KR20090093327A - 가스터빈용 블레이드의 냉각유로에 대한 감압 기상 증착방법 - Google Patents
가스터빈용 블레이드의 냉각유로에 대한 감압 기상 증착방법Info
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Abstract
본 발명은 가스터빈용 블레이드의 냉각유로(Cooling passage)의 표면에 일정한 주기의 압력 조건 하에서 보호피막을 감압 기상 증착하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 감압 상태에서 증착재료인 알루미늄 크롬 합금에서 발생하는 합금 할리드 가스를 캐리어하는 캐리어가스의 주기적인 압력 변화를 유발하여, 상기 캐리어가스에 유도되는 합금 할리드 가스를 복잡한 형상인 블레이드의 냉각유로의 내부 표면까지 균일하게 확산시켜서 펄스 증착하므로써, 상기 블레이드의 냉각유로의 내부 표면 전체에 균일하고 적정한 두께의 보호피막을 용이하게 형성하여 내산화성, 내부식성을 제공할 수 있는 가스터빈용 블레이드의 냉각유로에 대한 감압 기상 증착 방법을 제공한다.
Description
본 발명은 가스터빈용 블레이드의 냉각유로의 표면에 일정한 주기의 압력 조건 하에서 보호피막을 감압 기상 증착하는 방법에 관한 것으로, 상세하게는 감압 상태에서 증착재료인 알루미늄 크롬 합금에서 발생하는 합금 할리드 가스를 캐리어하는 캐리어가스의 주기적인 압력 변화를 유발하여, 상기 캐리어가스에 유도되는 합금 할리드 가스를 복잡한 형상인 블레이드의 냉각유로의 내부 표면까지 균일하게 확산시켜서 펄스 증착하므로써, 상기 블레이드의 냉각유로의 내부 표면 전체에 균일하고 적정한 두께의 보호피막을 용이하게 형성하는 가스터빈용 블레이드의 냉각유로에 대한 감압 기상 증착 방법에 관한 것이다.
가스터빈 엔진은 연소 온도 및 터빈 입구의 온도를 상승시키면 엔진 효율이 향상되는 특성을 지니고 있으며, 현재 개발된 고내열성 재료를 사용하여 가스터빈 엔진을 제조하면, 상기 엔진의 연소 온도 및 터빈 입구의 온도를 상승시켜서 엔진 효율을 높이는 것은 가능하다.
고내열성 재료를 사용하여 제조된 고효율의 가스터빈 엔진은 작동시 터빈 입구의 온도가 1,000 ℃를 초과하게 되는데, 이때 대기 중의 산소에 의한 고온 산화, 연료에 함유된 황(S) 또는 바나듐(V) 등에 의한 고온 용융염 부식에 의하여 터빈 블레이드를 위시한 각 부품에서 열화 현상이 진행된다. 따라서, 이러한 열화 현상을 방지하기 위하여 가스터빈 엔진의 각 부품에 내산화성, 내부식성 피막을 형성하는 것이 바람직하다.
특히, 가스터빈 엔진의 핵심부품인 블레이드의 과열과 이에 따른 열화를 방지하려면, 블레이드의 내부에 일정한 직경을 지닌 복잡한 형상의 냉각유로를 형성하는 것이 필수적이며, 상기 냉각유로의 내산화성, 내부식성을 향상시킬 목적으로 안정된 보호피막을 형성할 수 있는 알루미늄(Al), 크롬(Cr) 및 실리콘(Si) 등의 금속계 코팅소재를 사용하여 냉각유로의 표면을 코팅해야 하지만, 냉각유로가 매우 가늘고 길며 형상도 복잡하기 때문에, 상기 냉각유로의 막힘 현상을 유발하거나 냉각 기능을 저하시키지 않도록 하면서도 균일하고 적정한 두께의 보호피막을 형성하는 것이 실제적으로 매우 곤란하다.
종래에는 가스터빈 엔진의 각 부품에 내산화성, 내부식성 피막을 형성하는 코팅 방법으로 오버레이(Overlay) 코팅법, 열차폐 코팅법을 사용하였다. 오버레이 코팅법은 고온에서 내산화성 및 내부식성을 갖는 합금 원소들을 조합한 MCrAlY 분말을 상압 또는 저압으로 플라즈마 용사하는 방법이며, 열차폐 코팅법은 부품의 온도 상승을 억제할 목적으로 실시하는 코팅으로 주로 ZrO2-Y2O3 분말을 플라즈마 용사하여 코팅하는 방법인데, 상기한 두 코팅 방법은 단순한 형상의 대상물의 표면을 코팅하는 것에는 적합한 방법이지만, 가늘고 길며 복잡한 형상을 지닌 블레이드의 냉각유로의 표면을 코팅하는 것에는 전혀 적합하지 않다.
