KR20010050754A

KR20010050754A - 활성화 발포체 기술을 이용한 피막의 형성 방법

Info

Publication number: KR20010050754A
Application number: KR1020000057350A
Authority: KR
Inventors: 박동실; 루드제임스안토니; 카르티에토마스죠셉쥬니어; 리그니죠셉데이비드; 파엔트너제프리알랜
Original assignee: 제이 엘. 차스킨, 버나드 스나이더, 아더엠. 킹; 제너럴 일렉트릭 캄파니
Priority date: 1999-10-04
Filing date: 2000-09-29
Publication date: 2001-06-15
Also published as: EP1091013A1; JP2001172775A; US6299935B1

Abstract

본 발명은 표면을 갖는 기재를 제공하고, 발포체 중에 현탁된 분말을 함유하는 발포체 현탁액으로 표면을 코팅하여 표면 상에 피막을 형성하고(이때, 피막은 활성화제를 갖는다), 기재를 확산 처리함을 포함하는, 기재의 코팅 방법에 관한 것이다.

Description

활성화 발포체 기술을 이용한 피막의 형성 방법{METHOD FOR FORMING A COATING BY USE OF AN ACTIVATED FOAM TECHNIQUE}

본 발명은 일반적으로 야금 공정에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 터빈 엔진 요소와 같은 기재를 위한 코팅 방법에 관한 것이다.

특정하게-배합된 다양한 피막이 종종 고온에 노출되는 금속 부품들, 예를 들면, 초합금으로 제조된 금속 부품들을 보호하기 위해 사용된다. 예를 들면, 알루미나이드 피막은 종종 초합금 물질의 내산화성 및 내식성을 개선하기 위해 사용된다. 알루미나이드 피막에서, 알루미늄은 그 표면 상에 산화 알루미늄(알루미나)을 형성하는데, 이것은 더 이상의 산화에 대한 보호막으로 작용한다. 상기 피막은 또한 초합금 기재와 열 차폐 코팅(thermal barrier coating; TBC) 사이에 결합 피막으로 작용할 수 있다.

새로 제조된 성분 및 복구중인 성분 둘 다에 대해 알루미나이드 층을 침착시키기 위한 여러 방법들이 이용가능하다. 상기 방법에는 증착 기술 및 당해 분야에 '충전 시멘트결합 공정(pack cementation process)'으로 알려져 있는 기술이 포함된다. 증기상 기술은 성분의 내부 및 외부 표면을 코팅하는데 적합하지만, 부가적인 가공 복잡성이 특정 용도에 문제가 될 수 있다. 충전 시멘트결합 공정은 성분의 내부 표면을 코팅하는데 효과적이지만, 이 공정은 값비싸고 시간 소모적이며, 일반적으로 복구중인 성분의 경우에 작업장으로부터 외부 수리 설비자에게 운송될 구성요소를 요구하는, 매우 특별한 장치를 필요로 한다.

따라서, 당해 분야에는 알루미나이드 피막을 형성하기 위한 보다 개선된 대안적 방법에 대한 요구가 존재한다.

본 발명의 목적은 터빈 엔진 부품과 같은 금속 기재, 특히 초합금 기재의 표면을 코팅하기 위한 개선된 방법을 제공하는 것이다.

도 1은 발포체 현탁액에 의한 코팅에 사용되는 S자형 공동의 횡단면도이다.

본 발명의 한 태양에 따르면, 기재의 표면을 코팅하는 방법은, 표면을 갖는 기재를 제공하고, 발포체 중에 현탁된 분말을 함유하는 발포체 현탁액으로 표면을 코팅하여 표면 위에 피막을 형성하고(이때, 피막은 활성화제를 갖는다), 기재를 확산 처리함을 포함한다.

본 발명의 태양들은 기재를 코팅하는 방법, 특히 기재의 내부 표면 상에 피막을 형성하는 방법에 관한 것이다. 기재는 전형적으로 합금으로 제조되며, 터빈 엔진 요소의 형태이다. 대표적인 기재는, 예를 들면, 인장 강도, 크리프 저항성, 내산화성 및 내식성의 견지에서 고온 성능에 대해 알려져 있는 초합금 물질로 제조된다. 초합금 성분은 전형적으로 니켈 또는 코발트가 초합금 중에서 중량 기준으로 최대 단일 원소인 니켈계 또는 코발트계 합금으로 제조된다.

