KR840001682B1 - 내구성세라믹 열차단피막을 코우팅한 금속제품의 제조방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

내구성세라믹 열차단피막을 코우팅한 금속제품의 제조방법

제1도는 본 발명 피막을 나타내는 단면도.

제2도는 본 발명의 실험적인 피막을 나타내는 현미경사진.

본 발명은 금속기재상에 세라믹 피막을 코우팅하는 것에 관한 것으로, 본 출원서에 기재된 피막 및 방법은 가스터어빈 엔진구성부품들에 유용하게 적용되는 열차단용 세라믹보호피막의 코우팅에 대한 것인바, 본 세라믹피막을 사용하므로서, 터어빈 작동온도를 상당히 증가시킬 수 있었다. 세라믹성질과 금속성질을 결합시키기 위한 초경합금기술이 오랫동안 탐구되어 왔던바, 예컨대, 승온에서 사용되는 금속제품에 대한 세라믹 보호피막을 제공하므로서 세라믹의 열적성질과 금속의 연성을 결합하게 되었다.

지금까지 성공적으로 해결하지 못한 문제는 금속과 세라덱의 열팽창계수 차이로 인하여, 가혹한 열순환조건하에서 세라믹피막을 일정불변하게 형성하지 못했던 것이다.

이러한 문제를 극복하려는 노력으로 사용된 하나의 방법으로서 금속표면의 모든금속으로부터 피막외부표면의 모든 세락믹까지 피막을 단계적으로 결합(단결합)시켰던바, 이러한 방법에서는, 열팽창계수가 피막두께를 통하여 점차로 변화하였으며 열순환으로부터 발생되는 응력이 충분치 못하여 피막에 손상을 주지못하였던 것으로 그 사실은 딜론의 미합중국특허 제3,091,548호에 기술되어있다. 피막결합시의 상기 문제점은 결합된 피막에서 분리된 금속입자가 산화되면서 피막에 알맞지 못한 응력을 양적으로 증가시킨다는 것이다. 금속과 세라믹이 결합된 결합부의 총면적내에서는 공지된 바와같이, 이들의 보호를 위해 금속구조물에 결합된 타일같은 쪼개진 세라믹편(조각)을 사용하고있다.

이러한 방법에서는 일반적으로 큰 제품에 사용되며, 상기 세그멘트는 서로 결합되지 않으므로 타일사이의 틈새에 의해 금속의 열팽창이 허용된다. 이러한 방법(각각의 세그멘트를 사용하는 것)은 최대의 작업조건을 요하고 다수의 작은 복잡한 부품을 적합한 비용으로 코우팅해야하는 가스터어빈 엔진부품에 대해서는 실용성이 없다. 이러한 세크멘트형태의 세라믹방법을 사용함에 있어서는 금속과 세라믹을 양호하게 결합시켜야하는 문제가 있었다.

다른분야에서는, 증착에 의해서 세라믹과 금속의 피막을 결합하는 방법을 공지하고 있는바, 증착에 관한 총괄적인 내용은 알. 에프. 번샤에 의한 "저어널 어브 베이컴 싸이언스 어브 테크놀러지", 1974년 7월/8월 제4호, 제11권에 기술되어 있다. 증착에 의한 세라믹코우팅은 극히 얇은 피막이 사용되는 반도체 및 광학산업에서 주로 사용된다.

증착에 있어서, 코우팅될 제품은 증발되는 적합한 조성물로 구성되는 물질의 용융조상에서 유지되고 증기가 제품위에서 응축되면서 제품을 코우팅한다.

이러한 방법은 가스터어빈 엔진부품에 금속피막을 코우팅하는 등의 여러가지 용도에서 사용된다. 가스터어빈 엔진부품에 사용되는 것은 상기 문헌 1974년 7월/8월, 제4호, 제11권의 641페이지내지 646페이지에 기재된 부네등의 논문에 기술되어있다.

