KR20070053608A - 고융점 금속 코어를 위한 배리어 코팅 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따르면, 제품을 주조하는 데 사용하는 고융점 금속 코어 시스템이 제공된다. 고융점 금속 코어 시스템은 고융점 코어 금속 그리고 고융점 금속 코어 상에 피착되는 알루미늄 질화물의 층을 포함하며, 알루미늄 질화물의 층은 결합 코팅으로서 작용한다. 이 시스템은 알루미늄 질화물의 상부 상에 피착되는 알루미나의 층을 더 포함할 수 있다.
고융점 금속 코어, 알루미늄 질화물, 결합 코팅, 알루미나 층, 몰리브덴 및 몰리브덴 합금

Description

고융점 금속 코어를 위한 배리어 코팅 시스템{BARRIER COATING SYSTEM FOR REFRACTORY METAL CORE}
도1은 본 발명에 따른 코팅 시스템을 갖는 고융점 금속 코어를 도시하고 있다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 고융점 금속 코어 시스템
12 : 고융점 금속 코어 기판
14 : 알루미늄 질화물의 층
16 : 배리어 코팅 층
본 발명은 터빈 엔진 부품 등의 제품을 주조하는 시스템에서 사용되는 고융점 금속 코어를 위한 배리어 코팅 시스템에 관한 것이다.
기본 코팅 시스템(baseline coating system) 즉 몰리브덴 상의 알루미나 내에서 전개되는 열적 불일치 응력(thermal mismatch stress)이 미세 균열(microcracking)을 유도할 수 있고, 그에 의해 산소 투과성 배리어 코팅을 생성 시킨다. 이러한 코팅은 몰리브덴 코팅을 보호하기 위해 표준 폭발 사이클(standard shellfire cycle) 동안에 충분히 강력한 산화 배리어를 제공하지 못한다. 횡단 방향 미세 균열에 추가하여, 더 두꺼운 코팅은 기판 계면에서의 균열 편향(crack deflection)을 경험할 수 있고 그에 의해 고융점 금속 코어 주조의 실패를 유도하는 전체 박리(gross delaminating)를 유발시킨다. 역사적으로, 세바스찬 인장 시험(Sebastian pull test)은 0.75 ksi를 초과하는 파괴 응력(failure stress)이 반복 가능한 주조를 위해 요구된다는 것을 보여주었다.
고융점 금속 코어 기술을 사용하는 많은 주조는 6개 이상의 코어를 사용할 것이며 이것은 코팅 수율이 95%를 초과할 것을 요구한다. 이와 같이, 고융점 금속 코어를 위한 코팅 시스템은 다음의 물리적 요건 즉 (1) 용융된 니켈 합금과의 비-반응성; (2) 10-3 Torr 및 1600℃에서의 상 안정성; (3) 합금 성질을 손상시키지 않고 주조 후의 니켈 합금으로부터의 제거 가능성; (4) 매몰 주조(investment casting)의 폭발 단계 동안에 산화 보호를 제공하는 성질 그리고 (5) 50 ㎛ 미만의 두께를 갖는 성질을 가져야 한다.
화학 기상 증착에 의한 혼합 산화물 피착이 열 팽창 계수를 일치시키고 열적 불일치 응력을 제거시키는 장기 해결책 및 방법으로서 제안되었다. 혼합 산화물 피착은 하나의 종이 다른 종에 대해 대개 미치는 촉매 효과로 인해 제어하기 매우 어렵다. 많은 혼합 산화물이 또한 상이한 반응 속도의 결과로서 기판을 횡단하는 조성의 변화라는 위험을 각오한다.
본 발명에 따르면, 부착력을 증가시키고 열적 불일치 응력을 저하시키는 기본 시스템을 위한 결합 코팅이 제공된다.
