KR920005786B1 - 개선된 점착성, 낮은 잔류 응력 및 개선된 내스포올링성을 갖는 열분무 피복 및 이 피복의 형성 방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

개선된 점착성, 낮은 잔류 응력 및 개선된 내스포올링성을 갖는 열분무 피복 및 이 피복의 형성 방법

제 1 도는 상부 블레이드가 본 발명에 따라 처리된 두 블레이드(blade)의 볼록면을 보여주는 사진.

제 2 도는 제 1 도에 보여진 상부 블레이드가 본 발명에 따라 처리된 두 블레이드의 오목면을 보여주는 사진.

본 발명은 개선된 점착성, 낮은 잔류 응력 및 개선된 내스포올링성(spalling resistance)을 갖는 기판상의 피복, 이 피복의 형성 방법 및 이에 의해 피복된 물품에 관한 것이다.

열분무 피복 방법은 공지된 것인데, 기판의 표면상에 피복될 재료의 분말로 이루어진 입자들은 열풍가스(hot gas) 본체에 도입되어 그 열풍가스에서 예컨대 용융 또는 열가소화에 의해서 그 입자들을 연화시키기에 충분히 높은 온도까지 가열된후, 열연화된(즉, 용융된) 입자들은 충분한 전체 시간동안 피복된 기판에 부딪쳐서 원하는 두께를 갖는 피복을 형성한다. 열풍가스 본체는 , 어떤 적당한 방법, 예컨대, 플라즈마 토치 피복 과정중에 달성되는 것과 같이 전기 아크에 불활성 가스를 통과시키거나, 또는 폭발건(D-gun)내에서 연료가스-산소 혼합물을 연소시킴으로써 형성될 수 있다. 열연화된 입자들은 기판상의 피복될 표면에 대해 투사되고 그 기판상에 피복되어, 겹쳐지고 얇은 렌즈모양 입자들 또는 스플래트(splat)들의 다수충으로 이루어진 피복을 형성한다. 분해없이 용융될 수 있는 것이라면 거의 모든 물질이 피복 입자로 사용될 수 있다. 대표적으로, 기판은 원하는 두께의 피복을 형성하는데 충분한 시간동안 플라즈마 토치 또는, D-건 또는 기타 열풍가스 발생 기구의 앞을 통과한다. 대표적인 피복 두께는 0.005 내지 0.05cm(0.002 내지 0.02인치)이지만, 일부의 적용에 있어서는 0.5cm(0.2인치) 이상으로 높을 수도 있다.

열분무 방법은 각종의 기판, 예컨대 절삭공구 등과 같은 작업면, 터빈 및 팬 블레이드(fan blade)와 같은 에어포일(airfoil), 터보 기계용 베인(vane) 및 보호판에 단단하고 강한 및/또는 아주 내마모성, 내산화성, 및/또는 내부식성 막을 형성하는데 있어서 아주 유용하다고 밝혀졌다. 그렇지만, 일반적으로, 열분무된 피복은 두가지 유형의 결점을 가진다. 한가지 유형(Ⅰ)의 결점으로서, 피복은 기판에 대해 우수한 정착력을 갖지 못하므로 피복과 기판 사이의 접촉면이 부서진다. 또다른 한 유형(Ⅱ)의 결점으로서, 피복 자체내의 층들 간에 분리가 생기고, 및/또는 피복내에 균열이 일어나고, 피복내에 높은 잔류 인장응력이 일어난다. 특정 유형의 피복들에 있어서는, 유형(Ⅰ)의 결점과 같이 부서지려는 경향때문에, 기판에 대한 피복의 결합을 향상시키려는 많은 연구가 행해져 왔다.

다음과 같은 세 유형의 결합이 열분무 피복을 위해 보고되었다. (1) 화학적(금속적) 결합 : (2) 기계적인 상호 결합 : 그리고 (3) 물리적 결합(판 데르 바알스의 힘). 일반적으로, 기계적 상호 결합 및 금속적 결합은 열분무에 의해 기판에 피복을 결합하는 대부분의 경우에 있어 물리적 결합보다 더 중요한다.

열분무 방법에 의해 형성된 피복막은, 열연화된 입자들의 기판에 대한 작용에 의해 형성된 다수의 겹쳐진 스플래트로 이루어진다. 잔류 인장 응력은 개개의 스플래트가 이들의 용융점 이상 또는 근처로부터 기판의 온도까지 냉각됨으로써 열분무 피복에서 생겨난다. 잔류 응력의 크기는 설비 매개변수(예컨대, 아크, D-건 또는 연속식 화염 분무 기구), 분말 입자가 가열되는 온도, 적층속도, 상대 기판 표면속도, 피막과 기판둘 모두의 열적 성질, 기판의 온도, 그리고 사용된 예비 냉각의 정도에 의존한다. 또한, 더 미세한 분말을 사용하는 것은 더 높은 잔류 인장 응력을 초래하지만, 이 인장 응력은 피복 매개변수들을 조절함으로써 제어될 수 있음이 밝혀졌다. 만일 기판의 온도를 실온 이상의 온도로 올리는 것이 가능하다면, 기판 및 피복 둘 모두는 열팽창에 있어서의 차이때문에 실온까지 냉각되므로, 피복의 응력 상태에 있어서 2차적인 변화가 일어날 수 있다. 또한, 잔류 인장 응력은 최소의 초기 두께 이상의 피복 두께에 의해서도 증가된다. 그렇지만, 증가 속도는 피복 매개변수 및 피복 재료의 함수이다. 또한 잔류 인장 응력은 결합 강도에 중요한 영향을 미친다. 피복은 보통 인장을 받고 있다.

