KR20190106047A - 터빈 부품의 표면 처리 방법 및 그 방법에 의해 표면 처리된 터빈 부품 - Google Patents

터빈 부품의 표면 처리 방법 및 그 방법에 의해 표면 처리된 터빈 부품 Download PDF

Info

Publication number
KR20190106047A
KR20190106047A KR1020180026965A KR20180026965A KR20190106047A KR 20190106047 A KR20190106047 A KR 20190106047A KR 1020180026965 A KR1020180026965 A KR 1020180026965A KR 20180026965 A KR20180026965 A KR 20180026965A KR 20190106047 A KR20190106047 A KR 20190106047A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
turbine component
turbine
plasma
coating
protective film
Prior art date
Application number
KR1020180026965A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102164394B1 (ko
Inventor
정길진
Original Assignee
두산중공업 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 두산중공업 주식회사 filed Critical 두산중공업 주식회사
Priority to KR1020180026965A priority Critical patent/KR102164394B1/ko
Publication of KR20190106047A publication Critical patent/KR20190106047A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102164394B1 publication Critical patent/KR102164394B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/02—Pretreatment of the material to be coated, e.g. for coating on selected surface areas
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/04—Coating on selected surface areas, e.g. using masks
    • C23C14/046—Coating cavities or hollow spaces, e.g. interior of tubes; Infiltration of porous substrates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/228—Gas flow assisted PVD deposition
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/24—Vacuum evaporation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/04—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the coating material
    • C23C4/06—Metallic material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
    • C23C4/134—Plasma spraying
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23F—NON-MECHANICAL REMOVAL OF METALLIC MATERIAL FROM SURFACE; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL; MULTI-STEP PROCESSES FOR SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL INVOLVING AT LEAST ONE PROCESS PROVIDED FOR IN CLASS C23 AND AT LEAST ONE PROCESS COVERED BY SUBCLASS C21D OR C22F OR CLASS C25
    • C23F1/00—Etching metallic material by chemical means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
    • F01D5/286—Particular treatment of blades, e.g. to increase durability or resistance against corrosion or erosion

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
  • Coating By Spraying Or Casting (AREA)

Abstract

터빈 부품의 표면 처리 방법 및 그 방법에 의해 표면 처리된 터빈 부품이 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따른 터빈 부품의 표면 처리 방법은, 에칭 기법을 이용해 상기 터빈 부품의 표면에 미세 요철 패턴의 결합면을 형성시키고(조면 처리 단계), 직류 또는 고주파 전력을 통한 반응성 가스의 플라즈마를 이용하여 조면 처리 후 상기 터빈 부품 표면에 잔류하는 이물질 제거(표면 전처리 단계)한 후 표면 전처리 후 이물질이 제거된 터빈 부품의 표면에 산화 방지를 위한 보호막을 형성시키는 과정을 포함하는 것을 구성의 요지로 한다.