또한, 상기 논문에는 증착된 피막에서 발생하는 결점의 형태도 기술하고 있는바, 기술된 가장 중요한 결점은 피막이 서로 빈약하게 결합된 주상입자로 형성되는 "주상결함"으로서, 이러한 구조는 노출된 주상표면이 주위에 노출된 표면을 크게 증가시키고, 주상사이의 틈새가 기계적인 성질에 역영향을 주기때문에 유익하지 않다고 기술되어있다. 상기 논문은 증착된 피막을 사용하기 위해서는 구조물의 주상형태를 최소화시켜야함을 시사하고있다. 제이페어뱅크스등이 저술한 "해양가스터어빈고열부 초경합금에 대한 보호피막의 고속스퍼터식 증착"이란 제목의 논문을 1974년 7월, "해양환경에서의 가스터어빈재료"라는 회의에서 발표하였고 국방성의 금속정보센터에 의한 보고서(MCIC 75-27)에서도 발표하였다. 이 논문은 스피터식으로 코우팅한 세라믹피막에서 주상생성결함을 관찰하였음을 시사하고 있으며, 주상구조를 갖는 피막에 의해 피막의 응력이 이완되어 피막수명이 증진된다고 가설하고있다.

이러한 개념의 발전문제는 1978년 7월 19일자 발표된 나사(NASA)의 보고서 NASA-CR-159412에 상술되어 있는 바, 이보고서에는 지르코늄을 주성분으로한 피막을 구리기재상에 스퍼터식으로 증착시킴을 기술하고있다. 그러나, -127-204℃사이의 순환을 견디는 피막을 제작함에 있어서는 성공적이지 못했다. 또한, 상기 실험자는 세라믹증착전에 티타늄중간층을 증착시키는 실험을 완성했으나 그 결과의 피막은 적합한 열순환조건하에서 부서졌다. 보고서의 결론에서, 실험자는 피막성능이 단결합 피막을 사용한 종전의 작업에서 관찰된것보다 좋지못했음을 지적했다. 또한, 동일실험자도 주상피막을 제조하는 단결합금속-세라믹피막에 대한 해군해양시스템 명령작업을 완성시켰으나, 이러한 피막은 가혹한 열순환조건하에서 부서졌으므로 성공하지 못했다. 이 보고서의 제목은 1976년 10월 11일자 협정번호 제 NOOO 24-75-C-4333호인 "터어빈고열부에 사용되는 스퍼터식으로 증착된 단결합 금속 ZrO₂피막기술의 개발"이다.

또한, 세라믹피막은 플라즈마 스프레이 방법에 의해서도 사용되어왔다. 지금까지 가장 성공적이었던 플라즈마 스프레이코우팅은 금속결합피막으로 사전에 코우팅된 제품에 적용되어왔다. 조사된 결합피막중에는 MCrAlY물질이 있었다. 이러한 상태에서, 결합피막은 플라즈마스프레이된 입자가 기계적인 결합을 형성하여 개재된연하고 거칠은 층으로 작용하므로서 기능을 발휘한다. 이것은 미합중국 특허 제4,055,705호 및 제811,807호에 기술되어 있다.

본 발명은 고온의 조건하에서 환경손상으로부터 금속제품을 보호하는 합성코우팅시스템을 포괄한다. 또한 신규방법도 본 발명의 일부를 형성한다.

보호될 제품에는 균일한 접착성의 MCrAlY층이 적용되고, MCrAlY층위에는 신규한 주상의 현미구조를 갖는 세라믹피막이 코우팅된다.

세라믹피막은 보호될 제품에 확고하게 결합된 많은 각각의 주상세그멘트로 구성되나, 이들 서로는 결합되지 않는다. 주상세그멘트 사이에 틈새가 형성되므로서, 세라믹에 응력손상을 야기시킴이 없이 금속기재는 팽창한다.

세라믹피막은 증착방법에 의해서 코우팅된다. 연속적인 알루미나층은 MCrAlY층과 주상세라믹 피막사이에 존재한다. 이러한 알루미나층은 세라믹피막을 MCrAlY층에 결합시키는데 결정적인 역할을 한다. 본 발명의 중요한 특징은 MCrAlY층과 주상세라믹피막사이의 계면을 연마하여 표면거칠음도를 낮추는 것으로 이 연마된 계면에 의해 피막성능이 향상된다.

