KR930008927B1 - 이중 보호 피복물을 갖는 강철제품과 그 제조방법 - Google Patents
이중 보호 피복물을 갖는 강철제품과 그 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
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Description
제 1 도는 블레이드 표면에 접착된 이중 알루미늄-세라믹 보호 피복 시스템을 도시하는 본 발명의 복합가스 터빈 엔진 압축기 블레이드의 부분 단면 사진(100배).
제 2 도는 니켈-카드늄 1차 피복에 세라믹 피복물이 덧칠된 이중 피복물을 도시하는 제 1 도의 것과 유사한 다른 압축기 블레이드의 사진(500배).
제 3 도는 ASTM B117염 분무 실험에 227시간 노출시킨 후의 방청 스크래치를 도시하는 제 2 도의 압축기 블레이드의 사진.
제 4 도는 제 3 도의 실험 조건에 노출시킨 후의 스크래치와 녹을 도시하는 무금속 초벌인 세라믹 피복물을 갖는 가스 터빈 엔진 압축기 블레이드의 사진(약 1.6배 확대).
제 5 도는 본 발명의 초벌 입히기가 없을 때 녹 확장의 정도를 도시하는 스크래치 영역내의 제 4 도의 사진의 확대 사진(약 12배).
[발명의 분야]
본 발명은 일반적으로 야금 기술의 부식 방지 분야에 관한 것이며, 보다 상세하게는 이중 보호 피복물을 갖는 강철 가스 터빈 엔진 부품과 같은 신규의 내식성 복합 제품 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
[발명의 배경]
공업용 및 선박용 가스 터빈 엔진의 강철 부품은 사용중에 여러가지 작동상태, 특히 주위 대기에 노출된다. 압축기 블레이드 및 기타 이러한 부품이 비교적 다량의 크롬을 함유하고 일반적인 내식성 성질을 갖는 것에도 불구하고, 여러가지 상태하에서 엔진에 흡입된 공기는 그것들을 부식 및 마멸시키는 성분을 갖는다. 따라서 그러한 부식 침해에 대비하여 보호 피복물이 제공되었으며, 여러가지 금속 피복물이 제안 및 시도되었지만, 경제적, 기술적 이유로 인하여 어느것도 만족시키지 못하였다. 또한 세라믹 피복물이 제안되었지만, 그 피복물은 정상 가스 터빈 엔진 작동시에 부스러져서 파손되어, 하면의 강철 표면을 노출시켜 부식시키기 때문에 그러한 문제를 해결하지 못하였다.
[발명의 요약]
본 발명에 의하여, 하기에 상세히 기술된 새로운 개념과 실험에 근거하면, 유해한 환경하에서 작동하는 가스터빈 엔진의 압축기 블레이트와 기타 마르텐사이트계 강철 부품의 부식 문제는 해결되었다. 부식성이 있는 주위 공기로 작동하는 상태하에서 사용 수명을 연장하기 위하여 그러한 부품에 필요한 내식성을 제공하는 것이 가능하다. 또한, 이러한 결과는 적절한 비용으로 그리고 파생적으로 발생하는 중요한 단점이 없이 얻어질 수 있다.
실질적으로, 본 발명은 세라믹 피복물을 사용하는 것과 기재 제품의 표면과 마찬가지로 세라믹 덧칠에 접착된 금속성 재료의 희생 초벌(sacrificial undercoat)을 제공하므로써 그러한 피복물의 부스러지기 및 파손을 해결하는 새로운 개념에 입각한 것이다. 상기한 방식으로 피복된 압축기 블레이드 또는 기타 스테인레스 강철 부품의 표면은 세라믹 덧칠에 의하여 주이 공기에 일단 노출되지 않으며, 희생 금속성 층이 손상되지 않고 남아있는 한 세라믹 덧칠의 부스러지기 및 파손에도 불구하고 보호될 수 있다.
희생 초벌이 세라믹 덧칠의 파손으로 인하여 노출되면, 그 금속성 초벌에 의하여 부식 작용을 진행시키는데 오랜 시간이 걸린다는 것을 발견하였다. 또한, 심지어 초벌의 침투 이후에도 인접 영역에 있는 희생 금속성 재료가 부식 침해로부터 강철 기재의 노출 표면을 보호하는 작용을 하는 것을 알 수 있다.
또한, 희생 금속성 피복물이 매우 얇거나, 제작 또는 사용중에 발생된 1/16인치(0.6㎝)와 같이 큰 너비의 결합 또는 구멍을 가지더라도 이러한 확장된 차폐 보호 효과가 얻어지는 것을 알 수 있었다.