따라서, 복잡한 형상인 블레이드의 냉각유로의 표면에 내산화성, 내부식성 피막을 형성하기 위하여, 대상물의 표면에 알루미나이드(Aluminide) 또는 크로마이드(Chromide)를 코팅하는 확산 코팅법에 대한 연구개발이 진행되고 있다.
상기와 같이 블레이드의 냉각유로의 표면을 코팅하기 위한 종래의 확산 코팅법은 슬러리 코팅법, 팩 시멘테이션(Pack Cementation) 코팅법, 기상 증착(Vapor Phase)법으로 구분된다.
슬러리 코팅법은 알루미늄 공급원과 활성제를 함유하는 액상의 슬러리를 냉각유로의 표면에 도포하고, 불활성 또는 환원성 분위기하에서 고온으로 확산 열처리하여 알루미나이드 코팅층을 형성하는 방법으로, 형상이 단순한 대상물의 표면에 코팅하는 것에는 적합한 코팅 방법이라고 할 수 있다. 그러나 복잡한 형상을 지닌 블레이드의 냉각유로의 표면에 균일하게 슬러리를 도포하는 것과, 이를 검증하는 것이 곤란할 뿐만 아니라, 작은 직경의 냉각유로에서 슬러리를 균일하게 도포하는 것이 매우 곤란하여 슬러리에 의한 막힘 현상을 유발할 수 있다는 문제점을 지니고 있다. 또한, 팩 시멘테이션 코팅법은 알루미나이드를 포함하는 팩 분말을 냉각유로의 표면에 도포하고, 소결하고, 잔여 분말을 제거하여 알루미나이드 코팅층을 형성하는 방법인데, 작은 직경의 냉각유로의 표면에 팩 분말을 균일하게 도포하고, 소결하는 과정에서 상기 냉각유로의 막힘현상을 유발할 수 있으며, 냉각유로의 표면에 균일한 두께의 알루미나이드 코팅층을 형성하는 것이 곤란하다는 문제점을 지니고 있다.
상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여, 상압 상태인 증착 챔버 내부에 거치된 증착재료로부터 금속 할리드 가스가 발생되며, 이것이 가스 확산에 의해 블레이드의 냉각유로의 표면에 도달하여 보호피막을 형성하는 상압 기상 증착법이 개발되었다. 그러나, 이러한 종래의 기상 증착법은 상압 조건 하에서 이루어지므로 치구와 블레이드 사이의 밀봉처리가 완벽하지 않으면 냉각유로의 증착 처리가 제대로 실시되지 않으며, 증착재료를 확산시키는 캐리어가스가 냉각유로의 표면에 제대로 도달하지 않기 때문에 보호피막이 용이하게 형성되지 않을 뿐만 아니라 냉각유로의 표면에 형성되는 보호피막의 조성을 제어하는 것이 극히 곤란하다는 문제점을 지니고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 캐리어가스의 주기적인 압력 변화를 유발하여, 상기 캐리어가스에 유도되는 합금 할리드 가스를 복잡한 형상인 블레이드의 냉각유로의 내부 표면까지 균일하게 확산시켜서 펄스 증착하여 균일하고 적정한 두께의 보호피막을 용이하게 형성할 수 있도록 지원하는 가스터빈용 블레이드의 냉각유로에 대한 감압 기상 증착 방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에서는 배기용 진공펌프, 캐리어가스 공급 장치가 연결 형성된 감압 챔버에 증착 대상물인 가스터빈용 블레이드를 장착하는 단계; 상기 감압 챔버에 증착재료인 알루미늄 27 ∼ 33 중량%, 크롬 67 ∼ 73 중량%의 알루미늄 크롬 합금괴, 활성제인 불화알루미늄(AlF3)괴를 거치하는 단계; 상기 감압 챔버의 내부를 감압하면서 증착 온도인 1,080 ℃로 승온하는 단계; 및 상기 감압 챔버의 내부로 캐리어가스를 70 Torr에서 40초, 10 Torr에서 10초 단위의 주기로 공급하여 블레이드의 냉각유로의 표면에 알루미늄 크롬 합금을 펄스 증착하는 단계를 포함하는 가스터빈용 블레이드의 냉각유로에 대한 감압 기상 증착 방법이 제공된다..