본 발명의 열차단 피막은, 서로다른 작용을 하는 3가지의 상호관계가 있는 요소들을 포함하는 혼합피막이다. 상기 피막의 성능은 가스터어빈 엔진환경에서 평가할때, 다른 공지의 고온피막의 것보다 우수하다. 본 발명의 피막은 우수 한차단능력이나 절연능력이 결합된 현존하는 피막에 상응하는 산화성 및 내부식성을 갖고있다.

본 발명의 피막은 초경합금제품의 보호에 주로 사용된다. 초경합금은 승온에서 독특한 성질들을 나타내는 니켈, 코발트, 철합금 등이다. 통상적인 조성물은 하기표1과 같다.

[표 1]

본 발명의 열차단 피막은 가스터어빈 엔진에 주로 사용되는 것으로 그의적용을 위해 개발된 것이다. 그러나, 그 피막 또는 그의 몇몇 변형이 다른 많은 적용에도 적절히 적용될 수 있다는 것이다.

MCrA1Y합금금속층으로 구성되는 상기피막은 연마된 표면을 구비하고 있으며 상기 금속층위에는 연속알루미나 접착층(그 자체에 형성된)이, 상기 알루미나 층위에는 특이한 주상형태의 불연속 순수세라믹층이 형성되어있다.

상기 금속층은 MCrAlY합금으로 이루어지는데, 이 합금은 10-30%의 크롬, 5-15%의 알루미늄, 0.01-1%의 이트륨(또는 하프늄, 란타늄, 세륨 및 스칸듐) 및 나머지성분(M)으로서 철, 코발트, 니켈과 그들의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택된 성분의 넓은 조성물을 갖는다. 또한 소량의 다른 성분들도 존재하기도한다. 이러한 합금이 보호피막으로만 사용하는 것으로는 선행기술에 공지된 것으로 미합중국 특허 제3,542,530호, 제3,676,085호, 제3,754,903호 및 제3,928,026호에 기술되어 있다.

또한, 본 발명은 초경합금 기재와 MCrAlY층 사이의 각종 중간층으로 사용될 수도 있다. 특히, 기재와 MCrAlY층 사이에 알루미나이드층(알루미늄처리에 의해 제조됨)을 사용하므로서 피막내구성을 증진시킬 수 있다는 것은 미합중국 특허 제4,005,989호에 공지되어있다. 또한, 중간층으로 사용하기 위해 백금과 같은 다른물질도 제안되었다. 물론, 이러한 중간층들은 필요한 경우에만 사용되고, 기재와 MCrAlY사이의 결합에 악영향을 끼치지 않는 경우에만 사용된다.

이 MCrAlY층은 증착에 의해 코우팅하는 것이 바람직하다. 피이닝(peening)및 열처리에 의한 상기 증착방법은 근본적으로 결함이 없는 비교적 균일한 두께의 조밀한 접착층을 제공한다. 1-10밀(ml)의 두께가 적합하다. 본 발명의 주 특징은, MCrAlY표면을 매우 매끄러운 표면을 갖도록 연마등에 의해 처리하는 것이다.

연마된 표면을 갖도록 처리되거나 처리될 수 있는 소정조성물의 두께가 균일하고 집적도가 높은 피막을 제조 할수 있는한, 가능하면 후속피복처리와 함께 스퍼터링 및 플라스마스프레이를 포함한 다른 증착방법들이 MCrAlY층을 제조하기 위해 이용되기도한다.

MCrAlY층위의 알루미나층은 MCrAlY층의 산화에 의해 형성되는데, 이 산화층은 비교적 얇고(0.01-0.1밀) 균일하며 접착성이 있다. MCrAlY층의 표면이 매끄러워지면, 산화층역시 매끄럽게된다. 상기 산화층의 접착성은 이트륨 또는 유사한 활성성분을 함유하지 않는 유사한 합금의 것과 비교하여 MCrAlY합금에서는 크게 증진된다. 이 증진된 접착성은 이트륨산화물의 형성에 기인한것으로, 그 이트륨산화물이 MCrAlY내로 늘어나고 알루미나 표면층에 결합되면서 그 표면층이 정착되고 분쇄가 최소화된다.

