KR20070077056A - Ｃｍａｓ 저항성 열차폐 피막 - Google Patents

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KR20070077056A
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캐빈 더블유. 슈리히팅
마이클 제이. 맬러니
데이비드 에이. 리톤
존 지. 스메길
데이비드 비. 스노우
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Abstract

기판과 기판 위에 도포된 열차폐 피막을 갖는 터빈 엔진 부품이 마련된다. 열차폐 피막은 교호 증착된 이트리아 안정화 지르코니아층과 용융 규산염 저항성 물질층을 포함한다. 용융 규산염 저항성 외층은 란탄, 세륨, 프라세오디뮴, 네오디뮴, 프로메튬, 사마륨, 유러퓸, 가돌리늄, 테르븀, 디스프로슘, 홀뮴, 에르븀, 툴륨, 이터븀, 루테튬, 스칸듐, 인듐, 지르코늄, 하프늄 및 티탄으로 이루어진 그룹에서 선택된 물질의 적어도 하나의 산화물 또는 가돌리니아 안정화 지르코니아로부터 형성될 수 있다. 원할 경우, 금속성 본드 코트가 기판과 열차폐 피막 시스템 사이에 존재할 수 있다. 본 발명의 열차폐 피막 시스템 형성 방법이 개시된다.
터빈 엔진 부품, CMAS 저항성 열차폐 피막, 용융 규산염 저항성 외층, 금속성 본드 코트

Description

ＣＭＡＳ 저항성 열차폐 피막 {CMAS RESISTANT THERMAL BARRIER COATING}
도1은 본 발명에 따른 피막을 구비한 터빈 엔진 부품의 개략도.
도2는 본 발명에 따른 다른 피막 시스템을 구비한 터빈 엔진 부품의 개략도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 제1 이트리아 안정화 지르코니아층
12: 표면
14: 기판
18: 피막 시스템
본 발명은 터빈 엔진 부품에 적용될 수 있는 것으로 이트리아 안정화 지르코니아층과 용융 규산염 저항층이 교호하여 증착된 열차폐 피막과, 이런 열차폐 피막을 형성하기 위한 방법과, 이런 열차폐 피막을 갖는 터빈 엔진 요소에 관한 것이다.
열차폐 피막의 모래 관련 피로로 인한 터빈 에어포일의 성능 저하는 사막 환경에 사용되는 모든 터빈 엔진에 있어 중요한 사항이다. 이런 유형의 피로는 상당 한 수선 작업을 필요로 할 만큼 엔진 작업을 중단시킬 수 있다.
모래 관련 피로는 열차폐 피막에 대한 유체 모래 침전물의 침투에 기인하여 발생하고 노출 상태에 있는 모든 금속의 파쇄와 가속화된 산화를 가져온다.
본 발명에 따르면, 터빈 엔진 부품 상에서의 모래 관련 피로를 감소시키는 피막 시스템이 마련된다. 피막 시스템은 전반적으로 교호하여 적층된 이트리아 안정화 지르코니아층과 용융 규산염 저항물층을 포함한다.
또한, 본 발명에 따르면, 전반적으로 기판과, 교호 적층된 이트리아 안정화 지르코니아층 및 용융 규산염 저항물층을 포함하는 터빈 엔진 부품이 마련된다. 각각의 용융 규산염 저항물층은 란탄(lanthanum), 세륨(cerium), 프라세오디뮴(praseodymium), 네오디뮴(neodymium), 프로메튬(promethium), 사마륨(samarium), 유러퓸(europium), 가돌리늄(gadolinium), 테르븀(terbium), 디스프로슘(dysprosium), 홀뮴(holmium), 에르븀(erbium), 툴륨(thulium), 이터븀(ytterbium), 루테튬(lutetium), 스칸듐(scandium), 인듐(indium), 지르코늄(zirconium), 하프늄(halfnium) 및 티탄으로 이루어진 그룹에서 선택된 물질의 산화물 또는 대안으로서 가돌리니아 안정화 지르코니아에서 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 모래 관련 피로를 감소시키는 피막 시스템을 형성하기 위한 방법이 마련된다. 본 방법은 전반적으로 기판을 마련하는 단계와, 기판 상에 이트리아 안정화 지르코니아층 및 용융 규산염 저항물층을 교호하여 증착하는 단계를 포함한다.
이하, 본 발명의 CMAS 저항성 열차폐 피막의 다른 세부 사항을 이에 관련된 그 밖의 목적 및 장점과 함께 다음의 상세한 설명과 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 하며, 이들 도면에서 유사 참조 부호는 유사 요소를 나타낸다.
