KR20030068054A - 혼성 열 차단 코팅 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

열 차단 코팅을 갖는 초합금 제품이 개시된다. 제품은 초합금 기판과, 기판 상에 접착성 알루미나층과, 알루미나층 상에 단열층인 세라믹을 포함한다. 세라믹층은 전체 두께를 가지며, 알루미나 상에 상대적으로 내 변형성인 원주형 그레인 세라믹과, 원주형 그레인 세라믹 상에 상대적으로 단열성이 강한 세라믹을 포함한다. 알루미나층은 오버레이 또는 알루미나 접합 코팅과 같은 알루미나 형성층을 이용하여 형성될 수 있거나, 또는 초합금이 알루미나층을 형성할 수 있는 재료를 포함할 수 있다. 세라믹층은 안정화된 지르코니아 또는 다른 적절한 재료로 형성될 수 있으며, 동일하거나 상이한 조성을 가질 수 있다.

Description

혼성 열 차단 코팅 및 그 제조 방법{HYBRID THERMAL BARRIER COATING AND METHOD OF MAKING THE SAME}

본 발명은 대체로 가스 터빈 부품, 특히 세라믹층을 포함하는 열 차단 코팅을 구비하는 제품들과 같은 열 차단 코팅에 의해 보호되는 금속 제품에 관한 것이다.

가스 터빈은 연료 형태의 잠재적인 화학적 에너지를 열 에너지로 전환시켜서 항공기를 추진시키고, 전력을 발생시키고, 유체 등을 펌핑하는데 사용되는 기계적 에너지로 전환시키도록 잘 개발된 기구이다. 이때, 금속 재료는 가스 터빈에서 금속 재료의 열적 안정성의 상한 또는 그 근처에서 사용된다. 현재의 가스 터빈 엔진의 최고온부에서, 금속 재료는 그 융점보다 상당히 높은 가스 온도에서 사용된다. 금속 재료들은 공냉되므로 견딜 수 있다. 그러나, 공냉시키는 것은 효율을 감소시킨다.

따라서, 냉각 가스 터빈 설비와 함께 사용하기 위한 열 차단 코팅을 포함하는 코팅의 광범위한 발전이 이루어졌다. 특히 열 차단 코팅을 사용함으로써, 필요한 냉각 공기의 양이 실질적으로 감소되고, 따라서 효율이 증가된다.

이러한 코팅은 변함없이 세라믹에 기초한다. 멀라이트(mulite), 알루미나 등이 제안되고, 하프니아(hafnia) 및 다른 재료가 제안되지만, 지르코니아가 현재 선택되는 재료이다. 지르코니아에는 일반적으로 단사정계 상(monoclinic phase)의 형성을 방해하기에 충분한 안정제가 제공되고, 일반적으로 안정제는 이트리아(yttria), 칼시아(calcia), 세리아(ceria), 마그네시아(magnesia) 및 가돌리니아(gadolinia)를 포함한다.

대체로, 금속 재료는 세라믹 재료의 열 팽창 계수를 초과하는 열 팽창 계수를 갖고, 이러한 차이는 세라믹 재료가 적용되는 방법에 부분적으로 의존한다. 따라서, 성공적인 열 차단 코팅의 개발에서 제기되는 문제 중 하나는 금속 기판에 대한 세라믹 재료 또는 재료 등의 열 팽창 계수가 대등하여, 가열 중에 기판이 팽창될 때 세라믹 코팅 재료의 균열이 생기지 않아야 한다는 것이다. 지르코니아는 열 팽창 계수가 높고, 이는 금속 기판 상에 열 차단 재료로서 지르코니아가 선택되는 주된 이유이다. 코팅 내구성도 중요하다. 또한, 오랜 수명, 안정성, 경제성 등의 일반적인 요구 조건이 있는 것도 명백하다.