알루미나층의 접착성은 주상 세라믹층의 접착성에 필연적인 것이며, 금속피막내에 이트륨, 또는 란타늄, 세륨, 하프늄, 스칸듐 또는 그들 산화입자들의 혼합물과 같은 산소활성 성분들이 존재함은 본 발명 피막의 최적작용에 중요하다.

열차단 피막의 최종성분은 알루미나층에 견고히 결합된 독특한 주상입자의 세라믹 표면피막으로서 그 주상입자들은 알루미늄 산화물층으로 하향 뻗어있는 각주상들 사이에 자유표면들을 갖는 기재의 표면에 거의 수직하게 배향된다.

상기 세라믹 표면층은 피막내에 상당량의 금속이 결합되어 있는 단결합층의 사용을 제시한 몇몇 종래기술과는 다른 순수세라믹이다.

그 표면층의 주상특성은 기재와 피막사이의 열팽창계수차이를 해소시켜주는 것이다. 이러한 열팽창계수의 차이는 종래기술의 세라믹 열차단 피막에서의 결점이었다. 가열시, 기재는 세라믹표면의 피막보다 큰 비율로 팽창하고, 각각의 세라믹 주상들사이의 주상경계부들이 개방되면서 서로다른 변형을 조절해준다. 이에따라 기재와 주상세라믹 사이의 접촉면에서의 응력이 주상 세라믹표면층에 분열을 일으키는 수준보다 낮은 수준으로 감소된다. 상기 주상들의 단면크기는 대략 0.1밀 정도이다.

본 발명에서는 표면을 산화시키기 전에 MCrAlY표면을 연마하므로서 주상세라믹층의 접착성을 놀라울정도로 증진시킬수 있었다.

상기 주상표면층은 많은 세라믹조성물들중 하나이기도하다. 데이타를 얻기위한 대부분의 실험은 20또는 35%의 산화이트륨의 첨가에 의해 안정화된 입방체의 산화지르코늄으로된 세라믹으로 행해졌다.

주상피막으로 사용된 세라믹물질에 요구되는 특성을 정확히 특성화하는 것은 어렵다. 주상세라믹물질과 알루미나사이에는 어느정도의 고용성(solid solubility)이 있어야함이 명백해졌다. 이것은 알루미나층에 대한 주상세라믹 피막의 접착성에 가장많은 영향을 끼치는 주요 기준인 것으로 믿어진다.

또한, 다른특성들도 필요하다. 주상세라믹 물질은 승온에서 알루미나와 접촉될때 저용융 화합물 〔예를들어, 공융합금(eutectics)〕을 형성하지 않아야한다. 주상 세라믹물질의 용융점(및 승화점)은 사용온도보다 상당히 높아야한다.

마지막으로, 주상세라믹 물질은 사용환경에서 안정적이어야 한다. 즉, 상기물질은 어떤 중요한 정도로 산화하거나 또는 그 환경과 반응하지 않아야 한다.

(Si₃N₄)와 같은 세라믹은 승온에서 산화하지만 그 산화는 생성된 산화물(SiO₂)이 계속적인 산화를 방지하기 때문에 자체적으로 제한된다.

하기 세라믹은 본 발명의 주상피막물질로 유용한 것이다. 산화지르코늄(산화이트륨과 같은 물질로 안정화됨), 알루미나, 산화세륨, 물라이트, 지르콘, 실리카, 실리콘 니트라이드, 하프니아 및 지르콘산염, 붕화물 및 질화물.

요약하면, 주상세라믹 물질은 알루미나에서의 고용성을 가져야하며, 소망의 사용환경에서 안정하여야 한다. 종래의 지침을 기로로하여 당업자가 적합한 세라믹을 선택하는데는 어려움이 없을 것으로 믿는다.

MCrAlY층의 기능은 기재에 강하게 접착하는 것과 강한 접착성의 연속적인 산화물 표면층을 형성하는 것이다. 이렇게 형성된 알루미나 표면층은 그 아래의 MCrAlY층과 기재가 산화 및 열부식되는 것을 방지하며 주상입자의 세라믹 표면층을 확고하게 형성시킨다.