본 발명에 의한 가스터빈용 블레이드의 냉각유로에 대한 감압 기상 증착 방법은 캐리어가스의 압력 변화를 유발하여, 상기 캐리어가스에 유도되는 합금 할리드 가스를 복잡한 형상인 블레이드의 냉각유로의 내부 표면까지 균일하게 확산시켜서 펄스 증착하여 균일하고 적정한 두께의 보호피막을 용이하게 형성하므로써, 상기 블레이드의 냉각유로에 내산화성, 내부식성을 제공할 수 있는 효과를 지니고 있다.
또한, 본 발명의 가스터빈용 블레이드의 냉각유로에 대한 감압 기상 증착 방법은 블레이드의 냉각유로의 막힘 현상을 유발하거나 냉각 기능을 저하시키지 않으면서도 균일하고 적정한 두께의 보호피막을 형성하도록 지원하는 효과를 지니고 있다.
도 1은 본 발명을 실시하기 위한 펄스 증착 시스템의 전체적인 구조도
도 2는 상기 도 1의 펄스 증착 시스템의 감압 챔버의 상세도
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 냉각유로 입구로부터 30㎜ 거리의 전자현미경 사진
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 냉각유로 입구로부터 60㎜ 거리의 전자현미경 사진
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 냉각유로 입구로부터 90㎜ 거리의 전자현미경 사진
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 냉각유로 입구로부터 120㎜ 거리의 전자현미경 사진
도 7은 본 발명의 산화 실험이 실시된 블레이드의 냉각유로에 대한 전자현미경 사진
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
11 : 감압 챔버 13 : 진공펌프
15 : 캐리어가스 탱크 17 : 솔레노이드 밸브
19 : 캐리어가스 분사관 21 : 증착재료
23 : 활성제 31 : 블레이드
33 : 냉각유로 35 : 필터
본 발명의 가스터빈용 블레이드의 냉각유로에 대한 감압 기상 증착 방법에 대하여 도면과 실시예를 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명을 실시하기 위한 펄스 증착 시스템의 전체적인 구조를 도시한 것이고, 도 2는 상기 도 1의 펄스 증착 시스템의 감압 챔버를 상세하게 도시한 것이다.
도 1, 도 2를 참조하면, 본 발명의 가스터빈용 블레이드의 냉각유로에 대한 감압 기상 증착 방법은 배기용 진공펌프, 캐리어가스 공급 장치가 연결 형성된 감압 챔버에 증착 대상물인 가스터빈용 블레이드를 장착하는 단계가 포함된다.
본 발명은 가스터빈용 블레이드의 냉각유로의 표면에 일정한 감압 조건 하에서 보호피막을 기상 증착하는 방법에 관한 것이므로, 블레이드(31)의 냉각유로(33)에 대한 기상 증착은 감압이 가능한 감압 챔버(11)에서 실시되어야 한다. 이를 위하여, 블레이드(31)의 냉각유로(33)에 대한 기상 증착이 실시되는 감압 챔버(11)에 연결되는 배기용 진공펌프(13)가 형성되며, 상기 배기용 진공펌프(13)는 감압 챔버(11)의 내부를 진공 상태에 가깝게 감압하기에 충분한 배기용량을 지녀야 한다.
또한 상기 배기용 진공펌프(1)에 의해 내부가 감압된 상태인 감압 챔버(11)에서, 활성제(23) 및 상기 활성제(23)에 의하여 활성화된 증착재료(21)에서 발생하는 합금 할리드 가스를 캐리어하여 블레이드의 냉각유로의 표면으로 확산시키는데 사용되는 캐리어가스를 공급하는 캐리어가스 공급 장치가 상기 감압 챔버에 연결 형성된다.
상기 감압 챔버에 캐리어가스를 공급하는 캐리어가스 공급 장치는 캐리어가스가 충전된 캐리어가스 탱크(15), 및 상기 캐리어가스 탱크(15)에서 공급되는 캐리어가스의 압력을 일정한 주기로 조절할 수 있도록 형성되는 솔레노이드 밸브(17)로 이루어진다. 상기 캐리어가스 공급 장치에 의하여 감압 챔버의 내부로 공급되어 캐리어가스 분사관(19)을 통하여 분사되는 캐리어가스, 및 상기 캐리어가스에 의해 가이드되는 합금 할리드 가스는 배기용 진공펌프(13)의 작동에 의하여 감압 챔버의 외부로 배기된다.
