KR20030087549A - 금속 기판의 표면상에 채널을 형성하는 방법 및 관련 제품 - Google Patents

금속 기판의 표면상에 채널을 형성하는 방법 및 관련 제품 Download PDF

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Abstract

코팅된(72,74) 금속계 기판(54) 안에 채널(80)을 형성하는 방법이 개시된다. 한가지 기술은, 먼저 채널-형성 물질(50)을 기판(54)상에 침착시킨 다음, 납땜과 같은 결합제(58)를 침착시키는 것이다. 이어서 하나 이상의 코팅(72,74)을 기판(54)상에 도포할 수 있다. 한가지 실시태양에서, 채널-형성 물질(50)이 후속적으로 제거될 때 채널(80)이 형성된다. 또 다른 실시태양에서, 특정 채널-형성 물질(10)과 상위 결합제(18) 사이의 결합력의 결핍 때문에 채널(20)이 형성된다. 관련 제품, 예를 들면 보호 코팅 및 냉각 채널의 패턴을 포함하는 기체 터빈 구성요소가 또한 개시된다.

Description

금속 기판의 표면상에 채널을 형성하는 방법 및 관련 제품{A METHOD OF FORMING A CHANNEL ON THE SURFACE OF A METAL SUBSTRATE, AND RELATED ARTICLES}
본 발명은 일반적으로 코팅된 금속 기판의 표면 영역에 중공 구조물을 형성하는 방법에 관한 것이다. 몇몇 구체적인 실시태양에서, 본 발명은 보호 코팅으로커버된 고온 제품의 표면에 또는 이에 근접하여 냉각 채널을 형성하는 방법에 관한 것이다.
다양한 유형의 금속이 비행기 엔진 부품과 같은 고온 환경에 노출될 수 있는 구성요소를 위해 사용된다. 금속 구성요소가 사용될 수 있는 작동 온도를 상승시키기 위해 다양한 접근이 이루어졌다. 예를 들면 한가지 접근은 구성요소, 예를 들면 기체 터빈 엔진 에어호일의 다양한 표면상에 보호용 코팅을 사용하는 것이다. 상기 코팅은 통상적으로 세라믹계이고, 종종 열차단 코팅(Thermal Barrier Coating) 또는 "TBC"로 칭한다.
TBC는 일반적으로 에어호일 안에 내부 냉각 채널과 함께 사용되고, 상기 냉각 채널을 통해 공기가 엔진 작동중에 강제로 유입된다. 예로서, 냉각 구멍의 패턴은 약 1000℃ 이상의 연소온도에서 에어호일의 상대적으로 차가운 표면으로부터 기체 유동에 노출되는 "뜨거운" 표면까지 연장될 수 있다. 상기 기술은 종종 "불연속 구멍 필름 냉각"으로 칭한다.
몇가지 경우, 냉각 구조물은 이러한 표면이 보호 코팅에 의해 커버될 때에도 "고온" 표면에 비교적 밀접하게 위치되어야 한다. 예를 들면, 공기와 같은 냉각재는 종종 터빈 연소기 라이너의 외측면상으로 향할 뿐 아니라(즉, "백사이드" 냉각) 터빈 연소기 라이너의 내면을 통과하기도 한다. 이러한 유형의 냉각 메카니즘은 일반적으로 미국 특허 제 5,822,853 호(릿터(Ritter) 등)에 개시되어 있다. 연소기 라이너는 통상적으로 약 1/10 인치(2.5mm) 내지 약 3/16 인치(4.7mm)의 두께를 갖는다.
박판 구조물을 위한 냉각 채널의 적절한 패턴을 디자인하기 위해 많은 작업이 이루어졌다. 예를 들면, 상기 릿터의 특허에서는 터빈 연소기와 같은 원통형 구조물 안에 냉각 채널을 형성하는 것에 대해 기재하고 있다. 릿터의 기술에서, 이중 벽 어셈블리가 구성된다. 상기 어셈블리는 내벽, 채널-형성 수단, 희생 채널 충전제 및 외벽을 포함한다. 상기 채널-형성 수단은 두개의 벽 사이에 있으며 채널 충전제로 채워져 있다. 상기 어셈블리는 고온-가압되어 각 벽을 다른 벽에 결합시킨다. 충전제의 후속적인 제거는 요구되는 냉각 채널을 생성한다.
미국 특허 제 5,075,966 호(만코브스키(Mantkowski)에게 허여됨)에는 냉각 채널 및 기타 중공 구조물의 제조방법이 개시되어 있다. 기판의 표면은 선택적으로 패턴화되고 슬러리로 충전된다. 용매가 제거되면, 슬러리가 고형 충전제로 변화한다. 이어서 인접 외층(close-out layer)을 상기 패턴화된 표면 및 충전제상에 침적한다. 충전제의 후속적인 제거는 요구되는 중공 구조물을 형성한다. 만코브스키 방법을 사용하여 터빈 엔진 구성요소, 예를 들면 블레이드 및 날개 안에 중공 냉각 채널을 형성할 수 있다.
만코브스키 및 리터 특허에 구현된 기술과 관련하여 몇가지 장점이 있다. 그러나, 상기 방법은 몇가지 용도에 대해 몇가지 단점을 나타낼 수 있다. 예를 들면, 상기 방법은 금속 표면에 홈 또는 채널을 형성해야 한다. 이러한 특징부는 일반적으로 패턴화되어야 하고 몇가지 종류의 캐스팅 또는 기계적 방법에 의해 형성되어야 한다. 캐스팅 및 기계적 방법은 시간-소모적일 수 있다. 게다가, 이러한 기술이 항상 소-직경 구조물, 또는 복잡한 형상의 구조물에 적당한 것은 아니다.이러한 방법의 한계는 진보된 용도, 예를 들면 박막 초합금 구조물 안의 채널에 사용하려할 때 더욱 명백해진다.
따라서, 코팅된 금속 기판에서 중공 구조물의 형성을 위한 신규한 방법은 당해 기술분야에서 상당히 중요하다. 상기 방법은 캐스팅 또는 기계적 방법의 사용을 피해야 한다. 상기 방법은 또한 상기 구조물의 채널, 예를 들면 냉각 채널의 복잡한 패턴을 형성할 수 있어야 한다. 상기 방법은 또한 상기 기판에 코팅을 적용하기 위해 사용된 방법과 양립해야 한다. 또한, 신규한 방법은 중공 구조물의 형상 또는 중공 영역 자체를 형성하는 물질의 조성을 용이하게 변화시킬 수 있으면 유리할 것이다. 이러한 융통성은 가스 터빈 장치를 위한 냉각 채널의 경우 열 전달 특성을 향상시키기 위해 매우 유리할 것이다.
도 1은 채널을 형성하기 위한 처리 단계에서 기판의 단면을 나타낸 것으로, 채널-형성 물질의 침착을 묘사한다.
도 2는 채널상에 결합제 및 코팅 시스템을 침착한 후의 기판의 단면도를 나타낸 것이다.
도 3은 채널이 결합제 아래에 도입되고 결합제에 의해 금속 기판에 부착된 코팅 시스템의 단면의 현미경 사진이다.
도 4 내지 8은 하나 이상의 코팅을 갖춘 제품 안에 채널을 형성하기 위한 예시적이고 선택적인 방법의 단계들을 나타낸 상세한 단면도이다.