예시적인 니켈계 초합금은 적어도 약 40 중량%의 니켈, 및 코발트, 크롬, 알루미늄, 텅스텐, 몰리브덴, 티타늄 및 철로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 성분을 포함한다. 니켈계 초합금의 예는 상표명 인코넬(Inconel, 등록상표), 니모니크(Nimonic, 등록상표), 렌(Rene, 등록상표)(예를 들면, 렌 80, 렌 95, 렌 142 및 렌 N5 합금) 및 우디메트(Udimet, 등록상표)로 지칭되며, 지향성으로 고형화된 단일 결정 초합금)로 지칭되며, 지향성으로 고형화된 단일 결정 초합금이 포함된다. 예시적인 코발트계 초합금은 적어도 약 30 중량%의 코발트, 및 니켈, 크롬, 알루미늄, 텅스텐, 몰리브덴, 티타늄 및 철로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 성분을 포함한다. 코발트계 초합금의 예는 상표명 헤이네스(Haynes, 등록상표), 노즈알로이(Nozzaloy, 등록상표), 스텔라이트(Stellite, 등록상표) 및 울티메트(Ultimet, 등록상표)로 지칭된다.

본원에서 사용된 바와 같은 "알루미나이드" 또는 "알루미나이드-함유"란 용어는 금속 합금(특히 초합금)을 코팅하는데 전형적으로 사용되거나, 또는 코팅 공정 중이나 후에 형성되는 다양한 알루미늄-함유 물질을 포함함을 의미한다. 비-제한 예로는 알루미늄, 백금 알루미나이드, 니켈 알루미나이드, 백금-니켈 알루미나이드, 내화성-도핑된 알루미나이드, 또는 이들 화합물 하나 이상을 함유하는 합금이 포함된다.

본 발명의 구체적인 태양들은 내부 표면의 코팅에 관한 것이지만, 내부 표면 및 외부 표면 둘 다 본원에 기재된 기술에 따라 코팅될 수 있다. 기재의 "내부 표면"이란 용어는 일반적으로 기재의 외부에 노출되지 않으며 기재의 외부로부터 접근하거나 처리하기가 어려운 표면 또는 표면 부분을 의미한다. 내부 표면은 공동 및 통로를 포함하지만, 전형적으로, 본 발명의 태양에 따라 처리되는 내부 표면은 각각 입구 및 출구를 갖는 연장된 개구부인 통로이다. "입구" 및 "출구"란 용어는 통로의 제 1 및 제 2의 마주보는 개구부들을 의미한다. 상기 용어들은 특정 시각 및 기재를 삽입하는 성분의 실제 사용중 통로를 통한 임의의 의도된 기체 흐름에 따라 임의로 반대쪽 개구부로 지정될 수 있다는 점에서 상대적이다. 기재는 터빈 엔진의 버킷, 블레이드 및 노즐을 포함하여, 에어포일(airfoil)의 경우에서와 같이, 다수의 내부 통로를 가질 수 있다.

통로는 전형적으로 높은 종횡비, 일반적으로 5 이상, 전형적으로는 약 10 이상의 종횡비를 갖는다. 본 발명의 특정 태양에 따르면, 종횡비는 약 20 이상, 예를 들면, 약 40 이상이다. 종횡비는 통로의 길이를 통로의 최소 횡단면 치수로 나눈 비로서 정의된다. 통로는 직선이거나, 또는 S자형 통로와 같이 복합 곡선 윤곽을 포함하여, 곡선 윤곽을 가질 수 있다. 그러한 경우, 통로의 길이는 양 끝(즉, 입구 및 출구) 사이의 직선 거리가 아니라, 통로의 실제 경로 길이로 정의된다.

"최소 횡단면 치수"란 용어는 횡단면으로 통로의 최소 치수를 의미한다. 환상 통로의 경우, 최소 횡단면 치수는 통로의 전체 길이를 따라 최소 횡단면적을 갖는 횡단면에서 취한 통로의 직경이다. 본 발명의 한 태양에 따르면, 내부 통로는 일반적으로 환상, 즉, 횡단면이 원형이며, 약 10 내지 약 400 밀 범위 이내의 최소 직경을 갖는다. 또한, 전형적인 내부 통로는 약 3 내지 약 30 인치 범위 이내, 예를 들면, 약 6 내지 약 20 인치의 길이를 갖는다.

본 발명의 한 태양에 따르면, 기재의 내부 통로 상에 피막을 형성하는 방법은 내부 통로를 따라 발포체 현탁액을 코팅함을 요한다. 발포체 현탁액은 발포체 담체에 현탁된 분말을 함유한다. 본원에서 사용된 바와 같이, "발포체 담체" 및 "발포체"이란 용어는 기포의 집합체를 형성하는 액체를 의미한다. 기포는 주위 공기 또는 이산화탄소와 같은 기체를 함유한다. 발포체는 유기 수지와 같은 액체를 진탕시키거나 위핑(whipping)시켜 액체를 저밀도를 갖는 발포체으로 발포시킴으로써 생성될 수 있으며; 발포체의 실제 부피는 발포 전의 기본 액체 부피의 약 1.5 내지 10 배일 수 있다. 또는, 발포체는 흔히 시판하는 폴리우레탄 발포체 밀폐제와 같이, 사용할 때까지 가압하에 유지되는 상업적으로 시판하는 제품일 수 있다. 발포체 담체의 조성은 후속의 열 처리 단계동안 실질적으로 완전한 연소(휘발)를 보장하도록 선택된다. 발포체 담체는 또한 물리적으로 안정해야 한다, 즉, 경과되는 작업 시간동안 원래의 기체 부피를 유지하거나, 또는 보다 바람직하게는, 기재의 내부 표면 상에 적용된 후 부피가 증가되어야 한다(즉, 주위 공기 중에서의 자가-팽창). 상기 안정성은 코팅 공정 동안 기재 상에 분말이 균일하게 분포되도록 한다. 폴리우레탄 발포체는 이러한 기준들을 충족시키며, 이산화탄소 기체를 폴리우레탄 액체 내에 유폐시킴으로써 부피를 증가시킨다.