그리고, 상기와 같이 감압 챔버(11)의 외부로 배기되는 합금 할리드 가스가 응축되어 배기용 진공펌프(13)에 악영향을 미치지 않도록, 상기 배기용 진공펌프(13)와 감압 챔버(11) 사이의 파이프에 합금 할리드 가스를 차단하는 필터(35)가 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 가스터빈용 블레이드의 냉각유로에 대한 감압 기상 증착 방법은 상기 감압 챔버에 증착재료인 알루미늄 30 중량%, 크롬 70 중량%의 알루미늄 크롬 합금괴, 활성제인 불화알루미늄괴를 거치하는 단계가 포함된다.
본 발명을 실시하기 위하여 감압 챔버의 내부 하부에 증착재료인 알루미늄 크롬 합금괴, 상기 알루미늄 크롬 합금괴를 활성화하여 합금 할리드 가스로 변환시키는 활성제인 불화알루미늄괴가 거치된다.
가스터빈용 블레이드의 냉각유로의 표면에 보호피막을 형성하기 위한 증착 재료로서 내산화성, 내부식성이 탁월한 알루미늄과 크롬을 합금하여 이루어지는 알루미늄 크롬 합금괴를 사용하되, 알루미늄 27 ∼ 33 중량%, 크롬 67 ∼ 73 중량%의 알루미늄 크롬 합금괴를 증착재료로 사용하여 블레이드의 냉각유로의 표면을 펄스 증착한다. 블레이드의 냉각유로에 대한 증착재료로서 알루미늄 크롬 합금 분말보다 일정한 크기의 알루미늄 크롬 합금괴를 사용하는 것이, 상기 블레이드의 냉각유로의 표면에 균일한 두께의 보호피막을 형성할 수 있다는 측면에서 바람직하다.
블레이드의 냉각유로의 표면을 펄스 증착하는 증착재료인 알루미늄 크롬 합금괴의 알루미늄 함량이 27 중량% 미만이면 블레이드의 냉각유로의 표면에 보호피막이 형성되는 속도가 크게 감소되어 작업효율이 대폭 저하되며, 증착재료인 알루미늄 크롬 합금괴의 알루미늄 함량이 33 중량%를 초과하면 블레이드의 냉각유로의 표면에 형성되는 보호피막의 두께가 불균일하게 된다. 즉 블레이드의 냉각유로의 표면을 펄스 증착하는 증착재료로서 알루미늄 27 ∼ 33 중량%, 크롬 67 ∼ 73 중량%의 알루미늄 크롬 합금괴가 사용되며, 그 중에서도 알루미늄 30 중량%, 크롬 70 중량%의 알루미늄 크롬 합금괴를 사용하는 것이 적정한 작업효율을 유지하면서 균일한 두께의 보호피막을 형성할 수 있다는 측면에서 바람직하다.
상기와 같은 알루미늄 27 ∼ 33 중량%, 크롬 67 ∼ 73 중량%의 알루미늄 크롬 합금괴가 감압 챔버 용적 ㎤당 0.10g 거치된다. 감압 챔버의 내부에 거치되는 알루미늄 크롬 합금괴의 양이 0.10g/(감압 챔버 용적 ㎤) 미만이면 블레이드의 냉각유로의 표면에 보호피막이 형성되는 속도가 크게 감소되어 작업효율이 대폭 저하되며, 감압 챔버의 내부에 거치되는 알루미늄 크롬 합금괴의 양이 0.10g/(감압 챔버 용적 ㎤)을 초과하면 상기 알루미늄 크롬 합금괴의 활성이 지나치게 높아져서 블레이드의 냉각유로의 입구 표면에는 신속하게 보호피막이 형성되는 반면 내부 표면에는 보호피막이 제대로 형성되지 않아서 상기 냉각유로에 보호피막이 균일하게 형성되지 않고 막힘 현상이 발생할 수 있다.
그리고 가스터빈용 블레이드의 냉각유로의 표면에 보호피막을 형성하는 알루미늄 27 ∼ 33 중량%, 크롬 67 ∼ 73 중량%의 알루미늄 크롬 합금괴를 활성화하여 합금 할리드 가스로 변환시키는 활성제를 사용하되, 활성제 중에서도 증기압이 낮고 비점이 높아서 고온의 감압 상태에서 서서히 확산되어 증착재료를 지속적으로 활성화시킬 수 있는 불화알루미늄을 활성제로 사용하여 블레이드의 냉각유로의 표면을 펄스 증착한다.