Description

터빈 부품의 표면 처리 방법 및 그 방법에 의해 표면 처리된 터빈 부품{METHOD FOR SURFACE TREATMENT OF TURBINE PARTS AND SURFACE-TREATED TURBINE PARTS BY THE SAME METHOD}
본 발명은 터빈 부품의 표면 처리 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 터빈 부품의 표면과 그 위에 도포되는 산화 방지용 보호막과의 접착력(결합력)을 증대시킬 수 있는 터빈 부품의 표면 처리 방법 및 그 방법에 의해 표면 처리된 터빈 부품에 관한 것이다.
고온 환경에서 작동하는 부품, 예를 들면 가스터빈 엔진의 터빈 블레이드나 베인, 다른 익형부 등과 같은 부품의 표면에는 일반적으로, 단독 또는 다른 재료와의 다양한 조합을 통해 보호막(금속 코팅층)을 형성시킨다. 이러한 보호막은 고온 환경에서 작동하는 동안에 발생하는 산화, 부식 및 황화 조건에 저항하는 능력을 부여한다.
고온 환경에 작동하는 부품에 보호막(금속 코팅층)을 형성하는 방법에는 여러 가지가 있다. 그 중에서도 알루미늄 또는 알루미늄 합금과 같은 보호 금속을 고온 환경에 노출시켜 형성된 증기 형태의 반응가스를 코팅 대상면에 증착시켜 보호막을 형성하는 기상 증착과, VPS(Vacuum Plasma Splay)를 이용한 진공 플라즈마 증착이 일반적으로 쓰인다.
한편, 코팅 대상물(이하, '모재'이라 함) 표면에 대한 보호막 형성에 앞서 조면 작업이 수행된다. 조면 작업은 후 공정에서 얻어지는 보호막과 모재 표면 사이의 충분한 접착력(결합력) 확보를 위해 모재의 표면을 거칠게(Roughen) 하는 작업이며, 조면 작업에 의한 모재 표면의 미세 요철에 의하여 앵커 효과가 발휘되어 보호막과의 접착력(결합력)이 증대될 수 있다.
모재 표면에 대한 조면 처리에는 여러 방식이 있으나, 그 중에서도 대표적인 방식이 금속 분말을 모재의 표면에 강하게 충돌시켜 요철을 생성시키는 방식이다. 좀 더 구체적으로는, 날카로운 모를 가진 금속 입자, 예컨대 알루미나 그리트(Al2O3 Grit)를 압축공기 이송 방식으로 모재 표면에 강하게 충돌시켜 모재 표면을 조면 처리하는 방식이 대표적이다.
그러나 이러한 방식은 조면 처리 작업도중 모재 표면의 요철면에 그리트가 강하게 박혀 잔류하는 문제가 있으며, 이로 인해 후 공정에서 얻어지는 보호막의 접착력(결합력)이 약화되는 문제가 있다. 또한 종래의 조면 처리 방식은 원인 요철의 깊이와 넓이가 불균일하여 후 공정에서 얻어지는 보호막의 전반적인 품질이 떨어지는 단점이 있다.
일본공개특허 2001-512181호(공개일 2001. 08. 21)
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 모재 표면에 요철면을 형성시키는 조면 처리 시 모재 표면에 그리트(Grit)가 잔류하는 종래의 문제를 명확하게 해소할 수 있는 터빈 부품의 표면 처리 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 조면 처리 후 행해지는 표면 전처리를 통해 조면 처리에 의해 모재 표면에 형성된 요철의 균일도를 더욱 향상시킬 수 있는 터빈 부품의 표면 처리 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 공정 및 작업 시간을 단축시킬 수 있는 터빈 부품의 표면 처리 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 상기 표면 처리 방법에 의해 표면 처리된 터빈 부품을 제공하고자 하는 것이다.
과제의 해결 수단으로서 본 발명의 일 측면에 따르면,
고온 환경에서 사용되는 금속 재질의 터빈 부품 표면을 처리하는 방법으로서,
에칭 기법을 이용해 상기 터빈 부품의 표면에 미세 요철 패턴의 결합면을 형성시키고(조면 처리 단계), 직류 또는 고주파 전력을 통한 반응성 가스의 플라즈마를 이용하여 조면 처리 후 상기 터빈 부품 표면에 잔류하는 이물질 제거(표면 전처리 단계)하는 것을 특징으로 하는 터빈 부품의 표면 처리 방법을 제공한다.