한 태양에 있어서, 발포체 전구체의 현탁액을 내부 통로에 주입하거나 또는 내부 통로 상에 코팅한 후 전구체를 발포체으로 팽창시켜 표면을 등각 코팅한다. 전형적으로, 전구체는, 예를 들어, 유폐된 기포를 형성하는 전구체의 반응에 의해 자가-팽창된다. 예를 들면, 한 태양에서, 전구체는 수증기와 반응한다. 분말은 전형적으로 금속성이지만, 특정 용도에서는 세라믹과 같은 비-금속 분말을 사용할 수도 있다. 본 발명의 특정 태양에 따르면, 금속 분말은 터빈 엔진 요소 상에 알루미나이드 피막을 형성하기 위해 사용되는 알루미늄계 분말이다. 알루미늄 분말은 전형적으로 약 1 내지 약 75 ㎛ 범위 이내, 예를 들면, 약 1 내지 20 ㎛의 평균 입자 크기(d₅₀)를 갖는다. 한 특정 예에서, 분말은 약 7 ㎛의 평균 입자 크기를 갖는다. 발포체 현탁액은 발포체 현탁액의 목적하는 레올로지 성질, 피막 두께 등에 따라, 변하는 비율의 알루미늄 분말이 장입될 수 있다. 한 태양에서, 알루미늄 분말은 발포체 담체와 혼합될 때 원치 않는 응집을 방지하기 위해 발포체와 혼합되기 전에 슬러리 현탁액으로 존재한다. 한 태양에 따르면, 슬러리는 수용액 중에 약 30.0 내지 약 45.0 중량%의 알루미늄 분말을 함유한다. 슬러리는 또한 약 2.0 내지 약 8.0 중량% 범위 이내로 규소와 같은 추가의 분말을 함유할 수 있다. 한 특정 형태에서, 수용액은 크로메이트 및 포스페이트를 함유한다. 보다 특히, 슬러리는 약 1.0 내지 약 6.0 중량%의 크로메이트 및 약 15.0 내지 약 25.0 중량%의 포스페이트를 함유한다. 대체 태양으로, 슬러리는 수계 액체 매질보다는 오히려 금속 분말이 현탁된 유기 액체 매질을 함유하는 비-수성 슬러리이다. 유기 액체 매질의 예로는 톨루엔, 아세톤, 다양한 크실렌, 알칸, 알켄 및 그의 유도체들이 포함된다. 보다 전형적으로, 알루미늄 분말은 발포체와 직접 혼합된다. 알루미늄 분말은 일반적으로 10 중량부의 발포체에 대해 약 1 내지 20 중량부의 범위 이내로 발포체에 장입된다.

발포체는 다양한 기술에 의해 내부 표면 또는 표면들 상에 코팅될 수 있다. 주사기형 코킹 건을 사용하는 것과 같이, 수동 기술을 이용하여 발포체 현탁액을 가압하에 분배시켜 내부 통로를 충전시킬 수 있다. 전형적으로, 발포체 담체를 금속 분말과 혼합하여 발포체 현탁액을 형성하고, 이어서, 현탁액을 분배 수단에 장입한다. 또는, 발포체 담체 및 금속 분말은 예비-혼합되어 가압 용기 중에 유지될 수 있다. 이 경우, 주위 공기로 밸브를 열어주면, 발포체가 팽창되고 흘러나와 그 안에 현탁되어 있는 금속 분말을 운반한다. 코팅 효과는 온도 및/또는 시간의 함수로서 부피(보다 기체 부피)를 증가시키는 발포체 담체를 사용함으로써 더 증대될 수 있다. 분배 후에, 압축 기체 공급원으로부터와 같이, 통로를 통한 기체 흐름은 전형적으로 발포체를 통로 중으로 유입하도록 수행된다. 다른 경우에서는, 발포체 현탁액의 자가-팽창 성질과 커플링된, 발포체 현탁액의 방출로부터의 압력은 통로에 등각 피막을 형성하기에 충분하다.

통로를 코팅하는 기술의 특정한 상세 사항은 통로의 최소 및 최대 횡단면적, 통로의 길이, 금속계 피막의 원하는 두께, 표면 장력, 점도, 및 발포체 현탁액의 기타 레올로지 성질을 포함하여, 여러 파라미터를 기준으로 선택된다.