코팅된 금속계 기판 안에 하나 이상의 채널을 형성하는 방법이 본원에 개시되어 있다. 상기 방법은 하기 단계들을 포함한다:
(a) 상기 기판의 표면상에 채널-형성 물질을, 선택된 채널 형상을 나타내는 패턴으로 침착하는 단계;
(b) 요구되는 코팅 물질을 하위 결합제와 함께 상기 표면에 융합시켜서, 상기 코팅이 채널-형성 물질 및 상기 표면의 선택된 영역을 커버하도록 하는 단계;및
(c) 상기 채널-형성 물질을 제거하여 상기 채널을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 채널-형성 물질은 매우 다양할 수 있다. 몇가지 실시태양에서, 이는 채널을 형성하기 위해 후속적으로 제거되는 희생 물질이다. 일반적인 희생 물질은 이하에 설명한다. 또 다른 실시태양에서, 채널-형성 물질은 통상적으로 "스톱-오프(stop-off)" 조성물이다. 상기 스톱-오프는 실질적으로 결합제와 기판사이의 접착을 방해한다. 이러한 접착 또는 "습윤화"가 부족하면 또한 채널이 형성된다. 따라서, 채널을 형성하기 위한 또 다른 실시태양은 다음을 포함한다:
(A) 기판의 표면상에 스톱-오프 물질을, 선택된 채널 형상을 나타내는 패턴으로 침착하는 단계(여기서, 스톱-오프 물질은 기판과 상기 기판 및 스톱-오프 물질 상에 도포된 결합제 사이의 접착을 방지할 수 있다);
(B) 상기 기판에 요구되는 코팅을 결합제로 융합시켜 상기 코팅이 스톱-오프 물질과 기판의 선택된 영역을 커버하도록 하고, 상기 코팅 아래 있는 상기 결합제가 스톱-오프 물질에 실질적으로 접착하지 않아서 채널을 형성하는 단계.
본 발명은 채널의 패턴의 제조에 특히 유용하고 상기 채널-형성 물질은 통상적으로 이러한 패턴으로 침착된다. 상기 채널 패턴은 예를 들면 터빈 구성요소의 벽에서 냉각제 흐름을 위한 회로로서 기능한다. 상기 채널-형성 물질을 기판에 도포하기 위한 상이한 기술이 이하에, 예를 들면 직접 또는 미리 제조된 호일로서 설명된다.
상기 결합제는 종종 납땜 물질, 예를 들면 니켈계 납땜이다. 상기 결합제를 도포하기 위한 다양한 기술이 이하에 설명된다. 간략하게, 이는 일반적으로 기판; 테이프; 호일 또는 미리-형성된 결합제-채널-형성 물질 구조물에 직접 도포된 슬러리의 사용을 포함한다.
본원에 사용된 코팅 물질은 매우 다양하다. 통상적으로, 이들은 이하에 설명하는 바와 같이 열 또는 환경적 분해에 대해 내성을 갖는 기판을 제공하도록 구상된 보호 코팅이다. 몇가지 실시태양에서, 상기 코팅 물질은 가스-터빈 엔진 요소상에 빈번하게 사용된 결합 코트-TBC 시스템이다. 상기 용어 "코팅 물질"은 종종 본원에서 간단하게 단수 형태로 사용된다. 상기 용어는 단수 및 복수 코팅을 모두 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 상기 코팅 물질은 채널-형성제의 경우와 같이, 다양한 방식으로 기판상에 도포될 수 있다. 예를 들면, 상기 코팅은 플라즈마 스프레이에 의해 기판상에 직접 도포될 수 있다. 선택적으로, 이들은 별도의 일시적 기판상에 미리 형성되고 상기 기판에 결합될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시태양은
(I) 하나 이상의 채널을 포함하는 표면을 갖는 금속계 기판; 및
(II) 표면 및 채널상에 배치된 하나 이상의 코팅을 포함하되,
상기 코팅이 결합제로 기판에 부착된 제품에 관한 것이다. 이하에서 더욱 상세히 설명하는 바와 같이, 상기 기판은 종종 하나 이상의 보호 코팅으로 커버된 초합금 제품이다. 또한, 이러한 제품은 통상적으로 다양한 기능, 예를 들면 냉각도관으로서 작용하는 기능을 제공할 수 있는 채널의 패턴을 포함한다.
본 발명의 다양한 특성에 관한 더욱 상세한 설명이 명세서의 나머지, 및 이하 첨부된 도면에 개시된다.
본 발명의 금속계 기판은 다양한 금속으로부터 제조될 수 있다. 본원에서 "금속계"란 용어는 주로 금속 또는 합금으로 형성되되 몇가지 비-금속 성분도 포함할 수 있는 기판을 설명한다. "비-금속"이란 세라믹스, 또는 중간 상과 같은 물질을 말한다. 통상적으로, 상기 기판은 내열성 합금, 예를 들면 일반적으로 약 1000 내지 1150℃의 작동 온도를 갖는 초합금이다. "초합금"이란 용어는 통상적으로 알루미늄, 텅스텐, 몰리브덴 및 티탄과 같은 하나 이상의 다른 원소를 포함하는 복합 코발트-, 니켈- 또는 철계 합금을 포함하고자 한다. 초합금은 많은 문헌에 개시되어 있다. 니켈계 초합금은 일반적으로 약 40중량% 이상의 Ni를 포함한다. 코발트계 초합금은 일반적으로 약 30중량% 이상의 Co를 포함한다. 기판의 실제 구성은 매우 다양할 수 있다. 예를 들면, 기판은 연소기 라이너, 연소기 돔, 보호판, 버킷, 블레이드, 노즐 또는 베인과 같은 다양한 터빈 엔진 부품의 형태일 수 있다.
본원에서 사용된 "채널"이란 용어는 액체 또는 기체가 통과하여 유동할 수 있는 임의의 중공 도관을 말한다. 예를 들면, 상기 채널은 관형의 밀봉된 통로의 형태일 수 있다. 매우 빈번하게, 상기 채널은 미국 특허 제 5,075,966 호(Mantkowski) 및 제 5,822,853 호(Ritter)에 개시된 바와 같이, 기체 터빈 구성요소를 위한 냉각 통로("냉각 채널")이다. 상기 특허 모두 본원에서 참조로 인용한다. 본 발명에 의해 형성된 냉각 채널은 통상적으로 기판 표면상에 위치한다.더욱 빈번하게, 이들은 약 1 mil(0.025 mm) 내지 약 100 mil(2.54 mm)의 총 두께를 갖는 하나 이상의 코팅 층에 의해 커버된다.
본 발명의 한가지 실시태양에서, 채널-형성 물질("채널 형성제")은 도 1에 도시된 바와 같이, 스톱-오프 물질(10)이다. 상기 스톱-오프 물질은 기판(14)의 표면(12)상에 침착된다. 스톱-오프 물질의 개방면적(16)에 대한 상대적인 위치는 일반적으로 마침내 형성될 채널의 위치를 결정한다. (좀 더 쉽게 보기 위해, 도 1 및 2에 스톱-오프가 일반적으로 이러한 실시태양에 맞는 것보다 더 길게 도시되어 있다(그래도 그 치수는 변할 수 있다). 이하 언급한 바와 같이, 몇가지 경우 스톱-오프는 단지 기판상에 형성될(예: 열적으로) 산화물의 박층을 구성할 수 있다).
이러한 실시태양에서, 스톱-오프 물질(10)은 기판과 스톱-오프 물질상에 후속적으로 도포되는 결합제 사이의 접착력을 방해할 수 있는 것이다. 당해 기술분야의 숙련인은 선택된 기판과 결합제(이하 개시됨)를 위한 가장 적절한 물질을 결정할 수 있다. 접착력을 방해하는 것에 덧붙여, 특정 스톱-오프 물질은 제거하는 것이 바람직하다면 심한 노력을 하지 않고도 제거될 수 있어야 한다. 그 경우, 제거 조건(예: 열적 조건)은 기판 또는 결합제에 악영향을 미치면 안된다.
결합제가 납땜 물질이면, 스톱-오프 물질은 통상적으로 금속 산화물, 금속 염 및 할라이드 염으로 이루어진 군으로부터 선택된 조성물을 포함한다. 몇가지 바람직한 실시태양에서, 금속 산화물 물질이 바람직하다. 비제한적인 예는 마그네슘 산화물, 알루미늄 산화물, 지르코니아 및 이트리아를 포함한다. 상기 결합제가이하 설명한 바와 같이 고온 에폭시 또는 납땜이면, 상기 스톱-오프 조성물은 통상적으로 금속 산화물 또는 금속 염이다.
