KR940001311B1 - 마모성 밀봉재와 그의 내식성 개량방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

마모성 밀봉재와 그의 내식성 개량방법

제1도는 원주방향의 마모성 밀봉구조물을 도시하는 단면도.

제2도는 제1도에 도시된 밀봉재의 마모성 재료부분에 대한 상세도.

제3도는 내식성을 부여하기 위해 얇은 세라믹과 금속층을 갖춘 플라즈마 스페레이된 용착부인 상기 마모성 재료의 한 부분을 도시한 현미경 사진도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

20 : 회전금속 구조물 22,24 : 핀

26 : 회전금속 구조물의 외주 28 : 중심선

32 : 원주표면 34 : 마모성 밀봉재

38,40 : 홈부 36 : 핀 사이의 구역

18 : 얇은층 L : 얇은층의 두께

T : 마모성 밀봉재의 두께

본 발명은 다공질 금속구조물에 관한 것으로, 특히 터어빈 기계류의 마모성 밀봉재로 유용하게 사용되는 다공질 금속구조물에 관한 것이다.

마모성 밀봉재는 터어빈 기계장치에 사용되어 회전날개와 이 회전날개를 둘러싸는 케이스 구조물 사이에 매우 좁은 틈을 유지한다. 이와 같은 마모성 밀봉재는 고속으로 회전하는 회전부품과 접촉할때 조각조각 부서져 분해되는 재료로 구성된다. 이런 마모성 재료로는 리그니 등의 미합중국 특허 제3,879,831호, 코덴등의 제3,084,064호 그리고 브래들리 등의 제4,257,735호 등에서 언급된 바와 같이, 일반적으로 특수한 성질들을 가져야 한다. 즉, 마모성 밀봉재는 미세한 입자들을 수반하는 고속의 개스류로 부터 부식에 대해 저항 할 수 있는 동시에 고속의 날개팁 또는 꽉끼어지는 회전샤프트 밀봉재의 예리한 가장자리와 접촉될시 상기 부품들을 거의 손상시키지 않게끔 분해될 수 있어야 한다. 이와 같은 특성은 엔진의 회전부품과 상기 마모성 밀봉재를갖는 주위의 케이싱이 때때로 서로 상당히 근접될 수 있기 때문에 매우 바람직하다. 회전부품과 케이싱의 상호접근이 원주주변에서 국부적으로 일어날 경우, 상기 회전부품과 케이스의 원주를 따른 다른 구역 사이의 틈이 커져서 누출이 증가되면 안되기 때문에, 모든 마모는 마모성 밀봉재에서 전적으로 발생되는 것이 바람직하다.

개스터어빈 엔진의 합축기 부품에 사용되는 마모성 밀봉재 일반적으로 540°C 또는 그 이하의 온도에서 사용되므로 통상적으로 금속을 주성분으로 구성된다. 예로, 밀러에 의한 미합중국 특허 제3,350,178호에서는 불완전한 중합체와 금속입자를 결합하여 이 덩어리를 적당히 소결함에 의해 다공질 금속구조물을 제조하는 방법이 설명된다. 사실 멀지 않아 소결된 분말금속의 제품이 엔진에도 사용될 수 있을 것이다. 다른 현태의 밀봉재로는 펠트형 구조를 갖는 금속섬유질 매트(mat)가 전술한바 있는 브래들리 등에 의한 특허와 마태등에 의한 미합중국 특허 제3,701,536호, 에릭슨에 의한 제4,139,376호 및 막코마스 등에 의한 제4,273,824호에 설명되어 있다. 몇몇 경우에 있어선, 섬유금속형이 분말금속제품에 비해 제조된 와이어 구조물의 연속성이 크기 때문에 더 바람직하다. 인용되는 특허에서 설명된 바와 같이, 상기와 같은 섬유금속 구조물은 10-50퍼센트 범위, 좀더 바람직하게는 14-35퍼센트 범위의 밀도를 가지나, 예리한 가장자리에 사용될 목적으로는 14-23퍼센트 범위의 밀도를 갖는다. 따라서, 섬유금속 밀봉재는 본 발명의 스프레이된 분말금속보다 덜 조밀한 경향이 있다. 사실, 스프레이된 분말금속 밀봉재를 상기와 같은 낮은 밀도로 효과적으로 적용시키도록 제조하는 것은 거의 불가능하다.

