KR20070096997A - 금속계 기재상에 보호 코팅을 제공하는 방법 및 금속계기재상에 보호 코팅을 갖는 제품 - Google Patents

금속계 기재상에 보호 코팅을 제공하는 방법 및 금속계기재상에 보호 코팅을 갖는 제품 Download PDF

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앤토니 마크 톰슨
데니스 마이클 그레이
멜빈 로버트 잭슨
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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

본 발명은 보호 코팅을 금속계 기재상에 제공하는 방법을 개시하고 있다. 본 발명의 방법은 알루미늄-풍부 혼합물을 기재에 도포하여 알루미늄-풍부 입자의 불연속 층을 형성시킨 후, 상기 알루미늄-풍부 입자의 불연속 층상에 제 2 코팅을 도포하는 단계를 포함한다. 알루미늄은 알루미늄-풍부 층으로부터 기재내로 확산되고, 후속적으로 도포되는 임의의 결합 코팅층내로 확산된다. 이와 관련된 제품이 또한 기재되어 있다.

Description

금속계 기재상에 보호 코팅을 제공하는 방법 및 금속계 기재상에 보호 코팅을 갖는 제품{A METHOD FOR PROVIDING A PROTECTIVE COATING ON A METAL-BASED SUBSTRATE AND AN ARTICLE HAVING A PROTECTIVE COATING ON A METAL-BASED SUBSTRATE}
도 1은 본 발명에 따라 알루미늄-풍부 층 및 결합 코팅으로 피복된 금속 기재의 현미경 사진이다.
도 2는 본 발명에 따라 알루미늄-풍부 층 및 결합 코팅으로 피복된 다른 금속 기재의 현미경 사진이다.
도 3은, 본 발명에 기초한 제품에 있어서, 알루미늄 함량을 결합 코팅 및 기재의 깊이 함수로서 나타낸 그래프이다.
도 4는, 본 발명에 기초한 제품에 있어서, 알루미늄 함량을 결합 코팅 및 기재의 깊이 함수로서 나타낸 다른 그래프이다.
본 발명은 일반적으로 금속 기재의 보호 코팅에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 고온 제품을 위해 고안된 금속에 도포되는 개선된 열 차단 코팅에 관한 것이다.
고온 환경에 사용되기 위한 부품의 물질로서는 초합금이 종종 선택된다. 예를 들면, 터빈 엔진의 터빈 블레이드 및 다른 부품은 약 1000 내지 1150℃의 온도에서 완전한 상태로 유지될 필요가 있기 때문에 흔히 니켈계 초합금으로부터 형성된다. 열 차단 코팅 또는 "TBC(thermal barrier coatings)"로 흔히 지칭되는 보호 코팅은, 다양한 엔진 구성요소를 형성하는데 사용되는 합금의 표면 온도를 유지시키거나 감소시킴으로써 터빈 구성요소의 작동 온도를 효과적으로 증가시킨다.
대부분의 TBC는 이트리아-안정화된 지르코니아 물질과 같은 세라믹계이다. 제트 엔진에서, 이러한 코팅은 터빈 블레이드 및 베인(vane), 연소기 라이너 및 연소기 노즐과 같은 다양한 표면에 도포된다. 통상적으로, TBC 세라믹은 금속 부품의 표면에 직접 도포되어 있는 중재용 결합 층에 도포된다. 결합 층은 종종 금속 기재와 TBC 사이의 접착력을 개선시키는 데 있어 중요하다. 결합 층은 통상적으로 "MCrAlY"(여기서, M은 철, 니켈 또는 코발트와 같은 금속이다)와 같은 물질로부터 형성된다.
"초합금"이라는 용어는 알루미늄, 크롬, 텅스텐, 몰리브덴, 티탄 및 철과 같은 하나 이상의 다른 원소를 포함하는 복합 코발트계 또는 니켈계 합금을 포함하는 것이다. 합금 중의 각 원소의 양은 특성, 예컨대 고온 강도와 같은 기계적 특성을 부여하도록 세심하게 조절된다. 알루미늄은, 합금의 석출-강화에 관한 기능을 갖 기 때문에, 많은 초합금에 있어서 특히 중요한 성분이다.
초합금이 오랜 기간 동안 산화 분위기에 노출된다면, 알루미늄이 점차 고갈될 수 있다. 이는 특히 초합금 성분이 전술한 고온에서 사용되는 경우에 특히 그러하다. 알루미늄 손실은 다양한 메커니즘(mechanism)에 의해 발생할 수 있다. 예를 들면, 알루미늄은 결합 코팅 내로 확산되거나, 결합 코팅의 산화 시 소모되거나, 또는 결합 코팅/기재 계면에서의 산화 시에 소모될 수 있다. 마지막에 언급한 메커니즘은 공기 플라즈마-분사(air plasma-sprayed; APS) 결합 코팅과 같은 다공성 결합 코팅에서 특히 심각하다. TBC 또는 결합 코팅이 부품의 사용 가능 기간(내용 연수) 내에 제거되면 기재로부터의 알루미늄 손실이 가속화된다.
알루미늄 손실이 초합금의 완전한 상태에 대해 악영향을 미칠 수 있기 때문에, 이러한 손실을 방지하는 기법이 연구되어 왔다. 고온에서, 기재는 인접한 MCrAlY형 결합 코팅으로부터 확산되는 알루미늄으로 일부 "보충"될 수 있다. 그러나, 결합 코팅으로부터 기재 내로 확산되는 알루미늄의 양은 통상 불충분하다.
초합금의 표면 영역에서 초합금의 알루미늄 함량을 증가시키는 한 방법은 당해 분야에서 통상 "알루미나이드화(aluminiding)"라고 지칭되는 것이다. 이러한 공정에서, 알루미늄은 다양한 기법에 의해 기재 내로 도입된다. "팩 알루미나이드화" 공정에서, 기재는 코팅용 원소 원료, 충전재 물질 및 할라이드 에너자이저(energizer)를 포함하는 혼합물 또는 팩 내에 침지된다. 약 850 내지 1100℃에서, 혼합물 중에서의 화학 반응에 의해 알루미늄-풍부 증기가 생성되어 기재의 표면상에 응축되고, 이어서 기재 내로 확산된다.