또 다른 개념은, 희생 초벌용으로 기전력(electromotive force series)으로 철 위에서 견디는 어떤 적절한 금속 또는 금속 합금을 사용하는 것이다. 물론, 이것은 나트륨, 컬륨과 같은 고 반응성 금속을 포함하지 않지만 알루미늄, 아연, 카드늄 그리고 마그네슘, 및 전위열(電位列)내에서 철 보다 활성이 높은 합금성분을 가지므로써, 본 발명의 희생목적을 수행할 수 있다.
또한, 희생 초벌이 일반적으로 여러가지 방식으로 적용되어도 양호한 결과를 갖는 것을 알았다. 그래서, 니켈-카드늄과 니켈-아연 초벌은 최소한의 비용으로 양호한 피복과 접착을 갖는 희생 초벌을 제공하기 위하여 전기 도금된다. 이와 유사한 양질의 알루미늄 초벌이 건조, 열처리 그리고 그리트 블래스팅(grit blasting) 또는 버어니싱(burnishing)이 따르는 담금(dipping), 분무 또는 브러싱에 의한 알루미늄 페인트를 사용하여 제작되므로써, 입자성 금속 잔부를 강화하고 금속 기재의 표면과 전도 접촉하여 밀착된 알루미늄체를 발생시킨다. 이러한 목적을 위한 기타 침착 기술은 플라즈마 및 불꽃 스프레이. 스퍼터링, 이온 증착(IVD), 물리적 증착(PVD) 그리고 화학적 증착(CVD)을 포함한다.
본 발명의 효과와 장점이 약 0.2mil 정도의 얇은 피복물과 필요에 따라 상당한 두께의 피복물에 의하여 얻어질 수 있으므로, 희생 금속 피복 두께는 일반적으로 중요하지 않다.
또한, 세라믹 덧칠은 1966년 4월 26일 알렌에게 허여된 미합중국 특허 제 3,248,251호에 상세히 기술된 방법에 의하여 적용될 수 있다. 일차 합성 세라믹 덧칠은 제 2, 제 3 피복물에 의하여 폐쇄 및 밀폐되며, 필요에 따라 각 피복단계에 뒤이어 건조 및 경화 단계를 실시한다.
마지막으로, 세라믹 피복 제품(일반적으로 540℃ 또는 그 이상)과 스테인레스 강철 피로에 대한 저항성 보유력(약 320℃ 이하)의 상층하는 온도 조건은 양립하는 양호한 극복할 수 있는 것을 알았다. 특히, 상기 특허의 공정중에서 건조 및 경화 단계의 온도를 약 320℃(600℉)이하, 적합하게는 260°내지 288°(500℃ 내지 550℉)이하 까지 제한하므로써, 쇼트 피닝(shot peening) 또는 기타 적절한 냉간 처리에 의한 제조 과정에서 확립된 스테인레스 강철 기재의 피로 저항을 희생시키지 않고 양호한 세라믹 덧칠이 제공될 수 있는 것을 알았다.
폭넓게 일반적으로 기술된 본 발명의 압축기 블레이드와 같은 새로운 마르텐사이트계 스테인레스 강철 제품은 희생 금속 초벌과 보호성 세라믹 덧칠로 이루어지는 이중 피복물을 가지며, 두 피복물은 서로 결합되며 초벌은 단일 합성물을 제공하기 위하여 블레이드의 표면에 결합된다.
일반적인 표현으로 기술되어 있지만, 본 발명의 방법은 가스 터빈 엔진 압축기 블레이드를 제공하는 단계와, 상기 블레이드의 표면상에 최소 두께의 연속 희생 금속 피복물을 형성시키는 단계와, 상기 희생 금속 피복물에 세라믹 피복물을 형성하여 결합시키는 단계를 포함한다.
본 기술분야에 숙련된 자가 본원 명세서의 일부를 형성하는 첨부 도면을 고찰하므로써 본 발명을 더욱 양호하게 이해할 수 있다.
[발명의 상세한 설명]
본 발명을 양호한 형태로 실시하는데 있어서, 403 스테인레스 강철재 가스 터빈 엔진 압축기 블레이드의 깨끗한 표면은 우선적으로 연속한 비교적 많은 희생 금속 피복물이 제공된다. 상술된 바와같이, 상기 목적을 위하여 니켈-카드늄 피복물이 사용되며 약 0.2 내지 0.4mli, 적합하게는 0.3mil의 두께로 전기도금된다. 그후, 피복된 단단한 초벌은 본원에 참조로써 합체된 1966년 4월 26일자로 샤롯트 알렌에게 허여된 미합중국 특허 제 3, 248,251 호에 기술된 방법에 의하여 세라믹으로 덧칠된다.