코팅 후에, 발포체 현탁액을 건조시키거나 경화시켜 현탁액의 액체 매질의 증발을 유도하고 금속-함유 피막을 형성한다. 건조는 실온에서 수행할 수 있지만, 건조 시간을 대략 수분으로 감소시키기 위해 승온을 이용할 수 있다. 폴리우레탄과 같은 유기 수지 발포체 담체의 경우, 발포체 현탁액을 더 가공하기 전에 경화시킨다. 건조 또는 경화는 온도의 느린 초기 상승 또는 건조를 조절하도록 유지된 온도를 이용하여, 소결 또는 베이킹 절차의 일부로서 수행될 수 있다.

피막의 두께는 발포체 담체 내의 알루미늄 분말의 농도를, 예를 들면, 10 중량부의 발포체에 대해 약 1 내지 20 중량부로 적절히 조절함으로써 조절될 수 있다. 또는, 침착된 물질의 두께를 증가시키기 위해 여러번의 발포체 주입을 수행할 수 있다. 일반적으로, 주입된 발포체는 주입 사이사이에 탈기시켜 발포체의 다음 주입을 조절한다. 한 태양에서, 각각의 주입 후에, 발포체를 탈기시킨 후 열 처리한다. 상기 공정에 의해, 일련의 단계들(주입, 탈기 및 열 처리)의 각각의 적용은 원래의 피막과 비슷한 값만큼 피막 두께를 증가시키는데 효과적이다. 예를 들면, 3가지의 일련의 단계들은 초기 두께의 약 3배(3X)의 피막을 제공한다. 단계들의 반복은 터빈 엔진 요소에 대한 알루미나이드 피막을 형성하는 경우에서와 같은 특정 용도에 유리하다. 이 경우, 전형적으로 평균 두께는 약 0.5 밀 이상, 예를 들면, 약 0.5 내지 약 10 밀이다.

건조 또는 경화 후에, 기재를 열 처리하여 피막을 소결 또는 베이킹함으로써 피막을 밀집화한다. 바람직하게, 열 처리 단계는 등각 피막을 형성하는데, 이것은 내부 표면을 폐쇄하거나 두께에 실질적인 변화를 갖지 않고, 피막이 적용되는 표면의 거의 전체에 부착되거나 거의 전체를 코팅한다. 예를 들면, 한 태양에서, 등각 피막은 약 0.4 내지 약 5.0 밀의 범위 내에서 변하는 두께를 갖는다. 상기 등각 피막은 전형적으로 금속계인데, 이때 금속 성분은 중량 기준으로 피막에서 최대의 단일 성분이거나, 또는 여러 금속 성분들의 합이 피막에서 최대 중량 비율을 이룬다. 금속 성분들로는 금속 원소 및 합금이 포함된다. 알루미늄계 피막이 터빈 엔진 요소 상에 확산 피막을 형성하기에 바람직하다.

수지 발포체 담체의 경우, 수지는 연소되거나 휘발된다. 열 처리 온도는 피막의 특정 물질 뿐 아니라 처리된 기재의 의도된 환경에 따라 크게 달라진다. 폴리우레탄과 같은 유기 수지의 경우, 약 300 내지 약 600 ℃의 온도를 사용할 수 있다.

열 처리의 일부로서 피막을 베이킹하거나, 또는 열 처리 단계 후 피막을 확산 처리하여 확산 피막, 보다 특히는 "고온" 알루미나이드 확산 피막을 형성할 수 있다. 전형적인 확산 온도는 일반적으로 1600 ℉(870 ℃) 이상, 예를 들면, 약 1800 ℉(982 ℃) 내지 약 2100 ℉(1149 ℃)의 범위 이내이다. 상기 확산 피막은 터빈 성분에 고온 산화 내성 및 내식성을 제공한다. 승온은 알루미늄이 용융되어 하부의 기재 중에 확산되어 다양한 금속간 화합물을 형성하게 한다. 니켈계 초합금 기재의 경우에, 알루미늄은 확산되어 니켈과 결합하여 니켈-알루미늄 피막을 형성한다. 몇몇 태양에서, 백금과 같은 귀금속을 본원에 기술한 바와 같은 알루미늄계 슬러리를 적용하기 전에 기재 위에 먼저 침착시킨다. 이 경우, 알루미늄은 확산되어 백금 알루미나이드 금속간 화합물 뿐 아니라, 니켈 알루미나이드 금속간 화합물 및 백금 니켈 알루미나이드 금속간 화합물을 형성한다.

하기 실시예는 예시적인 것이며, 본 발명의 청구 범위를 제한하는 것으로 간주해서는 안된다. 하기 실시예 중의 관 및 기구의 사용은 에어포일을 포함하여 터빈 엔진 요소와 같은 기재에서 전형적으로 발견되는 내부 통로를 모델로 한다.

