KR20080037578A - 내침식성 코팅 및 그의 제조방법 - Google Patents

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노만 아놀드 턴퀴스트
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리드 로더 코더만
션 더글라스 피니
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Abstract

코팅된 터빈엔진 구성요소(10,100)는 터빈엔진 구성요소(12,102,104,106,108,110,112), 및 전자비임 물리적 증착 또는 이온 플라즈마 캐소드 아크 침적을 사용하여 상기 터빈엔진 구성요소(12,102,104,106,108,110,112)의 표면의 적어도 일부에 배치된 내침식성 코팅(14)을 포함한다.

Description

내침식성 코팅 및 그의 제조방법{EROSION RESISTANT COATINGS AND METHODS OF MAKING}
본 발명은 코팅 조성물 및 코팅 방법, 더욱 구체적으로는 내침식성 코팅 조성물 및 코팅 방법에 관한 것이다.
금속 구성요소들은 여러 산업 분야에서 다양한 세트의 작업 조건 하에 사용되고 있다. 여러 경우, 상기 구성요소들에는 다양한 특징들, 예컨대 내부식성, 내열성, 내산화성 및 내침식성을 부여하는 코팅이 제공된다. 예로서, 특히 고체 입자 침식의 경향을 갖는 고압 및 중간 압력 스팀 터빈의 제 1 단계에서는 종종 내침식성 코팅이 사용된다. 또한, 내침식성 코팅은 샌드 또는 기타 공기-매개(airborne) 고체 입자 침식 및 부식의 경향을 갖는 제트엔진과 가스터빈의 콤프레셔 섹션에 종종 사용된다.
이들 구성요소의 침식은 일반적으로 유동 매체(즉, 공기, 스팀 또는 물)에 의해 운반되는 SiO2, Al2O3, Fe2O3, MgO, CaO, 클레이, 화산재 등의 고체 입자(예컨대, 공기 중의 샌드 또는 스팀 중의 보일러 박리물)의 침범에 의해 발생한다. 터빈 구성요소의 현존 베이스 물질, 예컨대 비제한적 예인 마르텐사이트(martensitic) 스테인레스 스틸은 이들 조건 하에서 충분한 내침식성 또는 내부식성을 갖지 않는다. 초래될 수 있는 심각한 침식은 터빈 구성요소를 손상시킬 수 있으며, 이로 인해 빈번한 유지-관련 중단, 작업 효율 상실 및 정기적인 여러 구성요소의 교체 필요성을 유발시킨다.
침식 문제를 방지 또는 완화시키기 위해, 고체 입자 함량이 특정 수준에 도달되는 경우 일부 발전소가 중단하여 추가 침식을 막도록 구성된다. 발전소를 중단시킴과 더불어, 침식을 완화시키기 위해 다양한 내침식성 코팅이 개발되어 왔다. 이러한 코팅은 알루미나, 티타니아, 크로미아 등의 세라믹 코팅을 포함하며, 이들은 흔히 열 분무 기술, 예컨대 플라즈마 분무(APS) 및 고속 옥시-연료(high velocity oxy-fuel; HVOF)에 의해 침적된다. 이들 공정에서는 거친 표면의 텍스쳐 및 제한된 경도를 갖는 침적 코팅이 생성되며, 이는 터빈의 성능에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 또한, 이들 공정에서는 기재 또는 베이스 물질의 고순환 피로 강도(high cycle fatigue strength)에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 코팅이 생성될 수 있다. 최종적으로 이들 공정에 의해 생성된 코팅에서는 상기 코팅의 두께를 보상하기 위해 터빈 에어호일에 대한 변형이 빈번하게 요구된다.
내침식성 코팅의 표면 조도를 감소시켜 스팀 터빈 구성요소를 더욱 공기역학 적으로 효율적이게 하는 최근의 노력들에는, 침적된 코팅을 특정의 표면 조도까지 기계처리 또는 폴리싱시키는 것이 포함된다. 불행하게도, 이것들은 고비용이며 시간 소모적인 방법이다. 결론적으로, 여러 적용에서 이 유형의 기계처리 또는 폴리싱이 수반된다.
따라서, 당해 분야에서는 표면 조도를 감소시키고 경도를 증가시키고 고순환 피로 강도를 최소화 또는 감소시키지 않고/않거나 에어호일 면적 및 표면 프로파일에 대한 영향을 최소화하는 터빈엔진 구성요소에 대한 코팅을 생성시키는 방법이 여전히 요구되고 있다. 침적된 코팅이 감소된 표면 조도를 나타낸다면 특히 유리할 것이며, 상기 감소된 표면 조도를 달성하기 위한 후-침적 기계처리 또는 폴리싱 단계가 요구되지 않는다.
