KR20210101210A - 기계적으로 합금화된 금속 용사 코팅 재료 및 이를 이용하는 용사 코팅 방법 - Google Patents

기계적으로 합금화된 금속 용사 코팅 재료 및 이를 이용하는 용사 코팅 방법 Download PDF

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KR20210101210A
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transition metal
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KR1020217014878A
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그레고리 진델만
스콧 윌슨
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오를리콘 메트코 (유에스) 아이엔씨.
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Abstract

전이 금속에 기계적으로 합금화된 알루미늄-함유 입자, 마그네슘-함유 입자 및 티타늄-함유 입자 중 적어도 하나를 함유하는 용사 분말 재료로부터 얻어지는 용사 코팅. 상기 코팅은 상기 전이 금속에 합금화된 알루미늄, 마그네슘 또는 티타늄 합금 부분을 포함한다. 상기 용사 분말은 전이 금속에 기계적으로 합금화된 알루미늄, 마그네슘 또는 티타늄 함유 입자로부터 얻어진다.

Description

기계적으로 합금화된 금속 용사 코팅 재료 및 이를 이용하는 용사 코팅 방법
관련 출원에 대한 우선권
본 출원은 2018.12.13자로 출원된, 미국 가출원 제 62/779,227호에 대한 우선권을 주장하며, 상기 문헌의 개시는 본원에 참조로 그 전체로서 포함된다.
개시의 분야
본 발명의 실시 구현예들은 일반적으로 개선된 슬라이딩 및 마모 특성을 가지는 금속계 용사 코팅, 및 상기 용사 코팅의 코팅 방법에 관한 것이다.
용사(thermal spraying)는 용융 또는 가열된 물질이 표면 상으로 분무되는 코팅 공정이다. 공급 원료 또는 코팅 전구체는 전기적 공정, 예를 들어, 플라즈마 또는 아크에 의하여, 또는 화학적 공정, 예를 들어, 연소 화염에 의하여 가열될 수 있다. 용사는 분무 용접(spray welding)으로도 언급되며, 열원 및 상기 열원에 의하여 미세한 액적으로 용융되고 표면 상으로 분무되는 분말 또는 와이어 형태의 코팅 재료로 구성된다. 분무 용접은 또한 플라즈마 용사(Plasma Spray), 고속 용사(High Velocity Oxyfuel(HVOF), 아크 용사(Arc Spray), 화염 용사(Flame Spray) 및 금속화(Metalizing)로도 언급된다. 용사된 코팅은 금속 또는 비-금속 표면에 적용될 수 있다.
용사는 전기도금과 같은 다른 코팅 공정에 비하여 높은 증착 속도로 큰 면적에 걸쳐 두꺼운 코팅을 제공할 수 있다. 용사에 이용 가능한 코팅 재료는 금속, 합금, 세라믹, 플라스틱 및 복합체를 포함한다.
요약
용사 코팅 재료는 일반적으로 금속 및/또는 세라믹 분말 재료이다. 이러한 분말 재료들 중 일부는 용사 코팅 형성을 위하여 사용될 때 내마모성 및 내부식성을 제공한다. 코팅 재료의 부식은 염화물의 존재 및 강, 스테인레스 강, 티타늄 합금 및 니켈 합금과 같은 물질의 경우 전지쌍 물질(galvanic couple)에 의하여 관찰될 수 있다. 통상적인 부식 유형은 갈바닉 부식, 응력 부식 균열, 대기 부식 및 수용액 부식을 포함하여, 이들 모두 코팅 기포(blistering) 및 파쇄(spallation)와 같은 파국적 실패를 초래할 수 있다. 마모 손상이, 예를 들어, 과도한 마찰력(높은 마찰 계수) 및 마찰 가열로부터 일어날 수 있다. 손상은 금속 전이 및 스커핑(scuffing), 심각한 벌크 소성 변형, 및 심지어 균열의 형태를 취할 수 있다. 소결 압밀 처리를 통하여 부품을 제조하기 위하여 금속 분말과 전이 금속의 기계적 합금화가 종종 이용된다. 전이 금속의 기계적 합금화의 이용은, 예를 들어, 그러한 전이 원소의, 예를 들어, 알루미늄 합금, 마그네슘 합금, 또는 티타늄 합금 내 농도 증가를 허용하며, 이는 사실상 고용체를 생산할 수 있다.
분말 입자의 블렌딩은 금속 분말을 예를 들어 압력 하에 다이 내에 제한하면서 압축하는 것을 포함하고, 여기서 베이스 금속 또는 합금, 임의의 추가적인 요소 및/또는 분말화된 윤활제가 블렌더 내로 공급되고, 이들 물질이 혼합물로 블렌딩된다. 분말 입자의 클래딩은 별도의 물질의 기능성 층(또는 복수 층들)의 다른 코어 물질 상으로 첨가를 수반한다. 이러한 층들은 바인더(유기 또는 무기)에 의하여 코어 상으로 함께 결합된 미분 입자이거나, 또는 전해질로 또는 화학적으로(예를 들어, 화학 기상 증착(CVD) 또는 물리적으로(플라즈마 기상 증착(PVD)) 증착될 수 있다.
볼 밀링(ball milling)은 물질을 분말로 분쇄하는 분쇄 방법이다. 볼 밀링 공정 중, 용기 내에서 물질과 작은 강성 세라믹 볼, 구석(flint pebbles), 및/또는 스테인레스 강 사이에 반복된 충돌이 생성되어 물질을 분말로 분해하는 국부화된 압력을 생성한다.
기계적 합금화는 예를 들어 고-에너지 볼 밀 내에서 블렌딩된 분말 입자들의 반복된 냉간 용접, 파쇄, 및 재-용접에 의하여 물질, 예를 들어, 균질한 물질을 생산하는 고체 상태 분말 공정 기법이다. 기계적 합금화는 또한, 분쇄되는 물질 및 조립 분쇄 매체의 슬러리의 강렬한 교반에 의하여 고체 입자 크기를 기계적으로 감소시키는 것을 포함하는 마멸 분쇄(attrition milling), 또는 물질을 냉각시킨 다음 그 물질의 크기를 예를 들어 분말로 감소시키는 것을 포함하는 동결 분쇄(cryomilling)에 의하여 수행될 수 있다.
알루미늄 합금계 분말 코팅은, 예를 들어, 7% 실리콘(Si) 및 40% 폴리에스테르와 알루미늄(Al)을 포함하는 METCO® 601NS, 10% 실리콘(Si) 및 20% 육방정 질화 붕소(hBN)와 알루미늄(Al) 을 포함하는 METCO® 320NS와 같은, 마모성 분말 코팅 재료를 포함할 수 있다. 간극 제어 적용을 위한 마모성 코팅을 생산하기 위한 알루미늄 합금계 용사 분말은, 예를 들어, 설계 의도 또는 작업 급증의 결과 회전 컴포넌트가 코팅과 접촉할 때 사용될 수 있다. 이러한 코팅은 시일(seal) 영역 내 간극 제어를 제공함으로써 가스 통로 효율을 최대화하면서 회전 컴포넌트에 대한 마모를 최소화하기 위하여 이용될 수 있다. 이러한 코팅은 연질의 전단 가능 및 내열성 폴리에스테르와 같은 폴리머 물질의 원하는 특성을 더 높은 강도의 전단 가능 합금(예를 들어, Al-브론즈 + 폴리에스테르인, METCO® 601NS 또는 M610NS)과 조합할 수 있다. 다른 코팅 개념은 Al-Si를 hBN과 조합하며, 여기서 세라믹 hBN 상이 절단 성능을 가능케 하고 온도 저항성을 증가시킨다(METCO® 320NS). 이러한 코팅은 강, 니켈 합금 또는 티타늄 합금 컴프레서 블레이드, 나이프 또는 래버린스 실 스트립에 대한 갑작스러운 러빙(rub)에 적합하다. 그러나, 알루미늄 합금 매트릭스를 가지는 마모성 코팅은 해염 및 수분이 가득한 환경에 노출될 때, 일반적 부식(백색 알루미늄 수산화물 생성), 복합 부식, 블리스터링 부식 및 응력 부식 균열 손상에 취약하다.
알루미늄 또는 알루미늄 합금, 마그네슘 또는 마그네슘 합금, 티타늄 또는 티타늄 합금과 같은 금속계 물질에 기계적으로 합금화된 하나 이상의 전이 금속, 예를 들어, 몰리브덴 또는 몰리브덴 및 크롬을 포함하는 용사 분말로부터 얻어지는, 개선된 슬라이딩 및 마모 특성을 가지는 금속계 용사 코팅; 또는 상기 분말을 사용하는 코팅 방법에 대한 요구가 있다.
상기 문제점 및 충족되지 않은 요구의 견지에서, 실시 구현예들은 개선된 내마모성 및 내부식성을 유리하게 나타낼 수 있는 마모성 코팅을 형성하는 데에 사용될 수 있는, Al, Mg 및/또는 Ti 합금 성분과 기계적으로 합금화된, Mo, Cr, Zr, Ti, Si 또는 이의 혼합물과 같은 전이 금속을 도입한 알루미늄-, 마그네슘-, 또는 티타늄계 용사 코팅 분말을 포함한다.
실시 구현예들은 전이 금속에 기계적으로 합금화된 금속-함유 입자를 포함하는 코팅 전구체 - 상기 금속-함유 입자는 알루미늄, 마그네슘, 및 티타늄 중 적어도 하나를 포함함; 및 알루미늄 금속, 알루미늄 및 전이 금속의 제1 합금, 마그네슘 금속, 마그네슘 및 전이 금속의 제2 합금, 티타늄 금속, 티타늄 및 전이 금속의 제3 합금 중 적어도 하나를 포함하는 용사 코팅을 포함하는, 용사 코팅 어레인지먼트에 관한 것이다. 상기 금속-함유 입자 각각은, 금속 코어에 기계적으로 합금화된 전이 금속에 의하여 둘러싸인 금속 코어를 포함할 수 있다. 상기 금속-함유 입자는 유기 물질과 블렌딩, 혼합 또는 클래딩되고, 및/또는 상기 금속-함유 입자는 무기 고체 윤활제와 블렌딩, 혼합 또는 클래딩된다.
실시 구현예들은 전이 금속에 기계적으로 합금화된 금속-함유 입자를 포함하는 용사 코팅에 관한 것으로, 상기 금속-함유 입자는 알루미늄, 마그네슘 및 티타늄 중 적어도 하나를 포함한다. 실시 구현예에서, 알루미늄-함유 입자, 마그네슘-함유 입자, 및 티타늄-함유 입자 중 적어도 일부는 전이 금속에 합금화되지 않는다.
실시 구현예들은 전이 금속에 합금화된 금속-함유 입자를 포함하는 용사 코팅에 관한 것으로, 상기 금속-함유 입자는 알루미늄, 마그네슘 및 티타늄 중 적어도 하나를 포함한다. 다른 실시 구현예에서, 상기 용사 코팅은 전이 금속에 합금화된 알루미늄 또는 알루미늄 합금 부분; 전이 금속에 합금화된 마그네슘 또는 마그네슘 합금 부분; 및 전이 금속에 합금화된 티타늄 또는 티타늄 합금 부분 중 적어도 하나를 포함한다.
