KR20120139832A - 높은 감마/감마프라임 전이 온도를 갖는 금속 본드코트 및 구성요소 - Google Patents

높은 감마/감마프라임 전이 온도를 갖는 금속 본드코트 및 구성요소 Download PDF

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Abstract

본 발명은 국부 응력을 감소시키고 고온에서 감마상/감마프라임상(γ/γ')을 안정화시킨 니켈 계열 코팅 내로의 새로운 원소의 첨가에 관한 것이다.

Description

높은 감마/감마프라임 전이 온도를 갖는 금속 본드코트 및 구성요소{METALLIC BONDCOAT WITH A HIGH GAMMA/GAMMA' TRANSITION TEMPERATURE AND A COMPONENT}
본 발명은 감마(γ)상 및 감마프라임(γ')의 상을 갖는 금속 본드코트 및 구성 요소에 관한 것이다.
가스 터빈 내의 고온 가스 경로를 위한 구성 요소는 Ni 또는 Co 계열 재료로부터 제조된다. 이들 재료는 강도에 대해 최적화되고, 더 높은 온도에서의 산화 및/또는 부식 공격을 견딜 수 없다. 그러므로, 이들 종류의 재료는 열 장벽 코팅(TBC: thermal barrier coating) 시스템을 위한 본드코트로서 또한 사용될 수 있는 MCrAlY-코팅에 의해 산화에 대항하여 보호되어야 한다. TBC 시스템에서, MCrAlY 코팅은 한편으로 고온 가스 공격에 대항할 것이 요구되고, 다른 한편으로 이러한 코팅은 기판에 TBC를 부착하기 위해 요구된다. 산화에 대항하여 이러한 시스템을 개선시키는 것은 수명 특성을 증가시키는 것과 함께 본드코트 사용 온도를 증가시킬 것이다.
고온 부식/산화에 대항하여 재료를 보호하기 위해, MCrAlY 오버레이 코팅은 주로 저압 플라즈마 스프레이잉(LPPS: low pressure plasma spraying), 공기 플라즈마 스프레이잉(APS: air plasma spraying), 전자 빔 물리 기상 증착(EBPVD: electron beam physical vapor deposition), 저온 스프레이(CS: cold spray) 또는 고속 산소-연료(HVOF: high velocity oxy-fuel) 공정에 의해 코팅된다. MCrAlY 코팅은 니켈 및/또는 코발트, 크롬, 알루미늄, 실리콘, 레늄 그리고 이트륨과 같은 희토류 원소를 기반으로 한다. 본드코트 온도가 증가함에 따라, 이들 코팅이 파괴될 수 있고, 이것은 열 장벽 코팅의 파쇄로 이어질 수 있다. 그러므로, 사용 온도가 증가하면, 산화 공격을 견디기 위해서 개선된 코팅이 필요하다. 추가로, 이러한 종류의 코팅은 용인될만한 열적-기계적 특성을 가져야 한다. 이들 요청은 본드코트의 최적화된 조성에 의해서만 성취될 수 있다.
그러므로, 본 발명의 목적은 위에서 언급된 문제점을 해결하는 것이다.
이 문제점은 청구항 1에 따른 금속 코팅에 의해 해결된다.
종속 청구항에서, 추가의 장점을 성취하도록 서로 임의로 조합될 수 있는 추가적인 개선 사항이 개시되어 있다.
도 1은 합금 내의 감마프라임상 및 감마상의 분율을 도시하고 있다.
도 2는 터빈 블레이드를 도시하고 있다.
도 3은 가스 터빈을 도시하고 있다.
도 4는 초합금의 목록을 도시하고 있다.
도면 및 설명은 단지 본 발명의 실시예에 불과하다.
도 2는 길이방향 축(121)을 따라 연장되는 터보기계(turbomachine)의 로터 블레이드(rotor blade)(120) 또는 가이드 베인(guide vane)(130)의 사시도이다.
터보기계는 항공기 또는 전기를 발생시키는 발전소의 가스 터빈, 증기 터빈, 또는 압축기일 수 있다.