주어진 피복이 주어진 기판에 대해 행해질때, 기판에 대한 피복의 점착력, 높은 피복 효율, 밀도 및 응력과 같은 피복에 있어서의 성질들을 최적화하는 처리 조건 및 매개변수들을 우선 결정하기 위한 일련의 시행을 당업자는 관례상 수행한다. 이와 같은 최적화 또는 시행착오 과정에 있어서, 열풍가스, 예컨대 플라즈마의 온도 및 상승되는 피복 입자의 온도는, 플라즈마 발생 장치내로의 분말 투입량을 변화시킴으로써 변화된다. 플라즈마 토치의 경우에 있어서, 플라즈마 온도는 아크를 발생하기 위해 사용된 암페어수 또는 전류를 증가시킴으로서 상승되고, 암페어수 또는 전류를 감소시킴으로써 내려가거나, 또는 플라즈마에 대한 인가전압은 가스 조성을 다양하게 함으로써 변화될 수 있다. D-건에 있어서, 열풍가스 온도는, 산소-탄소 비를 1.5 내지 1로 감소시키고 및/또는 희석제, 예컨대 도입된 비연소성 가스의 양을 연소성 가스, 예컨대 이용되는 아세틸렌 및 산소에 비례하여 증가시킴으로써 감소되고, 불활성 가스 희석제의 양을 감소 또는 배제시킴으로써 증가된다. 연속식 화염분무 기구에 있어서 ,열풍가스 온도는 유동량 및/또는 산소 대 연료 비율을 변화시킴으로써 제어될 수 있다. 최적 열풍가스 온도에 비해 더높은 온도의 열풍가스가 도입되면 더높은 양의 잔류 인장 응력이 피복에 생기게 되므로, 극단적으로 균열이 생기거나, 약해지거나 또는 파괴된 피복이 형성된다. 또한, 최적 열풍가스 온도이상에서 형성된 피복은, 산화물 내포물들을 더욱더 함유하게 되고 이용된 분말의 화학적 조성과 비교하여 화학적 조성에 있어서의 변화를 받게 된다. 부가적으로, 최적치 이상의 온도를 갖는 플라즈마의 연장된 발생은 전기 아크 플라즈마 토치가 사용될때에는 양극의 수명을 크게 감소시킬 수 있다. 최적 온도 미만의 열풍가스는 기판에 대한 낮은 점착력을 갖는 피복을 형성하므로, 이들 피복은 상기 언급된 유형(Ⅰ)의 결함을 가지게 된다. 최적 매개변수가 설정된후 피복은 제조물에 적용될 수 있다.

허용 가능한 수준의 점착력 및 잔류 응력을 나타내는, 특정 기판에 특정한 피복을 하기 위한 최적 매개변수가 아직까지 밝혀내지 못한 경우(존재하지 않음)가 있다. 이런 경우의 실시에 있어서는, 특정의 피복을 행하기 전에, 기판에 결합 피막을 입히는 것을 이용해 오고 있다. 대다수의 이러한 경우에 있어서, 허용 가능한 수준의 점착력 및 잔류 응력을 제공하기 위해 기판에 피복을 적절히 결합하는 것이 가능하다. 그러나, 결합 피막을 가하는 과정은 비용이 매우 많이 들고, 어렵고 또 시간을 많이 소모한다. 예를들어, 결합 피막은 결합 피막 입자들은 세척되어 피막 입자들로 재충전되어야 한다. 그밖에, 피복을 가하기 위한 별도의 열풍가스 발생 장치를 통과하는 동안 또는 이와 같은 열풍가스 발생 장치의 세척 및 재충전을 기다리는 동안의 결합 피복된 기판의 온도 변화는 부가적인 변수를 가져올 수 있으므로 새로운 문제를 야기하게 된다.

또한, 적당한 최적 매개변수가 밝혀질 수 없거나 또는 존재하지 않고, 또, 특정의 기판상에 가해진 특정 피복들의 점착력 및 잔류 응력의 원하는 수준을 달성하기 위한 적당한 결합 피막이 밝혀질 수 없는 경우도 있다. 이런 경우에 있어서, 이와 같은 기판에 이와 같은 피복을 충분히 결합하기 위해 이용 가능한 수단이 아직까지는 당업계에는 없는 것으로 여겨진다.

특정의 종래 기술을 살펴보면, 열분무 피복은 오랜동안 공지되어왔는데, 폭발 건 피복 방법은 미합중국 특허 제2,714,563호에 설명되어 있고, 플라즈마 토치 방법은 미합중국 특허 제2,858,411호 및 제3,016,447호에 설명되어 있고, 연료가스-산소 또는 연료가스-공기 연소에 의한 연속식 화염분무 방법은 미합중국 특허 제2,861,900호에 설명되어 있다. 이들 특허 문헌들을 본원에 참고로 인용하였다.

미합중국 특허 제3,914,573호는 향상된 피복을 형성하기 위해 마하 약 2의 속도로 피복재료의 입자를 함유하는 플라즈마 유동을 투시하는 전기아크 플라즈마 분무건을 설명하고 있다.

미합중국 특허 제3,958,097호는 증가된 피복 효율 및 더높은 분말 공급속도를 플라즈마에 제공하기 위하여 충격 다이아몬드의 형성을 초래하는 특정의 노즐 구조를 이용하여 기판상에 분말을 분무하는 고속 플라즈마 화염분무 방법을 설명하고 있다.

미합중국 특허 제3,988,566호는 자동 플라즈마 화염분무 방법 및 장치를 설명하는데, 이 방법에 있어 전류는 2차 가스에 의해 일어난 전류 감소를 보충하기 위해 조업개시 중에는 자동적으로 증가되고, 역으로 조업중지 중에는 감소된다.

