KR102245879B1 - 차열 코팅막, 터빈 부재 및 차열 코팅 방법 - Google Patents

차열 코팅막, 터빈 부재 및 차열 코팅 방법 Download PDF

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Abstract

황산염이 존재하는 환경하에 있어서, 차열 코팅막의 박리를 억제한다. 차열 코팅막(40)은, 모재(110) 상에 형성되는 금속 결합층인 본드 코트층(50)과, 본드 코트층(50) 상에 형성되고 세라믹을 포함하는 층인 톱 코트층(60)과, 톱 코트층(60) 상에 형성되고 SrSO4를 주성분으로 하는 보호층(70)을 갖는다.

Description

차열 코팅막, 터빈 부재 및 차열 코팅 방법
본 발명은 차열 코팅막, 터빈 부재 및 차열 코팅 방법에 관한 것이다.
가스 터빈은 압축기와 연소기와 터빈에 의해 구성되어 있다. 그리고, 공기 흡입구로부터 받아들여진 공기가 압축기에 의해 압축됨으로써 고온·고압의 압축 공기가 되고, 연소기에서, 이 압축 공기에 대해서 연료를 공급하여 연소시킴으로써 고온·고압의 연소 가스(작동 유체)를 얻고, 이 연소 가스에 의해 터빈을 구동하고, 이 터빈에 연결된 발전기를 구동한다. 이 가스 터빈에서는, 그 효율을 향상시키기 위해서 연소기에서의 연소 온도를 높게 설정하고 있고, 고온의 연소 가스(배기 가스)에 노출되는 터빈의 동익(動翼)이나 정익(靜翼)은 그의 표면에 차열 코팅(Thermal Barrier Coating: TBC)막이 설치되고 있다. 차열 코팅막이란, 터빈 동익 등의 표면에, 용사에 의해 열전도율이 작은 용사재(예를 들면, 열전도율이 작은 세라믹계 재료)를 형성한 것이다. 특허문헌 1에는, 이와 같은 차열 코팅막을 적층한 가스 터빈 엔진 부재에 대하여 기재되어 있다.
일본 특허공개 2013-60661호 공보
근년, 가스 터빈은, 가스 이외에도, 중유 등 액체 연료를 이용하여 구동할 것도 요구되고 있다. 중유 등 액체 연료를 이용한 유분(油焚)의 가스 터빈은 액체 연료의 함유 성분에 의해 생기는 황산 나트륨 등의 황산염에 노출되는 경우가 있다. 이 황산염은 차열 코팅막의 내부에 침투하여, 차열 코팅막을 박리시켜 버리는 경우가 있다. 차열 코팅막이 박리된 경우, 터빈 부재의 모재가 고열에 노출되어, 수명이 저하될 우려가 있다.
따라서, 본 발명은, 황산염이 존재하는 환경하에 있어서, 박리를 억제하는 차열 코팅막, 터빈 부재 및 차열 코팅 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 과제를 해결하여, 목적을 달성하기 위해서, 본 개시에 따른 차열 코팅막은, 모재 상에 형성되는 금속 결합층인 본드 코트층과, 상기 본드 코트층 상에 형성되고 세라믹을 포함하는 층인 톱 코트층과, 상기 톱 코트층 상에 형성되고 SrSO4를 주성분으로 하는 보호층을 갖는다.
이 차열 코팅막은, 보호층 내의 SrSO4에 의해, 황산 나트륨 등의 황산염이 톱 코트층까지 침투하는 것을 억제한다. 그 때문에, 차열 코팅막은, 황산염이 존재하는 환경하에 있어서, 모재로부터의 박리를 억제할 수 있다.
상기 차열 코팅막에 있어서, 상기 톱 코트층은 복수의 공극을 갖는 것이 바람직하다. 이 차열 코팅막은, 톱 코트층의 공극에 의해 차열 성능을 향상시키면서, 보호층에 의해, 톱 코트층 내의 공극으로부터의 황산염의 침투를 적합하게 억제할 수 있다.
상기 차열 코팅막에 있어서, 톱 코트층은 치밀 종(縱)균열 코트층인 것이 바람직하다. 이 차열 코팅막은, 보호층에 의해 황산염의 침투를 억제하면서, 치밀 종균열 코트층인 톱 코트층에 의해, 열사이클 내구성 및 내이로전(erosion)성을 향상시킬 수 있다.
상기 차열 코팅막에 있어서, 상기 보호층은 기공률이 0.1% 이상 5% 이하인 것이 바람직하다. 이 차열 코팅막은, 보호층의 기공률이 낮게 설정되어 있기 때문에, 황산염의 침투를 보다 적합하게 억제할 수 있다.
전술한 과제를 해결하여, 목적을 달성하기 위해서, 본 개시에 따른 차열 코팅막은, 모재 상에 형성되는 금속 결합층인 본드 코트층과, 상기 본드 코트층 상에 형성되고, 복수의 공극을 갖는 세라믹을 포함하는 층인 톱 코트층을 갖고, 상기 톱 코트층은 상기 공극의 내부에 SrSO4를 주성분으로 하는 보호 물질을 갖는다.
이 차열 코팅막은, 황산 나트륨 등의 황산염의 침투 경로가 되는 공극에 보호 물질을 마련하고 있다. 그 때문에, 이 차열 코팅막은, 보호 물질 중의 SrSO4에 의해, 내부로 황산염이 침투하는 것을 억제한다. 이와 같이, 이 차열 코팅막은, 황산염이 존재하는 환경하에 있어서, 톱 코트층으로의 황산염의 침투를 억제하여, 모재로부터의 박리를 억제할 수 있다.