마모성 밀봉재는 플라즈마(plasma) 아아크 분사에 의해 제조되는데, 본 발명에서는 이와 같은 종류의 밀봉재가 제안된다. 마모성 재료의 플라즈마 아아크 분사는 고우덴 등에 의한 특허에 설명되어 있다. 사용자에 따라 상술한 마모성 밀봉재료에 대한 그들의 선호도도 다르다. 일반적으로, 분말재료로 제조되는 밀봉재료가 바람직한데, 그 이유로는 분말금속을 다양한 조성으로 손쉽게 이용할 수 있을 뿐만 아니라 비용 또한 섬유금속보다 저렴하기 때문이다. 여러 가지 종류의 밀봉재에서는 그 성능에 따른 기술적인 차이가 있는데, 본 발명에 따라 스프레이된 분말금속으로써 제조된 밀봉재의 결점이 해소되었다.

본 출원인 및 몇몇 사람들에 의해 1983년 12월 27일 출원된 특허 출원번호 제565,542호는 플라즈마 아아크 스프레이 니크롬 분말과 폴리메틸 메타아크릴레이트 분말에 의한 다공질 금속 마모성 재료의 제조방법을 설명했다. 상기 출원에 언급된 밀봉재료는 금속분말과 불안정한 중합체 분말을 기체에 분사하는 플라즈마 아아크 스프레이에 의해 제조할 수 있는 일반적인 종류의 재료를 개량한 것이다. 이때, 상기 중합체를 축출하기 위하여 가열시키는데 ; 80 Ni 20 Cr 금속이 분산된 경우, 결과로서 생기는 구조물은 모금속의 약 26-40퍼센트의 밀도를 갖는다.

이와 같은 형의 스프레이된 금속은 가공 및 정제를 연속해서 처리해야 하지만 비용이 저렴하므로 매우 유용하게 사용될 수 있다.

상기의 스프레이된 밀봉재가 일반적으로 상술한 기능을 수행할 때, 예리한 가장자리의 꽉끼는 밀봉재에 있어서 밀봉재가 그의 침적 장소로부터 너무 일찍 사라지는 경향이 있음을 발견했다. 이와 같은 현상은, 브래들리 및 마태등의 특허에 설명되어 있는 바와 같이, 밀봉재가 회전하는 칼날과 접촉하는 경향이 있는 구역에만 한정된다면 그렇게 문제가 되지는 않는다. 그러나, 이와 같은 재료의 사라짐은 접촉 또는 회저부품과 상호 작용할 가능성이 없는 구역, 좀더 구체적으로는, 예로, 마태 특허의 제3도의 구역(27) 및 그와 동일한 본 발명 도면의 (36)과 같은, 두 개의 이격된 외주직경의 예리한 가장자리 사이의 구역에서도 발견된다.

그리고 예리한 가장자리 사이의 재료가 사라질 경우, 이로 인해 나머지 재료가 더욱 심하게 침식되어 허용할 수 없을 정도로 분해되게 된다. 따라서 상기 회전부품과 그를 둘러싸는 고정구조물 사이의 틈이 지나치게 커지게 되어, 그 결과 과도한 누출이 발생하게 되므로 터빈 기계류의 효율이 떨어지게 된다.

이러한 단점의 원인을 확인하기 위하여 조사한 결과, 상기 플라즈마 아아크 스프레이된 밀봉재에서는 파손이 발견되었으나 그와 유사하게 위치된 섬유금속 밀봉재에서는 파손을 발견할 수 없었다. 또한, 파손은 단지 상기 플라즈마 아아크 스프레이된 침적물이 꽉끼는 밀봉재의 예리한 가장자리 사이에 한정된때만 관찰되었고, 상기 마모성 재료와 회전날개가 접촉하는 좀더 보편적인 곳에서는 특별히 관찰되지 않았다. 파손 방식의 확인은 파손이 발생하는 조건 때문에 어려우나, 그 원인은 ″자체-부식″(또는 ″자연부식″)으로 의견이 모아졌다. 정상적인 작동에 있어 마모성 밀봉재로부터 이탈된 입자재료는 흔이 생각할 수 있는 것처럼 상기 기계장치를 통해 아래로 흐르지 않고, 상기 칼날 사이에 갇혀져 있다가 원심력에 의해 밖으로 추출된다. 이러한 부스러기 입자가 외접하는 구조물의 내부를 돌아 회전할시 그의 양과 충격은 밀봉재의 표면을 손상시키기에 충분하다. 대부분의 입자들은 제거되고 그리고 매우 짧은 시간동안 마모성 밀봉재를 사라지게 만드는 ″체인반응″이 발생한다. 이 현상은 상기 입자들이 예리한 가장자리 사이에 갖힌 상태에서만 일어난다. 따라서, 그 효과는 예리한 밀봉재가 주위의 마모성 재료와 편심된 경우 또는 이격된 날개팁이 상기 재료와 접촉할때와 같이 밀봉된 구역에 누출이 심한 경우에는 관찰되지 않는다. 이런 사실은 마모된 다른 이물질 입자가 상기와 같은 조건하에서 밑으로 흐러갈 수 있기 때문에 나타난다고 생각된다.

