KR20070025958A - 복합 열 장벽 코팅 도포 방법 및 코팅된 제품 - Google Patents

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에드워드 에프. 피에트라즈키에비츠
케빈 더블유. 슐리히팅
데이비드 에이. 리튼
헤더 에이. 테리
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유나이티드 테크놀로지스 코포레이션
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Abstract

본 발명의 복합 열 장벽 코팅 도포 방법은 구성품의 제1 표면의 적어도 일부를 제1 마스칸트로 마스킹하는 단계와, 상기 구성품의 제2 표면의 적어도 일부에 제1 코팅 재료를 도포하는 단계와, 상기 제1 마스칸트를 제거하는 단계와, 상기 구성품의 상기 제2 표면의 적어도 일부를 제2 마스칸트로 선택적으로 마스킹하는 단계와, 상기 구성품의 상기 제1 표면의 적어도 일부에 제2 코팅 재료를 도포하는 단계와, 상기 선택적인 제2 마스칸트를 제거하는 단계를 포함한다.
복합 열 장벽 코팅, 베인, 블레이드, 마스칸트, 에어포일

Description

복합 열 장벽 코팅 도포 방법 및 코팅된 제품 {METHODS FOR APPLYING A HYBRID THERMAL BARRIER COATING, AND COATED ARTICLES}
도1은 가스 터빈 엔진에 사용하는 구성품을 나타내는 도면이다.
도2는 본 발명의 제1 마스칸트(maskant)를 나타내는 도면이다.
도3은 본 발명의 제2 마스칸트를 나타내는 도면이다.
여러 도면들에 있어서의 유사한 도면 부호 및 명칭은 유사한 요소를 지시한다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 베인
12, 18 : 플랫폼
14 : 흡입 측면
16 : 압력 측면
24 : 제1 마스칸트
32 : 제2 마스칸트
본 발명은 열 장벽 코팅을 도포하는 방법에 관한 것이며, 특히 복합 열 장벽 코팅을 도포하는 방법에 관한 것이다.
가스 터빈 엔진은 항공기를 추진하고, 전력을 생산하고, 유체를 펌핑하는 것 등에 사용하기 위해 연료의 형태인 화학적 포텐셜 에너지를 열 에너지로, 그리고 다시 기계적 에너지로 변환하기 위한 잘 발달된 기구이다. 현시점에서, 가스 터빈 엔진의 효율을 개선하기 위한 아주 유용한 방법은 보다 높은 작동 온도의 사용인 것으로 보인다. 그러나, 가스 터빈 엔진 구성품에 사용되는 금속 재료들은 현재 그것들의 열적 안정성의 상한에 매우 가까이에 있다. 현대의 가스 터빈 엔진의 가장 고온인 부분에 있어서, 금속 재료들은 그것들의 용융점 이상의 가스 온도에서 사용된다. 이들 금속 재료는 공기 냉각되기 때문에 견딜 수 있다. 그러나, 공기 냉각을 제공하는 것은 엔진 효율을 저감시킨다.
따라서, 피냉각 가스 터빈 항공기 하드웨어와 함께 사용하기 위한 열 장벽 코팅의 광범위한 개발이 있어왔다. 열 장벽 코팅을 사용함으로써, 요구되는 냉각 공기의 양이 실질적으로 저감될 수 있고, 따라서 상응하는 효율의 증가를 제공할 수 있다.
터빈 블레이드 및 베인은 열 장벽 코팅을 사용하는 2개의 예시적인 피냉각 가스 터빈 항공기 구성품이다. 피냉각 가스 터빈의 고온 섹션에 있어서의 터빈 블레이드 및 베인은 그 내구성을 증가시키기 위해 통상적으로 금속 및/또는 세라믹 열 장벽 코팅으로 코팅된다. 세라믹 열 장벽 코팅은 5mils 내지 10mils(약 0.127mm 내지 약 0.254mm) 또는 그 이상으로 어디에나 도포되며, 금속 기판의 표면 에서 300℉(약 149℃) 또는 그 이상까지 온도를 낮출 수 있다. 통상적인 현행의 열 장벽 코팅 시스템에 있어서, 세라믹 재료는 통상적인 공기중 플라즈마 스프레이 공정(APS), 또는 전자 비임 물리 증착(EB-PVD)과 같은 물리 증착 공정 중 하나에 의해 도포된다.
블레이드 및 베인에 부품 수명 동안 나타나는 통상적인 디스트레스 모드는 에어포일의 압력 측면 상에서 발달하는 산화되기 쉬운 과열점이다. 현재, 이러한 과열점은 예를 들어 7YSZ와 같은 현재 상용화된 열 장벽 코팅보다 50% 내지 60% 낮은 열전도율 값을 나타내는 저열전도율 열 장벽 코팅으로 코팅될 수 있다. 그러나, 블레이드 및 베인이 고 마하수에서 가혹한 작동 조건을 경험할 때, 에어포일의 고 마하수 영역에서 나타나는 또다른 디스트레스 모드는 예를 들어 코팅 및 많은 경우에 하층 기판의 미립자 부식이다.