상기 차열 코팅막에 있어서, 상기 톱 코트층은 치밀 종균열 코트층이고, 상기 치밀 종균열 코트층의 균열 내에 상기 보호 물질을 갖는 것이 바람직하다. 이 차열 코팅막은, 황산염의 침투 경로가 되는 균열에 보호 물질을 마련함으로써, 톱 코트층으로의 황산염의 침투를 억제하고 있다. 이 차열 코팅막은, 보호 물질에 의해 황산염의 침투를 억제하면서, 치밀 종균열 코트층인 톱 코트층에 의해, 열사이클 내구성 및 내이로전성을 향상시킬 수 있다.
전술한 과제를 해결하여, 목적을 달성하기 위해서, 본 개시에 따른 터빈 부재는, 표면에 상기 차열 코팅막이 설치된다. 이 터빈 부재는, 차열 코팅막을 표면에 설치하고 있기 때문에, 황산염이 존재하는 환경하에 있어서, 톱 코트층으로의 황산염의 침투를 억제하여, 차열 코팅막의 박리를 억제할 수 있다.
전술한 과제를 해결하여, 목적을 달성하기 위해서, 본 개시에 따른 차열 코팅 방법은, 모재 상에, 금속 결합층인 본드 코트층을 형성하는 본드 코트층 형성 스텝과, 상기 본드 코트층 상에, 세라믹을 포함하는 층인 톱 코트층을 형성하는 톱 코트층 형성 스텝과, 상기 톱 코트층 상에, SrSO4를 주성분으로 하는 보호층을 형성하는 보호층 형성 스텝을 갖는다. 이 차열 코팅 방법은, 보호층을 형성하기 때문에, 황산염이 존재하는 환경하에 있어서, 톱 코트층의 박리를 억제할 수 있다.
전술한 과제를 해결하여, 목적을 달성하기 위해서, 본 개시에 따른 차열 코팅 방법은, 모재 상에, 금속 결합층인 본드 코트층을 형성하는 본드 코트층 형성 스텝과, 상기 본드 코트층 상에, 복수의 공극을 갖는 세라믹을 포함하는 층인 톱 코트층을 형성하는 톱 코트층 형성 스텝과, 상기 톱 코트층의 공극의 내부에, SrSO4를 주성분으로 하는 보호 물질을 주입하는 보호 물질 주입 스텝을 갖는다. 이 차열 코팅 방법은, 톱 코트층 내에 보호 물질을 주입하기 때문에, 황산염이 존재하는 환경하에 있어서, 톱 코트층의 박리를 억제할 수 있다.
본 발명에 의하면, 황산염이 존재하는 환경하에 있어서, 차열 코팅막의 박리를 억제할 수 있다.
도 1은 제 1 실시형태에 따른 가스 터빈의 개략 구성도이다.
도 2는 제 1 실시형태에 따른 차열 코팅막의 모식적인 단면도이다.
도 3은 제 1 실시형태에 따른 차열 코팅막의 형성 공정을 설명하는 플로차트이다.
도 4는 제 1 실시형태에 따른 차열 코팅막의 다른 예의 모식적인 단면도이다.
도 5는 제 2 실시형태에 따른 차열 코팅막의 모식적인 단면도이다.
도 6은 제 2 실시형태에 따른 차열 코팅막의 형성 공정을 설명하는 플로차트이다.
도 7은 제 2 실시형태에 따른 차열 코팅막의 다른 예의 모식적인 단면도이다.
도 8은 실시예 2에 있어서의 샘플의 단면을 나타내는 도면이다.
이하에 첨부 도면을 참조하여, 본 발명의 적합한 실시형태를 상세히 설명한다. 한편, 이 실시형태에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니고, 또한 실시형태가 복수 있는 경우에는, 각 실시예를 조합하여 구성하는 것도 포함하는 것이다.
(제 1 실시형태)
도 1은 제 1 실시형태에 따른 가스 터빈의 개략 구성도이다. 제 1 실시형태에서는, 도 1에 나타내는 산업용의 가스 터빈(10)을 일례로 하지만, 그 밖에 항공용 가스 터빈 등의 가스 터빈을 포함한다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 가스 터빈(10)은 압축기(1)와 연소기(2)와 터빈(3)을 구비하고 있다. 이 가스 터빈(10)은 압축기(1), 연소기(2) 및 터빈(3)의 중심부에, 회전축인 터빈축(4)이 관통해서 배치되어 있다. 압축기(1), 연소기(2) 및 터빈(3)은 터빈축(4)의 축심(R)을 따라, 공기의 흐름의 전측으로부터 후측을 향해 순서대로 병설되어 있다. 한편, 이하의 설명에 있어서, 축 방향이란 축심(R)에 평행한 방향을 말하고, 원주 방향이란 축심(R)을 중심으로 한 둘레 방향을 말하고, 지름 방향이란 축심(R)에 직교하는 방향을 말한다.
압축기(1)는 공기를 압축하여 압축 공기로 하는 것이다. 압축기(1)는 공기를 받아들이는 공기 흡입구(11)를 가진 압축기 케이싱(12) 내에 압축기 정익(13) 및 압축기 동익(14)이 설치되어 있다. 압축기 정익(13)은 압축기 케이싱(12)측에 장착되고 원주 방향으로 복수 병설되어 있다. 또한, 압축기 동익(14)은 터빈축(4)측에 장착되고 원주 방향으로 복수 병설되어 있다. 이들 압축기 정익(13)과 압축기 동익(14)은 축 방향을 따라 교대로 설치되어 있다.