기상 증착에서 증착재료를 활성화시키는데 주로 사용되는 활성제는 염화암모늄(NH4Cl), 불화암모늄(NH4Cl), 불화알루미늄 등이 있으나, 염화암모늄과 불화암모늄은 증기압이 760 Torr이고 비점이 낮아서 본 발명을 실시할 때 감압 초기에 한꺼번에 확산되어 감압 챔버 외부로 배기되기 때문에, 본 발명의 활성제로 적용하는 것이 매우 곤란하다. 따라서, 본 발명에서는 증기압이 1.3 Torr로 낮으면서도 비점이 927 ℃의 고온이므로 고온의 감압 상태에서 서서히 확산되어 증착재료를 지속적으로 활성화시킬 수 있는 불화알루미늄을 활성제로 사용하여 블레이드의 냉각유로의 표면을 펄스 증착한다.
상기와 같이 알루미늄 크롬 합금괴를 활성화시키는 활성제인 불화알루미늄괴가 감압 챔버 용적 ㎤당 0.002 g 거치된다. 감압 챔버의 내부에 거치되는 활성제인 불화알루미늄괴의 양이 0.002 g/(감압 챔버 용적 ㎤) 미만이면 상기 활성제가 알루미늄 크롬 합금괴를 활성화시키는 작용이 저하되므로 블레이드의 냉각유로의 표면에 보호피막이 형성되는 속도가 크게 감소되어 작업효율이 대폭 저하되며, 감압 챔버의 내부에 거치되는 활성제인 불화알루미늄괴의 양이 0.002 g/(감압 챔버 용적 ㎤)를 초과하면 상기 활성제의 함량 및 활성 과다로 인하여 진공 챔버와 연결된 배기 라인의 밸브, 배기용 진공펌프까지 부식시킬 수 있다.
감압 챔버의 내부에 거치되는 활성제인 불화알루미늄괴, 상기 불화알루미늄괴에 의하여 활성화되는 증착재료인 알루미늄 크롬 합금괴에서 발생하는 합금 할리드 가스가 블레이드의 냉각유로의 표면으로 확산되어 보호피막을 형성하는 것이다.
또한, 본 발명의 가스터빈용 블레이드의 냉각유로에 대한 감압 기상 증착 방법은 상기 감압 챔버의 내부를 감압하면서 증착 온도인 1,080 ℃로 승온하는 단계가 포함된다.
감압 챔버의 내부에 증착 대상물인 블레이드가 장착되고, 증착재료인 알루미늄 크롬 합금괴, 활성제인 불화알루미늄괴가 거치된 상태에서, 상기 감압 챔버를 밀폐하고 배기용 진공펌프를 작동하여 상기 감압 챔버의 내부를 진공에 가까운 정도로 감압하는 동시에, 증착 온도인 1,080 ℃로 승온한다.
감압 챔버의 내부를 승온하게 되면 활성제의 활성이 증가되고, 상기 활성제에 의하여 활성화되는 알루미늄 크롬 합금괴의 이동도(Mobility)가 상승하여 합금 할리드 가스로 용이하게 변환되고, 상기 합금 할리드 가스가 블레이드의 냉각유로의 표면으로 신속하게 확산되어 보호피막을 형성하게 된다. 상기와 같이 블레이드의 냉각유로의 표면에 보호피막을 형성하기 위한 증착 온도가 1,080 ℃ 미만이면 활성제의 활성 및 상기 활성제에 의하여 활성화되는 알루미늄 크롬 합금괴의 이동도가 감소되므로 블레이드의 냉각유로의 표면에 보호피막이 형성되는 속도가 크게 감소되어 작업효율이 대폭 저하되며, 블레이드의 냉각유로의 표면에 보호피막을 형성하기 위한 증착 온도가 1,080 ℃를 초과하면 블레이드의 냉각유로의 표면에 보호피막이 형성되는 속도가 더 이상 증가되지 않으며 감압 챔버의 내부를 승온하기 위한 연료비용이 증가된다.
즉, 감압 챔더의 내부를 감압하고 증착 온도인 1,080 ℃를 유지하는 상태에서 상기 감압 챔버의 내부로 캐리어가스를 공급하되, 상기 캐리어가스의 압력을 일정한 주기로 유지하여 복잡한 형상을 지닌 블레이드의 냉각유로에 알루미늄 크롬 합금을 펄스 증착한다.