결론적으로, 산화를 방지하는데 필요한 필수 열전도율을 제공하면서 미립자 부식을 견디는 내부식성도 나타내는 열 장벽 코팅에 대한 요구가 존재한다.
본 발명에 따르면, 대체로 복합 열 장벽 코팅을 도포하는 방법은 구성품의 제1 표면의 적어도 일부를 제1 마스칸트로 마스킹하는 단계와; 구성품의 제2 표면의 적어도 일부에 제1 코팅 재료를 도포하는 단계와; 제1 마스칸트를 제거하는 단계와; 구성품의 제2 표면의 적어도 일부를 제2 마스칸트로 선택적으로 마스킹하는 단계와; 구성품의 제1 표면의 적어도 일부에 제2 코팅 재료를 도포하는 단계와; 제2 마스칸트를 제거하는 단계를 포함한다.
대체로 본 발명의 복합 열 장벽 코팅을 도포하는 방법은 구성품의 제1 표면의 적어도 일부에 제1 열전도율 값을 가진 제1 열 장벽 코팅 재료를 도포하는 단계와; 구성품의 제2 표면의 적어도 일부 및 선택적으로는 제1 표면의 적어도 일부에 제2 열전도율 값을 가진 제2 열 장벽 코팅 재료를 도포하는 단계를 포함하며, 제2 열전도율 값은 제1 열전도율 값보다 크거나 또는 작다.
대체로 본 발명의 제품은 외부 표면과; 상기 외부 표면의 적어도 제1 부분 상에 배치된 제1 열전도율 값을 가진 제1 코팅과; 외부 표면의 적어도 제2 부분 및 선택적으로는 대체로 제1 코팅을 포함하는 제1 부분 상에 배치된 제2 열전도율 값을 가진 제2 코팅을 포함한다.
본 발명의 하나 이상의 실시예의 상세는 첨부 도면 및 이하의 설명에 개시되어 있다. 본 발명의 다른 특징, 목적 및 이점은 상세한 설명, 도면 및 청구범위로부터 명확해질 것이다.
본 명세서에 설명된 열 장벽 코팅 도포 방법은 가스 터빈 엔진 구성품이 산화와 미립자 부식을 모두 견딜 것에 대한 요구를 해결한다. 본 발명의 방법은 각각 산화와 미립자 부식을 방지하기에 충분한 양으로 저열전도율 열 장벽 코팅과 고열전도율 열 장벽 코팅의 조합을 적용한다.
대체로, 가스 터빈 엔진 내의 구성품과 같은 특정 용도를 가진 제품이 본 발명에 따라 제공될 수 있다. 이 제품은 금속 기판과, 이 기판에 도포되는 당분야에 공지된 다수의 저열전도율 열 장벽 코팅 및 고열전도율 열 장벽 코팅 중 어느 하나 를 가질 수 있다. 이들 저열전도율 열 장벽 코팅 및 고열전도율 열 장벽 코팅은 당업자에게 공지된 다수의 방법 중 어느 하나를 사용하여 도포될 수 있으며, 바람직하게는 보다 높은 온도의 응용예를 위해서는 물리 증착 및 플라즈마 스프레이 공정을 사용하여 도포될 수 있다.
물리 증착 및 플라즈마 스프레이 공정 모두에 있어서의 사용이 고려되는 대표적인 저열전도율 열 장벽 코팅은, 리튼(Litton) 등에게 허여되고 유나이티드 테크놀로지스사(United Technologies Corporation)에 양도된 미국 특허 제6,730,422호에 개시된 완전 저열전도율 열 장벽 코팅을 포함하지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 상기 특허는 전체 내용면에서 본 명세서에 참고 문헌으로 인용된다. 저열전도율 열 장벽 코팅은 약 1 btu in/hr ft2 ℉(0.145 W/mK) 내지 10 btu in/hr ft2 ℉(1.45 W/mK) 범위의 열전도율 값을 갖는 것이 고려된다.
공기 플라즈마 스프레이 공정에 있어서의 사용이 고려되는 대표적인 고열전도율 열 장벽 코팅은 바인(Vine) 등에게 허여되고 유나이티드 테크놀로지스사에 양도된 미국 특허 제4,861,618호에 개시된 고열전도율 열 장벽 코팅을 포함하지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 상기 특허는 전체 내용면에서 본 명세서에 참고 문헌으로 인용된다. 고열전도율 열 장벽 코팅은 약 5 btu in/hr ft2 ℉(0.72 W/mK) 내지 17 btu in/hr ft2 ℉(2.45 W/mK) 범위의 열전도율 값을 갖는 것이 고려된다.
