KR20030011690A - 열차단 코팅 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 발전용으로 사용되는 가스 터빈 엔진과 같이, 격렬한 열적 및 화학적 환경에 노출되는 금속 합금 성분에 사용하기 위한 단열 세라믹 층에 관한 것이다. 바람직한 열차단 층은 극도의 수직 크래킹(dense vertical cracking)을 사용하여 형성되고, 바람직하게는 4 중량% 미만의 이트리아 및 약 1 중량%의 하프니아에 의해 부분적으로 안정화된 지르코니아로 형성된다. 상기 세라믹 층은 보호층의 단가를 감소시키면서도, 초합금 바탕성분이 부식, 절삭 및 취급으로부터 보호되도록 최적화한다. 열차단 코팅의 선택적인 제조방법으로 전자빔 물리 증착법을 사용한다.
Description
본 발명은 발전용으로 사용되는 가스 터빈 엔진의 작동 구성요소와 같이, 고온 기체 환경 및 격렬한 조작 조건에 노출되는 금속 합금 구성요소를 보호하기 위한 보호용 코팅에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 새로운 유형의 가스 터빈 엔진용 열차단 코팅("TBC") 및 이를 금속 기판에 도포하는 방법에 관한 것이다. 상기 코팅은 그의 조성 및 침착은 종래 코팅과 동등하거나 보다 우수한 파열 방지성을 유지하면서도 터빈 구성요소의 내식성을 현저히 향상시키는 조성 및 침착능을 갖는 단열 세라믹층으로 구성된다. 바람직한 코팅 조성물은 극도의 수직 크래킹 증착 공정에 의해 도포된다.
가스 터빈의 하드웨어 구성요소가 노출되는 작동 조건은 열적 및 화학적으로 가혹할 수 있다. 따라서, 터빈, 연소기 및 보강 장치를 형성하는데 사용되는 금속 기판의 표면은 매우 격렬하고 고온의 기체 환경에서도 평균 이상의 기계적 강도, 내구성 및 내식성을 나타내야만 한다. 본원에서 사용되는 "부식"이란 용어는 표면, 특히 금속이 표면으로부터 다른 입자를 방출시킬 만큼 충분한 고에너지를 갖는 오염 입자와 충돌하여 기판 물질의 분해 및 균열을 야기하는 과정을 의미한다.
최근에는, 터빈의 주요 구성요소 중 기판에 도포되는 코팅에 철, 니켈 및 코발트계 초합금을 도입시켜, 가스 터빈 시스템에 고온 합금을 사용함으로써 상당한 이점을 달성하였다. 효과적인 표면 코팅은 2가지의 목적을 갖는다. 첫번째로, 코팅은 바탕 기재 물질의 산화, 부식 및 분해를 억제하는 보호층 및 부착층을 형성해야 한다. 두번째로, 코팅은 기판보다 낮은 열전도성을 가져야 한다. 초합금 조성물이 보다 복잡해짐에 따라, (특히, 증가된 가스 터빈 작동 온도에서) 요구되는 높은 수준의 강도 및 만족스러운 수준의 내식성 및 내산화성이 함께 달성되기 어려워진다. 가스 터빈의 발화 온도가 더욱 높아질수록 산화, 부식 및 분해 문제는 보다 심각해진다. 따라서, 최근 열차단 코팅의 개선에도 불구하고, 대부분의 합금 구성요소가 전형적인 가스 터빈 조건에서 요구되는 장기간 이용 노출 및 반복 순환에 버틸 수 없으므로, 보다 효율적이며 낮은 분해성을 갖는 고온 코팅이 여전히 요구되고 있다.
가스 터빈 구성요소로서 사용되는 공지된 종래 기술의 코팅중 대다수는 알루미나이드 및 세라믹 성분을 포함한다. 전형적으로, 세라믹 코팅은, MCrAlY(여기서, M은 철, 코발트 및/또는 니켈이다)와 같은 내산화성 합금으로부터 형성되거나 내산화성 금속간 화합물을 형성하는 확산 알루미나이드 또는 백금 알루미나이드로부터 형성되는 결합용 코팅과의 연결부에서 사용되어 왔다. 보다 높은 온도가 적용되는 동안, 상기 종래 기술의 결합용 코팅은 세라믹 층에 화학적으로 결합되는 옥사이드 층 또는 "스케일(scale)"을 형성하여 최종 결합용 코팅을 형성한다.