열 차단 코팅은 열 분사(플라즈마, 화염 및 HVOF), 스퍼터링 및 전자 비임 물리적 증기 증착(EBPVD)을 포함하는 여러 가지 기술에 의해 증착되었다. 이러한 기술 중에, 전자 비임 물리적 증기 증착이 우수한 코팅 구조를 제공하므로, 고온 용도에서 바람직한 기술로서 일반적이다. 일정한 파라미터에 따라 적용될 때, 전자 비임 물리적 증기 증착된 세라믹 재료는 코팅 안으로 연장되는 간극으로 분리된 작은 원주로 구성되는 원주형 그레인 미세구조를 갖는다. 이러한 간극은 코팅 균열 및/또는 파쇄없이 사실상의 기판 팽창을 가능하게 한다. 예를 들어, 공동 소유의 미국 특허 제4,321,311호를 참조하면 된다. 미국 특허 제5,073,433호와 공동 소유의 미국 특허 제5,705,231호에 따르면, 일반적인 확대 스케일에서, 플라즈마 분사 재료가 고온과 응력 적용, 특히 회전 부품의 경우에는 별로 적절하지 않지만, 플라즈마 분사 기술에 의해 유사한 구조가 얻어진다.

물리적 증기 증착된 TBC의 원주형 구조가 플라즈마 분사된 TBC에 비해 변형 허용한계가 향상된다. 또한, EB-PVD와 같은 비교적 높은 증착 속도를 갖는 PVD 공정은 더 넓은 내부 원주형 구멍이 되게 하고, 따라서 내 변형성이 개선된다. 그러나, 내부 원주형 구멍은 또한 열 분사에 의해 적용된 동일한 재료보다 단열성이 적은 구조를 생성한다.

타이세이라(Teixeira) 등[열 분사 기술 저널, 제9판, 2권, 2000, 페이지 191 내지 197]에 의해 출판된 논문은 고온에서 하부의 금속 기판의 부식 저항과 산화를 개선시키도록 설계된 세라믹 이중 열 차단을 개시하고 있다. 타이세이라는 TBC 실패의 한가지 이유가 응력 자유 환경에서의 산화 스케일 성장이라고 제시하고 있다. TBC는 크로미아(chromia) 형성체 상에 직접적인 스퍼터링에 의해 증착된 매우 얇은(7㎛ 내지 0.007mm(0.28mil)) 비교적 고밀도의 원주형 세라믹층, 니켈계 초합금, 얇은 원주형 층 상의 두꺼운(300㎛ 내지 0.305mm(12mil)) 열 분사 세라믹 상부막으로 구성된다. 얇은 원주형 세라믹층은 "전통적인" 금속 결합 막, 예를 들어 MCrAlY로 교체된다. 얇은 고밀도의 증착층은 초합금 기판의 산화와 부식을 감소시키는 확산 차단벽으로 작용한다. EB-PVD에 대한 스퍼터링의 매우 낮은 증착 속도는 확산 차단벽으로 사용하기에 매우 적절한 사실상 적은 내부 원주형 구멍을 구비한 코팅이 되게 한다. 그러나, 이러한 고밀도의 증착 코팅은 EB-PVD와 같은 고속 공정에 의해 증착된 코팅보다 작은 내 변형성을 갖는다.

열 분사 세라믹 코팅의 감소된 열 전도성을 갖는 원주형 그레인 세라믹 코팅의 내 변형성의 이익을 조합하는 세라믹 코팅을 제공하는 것이 바람직하다. 본 발명은 이러한 코팅에 관한 것이다.

본 발명의 코팅이 예컨대 항공 및 산업 적용예를 위한 가스 터빈에서 사용하기 위해 개발되었더라도, 본 발명은 노 및 내연 기관과 같은 고온 부식-증진 및/또는 부식 환경에 직면하는 다른 적용예에 사용된다.