상기 주상입자의 세라믹 표면층은 하부기재와 피막층의 온도를 감소시킨다. 많은 세라믹의 성질과 주상들 사이의 개방된 경계부의 존재로 인하여 세라믹표면층은 산소에 대해 비교적 투과성이고, 하부층들의 온도감소가 산화율을 감소시키는 정도를 제외하고는 하부층들의 산화를 감소시키는 역할을 하지 않는다. MCrAlY 위의 알루미나 층은 산화에 대한 주차단벽이다. 예를들어, 5밀 두께의 ZrO₂피막은 냉각블레이드를 구비한 가스터어빈 엔진에서의 조건들하에, 27-111℃만큼 기재의 온도를 감소시킬 수 있다.

세라믹 표면층은 하부의 MCrAlY층과, 열부식을 야기시키는 각종 액체 및 고체연소 생성물들과의 사이의 차단벽으로 작용하므로서 열부식을 감소시키는 역할을 할 수 있다. 또한, 상기 세라믹층은, 열절연성으로부터 야기되는 세라믹의 높은 표면온도의 결과로, 소정환경에서 표면퇴적물의 증발속도를 증가시키기 위해 작용하므로서 열부식을 방지하는데 유익하다. 후술되는 바와같이, MCrAlY표면이 연마되어 있으므로 주상세라믹 피막의 접착성은 극적으로 증가된다.

제1도를 참조하면, 기재(1)는 MCrAlY 층(2)으로 코우팅되고, 이 MCrAlY층은 연마된 외부표면(3)을 갖는다. 이 표면(3)위에는 접착성 알루미나층(4)이 형성되고, 그 알루미나층(4)에는 주상세라믹층(5)이 코우팅된다.

코우팅된 제품의 구조를 설명하는데 있어서, 블레이드 및 베인과 같은 가스터어빈 구성고재들상에 그 피막을 형성하는 바람직한 방법을 먼저 설명하고저 한다.

코우팅의 첫단계는 코우팅할 표면을 준비하는 것이고, 그 표면의 먼지, 그리이스, 산화물 등등을 깨끗히 제거해야 한다. 사용한 세정방법은 상기표면으로 부터의 모든 외잡물을 제거하기에 충분한 힘으로, 세정할표면에 대해 돌출된 수성연마슬러리를 사용하는 증기 호우닝(honing)이다. 이 단계에 이어서, 표면상의 그리이스를 증기로 제거하는것이 바람직하다. 이것은 만족한 세정방법이지만, 만족한 세정된 표면이 얻어질수 있는한 많은 다른 방법들이 이용될 수도 있다.

다음으로, MCrAlY층을 적용함에 있어서는 증착법을 이용하는것이 바람직하다. 상기 증착방법은 코우팅할 표면을 진공실내에서 MCrAlY의 용융체위에 유지시켜 수행하는 것이다. MCrAlY를 용융시키는데 사용되는 열원은 통상적으로 전자비임이다. 코우팅할 표면은 MCrAlY증착시 약 871-982℃의 온도로 유지하는 것이 바람직하다.

상기 MCrAlY의 두께는 약 1-10밀이 바람직하다.

그 두께가 약 1밀보다 작으면, 표면에 대한 적합한 보호가 제공되지않고(특히 MCrAlY층을 연마할때), 약 10밀을 초과하면 반복적인 열순환시 파상(rippling)을 형성하는 경향이있다.

종래의 MCrAlY적용에서, 상기 피막은 공소들을 조밀케하고 피막구조를 개선하기 위해 두드려진(peened)건조유리구술형태이다.

상기 피이닝은 바람직하지만 본 발명의 방법에서는 필수적은 아니다. 상기 과정에 있어서 상기 피막을 수소내에서 1080℃로 열처리하는 것이 바람직하나, 시간이나 온도는 특별히 중요한 것은 아니다. 본 발명에서는 기재에 대한 피막의 접착성을 증진시키기 위해 그 처리시간을 4시간으로 하였다.