소정의 피막이 유체 모래 침전물과 반응하여 피막 내로 유체 모래의 침투를 방지하는 반응물을 형성한다는 것이 발견되었다. 반응물은 주로 가돌리니아, 칼시아(calcia), 지르코니아 및 실리카를 함유하는 규산염 옥시애퍼타이트(oxyapatite)/가넷(garnet)으로 확인되었다. 본 발명은 이런 발견의 장점을 이용한 터빈 엔진 부품과 같은 부품을 위한 피막 시스템에 관한 것이다.
도1을 참조하면, 본 발명에 따르는 피막 시스템(18)은 교호하여 적층된 이트리아 안정화 지르코니아층과 용융 규산염 저항물층을 포함한다. 피막 시스템(18)을 형성하기 위해, 제1 이트리아 안정화 지르코니아층(10)이 블레이드 또는 베인을 포함하지만 이에 제한되지 않는 터빈 엔진 부품과 같은 기판(14)의 표면(12)에 도포된다. 기판(14)은 니켈계 초합금, 코발트계 합금, 몰리브덴계 합금 또는 티탄계 합금과 같은 모든 가능한 적절한 물질로 형성될 수 있다. 이트리아 안정화 지르코니아층(10)은 예컨대 전자 빔 물리 기상 증착(EB-PVD) 또는 공기 플라즈마 용사에 의해 도포될 수 있다. 이트리아 안정화 지르코니아층(10)을 증착하기 위해 사용될 수 있는 다른 방법은 졸-겔 기술, 슬러리 기술, 스퍼터링 기술, 화학 기상 증착 기술 및 자외선 경화형 수지 기술을 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 이트리아 안정화 지르코니아층은 피막 시스템의 내식성을 개선하게 된다.
이트리아 안정화 지르코니아층(10)의 증착을 수행하기 위한 바람직한 공정은 EB-PVD이다. 이 공정을 수행할 때, 기판(14)은 피복실 내에 배치되어 926.7 내지 1093.3 ℃(1700 내지 2000 ℉) 범위의 온도로 가열된다. 피복실은 0.1 내지 1.0 mTorr 범위의 압력으로 유지될 수 있다. 공급물 급송 속도는 5.08 내지 38.1 mm/시(0.2 내지 1.5 inch/시)일 수 있다. 피복 시간은 20 내지 120분 범위일 수 있다.
증착된 이트리아 안정화 지르코니아층(10)은 0.5 내지 50 밀(mil), 바람직하게는 1.0 내지 5.0 밀의 두께를 가질 수 있다. 증착된 이트리아 안정화 지르코니아층(10)은 4.0 내지 25 중량% 범위, 바람직하게는 6.0 내지 9.0 중량% 범위의 이트리아 함량을 가질 수 있다. 증착된 이트리아 안정화 지르코니아층(10)은 4.0 내지 25 중량% 범위의 이트리아와 잔량 지르코니아로 구성될 수 있다. 보다 바람직한 실시예에서, 증착된 이트리아 안정화 지르코니아층(10)은 6.0 내지 9.0 중량% 범위 이트리아와 잔량 지르코니아로 구성될 수 있다.
이트리아 안정화 지르코니아층(10)이 증착된 후, 용융 규산염 저항물로 형성된 층(20)이 이트리아 안정화 지르코니아층(10) 위에 형성될 수 있다. 용융 규산염 저항물층(20)은 란탄, 세륨, 프라세오디뮴, 네오디뮴, 프로메튬, 사마륨, 유러퓸, 가돌리늄, 테르븀, 디스프로슘, 홀뮴, 에르븀, 툴륨, 이터븀, 루테튬, 스칸듐, 인듐, 지르코늄, 하프늄 및 티탄으로 이루어진 그룹에서 선택된 물질의 적어도 하나의 산화물로 형성될 수 있다. 이와 달리, 용융 규산염 저항물층(20)은 가돌리니아 안정화 지르코니아로 형성될 수 있다. 용융 규산염 저항물층(20)을 형성하는 물질(들)은 상술한 증착 기술 중 어느 것을 이용해서라도 증착될 수 있다. 용융 규산염 저항물층(20)이 가돌리니아 안정화 지르코니아로 형성될 때, 용융 규산염 저항물층(20)은 25 내지 99.9 중량%의 가돌리니아를 함유할 수 있으며 0.5 내지 50 밀 범위의 두께를 가질 수 있다. 바람직한 실시예에서, 가돌리니아는 40 내지 70 중량%의 양으로 존재하며 그리고/또는 용융 규산염 저항물층(20)은 1.0 내지 5.0 밀 범위의 두께를 갖는다. 원할 경우, 용융 규산염 저항물층(20)은 25 내지 99.9 중량%의 가돌리니아와 잔량 지르코니아로 구성된 물질로 형성될 수 있다. 또한, 원할 경우, 용융 규산염 저항물층(20)은 40 내지 70 중량%의 가돌리니아와 잔량 지르코니아로 구성된 물질로 형성될 수 있다.