알루미나이드화에 의해 알루미늄이 기재 및 기재-결합 코팅 계면에 성공적으로 제공되지만, 이러한 기법과 관련된 몇몇 단점이 존재한다. 예를 들면, 생성된 알루미늄-고함량 표면층은 부서지기 쉬운 경우가 있다. 취성 표면상에 결합 코팅을 침적시키는 것은 때론 어려울 수 있다.
따라서, 초합금 표면의 알루미늄 함량을 증가시키고 이로 인해 그의 산화 수명을 증가시키기 위한 신규한 방법이 당해 분야에서 환영받을 것임이 분명하다. 이들 방법은 기재와 후속적으로 도포되는 어떠한 층 사이에서도 취성 층이 형성되는 것을 막아야 한다. 게다가, 이러한 신규한 방법은 후속적으로 도포되는 층의 침적에 대해 매우 적합한 표면을 생성해야 한다. 또한, 상기 신규한 방법은 결합 코팅층에 알루미늄을 제공함으로써 산화에 의해 결합 코팅에서 소모되는 알루미늄을 보충하는 것이 바람직하다.
한 양태에서, 본 발명은 알루미늄-풍부 혼합물을 금속계 기재에 도포하여 금속 결합 코팅 합금의 매트릭스 중에 알루미늄-풍부 입자의 불연속 층을 형성시키되, 상기 입자들 중의 알루미늄의 양은 금속 결합 코팅 합금 중의 알루미늄의 양보다 약 0.1 내지 약 40원자% 더 많게 하고, 상기 알루미늄-풍부 혼합물 중의 알루미늄의 총량을 약 10 내지 약 50원자%로 하는 것을 포함하는, 금속계 기재상에 보호 코팅을 제공하는 방법에 관한 것이다.
제 2 양태에서, 본 발명은 (a) 알루미늄-풍부 혼합물을 금속계 기재에 도포하여 금속 결합 코팅 합금의 매트릭스 중에 알루미늄-풍부 입자의 불연속 층을 형성시키되, 상기 입자들 중의 알루미늄의 양은 금속 결합 코팅 합금 중의 알루미늄의 양보다 약 0.1 내지 약 40원자% 더 많게 하고, 상기 알루미늄-풍부 혼합물 중의 알루미늄의 총량을 약 10 내지 약 50원자%로 하는 단계; 및 (b) 알루미늄-풍부 입자의 불연속 층상에 하나 이상의 코팅층을 도포하는 단계를 포함하는, 보호 코팅을 금속계 기재상에 제공하는 방법에 관한 것이다.
알루미늄은 아래에 논의되는 바와 같이 알루미늄-풍부 층으로부터 초합금 기재 내로 확산된다. 불연속 속성의 알루미늄-풍부 층은 취성화(embrittleness)를 막는다.
바람직한 양태에서, 실질적으로 모든 알루미늄-풍부 물질은 비산화물 입자를 포함한다. 게다가, 다수의 바람직한 양태에서, 알루미늄-풍부 층은 2개의 성분으로 형성된다. 성분 (I)은 통상적으로 알루미늄 및 제 2 금속(예: 니켈)의 입자를 포함하지만, 성분 (II)는 통상적으로 식 MCrAlY(여기서, M은 Fe, Ni, Co와 같은 금속 또는 이러한 금속을 포함하는 혼합물이다)의 합금 입자들을 포함한다. 알루미늄-풍부 층은 플라즈마 분사 기법(예: 공기 플라즈마 분사 또는 진공 플라즈마 분사) 또는 고속 산소 연료(high velocity oxygen fuel; HVOF))에 의해 도포될 수 있다.
임의의 양태에서, 알루미늄-풍부 혼합물로 형성된 층은 도포된 후에 열처리 되어 알루미늄이 초합금 내로 확산되도록 한다. 게다가, 특정 양태에서, 통상의 금속 결합 층이 열 차단 코팅을 침착시키기 전에 알루미늄-풍부 층상에 도포된다. 다르게는, 전술한 열처리는 열 차단 코팅을 침착시킨 후에 수행될 수도 있다.
본 발명의 다른 양태는 (i) 금속계 기재 및 (ii) 알루미늄-풍부 입자의 불연속 층을 포함하는 상기 기재상의 알루미늄-함유 층을 포함하는 제품에 관한 것이다. 다수의 바람직한 양태에서, 제품은 상기 알루미늄-함유 층상에 배치된 열 차단 코팅을 또한 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이, 알루미늄-함유 층은 알루미늄과 니켈 입자를 기초로 하는 성분과 통상의 MCrAlY 합금을 기초로 하는 성분의 혼합물로부터 형성될 수 있다. 게다가, 금속 결합 층이 알루미늄-함유 층과 열 차단 코팅 사이에 배치될 수 있다.
본 발명의 다양한 양태와 관련한 추가의 설명은 이하의 나머지 개시 내용 중에 제공되고 있다.
다양한 금속 또는 금속 합금이 본 발명의 기재로서 사용될 수 있다. 본원에 개시된 기재와 관련된 "금속계"라는 용어는 금속 또는 금속 합금으로 주로 형성되지만, 임의의 비금속 성분(예: 세라믹), 준금속상, 중간상을 또한 포함할 수 있는 것을 지칭한다. 통상적으로, 기재는 전형적으로 약 1000 내지 1150℃까지의 작동 온도를 갖는 초합금을 포함하는 내열성 합금이다. 상기 내용은 참고로 본원에 인용되는 미국 특허 제 5,399,313 호 및 제 4,116,723 호와 같은 다양한 참고문헌에 기재되어 있다. 니켈계 초합금의 예로는 상표명 인코넬(Inconel, 등록상표), 니모닉(Nimonic, 등록상표), 레네(Rene, 등록상표) 및 우디메트(Udimet, 등록상표) 등 으로 불리는 것이 있다. 기재의 유형은 광범위하게 변할 수 있지만, 흔히 엔진 부품, 예컨대 터빈 블레이드(버킷; bucket), 터빈 노즐 가이드 베인, 또는 연소기 라이너의 형태이다. 다른 예로서, 기재는 디젤 엔진의 피스톤 헤드이거나 또는 내열성 차단 코팅을 필요로 하는 임의의 다른 표면일 수 있다. 몇몇 예에서, 기재의 두께는 약 0.25cm 미만과 같이 아주 작을 수 있다. 종종, 얇은 벽의 초합금 구성요소를 열 보호하는 것은 중요한 문제이다.