따라서, 자체부식에 저항할 수 있게끔 밀봉재를 개량시키는 방법을 연구해왔다. 그러나, 상술한 바와 같이 밀봉재를 공학적으로 설계하는데 있어 상기의 재료에는 부식에대해 좀더 큰 저항성을 갖게끔 강하게 제조되면 그와 동시에 상기의 재료는 마모성을 읽게 되어 예리한 가장자리를 허용치 이상으로 마모시키기 때문에 그 기능성이 떨어지는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 입자가 이웃한 다수의 예리한 가장자리 사이에 있을 때 분말금속 밀봉재의 내식성이 섬유금속 밀봉재와 비교할 수 있을 만큼 좋아지도록 상기 분말금속 밀봉재의 특성을 개량시키는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 부식에 대해 내성을 갖는 동시에 그 표면을 침투하는 예리한 가장자리에 지나친 마모를 일으키지 않는 마모성 밀봉재를 갖는 것이다.

본 발명에 따르면, 플라즈마 아아크 스프레이된 니크롬과 같은 다공질 분말금속의 내식성은 그의 표면에 수용성 세라믹과 미세한 동축입자들로 구성된 재료층을 적용시킴에 의해 개량된다. 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 층은 인삼염과 다른 음이온 그리고 미세하 둥근 알루미늄 입자를 함유하는 수성 혼합물로서 적용된다.

상기의 재료는 마모성 재료의 체적속으로 더 이상 침투하지 않으면서, 마모성 분말금속의 표면 구멍속으로 침투하게끔 점성과 그 밖의 특성을 갖는다. 그후, 약 50중량퍼센트 미립자물을 함유하는 약 0.050mm 두께의 층이 표면에 형성된다. 가열 경화후, 상기 재료층은 매우 매끈해지고 점착성을 가지며, 540°에 달하는 온도에서도 내식성을 갖는다. 이런 우수한 내식성은 상기 층의 특성과 재료가 비교적 큰 표면 기공속으로 침투하는 방법에 기인한다.

전형적으로, 마모성 밀봉재 구성물은 모금속의 26-40퍼센트의 밀도를 갖는다. 바람직하게는, 내식성 표면층의 입자는 밀봉재 구조물의 금속경도보다 작은 경도를 갖는 금속이다.

본 발명은 모든 타입의 분말금속 밀봉재 물질에 적용될 수 있으나, 특히 플라즈마 아아크 스프레이에 의해 제조된 분말금속 밀봉재 물질에 유용하게 적용된다. 이와 같은 종류의 마모성 재료는 정상적인 사용시 얇은 표면층에 의해 예리한 가장자리가 마모되는 부근에서도, 섬유금속 밀봉재에 비해, 비교적 적은 투과성을 갖는 특징이 있다.

이하 본 발명의 상술한 및 그 밖의 목적, 특징 그리고 장점을 첨부한 도면을 참조로한 바람직한 실시예에 의해 좀더 명확하게 설명하겠다.

본 발명을 개스터어빈 엔진의 압축기 부품에 사용되는 니트롬합금 플라즈마 스프레이된 밀봉재를 통해 설명한다. 그러나, 본 발명의 원리는 특성에 있어 플라즈마 스프레이된 밀봉재와 유사한 구조를 가지며, 여러 가지 용도로 사용될 수 있는 그밖의 다른 재료로 제조된 밀봉재에도 적용된다.

제1도는 개스터어빈 엔진의 회전금속 구조물(20)의 직경을 따른 부분종단면을 도시한 것으로, 이때 상기 구조물은 그의 외주(26)주위로 회전되는 통상예리한 가장자리라 불리는 두 개의 원주핀(22), (24)을 갖는다.

이 구조물은 중심선(28)을 중심으로 회전하며, 상당히 큰 개스터어빈 엔진의 부품일 경우 약 530-660mm의 직경을 갖을수 있다. 고정된 원형 링(30)은 상기 회전구조들(20)을 둘러싸고 ; 마모성 밀봉재(34)는 원주표면(32)에 내장된다. 제1도에 있어서, 상기 예리한 가장자리 밀봉재(22),(24)은 서로 다른 반경을 가지므로 그 결과 밀봉재는 계단형 구조물로 도시된다. 도면에 도시된 부품의 실제예로서, 예리한 가장자리는 엔진샤프트 위에 위치되고 그리고 상기 마모성 재료는 스테이터(stator) 또는 날개 조립체의 내경 시라우드(shroud)에 내장된다.