상기 스톱-오프 물질은 하나의 채널 또는 복수의 채널의 선택된 형상을 나타내는 패턴으로 침착된다. 상기 채널의 형상은 그 목적에 따라 결정할 수 있다. 이러한 실시태양에서, 스톱-오프와 결합제 사이의 접착제가 없는 채널은 비교적 움푹하다. 예를 들면, 채널은 통상적으로 약 5 내지 약 100㎛인 평균 깊이를 갖고, 약 20 내지 약 400 ㎛인 평균 폭을 갖는다. 도 3(이하 개시됨)에 도시된 바와 같이, 본 실시태양에서 상기 채널의 형상은 다소 불규칙적이다.
몇가지 실시태양에서, 스톱-오프 물질은 기판 표면에 직접 도포된다. 스톱-오프 물질을 도포하는 기술이 당해 기술분야에 공지되어 있다. 예를 들면, 스톱-오프 와이어, 봉 및 테이프가 시판중이다. 이들은 요구되는 패턴과 부합하도록 사이징되고 절단되어 기판 표면에 융합될 수 있다. 선택적으로, 스톱-오프 물질은 다양한 유형의 슬러리 침착 기법에 의해 슬러리 형태로 침착될 수 있다. 상기 슬러리는 예를 들면 적절하게 형상화된 마스크를 통해 부어넣음으로써 요구되는 패턴으로 도포될 수 있다.
스톱-오프 물질은 다양한 다른 침착 기술에 의해 상기 표면에 용이하게 도포될 수 있다. 비-제한적인 예는 스크린 프린팅, 잉크-젯 프린팅, 전사 날염, 압출 및 다양한 리소그래피 기술을 포함한다. 이러한 모든 기술은 당해 기술분야에 공지되어 있다. 예를 들면, 스크린 프린팅(예를 들면, 실크 스크린 프린팅)이 문헌["Encyclopedia Americana", Intl. Ed., Volume 24(1999) 및 "The World BookEncyclopedia"(World Book Millennium 2000), Vol. 15]에 개시되어 있다. 잉크 젯 프린팅은 예를 들면 문헌["Encyclopedia Britannica", Vol.21 Macropedia(1989)]에 개시되어 있다(잉크 젯 프린팅과 같은 침착 기술에 있어서, 스톱-오프 물질은 사실상 프린팅 "잉크"이다). 다양한 리소그라피 기술이 문헌["Encyclopedia Americana", Intl. Ed., Vol. 17]에 개시되어 있다.
상기 직접-침착 기술에 대한 변형으로서, 스톱-오프 물질이 기판 표면에 도포되기 전 미리-형성될 수 있다. 예를 들면, 스톱-오프 물질이 일단 다양한 침착 기술에 의해 제거가능한 지지 시이트(예: 데칼 백킹; decal backing) 상에 침착될 수 있다. 상기 물질은 예를 들면 프린팅 기술에 의해 미리 선택된 패턴으로 침착될 수 있다. 비제한적인 예는 상기 언급한 문헌["Encyclopedia Britannica" 및"Encyclopedia Americana"]에 개시된 스크린 프린팅, 레이저 프린팅 및 LED를 포함한다. 레이저 프린팅의 경우를 설명하면, 채널의 바람직한 패턴은 입력-데이터로서 컴퓨터 프로그램으로 도입되었다. 상기 프로그램은 레이저 광선 및 광학 성분을 조절하여 포토컨덕터 드럼상에 패턴-이미지를 선택적으로 에칭한다. 상기 드럼상의 이미지를 이어서 예를 들면 지지 시이트 표면에 정전기적으로 옮길 수 있다. 당업자는 스톱-오프 "잉크"의 다양한 요건, 예를 들면 물질 점도, 휘발성, 일시적 정전기적 표면 변형 등을 만족시키기 위해 종래의 프린팅 방법을 용이하게 변형할 수 있다.
침착( 및 필요에 따라 가열 또는 경화) 후, 지지 시이트를 제거하고 요구되는 프리-스탠딩 스톱-오프(free-standing stop-off) 패턴을 남기고, 이는 데칼로서적용될 수 있다(이후 본 발명의 다른 태양에 대해 설명하는 바와 같이, 지지 시이트로부터 물질을 용이하게 분리하기 위해 여러 기술들이 사용될 수 있다). 이때, 상기 프리-스탠딩 스톱-오프 물질은 임의의 통상적인 방법에 의해 상기 기판 표면의 선택적 영역에 부착될 수 있다. 이러한 실시태양은 다수의 작은 채널들이(때때로, 얽힌 패턴으로) 형성될 때 특히 유용하다. 상기 실시태양은 또한 기판 자체가 심하게 커브를 형성하거나 다소 불규칙적일 때 매우 유용하다.
도 2에 도시된 바와 같이, 이어서 결합제(18)를 표면(12)상에 도포한다. 이러한 실시태양에서, 결합제는 개방 공간(16)(도 1을 참조)을 채운다. 상기 결합제는 후속적으로 도포되는 코팅에 대한 부착 자리로서 작용한다. 다양한 유형의 결합제를, 기판 및 코팅의 조성에 대부분 의존하면서 사용할 수 있다. 기판이 고열 구성요소의 섹션이면, 예를 들면 초합금 물질로 이루어진 것일 때, 상기 결합제는 통상적으로 납땜이다. 그러나, 저온 용도로 사용된 비-초합금 성분은 납땜-결합을 요구하지 않을 수 있다. 대신, 다양한 기타 결합제가 사용될 수 있으며, 예를 들면 고온 에폭시 또는 납땜이 있다. 본원의 교시가 일차적으로 납땜 물질에 관한 것이지만, 당업자들은 경우에 따라 유사한 방식으로 기타 결합제를 사용할 수 있을 것이다.
다양한 납땜 합금 조성물이 본 발명에 사용될 수 있다. 그들중 몇가지는 문헌["Kirt-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology", 3rd Edition, Vol. 21, page 342 et seq.]에 개시되어 있다. 상기 기판이 니켈계 초합금이면, 상기 납땜 합금은 통상적으로 니켈을 약 40중량% 이상 함유한다(상기 니켈-함유 납땜 합금 또는 코발트-함유 납땜 합금은 통상적으로 코발트계 초합금과 함께 사용된다). 상기 납땜 합금 조성물은 또한 실리콘 및/또는 붕소를 함유할 수 있고, 이는 융점 강하제로서 작용한다.
니켈계 납땜 합금 조성물의 예는 다음을 포함한다. 성분은 중량 %로 나타낸다:
1) 4.5 Si, 14.5 Cr, 3.3 B, 4.5 Fe, 나머지 Ni;
2) 15 Cr, 3.5 B, 나머지 Ni;
3) 4.5 Si, 3 B, 나머지 Ni;
4) 4.2 Si, 7 Cr, 3 B, 3 Fe, 나머지 Ni;
5) 10 Si, 19 Cr, 나머지 Ni;
6) 3.5 Si, 22 Co, 2.8 B, 나머지 Ni;
7) 3.5 Si, 1.8 B, 나머지 Ni;
8) 4.5 Si, 14 Cr, 3 B, 4.5 Fe, 나머지 Ni;
9) 17 Cr, 9 Si, 0.1 B, 나머지 Ni;
10) 2.6 Si, 2 Cr, 2 B, 1 Fe, 나머지 Ni;
11) 15 Cr, 8 Si, 나머지 Ni;
12) 10.1 Si, 19.0 Cr, 나머지 Ni;
13) 4.5 Fe, 4.5 Si, 14.0 Cr, 3.1 B, 0.75 C, 나머지 Ni;
14) 4.5 Fe, 4.5 Si, 14.0 Cr, 3.1 B, 나머지 Ni;
15) 4.5 Si, 3.1 B, 나머지 Ni;
16) 11.0 P, 나머지 Ni;
17) 10.1 P, 14.0 Cr, 나머지 Ni; 및
18) 19 Cr, 7.3Si, 1.5B, 나머지 Ni.
