자체는 터블레이션 분말, 납땜 합금 및 결합제를 함유하는 것이 일반적이다. 납땜 합금의 양은 기판에 터블레이션 분말의 미립자를 접착시기에 충분한 양, 예를 들면 약 1 내지 40중량%의 납땜 합금과 평형제(약 60 내지 99중량%)와 같이 터블레이션 분말에 비교하여 선택된다. 일반적으로, 결합제의 양은 슬러리의 약 1 내지 20중량%와 같은 결합제의 연소의 체적을 최소화하는 동시에 취급을 위한 충분한 습태 강도를 보장하는 양으로 존재한다.
상술한 실시예에 있어서, 융합후 구성요소의 구조체는 구성요소의 외부 표면의 일부분을 형성하는 응고된 납땜 필름과, 그 표면을 지나서 연장되는 돌기를 포함한다. 돌기는 일반적으로 개별 미립자로 구성되는 미립자 위상으로 제조된다. 미립자는 미립자가 거의 또는 전혀 적층되지 않는 단층, 또는 선택적으로 몇몇 미립자가 서로 적층될 수 있는 미립자의 클러스터로 배열될 수 있다. 따라서, 융합후에, 처리된 구성요소는 그내에 매몰된 미립자 위상을 가진 납땜 합금의 필름에 의해 규정된 외부 표면을 구비한다. 납땜 합금의 필름은 연속적인 매트릭스 위상을 형성할 것이다. 본 명세서에 있어서, "연속적인" 매트릭스 위상은 미립자 사이 또는 미립자의 클러스터 사이에서 기판의 처리된 영역을 따라 비차폐된 필름을 가리킨다. 선택적으로, 납땜 합금의 필름은 연속적이 아니라, 오히려 기판에 개별 미립자를 접착시키도록 국부적으로만 존재한다. 이러한 경우에, 납땜 합금의 필름은 개별 미립자 또는 미립자의 클러스터를 둘러싸는 국부적인 필렛의 형태로 존재한다. 양 경우에, 필름의 얇은 부분은 터블레이션 분말의 미립자를 코팅 또는 부분적으로 코팅하도록 연장될 수 있다.
도 1은 융합후의 본 발명의 일 실시예를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 구성요소(20)는 내부 캐비티(22)를 구비하며, "배면측" 냉각제 유체는 상기 캐비티를 통해 통과된다. 구성요소(20)의 내부 표면은 상술한 바와 같은 기술중 어느 하나에 따라 처리되어서, 연속적인 매트릭스 위상 그리고 터블레이션 재료로 구성되는 개별 미립자 위상(26)을 형성하는 납땜 합금 필름(24)을 형성하게 된다. 도 1에서, 미립자 위상의 미립자는 랜덤하게 배열되지만, 선택적으로 상술한 바와 같이 소정의 패턴에 따라서 배열될 수도 있다. 구성요소(20)는 원통형 형태를 갖도록 부분적으로 절단되어 도시되어 있는 반면에, 예를 들면 종래 기술의 터빈 엔진의 상태의 구성요소의 많은 형상 및 사이즈중 어느 하나를 취할 수 있다. 터블레이션이 구성요소(20)의 내부 표면상에 도시되어 있지만, 고온 가스가 내부 캐비티를 통해 이동하고 그리고 냉각 유체가 외부 표면상으로 통과되는 구성요소에서 외부에 제공될 수도 있다.