연소기(2)는 압축기(1)에서 압축된 압축 공기에 대해서 연료를 공급함으로써, 고온·고압의 연소 가스를 생성하는 것이다. 연소기(2)는, 연소통으로서, 압축 공기와 연료를 혼합해서 연소시키는 내통(21)과, 내통(21)으로부터 연소 가스를 터빈(3)으로 유도하는 미(尾)통(22)과, 내통(21)의 외주를 덮고, 압축기(1)로부터의 압축 공기를 내통(21)으로 유도하는 공기 통로(25)를 이루는 외통(23)을 갖고 있다. 이 연소기(2)는 연소기 케이싱(24)에 대해 원주 방향으로 복수(예를 들면 16개) 병설되어 있다. 연소기(2)에 공급되는 연료는 가스, 또는 중유 등의 액체 연료이다.
터빈(3)은 연소기(2)에서 연소된 연소 가스에 의해 회전 동력을 일으키는 것이다. 터빈(3)은 터빈 케이싱(31) 내에 터빈 정익(32) 및 터빈 동익(33)이 설치되어 있다. 터빈 정익(32)은 터빈 케이싱(31)측에 장착되고 원주 방향으로 복수 병설되어 있다. 또한, 터빈 동익(33)은 터빈축(4)측에 장착되고 원주 방향으로 복수 병설되어 있다. 이들 터빈 정익(32)과 터빈 동익(33)은 축 방향을 따라 교대로 설치되어 있다. 또한, 터빈 케이싱(31)의 후측에는, 터빈(3)에 연속하는 배기 디퓨저(34a)를 가진 배기실(34)이 설치되어 있다.
터빈축(4)은 압축기(1)측의 단부가 베어링부(41)에 의해 지지되고, 배기실(34)측의 단부가 베어링부(42)에 의해 지지되고, 축심(R)을 중심으로 해서 회전 자재로 설치되어 있다. 그리고, 터빈축(4)은 도면에는 명시하지 않지만, 압축기(1)측의 단부에 발전기의 구동축이 연결되어 있다.
이와 같은 가스 터빈(10)은, 압축기(1)의 공기 흡입구(11)로부터 받아들여진 공기가, 복수의 압축기 정익(13)과 압축기 동익(14)을 통과해서 압축됨으로써 고온·고압의 압축 공기가 된다. 이 압축 공기에 대해, 연소기(2)에서 연료가 혼합되어 연소됨으로써 고온·고압의 연소 가스가 생성된다. 그리고, 이 연소 가스가 터빈(3)의 터빈 정익(32)과 터빈 동익(33)을 통과함으로써 터빈축(4)이 회전 구동되고, 이 터빈축(4)에 연결된 발전기에 회전 동력을 부여함으로써 발전을 행한다. 그리고, 터빈축(4)을 회전 구동한 후의 배기 가스는 배기실(34)의 배기 디퓨저(34a)를 거쳐 배기 가스로서 대기에 방출된다.
도 2는 제 1 실시형태에 따른 차열 코팅막의 모식적인 단면도이다. 제 1 실시형태의 차열 코팅막(40)은 가스 터빈(10)의 부재인 터빈 부재(100)의 표면에 설치된다. 터빈 부재(100)는 가스 터빈(10) 중 고온에 노출되는 부재이고, 예를 들면, 터빈 동익이나 터빈 정익 등이다. 구체적으로는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 차열 코팅막(40)은 터빈 부재(100)의 모재(110)의 표면(112)에 시공된다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 차열 코팅막(40)은 본드 코트층(50)과 톱 코트층(60)과 보호층(70)을 갖는다.
본드 코트층(50)은 모재(110) 상, 즉 모재(110)의 표면(112)에 형성(적층)된다. 본드 코트층(50)은 MCrAlY 합금 등의 금속 결합층이다. 여기에서의 M은 Co, Ni, CoNi, NiC 등의 금속 원소이다. 본드 코트층(50)은, 예를 들면 50μm 이상 300μm 이하의 두께이지만, 두께는 이에 한하지 않고 임의이다. 본드 코트층(50)은 모재(110)와 톱 코트층(60)의 박리를 억제하고, 또한 내식성 및 내산화성을 향상시키기 위해서 적층된다.
본드 코트층(50)은, MCrAlY 합금 등의 입자를 용사재로 해서, 용사, 보다 상세하게는 저압 플라즈마 용사법(LPPS: Low Pressure Plasma Spraying)에 의해, 모재(110)의 표면(112) 상에 성막된다. 단, 본드 코트층(50)을 성막하는 방법은 저압 플라즈마 용사법에 한하지 않는다. 예를 들면, 본드 코트층(50)은 고속 플레임 용사법(HVOF: High Velocity Oxygen Fuel splaying), 대기 플라즈마 용사법(APS: Atmospheric Plasma Spraying) 등, 다른 용사법에 의해 표면(112) 상에 성막되어도 된다. 또한, 본드 코트층(50)은, 예를 들면 전자빔 물리 증착법(EB-PVD: Electron Beam-Physical Vapor Deposition) 등의 증착법을 이용하여 성막되어도 된다.
본드 코트층(50)은, 예를 들면 다음의 표 1에 나타내는 용사 조건에서 저압 플라즈마 용사를 행한다. 단, 용사 조건은 이에 한하지 않고 임의이다.