전자 비임 물리 증착 공정에 있어서의 사용이 고려되는 대표적인 고열전도율 열 장벽 코팅은 울리온(Ulion) 등에게 허여된 미국 특허 제4,405,660호, 굽타(Gupta) 등에게 허여된 미국 특허 제4,585,481호, 기긴스 주니어(Giggins, Jr) 등에게 허여된 미국 특허 제5,087,477호, 스트랭맨(Strangman)에게 허여된 미국 특허 제4,321,311호 및 울리온(Ulion) 등에게 허여된 미국 특허 제5,262,245호에 개시된 완전 고열전도율 열 장벽 코팅을 포함하지만, 이들에 한정되는 것은 아니다. 상기 특허는 모두 유나이티드 테크놀로지스사에 양도되었으며, 전체 내용면에서 본 명세서에 참고 문헌으로 인용된다.
고열전도율 열 장벽 코팅은 예를 들어 산화 방지, 내부식성 등과 같은 원하는 특성에 따라 다양한 미세 구조를 나타낼 수 있다. 고열전도율 열 장벽 코팅은 덜(Duhl) 등에게 허여되고 유나이티드 테크놀로지스사에 양도된 미국 특허 제4,719,080호에 개시된 바와 같은 단결정 미세 구조, 또는 예를 들어 스트랭맨 등과 울리온 등의 특허에 개시된 바와 같은 컬럼형 그레인, 또는 등축(equiaxial) 구조도 나타낼 수 있다. 상기 특허는 전체 내용면에서 본 명세서에 참고 문헌으로 인용된다.
고열전도율 장벽 코팅 및 저열전도율 장벽 코팅은 기판의 표면에 직접 도포될 수 있거나, 또는 기판의 하나의 이상의 표면에 부착된 본드 코트(bond coat)에 도포될 수 있다. 바람직하게는, 고열전도율 장벽 코팅 및 저열전도율 장벽 코팅은 모두 물리 증착 또는 공기 플라즈마 스프레이 공정을 사용하여 기판의 표면에 직접 도포되거나, 또는 부착되어 있는 본드 코트에 도포된다. 기판은 니켈계 초합금, 코발트계 초합금, 강철과 같은 철합금, 티타늄 합금, 구리 합금 및 이들의 조합을 포함할 수 있다.
본드 코트는 당분야에 공지된 임의의 적절한 본드 코트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 본드 코트는 공지되어 있는 알루미늄 함유 재료, 알루미나이드, 백금 알루미나이드, 7중량% 이트리아(yttria) 안정화된 지르코니아(zirconia)와 같은 세라믹 재료, 또는 MCrAlY 재료로부터 형성될 수 있다. 바람직하게는, 본드 코트는 저압 플라즈마 스프레이를 사용하여 형성된다. 원한다면, 본드 코트는 열 장벽 합성물을 부착하기 전에 외부 표면 상에 산화물 스케일을 가질 수 있고, 이 산화물 스케일은 통상적으로 알루미나를 포함한다. 산화물 스케일은 본드 코트에 대한 저열전도율 열 장벽 코팅 및/또는 고열전도율 열 장벽 코팅의 접착을 촉진한다.
몇몇 실시예에 있어서, 제품은 그 표면 상에 상술한 산화물 스케일을 가질 수 있고, 고열전도율 열 장벽 코팅 또는 저열전도율 열 장벽 코팅 중 하나 이상은 확산 공정, 물리 증착 및/또는 화학 증착 기술을 포함하는, 그러나 이들에 한정되지 않은 당분야에 공지된 임의의 적절한 부착 기술을 사용하여 산화물 스케일 위에 직접 도포되고 접합될 수 있다. 바람직하게는, 산화물 스케일 존재하는 경우 그것에 고열전도율 열 장벽 코팅 및 저열전도율 열 장벽 코팅이 물리 증착 또는 플라즈마 스프레이 공정을 사용하여 도포된다.
당업자에게 공지된 많은 부착 방법이 고려되고 사용될 수 있지만, 본 명세서에 설명된 고열전도율 열 장벽 코팅 및 저열전도율 열 장벽 코팅 도포 방법에는 전자 비임 물리 증착 및 공기 플라즈마 스프레이가 바람직하다. 본 명세서에서 사용되는 전자 비임 물리 증착 공정은 예를 들어 기긴스 주니어 등에게 허여된 상기 미 국 특허 제5,087,477호에 개시되어 있고, 한편 본 명세서에서 사용되는 공기 플라즈마 스프레이 공정은 예를 들어 바인 등에게 허여된 상기 미국 특허 제4,861,618호에 개시되어 있다.