정상적으로, 제1도에 도시된 밀봉재는 축방향의 개스흐름, 예로 핀(24) 우측으로부터 핀(22) 좌측으로의 개스흐름에 대해 저항성을 갖는다. 도면에 표시된 바와 같이 핀들은 마모성 재료표면의 작은 홈부(38),(40)을 마모시킨다. 전형적으로, 상기의 홈부는 상기 부품(20)과 (30) 사이에서 상대적인 축방향 및 반경방향의 순간 이동 때문에 상기 핀보다 약간 더 크게 나타난다. 상술한 바와 같이, 상기 마모성 재료와 층(18)은 상기 핀(22),(24)을 부당하게 마모시킴이 없이 핀에 의해 투과되는 특성을 갖는다. 종종 핀은 마모를 감소시키기 위하여 알루미나와 같으 얇은 내부식성 피복을 갖는다.

제1도로부터 알 수 있는 바와 같이, 핀(22),(24) 사이의 구역(36)은 그 내부에 입자를 가둘 수 있는 환형의 구역이다.

상기 입자는 상기 홈부(38),(48)로부터 마모됨에 의해 발생될 수 있다. 상기 구조물(20)의 고속회전시, 상기 입자들은 원주운동을 하여 그에 의해 상기의 마모성 밀봉재에 충격이 가해지므로, 그 결과 상기 환형 구역내에서 상기 마모성 재료가 지나치게 마모될 것으로 생각된다.

제2도는 위에 마모성 재료를 갖는 링의 일부분에 대한 상세도이다. 마모성 재료는 다음에 좀더 상세히 설명하겠지만, 두께 T를 갖는 플라즈마 스프레이된 니크롬 금속이다. 그리고, 상기 재료의 표면위에 덮인 두께 L의 얇은층(18)은 둥근 충전입자를 함유하는 중합된 세라믹 매트릭스로 구성된다.

플라즈마 스프레이된 마모성 밀봉재는 이런 및 노박에 의해 1983년 12월 27일 공동출원된 계류중인 미합중국 특허출원 제565,541호에서 설명한 방법을 따라 제조되는 것이 바람직한데, 이것은 본 발명에서 참조로서 인용된다.

상기 특허에 기재된 바와 같이, 스프레이된 침적물을 형성하기 위하여 먼저 80Ni-20 Cr 니크롬 금속분말과 중합체 분말을 분사한다. 상기 금속분말의 타일러 시브 시리지 메쉬 크기는 250-500메쉬 사이이고, 상기 중합체 분말크기는 80-400메쉬(0.175-0.038mm) 그리고 분사된 침적물은 37-43체적 퍼센트의 중합체를 함유하는 것이 바람직하다. 그후, 상기 침적물을 가열하여 흡열반응에 의해 상기 중합체를 축출한다. 바람직하게는, 폴리메틸 메타아크릴레이트 불안정한 중합체 재료를 사용하는데, 그 이유는 상기 재료가 540°C 이하의 온도로 가열에서도 축출되어 30중량퍼센트 이하의 산화물 함량을 갖는 밀봉재를 제조하기 때문이다(좀 덜 바람직하게는, 상기 침적물을 형성하기 위하여 롱고 등에 의한 미합중국 특허 제3,723,165호에 기재된 방법을 사용할 수 있는데, 이것은 본 발명에서 참조로서 인용된다. 침적물이 롱고등의 방법에 따라 형성될때, 스프레이이된 침적물을 산화분위기내에서 가열함에 의해 상기 폴리에스터 수지를 반드시 제거해주어야 하므로 그에 따라 산화물 함량이 높아져 마모성이 감소되므로 덜 바람직하게 된다).

중합체가 축출된 후, 스프레이된 침적물은 서로 점착된 다수의 용융된 방울로 구성된 다공질 금속구조물로 구성된다. 그러한 구조물(34a)가 제3도의 현미경 사진에 도시되어 있다. 여기서 어두운 지역을 기공이고, 밝은 지역은 서로 점착되어 응결된 방울들이다. 바람직하게는, 마모성 밀봉재를 포함하는 다고성 금속플라즈마 스프레이된 침적물은 적어도 26퍼센트, 바람직하게는 30-32퍼센트의 밀도를 갖는다. 상기 퍼센트의 밀도는 마모성 밀봉재를 구성하는 고체 재료의 밀도와 비교되는 마모성 밀봉재 단위 체적당의 무게를 나타낸다. 상기 구조물은, 10kg 부하의 사용시, 45-85, 바람직하게는 50-75의 로크웰 표면경도 Z를 갖게 된다.