기판으로부터 측정할 때 돌기의 평균 높이(h)는 터블레이션 재료의 미립자의 평균 미립자 사이즈로서, 예를 들면 약 125미크론 내지 약 4000미크론 또는 약 150미크론 내지 약 2050미크론 정도가 일반적이다. 또한, 높이(h)는 약 180미크론 내지 약 600미크론의 범위내에 있다. 기판에 중첩되는 납땜 합금 필름(24)의 두께는 적당한 거칠기를 확보하도록 그리고 미립자 위상(26)에 의해 제공된 표면적의 증가를 확보하도록 통상 선택되는 동시에 미립자를 기판에 적당히 부착하는 것도 보장한다. 두께는 약 20미크론 내지 100미크론, 보다 바람직하게 30미크론 내지 70미크론 정도일 수 있다. 일 실시예에 있어서, 두께는 대략 50미크론이다. 납땜 합금 필름(24)은 도 1에 도시된 얇은 층을 주로 형성하지만 미립자 위상(26)의 개별 미립자에 중첩하는 얇은 코팅을 형성할 수도 있다는 것이 자명하다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 돌기는 터블레이션 분말의 개별적인 별개 미립자가 아니라 몰드를 사용하여 납땜 판상에 형성될 수 있다. 몰드는 돌기의 사이즈 및 형상을 모사하기에 적당한 리세스(그 주 표면중 하나내에 있음)를 포함한다. 몰드는 고무(예를 들면 RTV 복합물) 또는 모든 합성 재료의 시트일 수 있다. 선택적으로, 몰드는 세라믹 또는 금속 재료로 형성될 수 있다. 이러한 형태의 몰드 자체는 본 기술 분야에 공지된 기술에 의해 현재의 터블레이션 표면으로부터 제조될 수 있다.
본 실시예에 대한 몰드 기술중 하나는 "생형 주조(green casting)"라고 할 수 있다. 이러한 기술에 따르면, 몰드의 리세스는 슬러리 재료로 충전된다. 슬러리는 액체 매체, 터블레이션 분말, 납땜 합금 분말 그리고 선택적으로 결합제를 포함한다. 액체 매체는 합금 및 결합제의 혼합을 향상시키는데 효과적인 결합제용의 솔벤트로서 기능을 한다. 액체 매체는 물과, 아세톤과 같은 유기 성분과, 톨루엔, 이소프로판올 또는 다양한 크실렌과 같은 방향족 솔벤트, 또는 물과 유기 성분의 혼합물을 포함한다. 납땜 합금 및 터블레이션 재료 조성물은 상술한 바와 같이 될 수 있다. 또한, 적당한 결합제는 예를 들면 수성계 유기 재료 또는 솔벤트계 결합제와 같은 것으로 다른 실시예에 대해서 기술한 것과 같다.
리세스는 주조 또는 인두와 같은 모든 종래의 기술에 의해 슬러리로 충전될 수 있다. 때때로, 스테아르산염 또는 실리콘계 재료와 같은 적은 양의 이형제가 슬러리로 충전되기 전에 리세스의 표면의 모두 또는 일부에 도포되어 적당한 시간에 몰드로부터 분리되는 것을 촉진시킬 수 있다.
다음에, 충전된 몰드의 개방 면은 상술한 바와 같이 생형 납땜 테이프 또는 납땜 포일일 수 있는 납땜 시트의 표면을 향해 통상 위치되어 있다. 시트 표면은 이에 도포된 접착제 층을 구비하여 성형된 돌기 및 시트 사이의 접착력을 향상시킬 수 있다. 다음에, 몰드는 시트를 당기거나 절단하여 노출된 돌기를 잔류시킬 수 있다.
선택적으로, 납땜 테이프는 터블레이션 분말 및 납땜 합금으로 충전된 몰드의 개방 면상의 "원위치"에 형성될 수 있다. 즉, 테이프 형성 금속 분말, 결합제 및 선택적으로 솔벤트의 슬러리가 몰드의 개방 면에 도포될 수 있다. 슬러리내의 휘발성 재료의 증발은 생형 상태의 테이프에 이뤄진다. 슬러리는 증발율을 증가시키도록 가열될 수 있다. 다음에, 몰드는 기판에 도포되기 전후에 돌기를 노출시키도록 제거될 수 있다.
또다른 변형예로서, 납땜 포일은 금속 또는 세라믹 몰드와 같은 몰드의 개방 면상에 원위치에 형성될 수 있다. 이러한 변형예는 터블레이션 재료를 용융된 형태로 예를 들면 열 분사 기술 또는 주조(여기에서, 통상적으로 액체 금속 주조)중 하나에 의해 몰드의 개방 면상에 용착시킴으로써 실행될 수 있다. 몰드내의 리세스가 충전된 후에, 예를 들면 약 125미크론까지의 납땜 합금의 얇은 층이 주조 또는 열 분사에 의해 몰드상에 도포될 수 있다(때때로, 충전된 몰드의 표면은 납땜 합금의 용착전에 수평 상태로 접지될 수 있다). 돌기는 몰드의 제거후에 얇은 납땜 합금 시트에 부착되어 유지된다.