다른 처리로써, 희생 금속 초벌은 일반적으로 사용되는 불꽃 또는 플라즈마 스프레이 기술에 의하여 제공될 수 있거나, 또는 적합하게는 그리트 블레스팅에 의하여 준비된 기재 표면에 금속성 페인트를 칠하고, 그후 경화시키기 위하여 건조 및 가열하고 그리고 금속 분말을 글래스 비드 블래스팅(glass bead blasting) 법으로 금속 표면과 접촉시켜 단단히 강화시킨다. 통상, 본 발명의 목적을 위하여 최소한 약 3mil 두께의 적절한 금속 피복물을 얻기에는 한가지 적용만으로 충분하다.
세라믹 재료의 보호성 덧칠에 희생 금속 피복물을 결함시키는 것은 덧칠을 수행하는 방법이 본원에 기술된 것과 같이 되면 문제가 되지 않는다. 그래서 그것이 칠하여지면 초벌이 세라믹을 수용하여 침착 제품상의 적소에서 덧칠을 단단히 고정시키는 상호 부착 효과로 잡착된다. 세라믹 덧칠의 접착을 단단히 고정시키기 위하여 필요에 따라 희생 금속 피복물의 표면을 그리트 블래스팅으로 거친 가공하는 것이 적합하디.
본 발명은 하기의 실시예에 의하여 종래 기술로부터 구분되지만, 실제적인 실시예로써 제한하지는 않는다.
[실시예 1]
A1S1 403 스테인레스 강철재 시편 가스 터빈 블레이드가 세척되고나서 약 0.3mil의 균일한 두께로 니켈-카드듐 합금을 전기 도금시키고 전기 도금된 표면을 거칠하기 위하여 그리트 블래스트 가공하며, 다시 약 3mil의 균일한 두께로 세라믹제를 덧칠한다. 세라믹 덧칠은 시편을 표 1에 기술된 혼합물 슬러리에 함침시키므로써 제공되며, 슬러리 덧칠을 320℃(600℉)에서 1시간동안 건조 및 가열한다. 이 경우에 있어서, 세라믹은 인-크롬산 용액(50% 농축 인산과 50% 포화 크롬 3산화물)을 사용하여 8번 함침시켜 경화된다. 각각의 합침후에 시편을 320℃에서 한시간 동안 건조 및 가열한다. 표면 다듬질 필요 조건을 얻기 위하여 함침 동안에 가볍에 연마된 이중 피복물을 프로필미터(profilemeter)상에서 Ra-8 마이크로인치로 측정된 스무스 브라운 글래시 다듬질(smoth brown glassy finish)을 갖는다. 시편은 ASTM B117 염 분무 실험에서 200시간 경과하여도 표면에 녹이 발생하지 않았다.
[표 1]
세락믹 덧칠 스러리 혼합물
[실시예 2]
실시예 1의 것과 유사한 A1S1 스테인레스 강철재 시편 가스 터빈 엔진 압축기를 블레이드를 약 0.3milmil 두께로 니켈-카드늄 전기 피복하여, 그리트 블래스트 처리를 하고 나서 약 3mil의 균일한 두께의 세라믹체로 덧칠한다. 슬러리가 알루미늄 대신에 산화지르코늄을 함유하고 함침 처리 대신에 분무되는 것을 제외하고는, 실시예 1의 처리가 사용된다. 이중 피복된 시편을 탄화물공구로 스크래치하여 227시간동안 ASTM B117 염 분무 실험을 받지만, 제 3 도에 도시된 바와같이 그 결과는 블레이드의 부식이 없다.
[실시예 3]
실시예 1과 2의 압축기 블레이드 시편의 모조품을 동일한 방법으로 실험한 결과, 제 4 도와 제 5 도에 도시된 바와같이 시편이 부식되었다. 실시예 1과 2의 시편과는 달리, 상기 시편은 금속 초벌이 제공되지 않았고, 두께, 혼합물 및 적용방법에 대하여 실시예 2와 동일한 세라믹 피복물만 갖는다.
[실시예 4]
최근, 실시예 2에 기술된 바와같이 제공된 니켈-카드늄 초벌과 세라믹 덧칠을 갖는 가스 터빈 흡입 가이드 베인을 상이한 두 장소의 엔진에 설치, 사용하여, 본 발명의 분야에서 실험이 이루어졌다. 압축기내 모든 베인중에서 흡입 가이드 베인이 가장 심각한 침해를 입었음에도 불구하고, 본 발명을 적용시킨 블레이드는 1000시간 이상의 가동에도 부식 흔적을 보이지 않는 것이 측정되었다.