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톱 코트층(60)은 본드 코트층(50) 상, 즉 본드 코트층(50)의 표면(52) 상에 형성(적층)된다. 표면(52)은 본드 코트층(50)의 모재(110)와 반대측의 표면이다. 톱 코트층(60)은 세라믹을 주성분으로서 포함하는 층이다. 보다 상세하게는, 톱 코트층(60)은 부분 안정화 지르코니아계 재료에 의해 형성된다. 부분 안정화 지르코니아계 재료로서는, 예를 들면, YSZ(이트리아 안정화 지르코니아), YbSZ(이테르비아 안정화 지르코니아) 또는 ErSZ(에르비아 부분 안정화 지르코니아) 등이 이용된다. 또한, 톱 코트층(60)은 SmZr2O7 또는 SmYbZr2O7 등의 저열전도 파이로클로어계 재료로 형성되어도 된다. 톱 코트층(60)은 본드 코트층(50)보다 두께가 큰 것이 바람직하고, 예를 들면 50μm 이상 3000μm 이하인 것이 바람직하다. 단, 톱 코트층(60)의 두께는 임의이다.
톱 코트층(60)은 내부에 복수의 공극, 여기에서는 복수의 기공(P)을 갖는다. 기공(P)은 외기와 접속(연통)하고 있는 개기공과, 외기와 연통하고 있지 않은 폐기공을 포함한다. 도 2의 예에서는, 기공(P)끼리는 연통하고 있지 않지만, 톱 코트층(60)은 적어도 일부의 기공(P)끼리가 연통하고 있다. 톱 코트층(60)의 기공률(체적%)은 1체적% 이상 30체적% 이하이지만, 10체적% 이상 15체적% 이하인 것이 보다 바람직하다. 단, 톱 코트층(60)의 기공률은 이에 한하지 않는다.
톱 코트층(60)은, 예를 들면 부분 안정화 지르코니아계 재료의 입자를 용사재로 해서, 용사, 보다 상세하게는 대기 플라즈마 용사법에 의해, 본드 코트층(50)의 표면(52) 상에 성막된다. 단, 톱 코트층(60)을 성막하는 방법은 이에 한하지 않는다. 예를 들면, 톱 코트층(60)은 저압 플라즈마 용사법, 고속 플레임 용사법 등, 다른 용사법에 의해 성막되어도 된다. 또한, 톱 코트층(60)은 전자빔 물리 증착법 등의 증착법을 이용하여 성막되어도 된다.
톱 코트층(60)의 성막 조건의 일례로서는, 예를 들면, 저압 플라즈마 용사법으로, 막 두께 100μm의 본드 코트층(50)(본드 코트층(50)의 각 원소의 질량비는 Ni: 32질량%, Cr: 21질량%, Al: 8질량%, Y: 0.5질량%, Co: 잔부이다)에 용사하는 것을 들 수 있다. 이 일례에서는, 용사에는, 슐저 메트코사제 용사 건(F4 건)을 사용한다. 이 일례에서의 용사 조건은, 용사 전류: 600(A), 용사 거리: 150(mm), 분말 공급량: 60(g/min), Ar/H2량: 35/7.4(l/min), 막 두께: 0.5(mm)이다. 단, 용사 조건(성막 조건)은 이에 한하지 않고 임의이다.
보호층(70)은 톱 코트층(60) 상, 즉 톱 코트층(60)의 표면(62) 상에 형성(적층)된다. 표면(62)은 톱 코트층(60)의 본드 코트층(50)과 반대측의 표면이다. 보호층(70)은 톱 코트층(60)의 표면(62)의 전역을 피복하고, 표면(72)이 터빈 부재(100)의 최표면에 노출되어 있다. 보호층(70)은 SrSO4(황산 스트론튬)로 형성되는 층이다. 단, 보호층(70)은 SrSO4를 주성분으로서 포함하는 것이면, 다른 성분을 함유하고 있어도 된다.
보호층(70)은 두께가 톱 코트층(60)보다 작은 것이 바람직하고, 0.05μm 이상 200μm 이하인 것이 바람직하다. 단, 보호층(70)의 두께는 임의이다. 또한, 보호층(70)은 복수의 기공을 갖고 있고, 기공률(체적%)이 0.1체적% 이상 15체적% 이하인 것이 바람직하다. 덧붙여 말하면, 보호층(70)은 기공률이 톱 코트층(60)보다 작은 것이 바람직하고, 0.1체적% 이상 5체적% 이하인 것이 보다 바람직하다.
보호층(70)은 SrSO4 입자를 용사재로 해서, 용사, 보다 상세하게는 대기 플라즈마 용사법에 의해, 톱 코트층(60)의 표면(62) 상에 성막된다. 단, 보호층(70)을 성막하는 방법은 이에 한정되지 않는다. 예를 들면, 보호층(70)은 저압 플라즈마 용사법, 고속 플레임 용사법 등, 다른 용사법에 의해 성막되어도 된다. 또한, 보호층(70)은 전자빔 물리 증착법 등의 증착법을 이용하여 성막되어도 된다.
보호층(70)은, 용사 조건으로서, 용사 전류가 650A 이상 700A 이하, 용사 거리가 50mm 이상 100mm 이하, SrSO4의 분말 공급량이 60g/min, Ar 유량이 35l/min, H2 유량이 8l/min 이상 8.6l/min 이하로 하는 것이 바람직하다. 한편, 용사 거리란, SrSO4를 공급하는 분구(噴口)로부터 용사 대상물까지의 거리이다. 단, 용사 조건은 이에 한하지 않고 임의로 설정해도 된다.