열 차단 코팅을 갖는 초합금 물품이 개시된다. 물품은 초합금 기판과, 기판 상에 접착 알루미나층과, 알루미나층 상에 세라믹 단열층을 포함한다. 세라믹층은 알루미나층 상에 예컨대 원주형 그레인 세라믹인 비교적 얇고 더 내 변형성이 있는 층과, 원주형 그레인 세라믹 상에 예컨대 열 분사 세라믹인 비교적 두껍고 더 단열되는 층을 포함한다. 알루미나층은 종래의 오버레이 또는 알루미나이드 결합 피막을 사용하여 형성될 수 있거나, 또는 초합금 재료는 알루미나층을 형성할 수 있다.

도1은 본 발명에 따른 코팅의 마이크로 사진이다.

도2는 본 발명에 따른 코팅의 상대적인 내구성을 도시하는 그래프이다.

도3은 본 발명의 향상된 단열 성능을 도시하는 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

18 : 기판

20 : 접착 산화물층

24 : 비교적 내 변형성이 있는 층

26 : 비교적 더 단열되는 층

22 : 두 개 부품 세라믹 코팅

이제 도1을 참조하면, 본 발명에 따른 열 차단 코팅이 도시된다. 본 발명이 터빈 블레이드에 대해 설명되더라도, 당해 분야의 숙련자는 본 발명이 사용될 수 있는 가스 터빈 외의 적용예에 사용하기 위한 구성 요소 및 발진 터빈뿐만 아니라 베인, 연소기, 케이스, 밀봉체, 링 및 연관된 지지 하드웨어를 포함하나 이에 제한되지 않는 가스 터빈의 조립체 및 많은 다른 구성 요소가 본 발명의 코팅으로 코팅될 수 있다는 것을 알 것이다.

통상의 블레이드는 당해 분야에 공지된 바와 같이 에어포일 부분(12)과, 플랫폼 부분(14)과, 루트 부분(16)을 갖는다. 통상, 고온 가스에 노출된 구성 요소의 이들 부분, 예컨대, 에어포일 부분 및 플랫폼의 인접 부분이 열 차단 코팅으로 코팅되더라도, 본 발명은 임의의 특정 영역의 적용예로 제한되는 것으로 의도되지 않는다. 도1을 참조하면, 본 발명을 포함하는 물품은 기판(18)과, 접착 산화물층(20)과, 비교적 내 변형성이 있는 층(24)과 비교적 더 단열되는 층(26)을 포함하는 2개 부품 세라믹 코팅(22)을 포함한다.

본 발명의 재료와 코팅은 금속 기판을 보호하는데 통상 사용된다. 가스 터빈의 경우에서, 이러한 기판은 통상 초합금으로 구성된 하나 이상의 부분을 포함한다. 초합금은 통상 철, 니켈 또는 코발트 기반이며 크롬과 알루미늄을 함유하고 티타늄과 내화성 금속을 통상 포함하는 금속이며, 650 ℃(1200 ℉) 이상에서 유용한 특성을 갖는다. 가스 터빈에 대해서, 이러한 금속은 통상 주조되고, 등축으로 또는 방향성 있게 고화되며, 다결정 및 단일 결정 물품을 포함한다. 표1은 예시적인 기판 재료의 개략적인 리스트를 제공한다.

표1

(중량% - 예시적인 초합금 조성)

본 명세서에 참조되어 포함된 미국 특허 제4,209,348호, 제4,719,080호, 제5,068,084호, 제5,599,355호 및 제6,270,318호를 참조하라.

또한, 강철, 구리 합금 및 티타늄 합금을 포함하는 다른 재료로 구성되고 고온의 작동 환경으로부터의 보호를 필요로 하는 기판이 보호될 수 있다.

세라믹 도포 전이나 도포 동안, 또는 덜 통상적으로는 도포 후에 산화물층이 형성되거나 형성되지 않아도 세라믹 코팅을 초합금에 성공적으로 도포하기 위해, 결합 피막 또는 기판과 세라믹 코팅 사이에 산화물층을 포함한다. M이 철, 니켈, 코발트 및/또는 이들 성분의 조합인 MCrAlY 형식의 코팅과 같은 금속 결합 피막(종종 오버레이 코팅으로 설명됨)이 세라믹 코팅에 대해 우수한 결합 피막이라는 것이 종래의 열 차단 코팅으로부터 공지된다.