미합중국 특허 제4,173,685호는 6 내지 18%의 붕소를 갖는 니켈기지합금 및 카아바이드를 함유하는 피복재료 및 이것으로부터 플라즈마 또는 D-건을 사용하여 얻은 피복에 대하여 설명하고 있다. 미합중국 특허 제4,519,840호는 코발트, 크롬, 탄소 및 텅스텐을 함유하는 피복 조성물 및 D-건 또는 플라즈마 토치 방법에 의한 피복 조성물의 피복에 대하여 설명하고 있다.

미합중국 특허 제3,935,418호는 외부적으로 조절가능한 분말 공급 도관을 갖는 플라즈마 분무건을 발표했는데, 분말은 건 노즐을 떠난후 화염에 가해진다. 미합중국 특허 제3,684,942호 및 제3,694,619호는 아크전류가 적당한 수단에 의해 제어될 수 있는 용접 장치를 설명하고 있다.

미합중국 특허 제2,861,900호는 물품에 표면 피복을 제공하기 위한 연속식 화염분무 장치를 설명하고 있다.

상기 언급된 종래의 특허 문헌들 중의 어느것도 단일 피복 재료를 사용하여 제 1 단계와 제 2 단계로 수행되는 열분무 피복 방법을 설명하지 않는데, 이 열분무 피복 방법에 제 1 단계에 있어서, 기판상에 충돌된 피복 입자들의 온도는 원하는 피복 두께 미만의 두께를 갖는 제 1 층이 제공되도록 제 2 단계시의 피막입자의 온도보다 실제적으로 높고, 제 2 단계에 있어서, 제 1 층에 충돌된 피복입자들의 온도는 제 1 단계에서의 열간 피복 입자들의 온도보다 실제적으로 낮다.

본 발명은 열연화된 입자들을 기판상에 투사하여 기판상에 다층 피복을 형성하는 열분무 방법에 관한 것으로써. 이 방법은 (a) 열풍가스 본체를 설정하는 단계 : (b) 상기의 열풍가스를 기판상에 투사 및 피복될 입자들과 접촉시키는 단계 : (c) 상기의 입자들을 상기의 열풍가스 내에서 그 입자들의 융점 이상의 온도까지 가열하는 단계 : (d) 가열된 입자들을, 기판상에 제 1 피복층을 형성하는데 충분한 시간동안 기판에 대하여 충돌시키는 단계 : (e) 상기 열풍가스 내의 입자들의 온도를 단계 (c) 의 온도 이하로 그러나 이들 입자의 융점 이상의 온도까지 감소시키는 단계 : 그리고 (f) 상기의 가열된 입자들을 상기의 제 1 층 상에 충돌시켜 기판에 대해 우수한 점착력을 갖는 전체 층을 형성하는 단계로 이루어진다. 바람직하게, 단계(c)에서의 입자들의 온도는 단계(e)에서의 입자들의 온도에 비해 최소한 10% 정도 더 높다.

여기에 사용된 제 1 층 및 제 2 층은 하나 또는 그 이상의 층들을 갖는 제 1 층 및 하나 또는 그 이상의 층들을 갖는 제 2 층을 각기 의미한다.

본 발명의 방법은 피복 입자들을 제 1 단계(단계 c)에서는 이들이 제 2 단계(단계 e)에서 가열되는 온도에 비해 최소한 10% 정도 더 높은 온도까지 가열되고, 기판상에 충돌하여 피복될 표면을 피복하는 제 1 층을 형성하여 달성된다. 제 2 단계에 있어서, 열풍가스의 온도는 제 1 단계에서의 열풍가스의 온도보다 더 낮은데, 바람직하게는, 피복을 형성하기 위한 최적 온도 또는 그 근처의 온도이다. 제 2 단계에 있어서, 연화된 입자들은 기판상의 제 1 층(들)상에 충돌하여, 제 1 층(들) 상에서 원하는 두께 또는 최적 두께와 제 1 층(들)두께 사이의 차이에 해당하는 두께를 갖는 제 2 층(들)을 형성한다. 다시말해서, 주어진 적용에 요구된 두께 또는 최적 두께에 해당하는, 제 1 층 두께와 제 2 층 두께를 갖는 층을 형성한다.

또한, 본 발명은 새로운 방법에 따라 피복된 기판들을 갖는 피복된 물품을 제공한다.

본 발명의 방법은 기판에 대한 개선된 점착력, 낮은 잔류 응력, 내스포올링성 또는 내균열성을 갖는 피복을 제공한다. 본 발명의 잇점은 기판들에 직접 가해진 피복 뿐만 아니라, 기판상의 결합 피박에 가해진 피복의 점착력을 향상시키고, 잔류 인장 응력을 낮추고 내스포올링성 또는 내균열성을 향상시키는데 유용하다. 결합 피막에 가해진 피복들의 경우에 있어서, 결합 피막은 완전히 배제될 수 있으므로 시간, 노동력 및 경비가 절약된다.

본 발명의 피복은, 폭발 건(D-건) 피복, 연속 식화염 분무 피복, 열플라즈마 토치 피복 또는 기타의 피복 방법과 같은 어떤 적당한 열분무 방법을 사용하여 기판에 형성될 수 있는데, 분말 형태의 피복 재료가 열풍가스와 접촉하여 가열된후, 기판상에 부딪치게 하는 어떤 적당한 열분무 기술을 사용하여 기판에 적용할 수 있다.