상기 기공은 상술한 중합체 입자 크기와 비율에 따라 큰 크기를 갖고, 비교적 저 산화물 함량과 관계있는 표면 형상을 갖는다. 물론, 마모성 밀봉재는 다른 니크롬(여러가지 비율의 니켈-크롬) 합금과 M Cr Al Y(여기서 M은 전형적으로 Fe,Co 및 Ni과 그 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택한 금속임)로 알려진 코오팅물의 족을 포함하는 다른 재료들로 구성될 수 있다(미합중국 특허 제3,676,085호, 3,754,903호 및 3,542,530호 참조). 스프레이된 침적 마모성 밀봉재(34),(34a)는 적거나 커질 수 있지만 전형적으로 0.8-6mm 사이이다.

밀봉재 표면위의 층(18),(18a)는 특수한 성질과 0.025-0.075mm의 전형적인 두께를 갖는다. 상기 층은 수용액으로 적용되며, 100-425°C에서 공기 건조에 의해 경화된다. 바람직하게는, 상기층 재료는 Sermetel W(Sermetech Inc., Noth Wales, PA) 또는 Alseal 500(Coatings for Industry Inc., Souderton, PA)과 같은 상업용의 코오팅 화합물이다. 이와 같은 재료는 일반적으로 참조로서 인용된 콜린즈의 미합중국 특허 제3,248,249호 및 3,248,250호, 알렌의 3,248,251호, 콜린즈 제이알. 등의 4,319,942호에 기재되어 있다. 일반적으로 상기의 Sermetel W 코오팅 재료는 약 50중량퍼센트 마이너스 400타일러 시브 시어리즈 메쉬 알루미늄분말(전형적으로 약 10^-5m 평균입자크기)과 용해된 인산염, 중크롬산염 또는 몰리브덴산염을 함유하는 약 50퍼센트 수성 재료로 구성되는 알렌 특허 재료의 일종이다.

일반적으로, 상기 Alseal 500 재료는 콜린즈 제이알. 등의 재료의 일종으로서, 약 100-150°C의 저온에서 경화되는 상기 알렌재료를 개량한 것이다. 상기 재료는 물, 용해 인산염, 용해 중크롬산염, 용해 알루미늄, 고체이자 알루미늄 및 디에탄올 아민을 함유한다.

상술한 재료들은 희석제/용매로서 물을 갖는다. 그들은 약 20-25°C에서 적용되고 물의 증발에 의해 경화되는데, 이때 경미한 또는 상당히 가열에 의해 중합작용이 일어난다.

사용된 액체재료의 성질때문에, 경화된 층(18), (18a)은 플라즈마 스프레이된 재료가, 제3도의 현미경 사진에 도시된 바와 같이, 상당한 내부 기공을 가짐에도 불구하고 상기 재료의 표면에 놓이게 된다. 하지만, 본 발명의 분말금속재료의 기공은 섬유금속 밀봉재에 비해 덮개방되어 있고 좀더 많이 뒤틀려 있다. 참조로서 인용된 막코마스등의 미합중국 특허 제4,273,824호의 현미경 사진을 제3도에 도시된 플라즈마 스프레이 코오팅과 비교해 보자, 그리고, Semetel W와 Alseal 500 재료들은 각각 제2잰 컵을 사용하여 25°C에서 약 16-18초의 점성을 갖는다. 따라서, Sermetel W 또는 Alseal 500 코오팅 조성물이 브러싱 또는 분사에 의해 플라즈마 스프레이된 밀봉재의 표면에 적용될때, 상기 코오팅은 상기 다공질 플라즈마 스프레이된 침적물을 크게 투과하지 않고 상기 도면들에 도시된 바와 같이 상기 표면위에 놓이거나 그위를 흐르는 경향이 있다. 그러나, 미세한 알루미늄 입자(그리고 어두운 구역으로 밖에는 보이지 않는 매트릭스)는 본발명의 마모성 재료의 특징인 큰 표면기공을 투과한다. 이와 같은 특징은 매우 바람직한 것으로 다음에 설명되는 바와 같이 반드시 필요하다. 상기의 수용액이 바람직한 반면, 다른 모재를 갖는 점결제 시스템 또한 그들이 투과하여 적당한 온도 및 기계적 내구성을 제공하는한 사용할 수 있다.

