KR20160048995A - 다중-코어 섬유를 통해 에너지를 전파함으로써 표면 상에 3차원 앵커링 구조들을 형성하기 위한 방법 - Google Patents

다중-코어 섬유를 통해 에너지를 전파함으로써 표면 상에 3차원 앵커링 구조들을 형성하기 위한 방법 Download PDF

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KR20160048995A
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제랄드 제이. 브룩
아흐메드 카멜
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지멘스 에너지, 인코포레이티드
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Abstract

표면 상에 3차원 앵커링 구조들을 형성하기 위한 방법이 제공된다. 이 방법은, 자신의 구성 코팅들에 대한 향상된 부착성을 보이는 열장벽 코팅 시스템을 초래할 수 있다. 방법은, 고형 재료(14)의 표면(12) 상에 액화 베드(16)를 형성하기 위해 다중-코어 섬유(4)의 제 1 부분(7)을 통해 제 1 레이저 빔(20)을 고형 재료(14)의 표면(12)에 인가하는 단계, 그 다음으로, 액화 베드(16) 외측에 액화 재료의 튀어오름형상(28)과 같은 디스터번스(disturbance)를 야기하기 위해 다중-코어 섬유(4)의 제 2 부분(6)을 통해 레이저 에너지(24)의 펄스를 액화 베드(16)의 일부분에 인가하는 단계를 포함한다. 그에 따라, 액화 재료의 튀어오름형상(28)의 고형화시에 3차원 앵커링 구조(30)가 표면(12) 상에 형성될 수 있다.

Description

다중-코어 섬유를 통해 에너지를 전파함으로써 표면 상에 3차원 앵커링 구조들을 형성하기 위한 방법{METHOD FOR FORMING THREE-DIMENSIONAL ANCHORING STRUCTURES ON A SURFACE BY PROPAGATING ENERGY THROUGH A MULTI-CORE FIBER}
본 발명의 양상들은, 고온들에 노출되는, 이를테면, 연소 터빈 엔진(combustion turbine engine)의 환경에 직면하는 컴포넌트(component)들을 위한 열장벽 코팅 시스템(thermal barrier coating system)들에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명의 양상들은, 표면 상에 3차원 앵커링 구조(three-dimensional anchoring structure)들을 형성하는, 다중-코어 섬유(multi-core fiber)를 통해 전파되는 적어도 2개의 레이저 빔(laser beam)들로부터의 레이저 조사(laser irradiation)를 수반하는 기법들에 관한 것이다. 이러한 앵커링 구조들은 표면에 걸쳐 인가되는 열장벽 코팅 시스템에 대한 향상된 접착력(adhesion)을 제공한다.
연소 가스(combustion gas) 착화 온도가 증가됨에 따라 연소 터빈 엔진의 효율성이 개선됨이 알려져 있다. 그러나, 착화 온도가 증가함에 따라, 터빈 컴포넌트들의 고온 내구성이 상응하게 증가해야 한다. 니켈(nickel) 및 코발트(cobalt) 기반 초합금 재료들이 연소기 연결부(transition piece)들 및 터빈 회전형 블레이드(blade)들 및 고정형 베인(vane)들과 같은, 고온의 가스 흐름 경로의 컴포넌트들을 위해 이용될 수 있지만, 이러한 초합금 재료들도, 때때로 1,400℃를 초과하는 온도들에서의 장기간의 동작을 견딜 수는 없다.
많은 애플리케이션(application)들에서, (예컨대, 컴포넌트의) 금속 기판 또는 금속 기판 위에 놓이는 본드 코팅(bond coating)은 금속 기판의 동작 온도 및 금속이 노출되는 온도 과도현상들의 크기를 감소시키기 위해 열장벽 코팅(TBC; thermal barrier coating)과 같은 세라믹 절연 재료(ceramic insulating material)로 코팅된다(coated).
TBC들은 터빈 컴포넌트들의 동작 온도를 감소시키고 그리고 터빈 효율성의 개선들을 실현하는데 상당한 역할을 해왔다. 명백하게, 열장벽 코팅은, 코팅이 기판 표면 상에 실질적으로 온전하게 유지되는 동안에만 기판을 보호한다.
동작 동안, TBC들 및 임의의 아래에 놓인 본드 코팅들은 파쇄(spallation) 및 열화(degradation)를 겪는다. 이러한 고충(distress)들의 원인은: 외부 물체(foreign object)들, 차동 열팽창(differential thermal expansion)(즉, 아래에 놓인 초합금 기판과 위에 놓인 본드 코팅 사이 또는 본드 코팅과 TBC들 사이), 재료 결함들, 및 동작 환경으로 인한 재료 속성 변화들에 의한 고속의 탄도학적 충격(ballistic impact)들에 의해 야기되는 높은 물리적 응력들을 포함할 수 있다. 이러한 상황들 중 어느 상황이든 기판 표면으로부터의 본드 코팅 및/또는 TBC의 손상 및 심지어는 완전한 제거를 초래할 수 있다. 종래의 보수 프로세스(repair process)는 손상된 층(들)을 벗겨내고 그리고 기판을 재코팅(recoating)하는 것을 포함하는데, 이는 시간-소모적이고 고비용이 드는 작업이다.