코팅된 터빈엔진 구성요소는 터빈엔진 구성요소, 및 전자비임 물리적 증착 또는 이온 플라즈마 캐소드 아크 침적을 사용하여 상기 터빈엔진 구성요소의 표면의 적어도 일부에 배치된 내침식성 코팅을 포함한다.
한 실시양태에서, 코팅된 터빈엔진 구성요소는 터빈엔진 구성요소, 및 상기 터빈엔진 구성요소의 표면의 적어도 일부에 배치된, 약 75마이크로인치 이하의 조도 평균을 갖는 다층 내침식성 코팅을 포함한다.
본 발명의 한 실시양태는, 내침식성 코팅을 전자비임 물리적 증착 또는 이온 플라즈마 캐소드 아크 침적에 의해 터빈엔진 구성요소의 표면의 적어도 일부에 배치시키는 것을 포함하는 방법이다.
다른 방법에서는 약 75마이크로인치 이하의 조도 평균을 갖는 다층 내침식성 코팅을 전자비임 물리적 증착 또는 이온 플라즈마 캐소드 아크 침적에 의해 터빈엔진 구성요소의 표면의 적어도 일부에 배치시키는 것이 포함된다.
본 발명에 따르면, 금속 구성요소에 표면 조도가 감소되고 내침식성, 내산화성 및 치수 안정성이 증가된 코팅이 제공되었다.
앞서 기재된 특징 및 기타 특징은 하기 도면 및 상세한 설명에 의해 예시된다.
이후, 예시적인 실시양태이며 동일한 요소가 동일한 번호를 지칭하는 도면을 참고한다.
본원에는 금속 터빈엔진 구성요소에 내침식성을 제공하는 코팅 조성물과 코팅 방법이 개시된다. 상기 방법은 일반적으로 평활 터빈엔진 구성요소 기재에 대해 전자비임 물리적 증착(EB-PVD) 또는 이온 플라즈마 캐소드 아크 침적에 의한 코팅을 기본으로 한다. 상기 방법으로 인해 현존 코팅에 비해 감소된 표면 조도를 갖는 코팅이 생성된다. 유리하게는, 상기 침적된 코팅에는 감소된 표면 조도를 달성하기 위해 후-침적 기계처리 또는 폴리싱 단계가 요구되지 않는다. 더욱이, 코팅은 터빈의 작동 도중 코팅 표면에 증가된 치수 안정성을 제공한다. 예를 들면, 코팅된 터빈엔진 구성요소는 내침식성 코팅이 그 위에 배치되지 않은 터빈엔진 구 성요소의 고순환 피로 강도보다 높거나 동일한 고순환 피로 강도(HCF)를 갖는다. 따라서, 증가된 표면 조도를 갖는 코팅에서 관찰되는 부정적인 효과, 예컨대 감소된 터빈 효율 및 동력 출력이 감소될 수 있다. 이들 특징은 궁극적으로 구성요소와 터빈엔진 수명을 증가시킨다.
도 1을 참고하면, 코팅된 제품의 일부(일반적으로 10으로 지칭됨)가 예시된다. 코팅된 제품의 일부(10)는 일반적으로 기재(12) 및 상기 기재(12)의 적어도 일부에 배치된 내침식성 코팅(14)을 포함한다.
내침식성 코팅(14)이 배치되는 기재(12)는 임의의 금속, 금속 합금, 세라믹(예컨대, 산화물, 질화물, 탄화물 등), 또는 상기한 것들 중 하나 이상을 포함하는 조합(예컨대, 금속/합금-중합체 복합체)일 수 있다. 기재(12)의 조성과 미세구조는 내침식성 코팅(14)의 성능에 영향을 미칠 수 있음을 주지하는 것이 중요하다. 예시적인 실시양태에서, 기재(12)는 터빈엔진 구성요소이다. 터빈엔진 구성요소의 형태는 슈라우드(shroud), 버킷 또는 블레이드, 노즐 또는 베인, 격판(diaphragm) 구성요소, 밀봉 구성요소, 밸브 스템(valve stem), 노즐 박스, 노즐판 등으로 다양할 수 있다. 용어 "블레이드" 및 "버킷"은 상호교환적으로 사용될 수 있으며; 일반적으로 블레이드는 항공 터빈엔진의 회전 에어호일이고, 버킷은 지상 발전 터빈엔진의 회전 에어호일이다. 또한, 스팀 또는 가스 터빈에서 일반적으로 정지형 베인(stationary vane)을 지칭하는 용어 "노즐"은 용어 "베인"과 상호교환적으로 사용될 수 있다.