전술한 바와 같이, 알루미늄-풍부 혼합물은 기재에 도포된다. 기재 표면의 세정, 찌꺼기 제거 및 표면을 거칠게 하기 위한 그릿 블라스팅(grit blasting) 등과 같은 통상의 전처리 단계가 알루미늄-풍부 혼합물을 침착시키기 전에 수행될 수 있다. 알루미늄-풍부 혼합물 중의 알루미늄의 양은, 상기 층으로부터 초합금 기재 및 후속적으로 도포되는 임의로 결합 코팅층 내로 확산시키기 위한 알루미늄의 양에 따라 일부 달라질 것이다. 이들 양은 또한 산화 분위기 및 고온에 노출되는 동안 기재 및 결합 코팅층으로부터의 예상 알루미늄의 손실에 따라 달라질 것이다. 예상 알루미늄 손실의 근사치는, 먼저, 본 발명의 알루미늄-풍부 층 없이, 선택된 시간 및 온도 계획하에서 기재 및 결합 코팅 물질을 산화 분위기에 노출시킴으로써 측정될 수 있다. 이후에, 에너지-분산 X선 검출기가 장착된 주사 전자현미경(SEM)과 같은 다양한 장치를 사용하여 상기 물질의 미세구조를 조사할 수 있다. 이러한 장치는 결합 코팅으로부터 그리고 기재의 표면 영역으로부터의 알루미늄 손실을 정량화할 수 있다. 본원의 "표면 영역"은 결합 코팅-기재 계면으로부터 기재 내로 약 600 마이크론 연장하는 영역으로 정의된다.
일반적으로, 알루미늄-풍부 층 내의 알루미늄의 양은 기재 또는 인접한 결합 코팅층으로부터의 예상 알루미늄의 손실을 보상하기에는 충분하지만, 전술한 바와 같이, 연속적이고 취성인 알루미늄-함유 층을 형성하지는 못할 정도의 작은 양일 것이다. 원자%를 기준으로 하는 알루미늄 함량의 파라미터는 상기에 제공되었다. 중량% 기준으로, 혼합물 중의 알루미늄의 양은 통상 약 4 내지 약 32중량%이다. 바람직한 양태에서, 알루미늄의 양은 약 10 내지 약 20중량%이다. 특히 바람직한 양태에서, 알루미늄의 양은 약 12.5 내지 약 19중량%이다.
알루미늄-풍부 혼합물은 다양한 원료로부터 수득될 수 있다. 일반적으로, 약 600℃ 이상과 같은 고온에서 인접한 표면 또는 층으로 알루미늄을 방출시킬 수 있는 어떠한 알루미늄-함유 물질이라도, 그 물질이 기재 물질 또는 후속적으로 도포되는 임의의 결합 코팅을 형성하는 물질과 유해한 반응을 일으키지 않는 한, 적합하다. 대부분의 양태에 적합한 알루미늄-방출 화합물의 비제한적인 예로는, 알루미늄 및 니켈을 기초로 하는 화합물(예: NiAl 및 Ni3Al); 알루미늄 및 티탄을 기초로 하는 화합물(예: TiAl 및 Ti3Al); 알루미늄 및 철을 기초로 하는 화합물(예: FeAl 및 Fe3Al); 알루미늄 및 코발트를 기초로 하는 화합물(예: CoAl); 알루미늄 및 지르코늄을 기초로 하는 화합물(예: Zr3Al)이 포함된다. 이러한 물질은 통상적으로 시판 중이거나 별다른 어려움 없이 제조될 수 있다.
몇몇 바람직한 양태에서, 알루미늄-풍부 혼합물은 2개 이상의 성분을 기초로 한다. 성분 (I)은 전술한 바와 같이 알루미늄 및 제 2 금속을 기초로 하는 화합물 일 수 있다. 일반적으로, 이런 성분에 대한 알루미늄의 양은 알루미늄과 제 2 금속의 총 원자를 기준으로 약 20 내지 약 55원자%이다. 상기 나열된 알루미늄-방출 화합물의 예에 있어서, 이 범위는 약 8 내지 약 37중량%의 알루미늄에 해당한다.
게다가, 바람직한 양태에서, 제 2 금속은 화합물 NiAl 또는 Ni3Al을 구성하는 니켈이다. NiAl 또는 Ni3Al의 경우, 바람직한 원자%-기준 범위를 중량%-기준 범위로 전환시키면 약 13 내지 약 31.5중량%의 알루미늄이 된다. 당해 분야의 숙련자는 이러한 화합물 중의 원자 비율이 화학량론적 비율로부터 다소 변할 수 있지만, 여전히 NiAl 또는 Ni3Al으로 명명된 식의 범위 내에 속한다는 것을 이해할 것이다.
2개 이상의 성분을 기초로 하는 양태에서, 성분 (II)는 결합 코팅에 사용되는 통상의 물질이다. 그 예로는 식 MCrAlY(여기서, M은 Fe, Ni, Co 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된다)의 합금이 포함된다. 이들 유형의 다수의 합금은 약 17.0 내지 23.0중량%의 크롬; 약 4.5 내지 12.5중량%의 알루미늄; 및 약 0.1 내지 1.2중량%의 이트리윰; 나머지는 M으로 이루어진 일반적인 조성물을 갖는다.
2성분 양태에서, 성분 (I) 및 성분 (II)의 상대 비율은 알루미늄의 고갈 및 보충과 관련하여 전술한 몇몇 요인에 따라 일부 달라질 것이다. 일반적으로, 성분 (I)의 양은 성분 (I)과 성분 (II)의 총 부피를 기준으로 약 1부피% 이상이다. 바람직한 양태에서, 성분 (I)의 양은 약 5 내지 약 50부피%이지만, 특히 바람직한 양 태에서, 성분 (I)의 양은 약 15 내지 약 50부피%이다.
각각의 성분에 대한 입자의 밀도가 고려되는 한, 성분 (I) 및 성분 (II)가 중량%로 표기될 수도 있다는 점이 이해되어야 한다. 예를 들면, 성분 (I)이 NiAl이면, 입자의 밀도는 약 5.8g/cm3이다. 성분 (II)가 NiCrAlY(이는 68중량%의 Ni, 22중량%의 Cr, 9중량%의 Al 및 1중량%의 Y로 이루어진 공칭 조성을 가짐)이면, 입자의 밀도는 약 8.0g/cm3이다. 이러한 경우, 총 중량을 기준으로, 1부피%는 약 1중량%로 전환되고, 5 내지 50부피%는 약 4 내지 42중량%로 전환되고, 15 내지 50부피%는 약 11 내지 42중량%로 전환된다. 유사한 방식으로, 성분 (I) 및 성분 (II)의 기타 물질의 중량 수준은 그들의 부피 수준 및 밀도를 기준으로 계산된다.