위에 놓인 본딩 층(bonding layer) 또는 열장벽 코팅의 접착력을 개선하기 위해 표면(이를테면, 기판 표면)의 거칠기 파라미터(roughness parameter)를 제어하는 것이 알려져 있다. 미국 특허 번호 제 5,419,971호는, (예컨대, 재료의 용융 없이) 직접적인 증발에 의한 재료의 제거가 조사되는 표면에 3차원 피쳐(feature)들을 형성하기 위해 알려진 대로 이용되는 레이저 어블레이션 프로세스(laser ablation process)를 설명한다(6열 3번째 줄 참조). 이러한 피쳐들은 조사되는 표면 내에 형성되는 패턴(pattern)들로 제한된다. 이러한 레이저 어블레이션 프로세스들은 표면을 넘어서 연장되는 구조들을 형성하지 않는다. 따라서, 접착력을 향상시키는데 도움이 되는 개선된 구조적 구성들을 제공할 수 있는 프로세스들이 필요하다.
본 발명은 다음을 도시하는 도면들을 고려하여 다음의 설명에서 설명된다:
도 1은 본 발명의 양상들에 따라 레이저 조사로 조사되는 고형 재료(solid material)의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 양상들에 따라, 재료 튀어오름형상(splash)의 고형화시에 고형 재료의 표면 위에 3차원 앵커링 구조들을 형성하는, 액화 재료의 예시적 튀어오름형상의 등각도이다.
도 3은 고형 재료의 표면 위에 형성된 파도형상(undulation), 물결형상(wave), 손가락형상(finger), 또는 갈고리형상(hook)과 같은 앵커링 구조들의 비-제한적 예의 부분 단면도이다.
도 4는 본 발명의 양상들을 구현하는 방법으로부터 이득을 얻을 수 있는 열장벽 코팅 시스템을 포함하는 예시적 가스 터빈 컴포넌트의 부분 단면도이다.
도 5는 본 발명의 추가의 양상들에 따라 본드 코팅 표면이 레이저 조사를 받을 수 있는 열장벽 코팅 시스템의 부분 단면도이다.
본 발명의 하나 또는 그 초과의 실시예들에 따르면, 다중-코어 레이저 섬유로부터의 레이저 조사에 노출되는 표면 상에 3차원 앵커링 구조들(보통 기계적 갈고리형상들, 손가락형상들 또는 물결형상들로 지칭됨)을 형성하는데 도움이 되는 구조적 어레인지먼트(arrangement)들 및/또는 기법들이 본원에서 설명된다. 하나의 애플리케이션에서, 기계적 갈고리형상들은 가스 터빈 블레이드들 및 베인들 상의 본드 코팅들 및 TBC들의 부착성(adherence)을 개선하고, 그리고 또한 유효 TBC의 지속기간을 연장시킬 수 있다. 본 발명의 기법들은 블레이드들 및 베인들의 제조 동안 그리고 또한 보수 동안 이용될 수 있다. 어느 경우에서든, 블레이드들 및 베인들의 동작 수명이 연장된다.
본 발명의 발명자들은 기판 또는 본드 코팅의 표면 상에 3차원 앵커링 구조들을 형성하기 위해 다중-코어 레이저 섬유로부터의 레이저 조사의 획기적인 활용을 제안한다. 내측 코어(6) 및 외측 환형체(7)를 포함하는 바와 같은 다중-코어 동축 섬유(4)가 도 1의 축방향 단면도에서 예시된다. 일 실시예에 따르면, 상대적으로 더 높은 파워(power)의 레이저가 내측 코어(6)에서 전파되고, 그리고 상대적으로 더 낮은 파워의 레이저가 외측 환형체(7)에서 전파된다. 섬유(4)를 빠져나올 때, 레이저 빔들 양쪽 모두는 고형 재료 또는 기판(14)의 표면(12)을 타격한다.
일 실시예에서, 외측 환형체(7)를 통해 전파되는 외측 레이저 빔(20)(펄스형(pulsed) 또는 지속형)은, 도 1에 예시된 바와 같이 용융(16)(액화 베드(liquefied bed)로 또한 지칭됨)을 생성하는 상대적으로 낮은 파워 밀도의, 상대적으로 큰 직경의 빔을 포함한다. 화살촉 모양(18)에 의해 표시되는 바와 같이 광학 컴포넌트들과 기판(14)이 서로에 대해 이동됨에 따라, 복수의 또는 일련의 이러한 용융들(16)이 표면(12) 상에 형성된다.