몰드내의 리세스를 충전하기 위한 슬러리와 관련하여, 납땜 합금은 납땜 합금 액체 매트릭스내의 터블레이션 분말의 액체 위상 소결을 촉진시키고 그리고 납땜 합금의 용융된 풀내의 소결 동안에 돌기가 붕괴되지 않게 하는 양으로 존재한다. 납땜 합금의 양은 예를 들면 약 1 내지 40중량%의 납땜 합금과 평형제(약 60 내지 99중량%) 터블레이션 분말과 같이 터블레이션 분말에 대해서 선택된다. 결합제의 양은 슬러리의 약 1 내지 20중량%와 같이 결합제 연소의 체적을 최소화하면서 취급할 수 있는 충분한 습태 강도를 확보하는 양으로 존재하는 것이 통상적이다.
본 실시에의 상기 예에 있어서, 터블레이션 분말의 미립자 사이즈는 돌기가 미립자 그룹으로 형성되기 때문에 이와 관련하여 상술한 바와 같이 크게 될 필요가 없다. 일반적으로, 미립자 사이즈는 약 10미크론 내지 약 2000미크론과 같은 약 1미크론 내지 약 4000미크론, 바람직하게 약 500미크론 이하의 범위내에 있다.
이들 터블레이션 몰드가 어느것이 이용되는가에 상관없이, 최종 제품은 구성요소를 부착시키기 위해 납땜 재료상에 위치된 소망하는 돌기를 포함하는 납땜 판의 형태인 재료 층이다. 부착 방법은 납땜 판이 납땜 테이프 또는 납땜 포일인가 따라서 부분적으로 달라지며, 각각의 경우에 적당한 기술은 상술되어 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 돌기를 포함하는 납땜 판의 정면 사시도이다. 도시된 바와 같이, 납땜 판(10)은 냉각제 매체에 노출되게 제공되는 돌기(12)를 포함한다. 돌기는 대체로 반구형 형상인 것으로 도시되어 있지만, 이들 돌기는 소망하는 열전달 성능을 얻기 위해서 소망하는 거칠기 및 표면적 특성에 부합하도록 다른 형상으로 될 수 있다.
도 3은 기판(8)에 도포된 것으로 도 2에 도시된 납땜 판(10)의 부분 단면도이다. 도시된 바와 같이, 납땜 판(10)의 돌기(12)는 상술한 실시예의 돌기와 유사하게 약 150미크론 내지 2050미크론과 같이 약 125미크론 내지 약 4000미크론 정도의 높이(h)를 갖고 있다. 높이는 약 180미크론 내지 약 600미크론의 범위내에 있을 수 있다. 돌기는 터블레이션 분말의 단단히 채워된 과립 또는 미립자(14)로 제조된다. 납땜 합금(16)은 기판에 중첩하는 얇은 필름을 형성하며, 또한 돌기내의 터블레이션 분말의 미립자(14) 사이의 공간을 충전한다. 미립자(14) 사이의 과립간 위상을 형성하는 납땜 합금은 기공을 감소시킴으로써 돌기를 통한 효율적인 열전달을 확보하는데 효과적이다.
상술한 바와 같이, 터블레이션의 사이즈 및 패턴은 소정의 상황에 대해서 최대 열전달을 제공하도록 쉽게 조정될 수 있다. 통상적으로, 돌기는 몰드 리세스의 형상이나, 설명하는 것과 다른 실시예에 따른 터블레이션 분말의 미립자의 형상을 가정하면 실질적으로 형상이 반구형이다. 원뿔, 절두원추형, 핀 또는 지느러미형 돌출형과 같은 다른 형상도 가능하다. 기판의 ㎠당 돌기의 개수는 그 사이즈와 형상과 같은 다양한 인자에 따라서 달라진다. 일 실시예에 있어서, 돌기의 개수는 미립자 기판 표면, 즉 작은 내부 냉각 채널 표면으로부터 예를 들면 터빈 엔진 구성요소의 노출된 표면 전체까지의 범위에서 본 발명의 실시예에 따라서 처리된 기판의 미립자 영역의 약 40% 내지 약 95%를 커버하기에 충분하다.