본 발명의 상기 조면 처리 단계에서는, 상기 터빈 부품을 에칭액이 담긴 반응조에 침지시키거나, 터빈 부품 표면에 에칭액을 도포하여 표면의 산화물 부식시켜 제거하는 웨트 에칭(Wet etching)을 통해 터빈 부품의 표면에 대한 조면 처리가 수행될 수 있다.
또한 본 발명의 표면 전처리 단계에서는, 모재인 터빈 부품과 플라즈마 노즐에 고전압을 걸어 상기 터빈 부품과 플라즈마 노즐 사이에 플라즈마 아크(Plasma Arc)를 발생시키고, 발생된 플라즈마 아크를 상기 터빈 부품 표면의 이물질 제거에 이용하는 트랜스퍼 플라즈마(Transfer Plasma) 방식으로 전처리가 수행될 수 있다.
바람직하게는, 아르곤(Ar) 분위기의 진공 챔버를 포함하는 진공 플라즈마 용사 코팅 장비(Vacuum Plasma Spray Coating System)의 플라즈마 아크(Plasma Arc)를 이용하여 전처리가 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 터빈 부품의 표면 처리 방법은, 표면 전처리 후 이물질이 제거된 터빈 부품의 표면에 산화 방지를 위한 보호막을 형성시키는 과정(코팅 처리 단계)을 더 포함할 수 있다.
이때 상기 코팅 처리 단계에서는, 고온의 플라즈마 아크를 이용하여 고융점의 코팅 원료를 용융, 분사시켜 터빈 부품 표면에 상기 보호막을 형성시킬 수 있다.
바람직하게는, 아르곤(Ar) 분위기의 진공 챔버를 포함하는 진공 플라즈마 용사 코팅 장비(Vacuum Plasma Spray Coating System)를 이용하여 상기 보호막을 형성시킬 수 있다.
이와는 다르게, 분말 또는 펠릿 형태의 코팅 원료를 고온 환경에 노출시켜 증기 형태의 반응가스를 생성하고, 생성된 증기를 고온 환경으로 유지되며 처리 대상 터빈 부품이 장입된 처리 공간에 도입하여 터빈 부품의 표면에 증착되도록 하는 기상 증착(Vapor coating)을 통해 상기 보호막을 형성시킬 수도 있다.
과제의 해결 수단으로서 본 발명의 다른 측면에 따르면, 전술한 일 측면에 따른 터빈 부품의 표면 처리 방법으로 표면 처리되고, 에칭을 통해 조면화된 요철형 결합면 위에 진공 플라즈마 용사 코팅 또는 기상 증착을 통해 소정의 두께로 보호막이 형성된 터빈 부품을 제공한다.
여기서 상기 터빈 부품은 바람직하게, 터빈 로터를 구성하는 터빈 블레이드 또는 터빈 스테이터를 구성하는 터빈 베인일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 날카로운 모를 가진 금속 입자를 모재 표면에 분사하여 조면화는 방식이 아닌 화학적 에칭 기법을 활용하여 모재 표면을 조면 처리한다. 이에 따라 모재 표면에 대한 조면 처리 후 종래와 같이 모재 표면에 그리트(Grit)가 잔류하는 문제를 해소 또는 최소화할 수 있다. 결과적으로, 모재 표면에 대한 조면화 품질을 향상시킬 수 있다.
또한, 플라즈마 아크(트랜스퍼 아크)를 이용하여 조면 처리 후 모재 표면에 잔류하는 이물질을 제거한다. 이에 따라 조면 처리에 의한 요철의 균일도를 향상시킬 수 있으며, 이로 인해 이후 후속공정(코팅 공정)을 거쳐 얻어지는 보호막의 접착성능(결합력)은 일층 증대될 수 있다. 결과적으로, 고온 부품에 대한 전반적인 코팅성능을 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명은, 표면에 요철의 균일도 확보를 위한 전처리(플라즈마 아크를 이용한 이물질 제거) 후 별도의 추가 공정이나 부품 이동 없이 곧바로 후속 처리(진공 플라즈마를 이용하여 보호막을 입히는 코팅 처리)가 가능하다. 기술적으로 동일 장비에서 표면 전처리와 코팅 처리를 연이어 수행할 수 있기 때문이며, 이에 따라 전체적인 작업 공정과 시간을 단축시키는 효과가 발휘될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 터빈 부품의 표면 처리 방법에 따라 터빈 부품의 표면을 처리하는 과정을 개략 도시한 흐름도.