이제 도1을 참조하면, 대체로 전자 비임 물리 증착("EB-PVD") 공정은 통상적인 EB-PVD 장치(도시되지 않음)의 코팅 챔버 안에 코팅될 구성품(도시됨)을 배치하고 걸어두는 단계를 포함한다. 선택적으로는, 본 명세서에 설명된 본드 코트 재료를 포함하는 상술한 본드 코트가 EB-PVD 공정을 사용하여 플랫폼(12, 18) 및 흡입 측면(14) 상에 부착될 수 있다. 역시 선택적으로, 본드 코트의 표면을 산화시킴으로써 상술한 알루미나 산화물 스케일이 형성될 수 있다. 제한적인 의미에서가 아닌 설명의 목적에서, 가스 터빈 엔진의 구성품은 베인 또는 블레이드일 수 있다. 베인(10)은 바닥 플랫폼(12)과, 흡입 측면(14) 및 압력 측면(16)을 가진 에어포일과, 상부 플랫폼(18)을 포함하며, 상기 흡입 측면(14) 및 압력 측면(16)은 베인(10)의 에어포일을 전체로서 규정하는 선단 에지(20) 및 후단 에지(22)를 구비한다. 통상적인 블레이드 및 베인은 또한 그 후단 에지를 따라 복수의 냉각 구멍(23)을 포함한다.
선택적인 본드 코트 및 알루미나 산화물 스케일이 구성품 상에 부착되면, 다양한 열전도율 값을 포함하는 하나 이상의 열 장벽 코팅을 구성품 상에 도포하기 위해, 하나 이상의 마스칸트 또는 마스킹제가 구성품의 하나 이상의 부분에 적용될 수 있다. 제1 마스칸트(24)는 코팅될 부분의 표면을 거의 및/또는 완전히 커버하고 코팅 공정의 조건들을 견딜 수 있는 임의의 타입의 재료를 포함할 수 있다. 제 1 마스칸트(24)에 적합한 재료는 예를 들어 알루미늄 시트, 알루미늄 테이프, 알루미늄 포일, 니켈 합금 시트 및 이들 중 적어도 하나를 포함하는 조합물 등과 같은 금속 시트를 포함하지만, 이들에 한정되는 것은 아니며, 낮은 비용, 탄성 및 유효성때문에 알루미늄 포일을 포함하는 것이 바람직하다.
제한적인 의미에서가 아닌 설명의 목적에서, 제1 마스칸트(24)는 제1 에지(30)에 근접하여 시트(26)의 표면으로부터 연장되는 복수의 돌기(28)를 갖는 재료의 시트(26)를 포함할 수 있다. 본 예에서는, 제1 마스칸트(24)를 베인(10)에 고정하기 위해 돌기(28)들이 베인(10)의 냉각 구멍 안에 삽입되도록, 제1 마스칸트(24)가 압력 측면(16) 상에 배치될 수 있다. 당업자라면 제1 마스칸트(24)가 대체로 가스 터빈 엔진의 다양한 구성품에 끼워맞춤되도록 구성될 수 있고, 베인에 한정되는 것이 아님을 알 것이다. 제1 마스칸트(24)가 적용되면, 당업자에게 공지된 바와 같이 베인(10)은 저열전도율 열 장벽 코팅 또는 고열전도율 열 장벽 코팅을 받아들이도록 준비될 수 있다. 바람직하게는, 본 명세서에 설명된 상기 코팅 재료 및 이들의 조합물 중 어느 하나를 포함하는 고열전도율 열 장벽 코팅 재료가 당업자에게 공지된 바와 같은 EB-PVD 공정을 사용하여 플랫폼(12, 18) 및 흡입 측면(14)의 표면 또는 선택적인 본드 코트 및 흡입 측면(14) 상에 부착될 수 있다. 고열전도율 열 장벽 코팅 부착이 완료되면, 제1 마스칸트(24)는 제거될 수 있다.