실시예 1

알루미늄계 슬러리를 수동으로 폴리우레탄 발포체와 10:10 중량비로 혼합하여 발포체 현탁액을 제조하였다. 알루미늄 슬러리는 CFI 인코포레이티드에서 앨실(Alseal^R) 625의 명칭으로 시판한다. 폴리우레탄 발포체는 그레이트 스터프(Great Stuff^R)로서 상업적으로 시판하는 물질이며, 일반적으로 가정의 절연용으로 사용되며, 에어로졸 캔으로부터 분배되었다. 슬러리는 37.7 중량%의 Al, 4.2 중량%의 Si, 58.1 중량%의 크로메이트/포스페이트 용액의 공칭 조성을 가졌다. 이어서, 발포체 현탁액을 도 1에 도시된 바와 같이 125 밀의 공칭 직경 및 6 인치의 길이를 갖는 S자형 공동(20)을 포함하는 알루미늄 기구(10)에 주입하였다. 발포체 현탁액을 또한 105 밀의 공칭 직경 및 6 인치의 길이를 갖는 스테인리스 스틸 관에 주입하였다. S자형 공동 및 관을 사용하여 에어포일의 통로에서와 같이 터빈 엔진 요소에서의 코팅 양태를 모방하였다. 코킹 건에 현탁액을 장입하고 코킹 건의 방아쇠를 잡아당겨 발포체 현탁액을 공동 중으로 방출함으로써 주입을 수행하였다. 혼합 후 발포체 현탁액의 독립적인 샘플을 관찰한 결과 실온에서 4 내지 6 시간에 50 부피%의 팽창을 나타내었다.

이어서, 샘플을 실온에서 1 시간동안 정치시켜 폴리우레탄 발포체를 경화시킨 후 500 ℃에서 열 처리함으로써 폴리우레탄을 휘발시키고 연소시켰다. 생성된 피막은 약 1 내지 1.5 밀의 공칭 두께를 가졌다. 실제 터빈 엔진 요소의 피막을 이용한 공정을 고온 알루미늄 확산 처리와 같은 단계들을 이용하여 계속한다.

실시예 2

여러 알루미늄 발포체 현탁액을 알루미늄 분말(15 ㎛의 평균 입자 크기):폴리우레탄 발포체의 10:10, 15:10 및 20:10 중량비로 수동 혼합하였다. 10:10 현탁액은 실온에서 2 시간내에 혼합 부피로서 그 초기 부피의 100 부피% 팽창한 것으로 관찰되었다. 15:10 현탁액은 실온에서 2 시간내에 30 내지 35 부피% 팽창하였다. 20:10 혼합물은 어떤 감지할 만한 팽창도 나타내지 않았다.

15:10 발포체 현탁액을 30 psi에서 공기 주입에 의해 스테인리스 스틸 및 인코넬 관에 주입하였다. 발포체를 실온에서 1 시간동안 경화시켰다. 이어서, 각 유형의 관을 300, 400 및 500 ℃에서 베이킹하였다. 각각의 열 처리 동안, 발포체 담체는 관 밖으로 팽창되고 휘발되어 1 내지 1.5 밀의 공칭 두께를 갖는 알루미늄계 피막을 생성하였다.

실시예 3

실시예 2의 15:10 발포체 현탁액을 실시예 1의 S자형 공동에 주입하였다. 혼합물은 2 시간내에 전체 S자형 표면을 따라 등각 팽창을 나타내었다.

다음 예들은 피막에 활성화제의 사용을 포함함을 제외하고 상기 실시예 1 내지 3과 유사하다. 활성화제는 발포체 현탁액의 금속 원소, 일반적으로 알루미늄과 착화되는 종을 함유하며 코팅 균일성을 개선시키는 기능을 한다. 금속 원소를 함유하는 착체는 고온 확산 처리 중에 휘발되어 비교적 낮은 농도의 금속 원소를 갖는 피막 영역을 따라 침착되는 것으로 생각된다. 활성화제는 일반적으로 금속 원소와 착화되는 할라이드, 예를 들어, 불소, 염소, 요오드, 브롬을 포함한다. 활성화제의 특정 예로는 AlF₃, AlCl₃, NH₄F, NH₄I, NH₄Cl, NH₄Br 및 NH₄F·HF가 포함된다. 이들 활성화제는 AlX₃(여기서, X는 할라이드 원소이다) 착체를 형성한다. 활성화제는 또한 처리된 표면을 따라 세정 효과를 제공할 수 있다. 활성화제는 일반적으로 고온 확산 처리 전의 단계에서, 예를 들면, 발포체 현탁액과 함께 첨가되거나 또는 발포체 담체의 베이킹 단계 후에 첨가된다.