MCrAlY에 대한 광범위 조성은 크롬 10 내지 25 중량％ , 알루미늄 5 내지 15 중량%, 이트륨 또는 철 0.1 내지 1.0 중량%, 니켈과 크롬 및 니켈과 코발트의 혼합물로부터 선택된 나머지인 다른 적절한 요소를 포함한다. 또한, 5 중량％에 이르는(또는 심지어는 초과하는) 각각의 하프늄, 탄탈늄 또는 레늄, 1 중량％에 이르는 실리콘 및 3 중량％에 이르는 각각의 오스뮴,플래티늄, 팔라듐, 로듐 및/또는 다른 귀금속의 첨가가 가능하다. 표2는 열 분사 공정과 같은 적절한 방법에 의해, EB-PVD 공정에 의해, 그리고 전기도금에 의해 도포될 수 있는 MCrAlY의 예시적이고 비제한적인 리스트를 제공한다.

표2

(중량% - 예시적인 MCrAlY 혼합물)

미국 특허 제3,928,026호, 제4,585,481호, 제5,227,936호 및 Re. 32,121호 를 참조한다.

대체 결합 피막은 전형적으로 기판 표면에 알루미늄을 확산시켜서 형성된 알루미나이드이다. 확산 알루미나이드는 공지되어 있고, 알루미늄 합금 및 화합물과 같은 알루미늄원, (다른 할로겐화물 및 다른 물질들이 활성제로 사용될 수 있지만 통상적으로 NaF와 같은 할로겐화물 화합물인) 활성제 및 알루미나와 같은 불활성 물질을 포함하는 (팩이라 불리는) 분말 혼합물을 사용하여 적용될 수 있다. 피복될 부분은 팩 속에 묻히고 수소와 같은 운반 기체가 팩을 통해 유동되는 동안 816 내지 1093 ℃(1500 내지 2000 ℉)로 가열된다. 부분이 팩에 묻히지 않는 동안 대체 팩 공정은 또한 기판에 알루미늄을 확산시킴으로써 다음 기판 상에 알루미늄을 증착(도금, 증착)시키는 이외의 방법과 같이 공지되어 있다. 마찬가지로 플래티늄, 로듐, 팔라듐 및 오스뮴과 같은 하나 이상의 희귀 금속을 알루미나이드 코팅에 결합하는 것은 공지되어 있다. 예컨대 알루미나이드 코팅 공정을 개시한 미국 특허 제5,514,482호를 참조한다.

오버레이와 알루미나이드 코팅의 조합이 또한 가능하다. 예컨대 내부 MCrAlY 오버레이 코팅과 외부 알루미나이드 코팅을 갖는 시스템을 개시한 미국 특허 제4,897,315호를 참조하라. 내부 알루미나이드 코팅과 외부 오버레이 코팅의 역조합을 개시한 미국 특허 제4,005,989호를 참조한다.

이런 결합 피막 및 결합 피막 조합의 공통적인 특성은 외부 표면 상에 예컨대 알루미나와 같은 접착성 산화물층을 형성한다는 것이다. 독창적인 열 차단 코팅은 알루미나에 견고하게 접합되지만 비교적 제한된 용해도를 갖는다.

어떤 경우, 초합금은 별도의 결합 피막없이 세라믹이 접착된 충분히 완전하고 접착성 있는 알루미나층을 형성할 수 있다. 미국 특허 제4,209,348호, 제4,719,080호, 제4,895,201호, 제5,034,284호, 제5,262,245호, 제5,538,796호 및 제5,346,563호를 참조한다. 도1의 부품은 본 발명이 이러한 기판 물질을 채용한 것을 도시하고 있다.

