KR20070077055A - 내구 반응성 열 장벽 코팅 - Google Patents

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KR20070077055A
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데이비드 에이. 리튼
케빈 더블유. 슐리히팅
멜빈 프렐링
죤 지. 스메길
데이비드 비. 스노우
마이클 제이. 말로니
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유나이티드 테크놀로지스 코포레이션
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Abstract

본 발명에 따르면, 기재와, 기재 위에 도포된 열 장벽 코팅을 갖는 터빈 엔진 부품이 제공된다. 열 장벽 코팅은 지르코네이트, 하프네이트, 티타네이트, 및 이들의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택된 제1 재료의 적어도 하나의 층을 포함하고, 제1 재료는 약 25 내지 99 중량%의 적어도 하나의 산화물과 혼합되어 이를 함유한다. 적어도 하나의 산화물은 란탄, 세륨, 프라세오디뮴, 네오디뮴, 프로메튬, 사마륨, 유로퓸, 가돌리늄, 테르븀, 디스프로슘, 홀뮴, 에르븀, 툴륨, 이테르븀, 루테튬, 스칸듐, 인듐, 및 이트륨으로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료의 적어도 하나의 산화물을 포함한다. 필요하다면, 금속성 본드 코팅이 기재와 열 장벽 코팅 시스템 사이에 존재할 수 있다. 본 발명의 열 장벽 코팅 시스템을 형성하기 위한 방법이 설명된다.
터빈 엔진 부품, 열 장벽 코팅, 금속성 본드 코팅, 지르코네이트, 티타네이트, 하프네이트

Description

내구 반응성 열 장벽 코팅 {DURABLE REACTIVE THERMAL BARRIER COATINGS}
도1은 본 발명의 코팅을 갖는 터빈 엔진 부품의 개략도.
도2는 본 발명에 따른 대안적인 코팅 시스템을 갖는 터빈 엔진 부품의 개략도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 열 장벽 코팅 시스템
14 : 기재
30 : 금속성 본드 코팅
본 발명은 터빈 엔진 내에서의 사용 동안 열 장벽 코팅 상의 적층물과 반응하여 열 장벽 코팅과 적층물 사이의 경계면에서 또는 그 근방에 거의 불침투성인 장벽상(barrier phase)을 형성하는 열 장벽 코팅 재료와, 열 장벽 코팅을 형성하기 위한 방법과, 열 장벽 코팅을 갖는 터빈 엔진 부품에 관한 것이다.
열 장벽 코팅의 모래 관련 피로로 인한 터빈 에어포일의 열화는 사막 환경에서 사용되는 모든 터빈 엔진에서 중요한 관심사이다. 이러한 유형의 피로는 중요 한 수리를 위해 엔진을 작동 중단시킬 수 있다.
모래 관련 피로는 열 장벽 코팅 내로의 유체 모래 적층물의 침투에 의해 발생되고, 이는 모든 노출된 금속의 파쇄 및 가속화된 산화로 이어진다.
본 발명에 따르면, 터빈 엔진 부품에 대한 모래 관련 피로를 감소시키는 열 장벽 코팅 시스템이 제공된다. 열 장벽 코팅 시스템은 대체로 지르코네이트, 하프네이트, 티타네이트, 및 이들의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료를 포함하고, 이 재료는 약 25 내지 99 중량%의 적어도 하나의 산화물을 함유하도록 혼합된다.
또한, 본 발명에 따르면, 대체로 기재와, 지르코네이트, 하프네이트, 티타네이트, 및 이들의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택되고, 약 20 내지 100 중량%의 적어도 하나의 산화물로 도핑된 재료를 포함하는 열 장벽 코팅을 포함하는 터빈 엔진 부품이 제공된다.
또한, 본 발명에 따르면, 모래 관련 피로를 감소시키는 코팅 시스템을 형성하기 위한 방법이 제공된다. 이 방법은 대체로 기재를 제공하는 단계와, 지르코네이트, 하프네이트, 티타네이트, 및 이들의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택되고, 약 20 내지 100 중량%의 적어도 하나의 산화물로 도핑된 재료를 기재 상에 적층하는 단계를 포함한다.