블레이드 또는 베인(120, 130)은 길이방향 축(121)을 따라서 연속적으로, 고정 영역(400), 인접 블레이드 또는 베인 플랫폼(403) 그리고 메인 블레이드 또는 베인부(406) 그리고 블레이드 또는 베인 팁(415)을 갖는다.
가이드 베인(130)으로서, 상기 베인(130)은 그 베인 팁(415)에 (도시되지 않은) 추가의 플랫폼을 가질 수 있다.
(도시되지 않은) 샤프트 또는 디스크에 로터 블레이드(120, 130)를 고정하는 데 사용되는 블레이드 또는 베인 루트(root)(183)가 고정 영역(400) 내에 형성된다.
블레이드 또는 베인 루트(183)는 예컨대 망치(hammerhead) 형태로 설계된다. 전나무(fir-tree) 또는 도브테일(dovetail) 루트 등의 다른 구성이 가능하다.
블레이드 또는 베인(120, 130)은 메인 블레이드 또는 베인부(406)을 통과하여 흐르는 매체를 위한 선행 모서리(409) 및 후행 모서리(412)를 갖는다.
종래의 블레이드 또는 베인(120, 130)의 경우에, 예컨대 고체 금속 재료 특히 초합금이 블레이드 또는 베인(120, 130)의 모든 영역(400, 403, 406)에서 사용된다.
이러한 종류의 초합금이 예컨대 EP 1 204 776 B1호, EP 1 306 454호, EP 1 319 729 A1호, WO 99/67435호 또는 WO 00/44949호로부터 공지되어 있다.
이러한 경우 블레이드 또는 베인(120, 130)은 주조 공정, 방향성 응고, 단조 공정, 밀링 공정 또는 그 조합에 의해 제조될 수 있다.
단결정 조직 또는 조직들을 갖는 공작물은 동작 시에 높은 기계적, 열적 및/또는 화학적 응력에 노출되는 기계를 위한 구성 요소로서 사용된다.
이러한 종류의 단결정 공작물은 예컨대 용융물로부터의 방향성 응고에 의해 제조된다. 이것은 액체 금속 합금이 단결정 조직 즉 단결정 공작물을 형성하도록 응고되거나 방향성으로 응고되는 주조 공정을 수반한다.
이러한 경우에, 덴드라이트 결정(dendritic crystal)이 열 유동의 방향을 따라 배향되고, 주상 결정질 입자 조직(columnar crystalline grain structure)(즉, 공작물의 전체 길이에 걸쳐 연장되고 관례적으로 사용되는 용어에 따라 여기에서는 방향성으로 응고되는 것으로 칭해지는 입자) 또는 단결정 조직(즉, 전체 공작물이 하나의 단결정으로 구성됨) 중 하나를 형성한다. 이들 공정에서, 무방향성 성장은 불가피하게 횡단방향 및 길이방향 입자경계를 형성하고, 이것이 방향성 응고 또는 단결정 구성 요소의 양호한 성질을 무효화시키므로, 구상(globular)(다결정질) 응고로의 전이가 피해질 것이 필요하다.
명세서에서 방향성 응고 미세조직이 일반적인 용어로 언급되는 경우에, 이것은 입자경계를 갖지 않거나 기껏해야 작은-각도의 입자경계를 갖는 단결정 그리고 길이방향으로 연장되는 입자경계를 갖지만 횡단방향 입자경계를 갖지 않는 주상 결정 조직을 의미하는 것으로서 이해되어야 한다. 결정질 조직의 이러한 제2 형태는 방향성 응고 미세조직(방향성 응고 조직)으로서도 설명된다.
이러한 종류의 공정이 US A 6,024,792호 및 EP 0 892 090 A1호로부터 공지되어 있다.
블레이드 또는 베인(120, 130)은 마찬가지로 부식 또는 산화에 대해 보호하는 코팅 예컨대 MCrAlX [M은 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni)로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 적어도 1개의 원소이고, X는 활성 원소이고 이트륨(Y) 및/또는 실리콘 및/또는 적어도 1개의 희토류 원소 또는 하프늄(Hf)을 나타낸다]를 가질 수 있다. 이러한 종류의 합금이 EP 0 486 489 B1호, EP 0 786 017 B1호, EP 0 412 397 B1호 또는 EP 1 306 454 A1호로부터 공지되어 있고, 이들 문서는 합금의 화학적 조성과 관련하여 본 개시의 일부를 형성한다.