본 발명의 몇가지 바람직한 니켈계 납땜 합금 조성물은 실리콘, 크롬, 붕소 및 철중 하나 이상을 포함하되, 나머지는 니켈이다. 실리콘이 종종 붕소보다 바람직하다. 실리콘과 붕소의 혼합물이 사용될 때도 있다.
코발트계 납땜 합금 조성물의 예는 다음을 포함한다:
1. 8 Si, 19 Cr, 17 Ni, 4 W, 0.8 B, 나머지 Co; 및
2. 17.0 Ni, 1.0 Fe, 8.0 Si, 19.0 Cr, 0.8 B, 0.4 C, 나머지 Co;
다른 유형의 납땜 합금, 예를 들면 은, 금, 및/또는 백금을 다른 금속, 예를 들면 구리, 망간, 니켈, 크롬, 실리콘 및 붕소와 함께 함유하는 귀금속 조성물을 사용할 수 있다는 것을 주목해야 한다. 납땜 합금 원소중 하나 이상을 포함하는 혼합물이 또한 가능하다. 많은 금속 납땜 조성물이 프렉스에어 서피스 테크놀로지즈, 인코포레이티드(Praxair Surface Technologies, Inc.)로부터 시판된다.
결합제(18)가 납땜 물질일 때, 기판(14)상에 슬러리 형태로 종종 도포된다. 상기 슬러리는 통상적으로 납땜 물질, 금속 분말, 결합제 및 선택적으로 용매를 함유한다. 상기 금속 분말은 종종 기판, 예를 들면 니켈중 기본 금속의 불연속 입자 형태이다.
다양한 결합제 물질은 납땜 슬러리로 사용될 수 있다. 예는 폴리에틸렌 산화물 및 다양한 아크릴릭과 같은 수계 유기 물질 또는 용매계 결합제를 포함한다.슬러리 혼합에 관해 다양한 문헌, 예를 들면 미국 특허 제 4,325,754 호(본원에서 참조로서 인용함)에 개시되어 있다. 슬러리 조성물은 또한 시판중이다. 상기 납땜 슬러리 조성물을 사용하는 것이 여러가지 상황에서 유리하다. 예를 들면, 최종 기판 표면이 불규칙적이거나, 피트나 틈새를 함유하면, 납땜 슬러리가 이러한 영역을 채우기 위해 사용될 수 있다.
다양한 기술이 납땜 슬러리 조성물을 도포하기 위해 유용하다. 예를 들면, 이는 상기 기판상에 직접 스프레이, 페인트 또는 테이프-캐스트될 수 있다. 개방 공간(16)을 채우기 위해, 슬러리(결합제)(18)는 통상적으로 스톱-오프 층(10)의 상부 표면(19)의 적어도 일부를 커버한다. 그러나, 상기 슬러리는 이하 설명한 바와 같이 융합 후에도 스톱-오프 물질에 완전히 접착되지는 않는다. 따라서, 각 스톱-오프(10)를 둘러싸는 상대적으로 작은 개방 면적(20)이 남아 있다. 상기 개방 면적(20)은 채널로서 작용할 수 있고 이를 통해 예를 들면 공기가 유동할 수 있다. 상부 표면(19) 또는 스톱-오프 층(10)상에 도포된 임의의 과량의 슬러리가, 예를 들면 문질러서, 용이하게 제거될 수 있다.
또 다른 실시태양에서, 상기 결합제는 기판상에 그린 납땜 테이프로서 도포될 수 있다. 이와 같은 납땜 테이프는 1999년 5월 3일자로 출원된 미국 특허 출원번호 제 09/304,276 호(W.Hasz)(본원에서 참조로서 인용함)에 개시되어 있다. 상기 테이프는 시판중이다. 선택적으로, 이들은 상기한 바와 같은 슬러리로부터 형성될 수 있다(예를 들면, 제거가능한 기판상에 캐스팅되고 건조되어 이로부터 탈착됨).
기판에 납땜 결합제를 도포하기 위한 또 다른 선택적인 기술로서, 프리-스탠딩 납땜 호일을 사용할 수 있다. 이러한 납땜 호일을 사용하기 위한 방법이 기술분야에 공지되어 있다. 또한, 상기 납땜 호일은 본원에서 참조로서 도입한 미국 특허 제 6,355,356 호에 개시된 바와 같이 다양한 공급원으로부터 시판된다. 상기 납땜 호일은 하부층에 가용접(tack-welding)되거나 접착제를 사용할 수 있다.
도 1 및 2의 실시태양은 통상적으로 접착제로서 납땜 물질을 포함한다. 그러나, 다른 유형의 결합제, 예를 들면 에폭시 또는 상기한 납땜 물질을 사용할 때 개방 영역(20)이 선택적으로 형성될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 납땜의 경우와 같이, 기타 결합제가 실질적으로 접착되지 않는 스톱-오프 조성물이 선택되어야 한다. 상기 금속 산화물 또는 금속 염은 이러한 선택적인 결합제에 대해 충분한 스톱-오프 물질이 되어야 할 것으로 기대된다.
상기 결합제가 슬러리이거나, 또는 휘발성 성분을 함유하는 그린 테이프(green tape)이면, 일반적으로 가열 단계가 수행되어 결합 물질을 "경화"할 수 있다. 이러한 단계는 후속적인 고열 처리, 예를 들면 플라즈마 침착 단계에 의해 임의의 휘발물질(제거하지 않으면 증기화함)을 제거하도록 작용한다. 결합 물질이 납땜 조성물이면, 통상적인 납땜 작업이 이러한 단계에 사용된다. 납땜 단계 및 조건은 납땜에 하나 이상의 코팅을 후속적으로 부착하는 것과 관련있기 때문에 이후 더욱 상세히 설명한다. 이러한 납땜 단계는 통상적으로 매우 저압(예를 들면, 약 10-1torr 미만) 또는 진공하에 수행된다.
또 다른 실시태양에서, 스톱-오프 물질과 결합제 모두는 단일 호일 구조물로서 기판 표면에 도포되기 전에 미리 형성될 수 있다. 이러한 실시태양에서, 상기 스톱-오프 물질은 위에서 설명한 바와 같이 제거가능한 지지 시이트상에 먼저 침착될 수 있다. 상기 결합제, 예를 들면 납땜-슬러리 물질을 스톱-오프상에 도포하여 2층을 형성한다(따라서, 2층은 채널-형성 물질의 하위 서브층, 즉 이 경우 스톱-오프, 및 결합제의 상위 서브층을 포함한다). 적절하게는, 스톱-오프와 결합제를 위한 용매-결합제 시스템의 조성을 조절하여 둘간의 충분한 접촉을 확실히 할 수 있다.
상술한 바와 같이, 결합제는 스톱-오프 물질에 충분히 접착되지 않아서 채널로서 작용할 수 있는 작은 개방 영역(도 2에서 영역(20))이 남는다. 상기 지지 시이트는 제거되고 개재 개방 영역을 포함하는 프리-스탠딩 2층이 남는다. 이러한 2층을 이어서 기판 표면의 선택된 영역에 적용하거나 부착할 수 있다(상기 스톱-오프 표면은 상기 기판과 접촉하면서 위치하고, 2층의 대향 표면, 즉 결합제 층은 바깥을 향하고 있어 후속적인 코팅 침착에 노출된다). 이러한 2층 구조는 다양한 기술에 의해 융합전 상기 기판상에 일시적으로 위치할 수 있다. 한가지 예로써, 2층은, 부분적으로 용해하고 결합제 물질중 임의의 결합제를 가소화하는 용매에 노출되어 구조물이 기판 표면에 부합하여 접착하도록 할 수 있다(이와 같은 기술은 상기 특허 출원 제 09/304,276 호에 개시되어 있다).