실시 구현예들은 개선된 슬라이딩 및 마모 특성을 가지는 금속계 용사 코팅에 관한 것으로, 상기 코팅은 알루미늄 또는 알루미늄 합금, 마그네슘 또는 마그네슘 합금, 티타늄 또는 티타늄 합금과 같은 금속계 물질에 기계적으로 합금화된 하나 이상의 전이 금속, 예를 들어, 몰리브덴 및/또는 크롬을 포함하는 용사 분말로부터 얻어진다.
실시 구현예들은 제1 폴리머 입자; 및 금속 및 실리콘을 함유하는 제2 입자의 혼합물, 블렌드 또는 클래드를 포함하는 용사 분말에 관한 것으로, 상기 제2 입자 외표면은 전이 금속에 기계적으로 합금화된다. 상기 금속은 알루미늄, 티타늄 또는 마그네슘 중 적어도 하나를 포함한다. 상기 용사 분말은 상기 제1 입자보다 더 큰 중량 백분율의 상기 제2 입자를 포함한다.
기계적으로 합금화된 전이 금속 및 알루미늄 합금 분말을 이용하여 얻어지는 알루미늄 합금계 마모성 코팅은 개선된 내부식성을 나타내며, 이는 추가적인 이점이다. 기계적으로 합금화된 분말의 용사는 적용된 코팅이 미립 분말로부터 얻어진 용사 코팅에 비하여 개선된 특성을 나타내도록, 용사된 분말의 합금화를 증진시킨다. 이는 마그네슘 합금 또는 티타늄 합금계 마모성 코팅에도 적용될 수 있다.
본 발명의 구현예들은 개선된 슬라이딩 및 마모 특성을 가지는 금속계 용사 코팅을 포함하고, 상기 코팅 재료는 금속성 분말을 하나 이상의 전이 금속과 기계적으로 합금화함으로써 얻어진다. 상기 코팅 재료의 구현예는 순수한 또는 합금화된 알루미늄, 예를 들어 METCO® 54NS와 같은 99% 순수 알루미늄, 또는 98% 이상의 순도를 가지는 알루미늄을 포함한다. 다른 실시예에서, 순도는 90% 이상 또는 95% 이상일 수 있다. 전이 금속 또는 금속들의 구현예는 몰리브덴, 크롬, 지르코늄, 티타늄, 실리콘 및 이의 혼합물을 포함한다. 상기 코팅 재료의 구현예는 순수 또는 합금화된 티타늄, 예를 들어, 99% 순수 티타늄, 또는 98% 이상의 순도를 가지는 티타늄을 포함한다. 다른 실시예에서, 티타늄의 순도는 85% 이상일 수 있다(Ti6-2-4-2 또는 Ti-6-4 등급 5의 예).
실시 구현예들은 또한 전이 금속에 기계적으로 합금화된 알루미늄-함유 입자를 함유하는 용사 분말 물질로부터 얻어지는 용사 코팅에 관한 것으로, 상기 코팅은 전이 금속에 합금화된 알루미늄 합금 부분을 포함한다. 이는 마그네슘 합금 또는 티타늄 합금계 용사 코팅에도 적용될 수 있다.
실시 구현예들은 각각 코어에 기계적으로 합금화된 전이 금속에 의하여 둘러싸인 알루미늄 또는 알루미늄 코어를 가지는 알루미늄-함유 입자를 포함한다. 상기 용사 분말은 상기 알루미늄-함유 입자와 블렌딩 또는 혼합되는 유기 물질 및/또는 유기 또는 무기 고체 윤활제를 포함할 수 있다. 상기 알루미늄-함유 입자는 순수 알루미늄 코어를 포함할 수 있다. 상기 알루미늄-함유 입자는 알루미늄 합금 입자를 포함할 수 있다. 다른 실시 구현예들은 코어에 기계적으로 합금화된 전이 금속에 의하여 둘러싸인 마그네슘, 또는 티타늄 (또는 마그네슘 또는 티타늄 합금)을 포함하는, 마그네슘-함유 입자 또는 티타늄-함유 입자를 포함할 수 있다. 상기 용사 분말은 마그네슘 또는 티타늄 함유 입자와 블렌딩 또는 혼합되는 유기 물질 또는 무기 고체 윤활제를 포함할 수 있다. 상기 마그네슘 또는 티타늄 함유 입자는 순수 마그네슘 코어, 또는 순수 티타늄 코어를 각각 포함할 수 있다. 상기 마그네슘 또는 티타늄-함유 입자는 각각 마그네슘 합금 코어 또는 티타늄 합금 코어를 포함할 수 있다.
실시 구현예에서, 상기 전이 금속은 몰리브덴; 크롬; 지르코늄; 티타늄; 실리콘; 또는 이의 혼합물 중 적어도 하나일 수 있다. 상기 전이 금속은 몰리브덴 단독일 수 있다. 상기 전이 금속은 크롬 단독일 수 있다. 상기 전이 금속은 Mo 및 Cr 모두일 수 있다. 상기 기계적으로 합금화된 전이 금속은 50㎛ 미만(Fisher Model 95 Sub-Sieve Sizer(FSSS) 측정), 또는 10㎛ 미만(FSSS 측정), 또는 1㎛ 미만(FSSS 측정)의 입자 크기를 가질 수 있다.
실시 구현예들은 또한 전이 금속에 기계적으로 합금화된 알루미늄-함유 입자, 마그네슘-함유 입자 또는 티타늄-함유 입자를 함유하는 용사 분말 코팅 재료를 포함할 수 있다. 실시 구현예에서, 상기 알루미늄-함유 입자 각각은 코어에 기계적으로 합금화된 전이 금속에 의하여 둘러싸인 알루미늄 또는 알루미늄 합금 코어를 포함한다. 상기 용사 분말은 상기 알루미늄-함유 입자와 블렌딩, 혼합 또는 클래딩되는 유기 물질 또는 무기 고체 윤활제를 포함할 수 있다. 상기 알루미늄-함유 입자는 순수 알루미늄 코어를 포함할 수 있다. 상기 알루미늄-함유 입자는 알루미늄 합금 코어를 포함할 수 있다.
다른 실시 구현예에서, 상기 마그네슘-함유 입자 각각은 코어에 기계적으로 합금화된 전이 금속에 의하여 둘러싸인 마그네슘 또는 마그네슘 합금 코어를 포함한다. 상기 용사 분말은 상기 마그네슘-함유 입자와 블렌딩, 혼합 또는 클래딩된 유기 물질 또는 고체 윤활제를 포함할 수 있다. 상기 마그네슘-함유 입자는 순수 마그네슘 코어를 포함할 수 있다. 상기 마그네슘-함유 입자는 마그네슘 합금 코어를 포함할 수 있다.
추가적 실시 구현예에서, 상기 티타늄-함유 입자 각각은 코어에 기계적으로 합금화된 전이 금속에 의하여 둘러싸인 티타늄 또는 티타늄 합금 코어를 포함한다. 상기 용사 분말은 상기 티타늄-함유 입자와 블렌딩, 혼합 또는 클래딩된 유기 물질 또는 고체 윤활제를 포함할 수 있다. 상기 티타늄-함유 입자는 순수 티타늄 코어를 포함할 수 있다. 상기 티타늄-함유 입자는 티타늄 합금 코어를 포함할 수 있다.
실시 구현예에서, 상기 알루미늄-함유 입자, 마그네슘-함유 입자, 또는 티타늄-함유 입자는 20 내지 70 중량% 유기 물질과 블렌딩 또는 클래딩될 수 있다. 다른 실시 구현예에서, 상기 알루미늄-함유 입자, 마그네슘-함유 입자, 또는 티타늄-함유 입자는 30 내지 50 중량% 유기 물질과 블렌딩 또는 클래딩될 수 있다. 유기 물질의 유형은 중요하지 않으며, 예를 들어, 액정 폴리에스테르와 같은 폴리에스테르, 또는 메틸 메타크릴레이트와 같은 폴리머, 또는 상기 논의된 금속 입자와 블렌딩 또는 클래딩될 수 있는 임의의 기타 유기 물질일 수 있다.
추가적 실시 구현예에서, 상기 알루미늄-함유 입자, 마그네슘-함유 입자, 또는 티타늄-함유 입자는 5 내지 50 중량% 고체 윤활제와 블렌딩 또는 클래딩될 수 있다. 상기 알루미늄-함유 입자, 마그네슘-함유 입자, 또는 티타늄-함유 입자는 15 내지 25 중량% 고체 윤활제와 블렌딩 또는 클래딩될 수 있다. 상기 고체 윤활제는 육방정 질화 붕소(hBN), 불화칼슘, 흑연, 활석 또는 이황화 몰리브덴 중 적어도 하나일 수 있다.
실시 구현예들은 또한 기판을 상기 용사 분말 코팅 재료로 코팅하는 방법을 제공하며, 상기 방법은 상기 분말 재료를 기판 상으로 용사하는 단계를 포함하고, 상기 용사 방법은 플라즈마 용사; HVOF 용사; 연소 용사; 또는 아크 와이어 용사를 포함한다.
실시 구현예들은 또한 상기 용사 분말 코팅 재료를 제조하는 방법을 제공하며, 상기 방법은 전이 금속을 알루미늄, 마그네슘, 티타늄 중 적어도 하나를 함유하는 분말 입자에 합금화하는 단계를 포함한다. 구현예에서, 상기 전이 금속은 Mo이다. 상기 전이 금속은 Cr일 수 있다. 상기 전이 금속은 Mo 및 Cr 모두일 수 있다. 상기 전이 금속은 Zr, Ti, Si 및 이의 혼합물 중 어느 하나일 수 있다. 상기 기계적으로 합금화된 전이 금속은 50㎛ 미만(FSSS 측정), 또는 10㎛ 미만(FSSS 측정), 또는 1㎛ 미만(FSSS 측정)의 입자 크기를 가질 수 있다.
실시 구현예에서, 알루미늄, 마그네슘 또는 티타늄을 함유하는 분말 입자는 유기 물질과 블렌딩 또는 클래딩될 수 있다. 상기 유기 물질의 유형은 중요하지 않다. 상기 분말 입자는 예를 들어 금속 클래드 폴리에스테르, 방향족 폴리에스테르, 또는 액정 폴리에스테르와 같은 폴리에스테르, 메틸 메타크릴레이트, 고체 윤활제, 금속 클래드 고체 윤활제, 분무 건조된 금속 응집체, 또는 상기 금속 입자와 블렌딩 또는 클래딩될 수 있는 임의의 기타 유기 물질과 블렌딩 또는 클래딩될 수 있다. 상기 분말 입자는 고체 윤활제와 블렌딩, 혼합 또는 클래딩될 수 있다.