본 발명은 제품을 주조하는 데 사용하는 고융점 금속 코어 시스템에 관한 것이다. 고융점 금속 코어 시스템은 넓게는 고융점 금속 코어 그리고 고융점 금속 코어 상에 피착되는 알루미늄 질화물의 층을 포함하며, 알루미늄 질화물의 층은 결합 코팅으로서 작용한다. 이 시스템은 알루미늄 질화물 층의 상부 상에 피착되는 알루미나의 층을 더 포함할 수 있다.
본 발명은 또한 주조 시스템에서 사용하는 고융점 금속 코어 시스템을 형성하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은 넓게는 고융점 금속 코어를 제공하는 단계 그리고 고융점 금속 코어의 표면 상으로 알루미늄 질화물의 층을 피착하는 단계를 포함한다. 이 방법은 알루미늄 질화물 층의 상부 상에 알루미나의 층을 피착하는 단계를 더 포함할 수 있다.
나아가, 본 발명은 넓게는 고융점 금속 코어 그리고 고융점 금속 코어의 표면 상으로 피착되는 알루미늄 질화물의 층을 포함하는 제품에 관한 것이다. 이 제품은 알루미늄 질화물의 층 위에 피착되는 알루미나의 층을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 고융점 금속 코어를 위한 배리어 코팅 시스템의 다른 세부 사항은 다른 목적 및 장점과 더불어 다음의 상세한 설명 그리고 동일한 도면 부호가 동일한 요소를 나타내는 첨부 도면(들)에 기재되어 있다.
이제, 도면을 참조하면, 본 발명에 따른 고융점 금속 코어 시스템이 도시되어 있다. 고융점 금속 코어 시스템은 터빈 엔진 블레이드 또는 베인 등의 터빈 엔진 부품의 날개 부분(airfoil portion) 내의 냉각 유로(cooling passage) 등의 제품을 형성하는 주조 공정에서 사용될 수 있다.
고융점 금속 코어 시스템(10)은 고융점 금속 코어 기판(12), 기판(12)의 표면 상에 피착되는 알루미늄 질화물의 층(14) 그리고 알루미늄 질화물 층(14) 상에 피착되는 배리어 코팅 층(16)을 포함한다. 기판(12)은 몰리브덴 및 몰리브덴 합금을 포함하지만 그에 제한되지 않는 당업계에 공지된 임의의 적절한 고융점 금속으로부터 형성될 수 있다. 여기에서 사용된 바와 같이, 용어 "몰리브덴 합금(molybdenum alloy)"은 50 중량%를 초과하는 몰리브덴을 갖는 합금을 말한다. 기판(12)은 300 내지 500 ㎛의 범위 내의 두께를 갖는 압연된 포일일 수 있다. 기판(12)이 몰리브덴으로부터 형성되면, 기판은 4.5 ppm/℃의 열 팽창 계수 그리고 350℃의 사용 온도를 갖는다. 나아가, 이것은 2H2O*2NHNO3*1H2SO4를 사용하여 제거될 수 있다.
알루미늄 질화물 층(14)은 50 ㎛ 미만의 두께를 갖는다. 바람직하게는, 알루미늄 질화물 층(14)은 3.0 내지 5.0 ㎛의 범위 내의 두께를 갖는다. 알루미늄 질화물 층(14)은 당업계에 공지된 임의의 적절한 화학 기상 증착 기술을 사용하여 기판(12) 상으로 피착될 수 있다. 알루미늄 질화물은 5.6 ppm/℃의 열 팽창 계수 그리고 1375℃의 사용 온도를 갖는다. 나아가, 이것은 KOH, NaOH 또는 2H2O*2NHNO3*1H2SO4를 사용하여 제거될 수 있다.
배리어 코팅 층(16)은 당업계에 공지된 임의의 적절한 재료로부터 형성될 수 있다. 바람직하게는, 배리어 코팅 층(16)은 알루미나로부터 형성되고, 15 내지 25 ㎛의 범위 내의 두께를 갖는다. 배리어 코팅 층(16)은 당업계에 공지된 임의의 화학 기상 증착 기술을 사용하여 피착될 수 있다. 알루미나로부터 형성된 배리어 코팅 층은 8.5 ppm/℃의 열 팽창 계수 그리고 약 1800℃의 사용 온도를 갖는다. 나아가, 이것은 KOH 또는 NaOH를 사용하여 제거될 수 있다.