전술한 바와같이, MCrAlY표면을 연마하므로서 피막성능을 극적으로 개선하게 되었다. 이러한 연마단계는 본 발명의 중요한 부분이다. 이용되는 방법의 중용성은 명백치 않으나, 기계적 연마 및 전기적연마(전기 화학적 연마)를 사용하였던바, 생성된 피막의 성질에서는 중대한 차이가 관찰되지 않았다.

또한, 순수한 화학적인 연마 방법도 사용할 수가 있다. 두께가 35-50 RMS와 6-10마이크로인치 RMS인 MCrAlY기재에 피막을 코우팅한바, 더 매끄러운 기재보다 100배 이상의 성능향상을 나타내었다. 이 결과를 근거로 하는 연마후의 표면거칠음(roughness)은 약 25마이크로인치 RMS이하인 것이 바람직하다. 이어서, 연마후에는 알루미나 피막을 전개시켜야 한다.

본 발명에서는 양호한 결과를 갖는 1080℃의 온도로, 상업적으로 허용되는 순도의 수소대기내에서 열적산화를 사용하였다. 수소내에 산소불순물이 존재하면 산화물이 형성된다. 또한, 260-1093℃에서의 공기산화도 만족스럽게 일어난다.

표면거칠음을 감소시키기 위해 MCrAlY를 연마함에 따라, 알루미늄층의 표면거칠음도 감소된다. 이렇게 알루미나 표면이 개선되므로서 증착된 원주상 세라믹의 초기부분도 완전하게 개선된다.

상기 주상세라믹의 초기부분은 많은 작은주상 입자들로 구성되는바, 이 입자들은 더욱 바람직하게 배향된 입자들이 덜 바람직하게 배향된 입자들을 지배하는 경쟁적인 방식으로 성장하는 것으로 나타난다. 결국, 보다 바람직하게 배향된 입자들이 우세하므로 자유표면에서의 입자들의 수는 처음에 핵을 형성한 입자들의 수보다 상당히 적다. MCrAlY를 연마하므로서 경쟁적인 성장의 완전함이 증가되고 그 MCrAlY의 완전함도 증가된다. 피막의 파손은 알루미나 접촉면 근처의 주상층에서 일어난다. 상기 주상세라믹은 알루미나가 매끄러운 표면을 갖을 경우 알루미나에 대해 향상된 접착성을 나타낸다.

이러한 결과는 연마된 MCrAlY표면상의 알루미나층에 일어나야한다. 알루미나가 하부표면을 따라 형성되기 때문에, 알루미나의 표면가공도는 MCrAlY표면가공도와 필히 동일하게 된다. 또한, 주상입자의 세라믹층을 증착한후에 알루미나층을 전개할 수도 있다. 이것은 산소에 대해 매우 투과성인 산화지로 코늄세라믹의 경우에 특히 가능하다. 그러나, 주상세라믹층보다 먼저 알루미나층을 형성하는 것이 바람직하다.

이용된 처리순서는 중요치 않은바, 예를들면, 피이닝 단계를 생략하는 경우 MCrAlY증착직후 연마하고, 이어서 열처리하기도 한다. 피이닝을 사용할지라도, 피이닝직후 연마를 행하고, 후속 피이닝 열처리를 알루미나 형성 열처리와 함께 행하기도한다.

MCrAlY층을 적용한후 산화물층을 전개시키고, 증착법에 의해서 주상입자의 세라믹 표면층을 코우팅한다. 증착할 세라믹은 용융시켜서, 용융체 또는 증발원으로 유지시킨다. 본 발명에서는 출발물질로 10-20메쉬의 세라믹 분말을 사용하였으나, 다른 출발물질도 사용이 가능하다.

코우팅할 기재는 증발원위에 배치하고, 균일한 피막두께를 형성하고 주구조의 형성을 증진시키기 위해 조정한다. 세라믹 피막두께는 약 1-50밀이다.

세라믹코우팅순환시, 기재의 온도는 538-816℃의 비교적 저온으로 유지시켜야만 비교적 거칠은 주상구조와 화학양론적 피막조성물을 제공할 수 있었다.

산화물 세라믹의 경우, 증착된 세라믹에는 산소가 불충분하다. 따라서, 화학량론을 달성하기 위해 공기내에서 열처리를 하기로한다.