용융 규산염 저항물층(20)이 제1 이트리아 안정화 지르코니아층(10) 상에 증착된 후, 제2 이트리아 안정화 지르코니아층(22)이 용융 규산염 저항물층(20) 위에 도포될 수 있다. 제2 이트리아 안정화 지르코니아층(22)은 상술한 조성 중 어떤 것이라도 가질 수 있으며 본 명세서에서 설명된 기술 중 어느 것에 의해서도 증착될 수 있다. 그 후, 제2 용융 규산염 저항물층(24)이 이트리아 안정화 지르코니아 위에 적층된다. 이트리아 안정화 지르코니아층과 용융 규산염 저항물층의 수는 용도에 따라 변화될 수 있다. 층의 수는 피막과 적용물에 대한 표적 두께의 함수이다.
본 발명의 다층 피막 시스템은 이트리아 안정화 지르코니아층들과 용융 규산염 저항물층 사이에 한정된 계면을 갖지 않을 수 있다. 그 보다, 층들은 이트리아 안정화 지르코니아가 풍부한 곳에서 가돌리니아 안정화 물질이 풍부한 곳까지 구배 를 형성하도록 서로 혼합될 수 있다.
비록 각각의 층에 대해 두께가 상술한 바와 같이 마련되지만, 각 물질의 층은 피막 전체에 걸쳐 동일한 두께를 가질 필요가 없다.
본 발명의 용융 규산염 저항물층은 용융 모래 침전물과 반응해서 침투에 더욱 억제하는 옥시애퍼타이트 및/또는 가넷으로 된 차폐상을 형성한다. 가돌리니아 안정화 지르코니아층(20)은 원하는 차폐상을 형성하기에 충분한 두께를 갖게 된다.
본 발명의 피막 시스템은 용융 규산염 물질의 침투를 막는 유익한 열차폐 피막 시스템이다. 피막 시스템은 터빈 에어포일의 모래 유기 피로가 발생하는 환경에서 개선된 내구성을 제공한다.
도2를 참조하면, 원할 경우 제1 이트리아 안정화 지르코니아 물질층(10)에 기판(14)을 접합하기 위해 기판(14) 상에 금속성 본드 코트(30)가 증착될 수 있다. 금속성 본드 코트(30)는 MCrAlY 본드 코트일 수 있으며, 이때 M은 니켈, 코발트 및 철 중 적어도 하나이다. 이와 달리, 금속성 본드 코트(30)는 알루미나이드 또는 플라티늄 알루미나이드 본드 코트일 수 있다. 본드 코트(30)는 약 0.5 내지 20 밀 범위, 바람직하게는 약 0.5 내지 10 밀 범위의 두께를 가질 수 있다. 본드 코트(30)는 치밀하고 균일한 금속성 구조물을 형성할 수 있는 모든 가능한 공정 뿐만 아니라 저압 플라즈마 용사, HVOF(고속 산소 연료, high velocity oxygen fuel), 음극 아크 공정, 확산 공정, 공기 플라즈마 용사 공정 또는 도금 공정에 의해 증착될 수 있다.
상술한 바로부터 명백한 바와 같이, 본 발명의 피막 시스템은 용융 규산염 물질의 침투를 막는 유익한 열차폐 피막 시스템으로서, 터빈 에어포일의 모래 유기 피로가 발생하는 환경에서 개선된 내구성을 제공하는 효과를 갖는다.

Claims (37)

  1. 기판과,
    상기 기판 위에 교호하여 적층된 이트리아 안정화 지르코니아 물질 및 용융 규산염 저항성 물질을 포함하는 열차폐 피막 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 엔진 부품.
  2. 제1항에 있어서, 상기 용융 규산염 저항성 물질은 란탄, 세륨, 프라세오디뮴, 네오디뮴, 프로메튬, 사마륨, 유러퓸, 가돌리늄, 테르븀, 디스프로슘, 홀뮴, 에르븀, 툴륨, 이터븀, 루테튬, 스칸듐, 인듐, 지르코늄, 하프늄 및 티탄으로 이루어진 그룹에서 선택된 물질의 적어도 하나의 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 엔진 부품.