실시 구현예들은 또한, Mo에 기계적으로 합금화된 알루미늄-, 마그네슘-, 또는 티타늄-함유 입자를 함유하는 용사 분말 재료로부터 얻어지는 용사 마모성 코팅을 제공하며, 상기 코팅은 Mo에 합금화된 알루미늄 합금 부분을 포함한다. 상기 입가 는 각각, 코어에 기계적으로 합금화된 Mo 금속에 의하여 둘러싸인 코어를 포함한다. 상기 용사 분말 재료는 상기 알루미늄-코팅 입자와 블렌딩, 혼합 또는 클래딩되는 유기 물질 또는 고체 윤활제를 포함할 수 있다.
실시 구현예들은 또한, Mo에 기계적으로 합금화된 알루미늄-, 마그네슘-. 또는 티타늄-함유 입자를 포함하는 용사 분말 마모성 코팅 재료를 제공한다. 상기 입자는 각각, 코어에 기계적으로 합금화된 Mo 금속에 의하여 둘러싸인 Al, Mg 또는 Ti 합금 코어를 포함할 수 있다. 상기 용사 분말 마모성 코팅 재료는 상기 Al, Mg 또는 Ti 합금 입자와 블렌딩, 혼합 또는 클래딩되는 유기 물질 또는 고체 윤활제를 포함할 수 있다.
실시 구현예들은 또한, Mo, 또는 Mo 및 Cr인 전이 금속에 기계적으로 합금화된 알루미늄-, 마그네슘-, 또는 티타늄-함유 입자를 함유하는 용사 분말 코팅 재료를 포함한다. 실시 구현예에서, 상기 입자는 각각, 코어에 기계적으로 합금화된 전이 금속에 의하여 둘러싸인 Al, Mg, 또는 Ti 합금 코어를 포함한다. 상기 용사 분말은 또한 상기 알루미늄-, 마그네슘-, 또는 티타늄-함유 입자와 미리 합금화, 블렌딩, 혼합 또는 클래딩된 Si를 포함할 수 있다. 상기 분말 조성은 아래 표 2의 성분 A로 열거되는 것들 중 하나일 수 있다. 표 2의 분말 조성물은 아래 표 3의 성분 B로서 열거되는 것들 중 하나와 블렌딩될 수 있다.
상기 실시 구현예들의 추가적인 이점들 및 신규한 특징들이 이하 발명의 상세한 설명에 부분적으로 기재될 것이고, 부분적으로 다음 설명의 검토 후 또는 구현예들의 실행에 의한 학습 후, 당업자에게 더욱 분명해질 것이다.
본 발명은 개선된 슬라이딩 및 마모 특성을 가지는 금속계 용사 코팅; 또는 상기 분말을 사용하는 코팅 방법을 제공한다.
첨부 도면은 본 발명의 추가적인 이해를 제공하기 위하여 포함되며 본원 명세서에 포함되고 그 일부를 구성한다. 첨부 도면은 본 발명의 구현예들을 예시하며 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명한다. 도면에서:
도 1은 실시 구현예에 따른, 알루미늄 코어 및 상기 코어에 기계적으로 합금화된 전이 금속을 가지는 예시적 분말 코팅 입자를 예시하고;
도 2는 실시 구현예에 따른, 도 1의 코팅 입자를 합성 수지 물질 입자와 조합 또는 혼합한 코팅 재료를 예시하고;
도 3은 실시 구현예에 따른, 알루미늄 및 실리콘의 코어 및 상기 코어에 기계적으로 합금화된 전이 금속을 가지는 예시적 분말 코팅 입자를 예시하고;
도 4는 실시 구현예에 따른, 도 3의 코팅 입자를 합성 수지 물질 입자와 조합 또는 혼합한 코팅 재료를 예시하고;
도 5는 실시 구현예에 따른, 몰리브덴 및 크롬과 같은 하나 이상의 전이 금속과 기계적으로 합금화되고 유기 물질과 기계적으로 블렌딩된 Al-12Si 합금 코어의 분말 형태의 첫 번째 스케일에서 SEM 사진을 도시하고; 및
도 6은 실시 구현예에 따른, 몰리브덴 및 크롬과 같은 하나 이상의 전이 금속과 기계적으로 합금화되고 유기 물질과 기계적으로 블렌딩된 Al-12Si 합금 코어의 분말 형태의 두 번째 스케일에서 SEM 사진을 도시한다.
발명의 상세한 설명
본 발명은 개선된 슬라이딩 및 마모 특성을 가지는 금속계 용사 코팅을 포함하고, 상기 코팅 재료는 하나 이상의 전이 금속을 포함하는 기계적으로 합금화된 금속성 분말로부터 얻어진다. 코팅 방법 또한 개시된다.
금속-대-금속 이동(metal-to-metal transfer) 현상은 경량 터빈 간극 제어 코팅(마모성)의 주요 성분으로서 사용되는 알루미늄 합금에 대하여도 관찰될 수 있으며, 이는 통상적으로 일부 터빈 로터 인커젼(incrusion) 조건 하에 슈라우드(shroud) 물질(마모성)에 원치 않는 그루빙(grooving) 또는 "그라모포닝(gramophoning)"을 초래한다. 여기서 용어 "이동"은 알루미늄 합금이 다른 표면, 이 경우 티타늄 또는 스테인레스 강 합금으로부터 제조되는 터빈 블레이드에 부착 및 빌드업되는 경향을 의미한다. 이동에 대하여 다른 통상적으로 사용되는 엔지니어링 용어는 "갈링(galling)" 또는 "냉간 용접(cold welding)", 또는 더 큰 산업적으로 유의한 규모로, "마찰 용접(friction welding)"이다. 금속 및 합금의 다른 표면에 접촉시 갈링을 촉진하는 두 가지 요인은 (a) 높은 화학적 활성을 가지는 금속 및 합금, 및 (b) 낮은 전단 모듈러스 및 전단 강도를 가지는 금속 및 합금이다.
더 낮은 전단 강도의 알루미늄 및 그 합금은 더 높은 강도의 금속 표면(예를 들어, 알루미늄으로 간극 제어의 경우 티타늄 합금 터빈 엔진 블레이드 팁)으로 이동하는 경향이 있다. 알루미늄 및 티타늄 합금 모두 상대적으로 높은 화학적 활성을 가지고 신속히 산화한다. 이들 모두 그 표면 상에 보호 산화층을 형성하며, 이는 물질 이동 효과를 억제하는 경향이 있으나, 상기 보호 산화층은 특히 더 연질의 더 낮은 전단 강도 알루미늄 합금 상에서, 표면이 마찰 접촉에 따라 변형될 때 붕괴 및 제거될 수 있다. 상기 보호 산화층 및 기타 흡착된 기체층(예를 들어, 물)의 붕괴는 비보호된 합금을 높은 변형률의 소성 변형에 노출시키고, 마찰 용접, 및 접촉 표면에서 기계적 혼합에 의하여 접착 이동(갈링) 과정을 보조한다. 이는 또한 산화층의 형성 및 보충이 억제되고 이동 및 갈링 현상을 방지할 보호 산화물 또는 흡착 기체층이 없는 경우 고진공 하에 금속의 마찰 거동을 관찰함으로써 입증되었다.
고속 회전 터빈 로터 블레이드 팁(예를 들어, 100-400 m/s 팁 속도 범위)의 경우, 이동된 알루미늄 합금 덩어리 또는 돌기(asperity)가 마주보는 블레이드 팁 표면에 부착되면, 상기 덩어리 또는 돌기는 상기 블레이드 팁의 연장으로 작용하여 다음 블레이드 인커젼 단계에서 마주보는 마모성 표면 상에 슈라우드 내로 그루브를 생산할 수 있다. 그 결과는 알루미늄 합금의 전단 변형 및 국부화, 기계적 혼합, 열 발생, 산화, 마모, 이동, 추가적인 그루빙 및 절단, 및 블레이드 팁 계면에서 또는 이동층 자체 내에 전단 응력이 지나치게 높아지면 그 이동층의 제거의 다이나믹한 과정일 수 있다. 결과적인 정상 상태 메커니즘은 마모성 슈라우드 내로 터빈 로터 인커젼 조건에 의하여 전체적으로 결정되는, 이들 다른 메커니즘 각각 사이에 복잡한 균형이다. 낮은 로터 팁 속도(예를 들어, 100-200 m/s)는 이동 현상 및 그루빙(그라모포닝)을 촉진시키며, 여기서 알루미늄 합금 이동 속도가 팁에 대한 전단 절단 응력에 의한 알루미늄 합금 제거 속도보다 높으며; 절단력 유도 전단 응력은 블레이드 팁 금속에 마찰 용접되는 알루미늄의 계면을 파괴하기에 충분하지 않다.
그루빙 및 그라모포닝 현상의 원치 않는 효과는, 그것이 슈라우드 및 블레이드 팁 표면 모두의 거칠기를 증가시키고 팁-슈라우드 갭 간극을 개방하여, 터빈 밀봉 효율성에 부정적인 영향을 미친다는 것이다. 인커젼 후 또는 엔진 사이클 후 터빈 블레이드 팁의 주변 온도로 냉각은 통상적으로 이동된 알루미늄이 심한 변형 과정 중 이동된 알루미늄층 내에 주어지는 열 팽창 미스매치 응력 및 잔류 응력 완화로 인하여 팁을 분리시키게 한다. 이는 심지어 더 높은 밀봉 효율 손실을 초래한다. 슈라우드 및 블레이드 팁 모두에 대한 더 평활한 표면이 개선된 밀봉 효율 및 기체 유동 공기 역학을 위하여 유리하다.
금속-대-금속 이동 과정의 억제 또는 감소는 앞서 논의한 그루빙 또는 그라모포닝 현상을 감소시킬 것이다. 금속-대-금속 이동 과정을 억제하기 위한 다양한 방법들이 도입될 수 있으나, 가장 통상적인 것은 흑연 또는 육방정 질화붕소(hBN)와 같은 고체 윤활제 물질, 또는 기타 유사 물질의 코팅 미세구조 내로 도입이다. 이러한 방법은 어느 정도 효과적이나, 주로 미세구조적으로 큰 입자로서 취급될 수 있고, 이는 단지 부분적으로 비효율적으로 노출된 알루미늄 합금 매트릭스를 윤활 및 보호하므로, 금속-대-금속 이동을 억제 또는 감소시킴에 있어서 다소 비효율적이다. 또한, 흑연 및 hBN과 같은 고체 윤활제는 잘 알려진 점착 방지 물질인 반면, 이들은 또한 가연성이고 부서지기 쉬우며, 용사 증착 공정에서 금속-대-금속 결합의 형성을 억제 또는 감소시키는 경향이 있어, 결과적으로 미세구조적 제어가 어렵게 될 수 있다.