다음으로, 제2 마스칸트(32)가 베인(10)에 적용될 수 있다. 제2 마스칸트(32)는 도3에 도시된 바와 같은 커버(34)를 포함할 수 있다. 도3에 있어서, 제2 마스칸트(32)가 상기 베인의 흡입 측면(14) 및 플랫폼(12, 18)에 실질적으로 정합 하는 형상을 가짐으로써, 플랫폼(12, 18)은 커버(34) 내에 끼워맞춤되고 압력 측면(16)은 노출된다. 당업자라면 커버(34)가 가스 터빈 엔진의 다양한 구성품에 끼워맞춤되도록 구성될 수 있고, 베인에 한정되지 않는다는 것을 알 것이다. 제2 마스칸트(32)는 예를 들어 EB-PVD 공정과 같은, 고려되는 부착 공정의 작업 환경 및 조건을 견디는데 적합한 임의의 재료로 구성될 수 있다. 커버(34)에 적합한 재료는 알루미늄 시트, 알루미늄 테이프, 니켈 합금 시트 및 이들 중 적어도 하나를 포함하는 조합물 등을 포함하지만, 이들에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, EB-PVD 공정을 채용할 때, 커버(34)는 공정 작업 조건을 견딜 수 있는 인코넬 625[IN625(등록상표)]와 같은 니켈 합금 시트 금속을 포함할 수 있다. 본드 코트 및 선택적인 알루미나 산화물 스케일이 부착되고 제2 마스칸트(34)가 적용되면, 베인(10)은 당업자에게 공지된 바와 같이 저열전도율 열 장벽 코팅 또는 고열전도율 열 장벽 코팅을 받아들이도록 준비될 수 있다. 바람직하게는, 본 명세서에 설명된 상기 세라믹 코팅 재료 및 이들의 조합물 중 어느 하나를 포함하는 저열전도율 열 장벽 코팅 재료가 당업자에게 공지된 바와 같은 EB-PVD 공정을 사용하여 압력 측면(16)의 표면 상에 직접 또는 선택적인 본드 코트 상에 부착될 수 있다. 고열전도율 열 장벽 코팅 부착이 완료되면, 제2 마스칸트(34)는 제거될 수 있다.
대안적으로는, 본 명세서에 설명된 전자 비임 물리 증착 공정을 사용하여 저열전도율 열 장벽 코팅 및 고열전도율 열 장벽 코팅을 도포할 때, 제2 마스칸트는 선택적일 수 있다. 본 명세서에 설명된 바와 같은 제2 마스칸트 또는 마스킹제를 적용하는 것이 아니라, 상술한 저열전도율 열 장벽 코팅이 고열전도율 열 장벽 코 팅으로 코팅되는 부분을 포함한 의도된 영역 상에 부착될 수 있다. 제1 마스칸트 또는 마스킹제가 제거되면, 다음으로 상술한 저열전도율 열 장벽 코팅이 구성품 전체에 도포되어 고열전도율 열 장벽 코팅으로 코팅된 적어도 일부와 중첩될 수 있다. 저열전도율 열 장벽 코팅이 먼저 도포된 다음에, 제2 마스칸트 또는 마스킹제를 사용하지 않고 고열전도율 열 장벽 코팅이 도포되는 것도 고려된다.
본 발명의 다른 방법을 설명하는데 있어서의 용이함을 위해, 저압 플라즈마 스프레이/공기 플라즈마 스프레이 조합 방법도 또한 도1 내지 도3을 사용하여 설명될 것이다. 본 명세서에서 사용되는 통상적인 저압 플라즈마 스프레이 방법은 굽타 등에게 허여된 상기 미국 특허 제4,585,481호에 개시되어 있고, 한편 본 명세서에서 사용되는 통상적인 공기 플라즈마 스프레이 방법은 바인 등에게 허여된 상기 미국 특허 제4,861,618호에 개시되어 있다. 전체 베인 또는 블레이드에 도포되는 선택적인 본드 코트는 저압 플라즈마 스프레이 방법을 사용하여 도포되는 것이 바람직하다. 저열전도율 열 장벽 코팅 및 고열전도율 열 장벽 코팅은 공기 플라즈마 스프레이 방법을 사용하여 도포될 수 있다.
공기 플라즈마 스프레이 공정을 채용할 때, 마스칸트 및/또는 마스킹제는 요구되지 않는다. 당업자라면 제1 코팅 재료를 구성품 상에 부착하고, 그 후 마스칸트 또는 마스킹제가 필요 없이 제2 코팅 재료를 구성품 상에 부착하도록 플라즈마 스프레이가 비교적 미세하게 조정될 수 있다는 것을 알 것이다. 당업자가 이해할 수 있는 바와 같이, 특정 양의 제2 코팅 재료가 제1 코팅 재료 상에 부착되어 중첩될 수 있다. 2개의 코팅 재료를 모두 함유하는 영역은, 제1 코팅 재료와 제2 코팅 재료가 중첩하고 및/또는 함께 테이퍼링하는 오버스프레이 영역 또는 코팅 전이 구역으로서 인식될 수 있다.