밀도는 바람직하게는 이론 밀도의 95%이다.
보호 알루미늄 산화물 층[열 성장 산화물 층(TGO=thermally grown oxide layer)]이 (중간 층 또는 최외곽 층으로서) MCrAlX 층 상에 형성된다.
바람직하게는 최외곽 층이고, 예컨대 ZrO2, Y2O3-ZrO2로 구성되는 이트륨 산화물 및/또는 칼슘 산화물 및/또는 마그네슘 산화물 및/또는 하나 이상의 희토류 원소(란탄, 가돌리늄, 이트륨 등)에 의해 불안정화되거나, 부분적으로 안정화되거나 또는 완전히 안정화되는 열 장벽 코팅이 MCrAlX 상에 존재하는 것이 또한 가능하다.
열 장벽 코팅은 전체 MCrAlX 층을 덮는다. 주상 입자가 예컨대 전자 빔 물리 기상 증착(EB-PVD) 등의 적절한 코팅 공정에 의해 열 장벽 코팅 내에 생성된다.
예컨대 대기압 스프레이잉(APS), LPPS, VPS, 용액 전구체 플라즈마 스프레이(SPPS: solution precursor plasma splay) 또는 CVD 등의 다른 코팅 공정이 가능하다. 열 장벽 코팅은 열 충격에 대한 그 저항을 개선시키는 미세크랙 또는 거대크랙을 갖는 다공성 입자를 포함할 수 있다. 그러므로, 열 장벽 코팅은 바람직하게는 MCrAlX 층보다 다공성이다.
블레이드 또는 베인(120, 130)은 형태 면에서 중공 또는 중실일 수 있다. 블레이드 또는 베인(120, 130)이 냉각되어야 하면, 블레이드 또는 베인(120, 130)은 중공이고, (점선에 의해 표시된) 필름-냉각 구멍(418)을 가질 수도 있다.
도 3은 가스 터빈(100)을 통한 부분 길이방향 단면도를 예로서 도시하고 있다.
내부에서, 가스 터빈(100)은 회전 축(102)에 대해 회전할 수 있도록 장착되는 로터(103)와, 샤프트(101)를 갖고 터빈 로터로도 불린다..
로터(103)를 따라서는 흡기 하우징(104), 압축기(105), 복수개의 동축 배열 버너(107)를 갖는 예컨대 환상 연소 챔버(110) 구체적으로 환형 연소 챔버, 터빈(108) 그리고 배기-가스 하우징(109)이 이어진다.
환형 연소 챔버(110)는 예컨대 환형 고온-가스 통로(111)와 연통되고, 여기서 예컨대 4개의 연속 터빈 스테이지(112)가 터빈(108)을 형성한다.
각각의 터빈 스테이지(112)는 예컨대 2개의 블레이드 또는 베인 링으로부터 형성된다. 작동 매체(113)의 유동 방향으로 보이는 것과 같이, 고온-가스 통로(111) 내에서, 일련의 가이드 베인(115) 뒤에, 로터 블레이드(120)로부터 형성되는 줄(125)이 뒤따른다.
가이드 베인(130)은 스테이터(143)의 내부 하우징(138)에 고정되고, 한편 줄(125)의 로터 블레이드(120)는 예컨대 터빈 디스크(133)에 의해 로터(103)에 끼워진다.
(도시되지 않은) 발전기가 로터(103)에 결합된다.
가스 터빈(100)의 작동 중에, 압축기(105)가 흡기 하우징(104)을 통해 공기(135)를 빨아들이고, 이를 압축한다. 압축기(105)의 터빈측 단부에 제공되는 압축 공기는 버너(107)로 진행되고, 여기서 그것이 연료와 혼합된다. 혼합물은 그 다음에 연소 챔버(110) 내에서 연소되고, 작동 매체(113)를 형성한다. 연소 챔버(110)로부터, 작동 매체(113)는 고온-가스 통로(111)를 따라 가이드 베인(130) 및 로터 블레이드(120)를 지나 유동된다. 작동 매체(113)는 로터 블레이드(120)에서 팽창되고, 로터 블레이드(120)가 로터(103)를 구동시키고 로터(103)가 다시 로터(103)에 결합되는 발전기를 구동시키도록 그 모멘텀을 전달한다.