터빈엔진 구성요소는 일반적으로 스틸 및/또는 초합금을 포함한다. 초합금 은 고온, 흔히 약 0.7 초과의 절대 용융 온도에서 사용될 수 있는 금속 합금이다. 구조 구성요소를 형성하기 위해 임의의 Fe-, Co- 또는 Ni계 초합금 조성물이 사용될 수 있다. Fe-, Co- 또는 Ni계 초합금 내의 대부분의 통상 용질(solute)은 알루미늄 및/또는 티탄이다. 일반적으로, 알루미늄 및/또는 티탄 농도는 낮다(예컨대, 각각 약 15중량% 이하). Fe-, Co- 또는 Ni계 초합금의 다른 선택적 성분으로는 크롬, 몰리브데늄, 코발트(Fe- 또는 Ni계 초합금 내), 텅스텐, 니켈(Fe- 또는 Co계 초합금 내), 레늄, 철(Co- 또는 Ni계 초합금 내), 탄탈륨, 바나듐, 하프늄, 콜룸븀, 루테늄, 지르코늄, 붕소, 이트륨 및 탄소가 포함되며, 이들 각각은 독립적으로 약 15중량% 이하의 양으로 존재할 수 있다.
특정의 내침식성 코팅(14) 조성은 고체 입자 침식의 경향을 갖는 터빈엔진 구성요소에 내침식성을 제공하도록 선택된다. 내침식성 코팅(14)은 세라믹 물질을 포함할 수 있다. 적합한 세라믹 조성물은 금속 산화물, 예컨대 Al2O3, Cr2O3, Y2O3, ZrO2, CeO2, TiO2, Ta2O5, TaO2 등; 금속 탄화물, 예컨대 Cr3C2, WC, TiC, ZrC, B4C 등; 다이아몬드, 다이아몬드-유사 탄소; 금속 질화물, 예컨대 BN, TiN, ZrN, HfN, CrN, Si3N4, AlN, TiAlN, TiAlCrN, TiCrN, TiZrN 등; 금속 붕화물, 예컨대 TiB2, ZrB2, Cr3B2, W2B2 등; 및 상기 조성들 중 하나 이상을 포함하는 조합(예: TiCN, CrBN, TiBN 등)을 포함한다. 다르게는, 내침식성 코팅(14)은 세라믹-금속 복합체(서멧(cermet))를 포함할 수 있다. 적합한 서멧은 WC/Co, WC/CoCr, WC/Ni, TiC/Ni, TiC/Fe, Ni(Cr)/Cr3C2, TaC/Ni, 및 상기한 것들 중 하나 이상을 포함하는 조합을 포함할 수 있다. 내침식성 코팅(14)의 또 다른 실시양태는 세라믹 또는 서멧 중 하나 이상을 포함하는 조합을 포함한다(예컨대, 상기한 것들 중 하나를 포함하는 금속 또는 합금 매트릭스).
예시적인 실시양태에서, 내침식성 코팅(14)은 도 1에 제시된 바와 같이 다층 코팅이다. 다층 내침식성 코팅(14)에서, 각 층의 조성은 추가의 목적하는 특성, 예컨대 내부식성, 내열성, 연성, 파울링 저항성(fouling resistance)(예컨대, 침적물 축적에 대한 저항성), 경도, 파쇄 조도, 또는 상기 특성들 중 하나 이상을 포함하는 조합을 제공하도록 선택될 수 있다.
예를 들면, 내침식성 코팅(14)은 약 5000kg/mm2 이하의 단면 또는 비커스(Vickers) 경도(Hv)를 가질 수 있다. 이 범위 내에서, 내침식성 코팅(14)의 경도는 약 500kg/mm2 이상이다. 한 실시양태에서, 내침식성 코팅(14)의 경도는 약 1000kg/mm2 이상이다. 다른 실시양태에서, 내침식성 코팅(14)의 경도는 약 2000kg/mm2 이상이다. 또 다른 실시양태에서, 내침식성 코팅(14)의 경도는 약 4000kg/mm2 이하이다. 또 다른 실시양태에서, 내침식성 코팅(14)의 경도는 약 3000kg/mm2 이하이다.
샘플 길이 내에서 선택되고 그래프 중심선으로부터 측정된 내침식성 코 팅(14)에서의 측정된 프로파일 높이 편차의 절대 값들의 산수 평균인 내침식성 코팅(14)의 조도 평균(Ra)은 약 75마이크로인치 이하일 수 있다. 이 범위 내에서, 내침식성 코팅(14)은 약 60마이크로인치 이하의 Ra를 가질 수 있다. 한 실시양태에서, 내침식성 코팅(14)은 약 50마이크로인치 이하의 Ra를 갖는다. 다른 실시양태에서, 내침식성 코팅(14)은 약 40마이크로인치 이하의 Ra를 갖는다. 또 다른 실시양태에서, 내침식성 코팅(14)은 약 10마이크로인치 이상의 Ra를 갖는다. 또 다른 실시양태에서, 내침식성 코팅(14)은 약 20마이크로인치 이상의 Ra를 갖는다.