본 명세서에서 고려되는 방법을 수행할 때, 당업자가 이해할 수 있는 바와 같이 베인(10)은 통상적인 공기 플라즈마 스프레이 공정을 사용하여 선택적인 본드 코트 재료를 받아들이도록 준비될 수 있다. 선택적인 본드 코트 재료는 본 명세서에 설명된 상기 재료들 및 이들의 조합물 중 하나인 것이 바람직하다. 본드 코트 재료는 흡입 측면(14) 및 플랫폼(12, 18)과 같은 베인(10)의 제1 표면의 적어도 일부 상에 부착될 수 있다. 바람직하게는, 본드 코트 재료는 베인(10)의 제1 표면의 전체 상에 부착된다. 선택적으로는, 본드 코트의 표면을 산화시킴으로써 상술한 알루미나 산화물 스케일이 형성될 수 있다. 바람직하게는, 고열전도율 열 장벽 코팅이 흡입 측면(14)에 도포된다. 본드 코트가 부착되면, 베인(10)은 본 명세서에 설명된 저열전도율 열 장벽 코팅 또는 고열전도율 열 장벽 코팅 중 하나를 받아들이도록 준비될 수 있다. 저열전도율 열 장벽 코팅 재료 또는 고열전도율 열 장벽 코팅 재료는 당업자에게 공지된 바와 같은 공기 플라즈마 스프레이 공정을 사용하여 플랫폼(12, 18) 및 흡입 측면(14)의 표면 상에 또는 선택적인 본드 코트 상에 부착될 수 있다. 제1 열전도율 열 장벽 코팅 부착이 완료되면, 베인(10)은 제2 열전도율 열 장벽 코팅을 받아들이도록 준비될 수 있다.
본 명세서에 설명된 상기 본드 코트 재료들 및 이들의 조합물 중 어느 하나를 포함하는 선택적인 본드 코트가 당업자에게 공지된 바와 같은 EB-PVD 공정을 사용하여 압력 측면(16) 상에 부착될 수 있다. 선택적으로는, 본드 코트의 표면을 산화시킴으로써 상술한 알루미나 산화물 스케일이 형성될 수 있다. 선택적인 본드 코트가 부착되면, 베인(10)은 본 명세서에 제2 열전도율 열 장벽 코팅으로서 설명된 상기 저열전도율 열 장벽 코팅 또는 고열전도율 열 장벽 코팅 중 하나를 받아들이도록 준비될 수 있다. 제2 열전도율 열 장벽 코팅은 제1 열전도율 열 장벽 코팅과 상이할 것이다. 즉, 고열전도율 열 장벽 코팅이 아니라 저열전도율 열 장벽 코팅이 사용되거나, 또는 그 반대가 된다. 제2 열전도율 열 장벽 코팅은 당업자에게 공지된 바와 같은 EB-PVD 공정을 사용하여 압력 측면(16)의 표면 또는 선택적인 본드 코트 상에 부착될 수 있다.
본 명세서에 설명된 방법에 의해 제조된 결과적인 코팅된 제품은 종래 기술과는 다른 장점을 제공한다. 과거에는, 예를 들어 베인 및 블레이드와 같은 코팅된 제품들은 베인 또는 블레이드 전체를 코팅할 필요가 있는지 그렇지 않은지에 관계없이 단순히 저열전도율 열 장벽 코팅으로 코팅되었다. 그러한 결정은 비용면에서 효과적이지 못하였고, 궁극적으로는 필요 이상의 재료를 소비하였다. 본 명세서에 설명된 방법을 적용하면, 코팅된 제품은 이제 부품 전체가 아닌 필요한 곳, 즉 베인 또는 블레이드의 압력 측면 및 선단 에지와 같은 높은 열 부하를 경험하는 영역에 저열전도율 열 장벽 코팅을 갖는다. 그 결과, 고가인 저열전도율 열 장벽 코팅 재료는 유지되는 반면, 고효용 저비용의 고열전도율 열 장벽 코팅 재료가 베인 또는 블레이드의 흡입 측면과 같은, 낮은 열 부하를 경험하는 영역에 채용되고 도포된다.
본 발명의 방법을 채용하는데 있어서, 고열전도율 열 장벽 코팅은 예를 들어 베인 또는 블레이드와 같은 코팅되는 제품의 흡입 측면과 같이, 미립자 부식으로 인해 부품 수명이 제한되는 곳에 도포될 수 있는 반면, 저열전도율 열 장벽 코팅은 압력 측면과 같이 과열점으로 인해 부품 수명이 제한되는 곳에 도포될 수 있다. 본 명세서에 제공된 범위 내의 열전도율 값을 갖는 고열전도율 열 장벽 코팅도 또한 효과적인 내부식성을 나타낼 수 있다.
본 명세서에 설명된 복합 열 장벽 코팅 계획은 고열전도율 열 장벽 코팅과 저열전도율 열 장벽 코팅을 중첩할 때 가장 효과적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 코팅될 제품의 중첩 영역이 고 부식 영역으로 확인된 경우, 고열전도율 열 장벽 코팅이 먼저 도포되고, 저열전도율 열 장벽 코팅이 중첩하여 도포될 수 있다. 반면, 코팅될 제품의 중첩 영역이 과열점으로 확인된 경우, 저열전도율 열 장벽 코팅이 먼저 도포되고, 고열전도율 열 장벽 코팅이 중첩하여 도포될 수 있다.