[실시예 5]
실시예 1의 시편과 동일한 실험 시편 표면상에 알루미늄 함유 페인트(미합중국 펜실베니아에 소재하는 코팅스어브 인더스트리에 의하여 옐시일 518로 시판)를 분무시켜 알루미늄 바탕 피복물을 제공하였다. 이후 시편은 1시간동안 260 내지 290℃(550 내지 550℉)까지 가열되고 나서, 페인트 잔분의 알루미늄 입자를 연속 시트로 강화시켜 마텐사이트계 강철 기판과 접촉하여 전도 덮개를 제공하기 위하여 산화 알루미늄으로 글래스 비드 블래스트 처리를 하였다. 그 다음, 유기 부형제를 갖는 인산-크롬산염 혼합물이 엘시일 제품 데이타 설명에 따라 일차 피복물상에 칠하여지고, 시편을 수시간동안 약 500°-550℉을 건조 및 가열시킨다. 그후 세라믹 덧칠에 상기 처리를 가하여 실시예 2의 슬러리 형성물을 제공한다. 얻어진 제품은 제 1 도에 도시되어 있다.
상기 기술된 ASTM B117 염 분무 실험은 표준 과정에 따라 처리되며, 실험 시편을 5%의 수용성 염화나트륨 물방울로 구성된 연무로 각각 처리하고, 연무 침전율은 80평방 센티미터에 대하여 시간당 1 내지 2입방 센티미터이며 온도는 227 시간의 실험 기간동안 30℃(95℉)로 유지된다. 비보호된 A1S1 403 스테인레스 강철의 급격한 침해로 녹을 발생시키기 때문에 특히 유용한 것으로 인식되므로 상기 목적을 위하여 상기 실험이 선택되었다.
본 명세서와 첨부된 특허청구에 있어서, 백분율, 비율 또는 비례가 부호로 나타내어지며, 그것은 따로 명기하지 않는한 중량을 기초로 한다.
Claims (10)
- 강철 기판체와 그곳에 접착된 이중 보호 피복물을 포함하며, 상기 피복물은 희생 금속 초벌과 세라믹 재료의 덧칠을 포함하는 것을 특징으로 하는 내식성 복합 제품.
- 제 1 항에 있어서, 상기 기판체는 가스 터빈 엔진 부품인 것을 특징으로 하는 내식성 복합 제품.
- 제 1 항에 있어서, 상기 기판체는 가스 터빈 엔진 압축기 블레이드이며, 희생 초벌은 알루미늄, 아연, 가드늄, 마그네슘 및 그 합금으로 구성된 그룹에서 선택된 금속인 것을 특징으로 하는 내식성 복합 제품.
- 제 3 항에 있어서, 상기 희생 초벌은 니켈-카드늄 일차 피복물인 것을 특징으로 하는 내식성 복합 제품.
- 제 3 항에 있어서, 상기 희생 초벌은 알루미늄인 것을 특징으로 하는 내식성 복합 제품.
- 제 3 항에 있어서, 상기 금속 초벌은 2mil 이하의 균일한 두께인 것을 특징으로 하는 내식성 복합 제품.
- 제 4 항에 있어서, 상기 니켈-카드늄 일차 피복물은 0.2 내지 0.4mil 사이의 두께인 것을 특징으로 하는 내식성 복합 제품.
- 블레이드를 부식성 분위기에서 사용할 수 있도록 이중 보호 피복물을 갖는 강철 가스 터빈 엔진 압축기의 블레이드 제조 방법에 있어서, 액체 부형제 안에서 알루미늄 입자 슬러리로 블레이드를 피복하는 단계와, 상기 피복된 피복물을 건조하는 단계와, 상기 피복물을 연마하여 블레이드 표면과 전기 전도성으로 접촉시켜 알루미늄 입자를 응집체로 경화시키는 단계와, 세라믹 피복물로 블레이드상에 알루미늄 일차 피복물을 덮는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 8 항에 있어서, 상기 슬러리는 알루미늄 입자가 참가된 크롬산과 인산으로 구성되며, 상기 연마 단계는, 미립자 알루미늄 피복물을 글래스 비이드 블래스팅하는 것으로써, 알루미늄 일차 피복물상에 다공성골격 세라믹체를 형성하여 세라믹 덮개를 제공하는 단계와, 가열되면 산화물로 전환될 수 있는 크롬 화합물 용액으로 상기 다공성 세라믹체를 함침시키는 단계와, 상기 피복된 함침 세라믹체를 건조 및 경화하는 단계와, 상기 세라믹체를 경화 및 농축시키도록 상기 함침 및 경화 단계를 반복하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 9 항에 있어서, 각각의 경화 단계는 크롬 화합물의 산화물 변환이 완료될 때까지 상기 함침 다공성 세라믹체를 260 내지 290℃ 사이의 온도로 가열하여 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
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