도 2는 본 발명의 일 측면에 따른 터빈 부품의 표면 처리 방법에 포함된 단계별 처리 공정을 개략 도시한 공정 개략도.
도 3은 진공 플라즈마 용사 코팅 장비의 개략도.
도 4는 기상 증착(Vapor coating)에 사용되는 기상 증착 장비의 바람직한 실시 예를 도시한 개략도.
도 5는 종래의 방법으로 표면 처리된 모재와 본 발명의 표면 처리 방법에 의해 표면 처리된 모재의 표층 단면을 확대 관찰한 도면 대용 사진.
본 발명의 바람직한 실시 예에 살펴보기로 한다.
본 발명을 설명함에 있어 이하 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
또한, 본 명세서에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
더하여, 명세서에 기재된 "…부", "…유닛", "…모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일한 구성 요소에 대해서는 동일도면 참조부호를 부여하기로 하며 동일 구성에 대한 중복된 설명은 생략하기로 한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 구체적으로 살펴보기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 터빈 부품의 표면 처리 방법에 따라 터빈 부품의 표면을 처리하는 과정을 개략 도시한 흐름도이며, 도 2는 본 발명의 일 측면에 따른 터빈 부품의 표면 처리 방법에 포함된 단계별 처리 공정을 개략 도시한 공정 개략도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 측면에 따른 터빈 부품의 표면 처리 방법은, 고온 환경에서 사용되는 터빈 부품(이하, '모재'라 함)의 표면에 미세 요철 패턴의 결합면을 형성시키는 과정을 포함한다(이하, '조면 처리 단계'라 함). 조면 처리 단계(S100)는 에칭 기법을 이용하여 모재 표면의 산화막을 부식시켜 미세 요철 패턴의 결합면을 형성시키는 과정이다.
조면 처리 단계(S100)에서는 구체적으로, 상기 모재를 에칭액, 예를 들어 수산화나트륨이나 수산화칼륨과 같은 알칼리 금속수산화물을 포함하는 수용액이 담긴 반응조에 침지시키거나, 모재의 표면에 상기 에칭액을 도포하여 표면 산화물을 부식시켜 제거하는 웨트 에칭(Wet etching)을 통해 상기 요철 패턴의 결합면을 형성시키는 조면 처리가 행해질 수 있다.
물론, 웨트 에칭은 어디까지나 조면 처리에 적당한 하나의 바람직한 예로서 이에 국한된다는 의미는 아니다. 비활성화 반응 기체를 고주파 방전으로 이온화하여 이것으로 표면 산화물을 벗겨내는 스패터 애칭(Spatter etching)이나, 할로겐 원소를 포함하는 플라즈마를 이용한 플라즈마 에칭(Plasma etching) 등 공지의 드라이 에칭(Dry etching) 역시 적용 가능하기 때문이다.
에칭 기법을 활용한 조면 처리에도 모재 표면의 산화물을 비롯한 이물질이 완전히 제거되지 않을 수 있다. 이 경우 잔류 이물질로 인해 조면 처리된 면(상기 요철 패턴의 결합면)의 조면 균일도가 떨어져 후속 처리(결합면에 보호막 형성) 시 충분한 앵커 효과가 발휘되기 어렵다. 때문에 조면 처리 후 조면 균일도를 높이기 위해서는 잔류 이물질을 제거하는 작업이 필요하다.
이에 본 발명의 일 측면에 따른 표면 처리 방법은, 조면 처리 후 모재 표면에 잔류하는 이물질 제거하는 과정을 포함한다(이하, '표면 전처리 단계'라 함). 표면 전처리 단계(S200)에서는 바람직하게, 직류 또는 고주파 전력을 통한 반응성 가스의 플라즈마를 이용하여 조면 처리 후 모재 표면에 잔류하는 이물질에 대한 제거 처리가 수행될 수 있다.