가스 터빈(100)의 작동 중에, 고온 작동 매체(113)에 노출되는 구성 요소에는 열 응력이 작용한다. 제1 터빈 스테이지(112)의 가이드 베인(130) 및 로터 블레이드(120)에는 작동 매체(113)의 유동 방향에서 보이는 것과 같이 환형 연소 챔버(110)를 라이닝하는 열 차폐 브릭(heat shield brick)과 함께 최고 열 응력이 작용한다.
가이드 베인(130) 및 로터 블레이드(120)에서 지배되는 온도를 견딜 수 있도록 하기 위해, 이들은 냉각제에 의해 냉각될 수 있다.
구성 요소의 기판이 마찬가지로 방향성 조직을 가질 수 있고, 즉 이들은 단결정 형태(SX 조직)이거나 단지 길이방향 배향 입자(DS 조직)를 갖는다.
예컨대, 철-계열, 니켈-계열 또는 코발트-계열 초합금이 구체적으로 터빈 블레이드 또는 베인(120, 130)을 위한 구성 요소 그리고 연소 챔버(110)의 구성 요소를 위한 재료로서 사용된다.
이러한 종류의 초합금은 EP 1 204 776 B1호, EP 1 306 454호, EP 1 319 729 A1호, WO 99/67435호 또는 WO 00/44949호로부터 공지되어 있다.
가이드 베인(130)은 터빈(108)의 내부 하우징(138)과 대면하는 (여기에서 도시되지 않은) 가이드 베인 루트 그리고 가이드 베인 루트로부터 대향 단부에서의 가이드 베인 헤드를 갖는다. 가이드 베인 헤드는 로터(103)와 대면하고, 스테이터(143)의 고정 링(140)에 고정된다.
위에서 설명된 요건을 충족시키는 새롭게 개선된 코팅이 개발되었다. 이러한 코팅은 양호한 긴 사용 수명, 용인할 수 있는 기계적 특성 그리고 개선된 내산화성을 갖는다. 이것은 니켈 계열 합금 또는 코팅에 레늄(Re)을 제외한 철(Fe) 그리고 선택적으로 탄탈(Ta)의 첨가를 기초로 한다(원소들의 나열은 한정되지 않음).
이러한 코팅 또는 합금은 양호한 긴 사용 수명, 용인할 수 있는 기계적 특성 그리고 개선된 내산화성을 갖는다. 이것은 감마 및 감마프라임 혼합 상 조성의 형성에 기초한다.
24-26% Co, 15-21% Cr, 9-11.5% Al, 0.5-2% Re, 0.05-0.7 Y 및 니켈을 갖는 β-코팅으로부터 주지된 것과 같이, 본 발명의 감마프라임-시스템 내의 알루미늄(Al)의 방출은 이러한 β-코팅에서보다 느린 속도로 진행된다.
제안된 시스템의 2개의 상 조직을 얻는 매우 양호한 상 조성은 Ni-14.4Cr-6Ta-7.75Al-2.7Fe-0.3Y이다(원소들의 나열은 한정되지 않음). 바람직하게는, 합금 또는 코팅은 Ni, Cr, Al, Fe 그리고 선택적으로 감마 및/또는 Ta로 이루어진다.
상 조성은 온도에 따라 변화되고, 도 1에 도시되어 있다.
레늄(Re) 대신에 탄탈(Ta) 및 철(Fe)을 함유하는 NiCoCrAlY 조성물은 감마/감마프라임(γ/γ') 전이 온도를 상승시킬 것이다.
*탄탈(Ta) 원소는 첨가되면 고온에서 감마프라임의 안정성을 증가시킨다. 탄탈은 또한 본드코트 사용 온도보다 높은 감마프라임-상의 높은 전이 온도를 안정화시키는 데에 도움을 준다.
철(Fe)의 첨가는 코팅 내에 1100℃를 초과하는 고온에서 형성되는 소량의 β-상을 방지한다.