상기 층(18)(18a)는 무기물로서 경화될 경우 그 내부에 미세한 알루미늄 입자를 가두는 세라믹 층으로 구성된다. 밝은 색으로 조밀하게 모여 있는 등축의 둥근 알루미늄 입자들을 제3도의 층(18a)에서 볼 수 있다. 물론, 알루미늄의 성능이 우수한 것이 발견되기는 했으나, 상기의 알루미늄 대신 다른 금속을 대신 사용할 수도 있다. 알루미늄은 잘 알려진 금속으로서 80Ni-20Cr과 같은 금속에 비해 더 연하나 그의 내부식성은 더 적다. 다라서, 다음에 설명될 개량된 내식성은 상기 매트릭스 재료의 특성, 얻어진 매끄러운 표면, 그리고 상기 층 입자와 상기 마모성 재료 기체의 표면 기공사이의 상호 작용에 기인된다.

다음의 도표 1은 대조적인 테스트돌에 있어서 어떤 플라즈마 아아크 스프레이된 니크롬 내마모성 밀봉재구조물의 상대적이 성능을 나타낸 것이다. 제1도에 도시된 구조물을 자극하는 장치는 예리한 가장자리핀사이의 공간에 잔유하는 입자재료의 양을 구성하고 제어한다.

[표 1]

상기 도표에 있어서, A와 B열은 열등한 열의 테스트를 대표하는 것으로, 침적 R₁₀Z 경도(밀도)에 관계없이 부식이 높음을 보여준다. C열은 롱고 등의 특허의 비교적 연한 폴리에스터가 공극에 남아 있을 때 내식성은 우수하나 상기 금속의 예리한 가장자리 마모는 높음을 보여준다. 이와 같은 결과는 폴리에스터가 금속의 예리한 가장자리보다 훨씬 더 연하기 때문이다. 이는 또한 얇은 표면층 코오팅 아래의 밀봉재에 공극을 갖는 본 발명이 필요함을 말해준다.

D열은 플라즈마 스프레이된 마모성 표면이 특별한 기계가공 조건의 사용에 의해 글레이징된 상태를 나타낸 것이다(자체-부식을 받지 않는 마모성 밀봉재에 있어서, 글레이징은 예리한 가장자리가 증가하기 때문에 적당한 기계가공 조건의 사용에 의해 피해야만 되는 것으로 알려져 있다). 글레이징된 표면은 마모가 있으므로 100퍼센트 글레이징 하기는 불가능하다. 따라서, 글레이징이 없는 경우보다 내식성이 우수하더라도 부식이 발생한다. E열은 본 발명의 실시예로부터 우수한 상대적 결과들을 나타낸 것으로, 이와 같은 밀봉재의 성능은 실제 엔진테스트를 실시함에 의해 확인되었다. F열은 실제 엔진 실험에 기초를 둔 전형적인 종래기술의 섬유금속 밀봉재의 성능을 나타낸 것으로, 자체-부식을 경감하기 위해 표면층 코오팅을 할 필요성이 없음을 보여준다.

상기층 재료의 점성과 이에 적용되는 마모성 재료의 다공성은 서로 관련이 있다. 도표 1의 C열에 있는 테스트 자료처럼, 마모성 재료의 기공이 메워질 경우, 마모성 재료는 그의 바람직한 마모성을 잃게 된다. 따라서 액체 피복점성이 지나치게 낮아지던가, 플라즈마 스프레이된 마모성 재료가 지나치게 개방되거나, 또는 코오팅 공정이 부정확하면 상기 기공이 메워지므로 바람직하지 못하다. 그러므로, 종종 분말금속재료에 적용되는 중합체에 의한 다공성 물질의 포화방법은 적당치 못하다.

또한, 예리한 가장자리에 대한 부당한 마모를 피하기 위하여, 상기 층내의 입자는 전형적으로 연철, 니켈 또는 타이타늄 합금으로 제조된 예리한 가장자리에 의해 얇은 보호층을 가질때에도 쉽게 투과될 수 있는 재료이어야만 한다. 따라서, 상기 층에는 연마성을 갖는 실리콘 카아바이드, 알루미늄 등과 같은 재료가 있어서는 안된다. 상기 입자로는 알루미늄이 바람직하나 다른 금속으로 대체하는 것도 가능하기는 하다. 또한, 보론 질화물 및 몰리브덴 황화물과 같은 비금속을 사용할 수도 있다. 일반적으로 상기 입자는 액화 매트릭스 재료와는 다르고 그에 비가용성인 물질이다. 상기 입자는 충분히 작아서 표면 기공을 침입할 수 있는 형상을 가진다.