열 플라즈마 토치 방법에 있어서, 가스가 아크를 포함할 정도로 가스가 비소모성 전극들과 접촉 상태로 통과됨에 따라, 전기 아크는 두개의 이격된 비소모성 전극들 사이에 설정된다. 아클르 포함하는 가스 또는 플라즈마는 노즐에 의해 압축되어 높은 열량을 갖는 유출물이 된다. 분말화된 피복 재료는 플라즈마 토치내로 사출되고 노즐을 통해 투사되어, 피복될 표면상에 피복된다. 미합중국 특허 제2,858,411호 및 제3,016,447호의 실시예들에 나타난 이와 같은 방법은 적층된 피복을 형성할 수 있는데, 이 피복은 견고하고, 조밀하고 기판에 대한 점착력이 있다. 또한, 이렇게 피복된 피복층을 현미경 분속하면, 이들은 불규칙한 형상의 스플래트 또는 잎사귀 모양으로 이루어지는데, 이들은 상호 결합되어 있고 서로 기계적으로 결합되어 기판에 결합된다.

본 발명에 따른 방법은 제 1 단계에서의 실제적으로 더높은 열풍가스 온도는 토치의 전극들에 대한 동력 투입량을 증가시킴으로써 열 플라즈마 토치 방법을 통해서 얻어지며 제 2 단계에서 사용된 바와 같은 낮은 온도는 전극들에 대한 동력 투입량을 감소시킴으로써 얻어진다. 이것은 제 1 단계 및 제 2 단계에서의 전압은 일반적으로 일정하게 유지시키는 한편 제 1 단계에서는 더높은 전류를 사용하고 제 2 단계에서는 더낮은 전류를 사용함으로써 양호하게 달성된다. 또한, 토치 가스 조성을 변화(예, 수소 또는 헬륨의 부가)시키고 전압 및 전류를 모두 증가시키는 것도 가능하다. 제 1 단계에서의 동력 투입량은 제 2 단계에 비해 바람직하게는 약 20% 정도 크고, 가장 바람직하게는 약 30% 이상 크다. 예를들어 제 2 단계를 위한 동력 투입량이 9Kw라면, 제 2 단계보다 20% 더큰 제 1 단계를 위한 동력 투입량은 10.8Kw이고, 30% 더큰 동력 투입량은 11.7Kw이다. 상기에 주어진 예시에 있어서 제 2 단계에서의 전류는 59볼트에서는 약 153암페어가 되고, 제 1 단계를 위한 20% 더큰 전류는 59볼트에서는 약 184 암페어가 되고 제 1 단계를 위한 30% 더큰 전류는 59볼트에서는 약 199암페어가 된다. 주어진 열 플라즈마 분무 장치의 플라즈마에서 생성된 온도는 동력 투여량에 비례하므로, 제 2 단계에서의 플라즈마 온도보다 바람직하게는 20%, 가장 바람직하게는 30% 더 크다.

제 1 단계에서의 피복 두께는 엄밀하게 임계적인 것은 아니다. 그렇지만, 피복될 전체 표면을 완전히 피복해야 된다. 일반적으로, 제 1 단계에서의 피복 두께는 제 1 단계 및 제 2 단계에 걸쳐 피복된 전체 피복 두께중의 2% 내지 25%, 가장 바람직하게는 4% 내지 15%일 수 있다. 이들 두 단계에 걸쳐 피복된 피복의 전체 두께도 엄밀하게 임계적인 것은 아닌 것으로서, 이 두께는 주어진 적용에 요구된 성질에 기초하여 당업자에 의해 선택된다. 이들 두 단계에 걸쳐 피복된 피복의 전체 두께는 0.00508 내지 0.0508cm(0.002 내지 0.02인치)이지만, 일부의 적용에 있어서는 0.508cm(0.2인치)를 초과할 수도 있다.

이론적인 설명에 의해 한정되지는 않지만, 제 1 단계에서 보다 더 높은 열풍가스 온도때문에 더높으므로, 기판에 대한 피복의 더좋은 기계적 상호 결합은 제 1 단계에서 얻어진다고 믿어진다. 또한, 제 1 단계에서의 가열된 입자들의 평균 온도가 더 높으므로, 기판에 대한 증가된 용접 또는 화학적 결합의 피복이 생긴다고 믿어진다. 그러나, 제 1 단계에서 더 큰 피복이 달성되면, 더 높은 잔류 인장 응력이 전개된다. 본 발명은 제 1 단계에서 높은 온도로 입자스플래트의 제 1 층 또는 처음 몇개의 층들을 피복하여 더 높은 결합력 및 점착력을 향상하는 동시에, 제 2 단계에서는 원하는 두께를 갖는 층을 낮은 온도로 피복하므로써 높은 전류 인장 응력을 회피한다. 제 2 단계에서는 결합이 목적이 아닐 경우의 대개 바람직한 최적 피복 매개변수들을 이용한다.

예를들어 미합중국 특허 제2,714,563호에 나와있는 D-건 방법은, 각각의 폭발에 의해 기판상에 피복 서어클을 피복한다. 이 피복 서어클은 25mm(1인치)의 직경 및 수십 밀리미터(수십/1000인치)의 두께를 갖는다. 각각의 피복 서어클은 개개의 분말 입자들에 해당하는 매우 작은 스플래트로 구성된다. 이들 스플래트는 서로 맞물려져서 기계적으로 결합된다. 피복 증착에 있어 서어클들의 배치는 가해진 피복에서의 기판가열 및 잔류 응력을 최소화시키기 위해서 균일한 두께의 평탄한 피복을 형성하도록 주의깊게 제어된다.

D-건에서의 연소성 가스, 예컨대 연료가스의 연소에 의해 형성된 열풍가스의 온도는, 산소 대 탄소 몰비를 변화시키거나 및/또는 제어된 양의 비연소성 희석가스, 예컨대 질소, 알곤 등을 D-건 내로 도입함으로써 제어될 수 있다. 더 낮은 열풍가스 온도는 도입된 희석가스의 양을 증가시키거나 및/또는 산소 대 탄소의 몰비를 1.5 내지 1.0의 범위로 감소시킴으로써 달성되며, 더 높은 온도는 도입된 희석제 가스의 양을 증가시키거나 및/또는 산소 대 탄소 몰비를 1.5 내지 1.0의 범위로 증가시킴으로써 달성된다.