알루미늄-풍부 층의 두께는 또한 다양한 인자, 예컨대 보호되는 기재의 유형; 후속적으로 도포되는 결합 코팅의 유무; 및 알루미늄 함량의 요구량에 따라 달라질 것이다. 결합 코팅이 후속적으로 도포되지 않는 경우, 알루미늄-풍부 층은 통상적으로 약 25 내지 약 400 마이크론, 바람직하게는 약 100 내지 약 300 마이크론의 두께를 가질 것이다. 결합 코팅이 후속적으로 도포된다면, 알루미늄-풍부 층은 통상 약 25 내지 약 300 마이크론, 바람직하게는 약 50 내지 약 200 마이크론의 두께를 가질 것이다.
알루미늄-풍부 혼합물은 다양한 기법에 의해 도포될 수 있다. 통상적으로, 플라즈마 분사 기법 또는 HVOF가 바람직하다. 플라즈마 분사 기법에서, 전기 아크는 전형적으로 다양한 기체(예: 질소, 아르곤, 헬륨 또는 수소)를 약 8000℃ 이상 으로 이온화시키는데 사용된다. 상기 공정이 공기 분위기내에서 수행되는 경우, 공기 플라즈마 분사 또는 "APS"로 지칭된다. 기체는 환으로부터 고속으로 분출되어 특징적인 열 플럼(plume)을 생성시킨다. 분말 물질이 상기 플럼에 공급되고, 용융된 입자는 코팅되는 기재를 향해 가속된다. 플라즈마-형성 층은 통상적으로 매우 거친 표면을 가지며, 이는 후속적으로 도포되는 열 차단 코팅에 대한 접착력을 증가시킨다.
앞서 언급한 바와 같이, 알루미늄-풍부 입자의 층은 비연속적이다. 달리 말하자면, 알루미늄-풍부 물질의 입자는 서로 연속적으로 접촉되지 않는다. 대신에, 이들 별개의 입자들은 통상적으로 다른 금속계 물질(통상 결합 코팅-유형의 물질 MCrAlY)의 입자에 의해 서로 분리된다. 알루미늄-풍부 층의 적은 부분은 인접하는 것으로 생각된다. "인접성(contiguity)"은 한 입자 층의 연속적인 속성과 관련된 용어이다. 인접성은 본원에서 동일 상의 입자에 의해 공유되는 하나의 상의 총 계면 면적의 분율로서 정의된다.
일반적으로, 인접성은 알루미늄-풍부 혼합물 중의 알루미늄-풍부 입자 사이의 평균 접촉 정도의 척도이다. 동일 상의 입자에 의해 공유되는 하나의 상의 총 계면 면적의 분율은 알루미늄-풍부 상의 분포가 완전히 분산된 구조로부터 완전히 연속된 구조로 변함에 따라 0 내지 100%의 범위를 갖는다. 몇몇 양태에서, 알루미늄-풍부 입자의 인접 분율(contiguity fraction)은 약 65% 미만이다. 달리 말하면, 상기 층 중의 각각의 알루미늄-풍부 입자의 계면 면적의 약 65% 미만은 인접한 알루미늄-풍부 입자와 접촉된다. 이러한 층은 본 발명의 설명에 따라 "불연속한" 이라는 용어로 언급되어 있다. 바람직한 양태에서, 알루미늄-풍부 입자의 인접 분율은 약 40% 미만이다. 특히 바람직하게는, 알루미늄-풍부 입자의 인접 분율은 약 25% 미만이다.
불연속 속성의 알루미늄-풍부 층은 알루미늄-풍부 물질의 연속 층에서 특징적으로 발생하는 취성을 억제한다. 2성분 알루미늄-풍부 층의 경우, 성분 (I)의 알루미늄-풍부 입자는 성분 (II)의 입자, 예컨대 MCrAlY 매트릭스에 의해 서로 분리된다.
몇몇 양태 및 특히 초합금 기재의 경우, 알루미늄-풍부 층은 침착된 후에 열 처리된다. 열 처리는 알루미늄이 기재 내로 확산되는 것을 촉진시킨다. 통상적으로 산소가 없는 분위기하에서 수행되어 층의 산화를 막는다. 예를 들면, 진공하에서, 수소 분위기하에서, 또는 불활성 기체 분위기하에서 열 처리가 수행된다.
열 처리를 위한 특정 조건은 다양한 요인들, 예컨대 알루미늄-풍부 층의 두께 및 특정 조성; 기재의 유형; 기재 및/또는 후속적으로 도포되는 임의의 결합 코팅층으로부터의 예상 알루미늄의 손실; 사용 중 기재의 예상 열 노출; 기재 합금에 요구되는 강도; 및 경제적 고려에 따라 달라질 것이다. 일반적으로, 알루미늄-풍부 층은 통상적으로 약 15분 내지 약 16시간 동안 약 925 내지 약 1260℃의 온도에서 열처리된다. 몇몇 바람직한 양태에서, 열 처리는 약 1 내지 8시간 동안 약 980 내지 약 1150℃의 온도에서 수행된다. 아래에 기재되는 바와 같이, 열 처리는 후반 단계, 예컨대 다양한 물질의 추가 층의 침착 후에 수행될 수도 있다.
전술한 바와 같이, 금속 결합 층 또는 "결합 코팅"은 알루미늄-풍부 층상에 도포될 수 있다. 결합 층은 후반 단계에 도포되는 열 차단 코팅과 피복된 기재 사이의 접착력을 증진시킨다. 결합 층은 또한 예컨대 부품이 유해한 환경에 노출되는 경우 기재에 대한 보호를 추가로 제공한다. 예시적인 결합 코팅층은 당해 분야에 공지되어 있으며, 예컨대 참고로 본원에 인용되는 미국 특허 제 5,419,971 호 및 제 5,043,138 호에 기재되어 있다. 결합 코팅은 통상적으로 약 50 내지 약 500 마이크론, 바람직하게는 약 50 내지 약 375 마이크론의 두께를 갖는다. 본 발명의 바람직한 결합 코팅은 식 MCrAlY(여기서, M은 Fe, Ni, Co와 같은 다양한 금속 또는 이들 금속의 조합물이다)을 갖는다. 많은 경우, M은 니켈이 바람직하다.