본 발명은 설명 및 도시된 실시예에 한정되지 않으며, 이들은 단순히 본 발명을 수행하는 최상의 모드를 설명하는 것으로 간주되고, 형태, 크기, 부품의 배열 및 작업의 상세를 변경할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 본 발명은 청구범위에 의해 규정된 본 발명의 사상 및 범주 내에 있는 그러한 모든 변형을 포함하는 것을 의도한다.
본 발명에 따르면, 산화를 방지하는데 필요한 필수 열전도율을 제공하면서도 미립자 부식을 견디는 내부식성을 나타내는 열 장벽 코팅이 제공된다.

Claims (32)

  1. 구성품의 제1 표면의 적어도 일부를 제1 마스칸트로 마스킹하는 단계와,
    상기 구성품의 제2 표면의 적어도 일부에 제1 코팅 재료를 도포하는 단계와,
    상기 제1 마스칸트를 제거하는 단계와,
    상기 구성품의 상기 제2 표면의 적어도 일부를 제2 마스칸트로 선택적으로 마스킹하는 단계와,
    상기 구성품의 상기 제1 표면의 적어도 일부에 제2 코팅 재료를 도포하는 단계와,
    상기 선택적인 제2 마스칸트를 제거하는 단계를 포함하는 복합 열 장벽 코팅 도포 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 코팅 재료 및 상기 제2 코팅 재료를 도포하는 단계는 물리 증착 공정을 사용하는 단계를 포함하는 복합 열 장벽 코팅 도포 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 코팅 재료 및 상기 제2 코팅 재료를 도포하는 단계는 전자 비임 물리 증착 공정을 사용하는 복합 열 장벽 코팅 도포 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제2 코팅 재료는 약 1 btu in/hr ft2 ℉(0.145 W/mK) 내지 10 btu in/hr ft2 ℉(1.45 W/mK)의 열전도율 값을 가진 열 장벽 코팅을 포함하는 복합 열 장벽 코팅 도포 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 코팅 재료는 약 5 btu in/hr ft2 ℉(0.72 W/mK) 내지 17 btu in/hr ft2 ℉(2.45 W/mK)의 열전도율 값을 가진 열 장벽 코팅을 포함하는 복합 열 장벽 코팅 도포 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 코팅 재료는 상기 제2 코팅 재료의 제2 열전도율 값보다 큰 제1 열전도율 값을 갖는 복합 열 장벽 코팅 도포 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제2 코팅 재료는 상기 제1 코팅 재료의 제1 열전도율 값보다 큰 제2 열전도율 값을 갖는 복합 열 장벽 코팅 도포 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제2 코팅 재료는 상기 제1 코팅 재료의 적어도 일부를 중첩하는 복합 열 장벽 코팅 도포 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제1 마스크를 적용하는 단계는 상기 제1 표면의 상기 적어도 일부에 금속제 시트를 적용하는 단계를 포함하는 복합 열 장벽 코팅 도포 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 금속제 시트를 적용하는 단계는
    상기 제1 표면의 상기 적어도 일부에 하나 이상의 돌기를 가진 금속제 시트를 적용하는 단계와,
    상기 제1 표면 상의 에지를 따르는 하나 이상의 구멍 안에 상기 하나 이상의 돌기를 삽입하는 단계를 포함하는 복합 열 장벽 코팅 도포 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 제2 마스크를 적용하는 단계는 상기 구성품의 상기 제2 표면의 오목부에 실질적으로 정합하고 상기 제1 표면의 노출을 허용하는 형상을 가진 마스크를 적용하는 단계를 포함하는 복합 열 장벽 코팅 도포 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 제1 코팅 재료를 도포하기 전에 상기 구성품의 상기 제2 표면에 본드 코트를 도포하는 단계를 더 포함하는 복합 열 장벽 코팅 도포 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 제2 코팅 재료를 도포하기 전에 구성품인 베인의 상기 제1 표면에 본드 코트를 도포하는 단계를 더 포함하는 복합 열 장벽 코팅 도포 방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 구성품은 베인 또는 블레이드이고, 상기 제1 표면은 압력 측면이며, 상기 제2 표면은 흡입 측면 및 플랫폼을 포함하는 복합 열 장벽 코팅 도포 방법.
  15. 구성품의 제1 표면의 적어도 일부에 제1 열전도율 값을 가진 제1 열 장벽 코팅 재료를 도포하는 단계와,
    상기 구성품의 제2 표면의 적어도 일부 및 선택적으로는 상기 제1 표면의 적어도 일부에 제2 열전도율 값을 가진 제2 열 장벽 코팅 재료를 도포하는 단계를 포함하고,
    상기 제2 열전도율 값은 상기 제1 열전도율 값보다 크거나 또는 작은 복합 열 장벽 코팅 도포 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 제1 열 장벽 코팅 재료 및 상기 제2 열 장벽 코팅 재료를 도포하는 단계는 공기 플라즈마 스프레이 공정을 사용하는 단계를 포함하는 복합 열 장벽 코팅 도포 방법.