단열 세라믹(도1의 22)은 오버레이층 또는 알루미나이드층에 기판 표면 상에 또는 전술한 산화물 형성 시스템이 사용되는 경우 알루미나층 상에 도포된다. 전술된 바와 같이, 세라믹은 두 개(이상)의 부분에 도포되며, 제1 부분은 비교적 더 내성에 강한 세라믹을 포함하고 제2 부분은 비교적 단열성이 우수한 세라믹을 포함한다.

제1 내 변형성 세라믹과 제2 단열 세라믹은 소정의 두께비를 갖도록 제1 및 제2 두께로 각각 도포된다. 양호한 코팅 두께 및 두께비는 본 발명에 따른 부품의 의도된 적용 및 원하는 단열성에 의존하지만, 제1 세라믹의 두께는 0.006 내지 0.254mm(0.25 내지 10mil), 바람직하게는 0.013 내지 0.127mm(0.5 내지 5mil), 더욱 바람직하게는 0.025 내지 0.076mm(1 내지 3mil)이고, 제2 세라믹의 두께는 0.025 내지 1.27mm(1 내지 50mil), 바람직하게는 0.076 내지 0.508mm(3 내지 20mil), 더욱 바람직하게는 0.076 내지 0.254mm(3 내지 10mil)이다. 따라서, 제1 세라믹의 두께는 제2 세라믹의 두께의 약 2 내지 1/80 배이다. 제1 세라믹층 대 제2 세라믹층의 전형적인 두께비는 약 2:1 내지 1:25이다.

제1 내 변형성 세라믹에 대해서는, 예컨대 전자 비임 물리적 증기 증착에 의해 쉽게 마련되고 양호한 내 변형성을 제공하는 공지된 형태의 주상 결정 세라믹층을 사용하는 것이 양호하다. 다른 주상 구조체는 본 명세서에 참조로써 결합된 테일러의 미국 특허 제5,520,516호 및 니슬레이의 미국 특허 제5,705,231호에 예시된 바와 같이 플라즈마 분사 기술에 의해 생성될 수 있다. 내 변형성층은 사용시 예컨대 대기 온도에서 최대 작동 온도까지 이르게 되는 온도 범위에 충분한 순응성을 제공하기에 충분한 두께이어야 하지만, 코팅의 중량이 최소화되어야 하는 예컨대 회전 구성 성분에서는 이 목적을 달성하기 위해 필요 이상으로 두꺼울 필요는 없다. 터빈 블레이드에 대해서는, 주상 결정층은 적어도 약 0.006mm(0.25mil)의 두께이어야 하고, 양호하게는 약 0.013mm(0.5mil), 바람직하게는 0.025mm(1mil)이어다.

도1은 산화이트륨 및 약 7 중량%의 산화이트륨을 갖는 지르코니아를 포함하는 주상 결정 세라믹을 도시하고 있다. 이러한 적절한 물질 중 하나가 예컨대 스트랑만 등의 미국 특허 제4,321,311호에 예로써 개시되어 있고, EB-PVD와 같은 물리 증착법으로 도포될 수 있다. 말론니의 미국 특허 제6,177,200호 및 미국 특허 제6,117,560호 모두에 개시된 상이한 구조를 갖는 가돌리니아, 지르코니아를 포함한 다른 물질들이 사용될 수도 있다.

제2 세라믹은 강화된 단열성을 제공한다. 에어 플라즈마 분사 및 저압 플라즈마 분사와 같은 열 분사 공정에 의해 물질을 도포하는 것이 바람직하지만, 다른 공정이 사용될 수도 있다. 열 분사에 의해 도포된 곳에서, 제2 세라믹은 전형적으로 서로 조립된 스팰트(spalt)와 같은 형상을 하는 마이크로 구조체를 갖고, EB-PVD에 의해 도포된 대응 물질에 비해 상당히 낮은 열 전도성을 제공하여 주상 결정을 형성한다. 터빈 블레이드에 대해서는, 제2 세라믹은 적어도 0.025 내지 약 2.54mm(1 내지 100mil) 까지의 두께로 도포되고, 바람직하게는 약 0.051 내지 1.27mm(2 내지 50mil), 더욱 바람직하게는 0.076 내지 0.254mm(3 내지 10mil)의 두께로 도포되지만, 당업자는 소정의 두께는 구성 성분의 도포에 의존한다는 것을 알 것이다. 예컨대, 연소기 라이너, 터빈 베인 등과 같은 고정 구성 성분 상의 열 차단 코팅은 터빈 블레이드 등과 같은 회전 구성 성분 상의 코팅보다 더 두꺼울 수 있다. 전체 두께는 부분 등에 대해 기대되는 전체 온도 감소와 같은 요구에 의존한다.