다른 사용되는 접근법은 블레이드 팁 표면 상에 물질의 미세-마모 제거에 의하여, 알루미늄의 블레이드 팁으로 이동의 억제를 보조하는, 더 경질의 미세구조 상의 알루미늄 합금 내 도입을 포함한다. 이는 통상적으로 알루미늄 합금의 실리콘 함량을 아공정(hypoeutectic)에서 근-공정(near eutectic) 조성으로 증가시킴으로써 행하여진다. 실리콘은 900-1000HV의 경도를 가지므로 더 연질 물질에 대하여 마모성이다. 그러나, 터빈 블레이드에 대한 지나친 마모 위험으로 인하여 증가시킬 수 있는 실리콘 함량에 대한 제한이 있다.
추가적인 접근법은 알루미늄 합금 분말 입자 상에, 높은 윤활성(lubricity)을 가지는 물질로부터 얻어지고 금속-대-금속 이동(갈링)의 억제를 보조하는 기계적으로 안정한 박막을 도입함으로써 알루미늄 합금 분말 입자 표면을 개질하는 것일 수 있다. 이에 따르면, 물리적 기상 증착(PVD), 예를 들어, 스퍼터 코팅, 이온 임플란테이션, 또는 레이저 히팅에 의해서와 같이, 많은 기법을 이용하여, 높은 윤활성을 가지는 고체의 박막이 알루미늄 합금 상에 증착될 수 있다. 그러나, 이러한 기법은 알루미늄 합금 입자를 대량 생산 규모로 코팅하기 위하여 실행 가능하거나 경제적이지 않을 것이다.
다른 접근법은 유기 또는 무기 바인더를 이용하여 알루미늄 합금 입자 상으로 미분된 윤활 물질을 클래딩하는 것이다. 그러나, 미립자의 클래드층에 부착은 약할 수 있고 더 높은 온도에 의하여 영향을 받을 수 있는 사용되는 바인더의 접착력에 의존한다. 이상적으로, 윤활 물질층이 입자 표면에 물리적으로 용접 또는 합금화될 수 있다면, 예를 들어, 터빈 블레이드에 대한 접촉에 있어서 기계적으로 안정한 윤활층으로서 그의 기능뿐 아니라, 용사 핸들링 및 유동, 스프레이 증착에 대한 그들의 기계적 안정성이 개선될 것이다. 하나의 접근법은 기계적 합금화 기술을 이용하여 윤활 물질 입자의 박막을 알루미늄 합금 입자에 합금화하는 것이다. 이는 육방적 질화붕소(hBN) 또는 흑연과 같은 잘 알려진 윤활 물질을 이용하여 수행될 수 있으나, 이러한 물질은 낮은 전단 강도를 가지고 입자 표면에 용접 또는 합금화되지 않을 수 있다. 다른 접근법은 입자 표면을 알루미늄 합금에 쉽게 용접되는 윤활 물질로 기계적으로 합금화하는 것이다. 이와 관련하여, 몰리브덴 금속은 우수한 평활성을 가지고 알루미늄 합금과 쉽게 기계적으로 합금화되는 물질이다.
몰리브덴은 그 윤활성, 및 예를 들어, 터빈 블레이드, 피스톤 링, 엔진 슈라우드(shroud), 엔진 실린더 라이너, 엔진 케이싱 및 베어링과 같은 자동차 엔진 부품과 같은, 많은 엔지니어링 시스템의 코팅에서 마찰을 감소시키기 위한 슬라이딩 및 프레팅(fretting) 마모 용도에서 사용으로 잘 알려져 있다. 몰리브덴은 높은 경도에 의하여 주어지는 우수한 마모 특성을 가지는 것으로 인식된다.
대략 230 HV의 벌크 상태(분말로부터 소결된)의 순수 몰리브덴의 경도는 "고도로 내마모성인" 물질에 대하여 상대적으로 연성이다. 그러나, 몰리브덴계 코팅의 내마모성은 순수 몰리브덴을 청동 및/또는 Al-12Si 분말 및/또는 이의 혼합물과 블렌딩할 때 더 개선될 수 있다. 몰리브덴이 코팅으로서 분무될 때(예를 들어, 와이어 아크, HVOF, 또는 플라즈마) 몰리브덴은 부분적으로 산화하는 경향이 있으며, 결과적으로 산소 및 산화물 내포물이 이를 상당히 경화시켜 600-950HV 범위의 경도를 쉽게 생산함으로써 개선된 내마모성을 부여한다.
내화 금속에 대한 것과 같이 더 순수한 낮은 산소 함량 상태에서 낮은 경도 및 고유의 취성은 이러한 몰리브덴을 고에너지 투입에 대한 요구 없이 실질적으로 미세한 서브미크론 분말로 기계적 분쇄에 대하여 이상적으로 만든다. 고에너지 분쇄 후 압축 및 소결과 같은 압밀 처리를 이용하는 원소 알루미늄 및 몰리브덴의 합금화는 내부식성 과포화 알루미늄 합금을 생산하는 것으로 나타났다. 그러나, 이러한 벌크 물질 생산을 위한 압밀 처리는 고에너지 볼 분쇄에 의하여 전개되는 내부식성 미세구조를 보존하지 않을 수 있다.
기계적 합금화 후 고주파 유도 가열 소결 또한 3.5% NaCl 용액 내 개선된 내부식성을 가지는 나노결정성 전이 금속-함유 알루미늄 합금을 생산하기 위하여 실행 가능한 기술일 수 있다. 알루미늄과 전이 금속의 기계적 합금화는 더 높은 강도 및 개선된 내부식성 및 내마모성을 가지는 벌크 알루미늄 합금을 생산하기 위하여 기계적으로 합금화 및 압밀된 원소 분말을 포함할 수 있다.
상이한 몰리브덴 함량을 가지는 합금화된 알루미늄 및 몰리브덴 금속 필름을 생산하는, 무선 주파수 마그네트론 스퍼터링을 이용할 수 있다. 생산된 Al-Mo 합금화 금속 필름을 염화물 용액 내 침지함으로써, 몰리브덴과 합금화가 음극 반-반응을 촉매화하고 부식 전위를 신속히 증가시켜 임계 피팅 전위(critical pitting potential)를 더 전기 양성으로 하는 효과를 가진다.
알루미늄-몰리브덴 합금의 증가된 내부식성은 또한 전착(electrodeposition)을 이용하여 생산되는 합금에 대한 더 높은 부식 전위에 의하여 설명될 수 있다. 기타 연구들은 전이 금속(예를 들어, 코발트 및 몰리브덴)을 함유하는 알루미늄 합금 및 희토류(예를 들어, 세륨) 금속 합금이 부식 억제제로 작용하는 Ce, Co 및/또는 Mo 이온의 방출로 인하여 증가된 내부식성을 나타냄을 보였다.
내부식성 마모성 알루미늄 합금 용사에 의하여 증착된 한 가지 형태의 코팅은 희토 및 전이 금속이 침윤에 의하여 및/또는 대기 플라즈마 동시 스프레잉 방법을 이용하여 코팅에 도입된, 용사된 알루미늄 합금 코팅을 포함한다.
도 1은 구현예에 따른, 코어(2)에 기계적으로 합금화된, 알루미늄, 마그네슘, 또는 티타늄 코어(2)를 가지는 예시적 분말 코팅 입자(1)를 예시한다. 본 발명의 실시 구현예는 도 1에 도시되는 유형의 분말 입자(1)로부터 얻어지고 개선된 절단 성능을 나타내며, 항공기 엔진 또는 지상 기체 또는 증기 터빈의 컴프레서 섹션에서와 같은, 티타늄 합금 컴프레서 블레이드, 및 항공기 엔진 또는 지상 기체 또는 증기 터빈의 컴프레서 섹션에서와 같은 강(steel-based) 컴프레서 블레이드와 같은 컴포넌트에 대한 마모 손상을 감소 또는 제거하는, 마모성 용사 코팅 분말이다.
마모성 실(seal)이 실시 구현예에 따른 코팅으로부터 유리할 수 있다. 이러한 실은 블레이드 및 래버린스 실 나이프 에지와 같은 회전 컴포넌트 및 엔진 케이싱 사이의 간극을 줄이기 위하여 터보 기계류 내에 사용될 수 있다. 간극 감소는 심각한 블레이드/케이스 러브의 가능성을 감소시키거나 제거하여 설계자로 하여금 간극 안전 마진을 줄일 수 있게 함으로써, 터빈 엔진의 효율을 증진시키고 연료 소모를 줄인다. 마모성 코팅을 상기 코팅에 대하여 러빙하는 회전 부품(블레이드, 나이프)을 가지는 엔진의 고정 부분에 적용함으로써 컴프레서 실이 생산된다.
도 1에 도시되는 분말 재료를 사용하여 상기 컴포넌트 상에 마모성 코팅을 형성함으로써, 소위 블레이드 픽업 경향뿐 아니라 갈링 또한 감소된다.
상기 실시 구현예의 다른 이점은 개선된 부식 성능이다. 상기한 바와 같이, 알루미늄 합금계 마모성 코팅은, 특히 해염 수분 환경에서, 일반적인 부식, 복합 부식(cyclic corrosion)(백색 수산화물 생성), 블리스터링 부식, 및 응력 부식 균열 손상에 취약할 수 있다. 그러나, 실시 구현예에서, 기계적으로 합금화된 전이 금속(예를 들어, 몰리브덴 및/또는 크롬)을 사용하여 얻어지는 알루미늄 합금계 마모성 코팅은 개선된 내부식성을 나타내며, 이는 부가적인 이점이다. 유사하게, 상기 논의된 실시 구현예에 따른 마그네슘 합금계 코팅 및 티타늄 합금계 코팅 또한 개선된 내부식성을 나타낸다.
실시 구현예에 따른 코팅의 내마모성 개선은 또한, 부식, 갈링, 프레팅 및 전체적인 슬라이딩 마모 손상된 컴프레서 블레이드에서도 입증되었다. 실시 구현예는 알루미늄계 물질(METCO® 54NS, METCO® 52C-NS, Amdry 355), 티타늄계 물질(Oerlikon Metco portfolio로부터 이용 가능한 순수 티타늄 및 합금 분말), 마그네슘계 물질 및 구리계 물질(DIAMALLOY® 1007, METCO® 445, METCO® 51F-NS, DIAMALLOY® 54, METCO® 57NS, METCO® 58NS)과 같은 코팅에 대한 개선된 내마모성을 제공한다. 이들 용사 코팅 재료는 마모 손상에 취약할 수 있으나, 상기 실시 구현예들은 마모 손상에 취약하지 않다.
도 1을 다시 참조로 하여, 알루미늄계 입자의 실시예에서, 용사 코팅 재료를 형성할 수 있는 분말 입자(1)는 Mo와 같은 전이 금속(3)으로 코팅된 알루미늄 코어(2)를 포함한다. 더 미세하고 더 작은 크기 입자 형태의 전이 금속(3)은 기계적 합금화에 의하여 상기 코어(2) 상에 코팅된다. 기계적 합금화는 분말 입자 상에 표면층을 생산하는 효율적이고 저비용의 합금화 공정일 수 있다. 마그네슘- 또는 티타늄계 입자의 경우, 분말 입자(1)는 용사 코팅 재료를 형성하고 전이 금속(3)으로 코팅된 마그네슘 또는 티타늄 코어(2)를 포함한다.