추가의 변형으로서, 상기 스톱-오프 물질은 결합제의 시이트 상에, 예를 들면 상술한 납땜 호일상에 침착될 수 있다(상기 스톱-오프는 일정한 패턴으로 침착되거나, 통상적인 기술에 의해 나중에 패턴화될 수 있다). 이어서 이러한 스톱-오프/호일 구조물은 요구되는 영역에서 기판에 부착되고, 이때 스톱-오프는 상기 기판과 직접 접촉한다. 상기 구조물은 다양한 기술에 의해 제위치에 일시적으로 유지될 수 있다. 예를 들면, 접착제가 사용될 수 있다. 선택적으로, 상위 호일을 기판상에 가용접시킬 수 있다. 스톱-오프/호일 구조물의 융합(예를 들면, 납땜)는 이후 설명하는 통상적인 기술에 의해 수행될 수 있다.
상기한 전체 실시태양에서, 스톱-오프 물질을 제거해야 할 필요는 없다. 달리 말하면, 스톱-오프와 결합제 사이의 접착력의 결핍으로부터 형성된 채널은 이미 존재한다. 그러나, 때때로 예를 들면 채널 크기를 약간 확대하기 위해 스톱-오프 물질을 제거하는 것이 바람직하다. 스톱-오프 물질의 제거가 다른 실시태양과 관련하여 아래에 더욱 상세히 설명된다. 이 경우, 스톱-오프 물질의 제거는 납땜상에 하나 이상의 후속적인 코팅의 침착 전에 또는 이러한 코팅의 침착 후 수행될 수 있다.
위에서 언급한 바와 같이, 하나 이상의 코팅 물질을 상기 기판상에 도포하여 결합제의 모두 또는 거의 모두를 커버한다. 몇가지 실시태양에서, 상기 코팅 물질은 기판상에, 즉 상기 결합제상에 직접 도포된다. 코팅 물질의 선택은 물론 제품의 최종 용도 요건에 의존할 것이다. 예를 들면, 코팅은 일차적으로 열적 보호, 예를 들면 열 차단 코팅(TBC)을 위해 사용될 수 있다. 선택적으로, 코팅은 환경 보호, 즉 산화, 부식 및 화학적 공격의 악영향으로부터 기판의 보호를 제공하는 것이다. 코팅 물질의 두께는 재료 비용 뿐만 아니라 제품의 요건에 의존할 것이다.
빈번하게, 결합제상에 도포된 코팅은 금속성이다. 많은 상이한 유형의 금속성 코팅이 사용될 수 있다. 터빈 제품의 경우, 금속 코팅은 또한 일반식 MCrAl(X)(여기서, M은 Ni, Co, Fe, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된다)의 물질을 포함한다. 상기 식에서, "X"는 Y, Ta, Si, Hf, Ti, Zr, B, C 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 원소이다. 이러한 유형의 바람직한 합금의 일부는 크롬 약 17 내지 약 23%; 알루미늄 약 4 내지 약 13%; 및 이트륨 약 0.1 내지 약 2%의 넓은 조성(중량%)으로 구성되되, 이때 M은 나머지를 구성한다.
다른 유형의 금속 코팅이 또한 사용될 수 있다. 실시예는 니켈 알루미나이드 또는 백금-니켈-알루미나이드와 같은 알루미나이드형 코팅을 포함한다. 내마모성 코팅(종종 "마모 코팅"으로 불림)이 또한 사용될 수 있다. 예는 크롬 카바이드 또는 코발트-몰리브덴-크롬-실리콘으로 형성된 것을 포함한다.
상기한 것과 같은 MCrAl(X) 코팅은 그 자체로 어느 정도 부식 보호성 및 산화 보호성을 기판에 제공할 수 있다. 그러나, 이러한 코팅은 후속적으로 도포된 세라믹 코팅, 예를 들면 열 차단 코팅을 위한 결합층으로서 사용되는 경우가 많다. 도 2는 결합 코트(22) 및 상위 세라믹 코팅(24)의 존재를 묘사한다. 종종, 세라믹 코팅은 열 차단 코팅이다. 이는 일반적으로(항상은 아님) 지르코니아계이다. 본원에서, "지르코니아계"란 약 70중량% 이상의 지르코니아를 함유하는 세라믹 물질을 포함한다. 바람직한 실시태양에서, 지르코니아는 화학적으로 이트륨 산화물, 칼슘 산화물, 마그네슘 산화물, 세륨 산화물, 스칸듐 산화물 또는 이들 물질의 이의의 혼합물과 같은 물질과의 블렌딩에 의해 화학적으로 안정화된다.
본원에서 사용된 코팅 물질은 많은 상이한 기술에 의해 도포될 수 있다. 특정 기술의 선택은 물론 침착될 코팅 물질의 유형에 달려있다. 예를 들면, 금속 코팅(예: MCrAl(X) 코팅)이 열적 분사 기술에 의해 기판에 직접 도포될 수 있다. 예로서, 공기 플라즈마 분사(APS), 진공 플라즈마 분사(VPS) 및 고속 산소-연료(HVOF)가 있다. 기타 침착 기술이 또한 사용될 수 있으며, 예를 들면 스퍼터링이 있다. 세라믹 코팅(예: TBC)은 일반적으로 APS; 물리적 증착(PVD) 또는 전자빔 물리적 증착(EB-PVD)에 의해 도포된다.
상술한 바와 같이, 기판에 상기 코팅을 직접 침착하는 선택적인 태양이 있다. 예를 들면, 상기 코팅 물질(예를 들면, 결합 코트)은 미리 형성되고 상기 기판상에, 즉 상기 기판상에 배치된 결합제상에 도포될 수 있다. 설명하자면, 상기 코팅은 상기 기판상에 호일로서, 즉 때때로 "코팅 프리-폼"으로 불리는 얇은 시이트상에 도포될 수 있다. 이러한 기술은 본원에서 참조로서 인용하는 미국 특허 출원 제 09/411,222 호에 개시되었다. 상기 코팅 호일은 다양한 기술에 의해 제조될 수 있다. 예를 들면, 상기 코팅 물질은 통상적으로 분말형태로서, 제거가능한 지지 시이트(일반적으로 금속)상에 금속의 박층으로서 침착될 수 있다. 상기 분말을 상술한 열적 스프레이 기술, 예를 들면 스퍼터링, PVD 등에 의해 상기 지지 시이트에 도포될 수 있다.
코팅이 지지 시이트상에 침착된 후, 후자가 제거되고, 요구되는 프리-스탠딩 금속 호일이 남는다. 다양한 기술을 사용하여 상기 지지 시이트로부터 호일을 제거할 수 있다. 예를 들면, 지지 시이트가 코팅 금속의 침착 전에 의도적으로그릿-블라스팅(grit-blasting)되지 않으면, 상기 금속의 지지 시이트에 대한 접착은 상대적으로 낮고, 호일의 탈착을 용이하게 한다. 선택적으로, 종래의 릴리이스 코팅을 상기 코팅 물질의 도포 전에 상기 제거가능한 지지 시이트에 도포할 수 있다.
또한, 복수의 코팅을 상기 제거가능한 지지 시이트 위에 있는 결합 코팅상에 연속적으로 도포할 수 있다. 예로써, 지르코니아계 TBC를 다양한 기술(예: APS)에 의해 결합 코트상에 도포할 수 있다. 지지 시이트로부터 탈착 후, 프리-스탠딩 호일은 결합 코트와 TBC를 모두 포함한다.
