KR20090004565A - 입자가 내부에 함침되어 있는 세라믹 코팅을 갖는 부품 및그 부품의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내측에 입자들이 증착되어 있는 세라믹 코팅을 갖는 부품 및 상기 부품을 제조하는 방법에 관한 것이다.

본 발명의 요지는 표면(17)을 형성하는 세라믹 코팅(12)이 제공된 부품(11)이다. 상기 부품에는 착색제로 형성되는 나노입자(CrCoAl 또는 스피넬-형 산화물)와 알루미늄 산화물 나노입자가 코팅(12)의 적어도 커버 층(13) 내에 제공된다. 코팅 내에 나노입자들의 이러한 조합으로 공지되지 않은 1000 ℃까지의 표면 컬러링에 대한 고온 저항성을 제공한다. 이는 예를 들어, 가스 터빈의 압축기 또는 터빈 블레이드와 같이 상당한 응력 하에서 사용되는 부품에 내열성 컬러링을 제공할 수 있게 한다. 이는 예를 들어 최적 검사에도 사용될 수 있다. 또한, 상기 본 발명의 코팅을 형성하는 방법도 청구되어 있다.

Description

입자가 내부에 함침되어 있는 세라믹 코팅을 갖는 부품 및 그 부품의 제조 방법 {COMPONENT WITH A CERAMIC COATING INTO WHICH PARTICLES ARE EMBEDDED AND METHOD FOR PRODUCING SAID COMPONENT}

본 발명은 입자들이 내부에 함침되어 있는, 표면을 형성하는 세라믹 코팅을 갖는 부품에 관한 것이다.

그러한 부품은 EP 1 096 141 A2, EP 905 279 A1, EP 995 816 636 A1 및 EP 933 446 B1호에 설명되어 있다. 마지막에 언급된 공보에는 특히, 부식 억제제, 건식 윤활제, 컬러 염료 또는 이들의 조합 기능을 보장하는 입자 형태의 첨가제와 혼합될 수 있는 코팅이 설명되어 있다.

상기 코팅이 제조될 때, 이들 입자들은 코팅 물질을 형성하도록 분산된다. 이러한 코팅 물질은 코팅의 경화를 달성하도록 계속해서 열처리되는 코팅될 물질에 도포된다. 이러한 경우에 분산 물질 내에 함유된 요소들의 화학적 변환이 동시에 발생되어서, 코팅의 세라믹 하부 구조(framework)를 형성하는 역할을 한다.

특히 사용될 컬러 염료에 대해서는 부품에 대한 열 처리 중이나 계속된 열 응력을 받는 중에 화학적 변경이 초래되며, 이는 또한 표면의 광학적 외관의 변경 을 초래한다. 이는 부품의 작동 중에 변화하는 표면의 형태를 좌우한다. 그러한 결과는 통상적으로 열적으로 높은 응력을 받는 터빈 블레이드 또는 가스 터빈의 압축기 블레이드의 작동 중에 관찰된다.

본 발명의 목적은 컬러의 변화에 대한 상당히 높은 온도 저항성을 갖는, 컬러화 입자에 혼합되는 세라믹 코팅을 갖는 부품을 제공하고자 하는 것이다.

이러한 본 발명의 목적은 한편으로는 알루미늄 산화물 나노입자가 제공되고 다른 한편으로는 착색제 나노입자가 제공되는 증착된 입자들을 갖는, 서두에 설명된 본 발명의 부품들에 의해 달성되며, 여기서 착색제 나노입자는 CrCoAl 산화물 또는 스피넬 형태(spinel type)의 화합물로 이루어지며, 상기 착색제 나노입자의 적어도 일부분은 표면 상에 노출된다. 본래 고온에 상당한 저항성을 갖는 상기 특정된 물질들은 착색제 나노입자들이 컬러의 변화없이 코팅을 생성하는데 필요한 열처리에도 견딜 뿐만 아니라 오랜 작동 기간 동안에 유발되는 열 응력에도 견디도록 알루미늄 산화물 나노입자의 첨가에 의해 안정화될 수 있다는 사실의 발견은 놀라운 것이다. 코팅의 형성을 위한 제조와 관련된 열 처리는 통상적으로 약 400 ℃에서 수행된다. 예를 들어, 본 발명의 코팅이 가스 터빈의 터빈 블레이드와 압축기 블레이드의 보호층으로서 사용되는 경우에, 800 내지 1000 ℃까지의 온도가 발생되며 열 응력을 받는 상태에서도 표면의 컬러가 안정하게 유지된다.