또한, 본 발명의 가스터빈용 블레이드의 냉각유로에 대한 감압 기상 증착 방법은 상기 감압 챔버의 내부로 캐리어가스를 70 Torr에서 40초, 10 Torr에서 10초 단위의 주기로 공급하여 블레이드의 냉각유로의 표면에 알루미늄 크롬 합금을 펄스 증착하는 단계가 포함된다.
본 발명에서는 캐리어가스 공급 장치로부터 감압 상태인 감압 챔버의 내부로 공급되는 캐리어가스의 흐름에 의해 활성제 성분이 증착재료인 알루미늄 크롬 합금괴에 도달하게 되는 것은 물론, 상기 활성제에 의하여 활성화된 알루미늄 크롬 합금괴로부터 발생하는 합금 할리드 가스까지 상기 캐리어가스의 흐름에 의해 블레이드의 냉각유로까지 확산되어 증착되므로써 상기 냉각유로의 표면에 보호피막을 형성하게 된다. 따라서, 캐리어가스는 활성제의 확산 및 상기 활성제에 의한 알루미늄 크롬 합금의 합금 할리드 가스로의 변환에 영향을 미치지 않도록 불활성 가스를 사용하며, 이러한 불활성 가스 중에서도 활성제, 증착재료와 전혀 반응하지 않는 아르곤 가스를 사용하는 것이 바람직하다.
그런데, 감압 상태인 감압 챔버의 내부로 공급되는 캐리어가스의 압력을 일정한 수준으로 유지하게 되면, 예를 들면 캐리어가스를 20 Torr로 지속적으로 공급하거나 또는 캐리어가스를 40 Torr로 지속적으로 공급하게 되면, 캐리어가스의 흐름 및 상기 캐리어가스에 의한 합금 할리드 가스의 확산 경로가 계속 일정한 패턴으로 안정적으로 유지된다. 상기와 같이 합금 할리드 가스의 확산 경로가 계속 일정한 패턴으로 안정적으로 유지되는 경우에는, 상기 합금 할리드 가스가 블레이드의 냉각유로의 입구 표면까지만 확산되고 내부 표면으로는 전혀 확산하지 않으므로, 상기 블레이드의 냉각유로의 입구 표면에만 보호피막이 제대로 형성되고 반면 내부 표면에는 보호피막이 사실상 형성되지 않기 때문에, 상기 냉각유로의 내부 표면 전체에 보호피막이 균일하게 형성되지 않을 뿐만 아니라 냉각유로의 입구에서 막힘 현상이 발생하게 된다는 문제점이 있다.
따라서 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 블레이드의 냉각유로의 표면에 알루미늄 크롬 합금을 펄스 증착하는 단계에서 감압 챔버의 내부로 공급되는 캐리어가스의 압력을 일정한 주기로 변화시켜서, 상기 캐리어개스의 압력 변화에 의해 합금 할리드 가스가 불규칙적으로 확산되도록 유도하며, 상기와 같이 불규칙적으로 확산된 합금 할리드 가스가 냉각유로의 입구 표면은 물론 내부 표면까지 균일하게 도달하게 되므로써, 상기 냉각유로의 표면 전체에 보호피막이 균일하고 용이하게 형성되도록 하는 것이다.
구체적으로, 블레이드의 냉각유로의 표면에 알루미늄 크롬 합금을 펄스 증착하는 단계에서, 감압 챔버의 내부로 캐리어가스를 최대압력 70 Torr에서 40초, 최소압력 10 Torr에서 10초 단위의 주기로 공급되며, 상기와 같은 주기의 캐리어가스의 공급이 펄스 증착 단계에서 지속적으로 반복 실시된다.
상기와 같은 주기에 의해 감압 챔버의 내부로 공급되는 캐리어가스의 최소압력이 10 Torr 미만이면 증착재료인 알루미늄 크롬 합금에서 발생하는 합금 할리드 가스의 확산 속도가 지나치게 빨라져서 블레이드의 냉각유로의 입구 표면에는 신속하게 보호피막이 형성되는 반면 내부 표면에는 보호피막이 제대로 형성되지 않아서 상기 냉각유로에 보호피막이 균일하게 형성되지 않고 막힘 현상이 발생할 수 있으며, 감압 챔버의 내부로 공급되는 캐리어가스의 최소압력이 10 Torr를 초과하면 활성제의 확산이 제대로 발생하지 않기 때문에 활성제의 사용량을 증가시켜야 한다. 또한, 상기와 같이 감압 챔버의 내부로 공급되는 캐리어가스의 최소압력의 단위시간이 10초 미만이면 블레이드의 냉각유로의 표면에 보호피막이 형성되는 속도가 크게 감소되어 작업효율이 대폭 저하되며, 감압 챔버의 내부로 공급되는 캐리어가스의 최소압력의 단위시간이 10초를 초과하면 캐리어가스의 흐름에 의한 합금 할리드 가스의 확산 패턴을 불규칙하게 유발되지 않아서 상기 합금 할리드 가스가 복잡한 형상인 냉각유로의 내부 표면으로 확산되지 않게 된다.