  17. 제15항에 있어서, 상기 구성품은 베인 또는 블레이드이고, 상기 제1 표면은 압력 측면이며, 상기 제2 표면은 흡입 측면 및 플랫폼을 포함하는 복합 열 장벽 코팅 도포 방법.
  18. 제15항에 있어서, 상기 제1 열전도율 값은 약 1 btu in/hr ft2 ℉(0.145 W/mK) 내지 10 btu in/hr ft2 ℉(1.45 W/mK)인 복합 열 장벽 코팅 도포 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 제2 열전도율 값은 약 5 btu in/hr ft2 ℉(0.72 W/mK) 내지 17 btu in/hr ft2 ℉(2.45 W/mK)인 복합 열 장벽 코팅 도포 방법.
  20. 제15항에 있어서, 상기 제1 열전도율 값은 약 5 btu in/hr ft2 ℉(0.72 W/mK) 내지 17 btu in/hr ft2 ℉(2.45 W/mK)인 복합 열 장벽 코팅 도포 방법.
  21. 제20항에 있어서, 상기 제2 열전도율 값은 약 1 btu in/hr ft2 ℉(0.145 W/mK) 내지 10 btu in/hr ft2 ℉(1.45 W/mK)인 복합 열 장벽 코팅 도포 방법.
  22. 제15항에 있어서, 상기 제1 열 장벽 코팅을 도포하기 전에 상기 제1 표면의 적어도 일부에 본드 코트를 도포하는 단계를 더 포함하는 복합 열 장벽 코팅 도포 방법.
  23. 제15항에 있어서, 상기 제2 열 장벽 코팅을 도포하기 전에 상기 제2 표면의 적어도 일부에 본드 코트를 도포하는 단계를 더 포함하는 복합 열 장벽 코팅 도포 방법.
  24. 외부 표면과,
    상기 외부 표면의 적어도 제1 부분 상에 배치된 제1 열전도율 값을 가진 제1 코팅과,
    상기 외부 표면의 적어도 제2 부분 및 선택적으로는 상기 제1 코팅을 포함하는 상기 제1 부분 상에 배치된 제2 열전도율 값을 가진 제2 코팅을 포함하는 제품.
  25. 제24항에 있어서, 상기 제1 열전도율 값은 약 1 btu in/hr ft2 ℉(0.145 W/mK) 내지 10 btu in/hr ft2 ℉(1.45 W/mK)이고, 상기 제2 열전도율 값은 약 5 btu in/hr ft2 ℉(0.72 W/mK) 내지 17 btu btu/hr ft2 ℉(2.45 W/mK)인 제품.
  26. 제24항에 있어서, 상기 제품은 가스 터빈 엔진 구성품을 포함하는 제품.
  27. 제24항에 있어서, 상기 제품은 바닥 플랫폼과, 흡입 측면 및 압력 측면을 가진 에어포일과, 상부 플랫폼을 구비하는 베인을 포함하고, 상기 제1 부분은 상기 흡입 측면이고, 상기 제2 부분은 상기 압력 측면인 제품.
  28. 제27항에 있어서, 상기 제1 코팅은 상기 흡입 측면 상에 배치된 고열전도율 열 장벽 코팅이며, 상기 제2 코팅은 상기 압력 측면 상에 배치된 저열전도율 열 장벽 코팅인 제품.
  29. 제27항에 있어서, 상기 제1 코팅은 상기 흡입 측면 상에 배치된 저열전도율 열 장벽 코팅이며, 상기 제2 코팅은 상기 압력 측면 상에 배치된 고열전도율 열 장벽 코팅인 제품.
  30. 제24항에 있어서, 상기 제품은 루트 섹션과, 흡입 측면 및 압력 측면을 가진 에어포일과, 팁 섹션을 구비하는 블레이드를 포함하고, 상기 제1 부분은 상기 흡입 측면이며, 상기 제2 부분은 상기 압력 측면인 제품.
  31. 제30항에 있어서, 상기 제1 코팅은 상기 흡입 측면 상에 배치된 고열전도율 열 장벽 코팅이며, 상기 제2 코팅은 상기 압력 측면 상에 배치된 저열전도율 열 장벽 코팅인 제품.
  32. 제30항에 있어서, 상기 제1 코팅은 상기 흡입 측면 상에 배치된 저열전도율 열 장벽 코팅이며, 상기 제2 코팅은 상기 압력 측면 상에 배치된 고열전도율 열 장벽 코팅인 제품.
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