이어서, 호일은 기판에 융합되기 전에, 코팅이 의도되는 기판상의 자리에 적당한 크기로 절단될 수 있다. 다양한 기술을 사용하여 융합 전에 호일을 제자리에 일시적으로 유지할 수 있다. 예를 들면, 접착제, 즉 융합 단계중에 완전히 휘발하는 것을 사용할 수 있다. 선택적으로, 호일은 자리에 나사, 클램프 또는 압정으로 조여진다.
코팅 물질의 호일을 기판에 부착하기 위한 융합 단계는 다양한 기술에 의해 수행될 수 있다. 상술한 바와 같이, 보통은 통상적인 납땜 작업으로서 수행된다. (본원에서 사용된 바와 같이, "납땜"은 일반적으로 충전 물질 또는 합금의 사용을 포함한 금속을 연결하는 임의의 방법을 포함하고자 한다). 납땜에 관한 한가지 예시적인 참고문헌은 다음과 같다[문헌: "Modern Metalworking", J.R.Walker, The Goodheart-Willcox Co., Inc., 1965, pp. 29-1 내지 30-24].
당업자는 납땜에 대해 상세히 알 것이다. 납땜 온도는 부분적으로는 사용된납땜 합금의 유형에 의존하고 전형적으로 약 525 내지 약 1650℃이다. 니켈계 납땜 합금의 경우, 납땜 온도는 통상적으로 약 800 내지 약 1260℃이다. 가능하게는, 납땜은 종종 진공 노에서 수행된다. 진공의 정도는 부분적으로 납땜 합금의 조성에 의존할 것이다. 통상적으로 진공은 약 10-1torr 내지 약 10-8torr이다.
앞에서 언급한 바와 같이, 융합 단계는 납땜 이외의 기술에 의해 수행될 수 있다. 예를 들면, 토치(torch) 또는 기타 가열 기술, 예를 들면 용접 기술이 기판에 코팅 호일을 융합하기 위해 사용할 수 있다. 이러한 기술은 진공 노에 선택적인 태양을 나타낸다.
어떠한 융합 기술이 사용되느냐에 무관하게, 결과적인 코팅은 기판에 야금술적으로 결합된다. 기판에 대한 코팅의 부착은 결합제 층을 통해 발생한다. 그러나, 이러한 실시태양에서, 결합제와 스톱-오프 사이의 접착력이 없어서(앞에서 개시된 바와 같음), 결합제가 스톱-오프 물질상에 놓이는 영역에서 기판에 코팅이 실질적으로 부착되지 않는다. 따라서, 채널(즉, 도 2에서 개방 면적(20))이 코팅된 기판의 표면 영역에 남는다. 이러한 실시태양에서, 채널은 실질적으로 둘레의 스톱-오프(10)로서 설명된다(스톱-오프는 사실상 채널의 바닥 표면으로서 기능한다). 그러나, 임의의 특정 경우 채널의 구체적인 형상은 부분적으로 스톱-오프(10)와 결합제(18) 사이의 "비-접착성"의 정도에 의존한다. 경우에 따라, 채널은 스톱-오프 물질을 제거함으로써 이 단계에서 약간 확대될 수 있다.
도 3은 기판상에 도포된 코팅 시스템의 단면의 현미경 사진이다. 기판(30)은 니켈계 초합금으로 형성된다. 일반 영역(32)에서 매우 얇은 산화물 층(현미경에 나타나지는 않음)은 기판의 표면상에 자연적으로 형성되었다.
상기 코팅 시스템은 프리-스탠딩의 예비 형성된 결합코트/TBC 호일이다. 이러한 호일의 제조는 상기한 계류중인 특허출원 제 09/411,222 호에 개시된다. 상기 호일은 NiCrAlY-형 결합 코트 및 상위 지르코니아-이트리아 TBC를 포함한다(양 코팅은 일시적 기판상에 공기 플라즈마-분사되고 이어서 그로부터 탈착되었다).
상기 코팅 호일은 그린 납땜 테이프로 기판에 부착되었다. 상기 테이프는 다음과 같은 조성을 가졌다: 10중량% Si, 19중량% Cr, 나머지 Ni. 진공-납땜은 2100℉(1149℃)에서 30분 동안 수행하였다. 약 0.001 인치/0.025 mm의 두께를 갖는 납땜층은 도 3에서 일반 영역(34)에서 볼 수 있다.(예를 들면 전술한 바와 같은 납땜 호일이 납땜 테이프 대신 사용될 수 있음을 이해해야 한다)
이러한 예시적인 실시태양에서, 결합코트(36)는 2개의 일반 영역을 포함한다. 영역(38)은 NiCrAlY 물질의 공기-플라즈마 분사로부터 유래된 일반적 "스폰지" 미세구조를 특징으로 한다. 영역(40)은 초기에 동일한 미세구조를 갖지만 열처리중에 납땜 물질로 후속적으로 침윤되어서, 상기 영역을 밀집화한다. 코팅(42)은 지르코니아계 TBC이다.
도 3은, 산화물 층이 존재하는 영역, 즉 표면 영역(32) 위에서를 제외하고 호일-코팅(즉, 결합코트(36) 및 TBC(42))이 금속 기판(30)에 완전히 납땜됨을 나타낸다. 상기 영역에서 산화물은 스톱-오프로서 작용하고, 납땜의 습윤화를 방지한다. 따라서, 공극 또는 채널(44)이 상술한 바와 같이 형성되었다. 채널로서 작용하는 하나 이상의 다른 공극(또는 검정색 영역)은 또한 현미경 사진의 동일한 수직 위치 주위에 도시되어 있다.
본 발명의 또 다른 실시태양에서, 희생 충전제가 채널-형성제로서 사용된다. 충전제를 제거하면 채널이 형성된다. 따라서, 이러한 실시태양은 결합제가 하위 충전제에 접착되든지 안되든지에 의존하지 않는다.
도 4에 도시된 바와 같이, 희생 충전제(50)를 일단 기판(54)의 표면(52)상에 침착시킨다, 개방 영역(56)에 상대적인 희생 충전제의 위치는 궁극적으로 형성될 채널의 기하학을 결정한다. 비제한적인 예로서, 기체 터빈을 위한 연소 챔버는 약 0.005 인치(0.127mm) 내지 약 0.050 인치(1.27mm)의 평균 폭 및 높이(깊이)를 갖는 냉각 채널을 필요로 할 것이다. 바람직한 실시태양에서, 냉각 채널은 약 0.010 인치(0.254 mm) 내지 약 0.025인치(0.635 mm)의 평균 폭 및 높이를 갖는다. 따라서, 희생 충전제는 실질적으로 상보적인 치수를 갖는다.
이러한 실시태양을 위한 희생 충전제로서 다양한 물질이 사용될 수 있다. 비제한적인 예는 상기한 스톱-오프 물질을 포함한다(더 많은 양의 물질이 통상적으로 이러한 실시태양에 사용된다). 다양한 다른 무기 화합물이 본원에서 참조로서 인용한 미국 특허 제 6,321,449호(Zhao 등)에 개시된 바와 같이 사용될 수 있다. 이들은 다양한 금속 산화물, 금속 할라이드, 금속 보레이트, 금속 설페이트, 금속 알루미네이트 및 이들의 조합을 포함한다. 몇가지 구체적인 예는 염화나트륨, 칼륨 보레이트, 니켈 클로라이드, 마그네슘 설페이트, 니켈 플루오라이드, 나트륨 알루미네이트 및 나트륨 알루미네이트와 나트륨 알루미노실레케이트의 혼합물이다.페이스트 형태로 사용될 때, 많은 이러한 무기 화합물이 결합제 및/또는 용매와 결합된다. 상기 결합제들의 비제한적인 예는 수계 겔(예: Vitta Gel(등록상표))이다. 특정 용매의 선택은 사용된 결합제의 유형에 달려있다. 특정 예는 물, 알콜, 아세톤, 수산화나트륨 용액 및 수산화칼륨 용액을 포함한다. 탄소계 물질, 예를 들면 그라파이트가 희생 충전제로서 사용될 수 있다.