그리고, 상기와 같은 주기에 의해 감압 챔버의 내부로 공급되는 캐리어가스의 최대압력이 70 Torr 미만이면 캐리어가스의 흐름에 의한 합금 할리드 가스의 확산 패턴을 불규칙하게 유발되지 않아서 상기 합금 할리드 가스가 복잡한 형상인 냉각유로의 내부 표면으로 확산되지 않으며, 감압 챔버의 내부로 공급되는 캐리어가스의 최대압력이 70 Torr를 초과하면 진공 배기시 합금 할리드 가스의 배기량이 증가되어 상기 합금 할리드 가스의 활동도가 저하되므로 냉각유로의 표면에 보호피막이 형성되는 속도가 크게 감소된다. 또한, 상기와 같이 감압 챔버의 내부로 공급되는 캐리어가스의 최대압력의 단위시간이 40초 미만이면 상기 감압 챔버에 연결된 배기용 진공펌프, 캐리어가스 공급 장치에서 부하가 크게 걸리게 되며, 감압 챔버의 내부로 공급되는 캐리어가스의 최소압력의 단위시간이 40초를 초과하면 캐리어가스의 흐름에 의한 합금 할리드 가스의 확산 패턴을 불규칙하게 유발되지 않아서 상기 합금 할리드 가스가 복잡한 형상인 냉각유로의 내부 표면으로 확산되지 않게 된다.
결론적으로, 블레이드의 냉각유로의 표면에 알루미늄 크롬 합금을 펄스 증착하는 단계에서, 감압 챔버의 내부로 캐리어가스를 최대압력 70 Torr에서 40초, 최소압력 10 Torr에서 10초 단위의 주기로 공급되며, 상기와 같은 압력 주기의 캐리어가스의 공급이 펄스 증착 단계에서 8시간 이상 지속적으로 반복되어, 블레이드의 냉각유로의 내부 표면 전체에 균일하고 적정한 두께의 보호피막을 용이하게 형성한다.
가스터빈용 블레이드의 냉각유로에 알루미늄 크롬 합금을 펄스 증착하는 단계가 8시간 미만으로 실시되면, 블레이드의 냉각유로의 표면에 내산화성, 내부식성을 제공하기에 충분한 두께의 보호피막이 형성되지 않는다.
본 발명에서는 주기적으로 압력이 변화되는 캐리어가스에 유도되는 합금 할리드 가스를 복잡한 형상인 블레이드의 냉각유로의 내부 표면까지 균일하게 확산시켜서 펄스 증착하여 평균두께 50 ∼ 110 ㎛의 균일한 보호피막을 용이하게 형성하므로써, 상기 블레이드의 냉각유로에 내산화성, 내부식성을 제공할 수 있다.
본 발명의 가스터빈용 블레이드의 냉각유로에 대한 감압 기상 증착 방법을 구체적인 실시예를 예시하여 상세하게 설명한다.
단 다음의 실시예는 본 발명을 상세하게 예시하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명을 제한하는 것은 아니다.
[실시예]
1. 배기용 진공펌프, 캐리어가스 공급 장치가 연결 형성된 감압 챔버에 증착 대상물인 가스터빈용 블레이드를 장착하였다.
2. 상기 감압 챔버에 증착재료인 알루미늄 30 중량%, 크롬 70 중량%의 알루미늄 크롬 합금괴 0.10g/(감압 챔버 용적 ㎤), 불화알루미늄괴 0.002 g/(감압 챔버 용적 ㎤)의 비율로 거치하였다.
3. 상기 배기용 진공펌프를 작동하여 감압 챔버의 내부를 감압하면서 증착 온도인 1,080 ℃로 승온하였다.