주상 TCB층을 갖는 샘플은 전자 빔 물리적 증기 증착에 의해 준비되었다. 공칭 주상층(TBC) 두께가 0.025mm 및 0.064mm(1 mil 및 2.5 mil)이고 이트리아 안정화된 지르코니아 및 가돌리나아 안정화된 지르코니아로 구성된 시편이 준비되었다. 세라믹 산화물은 지르코니아계 TBC에 대해 전형적인 파라미터를 이용하는 전자 빔 진공 증착 코팅 시스템을 이용하여 증발된다.

이 후, 세라믹 상부 코팅층은 공기 플라즈마 분사(ASP) 공정에 의해 도포된다. 다른 플라즈마 건(gun)이 동일한 효과로 이용될 수 있는 동안, 표준 건 구성 요소를 갖는 플라즈마 테크닉 F-4 분사 토치는 상부 코팅층을 도포하는데 이용된다. 분사 파라미터는 코팅된 시편의 유형에 따라서 약간 변경된다. 일반적으로, 코팅은 500 내지 900 암페어의 전류량, 55 내지 65 볼트의 전압량, 35 내지 45 분당 기준 리터(SPLM)의 아르곤 1차 가스 유동, 2 내지 10 SPLM의 2차 가스 수소 유동, 40 내지 55 분당 그램의 분말 공급 속도, 및 약 15.2 cm(6인치)의 건과 작업편 사이의 거리를 이용하여 도포된다.

2개의 혼성 TBC 시스템(도2, "A" 및 "B"라 나타냄)은 그의 순환 파쇄 수명을 결정하도록 버너-리그 시험되고 본 발명에 따라 준비된다. 시험 주기는 4분 동안 약 1135℃(2075 ℉)로 일부를 가열하고 2분 동안 강제 공냉이 후속되는 것을 포함했다. 2개의 시스템은 내 변형성 세라믹층과 단열 세라믹층 사이의 두께비가 달랐다. 시스템(A, B)에 있어서, 비는 각각 약 1:4와 1:1이다. 혼성 TBC 시스템에 대한 순환 파쇄 수명은 스트래그맨(Stragman)에게 허여된 전술된 미국 특허 제4,321,311호의 TBC에 대해 기준이 되었으며, 스트래그맨의 우수한 순환 파쇄 성능은 당해 기술분야의 숙련자들에게 잘 공지된다. 모든 연구된 TBC 시스템에 대한 전체 세라믹 두께는 약 0.013mm(5 mil)로 동일하다.

혼성 TBC 시스템의 순환 파쇄 수명이 단열 세라믹층에 대한 내 변형성 세라믹층의 두께비에 적어도 부분적으로 좌우된다는 것을 측정했다. 또한, 2개의 연구된 혼성 TBC 시스템의 순환 파쇄 수명은, 각각 1:4와 1:1의 두께비에 있어서, 전술된 종래 기술의 TBC 시스템보다 1.4배와 2배만큼 우수했다. 이 결과로 인해, 내 변형성 세라믹층의 두께가 증가함에 따라 EB-PVD층의 팁 근처의 세로폭이 적어도 약간 증가하는 경향이 있기 때문에, 단열 세라믹층을 하부 내 변형성 세라믹층에 상호 로킹하는 것이 개선된다. 주어진 전체 두께에 대해, 1:1(더 단열되는 제2 세라믹층에 대한 더 내 변형성이 있는 제1 세라믹층)의 두께비가 긴 순환 파쇄 수명을 설명하는 동안, 1:4 두께비를 갖는 코팅은 1:1 두께비를 갖는 코팅보다 큰 단열을 제공했다.