결합 코팅은 통상의 다양한 기법, 예컨대 플라즈마 분사법 또는 기타 열 분사 침착 방법(예: HVOF, 폭발 또는 와이어 분사); CVD(화학 증착법); 또는 플라즈마 분사법과 CVD법의 조합에 의해 도포될 수 있다. 때때로, 알루미늄-풍부 층을 도포하는데 사용되는 것과 동일한 침착 기법을 사용하는 것이 편리할 수 있다.
많은 경우, 플라즈마 분사 기법은 결합 층을 침착시키는데 바람직한 방법이다. 특정한, 비제한적인 예로는 저압 플라즈마 분사법 및 공기 플라즈마 분사법이 있다. 플라즈마 분사법에 관한 상세한 설명은 예컨대 본원에 참고로 인용되는 문헌 "Kirk-Othmer's Encyclopedia of Chemical Technology, 3rd Edition, Vol. 15, (1981) and Vol. 20(1982)"; "Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Fifth Edition, Volume A6, VCH Publisher (1986)"; "Scientific American, H. Herman, September, 1988"; 및 미국 특허 제 5,384,200 호에 개시되어 있다. 당해 분야의 숙련자는 관련된 다양한 공정 상세, 예컨대, 분사 거리, 분사 통과수의 선 택, 기체 온도, 입자 공급 속도, 입자 크기 및 그 분포, 침착 후 열 처리, 또는 침착 후 다른 유형의 처리에 쉽게 익숙해질 수 있다.
앞서 기술한 열 처리는 결합 코팅층의 침착 후에 수행될 수 있다. 이런 열 처리는 앞선 열 처리를 대체할 수도 있고 추가로 처리될 수도 있다. 이런 열 처리의 조건은 앞서 기술된 것과 유사하다.
이어, 열 차단 코팅이 결합 코팅상에 도포되거나, 결합 코팅이 사용되지 않는 경우에는 알루미늄-풍부 층상에 도포된다. 통상적으로, TBC는 전술한 바와 같이 지르코니아계이다. 본원에 사용되는 "지르코니아계"라는 용어는 약 50% 이상의 지르코니아를 함유하는 세라믹 물질을 포함한다. 바람직한 양태에서, 지르코니아는 산화이트리윰, 산화칼슘, 산화마그네슘, 산화세륨, 산화스칸디윰, 또는 이들 물질의 혼합물과 같은 물질과 혼합됨으로써 화학적으로 안정화된다. 특정 예에서, 지르코니아는 약 1 내지 약 20중량%, 바람직하게는 약 3 내지 10중량%의 산화이트리윰(그들의 합쳐진 중량을 기준으로 함)과 혼합될 수 있다.
열 차단 코팅은 다양한 기법에 의해 도포될 수 있으며, 이들 중 하나는 전자 빔 물리적 증착(electron beam physical vapor deposition; EB-PVD)이다. 몇몇 바람직한 양태에서, 열 차단 코팅은 전술한 플라즈마-분사 기법에 의해 도포된다. 플라즈마 분사 시스템은, 코팅물의 두께 및 균일성 조절이 우수하면서, 큰 부품을 피복하는데 특히 적합하다. 일반적으로, 열 차단 코팅의 두께는 약 75 내지 약 2000 마이크론이다. 가장 적절한 두께는 부품의 최종 용도에 따라 크게 달라진다.
열 차단 코팅이 도포된 후에, 앞선 열 처리에 추가로 또는 앞선 열 처리 대 신에 열 처리가 수행될 수 있다. 이런 열 처리의 조건은, 통상적으로 추가의 요인인 열 차단 코팅의 두께 및 조성과 같은 고려사항을 유념해야 하지만, 앞서 기재된 것과 유사하다. 바람직한 양태에서, 이 단계에서의 열 처리는 약 15분 내지 약 16시간 동안 약 980 내지 약 1210℃에서 수행될 것이다.
앞서 언급한 바와 같이, 본 발명의 일부 양태에서는 특정 열 처리가 수행될 필요가 없다. 예를 들면, 터빈 엔진과 같은 구성요소는 최종적으로 그 사용예정 기간 동안 약 750 내지 약 1150℃와 같은 고온에 노출된다. 이러한 열 노출은 종종 알루미늄-풍부 층으로부터 기재 및 인접한 임의의 결합 코팅으로의 알루미늄 확산을 촉진시키기에 충분하다. 사용시 열 처리는, 전술한 바와 같은, 앞서 수행된 하나 이상의 열 처리에 대한 보충처리로서 수행될 수 있다.
본 발명의 다른 양태가, (i) 금속계 기재 및 (ii) 알루미늄-풍부 입자의 불연속 층을 포함하는 상기 기재상의 알루미늄-함유 층을 포함하는, 보호 코팅을 제공하는 금속 제품에 관한 것이라는 것이 상기 개시한 논의사항으로부터 자명하다.
많은 경우, 결합 코팅 또는 열 차단 코팅 또는 둘 다와 같은 코팅층(성분 (iii))이 전술한 바와 같은 알루미늄-함유 층상에 도포된다.
도포된 층 (ii) 내의 알루미늄의 양은 통상적으로 약 4 내지 약 32중량%이다. 바람직한 양태에서, 알루미늄의 양은 약 10 내지 약 20중량%이다. 몇몇 특히 바람직한 양태에서, 알루미늄의 양은 전술한 바와 같이 약 12.5 내지 약 19중량%이다. 층 (ii)의 두께는 통상적으로 약 25 내지 약 400 마이크론이다.
몇몇 양태에서, 금속 결합 층은 층 (ii)와 열 차단 코팅층 (iii) 사이에 배 치된다. 결합 층은 통상적으로 전술한 바와 같이 식 MCrAlY의 합금을 포함한다.
아주 흔하게는, 금속계 기재는 니켈계 초합금과 같은 초합금이다. 이런 경우, 열 차단 코팅은 흔히 지르코니아계이다. 초합금은 예컨대 터빈 엔진의 부품일 수 있다. 알루미늄-풍부 층의 존재에 의해, 기재 및 TBC를 침착시키기 전에 도포되는 결합 코팅 모두에 중요한 알루미늄 보충이 이루어진다. 이런 보충은 상기 부품의 내산화성을 보강시킨다.