알루미늄 산화물을 사용하는 다른 유효한 장점은 코팅의 온도 변화에 대한 저항성이 또한 개선된다는 점이다. 이는 상기 보호층이 급격히 냉각될 때 응력에 의한 파괴가 방지됨을 의미한다.

다음의 일반적인 화학식뿐만 아니라 구체적인 예들이 사용된 스피넬 형태의 착색제 나노입자를 위해 특정될 수 있다.

M^{2 +}M₂ ^{2 +}O₄ : MgAl₂O₄, MnAl₂O₄, MnMn₂O₄, FeAl₂O₄, FeCr₂O₄, CoAl₂O₄, CoCo₂O₄, NiAl₂O₄, ZnAl₂O₄, FeFe₂O₄, CoFe₂O₄, NiFe₂O₄, MgFe₂O₄, MgGa₂O₄, MgIn₂O₄;

M^{4 +}M^{2 +} ₂O₄ :

TiMg₂O₄, TiFe₂O₄, TiZn₂O₄, SnZn₂O₄, SnCo₂O₄,

M^{6 +}M₂ ^{4 +}O₄ :

Na₂MoO₄, Ag₂MoO₄

본 발명의 일 실시예에 따라서, 적어도 착색제 나노입자만이 모든 층이 아닌, 표면을 형성하는 커버 층 내에 제공되거나 표면을 형성하는 커버 층 또는 이러한 층에 인접한 층 내에 제공되는 코팅이 제공된다. 본 발명의 이러한 실시예는 컬러링만이 코팅의 표면에 가까운 영역에 광학 효과를 제공한다는 점을 근거로 한다. 구체적으로, 착색제 나노입자는 특정 광 파장의 흡수와 관련된 이들의 광학적 특성이 발휘되도록 표면의 일부분을 형성해야 한다.

그러나, 착색제 나노입바를 갖는 커버 층 아래에 층들을 제공하는 것도 중요할 수 있다. 이러한 배경은 상기 코팅이 일정량 마모되어 부품의 사용 중에 코팅의 제 1 층이 완전히 마모되어 버린다는 점이다. 이는 컬러 표시기가 코팅 마모 진행상황을 나타낼 수 있다는 점에서 유리하다. 제 1 층 또는 제 1 층과 계속된 다른 층의 컬러 나노입자들이 완전히 마모되면, 부품들은 통상적인 컬러를 잃게 된다. 컬러링은 본래 온도에 안정적이기 때문에, 컬러의 변화는 어떤 경우에 마모의 진행 상황을 나타내며 컬러 염료에 의한 컬러링의 변조에는 기여하지 않는다.

다른 실시예에서, 코팅 표면으로부터의 거리가 증가함에 따라 농도가 감소되도록 분포되는 적어도 컬러 나노입자를 갖는, 구배 코팅(gradient coating)으로서 함침되는 코팅이 제공된다. 이는 다층 코팅 구성에 대해 이미 설명한 바와 같이, 컬러 나노입자가 코팅의 표면에만 유효한 상황과 유사한 방식으로 고려된 것이다. 코팅의 컬러링의 검사에 의한 마모 표시기도 코팅이 구배 코팅으로서 함침된 경우에 수행될 수 있다. 이런 경우에 코팅의 컬러 농도는 코팅 표면이 마모됨에 따른 마모 진행에 따라 감소되는데, 이는 컬러링을 초래하는 컬러링 나노입자의 농도가 일정하게 감소되기 때문이다.