실시 구현예에서, 상기 코어(2) 및 전이 금속(3)의 합금화는 용사를 이용하여 증진될 수 있다. 상기 기계적 합금화된 분말 재료가 용사될 때, 플라즈마 용사로부터의 에너지 투입이 상기 전이 금속과 금속 입자를 부분적으로 용융 및 합금화한다 (신속한 고화 용액). 이러한 부분적 합금화는 이들 원소들이 알루미늄(예를 들어, 661℃) 및 알루미늄 실리콘 합금의 융점 아래의 온도에서 주어진 금속 매트릭스(예를 들어, Al) 내에 상당히 낮은 용해도를 가진다는 사실로 인한 것이다.
실시 구현예에서, 상기 코팅은 따라서 두 단계 합금화 공정을 사용한다. 첫 번째 단계에서, Mo와 같은 전이 금속의 미립자가 기계적 합금화 공정을 통하여 Al과 같은 금속 입자의 외표면과 기계적으로 합금화되어, 기계적으로 합금화된 상기 전이 금속의 얇은 외부층에 의하여 둘러싸인 금속 또는 금속 합금 코어를 가지는 금속 입자를 생성한다. 이러한 분말 입자가 플라즈마 용사로부터와 같이 가열될 때, 가열로부터 에너지가 상기 전이 금속의 얇은 층을 가지는 금속 입자를 용융시킨다. 이러한 입자가 코팅으로 증착될 때, 도 5 및 6에 도시되는 것들과 유사한 합금화된 부분의 코팅을 형성한다. 구체적으로, 도 5는 전이 금속(들)과 기계적으로 합금화된 Al-12Si의 분말 형태의 첫 번째 스케일의 SEM 사진을 예시하고, 몰리브덴 전이 금속(입자를 둘러싸는 더 옅은 음영)에 의하여 둘러싸인 알루미늄 입자를 예시하고 그 후 기계적으로 블렌딩된 폴리에스테르 입자(더 어두운 음영)를 보이며, 도 6은 전이 금속(들)과 기계적으로 합금화된 Al-12Si의 분말 형태의 두 번째 스케일의 SEM 사진을 예시하고, 몰리브덴 전이 금속(입자를 둘러싸는 더 옅은 음영)에 의하여 둘러싸인 알루미늄 입자를 예시하고 폴리에스테르 입자(더 어두운 음영)를 보인다.
상당히 더 낮은 융점의 알루미늄 코어와 고융점 전이 금속의 낮은 용해도로 인하여, 입자 코어를 코팅하는데 사용되는 전이 원소의 양은 용사 플라즈마에 의하여 제공되는 열 에너지를 사용하여 코어 입자 표면 내로 전이 금속의 용해를 보조하도록 실제 가능한 한 낮게 유지될 수 있다. 예를 들어, 전이 원소의 양은 대략 0.5 wt% 내지 2 wt% 범위일 수 있다. 반대로, 다량의 전이 원소는 10 wt% 보다 많을 수 있다. 지나치게 두껍거나, 지나치게 조립자를 포함하는 코어 상의 전이 원소층은 마모성 코팅으로 사용 가능하기에 지나치게 단단하고 마모성인 합금 또는 복합 재료를 생산할 것이다.
따라서, 용사는 기계적으로 합금화된 입자가 고온 플라즈마 플륨 제트(plume jet)를 통과할 때 추가적인 합금화를 증진시키는 효율적인 방법이다. 실시 구현예에서, 기계적 합금화는 코어(2) 및 전이 금속(3)을 합금화하는 첫 번째 단계이고, 용사는 코어(2) 및 전이 금속(3)을 합금화하여 고용체 또는 부분적으로 과포화된 고용체를 생산하는 두 번째 또는 마지막 단계이다.
도 2는 실시 구현예에 따라, 어떻게 도 1의 코팅 입자를 합성 수지 물질 입자와 조합 또는 혼합함으로써 코팅 재료를 얻을 수 있는지를 예시한다. 도 2는 참조로 하면, 실시 구현예에서, 입자(1)는 예를 들어 폴리에스테르, 금속 클래드 폴리에스테르, 방향족 폴리에스테르, 액정 폴리에스테르, 메틸 메타크릴레이트 또는 금속 입자와 블렌딩 또는 클래딩될 수 있는 임의의 기타 유기 물질과 같은 폴리머의 입자(10)와 혼합될 수 있다. 이러한 혼합물의 예시 중량 백분율은 약 20 wt% 내지 60 w%, 바람직하게 약 30 wt% 내지 50 wt%의 폴리머, 및 나머지의 기계적 합금화된 분말일 수 있다. 이러한 혼합 분말은 다음, 기판 상에 플라즈마 용사되어 코팅을 형성할 수 있다. 상기 분말 유형을 사용하여 생산되는 용사는 개선된 수용액 부식 저항성, 개선된 고체 입자 내식성, 및 개선된 러브 인커젼(rub incursion) 거동과 같은 코팅 특성의 최적의 균형을 나타낸다.
도 3은 실시 구현예에 따른, 알루미늄(2') 및 실리콘(4')의 코어 및 상기 코어(2')에 기계적으로 합금화된 전이 금속(3')을 가지는 예시적 분말 코팅 입자를 예시한다. 도 3에서, 용사 코팅 재료를 형성하는 입자(1')는 구분된 실리콘(4') 섹션을 가지는 알루미늄 코어(2')를 가지고, 상기 코어(2')는 Mo와 같은 전이 금속(3')으로 코팅된다. 상기 전이 금속(3')은 기계적 합금화에 의하여 상기 코어(2'/4') 상으로 코팅될 수 있다. 기계적 합금화는 분말 입자 상에 표면층을 생산하는 효율적이고 저비용의 합금화 공정이다. 실리콘은 예를 들어 가스 분무(atomization)를 통하여 순수 알루미늄과 예비-합금화 공정 동안 형성될 수 있거나, 또는 순수 알루미늄 코어와 기계적 합금화에 의하여 형성될 수 있다.
도 4는 실시 구현예에 따른, 코팅 재료를 형성하기 위하여 도 3의 코팅 입자를 합성 수지 물질 입자와 혼합하는 조합을 예시한다. 도 4에서, 입자(1')는 예를 들어 폴리에스테르와 같은 폴리머 또는 상기 금속 입자와 블렌딩 또는 클래딩될 수 있는 임의의 기타 유기 물질의 입자(10')와 혼합될 수 있다. 이러한 혼합물의 비-제한적 중량 백분율은 20 내지 60 wt%, 바람직하게 약 30 내지 50 wt%의 폴리머, 및 나머지의 Si를 포함하는 기계적으로 합금화된 분말일 수 있다. 상기 분말 유형을 사용하여 생산된 용사는 예를 들어 개선된 수용액 부식 저항성, 개선된 고체 입자 내식성, 및 개선된 러브 인커젼 거동과 같은 코팅 특성의 개선된 균형을 나타낸다.
몰리브덴-함유 고용체 합금과 기계적으로 합금화되도록 개질된, 도 3에 기재되는 것과 유사한 구조를 가지는 Al-12Si계 코팅 분말을 사용하여 실험을 수행하였다. 상기 Al-12Si 내 실리콘의 존재는 Mo가 Si와 반응하여 Mo-실리사이드를 형성하게 하였다. 용사 코팅은 개선된 마모성 및 내부식성을 나타냈다.
저압 컴프레서(LPC) 섹션 컴포넌트, 즉 터빈 엔진의 LPC에 사용되는 컴포넌트를 위한 마모성 코팅 분말 조성을 연구하기 위한 실험을 또한 수행하였다. LPC 섹션에서 관찰된 온도는 최대 350℃ 범위였으나 차세대 터빈 엔진에서 이 범위를 넘어섰다.
다음 용사 분말 재료를 분석하였다:
실시예 A - 7 중량% Si, 3 중량% Mo, 3 중량% Cr, 40 중량% 폴리머, 및 나머지 Al를 포함.
실시예 B - 6 중량% Si, 2.7 중량% Mo, 2.7 중량% Cr, 46 중량% 폴리머, 및 나머지 Al를 포함.
실시예 C - 7 중량% Si, 6 중량% Mo, 40 중량% 폴리머, 및 나머지 Al를 포함.
실시예 D - 7 중량% Si, 1 중량% Mo, 1 중량% Cr, 40 중량% 폴리머, 및 나머지 Al를 포함.
상기 논의한 실험 분말을 기계적 합금화(볼 분쇄) 기계를 사용하여 제조하였다. 알루미늄 실리콘 합금 분무 분말을 하나 이상의 전이 금속 또는 이의 혼합물과 함께 분쇄하였다. 상기 전이 금속(몰리브덴 및 크롬)은 10㎛ 미만의 fisher sub sieve sizer(FSSS) 입자 크기를 가졌다.
다음, 실시예 A-D를 Metco 601NS: Al 7Si 40 폴리에스테르, Metco 320NS: Al 10Si 20hBN 및 Metco 52C-NS: Al-12Si와 같은 물질들과 비교하였다.
실시예 A-D를 사용하여 다음과 같이 마모성 코팅을 형성하였다. 결합 코트를 스테인레스 강(17-4PH) 또는 티타늄 합금 기판에 적용한 후, 마모성 분말 A-D를 Metco 450NS(NiAl)의 결합 코트층 위에 증착하였다. 모든 결합 코트는 150 내지 200㎛의 두께로 분사하였고, 각각의 마모성 코팅의 탑코트를 2.0 mm의 총 코팅 두께로 분사한 후 밀링하였다. 모든 시험을 밀링된 표면 상에서 수행하였으며, 추가적인 표면 제조를 수행하지 않았다. 각각의 분말 유형에 대하여, 경도, 금속 조직학, 침식, 결합 강도 및 인커젼(마모성) 시험을 위하여 몇몇 조각을 제조하였다.
실시예 코팅 A-D에 대하여 수행된 시험들을 상기 Metco 제품과 비교하였으며, 상기 Metco 제품들에 비하여 개선된 특성을 가지는 코팅을 생산하였음을 발견하였다. 이들 특성은 개선된 마모성(감소된 갈링 및 블레이드 픽업, 및 티타늄 합금 블레이드 마모 없음) 및 내부식성(NaCl 습윤 부식 환경)을 포함하였다. 추가적인 세부 사항들을 이하 제시하는 표 1에서 논의한다.