차열 코팅막(40)은 이상 설명한 바와 같은 적층 구조로 되어 있다. 다음으로, 차열 코팅막(40)의 형성 공정에 대하여 플로차트를 이용하여 설명한다. 도 3은 제 1 실시형태에 따른 차열 코팅막의 형성 공정을 설명하는 플로차트이다. 도 3에 나타내는 바와 같이, 차열 코팅막(40)의 형성 공정은, 최초에 터빈 부재(100)의 모재(110) 상에 본드 코트층(50)을 형성한다(스텝 S10; 본드 코트층 형성 스텝). 본드 코트층 형성 스텝은, 전술과 같이, 예를 들면 저압 플라즈마 용사법에 의해, 모재(110)의 표면(112) 상에 본드 코트층(50)을 성막한다. 다음으로, 차열 코팅막(40)의 형성 공정은, 본드 코트층(50) 상에 톱 코트층(60)을 형성한다(스텝 S12; 톱 코트층 형성 스텝). 톱 코트층 형성 스텝은, 전술과 같이, 예를 들면 대기 플라즈마 용사법에 의해, 본드 코트층(50)의 표면(52) 상에 톱 코트층(60)을 성막한다. 다음으로, 차열 코팅막(40)의 형성 공정은, 톱 코트층(60) 상에 보호층(70)을 형성한다(스텝 S14; 보호층 형성 스텝). 보호층 형성 스텝은, 전술과 같이, 예를 들면 대기 플라즈마 용사법에 의해, SrSO4의 입자를 용사재로 해서, 톱 코트층(60) 상에 보호층(70)을 성막한다. 이에 의해, SrSO4의 막인 보호층(70)을 최표면에 갖는 차열 코팅막(40)의 형성 공정이 종료된다.
여기에서, 차열 코팅막(40)이 적용되는 가스 터빈(10)은, 구동용의 연료로서, 중유 등의 액체 연료가 이용되는 경우가 있다. 중유 등의 액체 연료에는, 나트륨이나 황 성분 등이 포함되어 있어, 가스 터빈(10)의 구동 시에 황산 나트륨 등을 포함하는 황산염이 생기는 경우가 있다. 이 황산염은 가스 터빈(10)의 구동 중의 고온 환경하에 있어서 액상화된다. 톱 코트층(60)이 터빈 부재(100)의 최표면에 노출되어 있는 경우, 이 액상화된 황산염이 톱 코트층(60)의 기공(P)으로부터 톱 코트층(60)의 내부에 침투할 우려가 있다. 톱 코트층(60)은 내부에 황산염이 침투하면, 내부의 균열의 진행이 촉진되어, 모재(110)로부터 조기에 박리될 가능성이 높아진다.
이와 같은 현상에 대해, 본 발명자는 SrSO4가 황산 나트륨 등의 황산염의 침투를 억제하는 효과를 발견했다. 즉, 본 발명자는 SrSO4가, 황산 나트륨 등의 용융된 황산염에 대해, 젖음성이 낮은 것을 발견했다. 제 1 실시형태에 따른 차열 코팅막(40)은, 톱 코트층(60)의 표면을 SrSO4의 보호층(70)으로 덮는 것에 의해, 보호층(70) 내로의 황산염의 침투를 억제하여, 그보다 내부의 톱 코트층(60)으로의 황산염의 침투를 억제하는 것을 가능하게 하고 있다. 이에 의해, 제 1 실시형태에 따른 차열 코팅막(40)은, 황산염이 존재하는 환경하에 있어서, 톱 코트층(60)으로의 황산염의 침투를 억제하여, 모재(110)로부터의 박리를 억제하는 것이 가능해진다. 한편, SrSO4의 융점은 1600℃ 정도로 여겨진다. 즉, SrSO4는 황산 나트륨(융점은 880℃ 정도로 여겨진다) 등의 황산염보다도 융점이 높다. 따라서, 보호층(70)은 황산염이 액상이 되는 고온하에 있어서도, 고체 상태를 유지하여, 황산염의 침투를 적절히 억제할 수 있다.
도 4는 제 1 실시형태에 따른 차열 코팅막의 다른 예의 모식적인 단면도이다. 이상의 설명에서는, 톱 코트층(60)은, 공극으로서, 복수의 기공(P)을 갖는 포러스형의 막이었지만, 톱 코트층은 치밀 종균열 코트층이어도 된다. 즉, 도 4에 나타내는 바와 같이, 모재(110)에 차열 코팅막(40a)을 형성해도 된다. 차열 코팅막(40a)은 포러스형의 톱 코트층(60) 대신에, 톱 코트층(60a)을 갖고 있다. 톱 코트층(60a)은 치밀 종균열(Dense Vertical Crack: DVC) 코트층이다. 톱 코트층(60a)은, 공극으로서, 복수의 종균열(C)을 갖는다. 종균열(C)은 톱 코트층(60a)의 깊이(두께) 방향으로 진전하고 있는 치밀한 균열(크랙)이다. 톱 코트층(60a)은, 종균열(C)에 의해, 구조적인 응력(변형)의 추종성에 의해, 열사이클 내구성이 우수하다. 또한, 톱 코트층(60a)은, 치밀한 구조 때문에, 내이로전성도 우수하다. 톱 코트층(60a)의 재료는 톱 코트층(60)과 동일하다. 차열 코팅막(40a)도 톱 코트층(60a)의 표면에 보호층(70)이 피복되어 있기 때문에, 황산 나트륨 등의 황산염의 침투를 억제할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 제 1 실시형태에 따른 차열 코팅막(40)은 본드 코트층(50)과 톱 코트층(60)과 보호층(70)을 갖는다. 본드 코트층(50)은 모재(110) 상에 형성되는 금속 결합층이다. 톱 코트층(60)은 본드 코트층(50) 상에 형성되고 세라믹을 포함하는 층이다. 보호층(70)은 톱 코트층(60) 상에 형성되고 SrSO4를 주성분으로 하는 층이다. 이 차열 코팅막(40)은 SrSO4를 주성분으로 하는 보호층(70)을 톱 코트층(60) 상에 설치하고 있다. 이 차열 코팅막(40)은, 보호층(70) 내의 SrSO4에 의해, 황산 나트륨 등의 황산염이 톱 코트층(60)까지 침투하는 것을 억제한다. 그 때문에, 차열 코팅막(40)은, 황산염이 존재하는 환경하에 있어서, 모재(110)로부터의 박리를 억제할 수 있다.