내측 코어(6)에 의해 운반되는 내측 펄스형 레이저 빔(24)은 외측 레이저 빔(20)보다 상대적으로 높은 파워 밀도 및 더 좁은 빔 직경을 보인다. 내측 레이저 빔(24)은 용융(16)에서 디스터번스(disturbance)를 생성하기 위해 적어도 용융(16)의 영역 상에 포커싱된다(focused). 예컨대, 용융(16)이 고형화되기 전에 내측 레이저 빔(24)으로 용융(16)을 일루미네이팅(illuminating)하는 것은 액화 용융 재료의 튀어오름형상을 생성한다. 이러한 튀어오름형상은 용융(16) 외측에 그리고/또는 용융(16) 위에 형성될 수 있다. 튀어오름형상이 고형화될 때, 앵커링 표면 피쳐들 또는 구조들(30)(예컨대, 갈고리형, 앵커형(anchor-like) 또는 손가락형 구조들)이 형성된다. 이러한 구조들은, 기판(14)의 표면(12) 위에 나중에 적용되는 TBC 또는 본드 코팅 층의 접착력을 기계적으로 개선하는 앵커들의 역할을 한다.
일반적으로, 용융은 직경 또는 폭이 대략 1 내지 4 mm 정도일 수 있고, 튀어오름형상 또는 앵커링 구조들은 용융 직경의 약 10 내지 30 퍼센트(percent) 만큼 용융의 위로 또는 밖으로 연장된다.
본 발명에 따라 사용하기 위한 이러한 다중-코어 동축 레이저 섬유들(4) 및 연관된 코어 스위칭 디바이스(core switching device)들은 다양한 레이저 제조사들, 예컨대, 파밍턴 코트(Farmington, CT.)의 트럼프 인코포레이티드(Trumpf, Inc.)로부터 입수가능하다. 이러한 다중-코어 레이저 섬유들은, 100 미크론(micron)의 직경의 코어를 통해 전파되는 레이저로 재료를 절삭하고 그리고 그 다음으로, 400 또는 600 미크론의 직경의 환형체를 통해 전파되는 레이저로 재료를 용접하는 것과 같이, 동시적인 프로세스들이 아니라 교번하는 프로세스들을 위해 이용되어 왔다.
도 2는 액화 베드(16)의 밖으로의 3차원 갈고리형 앵커링 구조들(30)을 포함하는 고형화된 튀어오름형상(28)을 예시한다.
도 3은 도 2의 고형화된 튀어오름형상(28)과는 상이한 피쳐들을 갖는 고형화된 튀어오름형상(34)을 예시한다. 특히, 튀어오름형상(34)은 손가락형 앵커링 구조(30)에 추가하여 물결형(wave-like) 앵커링 구조(36)를 포함한다.
일반적으로 갈고리형 및 손가락형 앵커링 구조들은 유사한 구조적 피쳐들을 갖는다. 물결형 앵커링 구조들은, 갈고리형상들/손가락형상들에 의해 제공되는 것과 동일한 기계적 이점을 반드시 제공하지는 않는 더 평활한 표면 피쳐들을 보이는 경향이 있다. 그래도, 물결형상들은 부착 표면적을 증가시키고 그에 따라, TBC 또는 본드 코팅 상에 가해지는 임의의 측방향 전단력들에 견딜 수 있다. 더 양호한 접착 속성들로 인해, 갈고리형상들/손가락형상들이 통상적으로 물결형상들보다 선호된다.
물결형상들 또는 갈고리형상/손가락형상 앵커링 구조들의 구성은 일반적으로, 용융에 인가되는 레이저 에너지(laser energy)의 양 및 타이밍(timing)의 함수이다. 갈고리형상들/손가락형상들을 형성하는 것은 일반적으로, 물결형상들을 형성하는 것보다 추가의 에너지를 필요로 한다.
일 실시예에 따르면, 외측 레이저 빔(20)은, 기판 또는 본드 코팅 층 내로 원하는 깊이까지만, 이를테면, 약 0.3 mm의 예시적인 깊이까지만 용융(16)이 확장되게 야기하기 위해 제어가능하게 디포커싱되거나(defocused) 또는 파워-제어될 수 있다.
내측 레이저 빔(24)은, 도 2의 앵커링 구조들(30) 또는 도 3의 물결형상(36)과 같은 디스럽션(disruption)을 용융(16)에 형성하기 위해 충분히 높은 파워 밀도를 갖고서 포커싱되는 펄스(pulse)일 수 있다. 디스럽션의 구성은 금속 재료의 국부화된 순간 증발로 인한 것일 수 있다.