  3. 제1항에 있어서, 상기 용융 규산염 저항성 물질은 가돌리니아 안정화 지르코니아를 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 엔진 부품.
  4. 제3항에 있어서, 상기 가돌리니아 안정화 지르코니아는 25 내지 99.9 중량% 범위의 가돌리니아와 잔량 지르코니아로 이루어진 것을 특징으로 하는 터빈 엔진 부품.
  5. 제1항에 있어서, 각각의 상기 용융 규산염 저항성 물질층은 0.5 내지 50 밀 범위의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 터빈 엔진 부품.
  6. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 상기 이트리아 안정화 지르코니아층은 4.0 내지 25 중량% 범위의 이트리아와 잔량 지르코니아로 이루어진 것을 특징으로 하는 터빈 엔진 부품.
  7. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 상기 이트리아 안정화 지르코니아 피막층은 6.0 내지 9.0 중량% 범위의 이트리아와 잔량 지르코니아로 이루어진 것을 특징으로 하는 터빈 엔진 부품.
  8. 제1항에 있어서, 각각의 상기 이트리아 안정화 지르코니아층은 1.0 내지 50 밀 범위의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 터빈 엔진 부품.
  9. 제1항에 있어서, 상기 기판은 니켈계 합금과, 코발트계 합금과, 몰리브덴계 합금으로 이루어진 그룹에서 선택되는 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 터빈 엔진 부품.
  10. 제1항에 있어서, 상기 기판과 상기 열차폐 피막 사이에 금속성 본드 코트를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 엔진 부품.
  11. 제1 이트리아 안정화 지르코니아층과,
    상기 제1 이트리아 안정화 지르코니아층 위에 적층된 제1 용융 규산염 저항성 물질층과,
    상기 제1 용융 규산염 저항성 물질층 위에 적층된 제2 이트리아 안정화 지르코니아층과,
    상기 제2 이트리아 안정화 지르코니아층 위에 적층된 제2 용융 규산염 저항성 물질층을 포함하는 것을 특징으로 하는 열차폐 피막 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 적어도 하나의 추가적인 이트리아 안정화 지르코니아층과 적어도 하나의 추가적인 용융 규산염 저항성 물질층을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 열차폐 피막 시스템.
  13. 제11항에 있어서, 상기 용융 규산염 저항성 물질은 란탄, 세륨, 프라세오디뮴, 네오디뮴, 프로메튬, 사마륨, 유러퓸, 가돌리늄, 테르븀, 디스프로슘, 홀뮴, 에르븀, 툴륨, 이터븀, 루테튬, 스칸듐, 인듐, 지르코늄, 하프늄 및 티탄으로 이루어진 그룹에서 선택된 물질의 적어도 하나의 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 열차폐 피막 시스템.
  14. 제11항에 있어서, 상기 용융 규산염 저항성 물질은 가돌리니아 안정화 지르 코니아를 포함하는 것을 특징으로 하는 열차폐 피막 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 상기 가돌리니아 안정화 지르코니아는 25 내지 99.9 중량% 범위의 가돌리니아와 잔량 지르코니아로 이루어진 것을 특징으로 하는 열차폐 피막 시스템.
  16. 제14항에 있어서, 상기 가돌리니아 안정화 지르코니아는 40 내지 70 중량% 범위의 가돌리니아와 잔량 지르코니아로 이루어진 것을 특징으로 하는 열차폐 피막 시스템.
  17. 제11항에 있어서, 각각의 상기 용융 규산염 저항성 물질층은 0.5 내지 50 밀 범위의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 열차폐 피막 시스템.
  18. 제11항에 있어서, 적어도 하나의 상기 이트리아 안정화 지르코니아층은 4.0 내지 25 중량% 범위의 이트리아와 잔량 지르코니아로 이루어진 것을 특징으로 하는 열차폐 피막 시스템.
  19. 제11항에 있어서, 적어도 하나의 상기 이트리아 안정화 지르코니아층은 6.0 내지 9.0 중량% 범위의 이트리아와 잔량 지르코니아로 이루어진 것을 특징으로 하는 열차폐 피막 시스템.
  20. 제11항에 있어서, 각각의 상기 이트리아 안정화 지르코니아층은 0.5 내지 50 밀 범위의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 열차폐 피막 시스템.