표면 전처리 단계(S200)에서의 표면 전처리는 구체적으로, 도 2의 (b)에 도시한 모식도와 같이, 모재(10)와 반응성 가스로부터 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 노즐(20) 양간에 고전압을 걸어 모재와 플라즈마 노즐 사이에 플라즈마 아크(Plasma Arc, 또는 '트랜스터 아크'라고도 함)를 발생시키고, 발생된 플라즈마 아크를 상기 모재 표면의 이물질 제거에 이용하는 트랜스퍼 플라즈마(Transfer Plasma) 방식으로 수행될 수 있다.
바람직하게는, 진공 플라즈마 용사(Vacuum Plasma Spray, VPS)의 플라즈마 아크(Plasma Arc, 또는 트랜스퍼 아크(Transfer arc)) 기능을 사용하여 조면 처리된 모재 표면에 대한 이물질 제거가 수행될 수 있다. 이는 아르곤(Ar) 분위기의 진공 챔버를 포함하는 진공 플라즈마 용사 코팅 장비(Vacuum Plasma Spray Coating System)를 통해 행해질 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 터빈 부품의 표면 처리 방법은 또한, 터빈 부품 표면에 보호막을 입히는 과정을 포함할 수 있다(이하, '코팅 처리 단계'라 함). 좀 더 구체적으로는, 전술한 플라즈마 아크를 이용한 표면 전처리 후 이물질이 제거된 모재의 표면에 고온 환경에서 모재의 산화나 부식 방지를 위해 보호막(금속 코팅층)을 형성시키는 과정을 포함한다.
코팅 처리 단계(S300)에서는, 고온의 플라즈마 아크를 이용, 고융점의 코팅 원료를 용융 및 소정의 압력으로 분사하여 모재의 표면에 균일한 두께로 보호막을 형성시키는 방안이 고려될 수 있다. 바람직하게는, 아르곤(Ar) 분위기의 진공 챔버를 포함하는 진공 플라즈마 용사 코팅 장비(Vacuum Plasma Spray Coating System)를 이용하는 방안이 고려될 수 있다.
도 3은 진공 플라즈마 용사 코팅 장비의 개략도이다.
도 3의 도시와 같이, 진공 플라즈마 용사 코팅 장비(1)는 구체적으로, 캐소드(22)와 이를 에워싸는 애노드(24)를 포함하는 플라즈마 노즐(20)과, 외부와 차단된 밀폐형 처리 환경을 조성하는 챔버(30)와, 챔버 내부의 환경을 진공 상태로 유지시키기 위한 진공 펌프(40), 그리고 전력공급장치(50, 52) 및 코팅 원료 주입부(60)를 포함하는 구성일 수 있다.
애노드(anode, 24)는 능동전극으로서 직류전압 또는 고주파 펄스 전압이 인가되어 + 또는 -로 바이어스 되며, 캐소드(cathode, 22)는 능동전극에 대응하여 접지 측에 연결된 수동전극으로서 이들 두 전극 사이의 통로를 통해 플라즈마 생성을 위한 반응성 가스가 도입되며, 코팅 원료 주입부(60)는 모재(10)와 플라즈마 노즐(20) 사이의 플라즈마 아크에 코팅 원료인 용사 분말을 공급한다.
이처럼 코팅 처리 단계(S300)에서 진공 플라즈마 용사 코팅 장비(1)를 이용하면, 고온의 아크 플라즈마를 이용하여 고융점의 코팅 원료를 용융, 분사시킴으로써 모재 표면에 균일한 두께의 보호막 형성이 가능하면서도, 아르곤 분위기의 진공상태에서 코팅 처리가 행해지기 때문에 고품질의 보호막 형성이 가능하다.
경우에 따라서는, 분말 또는 펠릿 형태의 코팅 원료를 고온 환경에 노출시켜 증기 형태의 반응가스를 생성하고, 생성된 증기를 고온 환경으로 유지되며 처리 대상 터빈 부품이 장입된 처리 공간에 도입하여 모재의 표면에 증착시키는 기상 증착(Vapor coating)을 이용하여 상기 보호막을 형성시키는 방안이 고려될 수도 있다.
도 4는 기상 증착(Vapor coating)에 사용되는 기상 증착 장비의 바람직한 실시 예를 도시한 개략도이다.
도 4의 예시와 같이, 상기 기상 증착 장비(2)는, 가열로 내부에 놓여지는 컨테이너(70)와, 코팅 원료를 수납하도록 컨테이너 내부 처리 공간의 상부와 하부 공간에 각각 구획되는 상부와 하부 도너 박스(80, 90) 및 외부로부터의 캐리어 가스를 상기 도너 박스(70, 80) 각각에 도입시켜 코팅용 반응 가스를 컨테이너 내부에 확산시키는 상부와 캐리어 가스 도관(100, 110)을 포함하는 구성일 수 있다.