하나의 비-제한적 실시예에서, 일반적인 넓은 영역의 용융을 위한(즉, 외측 레이저 빔(20)에 의해 용융(16)을 형성하기 위한) 통상의 에너지 밀도는 대략 3 kJ/cm2 내지 대략 10 kJ/cm2의 범위일 수 있다.
갈고리형 앵커링 구조들(30)을 생성하기 위한 용융(16)의 디스럽션의 경우, 포커싱된 에너지의 펄스들이 이용될 수 있다. 하나의 비-제한적 실시예에서, 이러한 펄스들은 레이저 어블레이션 프로세싱(laser ablation processing)의 통상적인 각각의 범위들을 가진 파라미터들을 포함할 수 있다. Karl-Heinz Leitz 등은 Physics Procedia, Vol. 12, 2011, pages 230-238에서 공개된 "Metal Ablation with Short and Ultrashort Laser Pulses"라는 명칭의 논문에서, 파라미터들에 있어서의 이러한 범위들을 아래와 같이 요약하였다:
Figure pct00001
액화 베드(16)에 형성된 액화 재료의 디스럽션(예컨대, 튀어오름형상)은 또한, 음파 에너지, 초음파 에너지, 기계 에너지(예컨대, 공기의 내뿜음(puff of air), 고형 물체) 등과 같은, 레이저 에너지 이외의 에너지 펄스에 의해 생성될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 섬유의 환형 영역을 통해 전파되는 레이저 및 음파, 초음파, 또는 기계 에너지는 중공 코어를 통해 운반된다. 일 실시예에서, 섬유의 외측 직경은 예컨대, 약 600 미크론이며, 중공 코어는 예컨대, 약 200 미크론의 직경을 갖는다.
레이저 에너지는 용융(16)을 생성한다. 일 실시예에서, 용융(16)에서 튀어오름형상 또는 디스럽션을 생성하기 위해, 높은 용융점 재료(이를테면, 탄소)로 이루어진 와이어(wire), 예컨대, 190 미크론의 직경의 와이어가 코어를 통해 그리고 용융(16)으로 점진적으로 삽입된다.
대안적으로, 공기의 버스트(burst), 음파 에너지 또는 초음파 에너지와 같은 다른 형태들의 기계 에너지가 중공 코어를 통해 운반될 수 있다.
다양하게 설명되는 전술한 프로세스들은 많은 수의 3차원 앵커링 구조들(30)을 표면(12) 상에 형성하기 위해 표면(12) 전체에 걸쳐 반복적으로 수행될 수 있다. 더욱이, 3차원 앵커링 구조들(30)은 표면(12) 전체에 걸쳐 선택적으로 분포될 수 있다. 예컨대, 상대적으로 큰 레벨(level)의 응력에 직면할 것으로 예상되는 표면 영역들은, 상대적으로 더 낮은 레벨의 응력에 직면할 것으로 예상되는 표면 영역들과 비교하여, 단위 면적 당 더 많은 수의 3차원 앵커링 구조들(30)을 포함하도록 조작될 수 있다.
추가로, 용융(16)의 선택된 영역(들)에 앵커링 구조들(30)을 형성하기 위해, 레이저 에너지(24)의 펄스가 그러한 선택된 영역(들) 상에 포커싱된다.
하나의 비-제한적 실시예에서, 레이저 빔들(20 및 24)은 레이저 빔들(20 및 24)의 빔-스캐닝 기법(beam-scanning technique)(예컨대, 2차원 스캐닝)의 사용에 따라, 기판(14)의 표면(12)에 인가될 수 있다. 이러한 빔 스캐닝은 도 1에서 화살촉 모양(18)에 의해 지정된 방향으로뿐만 아니라, 표면(12)을 따라 화살촉 모양(18)에 수직하는 방향으로도 진행될 수 있다.
고정형 기판에 걸친 다중-코어 동축 섬유(4)(및 그에 따른 레이저 빔들(20 및 24))의 움직임에 추가하여, 대안적으로, 고정형 섬유 및 그 섬유를 통해 전파되는 레이저 빔들에 대해 기판(12)이 이동될 수 있다. 따라서, 스캐닝 프로세스 동안, 섬유(4)가 기판(12)에 대해 또는 기판(12)이 섬유(4)에 대해 이동된다.
대안적인 실시예에서, 튀어오름형상을 야기하는 레이저 에너지(24)의 펄스(즉, 내측 레이저 빔)는 표면(12)에 대한 외측 레이저 빔(20)의 인가(즉, 용융을 형성함) 동안 산재적으로(interspersedly) 인가될 수 있다. 예컨대, 내측 레이저 빔(20)의 인가 동안의 특정 시간에서, 레이저 에너지(24)의 펄스는, 주어진 스폿(spot)에 튀어오름형상을 야기하기 위해, 그에 따라 튀어오름형상의 고형화시에 3차원 앵커링 구조(30)를 형성하기 위해 액화 베드(16)의 주어진 스폿 상에 포커싱될 수 있다.