본 발명은 또한, 솔벤트와 세라믹의 용해 전구체 및 분산된 입자들로 구성되는 코팅 물질이 도포되는 부품 상에 세라믹 코팅을 생성하는 방법에 관한 것이다. 계속해서, 코팅 물질이 제공된 상기 부품은 솔벤트가 증발되고 입자들이 세라믹 코팅 내에 함침되는 동안 세라믹 전구체가 변환되게 하는 열 처리 공정이 수행되며, 여기서 입자들은 코팅 표면의 컬러에 영향을 주게 된다.

그러한 방법은 서두에서 인용한 특허 공보들을 근거로 이미 전술되었다. 출발점으로서 이들을 참조하여, 본 발명의 다른 목적은 상당히 온도 안정적인 착색법에 의해 생성되는 세라믹 코팅을 제조하기 위한 전술한 형태의 방법을 특정화함으로써 달성된다.

이러한 목적은 입자로서 나노입자를 사용하는 본 발명에 의해 달성된다. 한 편으로 알루미늄 산화물 나노입자가 분산되며 다른 한편으로 컬러 나노입자가 분산되며, 후자는 CrCoAl 산화물 또는 스피넬 형태의 화합물으로 구성되며 착색제 나노입자의 적어도 일부분은 표면 상에 노출된다.

본 발명의 방법을 사용하여 제조된 코팅된 부품은 서두에 설명한 장점을 가진다. 이들은 특히, 표면의 컬러링에 대해 1000 ℃ 정도로 높은 고온 저항성을 가지며 따라서, 고온에 따른 응력 하에서 예를 들어, 가스 터빈의 터빈 블레이드 또는 압축기의 블레이드와 같은 부품에 대해 온도 안정적인 채색을 가능하게 한다.

본 발명의 방법에 사용된 코팅 물질은 분산제로 이루어진다. 알루미늄 산화물 나노입자와 컬러 나노입자뿐만 아니라 다른 입자들도 이러한 분산제에 포함되어 예를 들어 코팅의 내식성을 향상시킬 수 있다.

상기 종래 기술에 목록화된 물질들, 특히 산 함유 인, 크롬산염, 몰리브덴 또는 텅스텐이 분산 매체로서 적합하다. 코팅 물질은 또한 분산 매체 또는 그 내부에 용해되는 전구체의 화학적 성분으로서 생성될 세라믹을 포함할 수 있다. 이들은 열 처리에 의해 세라믹 함유 매트릭스 내측으로 이동된다.

본 발명의 방법의 실시예에 따라, 코팅 물질 내에 적어도 5 내지 많아야 40 중량%의 비율로 첨가될 나노입자가 제공된다. 본 발명에서 제시된 비율은 다른 비율로 표시하지 않는 한 중량%로 이해해야 한다. 나노입자의 사용으로 분산 매체 내의 달성가능한 미립자 농도가 증가되어서 형성될 코팅의 기능성이 첨가된 나노입자에 의해 더욱 강력한 영향을 받을 수 있는 장점을 제공한다. 생성된 이러한 분산 매체는 유리하게 더욱 안정적이다.

코팅 물질은 소정의 처리 형태에 따라 가스, 액체 또는 반죽 형태일 수 있다. 코팅 물질의 점도에 따라, 코팅 물질을 기판에 도포하기 위한 상이한 방법이 사용될 수 있다. 그러한 방법에는 스프레잉, 스퍼터링, 디핑, 임펠링(impelling) 또는 폴리싱이 포함될 수 있다.

본 발명의 특정 실시예는 알루미늄 산화물 나노입자 대 착색제 나노입자의 중량비가 1 : 3 내지 3 : 1 범위에 있을 때 달성된다. 이러한 상황에서 전술한 착색제 나노입자에 의한 표면의 특징적인 컬러링과 알루미늄 산화물 나노입자에 의한 온도 안정화 효과의 비율이 가장 균형적임을 알 수 있다.