또한, 톱 코트층(60)은 복수의 공극을 갖는다. 차열 코팅막(40)은 톱 코트층(60)의 복수의 공극에 의해 차열 성능을 향상시키면서, 보호층(70)에 의해, 톱 코트층(60) 내의 공극으로부터의 황산염의 침투를 적합하게 억제할 수 있다.
또한, 차열 코팅막(40a)이 갖는 톱 코트층(60a)은 치밀 종균열 코트층이어도 된다. 이 차열 코팅막(40a)은, 보호층(70)에 의해 황산염의 침투를 억제하면서, 치밀 종균열 코트층인 톱 코트층(60a)에 의해, 열사이클 내구성 및 내이로전성을 향상시킬 수 있다.
또한, 보호층(70)은 기공률이 0.1% 이상 5% 이하인 것이 바람직하다. 제 1 실시형태에 따른 차열 코팅막(40)은, 보호층(70)의 기공률이 낮게 설정되어 있기 때문에, 황산염의 침투를 보다 적합하게 억제할 수 있다.
(제 2 실시형태)
다음으로, 제 2 실시형태에 대하여 설명한다. 제 2 실시형태에 따른 차열 코팅막(40A)은 보호층(70)을 갖지 않고, 톱 코트층(60A)의 내부에, SrSO4를 주성분으로 하는 보호 물질(70A)을 갖는 점에서, 제 1 실시형태와는 상이하다. 제 2 실시형태에 있어서 제 1 실시형태와 구성이 공통되는 개소는 설명을 생략한다.
도 5는 제 2 실시형태에 따른 차열 코팅막의 모식적인 단면도이다. 도 5에 나타내는 바와 같이, 제 2 실시형태에 따른 터빈 부재(100A)는 모재(110) 상에 차열 코팅막(40A)이 설치되어 있다. 차열 코팅막(40A)은 본드 코트층(50)과 톱 코트층(60A)을 갖는다.
톱 코트층(60A)은, 제 1 실시형태에 따른 톱 코트층(60)과 동일한 재료 및 동일한 방법으로, 본드 코트층(50)의 표면(52) 상에 형성된다. 단, 톱 코트층(60A)은 제 1 실시형태와는 달리, 터빈 부재(100A)의 최표면에 노출되어 있다.
톱 코트층(60A)의 내부의 공극, 여기에서는 기공(P) 내에는, 보호 물질(70A)이 마련되어 있다. 보호 물질(70A)은 SrSO4이지만, SrSO4를 주성분으로서 포함하는 것이면, 다른 성분을 함유하고 있어도 된다. 보호 물질(70A)은 기공(P)의 내주에 막상으로 부착되어 있다. 단, 보호 물질(70A)은 기공(P) 내에 마련되어 있으면 되고, 막상이 아니어도 된다.
보호 물질(70A)은 톱 코트층(60A)의 기공(P)(공극) 내에 주입된다. 구체적으로는, SrSO4 입자를 포함하는 액체를 톱 코트층(60A)의 기공(P)의 내부에 침입시키고, 그 액체로부터 액체 성분을 제거하는 것에 의해, 고체인 SrSO4를, 보호 물질(70A)로서 기공(P) 내에 잔류시키는 함침 처리를 행한다. 함침 처리의 일례로서는, SrSO4의 1μm 이하의 입자를 포함하는 현탁액을 톱 코트층(60A)의 표면(62)에 분사한다. 또한, 톱 코트층(60A)이 성막된 터빈 부재(100)를 이 현탁액에 침지해도 된다. 이에 의해, 현탁액이 기공(P)의 내부에 침입한다. 그 후, 예를 들면 건조나 가열 처리에 의해, 현탁액 중의 물을 증발시킴으로써, SrSO4의 입자가 보호 물질(70A)로서 기공(P) 내에 잔류하고, 기공(P)의 내주에 막상으로 부착된다. 이에 의해, 함침 처리는 종료된다. 한편, 현탁액에는, 계면활성제로서 예를 들면 폴리카복실산을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 이 현탁액을 생성할 때에는, 예를 들면, SrSO4의 분말과 물과 계면활성제를, 중량비가 이 순서로, 2.5:2:0.02가 되도록 혼합하고, 볼 밀로 혼합한다.
전술과 같이, SrSO4는 황산 나트륨 등의 황산염의 침투를 억제한다. 따라서, 톱 코트층(60A)의 기공(P)의 내부에 마련된 보호 물질(70A)은 그보다 내부로 황산염이 침투하는 것을 억제할 수 있다. 그 때문에, 제 2 실시형태에 따른 차열 코팅막(40A)은, 황산염이 존재하는 환경하에 있어서, 톱 코트층(60)으로의 황산염의 침투를 억제하여, 모재(110)로부터의 박리를 억제하는 것이 가능해진다.