본 실시태양에서 상술한 바와 같이(즉, 스톱-오프 유형의 물질만이 사용됨), 희생 충전제는 채널(들)의 선택된 모양을 나타내는 패턴으로 침착된다. 이러한 실시태양에서, 그렇다 하더라도 요구되는 체적의 충전제는 냉각 채널의 요구되는 치수에 대해 "코어"로서 기능하기에 충분한 것이다. 상기 침착을 위해 사용된 기술은 예를 들면 리소그라피 또는 슬러리 침착으로서, 필요량의 충전제를 처리하도록 되기만 하면 여기서도 사용될 수 있다. 또한, 상기 스톱-오프 물질은 위에서 설명한 바와 같이 별도의 지지 시이트상에 미리 형성되고 후속적으로 제품의 기판상에 침착될 수 있다.
그라파이트와 같은 몇가지 희생 물질은 금속 납땜과 같은 특정 결합제와 반응할 수 있다. 따라서, 몇가지 경우, 희생 물질(예를 들면 그라파이트 막대기 또는 테이프)를 위에서 설명한 스톱-오프 물질중 하나로 미리-코팅하는 것이 바람직할 것이다. 이러한 스톱-오프 코팅은 실질적으로 희생 물질과 결합제 사이의 반응을 방지하도록 기능할 것이다. 이어서 상기 희생물질은 아래에 논의된 융합(가열) 단계중 하나중에 실질적으로 제거될 것이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 이어서 결합제(58)를 표면(52)상에 도포한다. 결합제는 개방 공간(56)(도 4를 또한 참조한다)을 채우고 후속적으로 도포된 코팅을 위한 부착 사이트로서 기능한다. (상기 결합제는 연속적인 도면들에서 명백한 바와 같이 일반적으로 종국적으로 형성될 채널의 벽을 구성할 것이다). 적절한 결합제의 유형은 앞에서 설명하였다. 납땜 조성물이 통상적으로 사용된다. 결합제는 통상적으로 희생 충전제-층(50)(도 5)의 상부 표면(59)의 적어도 일부를 커버한다. 상기 결합제는 상기 희생 물질에 접착되거나 전혀 접착되지 않을 수 있다. 접착력 또는 그의 결여는 다양한 인자, 예를 들면 물질 조성 및 밀도에 의존하지만 이러한 실시태양에서 중요한 특성은 아니다. 결합제가 반고형, 예를 들면 슬러리로 존재하면, 과량이 침착 후 제거될 수 있다. 또한, 결합 조성물로부터 임의의 휘발 성분을 제거하기 위해 가열 단계가 필요할 수 있다(앞에서 설명한 바와 같음).
상기 논의한 실시태양에서와 같이, 희생 물질 및 결합제는 단일 구조물로서 미리 형성될 수 있다. 이러한 이층 구조물은 제거가능한 지지체 시이트상에 형성되어 지지 시이트로부터 탈착될 것이다. 이어서 상기 구조물을 최종 기판의 바람직한 영역에 도포할 수 있다. 또 다른 실시태양( 및 제 1 실시태양과 유사함)으로서, 상기 희생 물질을 결합제의 호일(예: 납땜 호일)에 직접 도포할 수 있다. 이때 상기 호일은 기판에 융합될 것이다.
이러한 단계에서, 하나 이상의 코팅을 위에서 설명한 바와 같이 기판상에 도포할 수 있다. 도 5에 도시한 바와 같이, 개방 공간(56)(도 4 참조)을 충전하고 또한 희생 층 상부 표면(59)을 커버할 수 있는 결합제(58)는 통상적으로 기판에 코팅을 융합하기에 충분하다. 그러나, 몇가지 바람직한 실시태양에서, 특히 결합제가 납땜 물질일 때, 테이프(때때로 "결합 시이트"로 불림)가 코팅 침착 전에 도포된다. 도 6에 도시된 바와 같이, 테이프(70)는 결합제(58) 및 희생층(50)상에 배치된다. 테이프는 더 강한 결합이 요구될 때 코팅에 대한 더욱 균일한 부착 사이트를 제공한다.
납땜계 결합제의 경우, 테이프(70)는 통상적으로 납땜 시이트이다. 다양한 유형의 납땜 테이프가 상기 참조하는 미국 특허 출원 제 09/304,276 호(W. Hasz)에 개시된다. 예로서, 그린 납땜 테이프를 사용할 수 있다. 이러한 테이프는 시판중이다(예: Amdry(등록상표) 납땜 테이프). 선택적으로, 이들은 다양한 기술, 예를 들면 금속 분말 및 결합제의 슬러리를 액체 매질(예: 물 또는 유기 액체)중에서 테이프-캐스팅하여 형성될 수 있다. 금속 분말은 통상적으로 기판과 유사한 물질(예: 니켈- 또는 코발트계 조성물)이다. 납땜 테이프는 통상적으로 약 25 내지 약 250㎛의 두께를 갖고 바람직하게는 약 50 내지 약 250㎛의 두께를 갖는다(이러한 유형의 납땜 호일은 종종 약 10 내지 약 150㎛의 두께, 더욱 바람직하게는 약 10 내지 40㎛의 두께이다).
상기 코팅 물질을 상기 기판상에 도포하고, 테이프(70)를 커버한다(또는 테이프가 사용되지 않는다면 결합제(58) 및 희생층(50)을 직접 커버한다). 도 7은 예시적이고 결합코트(72) 및 상기 세라믹 코팅(74)을 도시한다. 그러나, 상술한 바와 같이, 많은 상이한 유형의 코팅(단층 또는 다층)을 사용할 수 있다. 또한, 상기 코팅을 별도의 기판상에 예비형성하고 이어서 최종 기판에 도포할 수 있다.
코팅이 미리 형성되는 실시태양에서, 채널의 크기 및 형상을 확실히 하기 위한 종래의 기술이 사용될 수 있다. 슬롯 또는 기타 구멍이 코팅 프리-홈의 바닥 표면(밑면)으로 컷팅될 수 있다(예를 들면 기계화될 수 있다). 예를 들면, 슬롯은 결합코트/TBC 이층 구조물중 결합코트의 밑면으로 컷팅된다. 슬롯의 형상은 냉매 흐름 효율과 같은 요건에 따라 다양할 수 있다. 이층 구조물이 상기 기판에 부착되고 가열될 때, 상기 결합제는 이층의 최저부를 기판 표면에 융합한다. "커트-아웃" 영역 때문에, 틈이 남고 형상화된 채널로서 작용할 것이다.
이어서 융합 단계를 상기한 바와 같이 수행한다. 납땜 결합제의 경우, 종래의 납땜 작업이 수행된다. 납땜 단계는 결합제를 밀집화하고 코팅과 하위 기판 사이의 견고한 접착력을 제공한다. 이미 설명한 바와 같이 선택적 가열 기술이 융합 단계, 예를 들면 토치-용접을 수행하기 위해 가능하다.
도 8에 도시된 바와 같이 희생 충전제(50)를 제거하여 요구되는 채널(80)을 형성한다. 다양한 기술이 희생 충전제를 제거하기 위해 유용하다. 위에서 설명한바와 같이 미국 특허 제 5,075,966 호 및 미국 특허 제 6,321,449 호에 많은 것이 개시되어 있다. 특정 기술의 선택은 충전제의 조성에 일부 의존할 것이다. 사용된 기술은 기판, 결합제 또는 코팅 물질에 악영향을 주지 않는 것이어야 한다(예로서, 강산은 많은 유형의 희생 충전제를 제거할 수 있지만 금속 성분에 손상을 줄수도 있다).
물세척은 수용성 희생 물질을 위한 제거 기술로서 사용될 수 있다. 화학 표백 또는 진공 추출은 다른 유형의 물질에 대해 사용될 수 있다. 물, 알콜, 아세톤 또는 알칼리 금속 수산화물과 같은 용매를 사용한 에칭이 또한 사용될 수 있다.때때로 적절한 또 다른 기술은 초음파 제거이다.