본 발명의 내구 반응성 열 장벽 코팅의 다른 세부 사항과, 그에 수반된 다른 목적 및 장점은 다음의 상세한 설명 및 첨부된 도면에서 설명되며, 도면에서 유사 한 도면 부호가 유사한 요소를 표시한다.
몇몇 코팅은 유체 모래 적층물과 반응하여, 코팅 내로의 유체 모래 침투를 억제하는 반응 생성물을 형성한다는 것이 발견되었다. 반응 생성물은 가돌리니아, 칼시아, 지르코니아, 및 실리카를 주로 함유하는 실리케이트 옥시아파타이트/가닛인 것으로 확인되었다. 본 발명은 이러한 발견을 이용하는, 터빈 엔진 부품과 같은 부품을 위한 코팅 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 도1에서 본 발명의 코팅 시스템(18)은 지르코네이트, 하프네이트, 티타네이트, 및 이들의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택되고, 약 25 내지 100 중량%의 적어도 하나의 산화물로 도핑된 재료의 적어도 하나의 층을 포함한다. 코팅 시스템(18)을 형성하기 위해, 지르코네이트, 하프네이트, 티타네이트, 및 이들의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료의 적어도 하나의 층(10)이 블레이드 또는 베인을 포함하지만 그에 제한되지 않는 터빈 엔진 부품과 같은 기재(14)의 표면(12)에 도포된다. 각각의 층(10)을 형성하는데 사용될 수 있는 재료는 가돌리늄 지르코네이트, 란탄 지르코네이트, 네오디뮴 티타네이트, 및 가돌리늄 하프네이트를 포함하지만 그에 제한되지 않는다. 각각의 층(10) 내의 재료는 란탄, 세륨, 프라세오디뮴, 네오디뮴, 프로메튬, 사마륨, 유로퓸, 가돌리늄, 테르븀, 디스프로슘, 홀뮴, 에르븀, 툴륨, 이테르븀, 루테튬, 스칸듐, 인듐, 및 이트륨으로 구성된 그룹으로부터 선택된 금속의 약 25 내지 99 중량%, 양호하게는 약 40 내지 70 중량%의 적어도 하나의 산화물과 혼합되고, 양호하게는 이를 함유한다. 예를 들어, 적어도 하나의 산화물은 전술한 희토류 원소들 중 하나의 세스퀴산화물일 수 있다.
기재(14)는 니켈계 초합금, 코발트계 합금, 몰리브덴계 합금, 또는 티타늄계 합금과 같은 임의의 적합한 재료로 형성될 수 있다.
각각의 층(10)은 예를 들어 전자 비임 물리 증착(EB-PVD) 또는 공기 플라즈마 스프레이에 의해 도포될 수 있다. 각각의 층(10)을 적층하는데 사용될 수 있는 다른 방법은 졸-겔 기술, 슬러리 기술, 스퍼터링 기술, 화학 증착 기술, HVOF, 및 UV 경화성 수지 기술을 포함하지만 그에 제한되지 않는다.
각각의 층(10)의 적층을 수행하기 위한 양호한 방법은 EB-PVD이다. 이러한 방법을 수행할 때, 기재(14)는 코팅 챔버 내에 위치되어 1700 내지 2000℉(927 내지 1093℃) 범위의 온도로 가열될 수 있다. 코팅 챔버는 0.05 내지 2.0 밀리토르 범위의 압력으로 유지될 수 있다. 공급원료 공급 속도는 0.3 내지 2.0 inch/hour(7.62 내지 50.8 mm/hour)일 수 있다. 코팅 시간은 20 내지 120분의 범위일 수 있다.
각각의 적층된 층(10)은 약 1.0 내지 50 mil(0.0254 내지 1.27 mm), 양호하게는 약 1.0 내지 15 mil(0.0254 내지 0.381 mm)의 두께를 가질 수 있다.