차열 코팅막(40A)은 이상 설명한 바와 같은 적층 구조로 되어 있다. 다음으로, 차열 코팅막(40A)의 형성 공정에 대하여 플로차트를 이용하여 설명한다. 도 6은 제 2 실시형태에 따른 차열 코팅막의 형성 공정을 설명하는 플로차트이다. 도 6에 나타내는 바와 같이, 차열 코팅막(40A)의 형성 공정은, 최초에 터빈 부재(100A)의 모재(110) 상에 본드 코트층(50)을 형성한다(스텝 S20; 본드 코트층 형성 스텝). 본드 코트층 형성 스텝은 제 1 실시형태와 동일하다. 다음으로, 차열 코팅막(40A)의 형성 공정은, 본드 코트층(50) 상에 톱 코트층(60A)을 형성한다(스텝 S22; 톱 코트층 형성 스텝). 톱 코트층 형성 스텝은 제 1 실시형태와 동일하다. 다음으로, 차열 코팅막(40A)의 형성 공정은, 톱 코트층(60A)의 공극 내에 보호 물질(70A)을 주입한다(스텝 S24; 보호 물질 주입 스텝). 보호 물질 부착 스텝은, 전술과 같이, 기공(P)의 내부에, SrSO4의 미립자를 포함하는 현탁액을 침입(주입)시키고, 현탁액 중의 수분을 제거하는 것에 의해, SrSO4의 미립자를 보호 물질(70A)로서 기공(P)의 내부에 잔류시킨다. 이에 의해, 차열 코팅막(40A)의 형성 공정이 종료된다.
도 7은 제 2 실시형태에 따른 차열 코팅막의 다른 예의 모식적인 단면도이다. 한편, 이상의 설명에서는, 톱 코트층(60A)은, 공극으로서, 복수의 기공(P)을 갖는 포러스형의 막이었지만, 톱 코트층은 치밀 종균열 코트층이어도 된다. 즉, 도 7에 나타내는 바와 같이, 모재(110)에 차열 코팅막(40Aa)을 형성해도 된다. 차열 코팅막(40Aa)은 포러스형의 톱 코트층(60A) 대신에, 톱 코트층(60Aa)을 갖고 있다. 톱 코트층(60Aa)은 제 1 실시형태의 다른 예에 따른 톱 코트층(60a)(도 4 참조)과 마찬가지로 치밀 종균열 코트층이다. 톱 코트층(60Aa)은 공극으로서의 종균열(C) 내에 보호 물질(70A)이 마련되어 있다. 이 경우의 보호 물질 주입 스텝은, 종균열(C) 내에 SrSO4의 미립자를 포함하는 현탁액을 침입(주입)시키고, 현탁액 중의 수분을 제거하는 것에 의해, SrSO4의 미립자를 보호 물질(70A)로서 종균열(C)의 내부에 잔류시킨다. 이 차열 코팅막(40Aa)은, 공극으로서의 종균열(C) 내에 보호 물질(70A)이 마련되어 있기 때문에, 그보다 내부로 황산염이 침투하는 것을 억제할 수 있어, 모재(110)로부터의 박리를 억제할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 제 2 실시형태에 따른 차열 코팅막(40A)은 본드 코트층(50)과 톱 코트층(60A)을 갖는다. 본드 코트층(50)은 모재(110) 상에 형성되는 금속 결합층이다. 톱 코트층(60A)은 본드 코트층(50) 상에 형성되고, 복수의 공극을 갖는 세라믹을 포함하는 층이다. 톱 코트층(60A)은 공극의 내부에 SrSO4를 주성분으로 하는 보호 물질(70A)을 갖는다. 이 차열 코팅막(40A)은 황산 나트륨 등의 황산염의 침투 경로가 되는 공극에 보호 물질(70A)을 마련하고 있다. 그 때문에, 이 차열 코팅막(40A)은 그보다 내부로 황산염이 침투하는 것을 억제한다. 이와 같이, 제 2 실시형태에 따른 차열 코팅막(40A)은, 황산염이 존재하는 환경하에 있어서, 톱 코트층(60)으로의 황산염의 침투를 억제하여, 모재(110)로부터의 박리를 억제할 수 있다.
차열 코팅막(40Aa)이 갖는 톱 코트층(60Aa)은 치밀 종균열 코트층이고, 치밀 종균열 코트층의 균열(종균열(C)) 내에 보호 물질(70A)을 갖는다. 이 차열 코팅막(40Aa)은, 황산 나트륨 등의 황산염의 침투 경로가 되는 균열에 보호 물질(70A)을 마련함으로써, 톱 코트층(60)으로의 황산염의 침투를 억제하고 있다. 이 차열 코팅막(40Aa)은, 보호 물질(70A)에 의해 황산염의 침투를 억제하면서, 치밀 종균열 코트층인 톱 코트층(60Aa)에 의해, 열사이클 내구성 및 내이로전성을 향상시킬 수 있다.
(실시예 1)
다음으로, 실시예 1에 대하여 설명한다. 실시예 1에 있어서, 보호층(70)이나 보호 물질(70A)의 예로서, SrSO4 압분체를 생성하고, SrSO4 압분체의 표면에 황산 나트륨 분말을 도포한 샘플을 준비했다. 실시예 1에서는, 이 SrSO4 샘플 이외에, SiO2, 백금, TiO2, BaSO4, Al2O3, Y2O3, Sc2O3, 멀라이트(3Al2O3·2SiO2), CaSO4, 및 Ta2O5 압분체를 작성하고, 이들 압분체의 표면에 황산 나트륨 분말을 도포한 복수의 비교 샘플도 준비했다. 실시예 1에서는, 이 SrSO4의 샘플과 복수의 비교 샘플을 950℃에서 1시간 가열하고, 황산 나트륨의 압분체로의 침투를 확인했다.