본 발명의 실시예에 따른 터블레이션 재료를 도포하는 것은 기판의 표면적을 증가시키는데 효율적이다. 예를 들면, A/A0는 적어도 약 1.05이며, 전형적으로 적어도 약 1.20이며, 여기에서 A는 구성요소의 처리된 영역의 표면적이며, A0는 비처리된 형태(대체로 부드러운 표면)에서 구성요소의 적은 영역의 표면적이다. A/A0는 약 4.0 이하, 전형적으로 약 2.5 이하이다.
납땜 합금은 접착제의 바람직한 부류로서 상술한 실시예와 관련하여 상술하였지만, 다른 접착제가 이용될 수 있다. 예를 들면, 고온 에폭시는 보다 낮은 작동 온도에 노출된 비초합금 성분과 같은 낮은 수요 환경에서 이용될 수 있다.
대부분의 실시예에 있어서, 터블레이션(즉, 돌기에 의해 제공된 "거칠기")은 하부 성분에 대한 열전달 특성을 향상시키기 위해 제공된다. 다음에, 향상된 열전달 특성은 구성요소의 특정 영역에 대한 소망하는 온도 감소가 이뤄지게 하고, 이에 의해 소망하는 열 응력을 감소시킨다. 더욱이, 돌기의 사이즈 및 공간을 맞게 수정함으로써, 열전달 향상이 또한 조정될 수 있어서, 구성요소에 대한 열 및 응력 구배를 감소시킬 수 있다.
본 발명의 실시예는 와이어-분무 터블레이션에서의 열전달을 개선한다. 예를 들면, 본 발명의 실시예는 40,000의 제트 레이놀즈 수에서 약 1.60 이상과 같은 1.52 이상의 열전달 증대를 제공한다. 반대로, 와이어 분무 기술은 40,000의 제트 레이놀즈 수에서 1.3 내지 1.52 정도의 열전달 증대를 갖는 터블레이션을 형성하는 것으로 나타났다. 본 발명의 미립자 실시예는 40,000의 제트 레이놀즈 수에서 약 1.70 내지 약 1.82의 열전달 증대를 갖는다. 열전달 향상은 부드러운 비처리된 표면을 가리키는 것으로 1.0까지 정상이다. 열전달 값은 온도 측정을 위해 터블레이티드 기판내로 열전쌍을 삽입하여 측정된다. 충돌포집 플레이트는 터블레이티드 기판상에 장착되며, 선택된 열량은 터블레이티드 기판의 대향 측면, 즉 돌기가 없는 측면에 가해진다. 냉각제 공기는 충돌포집 플레이트내의 구멍을 통해서 터블레이티드 표면상으로 송풍된다. 선택된 온도에서 터블레이티드 표면을 유지하는데 필요한 에너지양이 측정된다(필요한 온도가 높으면 높을수록 열전달 향상이 크게 된다). 다음에, 처리된 샘플은 부드럽고 비처리된 베이스라인 샘플과 비교된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 기판의 표면에 밀접하게 터블레이션을 유지시킴으로써, 냉각된 표면에 교차하는 냉각제 매체 유동의 압력 강하가 감소되며, 지느러미형 돌출부 냉각 효율이 개선된다. 예를 들면, 일 실시예에 있어서 터블레이션의 높이는 600미크론 이하, 보다 바람직하게 약 375미크론 이하로 유지된다. 미립자 사이즈는 터블레이션 재료가 지느러미형 돌출부 효율을 개선하도록 표면에 근접하게 되는 것을 보장하도록 약 600미크론 이하, 보다 바람직하게 약 375미크론 이하일 수 있다.
온도 측정이 충돌포집 냉각(기판의 표면에 수직인 냉각제 공기 유동)과 관련하여 이뤄졌지만, 실제적인 이용으로 대류(기판의 표면에 평행한 냉각제 공기 유동)에 의해 냉각이 실행될 수도 있다.
더욱이, 본 발명의 실시예는 종래의 와이어-분사 터블레이션에서 산화 방지를 현저히 개선하는 것으로 나타난다. 샘플은 실온과 2,000℉ 사이에서 열적으로 사이클링되며, 2,000℉에서 45분 유지된다. 사이클링은 200 노 사이클에서 터블레이티드 표면의 산화가 전혀 없고, 400 노 사이클에서 단지 약간 산화되는 것으로 드러났다. 반대로, 와이어-분무 터블레이션은 200 노 사이클에서 상당한 산화를 발생하여 터블레이션이 빨리 부서지게 하는 것으로 나타났다.