혼성 TBC 시스템에 대한 열 전도도 이득은, "혼합 법칙", EB-PVD 세라믹층에 대한 열 전도도 및 플라즈마 분사 세라믹층, 도3의 경우에 말로니(Maloney)에게 허여된 공동 소유된 미국 특허 제6,177,200호에 따라 준비된 가돌리니아 지르코니아의 EB-PVD층, 공기 플라즈마 분사에 의해 도포되고 이트리아-세리아로 구성된 플라즈마 분사된 층을 이용하여 도3에서 평가된다. 주상 결정 세라믹에 대한 열 분사된 세라믹의 이점을 증가시키기 위해, 혼성 TBC 시스템은 약 1:4의 더 단열되는 세라믹층에 대한 더 내 변형성이 있는 세라믹층의 두께비를 가졌다. 혼성 시스템의 열 전도도는 전자 빔 물리적 증기 증착(EB-PVD)에 의해 준비된 내 변형성 7YSZ 세라믹층인, 기술의 상태와 관련하여 도시된다. 다시, 두 TBC 시스템의 전체 두께는 동일하다. 도3을 참조하면, 가스 터빈 엔진에의 적용에 적절한 온도로, 혼성 TBC 시스템은 EB-PVD 7YSZ 시스템 기술의 상태에 대한 것의 30%만큼 낮은, 즉 70%까지 감소된 열전도값을 제공한다.

전형적인 주상 결정 코팅에 대한 주어진 두께를 위해 전도도의 큰 감소를 제공하는 본 발명은 종래 기술보다 상당한 이점을 제공한다.

초기 문제로서, 다시 가스 터빈 적용물과 관련하여, 본 발명은 고온 작동 시에 회전 구성 요소에 대한 사용을 포함하는, TBC 통합 플라즈마 분사 세라믹의 이용이 더욱 효과적이도록 더욱 용이하게 할 수 있다.

더욱이, 일정한 TBC 두께 및 가스 온도가 주어지면, 구성 요소 온도는 낮아져서 구성 요소 수명을 연장시킨다. 일정한 코팅 두께 및 금속 온도가 주어지면, 높은 가스 온도가 가능하여서 효율을 향상시킨다. 일정한 가스 온도와 일정한 금속 온도가 주어지면, 얇은 코팅은 이용될 수 있으며, 이는 회전 블레이드에 의해 가해진 견인력이 크게 감소되고, 보다 작고 경량인 디스크, 샤프트, 베어링 등의 사용을 가능하게 하고, 그리고/또는 크리프 수명을 증가시킨다. 또한, 얇은 코팅은 두꺼운 코팅의 열 응력이 TBC 파손의 원인이 된다고 믿어질 정도로 두꺼운 코팅보다 더욱 내구성이 있다고 기대된다. 예를 들어 약간 두꺼운 TBC의 적용과 약간 고온인 가스 온도에서의 작동의 변경과 조합은 또한 바람직할 수 있다. 더욱이, 열 분사층 위에 다른 층을 도포하는 것, 예를 들어 부가 침식 저항을 제공하거나 부가 확산 차단을 제공하는 것 등은 바람직할 수 있다.

본 발명은 상세한 실시예에 대해 도시되고 설명되지만, 그의 구체적인 형태의 다양한 변화가 본 발명의 범위와 기술 사상으로부터 벗어나지 않고 이루어질 수 있다는 것을 당해 기술 분야의 숙련자들은 알 수 있을 것이다.

본 발명에 따르면, 열 분사 세라믹 코팅의 감소된 열 전도성을 갖는 원주형 그레인 세라믹 코팅의 내 변형성의 이익을 조합하는 세라믹 코팅을 제공할 수 있다.