대안적으로, 내측 레이저 빔(24)은 외측 레이저 빔(20)의 비활성화(deactivation) 직전 또는 직후에 에너지화될(energized) 수 있다. 예컨대, 일 실시예에서, 외측 레이저 빔(20)(용융을 형성함)의 비활성화와 내측 레이저 빔(24)(튀어오름형상을 형성함)의 에너지화(energizing) 사이의 시간 간격은 1초 미만(a fraction of a second), 예컨대, 0.5초일 수 있다.
본원에서 설명되는 프로세스들은, 계속해서 이동하는 용융 풀(melt pool)(16)을 형성하기 위해 표면에 걸쳐 레이저 빔(20)을 통과시킴으로써 (또는 그 사이에서의 상대적 움직임에 의해) 표면(12)에 걸쳐 계속해서 적용될 수 있고, 펄스형 에너지(pulsed energy)(24)는 재료가 재-고형화되기 직전에 용융 풀(16)의 이동 트레일링 에지(moving trailing edge) 가까이에 반복적으로 인가된다. 이러한 프로세스는 표면이 재-고형화됨에 따라 표면에 걸쳐 복수의 앵커링 구조들을 생성하는데 효과적이다.
당업자는, 원하는 풀 깊이 및 원하는 치수들의 앵커링 구조들(30)을 달성하도록 레이저 빔들(20 및 24)(예컨대, 파워 및 초점)이 제어될 수 있음을 인식할 것이다.
전술한 레이저 조사 프로세스들을 수행하는 동안 적절한 인클로저(enclosure)를 이용하여 방법의 환경 상태들을 제어할 수 있다는 것이 고려된다. 예컨대, 주어진 애플리케이션들의 요구들에 따라, 기압 대신에 진공 상태들 하에서 레이저 조사 프로세스를 수행하는 것을 선택할 수 있거나, 또는 공기 대신에 불활성 가스 또는 반응성 가스를 환경에 주입하는 것을 선택할 수 있다.
플럭스(flux)들은 불활성 차폐 가스의 사용에 대한 또 다른 대안을 나타낸다. 플럭스는 레이저 빔들(20 및 24)의 활성화 전에 표면(12)에 인가될 수 있다. 용융된 플럭스는, 앵커링 구조들(30)이 냉각 및 고형화됨에 따라 앵커링 구조들(30)을 환경 오염물질들로부터 보호하기 위해 튀어오름형상화된 재료에 부착된다. 그 다음으로, 플럭스는 기계적 브러싱(brushing) 프로세스, 그릿 블라스팅( grit blasting) 등과 같은 잘-알려진 기법들 중 임의의 기법에 의해 제거된다.
하나의 비-제한적 애플리케이션에서, 본 발명의 양상들을 구현하는 방법은, 가스 터빈 엔진의 고온 환경에서 동작하는 컴포넌트(42)(도 4)(예컨대, 블레이드, 베인 등)의 열적 보호를 제공하는 열장벽 코팅 시스템을 구성(또는 보수)하기 위해 이용될 수 있다. 컴포넌트(42)는 터빈 엔진의 고온 환경에서 사용하기 위해 세라믹 열장벽 코팅(TBC; thermal barrier coating)(46)의 층과 같은 장벽 코팅에 의해 커버되는(covered) 금속 기판(44)(예컨대, 초합금)을 포함할 수 있다.
TBC 코팅들 분야의 당업자에 의해 용이하게 인식될 바와 같이, 기판(44)에 대한 TBC(46)의 접착력을 개선하기 위해 TBC(46)의 적용 전에, 본드 코트(bond coat)(48)(예컨대, MCrAlY 재료)가 기판(44) 상에 증착될 수 있다.
본 발명의 양상들이 도 4에 도시된 예시적 코팅 어레인지먼트로 제한되지 않고, 이러한 양상들이 TBC 코팅 또는 본드 코팅을 갖는 컴포넌트들로도 제한되지 않음이 인식될 것이다.
하나의 비-제한적 애플리케이션에서, 자신의 표면 상에 3차원 앵커링 구조들을 형성하기 위해 레이저 조사를 받는 고형 재료의 표면은 금속 기판(44)일 수 있다. 그 다음으로, 이러한 3차원 앵커링 구조들을 구성시에, 3차원 앵커링 구조들을 포함하는 금속 기판(44)의 표면 상에 본드 코팅 층(48)을 증착할 수 있다. 따라서, 이러한 애플리케이션에서, 본드 코팅은 3차원 앵커링 구조들(예컨대, 초합금 앵커(anchor)들)에 의해 앵커링될(anchored) 수 있고, 본드 코팅은 금속공학적으로 기판(44)과 일체화될 것이다.