연속식 화염 분무방법에 있어서, 피복입자들의 흐름은 연료-산소 혼합물을 태움으로써 가열되고, 15.15m/sec(500ft/sec)이상의 속도 및 고온으로 피복될 기판의 표면을 향해 나아간다. 예를들어 미합중국 특허 제2,861,900호에 나와있는 이 방법은 실제적으로 비다공성인 텅스텐 카바이드 피복을 형성한다.

연속식 화염 분무장치에서 가스들의 연속적 연소에 의해 형성된 열풍가스의 온도는, 연료가스-산소비율을 변화시키거나 및/또는 가스유동율을 변화시킴으로써 제어될 수 있다. 더 낮은 열풍가스 온도는 가스유동율을 감소시키거나 및/또는 연료가스-산소 몰 비율을 화학양론적 비율에서 벗어나게 함으로써 달성될 수 있고, 더 높은 열풍가스 온도는 가스유동율을 증가시키거나 및/또는 연료 가스-산소 몰 비율을 화학양론적 비율이 되게 함으로써 달성된다.

본 발명의 피복은 거의 모든 어떠한 형의 기판, 예를들면 철 또는 강과 같은 금속기판 또는 탄소, 흑연 또는 중합체와 같은 비철금속 기판에 피복되어도 좋다. 다양한 환경에 사용되고 기판으로서 아주 적합한, 본 발명의 피복용 기판재료의 예는 예를들면 강철, 스테인레스강, 철기지합금, 니켈, 니켈기지 합금, 코발트, 코발트기지합금, 크롬, 크롬기지합금, 티타늄, 티타늄기지합금, 알루미늄, 알루미늄기지합금, 구리, 구리기지합금, 알루미나이드 니켈기지합금, 내화금속 및 내화금속기지합금을 포함한다.

보다 상세하게는, 본 발명에 따라 피복될 수 있는 피복은 Ti, Zr, Cr, V, Ta, Mo, Nb 및 W를 포함하는 내화금속 및 합금, 인코넬 718, 인코넬 738, 와스팰로이 및 A-286을 포함하는 Fe, Co 또는 Ni를 기본으로한 슈우퍼알로이, 17-4PH, AISI304, AISI 316, AISI 403, AISI 422, AISI 410, AM 350 및 AM355를 포함하는 스테인레스강, Ti-6Al-4V 및 Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo 및 Ti-8Al-lMo-1V를 포함하는 Ti 합금, 6061 및 7075를 포함하는 알루미늄합금, WC-Co 서어멧 및 A1203 세라믹이다. 상기 언급된 기판은 Materials Engineering/Materials Selector '82, (출판사 : Penton/INC, Pittway Corporation의 자회사, 소재 ; llll Chester Ave, Cleveland, Ohio 44114, USA) 및 Alloy Digest(출판사 : Alloy Digest, Inc., 소재 : Post Office Box 823, Upper Montclair, New Jersey)에 상세히 기술되어 있다. 또한, 온도를 견딜 수 있고, 그외의 열분무조건을 견딜 수 있는 어떤 기판도 본 발명의 방법과 피복제품에 사용될 수 있다.

과립상(분말상)의 적합한 피복재료는 예를들면 Si, Cu, W, Mo, Cr, Ta, Nb, V, Hf, Zr, Ti, Ni, Co, Fe 및 그들의 합금 및 합금원소 Mn, Si, P, Zn, B 및 C를 포함하는 그들의 합금을 포함한다. 열분무장치에 의해 분해되지 않고 연화 또는 용해될 수 있는, 원소와 합금중 어느 하나의 어떠한 합금도 실질적으로 사용될 수 있다. 플라즈마 토치, 연속화염 분무장치 및 D-건 피복에 사용된 분말 또는 입자는 5 내지 200미크론의 대표적인 입자크기를 가진다. 최적의 입자크기는 모든 입자들이 우수한 점착력을 줄 정도로 충분하게 연화될 수 있게 하고 입자들의 과도한 증기화를 허용하지 않는 입자라고 생각된다. 일반적으로, 납, 주석, 아연, 알루미늄 및 망간과 같은 저융점재료는 예를들면 최대 150미크론까지의 큰 입자크기를 가져도 되고, 크롬 텅스텐 및 텅스텐카바이드와 같은 고융점 재료는 치밀한 점착성 피복을 제조하기 위하여 약 50미크론이하가 사용된다. 그러나, 이들 크기의 예는 중요하지 않다. 단일 성분 분말의 균일한 가열과 촉진을 위하여, 가능한 좁은 입자크기 분포를 가지는 분말을 사용하는 것이 바람직하다.

열플라즈마 토치방법에 사용되는 불활성 가스는 알곤, 또는 질소 또는 ,그들과 수소 또는 헬륨과 혼합물 중 어느 하나 및 둘중의 혼합물을 포함할 수 있다. 실제적으로, 어떤 적합한 불활성 가스도 사용될 수 있다. 플라즈마 토치의 양극은 어떤 적절한 금속, 통상 구리로 만들어지고, 음극은 어떤 적절한 금속, 통상 토륨화 텅스텐으로 되어 있다. 불활성 가스는 음극 둘레를 흐르고, 집중 노즐로서 사용하는 양극을 통과하여 흐른다. 직류 아크는 전극들 사이에 유지되고, 사용된 아크전류 및 전압은 양극과 음극, 가스 흐름 및 가스 조성물의 설계에 따라 변한다.