다층 내침식성 코팅(14)을 형성할 수 있는 개별 층들의 수에 대해서는 특별한 상한선이 없는 반면, 보통은 2개 이상의 층이어야 한다. 다층 내침식성 코팅(14)에서는, 열 팽창, 및 확장에 의한 기재(12)와의 개별 층들 및 개별 층들 사이의 열순환 응력(thermocyclic stress)이 고려되어야 한다. 예를 들면, 개별 층들 사이의 열순환 응력은 전체 다층 내침식성 코팅(14)의 항복 응력을 초과하지 않아야 한다.
더욱이, 다층 내침식성 코팅(14)에서, 각각의 층은 상이한 두께를 갖고/갖거나 불균일한 두께를 가질 수 있다. 각 층의 평균 두께는 독립적으로 약 5nm 내지 약 25㎛일 수 있다. 이 범위 내에서, 각 층의 평균 두께는 독립적으로 약 100nm 이상, 특히 약 1㎛ 이상일 수 있다. 또한 이 범위 내에서, 각 층의 평균 두께는 독립적으로 10㎛ 이하, 특히 약 5㎛ 이하일 수 있다. 전체 다층 코팅(14)의 평균 두께는 약 1 내지 약 200㎛일 수 있다. 이 범위 내에서, 전체 다층 코팅(14)의 평균 두께는 독립적으로 약 5㎛ 이상, 특히 7㎛ 이상일 수 있다. 또한 이 범위 내에 서, 전체 다층 코팅(14)의 평균 두께는 독립적으로 50㎛ 이하, 특히 약 30㎛ 이하일 수 있다.
한 실시양태에서, 다층 내침식성 코팅(14)의 적어도 일부는 개별 층들의 주기적 반복일 수 있다. 예를 들면, 2개의 상이한 조성은 교호적으로 적층되어 3개 이상의 층들을 형성할 수 있다. 또한, 3개의 상이한 조성은 비제한적 예로서 1-2-3-1-2-3-, 1-2-3-2-1- 등의 임의 수의 수열로 적층될 수 있다. 이들 교호적으로 적층된 층들은 충분히 얇다면(예컨대, 약 100nm 이하), 헤테로구조 또는 초격자(superlattice)가 형성되며, 이는 더욱 두꺼운 개별 층보다 크게 개선된 경도와 내파쇄성을 가질 수 있다.
앞서 진술된 바와 같이, 내침식성 코팅(14)은 전자비임 물리적 증착(EB-PVD) 또는 이온 플라즈마 캐소드 아크 침적을 사용하여 기재(12) 상에 침적될 수 있다. 이것이 바람직할 수 있지만, 내침식성 코팅(14)이 다층 코팅인 경우, 다층 내침식성 코팅(14)의 각 층이 동일한 침적 기술을 사용하여 침적될 필요는 없다.
EB-PVD 장치는 일반적으로 캐소드가 포함된 진공 챔버, 동력 공급기 및 표적 애노드 어셈블리를 포함한다. 애노드 표적 어셈블리는 목적하는 코팅 조성의 금속(들)의 애노드 표적, 및 표적 홀더(holder)를 포함한다. 하나 이상의 금속이 침적되는 경우, 침적되는 금속의 합금을 포함하는 단일 표적이 증발되거나 또는 다중 표적이 동시에 증발될 수 있다. 침적 챔버는 우선 특정 압력까지 진공화된다. 애노드 표적은 전자 공급원(예컨대, 텅스텐 필라멘트)에 의해 생성된 전자 비임으로 밤바드화되며(bombard), 이는 동력 공급기에 연결된다. 전자 비임에 의한 애노드 표적의 강한 가열은 표적 표면을 용융 또는 승화시키며, 이로 인해 금속의 증발된 분자들이 상향으로 운반된 후, 기재(12)의 표면에 침적되며, 이는 두께가 코팅 공정 기간에 의존하는 목적하는 내침식성 코팅(14)을 생성시키고, 기재 상에 축합되는 증기 플럭스(vapor flux)를 생성시킨다. 제어된 가스를 챔버 내에 도입시키면 조성물이 침적되며, 이는 기재(12) 상의 표적과 도입 가스의 컴파운드(compound)이다. 침적 챔버 내에서, 기재(12)는 상기 기재(12)의 여러 표면에 균일한 코팅을 달성하도록 이동될 수 있다.