실시예
하기 실시예는 단지 예시적인 것이며, 청구된 본 발명의 범주에 대한 어떠한 유형의 제한도 고려되어서는 안된다.
본 실시예에서, 알루미늄-풍부 층을 우선 일련의 초합금 기재에 도포하였다. 각각의 기재는 니켈계 합금(레네(Rene, 등록상표) N-5)으로부터 제조된 버튼(button)으로, 약 1인치(2.54cm)의 직경 및 약 0.125인치(3.18mm)의 두께를 가졌다. 알루미늄-풍부 층의 침착 전에, 쿠폰(coupon)을 이소프로필 알콜로 세정하고 그릿-블라스팅(grit-blasting)하였다.
알루미늄-풍부 층을 2개의 성분으로부터 형성시켰다. 성분 (I)은 68.5중량%의 Ni 및 31.5중량%의 Al(즉, 50원자%의 Ni 및 50원자%의 알루미늄)의 공칭 조성을 갖는 NiAl이었다. 성분 (II)는 68중량%의 Ni, 22중량%의 Cr, 9중량%의 Al 및 1중량%의 Y의 공칭 조성을 갖는 NiCrAlY이었다. 성분 (I) 및 성분 (II)의 입자 크기는 약 15 내지 약 44 마이크론이었다.
샘플 A(본 발명의 범주 내에 속함)의 경우, 성분 (I) 대 성분 (II)의 중량비 는 20:80이었다. 샘플 B(본 발명의 범주 내에 속함)의 경우, 성분 (I) 대 성분 (II)의 중량비는 40:60이었다. 샘플 C(대조용)의 경우, 성분 (I) 대 성분 (II)의 중량비는 0:100이었다. 달리 말하면, 대조용 샘플은 NiCrAlY로만 이루어져 있다. 알루미늄-풍부 혼합물을 기계적으로 예비혼합하고, 질소/수소 조건하의 표준 45kw의 플라즈마 분사 건(gun)을 사용하여 기재상에 공기 플라즈마-분사시켰다. 약 45kw의 건 파워, 5인치(12.7cm)의 건과 기재와의 거리, 1185mm/초(2800in/분)의 건 속도 및 6파운드/시(2.72kg/시)의 파워 공급 속도의 조건을 사용하였다.
알루미늄-풍부 층의 평균 두께는 약 75 내지 약 175 마이크론이었다. 각각의 샘플에서, 결합 코팅을 공기 플라즈마 분사 시스템을 사용하여 알루미늄-풍부 층의 상부에 침착시켰다. 결합 코팅의 조성은 상기 성분 (II)와 동일하며, 즉 이는 NiCrAlY 물질로 제조되었다. 분사 조건은 알루미늄-풍부 혼합물을 도포하는데 사용한 것과 동일하였다.
도 1 및 2는 각각 샘플의 열 처리 전 샘플 A 및 B에 상응하는 피복된 기재의 현미경 사진이다. 상기 현미경 사진을 제이스 악시오버트 메탈로그래프(Zeiss Axiovert Metallograph) 광학 현미경으로 촬영하였다. 각각의 사진에서 일반적으로 "섹션 1"로 표시된 상기 영역은 약 125 마이크론(+ 또는 - 약 20 마이크론)의 깊이를 갖고, 주로 NiCrAlY 및 공극을 포함한다. 각각의 사진에서 일반적으로 "섹션 2"로 표시된 상기 영역은 약 125 마이크론(+ 또는 - 약 20 마이크론)의 깊이를 갖고, 주로 NiCrAlY와 NiAl의 혼합물을 포함한다.
각각의 사진에서, 화살표에 의해 지시된 밝은 회색 영역은 NiAl의 입자를 나 타낸다. 이들 대부분의 입자들은 NiCrAlY로 표시된 "백색" 부분에 의해 둘러싸인 것이 확인된다. 흑색 영역은 코팅 구조 내의 공극 또는 구멍을 나타낸다.
인접성을 다중 시험 라인을 사용하여 4개의 관점에서 전술한 문헌 "Quantitative Stereology"에 개략적으로 설명된 절차에 따라 측정하였다. 샘플 A에서, 인접 분율은 약 32 내지 약 42%이었다. 샘플 B에서, 인접 분율은 약 50 내지 약 56%이었다. 따라서, 각각의 경우, 알루미늄-풍부 입자는 불연속 층으로 존재하였다.
표준 열 차단 코팅을 전술한 바와 같은 통상의 절차에 따라 불연속 층상에 도포하였을 수도 있다.
도 3 및 4는 본 발명에 기초한 제품에 대해 기재의 깊이 및 결합 코팅의 깊이의 함수로서 나타낸 알루미늄 함량의 플롯이다. 도 4는 4시간 동안 약 1080℃에서 제품상에 진공 열 처리가 수행된 후의 데이터에 기초한 것이다.
샘플 D는 샘플 A와 매우 유사하며, 동일한 플라즈마 분사 조건을 사용하는 동일한 방식, 즉 20:80중량비의 NiAl과 NiCrAlY의 동일한 알루미늄-풍부 층을 APS-침착시키고, 그 후에 NiCrAlY 결합 코팅을 APS-침착시키는 방식으로 형성시켰다. 샘플 E는 샘플 B와 매우 유사하며, 동일한 분사 조건을 사용하는 동일한 방식, 즉 40:60중량비의 NiAl과 NiCrAlY의 동일한 알루미늄-풍부 층을 APS-침착시키고, 그 후에 NiCrAlY 결합 코팅을 APS-침착시키는 방식으로 형성시켰다. 샘플 F는 샘플 C와 매우 유사하며, 즉 NiCrAlY만으로 이루어진 대조용이다.
상기 샘플에 있어서, 각각의 경우의 기재는 니켈계 합금, 레네(등록상표) N- 5이었다. 기재 중의 공칭 알루미늄 양은 14원자%이었고, NiCrAlY 물질 중의 공칭 알루미늄 양은 19원자%이었다. 도면들 중의 조성 프로파일은 동일한 샘플의 상이한 영역으로부터 수득된 10개의 스폿-주사 프로파일의 평균을 나타낸다.