종래기술의 피막결합으로 간주되는 주상구조형성을 철저히 방지한다는 점에서 본 발명의 피막은 신규한 것이다. 본 발명은 개선된 피막성능을 제공하도록 이제까지 피막결함으로 간주되었던 것을 이용하고 있다. 기재를 연마하므로서 현저히 개선된 성질들을 제공하였음은 종래의 제안들과 대조적이다. 일반적으로, 표면이 거칠어짐에 따라 표면적이 증가하고 기계적 차단성이 증가되는바, 매끄러운 표면에 비해 피막접착성이 양호하다. 이하, 본 발명의 실시예들을 기술한다.

[실시예 1]

MAR-M-200합금(표1에 기재된 조성물)으로 형성된 니켈초경합금 기재에, 크롬 18%, 코 발트 23%, 알루미늄 12.5%, 이트륨 0.3%, 니켈(나머지)의 조성물을 갖는 NiCoCrAlY피막을 피복한다.

제1조의 샘플에 상기 NiCoCrAlY를 증착시키기 위해 플라스마스프레이방법을 사용한다. 이렇게 증착된 NiCoCrAlY의 표면거칠음은 280-350마이크로인치 RMS이었다. 다음으로, 산화이트륨으로 안정화된 산화지르코늄층을 5밀두께로 증착하기위해, 유사한 플라스마 스프레이방법을 사용한다. 세라믹 증착방법 및 생성된층의 명세는 본 발명자의 미합중국 특허원 제811,807호에 기재되어 있다. 이러한 플라스마 스프레이 열차단 방식은 이미 개발된 공지의 방식이다.

제2조의 샘플들은 본 발명자의 미합중국 특허원 제109,956호의 기술에 따라 제조하는데, 이 제조순서는 본 출원서에 기술된것과 유사하나, 알루미나층의 적용 및 주상 세라믹층의 증착전에 MCrAlY를 연마하지 않는다는 것만이 다르다.

MAR-M-200의 초경합금 기재를 세정하고 증착하여 5밀의 NiCoCrAlY피막을 제조한다. 진공실내에서 증착함에 있어서 증착시 기재를 816℃의 온도로 유지한다. 상기 NiCoCrAlY를 유리구슬로 피이닝하고 1080℃에서 4시간동안 열처리한다. 피이닝후 표면거칠음은 35-50마이크로인치 RMS이었다. 이러한 열처리시, 얇은 접착성 알루미나층이 WiCoCrAlY상에 형성되었다. 이 알루미나층 위에는 산화이트륨으로 안정화된 산화지르코늄을 5밀두께로 코우팅한다. 이러한 산화지르코늄 피막은 증착에 의해 코우팅되는데, 전술한 바와같은 주상구조를 갖는다. 생성된 피막의 구조는 제2도에 도시되어 있다. 세라믹의 주상성질은 명백하다.

이들 샘플들은 온도순환식의 버어너장치내에서 평가하는데, 이 시험에서는 샘플들을 회전하는 플랫트포옴상에 장착하고, 젯트연료의 연소에 의해 발생되는 불꽃을 상기 샘플에 가한다. 제어장치로 그 불꽃을 조절하고 샘플을 소망의 온도로 유지하며 소정의 순환에 따라 그 온도를 변화시킨다.

이 실시예에 사용된 순환에서는 샘플들을 1010℃로 가열하고 그 온도를 4분간 유지하였다. 그후, 불꽃을 제거하고 냉각공기류를 분사하여 샘플을 2분내에 204℃로 냉각시켰다. 이러한 순환은 피막파손의 징후가 관찰될때까지 반복한다. 이 순환에서는 피막상에 심한 열적응력이 발생한다.

플라스마스 프레이에 의해 코우팅된 샘플들은 이 시험에서 1210회의 순환을 계속하였다. 세라믹 피막이 증착에 의해 적용된 샘플들은 파손없이 29,470회까지도 견디었고, 그 시험은 계속되었다. 이 실시예는 연마된 MCrAlY표면을 가지지 않았어도 본 발명의 것과 유사한 피막의 놀라운 성능은 나타냈으며 상기 주상세라믹 피막은 이 시험에서 플라스마스프레이된 피막의 것보다 약 20배의 수명을 갖는다.