반면, 캐소드 아크 장치는 일반적으로 애노드가 포함된 진공 챔버, 동력 공급기, 및 상기 동력 공급기에 연결된 캐소드 표적 어셈블리를 포함한다. 상기 캐소드 표적 어셈블리는 목적하는 코팅 조성의 금속(들)의 캐소드 표적, 및 표적 홀더를 포함한다. 하나 이상의 금속이 침적되는 경우, 침적되는 금속의 합금을 포함하는 단일 표적이 증발되거나 또는 다중 표적이 동시에 증발될 수 있다. 침적 챔버는 우선 특정 압력까지 진공화된다. 그 다음, 아크가 전자 트리거(trigger)를 사용하여 생성되고; 외부 자기장은 아크를 유지시키면서 상기 아크를 캐소드 표적을 향하게 안내하며, 이로 인해 기재(12)에 코팅을 침적시키는데 이상적인 고도의 이온화된 플라즈마의 강한 공급원을 생성시킨다. 바이어스 전압이 캐소드 표적과 기재(12) 사이에 구축되어 내침식성 코팅(14)의 침적을 유도한다. 제어된 가스를 이온화 플라즈마 클라우드(cloud)에 도입시키면 표적과 도입 가스의 컴파운드가 기재(12) 상에 침적될 수 있다. 침적 챔버 내에서, 기재(12)는 상기 기재(12)의 여러 표면에 균일한 코팅을 달성하도록 이동될 수 있다.
기재(12)의 일부만이 내침식성 코팅(14)으로 코팅된다면, 기재(12)를 침적 챔버 내에 삽입시키기 전에, 기재(12)의 일부를 덮어 미코팅되게 유지하도록 마스크가 사용될 수 있다. 당해 분야의 숙련자에게는 특정 마스킹 기술, 예컨대 하드 마스킹 및 소프트 마스킹이 그의 개시내용에 대해 공지되어 있다.
내침식성 코팅(14)을 형성시키는데 사용된 특정 침적 파라미터는 부적절한 실험 없이 이의 개시내용에 대해 당해 분야의 숙련자에 의해 결정될 수 있다. 기술에 대한 선택은 특정 용도, 기재(12), 온도, 비용 등에 따라 달라질 것이다. 예를 들면, 소정의 기재(12)에 대해 캐소드 아크 침적 대신에 EB-PVD를 사용하면 약간 더 매끄러운 내침식성 코팅(14)이 생성된다. 또한, EB-PVD를 사용하면, 침적될 수 있는 코팅 조성이 더욱 다양해질 수 있지만, 캐소드 아크 침적을 사용하면 특히 다양한 또는 복잡한 합금과의 더욱 높은 조성 제어가 달성될 수 있다. EB-PVD는 일반적으로 내침식성 코팅(14)의 침적을 더욱 신속하게 한다. 그러나, 캐소드 아크 침적용 장비의 비용은 EB-PVD의 것보다 크게 낮다. 상기 2개의 기술에 대한 침적 온도는 유사하지만, 캐소드 아크 침적을 사용하여 다양한 또는 복잡한 합금을 침적하는 경우, 증가된 조성 제어에 대해 아크 스폿에서의 더욱 높은 순간 온도가 고려된다.
EB-PVD와 캐소드 아크 침적 모두는 기재(12) 상에 침적됨에 따라 동일한 또는 실질적으로 동일한 미세구조 및/또는 조도 평균을 갖는 내침식성 코팅(14)을 생성시킬 수 있다. 예를 들면, EB-PVD를 사용하면, 침적된 내침식성 코팅(14)의 조도 평균은 기재(12)의 조도 평균의 약 1 내지 약 10%이며, 이온 플라즈마 캐소드 아크 침적을 사용하면, 침적된 내침식성 코팅(14)의 조도 평균은 기재(12)의 조도 평균의 약 1 내지 약 33%이다. 미코팅된 터빈엔진 구성요소의 평활도/조도는 상기 구성요소를 목적하는 윤곽 및/또는 치수로 기계처리함으로써 제어될 수 있다. 따라서, 유리한 특징에서, 후-침적 공정 단계를 필요로 하지 않고서 매끄러운 터빈엔진 구성요소들 상에 더욱 매끄러운 침적된 내침식성 코팅(14)이 생성될 수 있다. 이 방식으로, 일단 코팅 단계가 완료되면, 코팅된 제품(10)은 후속적 제조 공정에 사용 또는 진행될 준비가 된 것이다.