희생 물질이 유기 또는 부분적으로 유기이면, 연소가 사용될 수 있다. 예를 들면, 상기 성분은 희생 충전제를 휘발시키거나 연소제거하기에 충분히 높은 온도로 가열될 수 있다. 이어서 잔사성 찌꺼기는 공기-블라스트 단독에 의해 또는 상기한 기술중 하나와의 조합에 의해 제거될 수 있다. 코팅 물질이 직접 결합제상에 고온 기술, 예를 들면 플라즈마 기술에 의해 적용되는 실시태양에서, 플라즈마 온도는 희생 물질을 휘발시키기에 충분할 것이다.
또 다른 실시태양으로서, 희생 충전제를 상기 방법의 초기 단계에서 제거할 수 있다. 예를 들면, 충전제를 결합제(58)의 침착 및 경화후 제거할 수 있다(도 5). 상기 충전제는 또한 선택적 결합 테이프, 예를 들면 위에서 논의한 납땜 테이프의 도포 후 제거될 수 있다. 그러나, 후속적인 코팅 침착 방법이 고온에서, 예를 들면 플라즈마 방법에서 수행되면, 상기 충전제가 종종 코팅 침착이 완료될 때까지 제자리에 남는다. 이는 코팅 침착중 종국적 채널의 임의의 변형을 방지해준다.
본 발명의 또 다른 실시태양은 상기한 방법에 따라 제조된 제품에 관한 것이다. 따라서, 상기 제품은 도 8에 도시한 바와 같이 금속 기판(54)을 포함하고, 이는 종종(항상은 아님) 초합금 물질로부터 형성된다. 하나 이상의 채널(80)이 상기 제품에, 일반적으로 기판 표면(52)의 상부상에 도입된다(이러한 실시태양에서, 도 6에 도시된 바와 같이 냉각 채널은 초기에 희생 충전제, 예를 들면 충전제(50)로 실질적으로 충전된다). 채널의 측벽은 일반적으로 상기한 결합제에 의해 형성된다. 앞에서 시사한 바와 같이, 채널의 형상은 매우 다양할 수 있다. 비제한적인 예로서, 이들은 앞에서 지시한 바와 같이 미국 특허 제 6,321,449 호 및 제 5,075,966 호(각각)에 개시된 바와 같은 "홈" 또는 "움푹한 내부 영역"과 같이 형상화되고 위치될 수 있다. 터빈 엔진 구성요소 안으로 도입된 냉각채널은 일반적으로 그 구체적인 작용에 따라 미리-선택된 패턴으로 존재할 것이다.
상기 제품은 기판 및 채널상에 배치된 하나 이상의 코팅을 추가로 포함한다. 예를 들면, 도 7은 결합코트(72) 및 세라믹 막(74)을 위에서 설명한 바와 같이 묘사한다. 이러한 코팅의 일반적 두께는 위에서 언급되었고 또한 미국 특허 출원 제 09/411,222 호에 개시되어 있다. 상기 코팅을 위에서 논의한 결합제, 예를 들면 납땜 물질의 개재층에 의해 기판에 융합된다.
또 다른 실시태양은 위에서 설명한 바와 같이 스톱-오프 물질의 사용이 상위 결합제의 실질적 접착을 방해할 때 제조된 제품에 관한 것이다. 따라서, 상기 스톱-오프 물질은 일반적으로 상기 채널의 하부 표면을 형성한다. 상기 지시한 요구되는 보호 코팅 또한 이러한 유형의 제품에 대해 사용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시태양에 대해 설명하였으며, 선택적 실시태양이 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 한 당업자에게 명백해질 수 있다. 선택적으로, 본 발명의 범위는 첨부된 청구의 범위에 의해서만 제한되는 것으로 이해된다.
종래 채널 형성방법은 캐스팅 또는 기계적 방법 등을 필요로 하여 시간 소모적이었으나, 본 발명의 방법에 따르면 이러한 시간 소모적인 단계를 사용하지 않고도 복잡한 패턴의 채널을 형성할 수 있고, 채널의 형상 및 그 조성을 용이하게 변화시킬 수 있다.

Claims (10)

  1. 코팅된 금속계 기판(54) 안에 하나 이상의 채널(80)을 형성하는 방법으로서,
    (a) 상기 기판(54)의 표면(52)상에 채널-형성 물질(50)을, 선택된 채널(80) 형상을 나타내는 패턴으로 침착하는 단계;
    (b) 요구되는 코팅 물질(72,74)을 하위 결합제(58)에 의해 상기 표면(52)에 융합시켜서, 상기 코팅(72,74)이 채널-형성 물질(50) 및 상기 표면(52)의 선택된 영역을 커버하도록 하는 단계; 및
    (c) 상기 채널-형성 물질(50)을 제거하여 상기 채널(80)을 형성하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 채널-형성 물질(50)이 금속 산화물, 금속 할라이드, 금속 보레이트, 금속 설페이트, 금속 알루미네이트, 탄소계 물질 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 조성물을 포함하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 채널-형성 물질(50)이 결합제 및 용매로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 성분을 추가로 포함하는 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 채널-형성 물질(50)이 염화나트륨, 칼륨 보레이트, 마그네슘 설페이트, 니켈 클로라이드, 니켈 플루오라이드, 나트륨 알루미네이트, 나트륨 알루미노실리케이트, 마그네슘 산화물, 알루미늄 산화물, 지르코니아, 이트리아, 그라파이트 및 이들의 임의의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 성분을 포함하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 결합제(58)가 납땜 물질인 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 요구되는 코팅(72,74)이, 상기 기판(54)에 상기 결합제(58)에 의해 융합된 프리-스탠딩(free-standing) 코팅 호일의 형태로 존재하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    요구되는 코팅(72)이 금속 코팅인 방법.
  8. 금속 결합코트(72) 및 상위 열 차단 코팅(74)에 의해 커버된 초합금 기판(54)안에 냉각 채널(80)을 형성하기 위한 방법으로서,
    (I) 기판 표면(52)의 미리-선택된 영역에 접촉하는 채널 형성 물질의 하위서브층(50) 및 납땜 물질의 상위 서브층(58)을 포함하고 선택된 냉각 채널 형상을 나타내는 형상을 갖는 프리-스탠딩 이층 호일을, 기판(54)의 표면(52)에 부착하는 단계;
    (II) 상기 결합코트(72)와 열 차단 코팅(74)을 납땜 물질(58)에 의해 상기 기판 표면(52)에 융합시켜 결합코트와 열 차단 코팅이 채널-형성 물질(50)과 상기 기판 표면의 미리-선택된 영역을 커버하도록 하는 단계; 및
    (III) 상기 채널-형성 물질(50)을 제거하여 상기 요구되는 채널(80)을 형성하는 단계를 포함하는 방법.
  9. (I) 하나 이상의 채널(80)을 포함하는 표면(52)을 갖는 금속계 기판(54); 및
    (II) 표면(52) 및 채널(80)상에 배치된 하나 이상의 코팅(72,74)을 포함하되,
    상기 코팅(72,74)이 결합제(58)로 상기 기판(54)에 부착된 제품.
  10. (i) 하나 이상의 채널(20)을 포함하는 표면(12)을 갖는 금속계 기판(14);
    (ii) 채널의 하부 표면을 실질적으로 형성하는 스톱-오프(stop-off) 물질(10); 및
    (iii) 기판 표면(12)과 채널(20)상에 배치된 하나 이상의 코팅(22,24)을 포함하되, 상기 코팅(22,24)이 스톱-오프 물질(10)에 실질적으로 접착하지 않는 결합제(18)에 의해 상기 기판에 결합되어 채널(20)을 형성하는 제품.
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