이러한 실험의 결과는 금속계 합금 분말과 전이 금속의 합금화가 상이한 금속 매트리스(예를 들어, 알루미늄, 마그네슘 또는 티타늄) 내로 이러한 원소들의 용해도를 증가시킴을 입증한다. 이러한 합금화된 분말의 용사는 합금화 및 용해도를 증진시켜, 추가적으로 개선된 슬라이딩 및 전체적인 마모 및 부식 특성을 가져온다. 이러한 개선은 알루미늄계 마모성 코팅에서 입증되었으며, 티타늄 합금 컴프레서 블레이드에 의하여 러빙될 때 이러한 코팅의 절단 성능이 종래의 알루미늄계 마모성 코팅의 절단 성능에 비하여 상당히 개선된 것으로 발견되었다. 전이 금속-함유 기계적 합금화 분말로부터 얻어지는 금속성 마모성 코팅의 사용 또한 본 발명의 마모성 코팅의 갈링 거동을 감소시키고 소위 블레이드 픽업 경향을 감소시키는 것으로 발견되었다. 다른 입증된 이점은, 특히 해염 수분 환경에서, 정상적으로 일반적 부식(백색 알루미늄 수산화물 생성), 복합 부식, 블리스터링 부식 및 응력 부식 균열 손상에 취약한 알루미늄 합금계 마모성 코팅의 개선된 부식 성능이다. 알루미늄 합금 분말을 함유하는 기계적 합금화 전이 금속(예를 들어, 몰리브덴 및 크롬)을 사용하여 얻어지는 알루미늄 합금계 마모성 코팅은 상당히 개선된 내부식성을 나타내는 것으로 입증되었다.
실시예 A
도 3 및 4를 참조로 하여, 입자(1')가 입자(10')와 블렌딩된, 금속 입자(1') 및 폴리머 입자(10')로부터 얻어진 분말 코팅 재료. 입자(1')는 7 중량%의 Si(Si 부분 4') 및 나머지의 Al의 코어(2')를 가진다. 전이 금속(3')은 3 중량%의 Mo 및 3 중량%의 Cr을 가진다. 입자(10')는 40 중량% 폴리머로 구성된다. 상기 입자(1')는 11 내지 150㎛ 범위의 크기를 가진다. 상기 입자(10')는 45 내지 150㎛ 범위의 크기를 가진다.
실시예 B
입자(1')가 6 중량% Si(Si 부분 4') 및 나머지 Al의 코어(2')를 가지는, 입자(10')와 블렌딩된 입자(1')로부터 얻어지는 분말 코팅 재료. 전이 금속(3')은 2.7 중량% Mo 및 2.7 중량% Cr을 가진다. 상기 입자(10')는 46 중량% 폴리머로 구성된다. 상기 입자(1')는 11 내지 150㎛ 범위의 크기를 가진다. 상기 입자(10')는 45 내지 150㎛ 범위의 크기를 가진다.
실시예 C
입자(1')가 7 중량% Si(Si 부분 4') 및 나머지 Al의 코어(2')를 가지는, 입자(10')와 블렌딩된 입자(1')로부터 얻어지는 분말 코팅 재료. 전이 금속(3')은 6 중량% Mo를 가진다. 상기 입자(10')는 40 중량% 폴리머로 구성된다. 상기 입자(1')는 11 내지 150㎛ 범위의 크기를 가진다. 상기 입자(10')는 45 내지 150㎛ 범위의 크기를 가진다.
실시예 D
입자(1')가 7 중량% Si(Si 부분 4') 및 나머지 Al의 코어(2')를 가지는, 입자(10')와 블렌딩된 입자(1')로부터 얻어지는 분말 코팅 재료. 전이 금속(3')은 1 중량% Mo 및 1 중량% Cr을 가진다. 상기 입자(10')는 40 중량% 폴리머로 구성된다. 상기 입자(1')는 11 내지 150㎛ 범위의 크기를 가진다. 상기 입자(10')는 45 내지 150㎛ 범위의 크기를 가진다.

용사된 마모성 코팅 조성물
인커젼 성능

설정된 인커젼 조건*에서 인커젼 vs 티타늄 합금 블레이드
일반적 부식 저항성

40℃에서 5wt% NaCl 수용액 내 200 시간 침지
블리스터링 부식 저항성

0℃에서 5wt% NaCl 수용액 내 200 시간 침지

Al12Si + 40 wt% 방향족 폴리에스테르		 슈라우드 물질의 블레이드 팁으로 접착 이동 및 슈라우드 마모 트랙 내 그루빙 존재
평균 과침투*: 39%
백색 수산화알루미늄 부식 생성물 형성
코팅의 블리스터링 및 박리 균열 존재

실시예 A, B, C 및 D
AlSi-Mo 또는 AlSi-Mo-Cr+ 40 wt% 방향족 폴리에스테르		 슈라우드 물질의 블레이드로 접착 이동 감소 및 슈라우드 마모 트랙 내 그루빙 감소
평균 과침투*: 22%
부식 생성물(수산화 알루미늄) 형성 없음
블리스터링 또는 박리 존재하지 않음
*인커젼 조건: 200 m/s 블레이드 팁 속도, 150 미크론/s 인커젼 속도, 실온 (0.7 mm 블레이드 팁 폭)
추가적인 실시예
입자(1')가 7 중량% Si(Si 부분 4') 및 나머지 Al의 코어(2')를 가지는, 입자(10')와 블렌딩된 입자(1')로부터 얻어지는 분말 코팅 재료. 상기 전이 금속(3')은 1 중량% Mo 및 1 중량% Cr을 가진다. 상기 입자(10')는 40 중량% 분무 건조된 응집 금속으로 구성된다. 상기 입자(1')는 11 내지 150㎛ 범위의 크기를 가진다. 상기 입자(10')는 45 내지 150㎛ 범위의 크기를 가진다.
5 중량% Zn 및 나머지 Mg의 코어(2')를 가지는 입자(1')로부터 얻어지는 분말 코팅 재료. 상기 전이 금속(3')은 10 중량% Mo를 가진다. 상기 입자(1')는 11 내지 150㎛ 범위의 크기를 가진다.
4 중량% Al, 3 중량% V 및 나머지 Ti의 코어(2')를 가지는 입자(1')로부터 얻어지는 분말 코팅 재료. 상기 전이 금속(3')은 30 중량% Mo를 가진다. 상기 입자(1')는 11 내지 150㎛ 범위의 크기를 가진다.
3 중량% Al, 2 중량% Zr, 1 중량% Sn, 1 중량% Mo 및 나머지 Ti의 코어(2')를 가지는 입자(1')로부터 얻어지는 분말 코팅 재료. 상기 전이 금속(3')은 25 중량% Mo 및 25 중량% Cr을 가진다. 상기 입자(1')는 11 내지 150㎛ 범위의 크기를 가진다.
기계적으로 합금화된 성분 A
분말 1 분말 2 분말 3
유형 농도
(wt%)		 유형 농도
(wt%)		 유형 농도
(wt%)
Al 합금 50 전이 금속 1 50 - 0
Al 합금 70 전이 금속 1 30 - 0
Al 합금 90 전이 금속 1 10 - 0
Al 합금 98 전이 금속 1 2 - 0
Al 합금 50 전이 금속 1 25 전이 금속2 25
Al 합금 70 전이 금속 1 15 전이 금속2 15
Al 합금 90 전이 금속 1 5 전이 금속2 5
Al 합금 98 전이 금속 1 1 전이 금속2 1
Mg 합금 50 전이 금속 1 50 - 0
Mg 합금 70 전이 금속 1 30 - 0
Mg 합금 90 전이 금속 1 10 - 0
Mg 합금 98 전이 금속 1 2 - 0
Mg 합금 50 전이 금속 1 25 전이 금속2 25
Mg 합금 70 전이 금속 1 15 전이 금속2 15
Mg 합금 90 전이 금속 1 5 전이 금속2 5
Mg 합금 98 전이 금속 1 1 전이 금속2 1
Ti 합금 50 전이 금속 1 50 - 0
Ti 합금 70 전이 금속 1 30 - 0
Ti 합금 90 전이 금속 1 10 - 0
Ti 합금 98 전이 금속 1 2 - 0
Ti 합금 50 전이 금속 1 25 전이 금속2 25
Ti 합금 70 전이 금속 1 15 전이 금속2 15
Ti 합금 90 전이 금속 1 5 전이 금속2 5
Ti 합금 98 전이 금속 1 1 전이 금속2 1
전이 원소: 주기율표의 IV-XI 군의 원소 및 페로몰리브덴을 포함할 수 있다.
Al 합금: Al-12Si, A16Si
전이 금속 크기: 20㎛ 미만, 바람직하게 10㎛ 미만, 더 바람직하게 5㎛ 미만. 코팅 형태에서, 성분 A는 주요 매트릭스 합금으로 작용하고 금속 코팅 골격에 해당한다. 이러한 주요 매트릭스 합금은 코팅 기계적 온전성 및 관련되는 서멀 사이클링 저항성을 보증한다.
성분 B와 기계적 블렌드
성분 B
유형 농도(wt%)
폴리에스테르 60
폴리에스테르 40
폴리에스테르 20
폴리에스테르 0
금속 클래드 폴리에스테르 60
금속 클래드 폴리에스테르 40
금속 클래드 폴리에스테르 20
금속 클래드 폴리에스테르 0
고체 윤활제 60
고체 윤활제 40
고체 윤활제 20
고체 윤활제 0
금속 클래드 고체 윤활제 60
금속 클래드 고체 윤활제 40
금속 클래드 고체 윤활제 20
금속 클래드 고체 윤활제 0
분무 건조 금속 응집체 60
분무 건조 금속 응집체 40
분무 건조 금속 응집체 20
분무 건조 금속 응집체 0
기계적 합금화 금속 60
기계적 합금화 금속 40
기계적 합금화 금속 20
기계적 합금화 금속 0
코팅 내에서, 상기한 성분 B의 작용은 터보기계류 블레이드에 의하여 쉽게 절단되는 것이며, 따라서 성분 A에 상응하는 주요 매트릭스 물질에 비하여 성분 B에 상응하는 물질의 약함으로 인하여, "허위-기공" 또는 부서지기 쉬운 "dislocator"로 작용한다.
실시 구현예에서, 상기 분말은 개선된 러브 특징을 가지는 코팅을 생산한다, 즉, 예를 들어, 마모성, 내식성 및 경도의 원하는 특성들 간의 최적의 균형과 같은, 개선된 균형을 제공할 수 있다. 이는 간극 제어 코팅을 위한 현재 가스 터빈 Original Equipment Manufacturer(OEM) 사양을 충족한다. 표 2 및 3의 성분 A 및 B는 대기 플라즈마 용사 공정을 이용하여 적용될 수 있다. 용도 및 적용은 항공기 터빈 엔진 저압 컴프레서, 자동차 및 산업 터보차저를 위한 경량 간극 제어 코팅을 포함한다. 마모성 코팅을 325℃(615F°) 이하의 서비스 온도에서 untipped 티타늄 합금 및 니켈 합금 및 스틸 블레이드에 대하여 사용할 수 있으며, 또한 untipped 알루미늄 합금 래디얼 임펠러 블레이딩에 대하여 사용할 수 있다. 이는 불규칙한 둥근 형태를 가질 수 있고, 본원에 참조로 그 전체로서 포함되는 Metco 601NS 또는 Metco 1602A의 특징/특성 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
기타 실시예/용도
가스 분무화된 근-공정(near-eutectic) 알루미늄 실리콘 분말을 서브미크론 미세 순수 몰리브덴 및 순수 크롬 분말과 합금화 공정에 의하여 기계적으로 합금화하며, 여기서 몰리브덴 및 크롬층이 분말 표면 상으로 기계적으로 합금화된다. 이러한 조성물을 사용하여 와이어를 제작하고, 상기 와이어를 와이어 스프레잉(아크 또는 연소) 공정을 이용하여 용사한다. 이러한 코팅을 마모성 코팅으로서 및/또는 내부식성 알루미늄 합금 코팅으로서 사용할 수 있다.