"분사되어 있는(as-sprayed)" 조건(즉, 열 처리하기 전)에서, NiCrAlY 결합 층의 알루미늄 함량은 기재의 합금의 함량보다 약간 높았지만, NiCrAlY 물질의 공칭 조성물로부터 기대되는 것보다 낮았다. 알루미늄 함량은 APS 동안 생성된 입자의 표면 산화로 인해 더욱 낮았다. 아마도 아래에 놓여 있는 기재와의 상호확산으로 인해, 결합 코팅 중의 알루미늄 함량의 추가 감소가 열 처리 시 발생하였다(도 4를 참고). 생성된 알루미늄-조성물의 프로파일은, 기재의 합금과 비교하여, 결합 코팅의 알루미늄 함량에서 아주 근소한 차이를 나타냈다.
도 3에 도시된 바와 같이, NiCrAlY 결합 코팅의 처음 5mil(약 125 마이크론)에 20부피%의 NiAl을 첨가하면, 결합 코팅의 알루미늄 함량이 약간 상승하였다. 열 처리한 후에도(도 4), 결합 코팅층의 상기 부분은 기재보다 약 5원자% 이상의 알루미늄을 함유하였다. 과량의 알루미늄이 산화 또는 기재 내로의 상호확산에 이용될 수 있다.
샘플 E(40:60중량비의 NiAl과 NiCrAlY)의 경우, 알루미늄-비후화(enrichment)는 알루미늄 함량이 30원자% 만큼 높아지면서 더욱 현격해졌다. 샘플 D의 경우와 마찬가지로, 열처리 후에도 알루미늄 비후가 여전히 존재하며, NiCrAlY 결합 코팅의 처음 5mil(약 125 마이크론)에 밀집되어 있다.
바람직한 몇몇 양태는 예시의 목적으로 본원에 개시되어 있다. 그러나, 선 행의 설명은 본 발명의 범주를 한정하고자 하는 것은 아니다. 따라서, 다양한 변형, 개조 및 대안은 청구된 본 발명의 취지 및 범주를 벗어나지 않는 한 당해 분야의 숙련자에게 자명할 것이다.
본 발명에 따르면, 열 차단 코팅을 기재상에 도포한 후에도 고온에서의 알루미늄의 함량을 종래보다 현저히 증가시키고 내산화성을 증가시킬 수 있다.

Claims (4)

  1. 알루미늄-풍부 혼합물을 금속계 기재에 도포하여 금속 결합 코팅 합금의 매트릭스 중에 알루미늄-풍부 입자의 불연속 층을 형성시키되, 상기 입자들 중의 알루미늄의 양을 상기 금속 결합 코팅 합금 중의 알루미늄의 양보다 0.1 내지 40원자% 더 많게 하고, 상기 알루미늄-풍부 혼합물 중의 알루미늄의 총량을 10 내지 50원자%로 하는 것을 포함하는, 금속계 기재상에 보호 코팅을 제공하는 방법.
  2. (i) 금속계 기재; 및 (ii) 상기 기재상의 알루미늄-함유 층을 포함하며, 상기 알루미늄-함유 층이 금속 결합 코팅 합금의 매트릭스 중의 알루미늄-풍부 입자의 불연속 층을 포함하고, 상기 입자가 600℃ 초과 온도에서 상기 매트릭스 중으로 알루미늄을 방출할 수 있는 물질을 포함하며, 상기 입자들 중의 알루미늄의 양이 상기 금속 결합 코팅 합금 중의 알루미늄의 양보다 0.1 내지 40원자% 더 많고, 상기 알루미늄-함유 층의 알루미늄의 총량이 10 내지 50원자%의 범위인, 제품.
  3. (a) 알루미늄-풍부 혼합물을 금속계 기재에 도포하여 금속 결합 코팅 합금의 매트릭스 중에 알루미늄-풍부 입자의 불연속 층을 형성시키되, 상기 입자들 중의 알루미늄의 양을 금속 결합 코팅 합금 중의 알루미늄의 양보다 0.1 내지 40원자% 더 많게 하고, 상기 알루미늄-풍부 혼합물 중의 알루미늄의 총량을 10 내지 50원자%로 하는 단계; 및 그 후 (b) 알루미늄-풍부 입자의 불연속 층상에 하나 이상의 코팅층 을 도포하는 단계를 포함하는, 금속계 기재상에 보호 코팅을 제공하는 방법.
  4. (i) 금속계 기재; (ii) 상기 기재상의 알루미늄-함유 층; (iii) 상기 알루미늄-함유 층 (ii) 상의 열 차단 코팅; 및 (iv) 상기 알루미늄-함유 층과 상기 열 차단 코팅 사이에 배치된 금속 결합 층을 포함하며, 상기 알루미늄-함유 층이 알루미늄-풍부 입자의 불연속 층을 포함하고, 상기 입자가 600℃ 초과 온도에서 상기 매트릭스 중으로 알루미늄을 방출할 수 있는 물질을 포함하는, 제품.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100830648B1 (ko) * 1999-09-28 2008-05-20 제너럴 일렉트릭 캄파니 금속계 기재상에 보호 코팅을 제공하는 방법 및 금속계 기재상에 보호 코팅을 갖는 제품

Families Citing this family (31)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10029810A1 (de) * 2000-06-16 2001-12-20 Mahle Gmbh Kolben für Dieselmotoren
US6475289B2 (en) * 2000-12-19 2002-11-05 Howmet Research Corporation Cleaning of internal passages of airfoils
US7128804B2 (en) * 2000-12-29 2006-10-31 Lam Research Corporation Corrosion resistant component of semiconductor processing equipment and method of manufacture thereof
US6635362B2 (en) * 2001-02-16 2003-10-21 Xiaoci Maggie Zheng High temperature coatings for gas turbines
EP1260612A1 (en) * 2001-05-25 2002-11-27 ALSTOM (Switzerland) Ltd A bond or overlay MCrAIY-coating
KR100847082B1 (ko) 2002-10-31 2008-07-18 토소가부시키가이샤 도상돌기 수식부품 및 그 제조방법과 이를 이용한 장치
US6921582B2 (en) * 2002-12-23 2005-07-26 General Electric Company Oxidation-resistant coatings bonded to metal substrates, and related articles and processes
US6887529B2 (en) * 2003-04-02 2005-05-03 General Electric Company Method of applying environmental and bond coatings to turbine flowpath parts
US7270852B2 (en) * 2003-08-04 2007-09-18 General Electric Company Aluminizing slurry compositions free of hexavalent chromium, and related methods and articles
US7449241B2 (en) * 2003-08-04 2008-11-11 General Electric Company Organic coating compositions for aluminizing metal substrates, and related methods and articles
KR20050081252A (ko) * 2004-02-13 2005-08-18 고경현 다공성 금속 코팅 부재 및 저온 분사법을 이용한 그의제조 방법
US7332024B2 (en) * 2004-04-29 2008-02-19 General Electric Company Aluminizing composition and method for application within internal passages
EP1707650A1 (de) * 2005-03-31 2006-10-04 Siemens Aktiengesellschaft Matrix und Schichtsystem
GB0515276D0 (en) * 2005-07-26 2005-08-31 Accentus Plc Catalyst
US7838070B2 (en) * 2005-07-28 2010-11-23 General Electric Company Method of coating gas turbine components
KR100946196B1 (ko) * 2005-08-17 2010-03-08 아주대학교산학협력단 분무 코팅에 의한 금속표면 개질방법 및 이에 의하여 제조되는 금속
DE102005062225B3 (de) * 2005-12-21 2007-06-21 Siemens Ag Legierungsprodukt vom MCrAIX-Typ und Verfahren zur Herstellung einer Schicht aus diesem Legierungsprodukt
US20070248457A1 (en) * 2006-04-25 2007-10-25 General Electric Company Rub coating for gas turbine engine compressors