4. 감압 챔버의 내부가 증착 온도인 1,080 ℃로 승온되면, 캐리어가스 공급 장치의 솔레노이드 밸브를 작동하여 상기 감압 챔버의 내부에 캐리어가스인 아르곤 가스를 공급하되, 상기 아르곤 가스를 70 Torr에서 40초, 10 Torr에서 10초 단위의 주기로 10시간동안 공급하여 블레이드의 냉각유로의 표면에 알루미늄 크롬 합금을 펄스 증착하므로써 평균두께 67 ∼ 70 ㎛의 보호피막을 구성하였다.
[실험예 1]
상기 실시예에 의하여 보호피막이 증착된 가스터빈용 블레이드의 냉각유로의 입구로부터 일정한 거리 단위로 보호피막의 두께를 측정하고, 그 결과를 그래프 1에 나타내었다.
< 그래프 1 > 본 발명의 실시예에 의하여 증착된 보호피막의 평균 두께 분포
상기 그래프 1에서는 본 발명에 의하여 보호피막이 증착된 가스터빈용 블레이드는 냉각유로의 내부 표면 전체에 균일하고 적정한 두께의 보호피막이 형성된 것으로 나타났다.
[실험예 2]
상기 실시예에 의하여 보호피막이 증착된 가스터빈용 블레이드를 그 냉각유로의 입구로부터 일정한 거리 단위의 보호피막을 전자현미경으로 관찰하고 사진촬영하였으며, 그 사진을 도 3 내지 도 6에 나타내었다.
도 3 내지 도 6에서는 본 발명에 의하여 보호피막이 증착된 가스터빈용 블레이드는 그 냉각유로의 입구에서 내부 표면에 이르기까지 전체적으로 균일하고 적정한 두께의 보호피막이 형성된 것으로 나타났다.
[실험예 3]
상기 실시예에 의하여 보호피막이 증착된 가스터빈용 블레이드를 일반적인 오븐에서 1121 ℃에서 23 시간동안 가열하는 산화 실험을 실시하고, 상기 실험이 실시된 냉각유로의 보호피막을 전자현미경으로 관찰하고 사진촬영하였으며, 그 사진을 도 7에 나타내었다.
도 7에서는 산화 실험 이후에 보호피막 성분이 모재 내부로 확산되었으나, 보호피막의 손상이나 모재의 산화는 관찰되지 않았으며, 건전한 보호피막이 잔류하고 있는 것으로 나타났다.
이상의 본 발명에 의한 가스터빈용 블레이드의 냉각유로에 대한 감압 기상 증착 방법은 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 형태로 변형 및 응용 가능하다. 따라서 상기 실시예는 발명의 내용을 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐이며, 발명의 기술적 사상의 범위를 한정하고자 하는 것이 아니므로, 본 발명의 권리범위는 후술하는 청구범위 뿐만 아니라, 그와 균등한 범위를 포함하여 판단하여야 한다.
Claims (3)
- 배기용 진공펌프, 캐리어가스 공급 장치가 연결 형성된 감압 챔버에 증착 대상물인 가스터빈용 블레이드를 장착하는 단계;상기 감압 챔버에 증착재료인 알루미늄 27 ∼ 33 중량%, 크롬 67 ∼ 73 중량%의 알루미늄 크롬 합금괴, 활성제인 불화알루미늄(AlF3)괴를 거치하는 단계;상기 감압 챔버의 내부를 감압하면서 증착 온도인 1,080 ℃로 승온하는 단계; 및상기 감압 챔버의 내부로 캐리어가스를 70 Torr에서 40초, 10 Torr에서 10초 단위의 주기로 공급하여 블레이드의 냉각유로의 표면에 알루미늄 크롬 합금을 펄스 증착하는 단계를 포함하는 가스터빈용 블레이드의 냉각유로에 대한 감압 기상 증착 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 감압 챔버에 증착재료, 활성제를 거치하는 단계는 알루미늄 27 ∼ 33 중량%, 크롬 67 ∼ 73 중량%의 알루미늄 크롬 합금괴 0.10g/(감압 챔버 용적 ㎤), 불화알루미늄괴 0.002 g/(감압 챔버 용적 ㎤)의 비율로 거치하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 가스터빈용 블레이드의 냉각유로에 대한 감압 기상 증착 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 가스터빈용 블레이드의 냉각유로에 알루미늄 크롬 합금을 펄스 증착하는 단계는 8시간 이상 실시하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 가스터빈용 블레이드의 냉각유로에 대한 감압 기상 증착 방법.
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