도 2를 참고하면, 도면에서 음영 처리된 내침식성 코팅(14)으로 코팅된 여러 구성요소를 갖는 터빈엔진의 일부분의 단면도(일반적으로 "100"로 지정됨)가 제시된다. 구체적으로, 코팅될 수 있는 주요 구성요소들 중 2개는 노즐(102)과 버킷(104)이다. 본원에 기재된 내침식성 코팅(14)으로 코팅될 수 있는 터빈엔진(100)의 다른 영역은 노즐 격판의 일부(예컨대, 루트 스필 스트립(root spill strip)(106) 및 격판 외부 링(112), 이는 또한 팁 스필 스트립으로서 지칭됨), 버킷 도브테일(dovetail)의 일부(예컨대, 스필 스트립 플렛폼(108) 및 도브테일의 다른 축방향 표면, 이는 일반적으로 "110"으로 지정됨), 및 쉽게 고체 입자 침식될 수 있는 다른 임의의 영역을 포함한다. 현존 코팅 기술과 달리, 도 2에 제시된 코팅된 영역은 코팅의 두께를 위해 흐름 면적에 대한 변형이 요구되지 않음을 주지해야 한다.
이하, 기재가 터빈 버킷(104)인 것을 참고한다. Ti와 TiN의 교호 층들을 버킷(104) 상에 침적시킴으로써 예시적인 다층 내침식성 코팅(14)이 형성될 수 있다.
설명의 편의를 위해, 다층 내침식성 코팅(14)은 도 1을 다시 참고하여 설명될 것이다. 구체적으로, 도면에 제시된 바와 같이, TiN의 층들(18,22,26,30)이 음영 처리된 반면, Ti의 층들(16,20,24,28)은 그렇지 않다. 8개의 교호 층들(즉, 16,18,20,22,24,26,28,30)을 참고하고 있지만, 이는 단지 예시적인 목적일 뿐이다. 당해 분야의 숙련자라면 임의 수의 교호 층들이 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 더욱이, 이 실시양태에서의 제 1 교호 층(16)(즉, 터빈 버킷에 가장 인접한 층)은 Ti 층으로서 지칭될지라도, TiN에 대해 제 1 교호 층(16)으로서 사용될 수 있다.
티탄 잉곳을 사용하는 EB-PVD 또는 캐소드 아크 침적에 의해 Ti의 교호 층이 침적된다. TiN의 층을 원하는 경우, 질소가 침적 챔버 내로 도입되어 금속 티탄 증기를 질화시킨다(nitride).
Ti와 TiN의 교호 층들을 사용하는 특정의 유리한 특징에서, 코팅의 전체 두께는 크게 높을 수 있다. TiN의 침적으로부터의 잔여 응력은 그 자체가 너무 높아서 형성될 코팅이 약 5㎛보다 두껍게 할 수 없다. 그러나, 다층 내침식성 코팅(14)의 누적 두께는 약 5 내지 약 45㎛일 수 있되, Ti와 TiN의 개별 층들은 약 500nm 내지 약 5㎛의 두께를 갖는다.
더욱이, 다층 내침식성 코팅(14)의 구성요소로서 금속과 같은 연질의 연성 물질을 사용하면(이 경우 티탄임), 경질의 취성 세라믹(이 경우 질화물임) 층이 침식물질(erodent)에 의해 침범되는 경우의 균열 증식을 최소 또는 방지할 수 있다. 이는 코팅의 수명, 궁극적으로 코팅된 버킷의 수명을 효과적으로 연장시킨다.
Ti/TiN의 다층 내침식성 코팅(14) 및 궁극적으로 코팅된 버킷도 또한 약 1100℉ 이하에서 내산화성이다. 더욱이, 다층 내침식성 코팅(14)은 약 30 내지 약 50마이크로인치, 더욱 구체적으로 약 38 내지 약 40마이크로인치의 Ra를 갖는다. 코팅된 버킷의 경도는 약 2000 내지 약 2600kg/mm2, 더욱 구체적으로는 약 2400 내지 약 2600kg/mm2이다.
예기치 않게도, EB-PVD 또는 캐소드 아크 침적을 사용하여 기재(12)를 Ti/TiN 다층 내침식성 코팅(14)으로 코팅시킴으로써 기재(12)(예: 스틸)의 고순환 피로(HCF) 특성이 개선되었음이 밝혀졌다. 이는 이러한 열 분무된 코팅에 관한 수득 데이터에 대해 완전히 상반되는 것이며, 여기서 기재의 HCF 강도는 감소되었다.