  21. 구성 부품에 모래 관련 피로에 대한 보호성을 제공하는 방법에 있어서,
    기판을 제공하는 단계와,
    기판 위에 이트리아 안정화 지르코니아 물질층 및 용융 규산염 저항성 물질층을 교호하여 증착함으로써 열차폐 피막 시스템을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제21항에 있어서, 상기 교호층 증착 단계는 란탄, 세륨, 프라세오디뮴, 네오디뮴, 프로메튬, 사마륨, 유러퓸, 가돌리늄, 테르븀, 디스프로슘, 홀뮴, 에르븀, 툴륨, 이터븀, 루테튬, 스칸듐, 인듐, 지르코늄, 하프늄 및 티탄으로 이루어진 그룹에서 선택된 물질의 적어도 하나의 산화물로 구성된 용융 규산염 저항성 물질층을 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제21항에 있어서, 상기 교호층 증착 단계는 적어도 하나의 가돌리니아 안정화 지르코니아층을 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제23항에 있어서, 상기 가돌리니아 안정화 지르코니아 증착 단계는 25 내지 99.9 중량% 범위의 가돌리니아와 잔량 지르코니아로 구성되는 물질을 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제23항에 있어서, 상기 가돌리니아 안정화 지르코니아 증착 단계는 40 내지 70 중량% 범위의 가돌리니아와 잔량 지르코니아로 구성되는 물질을 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제21항에 있어서, 상기 용융 규산염 저항성 물질 증착 단계는 각각의 이트리아 안정화 지르코니아 물질층 위에 0.5 내지 50 밀 범위의 두께를 갖는 층을 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제21항에 있어서, 상기 용융 규산염 저항성 물질 증착 단계는 각각의 이트리아 안정화 지르코니아 물질층 위에 1.0 내지 5.0 밀 범위의 두께를 갖는 층을 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 제21항에 있어서, 상기 이트리아 안정화 지르코니아층 증착 단계는 4.0 내지 25 중량% 범위의 이트리아와 잔량 지르코니아로 구성되는 물질을 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  29. 제21항에 있어서, 상기 이트리아 안정화 지르코니아층 증착 단계는 6.0 내지 9.0 중량% 범위의 이트리아와 잔량 지르코니아로 구성되는 물질을 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  30. 제21항에 있어서, 상기 이트리아 안정화 지르코니아층 증착 단계는 각각 0.5 내지 50 밀 범위의 두께를 갖는 상기 층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  31. 제21항에 있어서, 상기 이트리아 안정화 지르코니아층 증착 단계는 각각 1.0 내지 5.0 밀 범위의 두께를 갖는 층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  32. 제21항에 있어서, 상기 기판 제공 단계는 니켈계 합금과, 코발트계 합금과, 몰리브덴계 합금으로 이루어진 그룹에서 선택되는 물질로 형성되는 기판을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  33. 제21항에 있어서,
    상기 기판을 피복실 내로 위치시키는 단계와,
    상기 피복실 내에서 상기 기판을 926.7 내지 1093.3 ℃(1700 내지 2000 ℉) 범위의 온도로 가열하는 단계와,
    상기 피복실 내의 압력을 0.1 내지 1.0 mTorr 범위에서 유지하는 단계와,
    상기 이트리아 안정화 지르코니아층과 상기 용융 규산염 저항성 물질층을 순차로 형성하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  34. 제21항에 있어서, 상기 기판과 상기 열차폐 피막 시스템 사이에 금속성 본드 코트를 증착하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  35. 교호 적층된 이트리아 안정화 지르코니아 및 용융 규산염 저항성 물질을 포함하되, 각각의 상기 용융 규산염 저항성 물질의 층은 용융 규산염 물질의 침투를 막기 위해 옥시애퍼타이트 및 가넷 중 적어도 하나의 차폐상을 갖는 것을 특징으로 하는 구성 부품용 피막 시스템.
  36. 제35항에 있어서, 상기 용융 규산염 저항성 물질은 란탄, 세륨, 프라세오디뮴, 네오디뮴, 프로메튬, 사마륨, 유러퓸, 가돌리늄, 테르븀, 디스프로슘, 홀뮴, 에르븀, 툴륨, 이터븀, 루테튬, 스칸듐, 인듐, 지르코늄, 하프늄 및 티탄으로 이루어진 그룹에서 선택된 물질의 적어도 하나의 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 구성 부품용 피막 시스템.
  37. 제35항에 있어서, 상기 용융 규산염 저항성 물질은 가돌리니아 안정화 지르코니아를 포함하는 것을 특징으로 하는 구성 부품용 피막 시스템.
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