실시 구현예에서, 적어도 본 발명은 당업자로 하여금 이를 실행 및 이용할 수 있게 하는 방식으로 본원 명세서에 개시되므로, 예를 들어 단순성 또는 효율성을 위해서와 같은 특정 실시 구현예의 개시에 의하여, 본 발명은 본원에 구체적으로 개시되지 않은 추가적인 요소 또는 추가적인 구조의 부재 하에 실행될 수 있다.
전술한 실시예들은 단지 설명을 목적으로 제공되었으며 어떠한 방식으로도 본 발명을 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다. 본 발명은 실시 구현예를 참조로 하여 기재되었으며, 본원에 사용된 단어들은 제한이 아닌 기술 및 예시를 위한 것으로 이해된다. 현재 계류 중이고 보정된 첨부되는 청구항들의 범위 내에서, 본 발명의 범위 및 사상으로부터 이탈됨이 없이, 변화가 이루어질 수 있다. 본 발명은 특정 수단, 물질 및 구현예를 참조로 본원에 기재되었으나, 본 발명은 본원에 개시되는 내용에 제한되는 것으로 의도되지 않으며; 그보다, 본 발명은 첨부되는 청구항의 범위 내에서와 같이, 모든 기능적으로 균등한 구조, 방법 및 용도에 연장된다.
다음은 본원에 참조로 그 전체로서 포함되는 간행물들의 목록이다:
Buckley, Donald H., Journal of Colloid and Interface Science, 58 (1), p.36-53, Jan 1977“The metal-to-metal interface and its effect on adhesion and friction.”
Buckley, Donald H., Thin Solid Films, 53 (3), p.271-283, Sep 1978 “Tribological properties of surfaces.”
Miyoshi, Kazuhisa; Buckley, Donald H., Wear, 82 (2), p.197-211, Nov 1982 “Tribological properties of Silicon carbide in the metal removal process.”
Miyoshi, Kazuhisa; Buckley, Donald H, Wear, 77, Issue 2, April 1982, Pages 253-264 “Adhesion and friction of transition metals in contact with non-metallic hard materials.”
S. Wilson; The Future of Gas Turbine Technology, 6th International Conference, 17 - 18 October 2012, Brussels, Belgium, Paper ID Number 51“Thermally sprayed abradable coating technology for sealing in gas turbines.”
R.J. Rodriguez, A. Sanz; A. Medrano, Ja. Garcia-Lorente Vacuum Volume 52, Issues 1-2, 1 January 1999, Pages 187-192 “Tribological properties of ion implanted Aluminum alloys.”
J.R. Davis Handbook of Thermal Spray Technology ASM International, 2004, P157“Material Production Techniques for Producing Unique Geometries of Compositions.”
M. Zdujic, D. Poleti; Lj. Karanovic; K.F. Kobayashi; PH. Shingu, Materials Science and engineering, A185 (1994) 77-86“Intermetallic phases produced by the heat treatment of mechanically alloyed Al-Mo powders.”
V. Anand, S. Sampath, C.D. Davis, D.L. Houck U.S. 5,063,021,“Method for preparing powders of nickel alloy and Molybdenum for thermal spray coatings.”
M. Laribi, A.B. Vannes, D. Treheux Wear Volume 262, Issues 11-12, 10 May 2007, Pages 1330-1336“Study of mechanical behavior of Molybdenum coating using sliding wear and impact tests.”
T.S. Srivatsan, B.G. Ravi, A.S. Naruka, L. Riester, M. Petraroli, T.S. Sudarshan, Powder Technology 114, 2001. 136-144“The microstructure and hardness of Molybdenum powders consolidated by plasma pressure compaction.”
J. Ahn, B. Hwang, S. Lee, Journal of Thermal Spray Technology, Volume 14(2) June 2005-251“Improvement of Wear Resistance of Plasma- Sprayed Molybdenum Blend Coatings.”
S. Tailor, A. Modi, S. C. Modi, J Therm Spray Tech, April 2018, Volume 27, Issue 4, pp 757-768,“High-Performance Molybdenum Coating by Wire-HVOF Thermal Spray Process.”
M. Zdujic, D. Poleti, Lj. Karanovic, K.F. Kobayashi, PH. Shingu Materials Science and engineering, A185 (1994) 77-86“Intermetallic phases produced by the heat treatment of mechanically alloyed Al-Mo powders.”
W.C. Rodriguesa, F.R. Mallqui Espinoza, L. Schaeffer, G. Knornschild, Materials Research, Vol. 12, No. 2, 211-218, 2009“A Study of Al-Mo Powder Processing as a Possible Way to Corrosion Resistant Aluminum- Alloys.”
A.H. Seikh, M. Baig, H.R. Ammar, M. Asif Alam“The influence of transition metals addition on the corrosion resistance of nanocrystalline A1 alloys produced by mechanical alloying.”
W.C. Moshier, G.D. Davis, J.S. Ahearn, H.F Hough“Corrosion Behavior of Aluminum- Molybdenum Alloys in Chloride Solutions.”
T. Tsuda, C.L. Hussey, G.R. Stafford 2004 The Electrochemical Society “Electrodeposition of Al-Mo Alloys from the Lewis Acidic Aluminum Chloride- l-ethyl-3-methylimidazolium Chloride Molten Salt.”
M.A. Jakab, J.R. Scully“Cerium, Cobalt and Molybdate Cation Storage States, Release and Corrosion Inhibition when delivered from Al-Transition Metal-Rare Earth Metal Alloys.”
C.W. Strock; M.R. Jaworoski; F.W. Mase, U.S. Publication No. 2016/0251975A1“Aluminum alloy coating with rare earth and transition metal corrosion inhibitors.”

Claims (78)

  1. 전이 금속에 기계적으로 합금화된 금속-함유 입자를 포함하는 용사 코팅으로서, 상기 금속-함유 입자는 알루미늄, 마그네슘, 및 티타늄 중 적어도 하나를 포함하는, 용사 코팅.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속-함유 입자는 각각 코어를 포함하고, 코어는 그 코어에 기계적으로 합금화된 전이 금속에 의하여 둘러싸인, 용사 코팅.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 용사 코팅은:
    상기 금속-함유 입자와 블렌딩, 혼합 또는 클래딩되는 유기 물질; 및
    상기 금속-함유 입자와 블렌딩, 혼합 또는 클래딩되는 무기 고체 윤활제
    중 적어도 하나를 포함하는 조성물을 분무하여 형성되는, 용사 코팅.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 금속-함유 입자는 순수 알루미늄 코어를 포함하는, 용사 코팅.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 금속-함유 입자는 알루미늄 합금 코어를 포함하는, 용사 코팅.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 금속-함유 입자는 순수 마그네슘 코어를 포함하는, 용사 코팅.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 금속-함유 입자는 마그네슘 합금 코어를 포함하는, 용사 코팅.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 금속-함유 입자는 순수 티타늄 코어를 포함하는, 용사 코팅.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 금속-함유 입자는 티타늄 합금 코어를 포함하는, 용사 코팅.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 전이 금속은:
    몰리브덴;
    크롬;
    지르코늄;
    티타늄;
    실리콘; 및
    이의 혼합물
    중 적어도 하나를 포함하는, 용사 코팅.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 전이 금속은 몰리브덴을 포함하는, 용사 코팅.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 전이 금속은 크롬을 포함하는, 용사 코팅.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 전이 금속은 크롬 및 몰리브덴을 포함하는, 용사 코팅.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 합금화된 전이 금속은 50㎛ 미만의 입자 크기를 가지는, 용사 코팅.
  15. 전이 금속에 기계적으로 합금화된 알루미늄-함유 입자를 포함하는 용사 분말.
  16. 전이 금속에 기계적으로 합금화된 마그네슘-함유 입자를 포함하는 용사 분말.
  17. 전이 금속에 기계적으로 합금화된 티타늄-함유 입자를 포함하는 용사 분말.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 알루미늄-함유 입자는 각각 알루미늄 코어 또는 알루미늄 합금 코어를 포함하고, 코어는 그 코어에 기계적으로 합금화되는 전이 금속에 의하여 둘러싸인, 용사 분말.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 알루미늄-함유 입자와 블렌딩, 혼합 또는 클래딩되는 유기 물질 또는 무기 고체 윤활제를 더 포함하는, 용사 분말.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 전이 금속은:
    몰리브덴;
    크롬;
    지르코늄;
    티타늄;
    실리콘; 및
    이의 혼합물
    중 하나인, 용사 분말.
  21. 제15항에 있어서,
    상기 전이 금속은 몰리브덴을 포함하는, 용사 분말.
  22. 제15항에 있어서,
    상기 전이 금속은 크롬을 포함하는, 용사 분말.
  23. 제15항에 있어서,
    상기 전이 금속은 크롬 및 몰리브덴을 포함하는, 용사 분말.
  24. 제15항에 있어서,
    상기 기계적으로 합금화된 전이 금속은 1㎛ 미만의 입자 크기를 가지는, 용사 분말.
  25. 제15항에 있어서,
    상기 알루미늄-함유 입자는:
    20 내지 70 중량%의 유기 물질과 블렌딩; 및
    20 내지 70 중량%의 유기 물질로 클래딩 중 적어도 하나인, 용사 분말.
  26. 제15항에 있어서,
    상기 알루미늄-코팅 입자는
    30 내지 50 중량%의 유기 물질과 블렌딩; 및
    30 내지 50 중량%의 유기 물질로 클래딩 중 적어도 하나인, 용사 분말.
  27. 제25항에 있어서,
    상기 유기 물질은
    방향족 폴리에스테르 및 액정 폴리에스테르 중 적어도 하나를 포함하는 폴리에스테르;
    적어도 메틸 메타크릴레이트를 포함하는 폴리머; 및
    유기 고체 윤활제
    중 적어도 하나를 포함하는, 용사 분말.
  28. 제25항에 있어서,
    상기 유기 물질은 폴리머를 포함하는, 용사 분말.
  29. 제15항에 있어서,
    상기 알루미늄-함유 입자는:
    5 내지 50 중량%의 고체 윤활제와 블렌딩; 및
    5 내지 50 중량%의 고체 윤활제로 클래딩 중 적어도 하나인, 용사 분말.
  30. 제15항에 있어서,
    상기 알루미늄-함유 입자는:
    15 내지 25 중량%의 고체 윤활제와 블렌딩; 및
    15 내지 25 중량%의 고체 윤활제로 클래딩 중 적어도 하나인, 용사 분말.