아크에 의해 발생된 가스 플라즈마는 자유전자, 이온화 원자 및 약간의 중성원자로 이루어지고, 질소 또는 수소가 사용된다면 비화합 이원자 분자로 구성된다. 특정한 양극/음극배열, 가스밀도, 질량유동율 및 전류/전압에 의해서 플라즈마 온도와 가스 속도가 결정된다. 본 발명의 개선에서, 아크를 제공하는 전류/전압을 변화시킴으로써 편리하게 플라즈마 온도를 증가 또는 감소시킨다. 입자의 소성, 유동성 및 속도의 조합은 기판 표면에 충돌했을때 입자가 흘러서 기판 표면의 형상 또는 기판상에서의 앞서 피복 재료에 따라 주조되는 얇은 렌즈형상으로 되는데 필요하게 충분히 높다. 분말의 일부 또는 전부가 증기화되거나, 부분 증가화되도록 분말을 지나친 온도로 가열하지 않는 것이 바람직하다. 플라즈마 토치에 의해서 제조된 고온 플라즈마의 온도는 아크를 형성시키는데 사용된 전류의 양을 조절함으로써 아주 잘 조절된다. 어떠한 주어진 토치, 분말, 가스 유동율 및 조성에 대한 높은 전류는 더높은 온도를 초래하고, 낮은 온도는 낮은 전류에 의해서 생긴다.

1.016cm(0.4인치) 직경의 구멍을 가진 구리 양극 및 0.3175cm(0.125인치) 오리피스 및 0.304cm(0.12인치) 직경의 2% 토룸화 텅스텐 음극을 가진 전형적인 토치에서, 가압알곤 가스가 양극을 통과하고, 음극과 양극사이의 환상 공간에 노즐을 통과하며, 금속분말은 플라즈마 토치로 분사된다. 플라즈마와 분말은 기판을 향해서 분출한다. 이러한 장치는 상기의 최적 절차에 의한 주어진 피복 및 기판에 최적인 것으로 밝혀진 전류와 전압에서 작동할 것이다. 피복작업 전체에 걸쳐서 최적 전류를 사용하는 기판상에 생성된 피복은 타이프 Ⅰ파괴하에서 파괴되는 피복을 초래하며, 여기서 이 피복은 피복과 기판 사이의 계면을 따라서, 스포올링된다. 전류를 증가시킴으로써 전극에의 전력 입력을 증가시킴으로써 피복의 기판에의 점착을 증가시키려는 시도에 의해서, 높은 잔류 인장 응력을 가진 피복이 만들어졌고 이 피복은 균열, 스포올링이 발생하기 쉬운 단점이 있다. 본 발명은 상기의 최적 전류이상의 전류를 가하여, 최대의 원하는 두께의 일부에 하나 이상의 피복층을 적용함으로써 이들 문제점을 해소하였다. 통상 전류이상의 전류에서 피복될 전표면을 완전하게 덮는 스프레트의 층들을 형성시키는 하나이상 또는 몇번의 통과후에, 전류가 위에서 설명된 통상 전류로 감소하고, 피복의 나머지 두께에 낮은 전류에서 형성된다.

다음에 실시예가 제시된다. 실시예에서, 다음 용어들은 아래에 주어진 의미를 가진다 :

X-트래버스(X-traverse) : 피복되어지는 기판표면에 평행한 토치노즐의 속도.

표면속도 : 노즐을 지나는 기판의 상대속도.

스탠드오프 : 토치노즘에서 기판까지의 거리.

T.P : 토치압력[psig] 양극구멍에 공급되는 불활성가스의 압력.

D.P : 분말분배기압력[psig] 분말을 노즐에 공급하는 분말분배기내의 불활성 가스압력.

T.V : 양극과 음극사이 토치전압[V]

T.C : 전극에 가해진 토치전류[A]

S.P : 차폐압력[psig], 대기로부터 플라즈마를 차폐하는 플라즈마 주위의 불활성가스압력.

준비 : 4와 5이외의 다음의 실시예의 각각에서 피복된 기판을 1회 또는 2회 통과시 30psig에서 250미크론의 평균입자 크기를 갖는 알루미나 입자를 사용하여 우선 그릿-블라스팅하였다. 그리고, 이것들은 초음파 세척기에서 세척하여 느슨하게 부착된 알루미나 입자의 양을 감소시켰다. 그리고나서, 기판을 피복을 위해 준비하였다.

후처리 : 다음의 실시예의 각각에서 피복된 기판을 진공하에서 1079.5℃(1975℉)에서 후열처리하였다.

[실시예 1]

이 실시예에서, 기판은 12.25중량%, Ta, 10.5중량%, Cr, 5.5중량% Co, 5.25 중량% Al, 4.25중량% W, 1.75중량% Ti, 총중량%가 0.7785%인 Mn, Si, P, S, B, C, Fe, Cu, Zr 및 Hf와 잔량니켈을 함유하는 니켈기지합금으로된 버어너바이고 많은 양의 알루미늄이 니켈합금과 반응되는 가스상확산에 의해서 적용된 확산 알루미타이드피복으로 예비 피복되었다. 피복분말은 22중량% Co, 17중량% Cr, 12.5중량% 알루미늄, 총 1.25중량%의 Hf, Si 및 Y와 잔량 Ni을 함유하는 니켈기지합금이었다. 피복분말은 25미크론의 평균 입자 직경과 2미크론 내지 45미크론의 입자직경 분포를 가졌다. 이 실시예에서, 위에 설명된 제조처리 후에 버어너바아는 위에서 설명된 열플라즈마 분무 토치를 총 20회 통과시켜 피복되었다. 처음 2회통과(제 1 단계)는 200A(11.8Kw의 입력)에 작용하는 플라즈마 분무토치로 이루어지고, 나머지 10회 통과 즉 3 내지 20(제 2 단계)는 150A(8.85Kw의 입력)에서 행해졌다. 토치 특성과 변수는 아래에 주어져있다.