다른 비-제한적 애플리케이션에서, 도 1을 참조하면, 기판(14)의 표면(12)은 본드 코팅을 포함할 수 있다. 그 다음으로, 3차원 앵커링 구조들을 구성시에, 3차원 앵커링 구조들을 포함하는 본드 코팅의 표면 상에 TBC(46)의 층(도 4 참조)을 증착할 수 있다. 따라서, 이러한 애플리케이션에서, TBC(46)는 3차원 앵커링 구조들(예컨대, 본드 코팅 앵커들)에 의해 앵커링될 수 있고, TBC(46)는 금속공학적으로 본드 코팅(48)과 일체화될 것이다.
또 다른 비-제한적 애플리케이션에서, 금속 기판 그리고 그 다음으로 본드 코팅의 각각의 표면들은 이러한 표면들 양쪽 모두 상에 3차원 앵커링 구조들을 형성하기 위해 각각의 레이저 조사를 받을 수 있다. 예컨대, 자신의 표면 상에 3차원 앵커링 구조들을 형성하기 위해 금속 기판(44)의 표면이 먼저 레이저 조사를 받을 수 있다. 그 다음으로, 본드 코팅 층(48)이, 3차원 앵커링 구조들을 포함하는 금속 기판(44)의 표면 상에 증착된다. 그 다음으로, 본드 코팅(48)의 표면 상에 3차원 앵커링 구조들을 형성하기 위해, 금속 기판(44)에 형성된 앵커링 구조들의 최상부는 통상 직접적으로 레이저 조사를 받지 않고, 그 본드 코팅(48)의 표면이 레이저 조사를 받을 수 있다. 그 다음으로는, 마지막으로, 3차원 앵커링 구조들을 포함하는 본드 코팅의 표면 상에 TBC(46)의 층을 증착할 수 있다. 따라서, 이러한 애플리케이션에서, 본드 코팅은 3차원 앵커링 구조들(예컨대, 초합금 앵커들)에 의해 앵커링될 수 있고, 본드 코팅은 금속공학적으로 기판(44)과 일체화될 것이다. 추가로, TBC(46)가 3차원 앵커링 구조들(예컨대, 본드 코팅 앵커들)에 의해 앵커링될 것이고, TBC(46)는 금속공학적으로 본드 코팅(48)과 일체화될 것이다.
하나의 비-제한적 실시예에서, 도 5에 예시된 바와 같이, 자신의 표면 상에 3차원 앵커링 구조들을 형성하기 위해 레이저 조사를 받는 고형 재료의 표면이 본드 코팅(48)인 것을 추정하면, 액화 베드(16)가 기판(44) 내로 연장되지 않도록, 액화 베드(16)의 깊이(D)를 제어하는 것이 바람직할 수 있다. 예컨대, 고형 본드 코팅(48)의 영역(T1)(예컨대, 본드 코팅(48)의 용융되지 않은 층)은 기판(44)과의 경계와 액화 베드(16)의 바닥 표면 사이에 유지된다. 하나의 비-제한적 실시예에서, 본드 코팅(48)의 두께(T2)는 대략 150 마이크로미터(micrometer) 내지 대략 300 마이크로미터의 범위일 수 있고, 용융되지 않은 영역(T1)은 두께(T2)의 대략 10% 내지 대략 50%의 범위일 수 있다.
상이한 애플리케이션들에서, 용융 크기는 대응하는 더 큰 또는 더 작은 크기의 섬유들 및/또는 더 높은 또는 더 낮은 파워의 레이저들의 사용에 따라 요구되는 바와 같이 증가 또는 감소될 수 있다. 손가락형상들 또는 갈고리형상들의 선택적 간격을 가진 더 큰 또는 더 작은 앵커 피쳐들은 더 높은 또는 더 낮은 파워 밀도의 레이저들 및/또는 더 큰 또는 더 작은 직경의 섬유들의 사용에 따라 형성될 수 있다.
이중 섬유(dual fiber)의 맥락에서 설명되지만, 다른 실시예에 따르면, 2개보다 많은 수의 전파 매체들(propagation media), 예컨대, 3중 코어 섬유(triple core fiber)가 이용될 수 있다. 또한, 이러한 분리된 빔들은, 예컨대, 깊지 않은 용융을 위한 덜 강력한 가열 및 표면 디스럽션을 위한 더 강력한 가열을 포함하는 개별 기능들을 위해 상이한 빔들을 생성하기 위해서 분할된 미러들(segmented mirrors) 상에 입사되는 복합 섬유에 의해 제공될 수 있다.