또한, 과거에는 세라믹 층의 주요 구성성분으로서, 이트리아(Y2O3), 마그네시아(MgO) 또는 기타 산화물에 의해 부분적 또는 전체적으로 안정화된 지르코니아(ZrO2)의 사용이 공지되어 왔다. 이트리아-안정화 지르코니아(이후로, "YSZ"라 지칭함)은, 유리한 열적 순환 피로 특성을 나타내기 때문에, 종종 열적 결합용 코팅을 위한 세라믹 층으로서 사용된다. 즉, 가스 터빈이 가동을 시작하고 중지하는 동안 온도가 증가하거나 감소함에 따라, 상기 YSZ는 기타 공지된 코팅보다 훨씬 우수한 응력 저항성 및 피로 저항성을 갖는다. 전형적으로, 상기 YSZ는 공기 플라스마 분무법("APS"), 저압 플라스마 분무법("LPPS")과 같은 공지된 방법, 및 전자빔 물리 증착법("EBPVD")과 같은 물리 증착("PVD") 기술에 의해 금속 기판 위에 침착된다. 이 중에서도, EBPVD에 의해 침착된 YSZ는 파열을 야기하는 손상 응력을 유발하지 않고 기판을 팽창 및 압축시킬 수 있는 변형-방지성의 주상 입자 구조를 특징으로 한다. 이러한 시스템의 변형-방지성은 문헌에 보고되어 있다.
이트리아에 의한 안정화는, 약 1000℃에서 지르코니아가 정방정상에서 단사정상으로 전환되는 것을 방지하여, 상기와 같은 안정화 과정이 없는 경우에는 발생할 수 있는 치명적인 부피 팽창 및 그로 인한 최종 코팅의 파괴를 방지하였다. 1980년대 중반에, 나사(NASA)의 스테판 스테큐라(Stephan Stecura)는 7 중량%의 이트리아("7 YSZ")로 안정화시킨 지르코니아가 초합금 기판의 파열 방지성을 위한 최적의 조성인 것으로 결정하였다(미국 특허 제 4,485,151 호 참조). 스테큐라는 공기 플라스마 분사법을 이용하여 코팅을 도포하는 경우, 6 내지 8 중량%의 이트리아에 의해 안정화된 지르코니아("6-8 YSZ")가 최적인 것으로 결론내렸다.
따라서, 1980년대 중후반 이후로, 당해 분야에서는 적어도 6 내지 8 중량%의 이트리아에 의한 지르코니아의 "부분적 안정화"가 수행되었다. 스테큐라의 미국 특허 제 4,485,151 호에서는, 입방, 정방정 및 단사정 상의 코팅 물질의 최적 혼합물을 제공하기 위해서는 지르코니아가 단지 "부분적"으로 안정화되는 것으로 기재하고 있는 바, 보다 소량의 이트리아를 사용할 것을 교시하고 있다. 따라서, 당해 분야의 숙련자들은 지금까지 스테큐라에 의해 권고된 바와 같이, 이트리아의 6 내지 8% 수준을, 가스 터빈 엔진의 극한 작동 조건하에서 충분한 파열 방지성을 나타내는 허용가능한 코팅을 제조하기 위한 최적의 효율적 함량으로서 간주하여 왔다.
최근, 제너럴 일렉트릭 캄파니사(General Electric Company)는 격렬한 열적 환경에서 사용하고 이트리아에 의해 안정화된 지르코니아로부터 형성된 것으로, 개선된 열적 세라믹 층을 개발하였다. 상기 세라믹은 단사정 상이 존재하는 주상 입자 구조를 특징으로 한다. 일반 양도된 미국 특허 제 5,981,088 호는 지르코니아를 안정화시키기 위해 약 2 내지 5 중량%의 이트리아의 사용을 개시하고 있는데, 이 때, 코팅은 전자빔 물리 증착("EBPVP")에 의해 기판 상에 침착된다. 상기 미국특허 제 5,981,088 호에서 기술된 세라믹 코팅은 다수의 열적 순환을 견뎌야 하는 항공기 엔진 구성성분에 사용되는 것이 특히 유리한 것으로 밝혀졌다.