US8021491B2 (en) * 2006-12-07 2011-09-20 Lawrence Bernard Kool Method for selectively removing coatings from metal substrates
US20080202552A1 (en) * 2006-12-07 2008-08-28 Lawrence Bernard Kool Method for selectively removing coatings from metal substrates
WO2009053992A1 (en) * 2007-10-26 2009-04-30 The Secretary, Department Of Atomic Energy, Govt. Of India, A process for producing body centered cubic (b2) nickel aluminide (nial) coating of controlled thickness on nickel-base alloy surfaces
EP2088224A1 (de) * 2008-01-10 2009-08-12 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zur Herstellung einer rauen Schicht und ein Schichtsystem
US8227078B2 (en) * 2008-02-11 2012-07-24 General Electric Company Anti-fouling coatings for combustion system components exposed to slag, ash and/or char
KR101156135B1 (ko) * 2009-04-28 2012-06-20 한양대학교 산학협력단 우수한 내산화막을 갖춘 내열 초합금 및 그 제조방법
US8661653B2 (en) * 2010-07-28 2014-03-04 United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Methods of making Z-shielding
EP2524973A1 (de) * 2011-05-18 2012-11-21 Sulzer Metco AG Lichtbogenspritzverfahren zum Herstellen einer dichten Schicht
US8802190B2 (en) * 2011-07-11 2014-08-12 Honda Motor Co., Ltd. Weldable corrosion resistant coating for steel and method of manufacture
JP6367567B2 (ja) * 2014-01-31 2018-08-01 吉川工業株式会社 耐食性溶射皮膜、その形成方法およびその形成用溶射装置
US10338426B2 (en) * 2014-03-14 2019-07-02 Sharp Kabushiki Kaisha Light diffusion member, base material for light diffusion member production, display device using same and method for producing light diffusion member
CN106536861A (zh) 2014-05-15 2017-03-22 诺沃皮尼奥内股份有限公司 制造涡轮机构件的方法、涡轮机构件以及涡轮机
US10578014B2 (en) * 2015-11-20 2020-03-03 Tenneco Inc. Combustion engine components with dynamic thermal insulation coating and method of making and using such a coating

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2029320A5 (en) 1969-01-24 1970-10-16 Comp Generale Electricite Depositing adherent metal coatings on a - ceramic, glass or metal substrate
US4005989A (en) * 1976-01-13 1977-02-01 United Technologies Corporation Coated superalloy article
US4546051A (en) 1982-07-08 1985-10-08 Nisshin Steel Co., Ltd. Aluminum coated steel sheet and process for producing the same
SE453265B (sv) 1983-02-14 1988-01-25 Vni Instrument Inst Skerverktyg med slitbestendig beleggning samt forfarande for framstellning av detta
JPS61281863A (ja) 1985-06-06 1986-12-12 Toyota Motor Corp セラミツク溶射部材
US5236745A (en) * 1991-09-13 1993-08-17 General Electric Company Method for increasing the cyclic spallation life of a thermal barrier coating
AU3323193A (en) 1991-12-24 1993-07-28 Detroit Diesel Corporation Thermal barrier coating and method of depositing the same on combustion chamber component surfaces
WO1996034130A1 (en) * 1995-04-27 1996-10-31 Siemens Aktiengesellschaft Metal component with a high-temperature protection coating system and a method of coating the component
US5939204A (en) 1995-08-16 1999-08-17 Siemens Aktiengesellschaft Article for transporting a hot, oxidizing gas
DE19615012A1 (de) 1995-08-16 1997-02-20 Siemens Ag Erzeugnis zur Führung eines heißen, oxidierenden Gases
JP2983454B2 (ja) * 1995-08-31 1999-11-29 株式会社東芝 耐高温用溶射被覆部材及びその製造方法
JPH09157866A (ja) * 1995-11-30 1997-06-17 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 耐食・耐酸化コーティング膜
JP2991991B2 (ja) * 1997-03-24 1999-12-20 トーカロ株式会社 耐高温環境用溶射被覆部材およびその製造方法
WO1999006609A1 (de) 1997-07-31 1999-02-11 Siemens Aktiengesellschaft Hochtemperaturbeständiges bauteil und verfahren zur herstellung eines oxidationsschutzes
US6096381A (en) * 1997-10-27 2000-08-01 General Electric Company Process for densifying and promoting inter-particle bonding of a bond coat for a thermal barrier coating
US5863668A (en) * 1997-10-29 1999-01-26 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Controlled thermal expansion coat for thermal barrier coatings
US6136453A (en) * 1998-11-24 2000-10-24 General Electric Company Roughened bond coat for a thermal barrier coating system and method for producing
US6372299B1 (en) * 1999-09-28 2002-04-16 General Electric Company Method for improving the oxidation-resistance of metal substrates coated with thermal barrier coatings

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100830648B1 (ko) * 1999-09-28 2008-05-20 제너럴 일렉트릭 캄파니 금속계 기재상에 보호 코팅을 제공하는 방법 및 금속계 기재상에 보호 코팅을 갖는 제품

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