  31. 제29항에 있어서,
    상기 고체 윤활제는
    육방정 질화 붕소;
    불화 칼슘;
    흑연;
    활석; 및
    이황화 몰리브덴
    중 적어도 하나인, 용사 분말.
  32. 제15항의 용사 분말로 기판을 코팅하는 방법으로서, 상기 방법은
    상기 용사 분말을 기판 상으로 용사하는 단계를 포함하고,
    상기 용사는:
    플라즈마 용사;
    고속 화염 용사(high velocity oxy fuel(HVOF) sprayng);
    연소 용사; 및
    아크 와이어 용사
    중 하나를 포함하는, 기판 코팅 방법.
  33. 알루미늄-함유 입자, 마그네슘-함유 입자, 및 티타늄-함유 입자 중 적어도 하나를 포함하는 용사 분말의 제조 방법으로서, 상기 방법은
    전이 금속을 알루미늄, 마그네슘 및 티타늄 중 적어도 하나를 함유하는 금속 분말 입자에 기계적으로 합금화하는 단계를 포함하는, 용사 분말의 제조 방법.
  34. 제33항에 있어서,
    상기 전이 금속은 몰리브덴을 포함하는, 용사 분말의 제조 방법.
  35. 제33항에 있어서,
    상기 전이 금속은 크롬을 포함하는, 용사 분말의 제조 방법.
  36. 제33항에 있어서,
    상기 전이 금속은 크롬 및 몰리브덴을 포함하는, 용사 분말의 제조 방법.
  37. 제33항에 있어서,
    상기 기계적으로 합금화된 전이 금속은 50㎛ 미만의 입자 크기를 가지는, 용사 분말의 제조 방법.
  38. 제33항에 있어서,
    알루미늄-함유 입자, 마그네슘-함유 입자, 및 티타늄-함유 입자 중 적어도 하나를 유기 물질과 블렌딩 또는 클래딩하는 단계를 더 포함하는, 용사 분말의 제조 방법.
  39. 제33항에 있어서,
    알루미늄-함유 입자, 마그네슘-함유 입자, 및 티타늄-함유 입자 중 적어도 하나를 다음 중 적어도 하나와 블렌딩 또는 클래딩하는 단계를 더 포함하는, 용사 분말의 제조 방법:
    금속 클래드 폴리에스테르, 방향족 폴리에스테르 및 액정 폴리에스테르 중 적어도 하나를 포함하는 폴리에스테르;
    메틸 메타크릴레이트를 포함하는 폴리머;
    금속 클래드 고체 윤활제를 포함하는 고체 윤활제; 및
    분무 건조 금속 응집체.
  40. 제33항에 있어서,
    알루미늄-함유 입자, 마그네슘-함유 입자, 및 티타늄-함유 입자 중 적어도 하나를 고체 윤활제와 블렌딩, 혼합 또는 클래딩하는 단계를 더 포함하는, 용사 분말의 제조 방법.
  41. 제33항에 있어서,
    상기 기계적 합금화는
    마멸 분쇄(attrition milling);
    볼 밀링; 및
    동결 분쇄(cryomilling)
    중 적어도 하나를 포함하는, 용사 분말의 제조 방법.
  42. 몰리브덴에 기계적으로 합금화된 알루미늄-함유 입자를 함유하는 용사 분말 재료로부터 얻어지는 용사 마모성 코팅으로서, 상기 용사 마모성 코팅은 몰리브덴에 합금화된 알루미늄 합금 부분을 포함하는, 용사 마모성 코팅.
  43. 제42항에 있어서,
    상기 알루미늄-함유 입자는 각각 알루미늄 또는 알루미늄 합금 코어를 포함하고, 코어는 그 코어에 기계적으로 합금화된 몰리브덴에 의하여 둘러싸인, 용사 마모성 코팅.
  44. 제42항에 있어서,
    상기 용사 분말 재료는 알루미늄-함유 입자와 블렌딩, 혼합 또는 클래딩되는 유기 물질 또는 무기 고체 윤활제를 포함하는, 용사 마모성 코팅.
  45. 몰리브덴에 기계적으로 합금화된 알루미늄-함유 입자를 포함하는, 용사 분말 마모성 코팅 재료.
  46. 제45항에 있어서,
    상기 알루미늄-코팅 입자는 각각 알루미늄 또는 알루미늄 코어를 포함하고, 코어는 그 코어에 기계적으로 합금화된 몰리브덴에 의하여 둘러싸인, 용사 분말 마모성 코팅 재료.
  47. 제45항에 있어서,
    상기 알루미늄-함유 입자와 블렌딩, 혼합 또는 클래딩되는 유기 물질 또는 무기 고체 윤활제를 포함하는, 용사 분말 마모성 코팅 재료.
  48. 제42항에 있어서,
    상기 몰리브덴에 합금화된 알루미늄 합금 부분은 엔진 컴포넌트의 일부인, 용사 마모성 코팅.
  49. 제48항에 있어서,
    상기 엔진 컴포넌트는
    터빈 블레이드;
    피스톤 링;
    엔진 슈라우드;
    엔진 실린더 라이너;
    엔진 케이싱; 및
    베어링
    중 적어도 하나인, 용사 마모성 코팅.
  50. 전이 금속에 기계적으로 합금화된 코어 물질의 입자를 함유하는 용사 분말 재료를 포함하는 조성물을 용사하여 형성되는 용사 코팅으로서,
    상기 코어 물질은 알루미늄, 티타늄, 마그네슘 또는 그 합금 중 적어도 하나이고, 상기 코어 물질 부분은 상기 전기 금속에 합금화되는, 용사 코팅.
  51. 전이 금속에 기계적으로 합금화된 알루미늄-함유 입자, 마그네슘-함유 입자, 및 티타늄-함유 입자 중 적어도 하나를 함유하는 용사 분말 코팅 재료.
  52. 제15항에 있어서,
    상기 알루미늄-함유 입자는 전이 금속에 기계적으로 합금화된 실리콘의 구분된 섹션을 포함하는, 용사 분말 코팅 재료.
  53. 제52항에 있어서,
    상기 전이 금속은 몰리브덴을 포함하는, 코팅 재료.
  54. 제52항에 있어서,
    상기 전이 금속은 크롬을 포함하는, 코팅 재료.
  55. 제52항에 있어서,
    상기 전이 금속은 몰리브덴 및 크롬을 포함하는, 코팅 재료.
  56. 전이 금속에 기계적으로 합금화된 금속-함유 입자를 함유하는 용사 분말 코팅 재료로서, 상기 금속-함유 입자는 알루미늄, 티타늄 또는 마그네슘 중 적어도 하나를 함유하는, 용사 분말 코팅 재료.
  57. 제15항에 있어서,
    전이 금속에 기계적으로 합금화된 금속 및 실리콘의 분말 입자를 더 포함하고, 상기 금속은 알루미늄, 티타늄 또는 마그네슘 중 적어도 하나를 포함하는, 용사 분말 코팅 재료.
  58. 제1 폴리머 입자; 및 금속 및 실리콘을 함유하는 제2 입자의 혼합물, 블렌드 또는 클래드를 포함하는 용사 분말로서,
    상기 제2 입자의 외표면은 전이 금속에 기계적으로 합금화되는, 용사 분말.
  59. 제58항에 있어서,
    상기 금속은 알루미늄, 티타늄 또는 마그네슘 중 적어도 하나를 포함하는, 용사 분말.
  60. 제58항에 있어서,
    상기 용사 분말은 상기 제1 입자보다 더 큰 중량 백분율의 상기 제2 입자를 포함하는, 용사 분말.
  61. 제1항에 있어서,
    상기 합금화된 전이 금속은 10㎛ 미만의 입자 크기를 가지는, 용사 코팅.
  62. 제15항에 있어서,
    상기 기계적으로 합금화된 전이 금속은 1㎛ 내지 10㎛의 입자 크기를 가지는, 용사 분말.
  63. 제15항에 있어서,
    상기 기계적으로 합금화된 전이 금속은 10㎛ 미만의 입자 크기를 가지는, 용사 분말.
  64. 제33항에 있어서,
    상기 기계적으로 합금화된 전이 금속은 10㎛ 미만의 입자 크기를 가지는, 용사 분말의 제조 방법.
  65. 전이 금속에 기계적으로 합금화된 금속-함유 입자를 포함하는 코팅 전구체로서, 상기 금속-함유 입자가 알루미늄, 마그네슘 및 티타늄 중 적어도 하나를 포함하는, 코팅 전구체; 및
    다음 중 적어도 하나를 포함하는 용사 코팅
    알루미늄 금속;
    알루미늄 및 전이 금속의 제1 합금;
    마그네슘 금속;
    마그네슘 및 전이 금속의 제2 합금;
    티타늄 금속; 및
    티타늄 금속 및 전이 금속의 제3 합금
    을 포함하는, 용사 코팅 어레인지먼트.
  66. 제65항에 있어서,
    상기 금속-함유 입자는 각각 금속 코어를 포함하고, 금속 코어는 그 금속 코어에 기계적으로 합금화된 전이 금속에 의하여 둘러싸인, 용사 코팅.
  67. 제65항에 있어서,
    상기 금속-함유 입자는 유기 물질과 블렌딩, 혼합 또는 클래딩되고; 그리고
    상기 금속-함유 입자는 무기 고체 윤활제와 블렌딩, 혼합 또는 클래딩되는 것 중 적어도 하나인, 용사 코팅.
  68. 제66항에 있어서,
    상기 금속 코어는 순수 알루미늄을 포함하는, 용사 코팅.
  69. 제66항에 있어서,
    상기 금속 코어는 알루미늄 합금을 포함하는, 용사 코팅.
  70. 제66항에 있어서,
    상기 금속 코어는 순수 마그네슘을 포함하는, 용사 코팅.
  71. 제66항에 있어서,
    상기 금속 코어는 마그네슘 합금을 포함하는, 용사 코팅.
  72. 제66항에 있어서,
    상기 금속 코어는 순수 티타늄을 포함하는, 용사 코팅.
  73. 제66항에 있어서,
    상기 금속 코어는 티타늄 합금을 포함하는, 용사 코팅.
  74. 제65항에 있어서,
    상기 전이 금속은
    몰리브덴;
    크롬;
    지르코늄;
    티타늄;
    실리콘; 및
    이의 혼합물
    중 적어도 하나를 포함하는, 용사 코팅.
  75. 제74항에 있어서,
    상기 전이 금속은 몰리브덴을 포함하는, 용사 코팅.
  76. 제74항에 있어서,
    상기 전이 금속은 크롬을 포함하는, 용사 코팅.
  77. 제74항에 있어서,
    상기 전이 금속은 크롬 및 몰리브덴을 포함하는, 용사 코팅.
  78. 제1항에 있어서,
    상기 알루미늄-함유 입자, 마그네슘-함유 입자, 및 티타늄-함유 입자 중 적어도 일부는 상기 전이 금속에 합금화되지 않는, 용사 코팅.
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