이와 같은 구성의 기상 증착 장비(2)를 이용한 방법, 즉 기상 증착을 통해 모재의 표면에 보호막을 형성시키는 방법은, 내부에 중공부가 형성되고 고온 환경에 노출되는 모재, 예컨대 터빈 블레이드나 터빈 베인 등의 내부 표면 코팅에 적합한 방법으로, 코팅용 반응 가스의 확산, 증착에 의해 코팅 두께의 균일성을 확보할 수 있다.
한편, 도 5는 종래의 방법(금속 입자를 모재 표면에 강하게 분사하는 방식으로 조면 처리 후 보호막 형성)으로 표면 처리된 모재(도 5의 (a))와 본 발명의 표면 처리 방법에 의해 표면 처리된 모재(도 5의 (b))의 표층 단면을 현미경으로 확대 관찰한 도면 대용 사진이다.
금속 입자를 모재 표면에 강한 압력으로 분사하여 조면화는 종래의 표면 처리 방식에 의한 처리 결과를 보면(도 5의 (a)), 모재 표면과 보호막 사이의 경계면에 조면에 처리에 사용된 금속 입자, 즉 그리트(Grit)가 잔류함을 확인할 수 있다. 잔류 그리트는 앞서도 언급했듯이, 보호막과의 접착력(결합력)이 약화시키는 주된 원인이다.
반면, 본 발명의 표면 처리 방법에 의해 표면 처리된 시료(도 5의 (b))의 표층 단면을 확대 관찰한 도 5의 (b)를 보면, 도 5의 (a) 사진과는 달리 모재 표면과 보호막 사이의 경계면에 어떤 이물질도 없음을 확인할 수 있다. 또한 조면 처리된 면(경계면)에 형성되는 요철의 균일도 역시, 상기 도 5의 (a)와 확연히 구분될 수 있을 정도로 개선된 것을 알 수 있다.
이는 다시 말해, 본 발명의 일 측면에 따른 표면 처리 방법이 모재 표면에 그리트(Grit)가 잔류하는 종래의 문제를 명확히 해소하고, 조면 처리에 의한 요철의 균일도를 높이는 데에 분명한 효과가 있으며, 때문에 모재 표면에 대한 조면화 품질 향상을 통한 보호막의 접착력(결합력) 증대에 효과가 분명한 것으로 해석할 수 있다.
다른 한편, 본 발명의 범주에는 전술한 일 측면에 따른 터빈 부품의 표면 처리 방법으로 표면 처리된 모재, 즉 터빈 부품 역시 포함될 수 있음을 밝혀둔다. 바람직하게는, 에칭을 통해 조면화된 요철형 결합면 위에 진공 플라즈마 용사 코팅 또는 기상 증착을 통해 소정의 두께로 보호막이 형성된 터빈 부품 또한 본 발명의 범주에 포함될 수 있다.
여기서 상기 터빈 부품은 바람직하게, 터빈 로터를 구성하는 터빈 블레이드 또는 터빈 스테이터를 구성하는 터빈 베인일 수 있다.
이상에서 살펴본 본 발명의 실시 예에 따르면, 날카로운 모를 가진 금속 입자를 모재 표면에 분사하여 조면화는 방식이 아닌 화학적 에칭 기법을 활용하여 모재 표면을 조면 처리한다. 이에 따라 모재 표면에 대한 조면 처리 후 종래와 같이 모재 표면에 그리트(Grit)가 잔류하는 문제를 해소 또는 최소화할 수 있다. 결과적으로, 모재 표면에 대한 조면화 품질을 향상시킬 수 있다.
또한, 플라즈마 아크(트랜스퍼 아크)를 이용하여 조면 처리 후 모재 표면에 잔류하는 이물질을 제거한다. 이에 따라 조면 처리에 의한 요철의 균일도를 향상시킬 수 있으며, 이로 인해 이후 후속공정(코팅 공정)을 거쳐 얻어지는 보호막의 접착성능(결합력)은 일층 증대될 수 있다. 결과적으로, 고온 부품에 대한 전반적인 코팅성능을 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명은, 표면에 요철의 균일도 확보를 위한 전처리(플라즈마 아크를 이용한 이물질 제거) 후 별도의 추가 공정이나 부품 이동 없이 곧바로 후속 처리(진공 플라즈마를 이용하여 보호막을 입히는 코팅 처리)가 가능하다. 기술적으로 동일 장비에서 표면 전처리와 코팅 처리를 연이어 수행할 수 있기 때문이며, 이에 따라 전체적인 작업 공정과 시간을 단축시키는 효과가 발휘될 수 있다.
이상의 본 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
10 : 모재(터빈 부품)
20 : 플라즈마 노즐
30 : 챔버
40 : 진공 펌프
50, 52 : 전력공급장치
60 : 코팅 원료 주입부