상기 요약된 바와 같이 코팅의 최근 개선에도 불구하고, 당해 분야에서는 전력 발생을 위한 가스 터빈 엔진 구성요소 중에서 고온 조건에 노출되는 금속 합금 구성요소에 보호 코팅을 형성하는데 사용하기에 최적인 개선된 지르코니아계 코팅이 여전히 요구되고 있다. 또한, 고온의 격렬한 화학적 조건에 노출되는 주요 터빈 구성요소에 이러한 코팅을 도포하는 개선된 방법이 요구된다. 즉, 스테큐라에 의해 교시된 바와 같이 종래 시스템에 필적하는 파열 방지성을 유지하면서도, 매우 고온의 탄화수소 배출 기체에 노출되는 경우에도 강한 내약품성 및 내식성을 갖는, 개선된 이트리아 안정화 지르코니아 코팅이 여전히 요구된다.
발명의 요약
본 발명은 격렬한 열적 조건에서 사용되도록 설계된 금속 합금 구성요소 상의 열차단 코팅 시스템용에서 사용하기 위한 신규한 단열 세라믹 층을 제공함으로써 상기 요구를 만족시킨다. 코팅하기에 적당한 구성요소는 노즐, 부켓, 슈라우드, 에어호일 및 가스 터빈 엔진의 고온 기체 통로내의 기타 연소용 하드웨어이다. 본 발명의 코팅은 코팅의 열전도성이 금속 기판의 열전도성보다 몇배 낮기 때문에, 금속 합금의 표면 온도를 감소시키는 경향이 있다. 열적 구배가 존재하는 경우, 금속으로의 열 유동을 감소시키기 위해서는, 단지 박층(5 내지 40 mil)의 세라믹이 요구된다. 금속 표면의 온도가 세라믹 코팅의 표면온도보다 최대 400℉까지 낮아질 수 있다. 이러한 세라믹 층은 기체 온도가 약 1000℃이고/이거나 가스 터빈의 반복된 가동 개시 및 중지로 인해 격렬한 열 순환 피로 응력이 발생하는 용도에 적용하기에 특히 적합하다.
놀랍게도, 본 발명에 따른 개선된 단열 세라믹 층은, 스테큐라에 의해 예측된 것보다 실질적으로 낮은 양, 즉 약 4 중량%의 이트리아에 의해 부분적 안정화된 지르코니아(이후로, "4YSZ"라 지칭함)가 형성될 수 있음이 발견되었다. 또한, 이트리아 안정화된 지르코니아가 극도의 수직 크래킹("DVC") 증착 공정에 의해 도포될 수 있음이 최초로 발견되었다. DVC 공정을 사용하는 경우, 이트리아는 세라믹을, 반복된 열 순환 도중 부피의 변화를 방지하는 정방정 결정 구조로 전환시킨다. 또한, 기계적 응력이 가해지는 경우, 이러한 안정화 전환은 지르코니아를 강화시킨다. 바람직하게는, DVC 공정에 의해 형성된 지르코니아는 고용체 중 0 내지 1%의 하프니아(HfO2)를 포함한다.
본 발명에 따라 세라믹 층을 도입시킨 열차단 코팅 시스템은 향상된 내식성, 파열 저항성 및 연장된 순환 수명을 나타내는 것으로 밝혀졌다. 또한, 상기 세라믹 층은, 지르코니아를 안정화시키는데 사용되는 이트리아의 양을 감소시켜서 상당히 저렴한 방법이다. 본 발명의 기타 목적 및 장점은 이하 보다 상세히 설명될 것이다.
본 발명은, 발전용으로 사용되는 가스 터빈 엔진의 작동 구성요소와 같이, 고온 기체 환경 및 격렬한 조작 조건에 노출되는 경우에도, 종래의 시스템에 필적하는 파열 방지성을 유지하면서도, 우수한 내약품성 및 내식성을 갖는 개선된 이트리아-안정화 지르코니아를 제공하고자 한다.