Claims (20)

1. 열 차단 코팅을 갖는 초합금 제품이며,

   초합금 기판과,

   기판 상의 알루미나층과,

   알루미나층 상에 단열 세라믹을 포함하며,

   세라믹층은 알루미나층 상에 원주형 그레인 세라믹을 포함하고 원주형 그레인 세라믹 상에 열 분사 세라믹을 포함하는 것을 특징으로 하는 초합금 제품.
2. 제1항에 있어서, 열 분사 세라믹의 두께는 적어도 원주형 그레인 세라믹 두께의 50%인 것을 특징으로 하는 초합금 제품.
3. 제2항에 있어서, 열 분사 세라믹의 두께는 원주형 그레인 세라믹 두께보다 두꺼운 것을 특징으로 하는 초합금 제품.
4. 제1항에 있어서, 단열 세라믹층은 전체 두께를 가지며, 원주형 그레인층의 두께는 전체 두께의 약 1 내지 50%인 것을 특징으로 하는 초합금 제품.
5. 제4항에 있어서, 원주형 그레인 세라믹은 전체 코팅 두께의 약 20 내지 40%의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 초합금 제품.
6. 제1항에 있어서, 원주형 그레인 세라믹층은 적어도 약 0.013mm(0.5mil)의 두께를 가지며, 열 분사 세라믹층의 두께는 원주형 그레인 세라믹층의 두께보다 두꺼운 것을 특징으로 하는 초합금 제품.
7. 제1항에 있어서, 알루미나층은 MCrAlY 코팅에 의해 제공되며, M은 철, 니켈, 코발트 및 이들의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 초합금 제품.
8. 제1항에 있어서, 알루미나 형성층은 알루미나이드인 것을 특징으로 하는 초합금 제품.
9. 제1항에 있어서, 기판은 부착성의 알루미나층을 형성할 수 있는 초합금 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 초합금 제품.
10. 제1항에 있어서, 원주형 그레인 세라믹은 안정화된 지르코니아인 것을 특징으로 하는 초합금 제품.
11. 제1항에 있어서, 원주형 그레인 세라믹은 약 0.006 내지 0.254mm(0.25 내지 10mil) 사이의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 초합금 제품.
12. 제1항에 있어서, 원주형 그레인 세라믹은 적어도 약 0.013mm(0.5mil)의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 초합금 제품.
13. 제1항에 있어서, 열 분사 세라믹은 안정화된 지르코니아인 것을 특징으로 하는 초합금 제품.
14. 제1항에 있어서, 열 분사 세라믹은 원주형 그레인 세라믹의 조성과 상이한 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 초합금 제품.
15. 제1항에 있어서, 열 분사 세라믹은 약 0.025 내지 2.54mm(1 내지 100mil) 사이의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 초합금 제품.
16. 제15항에 있어서, 열 분사 세라믹층은 약 0.05 내지 1.27mm(2 내지 50mil)의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 초합금 제품.
17. 제1항에 있어서, 열 분사층 상에 열 분사층보다 내 부식성이 우수한 추가의 코팅을 포함하는 것을 특징으로 하는 초합금 제품.
18. 열 차단 코팅을 갖는 초합금 제품이며,

    초합금 기판과,

    기판 상에 알루미나층과,

    알루미나층 상에 단열 세라믹을 포함하며,

    세라믹층은 알루미나층 상에 적어도 약 0.013mm(0.5mil) 두께의 원주형 그레인 세라믹을 포함하고 원주형 그레인 세라믹 상에 원주형 그레인 세라믹층 두께의 약 절반보다 두꺼운 열 분사 세라믹을 포함하는 것을 특징으로 하는 초합금 제품.
19. 제18항에 있어서, 원주형 그레인 세라믹층은 약 0.025 내지 0.25mm(1 내지 10mil) 사이의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 초합금 제품.
20. 제18항에 있어서, 열 분사 세라믹층은 원주형 그레인 세라믹층 두께의 약 1 내지 25배까지의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 초합금 제품.