중간 열 팽창 계수의 중간 층 그리고 기능적으로 등급화된 재료를 갖는 것은 코팅이 안정한 훨씬 큰 온도 범위를 가능케 한다. 기상으로부터 성장된 알루미나 배리어 코팅은 경쟁 관계의 성장 상으로부터 약간의 고유한 잔류 공극을 갖는다. 이것은 기판의 산화 및 열화를 종종 유도한다. 알루미늄 질화물 층은 정확하게 배리어 산화물을 일치시키고 임의의 추가의 산화를 방지하는 안정된 산화물을 형성한다.
알루미늄 질화물은 매우 높은 열 전도도라는 장점을 갖고, 이것은 코팅 공정을 더 효율적이게 한다. 이 재료는 용융된 합금에 의한 침식에 대해 약간의 저항을 갖고 그에 의해 알루미늄 배리어 코팅이 주조 동안에 파괴되면 단기간 동안에 추가의 보호를 제공한다고 또한 알려져 있다.
본 발명의 결합 코팅은 다음의 성질 즉 (1) 산화 배리어; (2) 안정된 산화물 형성제; (3) 용융된 합금에 대한 저항; (4) 기판과 배리어 코팅 사이의 중간적인 열 팽창 계수; 그리고 (5) 코어 제거를 위한 방법으로 용해 가능한 성질을 갖는다.
본 발명의 알루미늄 질화물 결합 코팅은 부착력을 증가시키고 열적 불일치 응력을 저하시킨다. 나아가, 이것은 내산화성 등의 고융점 금속 코어 코팅에 중요한 장점을 제공한다. 본 발명의 다층 코팅은 용융된 합금의 잔류 열 응력 및 용해 저항(dissolution resistance)의 제어를 가능케 한다.

Claims (25)

  1. 제품을 주조하는 데 사용하는 고융점 금속 코어 시스템에 있어서,
    고융점 금속 코어 그리고 고융점 금속 코어 상에 피착되는 알루미늄 질화물의 층을 포함하는 고융점 금속 코어 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 알루미늄 질화물의 층은 50 ㎛ 미만의 두께를 가지며, 상기 고융점 금속 코어는 몰리브덴 및 몰리브덴 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료로부터 형성되는 고융점 금속 코어 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 고융점 금속 코어는 압연된 몰리브덴 포일로부터 형성되는 고융점 금속 코어 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 알루미늄 질화물의 층 위에 피착되는 알루미나의 층을 더 포함하며, 상기 알루미늄 질화물은 고융점 금속 코어의 열 팽창 계수를 초과하고 알루미나 층의 열 팽창 계수 미만인 열 팽창 계수를 갖는 고융점 금속 코어 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 알루미늄 질화물 층은 3.0 내지 5.0 ㎛ 범위 내의 두께를 가지며, 상기 알루미나 층은 15 내지 25 ㎛ 범위 내의 두께를 갖는 고융점 금 속 코어 시스템.
  6. 주조 시스템에서 사용하는 고융점 금속 코어 시스템을 형성하는 방법에 있어서,
    고융점 금속 코어를 제공하는 단계 그리고 고융점 금속 코어의 표면 상으로 알루미늄 질화물의 층을 피착하는 단계를 포함하는 고융점 금속 코어 시스템 형성 방법.
  7. 제6항에 있어서, 고융점 금속 코어 제공 단계는 몰리브덴 및 몰리브덴 합금의 그룹으로부터 선택된 금속으로부터 형성된 기판을 제공하는 단계를 포함하는 고융점 금속 코어 시스템 형성 방법.