다음실시예는, 표면산화와 주상세라믹 피막의 코우팅전에 MCrAlY표면을 연마하여 얻을 수 있는 개선을 나타낸 것이다.

[실시예 2]

MAR-M-200합금의 초경합금 샘플에 전기 실시예에서와 같이 NiCoCrAlY층을 5밀두께로 코우팅한후, 그 NiCoCrAlY피복샘플을 유리구슬로 피이닝하고 열처리하였던바, 그 샘플의 표면은 35-50마이크로인치 RMS의 거칠음을 가졌다. 그 열처리결과, NiCoCrAlY표면상에는 얇은 접착성의 알루미나피막이 형성되었다. 1조의 열처리된 샘플은 주상입자의 세라믹피막이 알루미나 피복된 NiCoCrAlY표면상에 직접접착하였다.

제2조의 샘플들은 6-14마이크로인치 RMS까지 표면거칠음을 감소시키기위해 600그릿트의 실리콘 카바이드종이로 기계적으로 연마하였다. 그 연마된 NiCoCrAlY샘플을 열처리하여(1080℃/4시간/H₂)알루미나층을 형성하였고, 실시예 1에 기술된 것과 동일한 조건하에, 산화이트륨으로 안정화된 산화지르코늄을 알루미나층위에 증착에 의해 5밀두께로 코우팅하였다. 이렇게하여 형성된 세라믹피막은 제2도에 도시된것과 통상 구별되지 않는 주상구조를 가졌다.

제2조의 샘플처리에서는 연마단계를 제외하고 동일한 방식으로 상기양 샘플들을 처리하였다. 제2조의 샘플들은 본 발명을 대표한다. 상기 샘플들은 실시예 1에 기술된 형태의 버어너장치에서 시험되었으나, 본 실시예에서는 가열순환시 피막에 보다 심한 응력이 생기도록 시험조건을 변경하였다. 상기샘플들은 2분간 1149℃로 가열하고 그 상태로 유지하였으며, 강력한 공기를 분사하여 2분내에 약 204℃로 냉각시키는 매우 심한 시험을 행하였다.

세라믹 피막을 코우팅하기전에 연마되지 않은 샘플들은 오직 54회만의 순환시험을 하였다. 전기실시예에서, 1010℃로 시험된 유사한 샘플들을 2900회 이상 계속 순환시켰던바, 1149℃순환에서 피막내구성이 심하게 손상됨을 알수 있었다. 세라믹 피막을 코우팅하기전에 연마된 샘플들은 1149℃시험을 7125회 계속 순환시켰다. 이 샘플은 연마되지 않은 샘플의 성능보다 약 130배 개선되었다.

실시예 1에서의 플라스마 스프레이된 피막은 이미 개발된 열차단 피막이다. 상기 두 실시예에 기재된 3개의 피막들의 상대적인 성능을 결합시킨바, 연마된 MCrAlY기재에 코우팅된 주상세라믹피막은 플라스마스프레이 세라믹 열차단피막보다 약 6×10⁴배의 수명을 가짐을 알 수 있다. 상이한 시험조건들 때문에, 이 비교는 정확한것이 아니지만, 본 발명피막의 잇점은 명백히 알수 있다.

Claims (1)

1. 초경합금기재(1)의 표면을 세정하고, 초경합금기재와 후술된 접착성 MCrAlY층(2)사이의 개재층을 사용하여 상기 세정된 표면에 접착성 MCrAlY층(2)을 코우팅하고, 상기 MCrAlY층위에 균일한 접착성 알루미나 피막층을 증착시켜 내구성의 세라믹 열차단 피막을 코우팅한 금속 제품을 제조하는 방법에 있어서,

   MCrAlY층(2)위에 알루미나층(4)을 증착시키기전에 MCrAlY층을 연마한후 주상입자의 세라믹 피막(5)을 알루미나층(4)에 증착시킴을 특징으로하는 내구성 세라믹열차단 피막을 코우팅한 금속제품의 제조방법.

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