표면 변형의 바람직한 실시예에서 사용하기 위한 통상의 초합금들은 CM 247, Rene 80, Rene 142, Rene N5, Inconel-718, X750, 738, 792 및 939, PWA 1483 및 1484, C263, ECY 768, CMSX-4 및 X45(그러나 이들로 제한되지 않음)를 포함한다.
본 발명에 따라 사용하기 위한 다양한 레이저 유형들은 NdYAG, 이테르븀 섬유(ytterbium fiber), 및 레이저 다이오드(laser diode)들(그러나 이들로 제한되지 않음)을 포함한다.
일 실시예에 따르면, 용융 풀(16)을 생성하기 위한 레이저 빔(20)(도 1 참조)은 튀어오름형상(28)을 생성하기 위한 레이저 빔(24)과 상이한 주파수를 가질 수 있다. 이러한 개별적인 주파수들은 그들의 각각의 피쳐들의 구성에서 레이저 빔들(20 및 24)의 최적의 효율적인 동작을 제공하도록 선택될 수 있다. 예컨대, 레이저 빔(20)은 고형 표면과의 커플링(coupling)을 위한 최적의 주파수를 가질 수 있는 반면, 레이저 빔(24)은 튀어오름형상을 야기하기 위해 용융된 표면과의 커플링을 위한 최적의 주파수를 가질 수 있다. 또한, 레이저 빔들(20 및 24)은 그들의 각각의 피쳐들을 형성하기 위한 상이한 "온(on)" 지속기간들(즉, 레이징(lasing) 지속기간들)을 가질 수 있다.
앞서의 상세한 설명에서, 본 발명 및 본 발명의 다양한 실시예들의 완전한 이해를 제공하기 위해 다양한 특정 세부사항들이 제시되었다. 그러나, 당업자들은, 본 발명의 실시예들이 이러한 특정 세부사항들 없이 실시될 수 있고, 본 발명이 도시되는 실시예들로 제한되지 않고, 그리고 본 발명이 다양한 대안적인 실시예들로 실시될 수 있음을 이해할 것이다. 다른 예들에서, 당업자에 의해 잘 이해될 방법들, 절차들, 및 컴포넌트들은, 불필요하고 거추장스러운 설명을 회피하기 위해 상세하게 설명되지 않는다.
또한, 다양한 동작들은, 본 발명의 실시예들을 이해하는데 도움이 되는 방식으로 수행되는 다수의 개별 단계들로서 설명된다. 그러나, 설명의 순서는, 이러한 동작들이 그들이 제시되는 순서로 수행되어야 함을 의미하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 달리 그렇게 설명되지 않는 한, 동작들이 순서에 종속적임을 의미하는 것으로도 해석되지 않아야 한다. 더욱이, "일 실시예에서"라는 문구의 반복되는 사용은, 동일한 실시예를 지칭하는 것일 수도 있지만, 반드시 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니다. 마지막으로, 본원에서 사용되는 바와 같은 "포함하는", "구비하는", "갖는" 등의 용어들은 달리 표시되지 않는 한 동일한 의미이도록 의도된다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구항들의 사상 및 범위에 의해서만 제한되도록 의도된다.

Claims (20)

  1. 방법으로서,
    다중-코어 섬유(multi-core fiber)의 제 1 섬유를 통해 제 1 레이저 빔(laser beam)을 그리고 상기 다중-코어 섬유의 제 2 섬유를 통해 제 2 레이저 빔을 전파하는 단계;
    기판의 표면 상에 액화 베드(liquefied bed)를 형성하기 위해 상기 제 1 레이저 빔을 상기 표면 상에 인가하는 단계;
    상기 액화 베드 외측에 액화 재료의 튀어오름형상(splash)을 야기하기 위해 상기 제 2 레이저 빔을 상기 액화 베드의 적어도 일부분에 인가하는 단계; 및
    상기 액화 재료의 튀어오름형상의 고형화시에, 상기 기판의 표면 상에 또는 위에 3차원 앵커링 구조(three-dimensional anchoring structure)를 형성하는 단계
    를 포함하는,
    방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 3차원 앵커링 구조는 갈고리형상(hook), 손가락형상(finger) 및 물결형상(wave) 중 적어도 하나를 포함하는,
    방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 레이저 빔 및 상기 제 2 레이저 빔을 인가하는 단계들은, 상기 기판의 표면에 대해 상기 제 1 레이저 빔 및 제 2 레이저 빔을 스캐닝(scanning)하는 단계를 포함하는,
    방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 레이저 빔을 인가하는 단계는 상기 제 1 레이저 빔을 인가하는 단계 동안 수행되는,
    방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 레이저 빔은 연속적인 레이저 빔 또는 펄스형 레이저 빔(pulsed laser beam)을 포함하고, 그리고
    상기 제 2 레이저 빔은 펄스형 레이저 빔을 포함하는,
    방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 인가하는 단계들 동안 상기 표면 둘레에 비활성 가스(inert gas), 반응성 가스, 또는 진공 상태들 중 하나를 제공하는 단계
    를 더 포함하는,