다른 예시적 실시양태에서, 버킷(104) 대신에 노즐(102)이 다층 내침식성 코팅(14)으로 코팅된다. 이 다층 내침식성 코팅(14)은 TiAlN(18,22,26,30) 및 Ti(16,20,24,28)의 교호 층들을 침적시킴으로써 형성된다. 다시 한번, 8개의 교호 층들(즉, 16,18,20,22,24,26,28,30)은 단지 예시적인 목적일 뿐이며, 임의 수의 교호 층들이 사용될 수 있다. 유사하게, 제 1 교호 층(16)은 TiAlN 또는 Ti의 층일 수 있다.
전술된 바와 같이, Ti의 교호 층들은 티탄 잉곳을 사용하는 EB-PVD 또는 캐소드 아크 침적에 의해 침적된다. 그러나, TiAlN의 층을 원하는 경우, TiAl 합금의 단일 잉곳 또는 2개의 개별 잉곳(즉, 하나는 티탄이고 다른 하나는 알루미늄임)이 사용될 수 있으며; 질소가 침적 챔버 내에 도입되어 금속 티탄 및 알루미늄 증기를 질화시킨다. TiAlN 내의 알루미늄 함량은 약 1 내지 약 50원자%일 수 있다. 예시적인 실시양태에서, 알루미늄 함량은 약 20 내지 약 30원자%이다. 구체적인 예시 실시양태에서, 알루미늄 함량은 약 26원자%이다. 약 26원자% 초과의 알루미늄 함량은 증가된 내산화성을 제공하지만, 감소된 내침식성 또한 제공한다. 약 26원자%의 Al에서, TiAlN은 약 1380℉ 이하의 온도에서 내산화성이다.
TiN과 같이, TiAlN의 침적으로부터의 잔여 응력은 그 자체가 너무 높아서 형성될 코팅이 약 5㎛보다 두껍게 할 수 없다. 그러나, Ti와 TiAlN의 교호 층들의 사용으로 인해 다층 내침식성 코팅(14)의 누적 두께에서는 약 5 내지 약 45㎛일 수 있되, Ti와 TiAlN의 개별 층들은 약 500nm 내지 약 5㎛의 두께를 갖는다. 또한, 전술된 연질의 연성 티탄 층들의 사용으로 인한 균열-중단의 이점들이 또한 Ti와 TiAlN 다층 내침식성 코팅(14)에서 관찰될 수 있다.
Ti/TiAlN의 다층 내침식성 코팅(14) 및 궁극적으로 코팅된 터빈 노즐은 약 1300℉ 이하에서 내산화성이다. 더욱이, 다층 내침식성 코팅(14)은 약 40 내지 약 50마이크로인치의 Ra를 갖는다. 코팅된 노즐의 경도는 약 3000 내지 약 3600kg/mm2이다.
터빈엔진 구성요소가 결합 코트, 열 장벽 코팅, 윤활 코팅 등과 같이 터빈엔진 구성요소 상에 통상 침적된 다른 코팅을 포함할 수 있음이 인식되어야 한다. 본원에 기재된 내침식성 코팅(14)은 미리 코팅된 터빈엔진 구성요소 상에 침적된 후, 상기 미리 코팅된 터빈엔진 구성요소는 전술된 기재(12)로서 간주되고자 한다. 더욱이, 매끄러운 코팅을 달성시키기 위해, 미리 코팅된 기재(12)는 내침식성 코팅 을 침적시키기 전에 목적하는 평활도를 갖도록 기계처리될 수 있다. 이들 다른 유형의 코팅의 침적은 당해 분야의 숙련자에게 공지되어 있다.
또한, 코팅된 터빈엔진 구성요소(10)는 내침식성 코팅(14)의 표면 특징을 변형시키지 않도록 하기 위한 다른 기계처리 작업을 실시할 수 있다. 예를 들면, 코팅된 터빈엔진 구성요소(10)는 용접되거나, 또는 예컨대 코팅된 노즐의 경우와 같이 후-침적 제조 단계 동안 전체 터빈엔진의 다른 구성요소에 커플링될 수 있다. 이 방식으로, 전체 노즐 어셈블리를 침적 챔버 내에 위치시키기 (그리고, 코팅을 원하지 않는 영역을 마스킹시키기) 보다는, 터빈엔진의 더욱 작은 구성요소가 침적 챔버 내에 배치될 수 있고 내침식성 코팅(14)으로 코팅될 수 있다.
더욱이, 매끄러운 코팅 제품(10)을 달성할 필요는 없지만, 내침식성 코팅(14)은 상기 내침식성 코팅(14)이 기재(12) 상에 침적된 후 특정 윤곽과 치수로 기계처리될 수 있다.