  8. 제6항에 있어서, 고융점 금속 코어 제공 단계는 몰리브덴으로부터 형성되는 압연된 포일을 제공하는 단계를 포함하는 고융점 금속 코어 시스템 형성 방법.
  9. 제6항에 있어서, 피착 단계는 50 ㎛ 미만의 두께를 갖는 상기 알루미늄 질화물의 층을 피착하는 단계를 포함하는 고융점 금속 코어 시스템 형성 방법.
  10. 제6항에 있어서, 피착 단계는 3.0 내지 5.0 ㎛ 범위 내의 두께를 갖는 상기 알루미늄 질화물의 층을 피착하는 단계를 포함하는 고융점 금속 코어 시스템 형성 방법.
  11. 제6항에 있어서, 상기 알루미늄 질화물 위에 배리어 코팅 재료의 층을 피착하는 단계를 더 포함하는 고융점 금속 코어 시스템 형성 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 배리어 코팅 재료 층 피착 단계는 상기 알루미늄 질화물 위에 알루미나의 층을 피착하는 단계를 포함하는 고융점 금속 코어 시스템 형성 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 알루미나 층 피착 단계는 15 내지 25 ㎛ 범위 내의 두께를 갖는 알루미나 층을 피착하는 단계를 포함하는 고융점 금속 코어 시스템 형성 방법.
  14. 고융점 금속 코어 및 고융점 금속 코어의 표면상에 피착되는 알루미늄 질화물의 층을 포함하는 제품.
  15. 제14항에 있어서, 상기 고융점 금속 코어는 몰리브덴 및 몰리브덴 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택된 금속으로부터 형성되는 제품.
  16. 제14항에 있어서, 상기 고융점 금속 코어는 압연된 몰리브덴 포일로부터 형 성되는 제품.
  17. 제14항에 있어서, 상기 알루미늄 질화물 층은 50 ㎛ 미만의 두께를 갖는 제품.
  18. 제17항에 있어서, 상기 두께는 3.0 내지 5.0 ㎛ 범위 내에 있는 제품.
  19. 제14항에 있어서, 상기 알루미늄 질화물 층 상에 피착되는 배리어 코팅 재료 층을 더 포함하는 제품.
  20. 제19항에 있어서, 상기 배리어 코팅 재료 층은 알루미나의 층을 포함하는 제품.
  21. 제20항에 있어서, 상기 알루미나 층은 15 내지 25 ㎛ 범위 내의 두께를 갖는 제품.
  22. 제14항에 있어서, 상기 고융점 금속 코어는 300 내지 500 ㎛ 범위 내의 두께를 갖는 제품.
  23. 제품을 주조하는 데 사용하는 시스템에 있어서,
    제1 열 팽창 계수를 갖는 고융점 금속 코어와;
    고융점 금속 코어의 표면 상에 피착되는 상기 제1 열 팽창 계수를 초과하는 제2 열 팽창 계수를 갖는 재료의 제1 층과;
    상기 제1 층 위에 피착된 상기 제2 열 팽창 계수를 초과하는 제3 열 팽창 계수를 갖는 재료의 제2 층을 포함하는 시스템.
  24. 제23항에 있어서, 상기 고융점 금속 코어는 몰리브덴 및 몰리브덴 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택된 금속으로부터 형성되며, 상기 제1 층은 알루미늄 질화물로부터 형성되며, 상기 제2 층은 알루미나로부터 형성되는 시스템.
  25. 제24항에 있어서, 상기 고융점 금속 코어는 300 내지 500 ㎛ 범위 내의 두께를 가지며, 제1 층은 3.0 내지 5.0 ㎛ 범위 내의 두께를 가지며, 제2 층은 15 내지 25 ㎛ 범위 내의 두께를 갖는 시스템.
KR1020060102124A 2005-11-21 2006-10-20 고융점 금속 코어를 위한 배리어 코팅 시스템 KR20070053608A (ko)

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