    방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 레이저 빔을 상기 표면에 인가하는 단계 전에 플럭스(flux)를 상기 표면에 인가하는 단계
    를 더 포함하는,
    방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 레이저 빔들의 파라미터(parameter)들은 레이징 지속기간(lasing duration), 파워 밀도(power density), 및 파워를 포함하고, 그리고
    상기 파라미터들 중 적어도 하나는 상기 제 1 레이저 빔과 상기 제 2 레이저 빔 간에 상이한,
    방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 레이저 빔은 상기 다중-코어 섬유의 환형 영역을 통해 전파되어 상대적으로 더 낮은 파워 밀도 및 상대적으로 더 큰 직경의 빔을 보이고, 그리고
    상기 제 2 레이저 빔은 상기 다중-코어 섬유의 내측 영역을 통해 전파되어 상대적으로 더 높은 파워 밀도 및 상대적으로 더 작은 직경의 빔을 보이는,
    방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 레이저 빔은 상기 표면의 선택된 깊이까지의 용융을 야기하도록 제어되는,
    방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 가스 터빈 베인(gas turbine vane) 또는 블레이드(blade)를 포함하고, 그리고
    상기 방법은,
    상기 기판의 본드 코팅 층(bond coating layer) 또는 세라믹 열장벽 코팅 층(ceramic thermal barrier coating layer)에 상기 앵커링 구조를 형성하는 단계
    를 더 포함하는,
    방법.
  12. 방법으로서,
    고형 재료의 표면 상에 액화 베드를 형성하기 위해 다중-코어 섬유의 환형 영역을 통해 제 1 파워 밀도를 갖는 에너지(energy)를 상기 고형 재료의 표면에 인가하는 단계;
    상기 액화 베드의 적어도 일부분에 디스럽션(disruption)을 야기하기 위해 상기 다중-코어 섬유의 내측 코어 영역을 통해 상기 제 1 파워 밀도보다 더 큰 제 2 파워 밀도를 갖는 에너지의 펄스(pulse)를 인가하는 단계; 및
    앵커링 구조를 형성하기 위해 상기 고형 재료의 표면 상에서 상기 디스럽션이 고형화되도록 허용하는 단계
    를 포함하는,
    방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 앵커링 구조는 갈고리형상, 손가락형상 및 물결형상 중 적어도 하나를 포함하는,
    방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 에너지의 펄스는 레이저 에너지의 펄스를 포함하고, 그리고
    상기 디스럽션은 상기 액화 베드 외측에 액화 재료의 튀어오름형상을 포함하는,
    방법.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 에너지의 펄스는 초음파 에너지의 펄스 또는 음파 에너지의 펄스를 포함하는,
    방법.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 파워 밀도를 가진 에너지를 인가하는 단계 전에 플럭스를 상기 표면에 인가하는 단계
    를 더 포함하는,
    방법.
  17. 방법으로서,
    제 1 및 제 2 에너지 소스(energy source)들을 제공하는 단계;
    트레일링 에지(trailing edge)를 따라 재-고형화되는 액화 재료의 이동 풀(moving pool)을 생성하기 위해 고형 재료의 표면을 스캐닝함으로써 상기 제 1 소스로부터 에너지의 패턴(pattern)을 전달하는 단계 ― 상기 제 1 소스로부터의 에너지는 다중-코어 섬유의 환형 영역을 통해 전달됨 ―; 및
    상기 액화 재료의 풀이 이동하고 그리고 상기 표면이 재-고형화됨에 따라 상기 표면에 걸쳐 각각의 복수의 앵커링 구조들을 생성하기 위해 상기 제 2 에너지 소스로부터의 에너지의 펄스들로 상기 액화 재료의 풀에 반복적으로 충격을 가하는 단계
    를 포함하고,
    상기 제 2 소스로부터의 에너지는 상기 다중-코어 섬유의 내측 영역을 통해 전달되는,
    방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 고형 재료는 열장벽 코팅 시스템의 본드 코트(bond coat)이고,
    상기 방법은,
    상기 이동 풀의 깊이가 상기 본드 코트의 두께 미만이도록 상기 제 1 에너지 소스로부터의 에너지의 패턴을 제어하는 단계
    를 더 포함하는,
    방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 에너지 소스들은 제 1 및 제 2 레이저 에너지 소스들을 포함하는,
    방법.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 다중-코어 섬유의 내측 영역은 중공 내측 영역을 포함하고, 그리고
    상기 에너지의 펄스들은 초음파 에너지의 펄스들, 음파 에너지의 펄스들 또는 기계 에너지의 펄스들을 포함하는,
    방법.
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