KR20120023644A - 기판의 코팅 방법 및 코팅을 구비한 기판 - Google Patents

기판의 코팅 방법 및 코팅을 구비한 기판 Download PDF

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라지브 제이 다마니
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술처 멧코 아게
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Abstract

플라즈마 분무에 의해 프로세스 제트(2)의 형태로 출발 물질(P)이 기판(10; 50) 상에 분무되는, 기판의 코팅 방법으로서, 상기 출발 물질(P)은, 상기 프로세스 제트(2)의 디포커싱 플라즈마 내에 주입되고, 거기에서 20,000Pa 이하의 낮은 프로세스 압력에서 액상(21)으로 부분적으로 또는 완전히 용융되고, 상기 프로세스 제트(2)용 가스 흐름은, 상기 기판(10; 50)이 상기 프로세스 제트(2)에 관해 기하학적 음영에 위치한 하나 이상의 부위(101)에서 상기 액상으로부터 증착에 의해 코팅되도록 설정되는 기판의 코팅 방법이 제안된다.

Description

기판의 코팅 방법 및 코팅을 구비한 기판 {METHOD FOR COATING A SUBSTRATE AND SUBSTRATE WITH A COATING}
본 발명은, 각 카테고리의 독립 청구항의 전제부에 따른, 기판을 코팅하는 방법 및 코팅을 구비한 기판에 관한 것이다.
열적 분무 방법은 기판 상에 부식 방지층 또는 침식(erosion) 방지층과 같은 코팅을 형성하는 방법으로 이용되어 왔다. 특히, 그러한 방법으로 기판 상에 금속층이나 경질 금속층 또는 카바이드층을 생성하기 위해 금속이나 카바이드 물질이 사용된다. 오늘날, 경질 금속층 또는 카바이드층용으로는 대기압 플라즈마 분무(atmospheric plasma spraying; APS) 공정 또는 고속 옥시 연료(high velocity oxy fuel; HVOF) 공정이 특히 전형적으로 성공적으로 사용된다.
이러한 방법이 가지는 제약은 그것들과 직선적 시계(line of sight)에서만 코팅이 이루어진다는 사실에서 알 수 있는데, 이것은 프로세스 제트의 기하학적 음영(shadow) 부위에 위치하는, 코팅할 기판의 내측 또는 은폐된 표면은 일반적으로 코팅될 수 없다는 것을 의미한다.
따라서, 본 발명의 목적은 프로세스 제트의 직선적 시계에 위치하지 않는 기판의 표면도 코팅할 수 있는, 기판의 코팅 방법을 제공하는 것이다. 이 방법은 특히 금속 기판 상의 경질 금속층 또는 카바이드층을 형성하는 데 적합하다. 또한, 이 방법으로 코팅된 기판은 본 발명에 의해 제안되는 것이다.
상기 목적을 충족시키는 본 발명의 대상은 각 카테고리의 독립 청구항에 기재된 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명에 따르면, 플라즈마 분무에 의해 프로세스 제트의 형태로 출발 물질이 기판 상에 분무되고, 상기 출발 물질은, 20,000Pa 이하의 낮은 프로세스 압력으로, 프로세스 제트의 디포커싱(defocusing) 플라즈마 내에 주입되고, 거기에서 부분적으로 또는 완전히 용해되어 액상 또는 가소화상(plasticized phased)으로 되고, 상기 출발 물질(P)은 금속 매트릭스 또는 금속 합금을 함유하고, 상기 프로세스 제트 내 상기 출발 물질(P)의 온도는 상기 금속 매트릭스 또는 금속 합금의 비등점보다 낮고, 상기 프로세스 제트용 가스 흐름은 상기 기판이 상기 프로세스 제트에 관해 기하학적 음영에 위치한 하나 이상의 부위에서 상기 액상 또는 가소화상으로부터 증착에 의해 코팅되도록 설정되는, 기판의 코팅 방법이 제안된다.