실시예 1에서는, 모든 비교 샘플에 대하여, 황산 나트륨 분말이 압분체에 침투되어 있는 것이 확인되었다. 그리고, 실시예 1에서는, SrSO4의 샘플에 있어서는, 황산 나트륨 분말이 용융, 재고화되어 있지만, SrSO4 압분체 상에 남아 있고, SrSO4압분체 내로의 황산 나트륨의 침투가 확인되지 않았다. 이와 같이, 실시예 1에 의하면, SrSO4가 황산 나트륨 등의 황산염의 침투를 억제하는 것을 알 수 있다.
(실시예 2)
다음으로, 실시예 2에 대하여 설명한다. 도 8은 실시예 2에 있어서의 샘플의 단면을 나타내는 도면이다. 실시예 2에서는, 용사에 의해 형성된 톱 코트층(60B) 상에 보호층(70B)을 코팅하고, 보호층(70B) 상에 황산 나트륨 분말(S)을 도포한 샘플(A)을 준비했다. 이 톱 코트층(60B)은 제 1 실시형태의 톱 코트층(60)과 동일한 것이다. 보호층(70B)은 제 1 실시형태의 보호층(70)과 마찬가지로 SrSO4이지만, 용사는 아니고, 실리카 졸을 이용하여 톱 코트층(60B) 상에 코팅한 것이다.
실시예 2에서는, 이 샘플(A)을 950℃에서 1시간 가열하고, 가열 후의 샘플(A)을 절단하여 단면을 관찰했다. 도 8은 이 단면의 사진이다. 도 8에 나타내는 바와 같이, 샘플(A)에 있어서, 황산 나트륨 분말(S)은 용융, 재고화되어 있지만, 보호층(70B) 및 톱 코트층(60B) 내로의 침투는 보이지 않는다. 한편, 보호층(70B)에 균열이 생겨 있지만, 이는 실험에 이용한 용융 염의 도포량이 많아, 용융 염이 응고·수축했을 때에, 보호층(70B)에 높은 압축 응력을 생기게 했기 때문이라고 생각된다. 그러나, 그 경우라도, 하층의 TBC층에는 용융 염의 침투나 균열 등은 발생해 있지 않고, SrSO4는 양호하게 보호성을 발휘하고 있다. 이와 같이, 실시예 2에 의하면, 보호층(70B), 즉 SrSO4가 황산 나트륨 등의 황산염의 침투를 억제하는 것을 알 수 있다.
이상, 본 발명의 실시형태를 설명했지만, 이 실시형태의 내용에 의해 실시형태가 한정되는 것은 아니다. 또한, 전술한 구성 요소에는, 당업자가 용이하게 상정할 수 있는 것, 실질적으로 동일한 것, 이른바 균등한 범위의 것이 포함된다. 더욱이, 전술한 구성 요소는 적절히 조합하는 것이 가능하다. 더욱이, 전술한 실시형태의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 구성 요소의 여러 가지의 생략, 치환 또는 변경을 행할 수 있다.
1: 압축기
2: 연소기
3: 터빈
4: 터빈축
10: 가스 터빈
11: 공기 흡입구
12: 압축기 케이싱
13: 압축기 정익
14: 압축기 동익
21: 내통
22: 미통
23: 외통
24: 연소기 케이싱
25: 공기 통로
31: 터빈 케이싱
32: 터빈 정익
33: 터빈 동익
34a: 배기 디퓨저
34: 배기실
40, 40a, 40A, 40Aa: 차열 코팅막
41: 베어링부
42: 베어링부
50: 본드 코트층
52, 62, 72, 112: 표면
60, 60a, 60A, 60Aa, 60B: 톱 코트층
70, 70B: 보호층
70A: 보호 물질
100, 100A: 터빈 부재
110: 모재
A: 샘플
C: 종균열
P: 기공
R: 축심
S: 황산 나트륨 분말

Claims (9)

  1. 모재 상에 형성되는 금속 결합층인 본드 코트층과,
    상기 본드 코트층 상에 형성되고 세라믹을 포함하는 층인 톱 코트층과,
    상기 톱 코트층 상에 형성되고 SrSO4를 포함하는 보호층을 갖는, 차열 코팅막.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 톱 코트층은 복수의 공극을 갖는, 차열 코팅막.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 톱 코트층은 치밀 종(縱)균열 코트층인, 차열 코팅막.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 보호층은 기공률이 0.1% 이상 5% 이하인, 차열 코팅막.
  5. 모재 상에 형성되는 금속 결합층인 본드 코트층과,
    상기 본드 코트층 상에 형성되고, 복수의 공극을 갖는 세라믹을 포함하는 층인 톱 코트층을 갖고,
    상기 톱 코트층은 상기 공극의 내부에 SrSO4를 포함하는 보호 물질을 갖는, 차열 코팅막.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 톱 코트층은 치밀 종균열 코트층이고, 상기 치밀 종균열 코트층의 균열 내에 상기 보호 물질을 갖는, 차열 코팅막.
  7. 표면에 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 기재된 차열 코팅막이 설치되는, 터빈 부재.
  8. 모재 상에, 금속 결합층인 본드 코트층을 형성하는 스텝과,
    상기 본드 코트층 상에, 세라믹을 포함하는 층인 톱 코트층을 형성하는 스텝과,
    상기 톱 코트층 상에, SrSO4를 포함하는 보호층을 형성하는 스텝을 갖는, 차열 코팅 방법.
  9. 모재 상에, 금속 결합층인 본드 코트층을 형성하는 스텝과,
    상기 본드 코트층 상에, 복수의 공극을 갖는 세라믹을 포함하는 층인 톱 코트층을 형성하는 스텝과,
    상기 톱 코트층의 공극의 내부에, SrSO4를 포함하는 보호 물질을 주입하는 스텝을 갖는, 차열 코팅 방법.
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