상술한 바와 같이, 터블레이션은 고온 환경에서 이용되는 구성요소를 향해 또는 가로질러 배향되도록 냉각제 매체와 결합하여 통상 사용되고 있다. 냉각제 매체는 통상적으로 공기이지만, 물과 같은 다른 액체로도 구성될 수 있다.
실시예
하기의 실시예는 단순히 예시이며, 특허청구범위의 영역을 어떠한 종류로도 제한하도록 구성된 것이 아니다. 모든 비율은 달리 표시되지 않으면 중량%로 나타낸 것이다.
실시예 1
판매되는 납땜 테이프, 즉 Amdry(등록상표)100(조성 : 10중량%의 실리콘, 19중량%의 크롬, 평형제 니켈)이 본 실시예에 이용된다. 테이프는 약 25 내지 50미크론의 두께를 가지며, 매우 얇은 유기 접착제로 코팅되어 있다. 굵은 NiCrAlY 본드 코트 분말이 이용되며, 이 분말의 대략적인 조성은 68중량%의 Ni, 22중량%의 Cr, 9중량%의 Al 및 1중량%의 Y이다. 분말은 50 내지 80메시, 즉 180 내지 300미크론의 평균 입자 사이즈(직경)를 가지며, 납땜 테이프 표면에 수동으로 도포된다. 다음에, 테이프는 약 5㎝×5㎝의 사이즈로 절단되고, 니켈계 초합금으로부터 형성된 터빈 엔진 성분의 노즐 캐비티 표면의 일부분에 부착된다. 다음에, 솔벤트(아세톤)는 테이프상에 분무되어서 테이프를 가소화시키고, 공형되게 하고, 캐비티 표면에 단단히 부착되게 한다.
다음에, 노즐 캐비티는 약 10-5torr에서 유지되는 진공 노를 이용하여 약 2150℉(1177℃)의 납땜 온도에서 진공 납땜된다. 터블레이션 분말은 캐비티 표면에 완전히 융합된다. 표면은 터블레이션의 존재로 인해 거친 텍스쳐를 나타낸다. 돌기는 실질적으로 반구형 형상이다. 측정된 Ra 값은 약 2.7밀(68.6미크론)이며, Rz 값은 약 13.5밀(343미크론)이다. 20,000의 제트 레이놀즈 수에서 1.7 열전달 증대가 측정되었으며, 40,000의 제트 레이놀즈 수에서 1.9 열전달 증대가 측정되었다.
실시예 2
실시예 1에 이용된 NiCrAlY 본드 코트 분말의 형태가 본 실시예에 이용된다. 분말은 표면의 패턴을 형성하도록 40메시 스크린(425미크론 미립자 사이즈 최대)을 통해 납땜 테이프 표면(접착제로 코팅됨)에 도포된다. 다음에, 테이프는 절단되고, 이전 실시예에서와 같이 노즐 캐비티 표면의 일부분에 부착된다. 진공 납땜이 실시예 1에서와 같이 실행되어, 소망하는 패턴으로서 캐비티 표면에 터블레이션을 융합한다. 예를 들면 실시예 1에서와 같이 실행된 열전달 측정은 40,000의 제트 레이놀즈 수에서 1.9의 열전달 증대 값을 나타냈다.
실시예 3
실시예 1에서와 동일한 합금을 구비하는 납땜 포일이 본 예에서 이용된다. 포일은 약 5㎝×5㎝의 사이즈로 절단된다. 접착제의 패턴화된 층은 포일 표면상에 스크린 프린트된다. 다음에, 실시예 1에서 사용된 NiCrAlY 본드 코트 분말이 접착제-피복된 표면상에 수동으로 분산된다. 잉여 분말이 표면으로부터 제거된 후에, 포일은 노즐 캐비티 표면의 일부분상에 스폿 용접되며, 실시예 1에서와 같이(동일한 납땜 조건)에 진공 납땜된다. 실시예 2에서와 같이, 패턴화된 터블레이션은 캐비티 표면에 완전히 융합된다. 20,000의 제트 레이놀즈 수에서 열전달 증대가 측정되며, 40,000의 제트 레이놀즈 수에서 1.9 열전달 증대가 측정된다.