제 1 및 2단계 :

전압 59 내지 62V

양극구멍을 통과하는 가스량 290㎤/hr

분말공급량 20g/분

X-트래버스 0.2108cm/초(0.083인치/초)

스탠드오프 1.27cm(0.5인치)

표면속도 19050/분(75000인치/분)

제 1 단계 : T. P. D. P. T. C. S. P.

(2회 통과) 60 45 200 76

제 2 단계 : T. P. D. P. T. C. S. P.

(18회 통과) 57 42 150 76

제 1 단계층은 두께가 약 10미크론이었고 제 2 단계층은 두께가 약 110미크론이었다.

결과 피복된 기판은 4시간동안 진공하에서 1079.5℃(1975℉)에서 후열처리되었다. 결과 니켈기지합금 피복은, 기판 즉 가스상 피복에 의해 적용된 확산 알루미나이드 예비 피복을 갖는 니켈합금 버어너바아에 우수한 점착성을 나타내었고, 후열처리 전후에 낮은 잔류용력 및 높은 내스포올링성 및 내균열성을 가졌다. 대조적으로, 제 2 단계조건, 즉 150A 전류 입력하에 전체적으로 20회 통과시켜 동일한 형의 알루미나이드 예비 피복 니켈기지합금 버어너바아에 적용된 동일한 영의 니켈기지 피복은 알루미나이드 예비 피복 기판에 아주 불량하게 접착되었다.

[실시예 2]

(준비처리후의)실시예 1에서 피복된 동일한 형의 기판, 버어너바아는, 제 2 단계 조건이 아래와 같은 것 이외에는 실시예 1에서 설명된 것과 대략 동일한 조건을 사용하여, 실시예 1에서 설명된 피복 분말을 2회 통과시킴으로써 피복되었다. 20회 통과는 제 2 단계에서 이루어졌다. 피복된 버어너바아는 실시예 1에서 설명된 후열처리에 의해서 가공되었따. 그결과 피복은 후열 처리전후에 우수한 점착성, 낮은 잔류인장응력 및 우수한 내스포올링성, 내균열성 및 내박리성을 나타내었다.

[실시예 3]

실시예 1에서 설명된 버어너바아와 동일한 재료로 되어있고, 위에서 설명된 준비 처리한후, 실시예 1에서 설명된 버어너바아와 동일한 방법으로 알루미나이징된 기판, 터어빈 블레이드는 제 1 단계가 아래에 주어진 조건하에서 4회 통과로 이루어지고, 제 2 단계가 아래에 주어진 조건하에서 24회 통과로 이루어진것 이외에는 실시예 1에서 설명된 것과 대략 동일한 조건을 사용하여 실시예 1에서 설명된 피복분말로 피복되었다.

제 1 단계 : T. P. D. P. T. V. T. C. S. P.

(4회 통과) 60 45 59 200 76

제 2 단계 : T. P. D. P. T. V. T. C. S. P.

(12회 통과) 58 41 59 150 75

제 2 단계 : T. P. D. P. T. V. T. C. S. P.

(연속하여) 59 42 60 150 75

(12회이상통과)

피복후, 후열처리전에 블레이드상의 피복은 어떠한 박리 흔적도 보이지 않았다. 그리고, 피복된 블레이드를 후열처리하고 나서 육안으로 검사하고, 6배 내지 31배의 배율을 갖는 거시경으로 검사하였다. 피복은 블레이드에 매우 잘 점착된 것으로 관찰되었고, 박리의 흔적도 보이지 않았다. 또한 피복된 블레이드상의 피복은 낮은 잔류 인장응력과 내스포올링성, 내균열성 또는 내파괴성을 가지는 것으로 관찰되었다.

[실시예 4]

실시예 1에 설명된 버어너바아와 동일한 재료로 되어있고, 이 버어너바아와 동일한 방법으로 알루미나이징된 두개의 터어빈 블레이드는 240메시 3-18-87 C. T. K. 알루미나 그릿으로 그릿-블라스팅되고, 3-18-87 C. T. K. 오목한 측면상을 Scotch-Brite 휘일로 마멸되고 나서, 진동 최종연마기에서 처리되어 그릿-블라스팅으로부터 남아있는 어떠한 잔류산화물 그릿도 없게 되었따. 두 블레이드는 실시예 1에 설명된 피복분말로 피복되었다. 제 1 블레이드에 대한 피복조건을 아래에 주어진것 이외에는 실시예 1에서 사용된 조건과 동일하였다.

제 1 단계 : T. P. D. P. T. V. T. C. S. P.

(2회 통과) 60 45 59 200 76

제 2 단계 : T. P. D. P. T. V. T. C. S. P.

(32회 통과) 47 42 59 120 79

제 2 블레이드의 피복조건은 200A에서 통과가 사용되지 않은것 이외에는 상기와 동일하였다.(즉, 120A에서 총 34회 통과가 이루어졌다) 피복후에, 제 1 블레이드상에 어떠한 분리흔적도 없었으며, 제 1 블레이드는 200A(2회 통과)와 120A(32회 통과)의 종합상태에서 피복되었고, 제 2 블레이드상의 피복(단지 120A에서 34회 통과시켜 피복항)은 제 1 및 제 2 도에 도시된 바와 같이 블레이드 양측면이 들어 올려진 흔적이 있었다.