본 발명에 따른 열 장벽 코팅 재료의 층(10)(들)은 용융된 모래 적층물과 반응하여 추가의 침투에 저항하는 옥시아파타이트 및/또는 가닛의 장벽상을 형성한다.
본 발명의 코팅 시스템은 용융된 실리케이트 재료의 침투에 저항하는 유리한 열 장벽 코팅 시스템이다. 코팅 시스템은 모래에서 야기된 터빈 에어포일의 피로가 발생하는 환경에서 향상된 내구성을 제공한다.
이제 도2를 참조하면, 필요하다면, 금속성 본드 코팅(30)이 기재(14) 상으로 적층되어, 기재(14)를 층(10)에 결합시킬 수 있다. 금속성 본드 코팅(30)은 MCrAlY 본드 코팅일 수 있고, 여기서 M은 니켈, 코발트, 및 철 중 적어도 하나이다. 대안적으로, 금속성 본드 코팅(30)은 알루미나이드 또는 백금 알루미나이드 본드 코팅일 수 있다. 본드 코팅(30)은 약 0.5 내지 20 mil(0.0127 내지 0.508 mm), 양호하게는 약 0.5 내지 10 mil(0.0127 내지 0.254 mm) 범위의 두께를 가질 수 있다. 본드 코팅(30)은 저압 플라즈마 스프레이, HVOF(고속 산소 연료), 음극 아크 공정, 확산 공정, 공기 플라즈마 스프레이 공정, 또는 도금 공정에 의해, 그리고 조밀하고 균일한 금속성 구조물을 형성할 수 있는 임의의 공정에 의해 적층될 수 있다.
본 발명에 따르면, 모래 관련 피로를 감소시키는 열 장벽 코팅이 제공된다.

Claims (22)

  1. 터빈 엔진 부품이며,
    기재와,
    지르코네이트, 하프네이트, 티타네이트, 및 이들의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료의 적어도 하나의 층을 포함하는 열 장벽 코팅 시스템을 포함하고,
    재료는 각각의 층이 약 25 내지 99 중량%의 적어도 하나의 산화물을 함유하도록 적어도 하나의 산화물과 혼합되는 터빈 엔진 부품.
  2. 제1항에 있어서, 각각의 층은 약 40 내지 70 중량%의 적어도 하나의 산화물을 함유하는 터빈 엔진 부품.
  3. 제1항에 있어서, 재료는 가돌리늄 지르코네이트, 란탄 지르코네이트, 네오디뮴 티타네이트, 및 가돌리늄 하프네이트로 구성된 그룹으로부터 선택되는 터빈 엔진 부품.
  4. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 산화물은 란탄, 세륨, 프라세오디뮴, 네오디뮴, 프로메튬, 사마륨, 유로퓸, 가돌리늄, 테르븀, 디스프로슘, 홀뮴, 에르븀, 툴륨, 이테르븀, 루테튬, 스칸듐, 인듐, 및 이트륨으로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료의 적어도 하나의 산화물을 포함하는 터빈 엔진 부품.
  5. 제1항에 있어서, 각각의 층은 1.0 내지 50 mil(0.0254 내지 1.27 mm) 범위의 두께를 갖는 터빈 엔진 부품.
  6. 제1항에 있어서, 각각의 층은 1.0 내지 15 mil(0.0254 내지 0.381 mm) 범위의 두께를 갖는 터빈 엔진 부품.
  7. 제1항에 있어서, 기재는 니켈계 합금, 코발트계 합금, 및 몰리브덴계 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료로 형성되고, 기재와 열 장벽 코팅 사이에 금속성 본드 코팅을 더 포함하는 터빈 엔진 부품.
  8. 제7항에 있어서, 본드 코팅은 약 0.5 내지 20 mil(0.0127 내지 0.508 mm) 범위의 두께를 갖는 터빈 엔진 부품.
  9. 제7항에 있어서, 본드 코팅은 약 0.5 내지 10 mil(0.0127 내지 0.254 mm) 범위의 두께를 갖는 터빈 엔진 부품.