발포체 현탁액에 첨가되는 경우, 활성화제는 일반적으로 알루미늄 함량에 대해 효과적인 양으로 첨가된다. 예를 들면, 한 태양에서, 활성화제는 알루미늄에 대해 거의 약 1 내지 약 30 중량%의 양으로 첨가된다. 발포체의 베이킹 후에 피막에 첨가되는 경우, 활성화제는 일반적으로 보다 많은 양으로 첨가된다. 예를 들면, 피막 상에 침착된 활성화제의 양은 과잉의 활성화제(일반적으로 용액으로 첨가됨)를 배수시킨 다음 건조시킨 후 성분을 계량함으로써 산출할 수 있다. 태양들은 NH₄Cl을 알루미늄 함량에 대해 약 80 또는 90 중량% 이하의 양으로 함유하는 것으로 측정되었다.

실시예 4

렌 N5 관(0.300 인치 내경 x 0.050 인치 벽)을 약 2 인치의 길이로 절단하고, 이소프로필 알콜 중에서 5 분동안 초음파에 의해 탈지시킨 후 공기 건조하였다. 이어서, 이 시편을 열판 상에서 약 100 ℃의 온도로 예열하였다. -400 메쉬 입자 크기의 알루미늄 분말 15 g을 실시예 1의 폴리우레탄계 발포체 10 g과 혼합하였다. 이 혼합물을 주사기 및 팁을 이용하여 40 psi에서 관 내부에 주입하였다. 30 분간 경화시킨 후(이 시간 동안 Al 분말/발포체 혼합물은 팽창하여 관을 꽉 채운다), 시편을 550 ℃에서 2 시간동안 공기 중에서 베이킹하여 관의 내부 표면 상에 알루미늄 피막을 생성하였다. 이어서, 화학적 활성화제를 관에 도입하였다. NH₄Cl 75 g의 용액을 50 ℃에서 250 cc의 증류수에 용해시키고, 관에 주입하였다. 과량의 용액을 배수시키고, 관을 120 ℃에서 건조시켜 관의 내부 표면 상에 NH₄Cl의 막을 생성하였다. 이어서, 이 시편을 아르곤 중에서 2,050 ℉에서 열 처리하여 확산 피막을 제조하였다. 열 처리 동안, 관의 양끝을 흑연 박으로 덮어 활성화제의 손실을 최소화하였다. 현미경 분석 결과 활성화제가 피막 두께의 균일성의 개선에 기여하는 것으로 나타났다.

실시예 5

다른 렌 N5 튜브를 앞에서와 같이 탈지시키고, 공기 건조시키고 예열한 다음, 활성화제를 함유하는, 알루미늄 분말 및 발포체 혼합물을 다음 방식으로 주입하였다. -400 메쉬 크기의 알루미늄 분말 15 g를 실시예 4에서와 같이 10 g의 발포체와 혼합하였다. 이 혼합물에 화학적 활성화제로 작용하는 AlF₃분말 1.5 g을 첨가하였다. 상기 혼합물을 관에 주입하고, 경화시키고, 공기 중에서 550 ℃에서 2 시간동안 베이킹하였다. 이어서, 이 시편을 아르곤 중에서 2,050 ℉에서 2 시간동안 예열시켜 확산 피막을 제조하였다. 열 처리동안 관의 양끝을 흑연 박으로 덮어 관 내부에 AlF₃를 함유하는 것을 용이하게 하였다. 현미경 분석 결과 활성화제가 피막 두께의 균일성의 개선에 기여하는 것으로 나타났다.

실시예 6

터빈 블레이드를 이소프로필 알콜 중에서 5 분간 탈지시키고, 공기 건조한 후, 가열 램프를 사용하여 열판 위에서 약 100 ℃로 예열하였다. -400 메쉬 크기의 알루미늄 분말 15 g을 10 g의 발포체 및 1.5 g의 AlF₃활성화제와 완전히 혼합하였다. 이어서, 상기 혼합물을 40 psi에서 블레이드의 3개 내부 통로에 주입하였다. 요동하는 S자형 공동을 갖는 상기 블레이드의 모든 통로의 완전 코팅을 보장하기 위해, 각각 10 초간 지속되는 다음과 같은 여러번의 주입을 적용하였다: 날개 후미(trailing edge, TE) 통로에 2회 적용, 중심 통로에 2회 및 날개 전방(leading edge, LE) 통로에 3회 적용. 30 분 경화시킨 후, 블레이드를 550 ℃ 오븐 중에서 2 시간동안 베이킹하였다. 외부 표면을 깨끗이 한 후, 블레이드를 아르곤 중에서 2,050 ℉에서 2 시간동안 열 처리하여 확산 피막을 제조하였다. 현미경 분석 결과 활성화제가 피막 두께의 균일성의 개선에 기여하는 것으로 나타났다.