유용한 표면층 두께는 마모문제와 상기 밀봉의 수명 기대치에 따라 결정된다. 0.025-0.225mm 사이의 두께로 실험한 결과 적당한 두께는 전형적으로 0.025-0.13mm 사이이고, 바람직하게는 0.025-0.08mm사이인 것을 발견했다. 지나치게 얇을 경우는 내식성이 허용될 수 없을 정도로 저하되고, 그리고 지나치게 두꺼울 경우는 상기 예리한 가장자리의 마모가 허용치 이상으로 증가하는 경향이 있다(물론 상기와 같은 상황에서 밀봉재 구조물 또한 그의 성능을 발휘할 수 있다).

본 발명은 미합중국 특허 제4,257,735호에 기재된 브래들리 등의 발명과 어느정도 유사한 점이 있다. 브래들리 발명은 꽤 낮은 14-22 퍼센트 밀드의 섬유금속 마모성 밀봉재를 사용한다. 공기 침투를 지지하기 위하여 표면에 실리콘수지 및 알루미늄 분말의 유기 코오팅층이 사용되며, 브래들리 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 층은 유기질 매트릭스(중합체)를 포함하는데, 이때 층을 315°C로 두시간동안 가열하면 실리콘이 실리카로 변화되어 그 결과 고온의 세라믹층이 형성된다.

본 발명은 침적되는 층이 무기질이고 고온으로 가열을 필요하지 않는 점에서 브래들리의 발명과는 비교가 된다. 따라서 본 발명은 비교적 저운에서 유용하다. 그리고, 브래들리의 특허에 따른 테스트 실시는 본 발명에 있어서 다른면을 보여준다. 예로서, 알루미늄 입자로 채워진 상업용의 실리콘수지(프래트와 램버트의 내열성 알루미늄 페이트 K7897)가 본 발명에 사용된 종류의 플라즈마 스프레이된 밀봉재 표면에 적용되었다. 이때, 상기 막이 유기질 재료로서 점착성을 갖기는 하나, 시료를 315와 540°C로 가열했을 때 막은 벗겨지기 쉽게 되어 쉽게 떨어져 나갈 수 있다. 따라서, 부식성 테스트는 그 결과 나쁠것으로 예상되기 때문에 하지 않았다. 현미경 검사를 통해 코오팅 재료가 페인트 특성이 있는 엷은 조각형 입자임을 알 수 있다. 상기 입자는, 미세하지만, 본 발명에 사용된 수성기본 코오팅의 미세한 둥근입자와 같이 상기 플라즈마 코오팅의 표면기공을 투과하지는 못했다. 따라서 다른 재료로는 얻지 못하는 매우 우수한 기계적 결합이 본 발명에서 얻어짐을 확인했다.

이와 같은 결과로 비록 테스트 자료가 제시되지는 않았지만 브래들리 등에 의한 특허의 결과가 완전히 바람직하지 않음을 알 수 있다. 어떤 비교 테스트도 본 출원과 관련되어 실시된 적이 없지만, 판형 입자를 갖는 코오팅은 아마 섬유금속 마모성 재료의 특징인 좀더 개방적이 구조물에 훨씬 더 잘 점착될 것이다.

여러 가지 면에 있어서, 본 발명의 플라즈마 아아크 코오팅은 브래들리 등에 의한 발명의 고투과성 섬유금속 밀봉재와 상당한 차이가 있다. 고밀도(본 발명 재료와 동일한 공칭 30%의 밀도)를 갖는 섬유금속 콤팩트의 개방된 형상이 막코마스에 의한 특허에 나와 있다. 그리고 더 낮은 밀도의 브래들리 등에 의한 섬유금속은 좀더 개방적일 것이 분명하다. 섬유금속 밀봉재는 바람직한 마모성을 얻기 위해 저밀도가 필요하기 때문에 상당한 투과성을 갖을 필요가 있다. 플라즈마 아아크 스프레이된 침적물이 예리한 가장자리에 대신 적용될 섬유금속에 비교해 비교적 비침투적이기 때문에, 상기 브래들리 등에 의한 특허에서 언급한 공기누출문제는 스프레이된 마모성 밀봉재에서 나타나지 않았다.

다른 차이점으로는 섬유금속이 쉽게 부서질 수 있는 입자들의 결합으로 구성된 것이 아니기 때문 ; 자체부식 방지를 위해 코오팅을 적용할 이유가 없는 것이다. 분말금속 마모성 밀봉재에 있어 자체 부식에 대한 이유는 아마 상기 입자들 사이의 접착력이 섬유들 사이의 점착력보다 약하기 때문일 것으로 생각된다.