본 발명의 더욱 상세한 설명은 이후에 도면을 참조로 설명된다. 동일한 또는 대응하는 구성 요소는 동일한 도면 부호로 각각의 도면에 나타냈으며 각각의 도면에서 다른 구성 요소에 대해서만 설명한다.

도 1에 따른 부품(11)은 커버 코팅(13)과 추가의 층(14)으로 이루어지는 코팅(12)을 특징으로 한다. 커버 층의 내측으로 합체되는 것은 상기 부품의 표면, 즉 커버 코팅(13)에 의해 형성되는 표면(17) 상에 노출되는 착색제 나노입자(15)와 알루미늄 산화물 나노입자(16)이다. 계속된 층들은 어떠한 상기 나노입자들을 가지지 않는다.

나노입자들은 1 ㎛ 이하, 바람직하게 100 nm 미만의 크기를 갖는 입자로서 이해되어야 한다. 착색제 나노입자들은 각각 특정 스피넬 화합물들 중의 하나로 이루어진다. 컬러 혼합물에 의해 표면 컬러를 생성하기 위해, 상이한 조성의 컬러 나노입자들이 각각의 경우에 서로 혼합되어야 하나, 각각의 컬러 나노입자들은 단지 단지 한 종류의 화합물에 특색이 있다. 이는 당연히, 본래 스피넬 형태의 산화물을 나타내지 않는 CrCoAl 산화물로 형성된 착색제 나노입자에도 적용된다.

도 2에 나타낸 성분들은 단지, 착색제 나노입자(15)와 알루미늄 나노입자(16)가 커버 층(13) 이후의 두 개의 층(14a,14b) 내에 추가로 제공되었다는 점에서 도 1에 나타낸 것과 상이하다. 단지 상기 부품(11) 위에 위치된 마지막 층(14b)만이 이들 나노입자의 특징을 갖지 않는다.

코팅(12)은 내식성 코팅일 수 있으며, 코팅의 내식성은 상기 층(14b)의 두께에 도달할 때까지 코팅이 마모에 의해 제거된 후에도 유지된다. 따라서 표면(17)의 컬러링은 층(13,14)이 제거된 때라도 보존된다. 상기 층(14b)이 표면 컬러의 변화에 도달하여, 표시기에 의해 부품이 교체되거나 코팅을 새것으로 바꾸어야 할 필요성이 있다는 것으로 해석될 때까지 코팅의 마모는 계속된다.

도 3에 도시된 코팅(12)은 구배 코팅(gradient coating)이다. 이는 알루미늄 산화물 나노입자(16)와 컬러 나노입자(15)의 농도(C)가 (화살표(18)로 나타낸)표면(17)쪽으로 증가함을 의미한다. 이러한 예시적인 실시예에서 마모의 결과로 코팅의 제거는 표면 컬러 농도의 계속적인 감소를 초래하여, 이러한 변수도 코팅 내의 마모의 진행에 대해 표시기에 의해 평가될 수 있다.

알루미늄 산화물 나노입자는 Al₂O₃의 조성을 가진다. 코팅을 형성하는 방법이 이후에 예로서 주어질 것이다.

다음 표 1은 적합성과 양호한 분포 결과에 대해 조사된 착색제 조합을 나타낸다. 특히 착색제 조합 5, 7, 및 9에서 높은 표면 컬러 농도와 코팅 물질의 스프레잉과 관련한 높은 처리 가능성이 달성되었음을 알 수 있다.

컬러 조합 번호	코팅 물질 내의 중량%로 나타낸 각각의 물질 비율(각각의 경우 나머지는 물)
	CrCoAl 산화물	Cr(Ⅲ)인	Al 산화물	인산
1	0.6	0.6	10	10
2	0.6	0.9	17.5	17.5
3	0.6	1.2	25	25
4	0.9	0.6	17.5	25
5	0.9	0.9	25	10
6	0.9	1.2	10	17.5
7	1.2	0.6	25	17.5
8	1.2	0.9	10	25
9	1.2	1.2	17.5	10

도 1 및 도 2는 다층 코팅으로서 구현된 본 발명의 코팅의 예시적인 실시예에 대한 개략적인 횡단면도.