도 1은 고압 가스 터빈 블레이드와 같은 금속 기판의 횡단면도로서, 본 발명에 따라 극도의 수직 크래킹 증착 기술("DVC")을 이용하여 블레이드에 도포된 열차단 코팅(thermal barrier coating)을 보여준다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 열차단 코팅은 열적 및 화학적으로 격렬한 조건으로부터 보호되어야 하는 다양한 금속 합금 구성요소("초합금"으로 지칭함)에 도포가능하다. 이러한 구성요소의 예는 노즐, 부켓, 슈라우드, 에어호일 및 대부분의 가스 터빈 엔진 내에서 발견되는 기타 하드웨어를 들 수 있다. 본 발명의 장점은 특히 가스 터빈 엔진 구성요소에 적용될 수 있지만, 일반적으로 특정 물품을 환경으로부터 열적 및 화학적으로 절연시키 위해서 코팅이 사용되는 임의의 구성요소에 적용될 수 있다.
고압 터빈 블레이드는 본 발명에 따른 코팅이 극도의 수직 크래킹 침착 기술에 의해 도포될 수 있는 기판의 주요한 예이다. 전형적으로, 터빈 블레이드는 가스 터빈이 작동하는 도중 고온 연소 기체가 진행하는 쪽에 위치하는 에어호일 및 플랫폼을 보유한다. 따라서, 에어호일 표면은 산화, 침식 및 부식되기 쉽다. 일반적으로, 상기 에어호일은 블레이드의 루트 부분에 형성된 도브테일을 보유한 터빈 디스크에 고정된다.
도 1은 DVC 기술을 사용하여 기판에 도포되는 것으로, 본 발명에 따른 열차단 코팅을 나타낸다. 코팅(10)은 전형적으로 터빈 블레이드의 기재 물질을 형성하는 금속 합금 기판(16)을 도포한 결합용 코팅(14) 및 그 위에 단열 세라믹 층(12)을 포함한다. 기판으로서 적당한 물질은 철, 니켈 및 코발트계 초합금을 포함한다. 전술한 바와 같이, 결합용 코팅은 내산화성이어야 하고, 코팅된 블레이드가 상승된 온도에 노출되는 경우 일반적으로 결합용 코팅의 표면 상에 알루미나층(18)이 형성되어야 한다. 상기 알루미나 층은 기재인 초합금 기판(16)이 산화되는 것을 방지하고 세라믹 층을 부착시킬 표면을 제공하는 역할을 한다.
본 발명에 따라, 세라믹 층(12)으로 바람직한 물질은 약 4 중량%의 이트리아로 부분적으로 안정화된 지르코니아로 구성된다. 또한, 지르코니아는 고용체 내에 0 내지 1%의 하프니아(HfO2)을 포함한다. 상기 세라믹 층은 극도의 수직 크래킹("DVC") 공정으로 도포되는 것이 바람직하다. DVC를 사용함에 따라, 이트리아는 세라믹을 열적 순환 도중의 부피 변화를 효율적으로 방지하는 정방정 결정 구조로 전환시킨다. 또한, 예를 들어, 가동 개시 및 중지 도중 기계적 응력이 터빈 블레이드에 적용되는 경우, 상기 안정화된 전환은 지르코니아를 강화시킨다.
결합용 코팅(14)은 MCrAlY(여기서, M은 철, 코발트 및/또는 니켈이다)와 같은 내산화성 합금으로부터 형성되거나, 내산화성 금속간 화합물을 형성하는 확산 알루미나이드 또는 백금 알루미나이드로부터 형성된다. 이러한 결합용 코팅은 당해 분야에 널리 공지되어 있으며, 전형적으로 약 0.003 내지 0.025 인치의 두께를 갖는다.
바람직한 DVC 시스템은, 실온으로 냉각시킬 때의 열적 팽창 계수 및 수직 균열의 계수를 조정 및 제어하기 위해 기판을 예열하고 작동 대기 시간(gun-to-work distance)을 세밀하게 제어하는 고밀도 분무 공정이다. 수직 균열은 금속 기판 표면에 수직으로 발생하여 열적 순환 도중의 변형을 허용한다. 이는 온도가 변화함에 따라 균열이 팽창 및 압축하게 하여 파열을 유발하는 손상 유발 응력을 제거한다. 지금까지, DVC 열차단 코팅 공정은 과거에도 동력 시스템의 구성요소에 대해 사용되어 왔지만, 본 발명에 따른 이트리아 안정화된 지르코니아 코팅과 함께 사용되지는 않았다.