α-크롬의 양 또한 적을 것이다. 사용 중에, (TGO를 형성하는) 방출된 Al은 Ti 또는 Ta과 같은 다른 원소에 의해 교체될 것이고, 이것은 감마프라임의 형성을 지원할 것이다. 이것은 시간에 따른 잔여 Al 방출의 감소로 이어지고, 추가로 높은 감마/감마프라임 전이 온도는 사용 온도 영역에서 본드코트의 열팽창 계수의 피크를 억제한다. 이것은 시스템 내의 응력의 감소로 이어진다.
본드코트는 바람직하게는 크롬(Cr), 알루미늄(Al), 철(Fe) 그리고 선택적으로 탄탈(Ta) 및/또는 이트륨(Y)의 첨가를 갖고 특히 이들 원소로 이루어지는 니켈 계열 초합금이다.
코발트는 고온에서 β-상을 안정화시키므로, 바람직하게는 조성물 내에 있지 않다.

Claims (20)

  1. 니켈 계열이고,
    감마(γ)상 및 감마프라임(γ')상을 함유하는,
    금속 코팅 또는 합금에 있어서,
    상기 코팅 또는 합금은 철(Fe)과 선택적으로 탄탈(Ta)을 함유하는,
    금속 코팅 또는 합금.
  2. 제1항에 있어서, 탄탈(Ta)의 양은 1 중량% 이상인 금속 코팅 또는 합금.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 탄탈(Ta)의 양은 4 내지 8 중량%, 특히 5 내지 7 중량%, 더욱 특히는 6 중량%인 금속 코팅 또는 합금.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 철(Fe)의 양은 0.5 내지 5 중량%, 특히 1 내지 4 중량%, 더욱 특히는 2.7 중량%인 금속 코팅 또는 합금.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 코발트(Co)의 양은 1 중량% 이상인 금속 코팅 또는 합금.
  6. 제5항에 있어서, 코발트(Co)의 양은 15 내지 30 중량%의 범위인 금속 코팅 또는 합금.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 코발트(Co)를 함유하지 않는 금속 코팅 또는 합금.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 크롬(Cr)의 양은 1 중량% 이상인 금속 코팅 또는 합금.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 알루미늄(Al)의 양은 1 중량% 이상인 금속 코팅 또는 합금.
  10. 제8항에 있어서, 크롬(Cr)의 양은 12 내지 16 중량%, 특히 14.4 중량%인 금속 코팅 또는 합금.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 알루미늄(Al)의 양은 7 내지 8 중량%, 특히 7.75 중량%인 금속 코팅 또는 합금.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 이트륨(Y)의 양은 0.1 내지 0.7 중량%, 특히 0.3 중량%인 금속 코팅 또는 합금.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 코팅 또는 합금은 레늄(Re)을 함유하지 않는 금속 코팅 또는 합금.
  14. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 코팅 또는 합금은 0.1 내지 2 중량%의 레늄(Re)을 함유하는 금속 코팅 또는 합금.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 코팅 또는 합금은 M=니켈(Ni) 및/또는 코발트(Co)인 MCrAlY 코팅 또는 합금인, 금속 코팅 또는 합금.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 레늄(Re)을 함유하고 철(Fe)을 함유하지 않고/않거나 탄탈(Ta)을 함유하지 않는 NiCoCrAlY 합금 또는 코팅에 비해 더 높은 감마프라임/감마(γ'/γ) 전이 온도를 갖는 금속 코팅 또는 합금.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 실리콘(Si)을 함유하지 않고/않거나 티타늄(Ti)을 함유하지 않고/않거나 하프늄(Hf)을 함유하지 않고/않거나 지르코늄(Zr)을 함유하지 않는 금속 코팅 또는 합금.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금 또는 코팅은 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 철(Fe) 및 선택적으로 탄탈(Ta) 및/또는 이트륨(Y)으로 이루어지는 금속 코팅 또는 합금.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 따른 금속 코팅을 함유하는 구성 요소.
  20. 제19항에 있어서, 상기 금속 코팅은 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항의 합금을 함유하는 구성 요소.
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