터블레이션이 노즐 캐비티에 도포된 후에, 광범위한 다른 성분이 또한 처리될 수 있다. 예를 들면, 다른 초합금 구성요소는 연소기 라이너, 연소기 돔, 버킷 또는 블레이드나, 또는 슈라우드를 포함한다. 또한, 보다 낮은 온도 적용시에 사용되는 비초합금 구성요소가 처리될 수 있다. 예를 들면, 플랜지, 케이싱 및 링을 포함하는 슈라우드 간극 제어 영역이 처리될 수 있는 것이 유리하다. 이들 실시예에 있어서, 터블레이션을 이용하여 유로 슈라우드의 직경의 보다 정확한 제어가 이뤄지며, 이에 의해 블레이드 팁과 슈라우드 표면 사이의 간극을 감소시키며, 효율을 증가시킨다. 이러한 구성요소의 재료용의 보다 낮은 온도 요구조건과 관련하여, 납땜 합금은 예를 들면 고온 에폭시 또는 솔더와 같은 다른 접착제로 대체될 수 있다. 터블레이션 재료를 도포하는 것은 상술한 바와 같이 접착제 및 터블레이션 재료를 함유하는 슬러리에 의해 그리고 납땜 판에 의해 이뤄질 수 있다.
상술한 바와 같이, 용어 "터블레이션"이란 처리된 구성요소를 통한 열전달을 증가시키는데 효과적인 다수의 돌기로 구성되는 거친 표면을 가리키는데 이용된다. 몇몇 실시예에 있어서 거친 표면은 외형이 사포형으로 된다. 열전달의 증가는 처리된 구성요소의 증가된 표면적으로 인해 크게 되는 것으로 믿어진다. 또한, 터블레이션은, 터블레이션 재료가 큰 미립자 사이즈 재료로 주로 형성된 표면을 따라서 층류에서 난류로와 같은 냉각 매체 유동 특성을 변경시킴으로써 열전달을 또한 증가시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 쉽게 접근할 수 없는 표면에 터블레이션을 도포할 수 있게 하여 개선된 열전달을 제공하는 방법이 제공된다. 본 발명의 실시예는 다양한 사이즈 및 형상과 필요하다면 패턴의 돌기의 형성이 가능하게 한다. 또한, 터블레이션 재료와, 납땜 합금과 같은 접착제를 이용하는 본 발명의 실시예에 따르면, 고온에서 산화 및 부식에 대한 저항성이 향상될 뿐만 아니라 개선된 열전달 효율을 성취할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 설명하였으며, 본 발명의 정신을 벗어남이 없이 본 기술 분야에 숙련된 자들에 의해 다른 실시예가 이뤄질 수 있다. 따라서, 본 발명의 영역은 첨부된 특허청구범위에 의해서만 제한된다.
본 발명예에 따르면, 쉽게 접근할 수 없는 표면에 터블레이션을 도포할 수 있게 하여 개선된 열전달을 제공하는 방법이 제공된다. 본 발명의 실시예는 다양한 사이즈 및 형상과 필요하다면 패턴의 돌기의 형성이 가능하게 한다. 또한, 터블레이션 재료와, 납땜 합금과 같은 접착제를 이용하는 본 발명의 실시예에 따르면, 고온에서 산화 및 부식에 대한 저항성이 향상될 뿐만 아니라 개선된 열전달 효율을 성취할 수 있다.