예시적인 실시양태를 참고하여 상기 내용을 기재하였지만, 당해 분야의 숙련자에게는 개시내용의 범위에서 벗어나지 않고서 그의 요소에 대해 다양한 변화가 가능하고 등가형태가 교체될 수 있음이 이해될 것이다. 또한, 개시된 교시내용에 대해 그의 본질적인 범위에서 벗어나지 않고서 특정 상황 또는 물질을 채택하도록 다양한 변경이 가능하다. 따라서, 본원은 이 개시내용을 실시하기 위해 고려되는 최상의 방식으로서 개시된 특정 실시양태에 국한되지 않지만, 개시내용은 첨부된 특허청구범위 내에 속하는 모든 실시양태를 포함하는 것이다.
또한, 용어 "제 1", "제 2", "하부", "상부" 등은 임의의 순서, 양 또는 중 요도를 나타내지 않으며, 오히려 서로 구별되게 사용되고, 관사들은 양을 제한하지 않으며, 오히려 참고 품목들 중 하나 이상의 존재를 지칭하는 것이다. 양과 관련하여 사용된 수식어 "약"은 진술된 값을 내포하는 것이고, 문맥에 의해 지적되는 의미를 갖거나, 또는 적어도 특정 양의 측정과 관련된 오류의 정도를 포함한다. 더욱이, 동일한 양 또는 물리적 특성을 인용하는 모든 범위는 인용된 말단 부분을 내포하며 독립적으로 조합 가능하다.
도 1은 금속 구성요소 상의 내침식성 코팅의 일부의 단면 대표도이다.
도 2는 내침식성 코팅이 그 위에 배치된 다양한 구성요소를 갖는 터빈엔진의 일부의 단면 대표도이다.
≪도면 부호 설명≫
10 - 코팅된 제품 12 - 기재
14 - 내침식성 코팅 16 내지 30 - 다층 내침식성 코팅의 층들
100 - 터빈엔진 102 - 노즐
104 - 버킷 106 - 루트 스필 스트립
108 - 스필 스트립 플렛폼 110 - 도브테일 축방향 표면
112 - 격벽 외부 링

Claims (10)

  1. 터빈엔진 구성요소(12,102,104,106,108,110,112), 및 전자비임 물리적 증착 또는 이온 플라즈마 캐소드 아크 침적을 사용하여 상기 터빈엔진 구성요소(12,102,104,106,108,110,112)의 표면의 적어도 일부에 배치된 내침식성 코팅(14)을 포함하는 코팅된 터빈엔진 구성요소(10,100).
  2. 제 1 항에 있어서,
    내침식성 코팅(14)이 세라믹, 서멧(cermet), 또는 상기한 것들 중 하나 이상을 포함하는 조합을 포함하는 코팅된 터빈엔진 구성요소(10,100).
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    내침식성 코팅(14)이 약 75마이크로인치 이하의 조도 평균을 갖는 코팅된 터빈엔진 구성요소(10,100).
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    코팅된 터빈엔진 구성요소(10,100)가, 내침식성 코팅(14)이 그 위에 배치되지 않은 터빈엔진 구성요소(12,102,104,106,108,110,112)보다 높거나 동일한 고순환 피로 강도(high cycle fatigue strength)를 갖는 코팅된 터빈엔진 구성요소(10,100).
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    내침식성 코팅(14)이 다층 코팅인 코팅된 터빈엔진 구성요소(10,100)
  6. 제 5 항에 있어서,
    다층 내침식성 코팅(14)의 각 층(16,18,20,22,24,26,28,30)이 약 5nm 내지 약 25㎛의 평균 두께를 갖고, 다층 내침식성 코팅(14)이 약 1 내지 약 200㎛의 평균 총 두께를 갖는 코팅된 터빈엔진 구성요소(10,100).
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    다층 내침식성 코팅(14)이 연질의 연성 조성물과 경질의 취성(brittle) 조성물의 교호 층(16,18,20,22,24,26,28,30)을 포함하는 코팅된 터빈엔진 구성요소(10,100).
  8. 내침식성 코팅을 전자비임 물리적 증착 또는 이온 플라즈마 캐소드 아크 침적에 의해 터빈엔진 구성요소(12,102,104,106,108,110,112)의 표면의 적어도 일부에 배치시키는 것을 포함하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    내침식성 코팅(14)이 다층 내침식성 코팅(14)이되,
    상기 다층 내침식성 코팅(14)의 각 층(16,18,20,22,24,26,28,30)이 독립적으로 전자비임 물리적 증착된 층 또는 이온 플라즈마 캐소드 아크 침적된 층인 방법.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    배치된 내침식성 코팅(14)의 조도 평균이 터빈엔진 구성요소(12,102,104,106,108,110,112)의 조도 평균의 약 1 내지 약 33%인 방법.
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