다르게는, YSZ의 주괴가 증발하여 구성요소 상에 물리적으로 침착되거나 응축되는 전자빔 공정을 사용하여, EBPVD 열차단 코팅을 금속 기판에 도포할 수 있다. EBPVD는 변형의 조정을 위한 유사한 주상 미세구조를 수득하고 우수한 표면 마무리를 제공하지만, 전형적으로는 바람직한 DVC 기술에서의 동일한 수준의 내식성은 달성하지 못한다.
본 발명에 따른 세라믹 층을 포함하는 열차단 코팅은 종래의 TBC 시스템보다 유리한 성능, 단가 및 제조상 이점을 제공한다. 특히, 전술한 바와 같이, TBC 코팅은 향상된 내식성 및 수율을 나타낸다. 또한, 세라믹 층은 이트리아의 요구량이 감소하여 종래의 코팅 시스템보다 훨씬 더 저렴하고, 동등한 또는 향상된 파열 저항성을 갖는다. 또한 세라믹 층은 고온 기체 환경에 노출되는 종래 기술의 세라믹 코팅보다 양호한 절삭 저항성 및 취급 저항성을 갖는다.
본 발명은 가장 실용적이며 바람직한 양태로 여겨지는 것을 참조로 하여 기술되었지만, 본 발명은 개시된 양태로 제한하고자 하는 것이 아니며, 첨부된 특허 청구범위의 진의 및 범주를 벗어나지 않는 한, 다양한 변형 및 동등한 조합을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은, 극도의 수직 크래킹을 사용하여 형성되고 바람직하게는 4 중량% 이하의 이트리아 및 약 1 중량%의 하프니아에 의해 부분적으로 안정화된 지르코니아으로 형성되는 열차단 코팅 시스템을 제공함으로써, 종래의 코팅 시스템보다 훨씬 더 저렴하고, 동등하거나 향상된 파열 방지성을 유지하면서도 내약품성 및 내식성이 우수한 열차단 층을 제공하였다.
Claims (8)
- 극도의 수직 크래킹(dense vertical cracking) 증착 공정에 의해 형성되고 약 1 내지 6 중량%의 이트리아, 0 내지 1 중량%의 하프니아 및 잔여량의 지르코니아로 구성된 단열 세라믹층을 포함하는, 가스 터빈 엔진의 금속 구성요소 상에 사용하기 위한 열차단 코팅(thermal barrier coating) 시스템.
- 제 1 항에 있어서,단열층을 가스 터빈 엔진의 금속 구성요소에 접착시키는 결합용 코팅을 추가로 포함하는 열차단 코팅 시스템.
- 제 1 항에 있어서,결합용 코팅이 MCrAlY(여기서, M은 철, 코발트 및/또는 니켈이다)의 내산화성 합금으로 형성되거나, 확산 알루미나이드 또는 백금 알루미나이드로 형성되는 열차단 코팅 시스템.
- 제 1 항에 있어서,가스 터빈 엔진의 금속 구성요소가 초합금 물질로 구성되는 열차단 코팅 시스템.
- 제 1 항에 있어서,단열 세라믹 코팅의 두께가 약 5 내지 100 mil인 열차단 코팅 시스템.
- 제 1 항에 있어서,결합용 코팅이 MCrAlY, 확산 알루미나이드 및 NiAl으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 형성되는 열차단 코팅 시스템.
- 제 1 항에 있어서,이트리아 안정화된 지르코니아가 단지 부분적으로 안정화되는 열차단 코팅 시스템.
- 가스 터빈 엔진의 금속 기판 구성요소;극도의 수직 크래킹에 의해 침착되는 것으로 1 내지 6 중량%의 이트리아 및 약 1 중량%의 하프니아를 갖는, 이트리아 안정화된 지르코니아의 단열 세라믹 층; 및단열층을 기판에 접착시키는 결합용 코팅을 포함하는 열차단 코팅 시스템.
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