[실시예 5]

이 실시예에서, 기판은 각각 세로슬릿을 가지며, 탄소강판으로 된 두개의 응력 실린더이었다. 응력 실린더의 각각은 고착되어, 세로슬릿의 에지에 접했다 .두 응력 실린더는 실시예 1에서 설명된 피복 분말을 사용하여 0.01016cm(0.004인치) 두께로 피복되었다. 제 1 응력 실린더에 대해서, 피복은 실시예 1에서 주어진 조건하의 200A에서 플라즈마 분무 토치를 작동시켜서 입혀졌다. 제 2 응력 실린더는 실시예 1에 주어진 조건하에서 150A를 사용하여 피복되었다. 실린더용 고정수단의 각각을 풀어서 각 실린더의 세로에지를 분리시켜 세로슬릿을 만들었다. 슬릿의 폭은 실린더의 직경을 변경시켰고 각 실린더의 직경은 피복이 가해지기 전후에 측정되었다. 실린더의 직경을 변화시켜 피복의 잔류 인장응력의 레벨을 없앴다. 본 시험의 결과에 의해서 피복이 200A가 사용되었을때 더높은 잔류 인장응력을 가진다는 것이 밝혀졌다.

Claims (14)

1. 열연화된 입자들을 기판상에 투사하여 기판상에 다층 피복을 형성하는 열분무 방법에 있어서, (a) 열풍가스 본체를 설정하는 단계 : (b) 상기의 열풍가스를, 기판상에 투사 및 피복될 입자들과 접촉시키는 단계 : (c) 상기의 입자들을 상기의 열풍가스 내에서 그 입자들의 융점이상의 온도까지 가열하는 단계 : (d) 위와 같이 가열된 입자들을, 기판상에 제 1 피복층을 형성하는데 충분한 시간동안 기판에 대하여 충돌시키는 단계 : (e) 상기 열풍가스 내의 입자들의 온도를 단계 (c)의 온도 이하로 그러나 이들 입자이 융점이상의 온도까지 감소시키는 단계 : 그리고 (f) 상기의 가열된 입자들을 상기의 제 1 층 상에 충동시켜 기판에 대해 점착력을 갖는 전체층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 단계(c)에서의 입자들의 온도는 단계(e)에서의 입자들의 온도보다 최소한 10% 만큼 더 높은 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 두개의 비소모성 전극들 사이에 전기아크를 사용하여 이 아크를 가스흐름으로 둘러싸서 열풍가스를 설정하기 위해서 단계(a)에서는 열 플라즈마 토치 방법이 사용되고, 플라즈마의 온도는 전극들에 대한 동력 투여량을 변화시킴으로써 변화되는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제 3 항에 있어서, 단계(c)에서의 열플라즈마 토치를, 위한 동력 투여량은 단계(e)에서의 열플라즈마 토치를 위한 동력 투여량보다 20% 만큼 큰것을 특징으로 하는 방법.
5. 제 4 항에 있어서, 단계(c)에서의 열플라즈마 토치를 위한 동력 투여량은 단계(e)에서의 열플라즈마 토치를 위한 동력 투여량보다 30% 만큼 큰것을 특징으로 하는 방법.
6. 제 3 항에 있어서, 단계(c)에서의 열플라즈마 토치를 위한 동력 투여량은 12Kw이고, 단계(e)에서의 열플라즈마 토치를 위한 동력 투여량은 9Kw인 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제 3 항에 있어서, 단계(c) 및 (e)에서의 전극들을 가로지르는 가스들의 조성 및 가스 유동율은 일반적으로 일정하고, 단계(c)에서의 전극들에 공급된 전류는 단계(e)에서의 전극들에 공급된 전류보다 20% 만큼 큰것을 특징으로 하는 방법.
8. 제 6 항에 있어서, 단계(c) 및 (e)에서의 전극들을 가로지르는 가스들의 조성 및 가스 유동율은 일반적으로 일정하고, 단계(e)에서의 전극들에 공급된 전류는 단계(e)에서의 전극들에 공급된 전류보다 30% 만큼 큰것을 특징으로 하는 방법.
9. 제 7 항에 있어서, 열플라즈마 토치의 전압은 59볼트이고 단계(c)를 위한 열플라즈마 토치에서의 전류는 200암페어이고 단계(e)를 위한 토치에서의 전류는 150암페어인 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제 1 항에 있어서, 연소성 가스의 연소를 이용함으로써 열풍가스를 설정하기 위해 단계(a)에서는 폭발건 적층 방법이 사용되고, 열풍가스의 온도는 연소성가스를 비연소성 가스로 희석시킴에 의해서 변화될 수 있음을 특징으로 하는 방법.
11. 제 1 항에 있어서, 연소성 가스의 연소를 이용하므로써 열풍가스를 설정하기 위해 단계(a)에서는 폭발건 적층방법이 사용되는데, 이 연소성 가스는 탄소함유 가스와 산소의 혼합물이고 열풍가스의 온도는 산소 대 탄소의 몰비를 1.5 내지 1의 범위로 변화시킴으로써 변화될 수 있음을 특징으로 하는 방법.
12. 제 11 항에 있어서, 열풍가스의 온도는 연소성 가스를 비연소성 가스로 희석시킴에 의해서 변화될 수 있음을 특징으로 하는 방법.
13. 제 1 항에 있어서, 연소성 가스의 연소를 이용하여 열풍가스를 설정하기 위해 단계(a)에서는 연속식 화염분무 피복방법이 사용되는데, 이 연소성 가스는 탄소함유 가스와 산소의 혼합물이고 열풍가스의 온도는 전체가스 유동율을 변화시키거나 또는 산소 대 탄소의 몰비를 1.5 내지 1.0의 범위로 변화시킴으로써 변화될 수 있음을 특징으로 하는 방법.
14. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 기판은 니켈기지합금, 코발트 코발트기지합금 및 철기지합금으로부터 선택된 합금임을 특징으로 하는 방법.

Images