실시예 7

또 다른 터빈 블레이드를 앞에서와 같이 탈지시키고, 약 80 ℃로 예열하였다. -400 메쉬 크기의 알루미늄 분말 5 g을 10 g의 발포체와 완전히 혼합하여 알루미늄 분말과 발포체의 혼합물을 제조하였다. 상기 혼합물은 선행 실시예의 15 g Al/10 g 발포체 혼합물보다 더 용이하게 유동하고 팽창한다. 30 내지 40 psi에서 통로 각각에 1회 적용한 결과 모든 냉각 구멍을 통해 나오는 상기 혼합물에 의해 입증되듯이 내부가 완전히 피복되었다. 30 분 경화시킨 후, 블레이드를 550 ℃ 오븐 중에서 2 시간동안 베이킹한 다음, NH₄Cl 활성화제를 필수적으로 실시예 4에서와 같이 도입하였다. 블레이드를 H₂O 중의 30% NH₄Cl 용액에 수회 위 아래로 침지시켜 완전 습윤을 촉진하였다. 과잉의 용액을 배수시킨 후, 블레이드를 120 ℃에서 약 10 분간 건조시켰다. 냉각 구멍 주위의 과잉의 NH₄Cl을 제거한 후, 블레이드를 아르곤 중에서 2,050 ℉에서 2 시간동안 확산 열 처리하였다. 실시예 6은 피막의 전형적인 현미경 사진을 나타내는데, 이것은 실시예 4의 대조용 블레이드보다 훨씬 더 균일한 피막 두께 및 보다 적은 결함들을 나타내었다.

기타 실시예

-325 메쉬 내지 4 ㎛ 범위의 상이한 입자 크기를 갖는 알루미늄 분말을 관 뿐 아니라 블레이드에 대해 실행하여, 실시예 4 내지 7의 -400 메쉬 분말과 매우 유사한 방식으로 공정이 이루어지는 것으로 나타났다.

이상에서 본 발명의 다양한 태양들을 기술하였다. 그러나, 본 개시 내용은 본 발명의 청구범위를 제한하는 것으로 생각해서는 안된다. 예를 들면, 전술한 설명들은 내부 표면에 대한 코팅을 기술하고 있지만, 외부 표면도 본원에 기재된 기술을 이용하여 코팅될 수 있다. 이 경우, 기재는 일반적으로, 코팅될 기재의 외부 표면 및 주형의 내부 표면 사이에 간극이 존재하도록 주형에 위치될 것이다. 발포체 또는 발포체 전구체 및 그 중에 현탁된 금속 분말의 주입은 본원에 기술된 바와 같이 진행된다. 주형과 기재 사이의 간극은 발포체 또는 발포체 전구체의 전달을 위한 통로를 제공한다. 또 다른 변형, 수정 및 대안들이 본 발명의 특허청구 범위로부터 벗어나지 않고 당해 분야에 숙련된 자에 의해 이루어질 수 있다.

본 발명의 코팅 방법은 터빈 엔진 요소와 같이 고온에 노출되는 금속 부품들, 특히 초합금으로 제조된 금속 부품들을 보호하기 위한, 내산화성 및 내식성이 개선된 피막을 제공한다.

Claims

표면을 갖는 기재를 제공하는 단계;

발포체 중에 현탁된 분말을 함유하는 발포체 현탁액으로 상기 표면을 코팅하여 활성화제를 갖는 피막을 표면 상에 형성하는 단계; 및

기재를 확산 처리하는 단계를 포함하는,

기재 표면의 코팅 방법.
제 1 항에 있어서,

발포체 중에 현탁된 분말이 금속을 포함하고, 활성화제가 상기 금속과 착화되는 성분을 포함하는 방법.
제 2 항에 있어서,

상기 활성화제 성분이 할라이드 원소를 포함하는 방법.
제 3 항에 있어서,

할라이드 원소가 불소, 염소, 요오드 및 브롬으로 이루어진 그룹에서 선택되는 방법.
제 4 항에 있어서,

활성화제가 AlF₃, AlCl₃, NH₄F, NH₄I, NH₄Cl, NH₄Br 및 NH₄F·HF로 이루어진 그룹에서 선택되는 방법.
제 2 항에 있어서,

활성화제가 내부 표면을 코팅하기 전에 발포체 현탁액 안에 혼합되는 방법.
제 6 항에 있어서,

활성화제가 발포체 현탁액 중에 금속에 대해 약 1 내지 약 30 중량%의 범위로 존재하는 방법.
제 1 항에 있어서,

기재를 확산 처리하기 전에, 기재를 열 처리하여 내부 표면을 따라 피막을 밀집화하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제 8 항에 있어서,