  10. 모래 관련 피로에 대한 부품 보호 방법이며,
    기재를 제공하는 단계와,
    지르코네이트, 하프네이트, 티타네이트, 및 이들의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택된 제1 재료의 적어도 하나의 층을 적층함으로써 열 장벽 코팅 시스템을 형성하는 단계를 포함하고,
    제1 재료는 각각의 층이 약 25 내지 99 중량%의 적어도 하나의 산화물을 함유하도록 적어도 하나의 산화물과 혼합되는 부품 보호 방법.
  11. 제10항에 있어서, 적층 단계는 약 40 중량% 내지 70 중량%의 적어도 하나의 산화물로 도핑된 제1 재료의 적어도 하나의 층을 적층하는 단계를 포함하는 부품 보호 방법.
  12. 제10항에 있어서, 적층 단계는 가돌리늄 지르코네이트, 란탄 지르코네이트, 네오디뮴 티타네이트, 및 가돌리늄 하프네이트로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료를 적층하는 단계를 포함하는 부품 보호 방법.
  13. 제10항에 있어서, 적층 단계는 란탄, 세륨, 프라세오디뮴, 네오디뮴, 프로메튬, 사마륨, 유로퓸, 가돌리늄, 테르븀, 디스프로슘, 홀뮴, 에르븀, 툴륨, 이테르븀, 루테튬, 스칸듐, 인듐, 및 이트륨으로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료의 적어도 하나의 산화물로부터 적어도 하나의 산화물을 선택하는 단계와, 제1 재료를 적어도 하나의 선택된 산화물과 혼합하는 단계를 더 포함하는 부품 보호 방법.
  14. 제10항에 있어서, 적층 단계는 각각의 층을 약 1.0 내지 50 mil(0.0254 내지 1.27 mm) 범위의 두께로 적층하는 단계를 포함하는 부품 보호 방법.
  15. 제10항에 있어서, 적층 단계는 각각의 층을 약 1.0 내지 15 mil(0.0254 내지 0.381 mm) 범위의 두께로 적층하는 단계를 포함하는 부품 보호 방법.
  16. 제10항에 있어서, 기재 제공 단계는 니켈계 합금, 코발트계 합금, 및 몰리브덴계 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료로 형성된 기재를 제공하는 단계를 포함하는 부품 보호 방법.
  17. 제10항에 있어서,
    기재를 코팅 챔버 내로 위치시키는 단계와,
    코팅 챔버 내의 기재를 1700 내지 2000℉(927 내지 1093℃) 범위의 온도로 가열하는 단계와,
    코팅 챔버 내의 압력을 0.05 내지 2.0 밀리토르 범위의 압력으로 유지하는 단계와,
    적층 단계를 수행하는 단계를 더 포함하는 부품 보호 방법.
  18. 제10항에 있어서, 기재와 열 장벽 코팅 시스템 사이에 금속성 본드 코팅 층을 적층하는 단계를 더 포함하는 부품 보호 방법.
  19. 지르코네이트, 하프네이트, 티타네이트, 및 이들의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택된 제1 재료의 적어도 하나의 층을 포함하고, 제1 재료는 각각의 층이 약 25 내지 99 중량%의 적어도 하나의 산화물을 함유하도록 적어도 하나의 산화물과 혼합되는 부품용 코팅 시스템.
  20. 제19항에 있어서, 각각의 층은 약 40 중량% 내지 70 중량%의 적어도 하나의 산화물을 함유하는 코팅 시스템.
  21. 제19항에 있어서, 재료는 가돌리늄 지르코네이트, 란탄 지르코네이트, 네오디뮴 티타네이트, 및 가돌리늄 하프네이트로 구성된 그룹으로부터 선택되는 코팅 시스템.
  22. 제19항에 있어서, 적어도 하나의 산화물은 란탄, 세륨, 프라세오디뮴, 네오디뮴, 프로메튬, 사마륨, 유로퓸, 가돌리늄, 테르븀, 디스프로슘, 홀뮴, 에르븀, 툴륨, 이테르븀, 루테튬, 스칸듐, 인듐, 및 이트륨으로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료의 적어도 하나의 산화물을 포함하는 코팅 시스템.
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