Claims (10)

  1. 고온 환경에서 사용되는 금속 재질의 터빈 부품 표면을 처리하는 방법으로서,
    에칭 기법을 이용해 상기 터빈 부품의 표면에 미세 요철 패턴의 결합면을 형성시키고(조면 처리 단계), 직류 또는 고주파 전력을 통한 반응성 가스의 플라즈마를 이용하여 조면 처리 후 상기 터빈 부품 표면에 잔류하는 이물질 제거(표면 전처리 단계)하는 것을 특징으로 하는 터빈 부품의 표면 처리 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 조면 처리 단계에서는,
    상기 터빈 부품을 에칭액이 담긴 반응조에 침지시키거나, 터빈 부품 표면에 에칭액을 도포하여 표면의 산화물 부식시켜 제거하는 웨트 에칭(Wet etching)을 이용해 터빈 부품의 표면을 조면 처리하는 것을 특징으로 하는 터빈 부품의 표면 처리 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 표면 전처리 단계에서는,
    모재인 터빈 부품과 플라즈마 노즐에 고전압을 걸어 상기 터빈 부품과 플라즈마 노즐 사이에 플라즈마 아크(Plasma Arc)를 발생시키고, 발생된 플라즈마 아크를 상기 터빈 부품 표면의 이물질 제거에 이용하는 트랜스퍼 플라즈마(Transfer Plasma) 방식을 이용하여 전처리를 수행하는 것을 특징으로 하는 터빈 부품의 표면 처리 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    아르곤(Ar) 분위기의 진공 챔버를 포함하는 진공 플라즈마 용사 코팅 장비(Vacuum Plasma Spray Coating System)의 플라즈마 아크(Plasma Arc)를 이용하여 전처리를 수행하는 것을 특징으로 하는 터빈 부품의 표면 처리 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    표면 전처리 후 이물질이 제거된 터빈 부품의 표면에 산화 방지를 위한 보호막을 형성시키는 과정(코팅 처리 단계)를 더 포함하는 터빈 부품의 표면 처리 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 코팅 처리 단계에서는,
    고온의 플라즈마 아크를 이용하여 고융점의 코팅 원료를 용융, 분사시켜 터빈 부품 표면에 상기 보호막을 형성시키는 것을 특징으로 하는 터빈 부품의 표면 처리 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 코팅 처리 단계에서는,
    아르곤(Ar) 분위기의 진공 챔버를 포함하는 진공 플라즈마 용사 코팅 장비(Vacuum Plasma Spray Coating System)가 이용되는 것을 특징으로 하는 터빈 부품의 표면 처리 방법.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 코팅 처리 단계에서는,
    분말 또는 펠릿 형태의 코팅 원료를 고온 환경에 노출시켜 증기 형태의 반응가스를 생성하고, 생성된 증기를 고온 환경으로 유지되며 처리 대상 터빈 부품이 장입된 처리 공간에 도입하여 터빈 부품의 표면에 증착되도록 하는 기상 증착(Vapor coating)을 통해 상기 보호막을 형성시키는 것을 특징으로 하는 터빈 부품의 표면 처리 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항의 터빈 부품의 표면 처리 방법으로 표면 처리되고, 에칭을 통해 조면화된 요철형 결합면과, 진공 플라즈마 용사 코팅 또는 기상 증착을 통해 상기 결합면 위에 소정의 두께로 형성되는 보호막을 포함하는 터빈 부품.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 터빈 부품은 터빈 로터를 구성하는 터빈 블레이드 또는 터빈 스테이터를 구성하는 터빈 베인인 것을 특징으로 하는 터빈 부품.
KR1020180026965A 2018-03-07 2018-03-07 터빈 부품의 표면 처리 방법 및 그 방법에 의해 표면 처리된 터빈 부품 KR102164394B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180026965A KR102164394B1 (ko) 2018-03-07 2018-03-07 터빈 부품의 표면 처리 방법 및 그 방법에 의해 표면 처리된 터빈 부품