열 처리 단계 후 기재를 확산 처리하기 전에, 활성화제를 피막에 첨가하는 방법.
제 1 항에 있어서,

열 처리 단계가 발포체를 휘발시키기에 충분한 온도에서 수행되는 방법.
제 10 항에 있어서,

상기 온도가 약 300 내지 약 600 ℃의 범위인 방법.
제 1 항에 있어서,

표면이 내부 표면인 방법.
제 12 항에 있어서,

내부 표면이 기재를 통해 연장되는 통로인 방법.
제 13 항에 있어서,

코팅 단계가 기체를 통로에 유입시켜 발포체 현탁액을 통로 안으로 유도함으로써 수행되는 방법.
제 14 항에 있어서,

기체가 압축 기체 공급원으로부터 공급되는 방법.
제 13 항에 있어서,

발포체 현탁액이 압축 기체와 함께 함유되며, 압축 기체 공급원으로부터 발포체 현탁액의 분배에 의해 발포체 현탁액이 내부 통로로 유입되는 방법.
제 13 항에 있어서,

기재가 다수의 내부 통로를 포함하는 방법.
제 13 항에 있어서,

내부 통로가 5 이상의 종횡비(여기서, 종횡비는 내부 통로의 길이를 내부 통로의 최소 횡단면 치수로 나눈 비임)를 갖는 방법.
제 18 항에 있어서,

내부 통로의 횡단면이 일반적으로 원형이고, 최소 횡단면 치수가 최소 직경인 방법.
제 13 항에 있어서,

내부 통로의 횡단면이 일반적으로 원형이고, 약 10 내지 약 400 밀의 최소 직경을 갖는 방법.
제 1 항에 있어서,

표면이 외부 표면인 방법.
제 1 항에 있어서,

표면이, 분말이 현탁되어 있는 발포체 전구체로 코팅되고, 발포체 전구체가 팽창되어 상기 발포체를 형성하는 방법.
제 1 항에 있어서,

기재가 합금을 포함하는 방법.
제 23 항에 있어서,

기재가 터빈 엔진 요소를 포함하는 방법.
제 24 항에 있어서,

터빈 엔진 요소가 에어포일이고, 내부 표면이 다수의 내부 통로인 방법.
제 24 항에 있어서,

터빈 엔진 요소가 초합금을 포함하는 방법.
제 26 항에 있어서,

초합금이 니켈계 또는 코발트계 초합금이고, 여기서 니켈 또는 코발트가 중량 기준으로 초합금 중에 최대 단일 원소인 방법.
제 27 항에 있어서,

초합금이 니켈계인 방법.
제 1 항에 있어서,

분말이 금속 분말을 포함하는 방법.
제 29 항에 있어서,

상기 금속 분말이 알루미늄 분말을 포함하는 방법.
제 30 항에 있어서,

발포체 현탁액이 10 중량부의 상기 발포체에 대해 약 1 내지 약 20 중량부의 상기 알루미늄 분말을 함유하는 방법.
제 31 항에 있어서,

알루미늄 분말이 약 1.0 내지 약 15 ㎛ 범위 내의 평균 입자 크기를 갖는 방법.
제 1 항에 있어서,

발포체가 유기 수지를 포함하는 방법.
제 33 항에 있어서,

유기 수지가 폴리우레탄을 포함하는 방법.
제 1 항에 있어서,

금속 분말이 알루미늄을 포함하고, 확산 처리가 알루미늄을 기재 중에 확산시키기 위해 870 ℃ 이상의 온도에서 수행되는 방법.
니켈계 또는 코발트계 초합금을 포함하고 내부 통로를 갖는 에어포일을 제공하는 단계;

발포체 중에 현탁된 알루미늄 분말을 함유하는 발포체 현탁액으로 내부 통로를 코팅하는 단계;

발포체를 휘발시키는 온도에서 발포체 현탁액을 열 처리하여 내부 통로를 따라 알루미늄계 피막을 형성하는 단계; 및

기재를 확산 처리하여 알루미늄을 기재 중에 확산시키는 단계를 포함하고, 상기 피막이, 알루미늄 기재 피막의 알루미늄과 착화되는 할라이드 원소를 함유하는 활성화제를 포함하는

터빈 엔진의 에어포일 내부 통로를 코팅하는 방법.
제 36 항에 있어서,

확산 처리가 870 ℃ 이상의 온도에서 수행되는 방법.
제 36 항에 있어서,

발포체가 유기 수지를 포함하는 방법.
제 38 항에 있어서,

유기 수지가 자가-팽창되는 방법.
제 36 항에 있어서,

할라이드 원소가 불소, 염소, 요오드 및 브롬으로 이루어진 그룹에서 선택되는 방법.
제 40 항에 있어서,

활성화제가 AlF₃, AlCl₃, NH₄F, NH₄I, NH₄Cl, NH₄Br 및 NH₄F·HF로 이루어진 그룹에서 선택되는 방법.
제 36 항에 있어서,

활성화제가 내부 통로를 코팅하기 전에 발포체 현탁액 안에 혼합되는 방법.
제 36 항에 있어서,

기재를 확산 처리하기 전에 열 처리하여 내부 통로를 따라 피막을 밀집화하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제 43 항에 있어서,

열 처리 단계 후 기재를 확산 처리하기 전에, 활성화제를 피막에 첨가하는 방법.