본 발명은 여기서 그의 적용에 있어 플라즈마 스프레이된 밀봉체에 대해 우선적으로 설명되었지만, 밀러의 특허 제3,350,178호 및 엘버트의 제4,049,428호에 기재된 것을 포함하는 종래 기술에 의해 제조된 거와같이, 서로 결합된 입자들로 제조되는 다른 분말금속 밀봉재에 또한 적용된다.

본 발명은 본 발명의 특허청구의 범위를 벗어나지 않는하, 상기 실시에에 국한되지 않고 다양하게 변형되어 실시될 수 있다.

Claims (15)

1. 26퍼센트 이상의 밀도를 갖는 다공질 분말금속으로 된 마모성 밀봉재의 내식성 개량방법에 있어서, 상기 밀봉재의 표면에 액체의 일반적으로 등축인 미립자들로 구성되는 층재료를 도포하고 ; 상기 액체와 미립자들을 표면 아래의 기공속으로 들어가지 않게 하며 단지 표면 기공속으로만 흘러들어가게 하고 ; 이후 상기 재료를 경화하여 세라믹 재료와 미립자의 표면층을 형성하는 것을 특징으로 하는 마모성 밀봉재의 내식성 개량방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 밀봉재는 26-40퍼센트의 밀도를 갖는 플라즈마 아아크 스프레이된 침적물이고 그리고 경화층은 0.025-0.13mm 두께인 것을 특징으로 하는 마모성 밀봉재의 내식성 개량방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 층은 0.025-0.08mm 두께인 것을 특징으로 하는 마모성 밀봉재의 내식성 개량방법.
4. 제2항에 있어서, 상기 밀봉재는 프라즈마 아아크 스프레이된 니크롬 금속으로 제조되는 것을 특징으로 하는 마모성 밀봉재의 내식성 개량방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 층을 315°C 이하로 가열시킴에 의해 경화시키는 것을 특징으로 하는 마모성 밀봉재의 내식성 개량방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 층재료를 기본적으로 인산음이온, 크롬산염, 몰리브덴산염 및 그의 혼합물로 구성되는 그룹으로부터 선택된 음이온과 금속양이온을 함유하는 수용액에 부유하는 입자들로 구성하고 ; 그후 상기 층을 가열에 의해 비수용성 재료로 경화시켜주는 것을 특징으로 하는 마모성 밀봉재의 내식성 개량 방법.
7. 제6항에 있어서, 플라즈마 아아크 스프레이된 마모성 밀봉재와 그리고 약 10^-5m 평균 입자크기를 갖는 알루미늄 금속입자를 특징으로 하는 마모성 밀봉재의 내식성 개량방법.
8. 제1항에 있어서, 상기 마모성 밀봉재는 원형의 터어빈 기계장치 구조물의 표면상에 설치되는 것을 특징으로 하는 마모성 밀봉재의 내식성 개량방법.
9. 26-40퍼센트의 밀도를 갖는 다공질 분말금속 침적물로 구성되는 다중 핀(예리한 가장자리)형의 마모성 밀봉재 구조물에 있어서, 상기 침적물은 그 표면에 세라믹과는 다른 성질의 미립자들을 함유하는 세라믹 재료 매트릭스 층을 갖고 ; 상기 입자들은 침적물의 표면 가공보다 크기가 상당히 적어 그의 일부가 표면기공내에 함유되고 ; 그리고, 상기층은 이웃한 핀 사이에 갇혀진 입자들로부터 침적물의 내식성을 개량시키는 것을 특징으로 하는 마모성 밀봉재.
10. 제9항에 있어서, 상기 세라믹 재료는 금속인산염, 금속크롬산염 및 그의 혼합물로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 마모성 밀봉재.
11. 제9항에 있어서, 상기 입자들은 동축의 둥근 금속 입자들인 것을 특징으로 하는 마모성 밀봉재.
12. 제11항에 있어서, 상기 입자는 약 10^-5m의 평균입자 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 마모성 밀봉재.
13. 제9항에 있어서, 상기 층은 적어도 0.025mm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 마모성 밀봉재.
14. 제9항에 있어서, 상기 다공질 분말금속 침적물은 플라즈마 아아크 스프레이된 니크롬 합금이고, 상기 입자는 약 10^-5m의 평균 입자 크기를 갖는 알루미늄이고, 그리고 상기 매트릭스는 인산염, 금속크롬산염 및 그의 혼합물로 구성되는 그룹으로 부터 선택된 재료인 것을 특징으로 하는 마모성 밀봉재.
15. 제9항에 있어서, 상기 입자는 보론질화물 또는 몰리브덴 황화물인 것을 특징으로 하는 마모성 밀봉재.

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