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180026965A KR102164394B1 (ko) 2018-03-07 2018-03-07 터빈 부품의 표면 처리 방법 및 그 방법에 의해 표면 처리된 터빈 부품

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20190106047A true KR20190106047A (ko) 2019-09-18
KR102164394B1 KR102164394B1 (ko) 2020-10-12

Family

ID=68071271

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180026965A KR102164394B1 (ko) 2018-03-07 2018-03-07 터빈 부품의 표면 처리 방법 및 그 방법에 의해 표면 처리된 터빈 부품

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102164394B1 (ko)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001512181A (ja) 1997-07-18 2001-08-21 クロウマロイ ガス タービン コーポレイション 中空製品の複合型内表面への気相コーティングの方法及び装置
JP2012082519A (ja) * 2010-10-11 2012-04-26 Sulzer Metco Ag 熱遮蔽被覆構造体を製造する方法
JP2014105388A (ja) * 2012-11-30 2014-06-09 Toyo Kohan Co Ltd サーメット被覆材および射出成型機用部材

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001512181A (ja) 1997-07-18 2001-08-21 クロウマロイ ガス タービン コーポレイション 中空製品の複合型内表面への気相コーティングの方法及び装置
KR100556273B1 (ko) * 1997-07-18 2006-03-03 크롬알로이 가스 터빈 코포레이숀 중공 물품의 복잡한 내부 표면을 기상 코팅하는 방법 및 장치
JP2012082519A (ja) * 2010-10-11 2012-04-26 Sulzer Metco Ag 熱遮蔽被覆構造体を製造する方法
JP2014105388A (ja) * 2012-11-30 2014-06-09 Toyo Kohan Co Ltd サーメット被覆材および射出成型機用部材

Also Published As

Publication number Publication date
KR102164394B1 (ko) 2020-10-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9617633B2 (en) Coating packaged chamber parts for semiconductor plasma apparatus
EP1505169B1 (en) Ion plating method and apparatus.
JP2014194080A (ja) プラズマ処理チャンバの高密度酸化物コーティングされた構成要素およびその製造方法
JP2004525254A (ja) セラミック皮膜の除去方法
JP2008291299A (ja) メタル成膜装置におけるメタル膜剥離防止構造及び当該構造を用いる半導体装置の製造方法
JP2016089275A (ja) シリンダボアの溶射被覆のためのプラズマ噴射による表面活性化
JP5521184B2 (ja) フッ化物溶射皮膜被覆部材の製造方法
RU2554838C2 (ru) Способ очистки для установок нанесения покрытий
RU2599073C1 (ru) Способ ионно-плазменного нанесения многослойного покрытия на изделия из алюминиевых сплавов
KR20190106047A (ko) 터빈 부품의 표면 처리 방법 및 그 방법에 의해 표면 처리된 터빈 부품
CA2744032C (en) Cleaning method for coating systems
JP6871933B2 (ja) コーティングのための表面を前処理するための方法
JP6198991B2 (ja) イオン照射による被覆材の脱膜方法および脱膜装置
RU2566232C1 (ru) Способ комбинированной ионно-плазменной обработки изделий из алюминиевых сплавов
RU2693235C1 (ru) Устройство для электролитно-плазменного полирования лопаток блиска
JP2009242951A (ja) 半導体加工装置用部材およびその製造方法
JPWO2016163278A6 (ja) イオン照射による被覆材の脱膜方法および脱膜装置
RU2415199C1 (ru) Способ нанесения покрытия
KR200436092Y1 (ko) 이온질화가 가능한 진공증착 코팅장치
KR20210011532A (ko) 아크 코팅공정에서의 파티클 감소방법 및 이에 의한 코팅층을 갖는 반도체 제조공정의 스퍼터링 장치
RU2272088C1 (ru) Способ вакуумного ионно-плазменного нанесения многослойных композитов, содержащих сложные карбиды
RU2234556C2 (ru) Способ обработки поверхности лопаток паровых турбин из титановых сплавов
JP7086636B2 (ja) スパッタリング装置および半導体装置の製造方法
CN114075690B (zh) 一种电化学退除MCrAlY涂层的方法
JP3521583B2 (ja) 金属基板表面の遮熱コーティング層の耐剥離性向上方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
AMND Amendment
E90F Notification of reason for final refusal
X701 Decision to grant (after re-examination)
GRNT Written decision to grant