Claims (28)

  1. 제품에 있어서,
    초합금 기판과,
    접착제에 의해 상기 초합금 기판의 표면에 접착된 터블레이션 재료(turbulation material)를 포함하는 제품.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 터블레이션 재료는 상기 초합금 기판의 표면을 지나 연장되며, 다수의 돌기(a plurality of protuberance)를 형성하는 제품.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 접착제가 납땜 합금을 포함하는 제품.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 납땜 합금이 기판의 표면상에 한 층을 형성하며, 상기 터블레이션 재료는 납땜 합금의 층에 매몰되는 제품.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 납땜 합금의 층은 연속적인 매트릭스 위상을 형성하는 제품.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 터블레이션 재료는 금속 합금을 포함하는 제품.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 금속 합금은 니켈, 코발트, 알루미늄, 크롬, 실리콘, 철 및 구리로 구성되는 그룹으로부터의 적어도 하나의 요소를 포함하는 제품.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 금속 합금이 조성물 MCrAlY를 구비하며, 여기에서 "M"은 철, 니켈 및 코발트로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 재료를 포함하는 제품.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 초합금 기판이 니켈계 또는 코발트계 초합금을 포함하는 제품.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 접착제가 납땜 합금을 포함하며, 상기 납땜 합금은 니켈, 코발트, 철, 귀금속 및 이들의 혼합물로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 금속을 포함하는 제품.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 납땜 합금이 납땜 합금의 용융점을 낮추기 위한 성분을 포함하는 제품.
  12. 제품에 있어서,
    기판과,
    상기 기판의 표면에 접착되고, 약 125미크론 내지 약 4000미크론 범위내의 평균 미립자 사이즈를 가진 개별 금속 합금 미립자의 미립자 위상을 포함하는 터블레이션 재료를 포함하는 제품.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 금속 합금 미립자가 니켈, 코발트, 알루미늄, 크롬, 실리콘, 철 및 구리로 구성되는 그룹으로부터의 적어도 하나의 요소를 포함하는 제품.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 금속 합금 미립자가 MCrAlY를 구비하며, 여기에서 "M"은 철, 니켈 및 코발트로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 재료를 포함하는 제품.
  15. 제 14 항에 있어서,
    "M"이 니켈인 제품.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 기판이 터빈 엔진 구성요소인 제품.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 터빈 엔진 구성요소가 연소기 라이너, 연소기 돔, 버킷, 노즐, 블레이드, 슈라우드, 베인 및 슈라우드 간극 제어 구성요소로 구성되는 그룹으로부터의 구성요소인 제품.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 터빈 엔진 구성요소가 초합금을 포함하며, 연소기 라이너, 연소기 돔, 버킷, 노즐, 블레이드, 슈라우드 및 베인으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 제품.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 터빈 엔진 구성요소가 슈라우드 간극 제어 구성요소인 제품.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 슈라우드 간극 제어 구성요소가 플랜지, 케이싱 및 링으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 제품.
  21. 슬러리에 있어서,
    액체 매체와,
    납땜 합금 분말과,
    약 125미크론 내지 약 4000미크론 범위내의 평균 미립자 사이즈를 가진 초합금 미립자를 포함하는 터블레이션 재료를 포함하는 슬러리.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 납땜 합금 분말이 니켈, 코발트, 철, 귀금속 및 그 혼합물로 구성되는 그룹으로부터의 적어도 하나의 금속을 포함하는 슬러리.
  23. 초합금 기판의 표면상에 터블레이션을 제공하는 방법에 있어서,
    상기 초합금 기판의 표면상에 한 층을 도포하는 단계로서, 상기 층은 납땜 합금 및 터블레이션 재료를 포함하는, 상기 도포 단계와,
    상기 초합금 기판의 표면상의 상기 층을 융합시키며, 이에 의해서 납땜 합금이 터블레이션 재료를 상기 초합금 기판에 접착시키는 단계를 포함하는 터블레이션 제공 방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 터블레이션 재료는 니켈, 코발트, 알루미늄, 크롬, 실리콘, 철 및 구리로 구성되는 그룹으로부터의 적어도 하나의 성분을 포함하는 터블레이션 제공 방법.
  25. 제 23 항에 있어서,
    상기 층이 납땜 판을 포함하는 터블레이션 제공 방법.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 납땜 판이 납땜 합금을 포함하는 금속 포일을 포함하며, 상기 터블레이션 재료가 금속 포일의 표면상에 제공되는 터블레이션 제공 방법.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 금속 포일이 약 0.1미크론 내지 약 250미크론의 범위내의 두께를 갖는 터블레이션 제공 방법.
  28. 제 23 항에 있어서,
    상기 융합 단계가 기판의 일부분을 국부적으로 가열시킴으로써 실행되는 터블레이션 제공 방법.
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