도 3는 구배 코팅으로서 설계되는 본 발명의 코팅의 실시예를 도시하는 도면.

Claims (7)

1. 세라믹 코팅(12) 내에 함침되어 표면 컬러에 영향을 주는 입자를 가지며 표면(17)을 형성하는 세라믹 코팅(12)을 갖는 부품에 있어서,

   상기 함침된 입자들은 나노입자이며,

   한편으로는 알루미늄 산화물 나노입자(16)가 제공되며,

   다른 한편으로는 착색제 나노입자(15)가 제공되며, 상기 착색제 나노입자 각각은 CrCoAl 또는 스피넬-형태의 화합물로 이루어지며, 상기 착색제 나노입자들 중의 적어도 일부는 상기 표면(17) 상에 노출되는 것을 특징으로 하는,

   세라믹 코팅(12)을 갖는 부품.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 코팅(12)은 다수의 층(13,14)을 특징으로 하며, 적어도 상기 착색제 나노입자(15)만이 상기 표면(17)을 형성하는 상기 커버 층(13) 내에 또는 상기 표면을 형성하는 상기 커버 층(13) 및 계속된 층(14a,14b,14c) 내에 제공되나, 상기 모든 층 내에는 제공되지 않는 것을 특징으로 하는,

   세라믹 코팅(12)을 갖는 부품.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 코팅(12)은 구배 코팅으로서 설계되며, 적어도 상기 착색제 나노입자(15)는 상기 표면(17)으로의 거리가 증가함에 따라 감소되는 농도로 상기 코팅(17) 내에 분포되는 것을 특징으로 하는,

   세라믹 코팅(12)을 갖는 부품.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 부품은 고온 열 응력에 저항할 수 있으며, 특히 가스 터빈의 압축기 블레이드 또는 터빈 블레이드인 것을 특징으로 하는,

   세라믹 코팅(12)을 갖는 부품.
5. 부품(13) 상에 세라믹 코팅(12)을 형성하는 방법으로서,

   솔벤트, 용해된 세라믹 전구체 및 분산된 입자로 이루어지는 코팅 물질이 상기 부품(13) 상에 도포되며,

   상기 코팅 물질이 제공되는 상기 부품(13)은 상기 솔벤트가 증발되고 상기 세라믹 전구체가 변환되도록 열 처리되며, 상기 코팅의 표면(17) 컬러에 영향을 주는 상기 입자들이 상기 세라믹 층 내에 함침되어 있는,

   부품(13) 상에 세라믹 코팅(12)을 형성하는 방법에 있어서,

   상기 입자들로서는 나노입자가 사용되며,

   한편으로는 알루미늄 산화물 나노입자(16)가 제공되며,

   다른 한편으로는 착색제 나노입자(15)가 제공되며, 상기 착색제 나노입자 각각은 CrCoAl 또는 스피넬-형태의 화합물로 이루어지며, 상기 착색제 나노입자들 중의 적어도 일부는 상기 표면(17) 상에 노출되는 것을 특징으로 하는,

   부품(13) 상에 세라믹 코팅(12)을 형성하는 방법.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 나노입자들은 적어도 5 내지 최대 40 중량%의 비율로 상기 코팅 물질 내측으로 유입되는 것을 특징으로 하는,

   부품(13) 상에 세라믹 코팅(12)을 형성하는 방법.
7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,

   상기 알루미늄 산화물 나노입자 대 착색제 나노입자의 중량비는 1 : 3 내지 3 : 1 범위에 놓이는 것을 특징으로 하는,

   부품(13) 상에 세라믹 코팅(12)을 형성하는 방법.

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