이 방법은 특허 문헌 WO-A-03/087422 또는 US-A-5,853,815에 기재되어 있는 특정의 플라즈마 분무 방법, 즉 이른바 LLPS(저압 플라즈마 분무) 박막의 제조를 위한 열적 분무 방법이다.
상기 방법은 구체적으로 LPPS 박막(LPPS-TF) 프로세스이다. 여기에서, 통상적 LPPS 플라즈마 분무법은 플라즈마가 통과하는("플라즈마 화염(plasma flame)" 또는 "플라즈마 제트") 공간이 변화에 의해 확대되고 길이 2.5m까지 연장되는 기술적 공정 방식으로 변형된다. 플라즈마의 기하학적 크기는 캐리어 가스에 의해 플라즈마 내에 주입되는 프로세스 제트의 균일한 확대 - "디포커싱" - 를 초래한다. 플라즈마에서 클라우드를 형성하도록 분산되어 거기에서 부분적으로 또는 완전히 용융되거나, 또는 적어도 가소화되는 프로세스 제트는 균일한 분포로 기판의 표면에 도달한다.
출발 물질 중의 금속 매트릭스 또는 금속 합금에 있어서, 프로세스 제트용 가스 흐름은 프로세스 제트에 관해 기하학적 음영에 있는 부위에서 액상으로부터 증착이 또한 이루어질 수 있도록 설정될 수 있다는 것을 인식하는 것이 본 발명에 있어서 중요하다. 따라서, 프로세스 제트의 직선적 시계에 있지 않은(비-시계) 은폐된 부위 또는 내측 부위에서 프로세스 제트의 액상으로부터 물질을 증착시킬 수도 있다. 여기서, 프로세스 제트 내 금속성 출발 물질의 온도가 금속 매트릭스 또는 금속 합금의 비등점보다 낮도록 플라즈마의 에너지 양을 설정하는 것이 중요하다. 금속 성분은 가소화되거나 용융되어야 하며, 금속 성분의 증발은 - 적어도 대체로 - 피해야 한다. 출발 물질의 입자 온도는 금속 매트릭스 또는 금속 합금의 비등점의 90% 이하, 바람직하게는 80% 이하, 특별하게는 70% 이하라야 한다.
플라즈마의 에너지 양 이외에도 프로세스 제트 내 출발 물질의 입자 온도에 영향을 주는 또 다른 파라미터는 플라즈마 내에 출발 물질을 운반하는 공급 속도이다. 공급 속도가 높으면, 플라즈마 화염에서의 출발 물질의 체류 시간이 훨씬 짧아지므로, 출발 물질의 입자 내로 유입되는 열도 평균적으로 적어지며, 따라서 상기 공급 속도를 통해, 프로세스 제트 내 출발 물질의 온도가 금속 매트릭스 또는 금속 합금의 비등점보다 낮은 것이 또한 보장될 수 있다. 또한 이에 따라 금속 성분이 증발되는 것을 피할 수 있다. 실제로, 입자 온도를 설정하는 것은 플라즈마 파라미터와 상기 공급 속도의 조합을 통해서이다.
출발 물질이 프로세스 제트에 도입되는 공급 각도도 프로세스 제트 내 출발 물질의 입자 온도에 영향을 준다. 배출 노즐 내의 출발 물질이 프로세스 제트에 주입되는 것이 일반적이다. 이에 관해서, 출발 물질은 프로세스 제트의 유동 방향에 대해 직각으로 - 즉 방사상으로 - 프로세스 제트에 도입될 수 있고, 또는 프로세스 제트의 유동 방향에 대해 경사지게 출발 물질이 주입된다. 이 경우에, "상류" 및 "하류"의 두 가지 변수가 있다. 상류 주입에서는, 출발 물질이 프로세스 제트의 유동 방향에 대해 역행하여 경사지게 주입되고; 하류 주입에서는, 출발 물질이 프로세스 제트의 유동 방향의 진행 방향으로 경사지게 도입된다. 상류 주입에 있어서는, 플라즈마 내, 특히 배출 노즐의 고에너지 부위에서의 체류 시간이 하류 주입의 경우보다 더 길기 때문에, 출발 물질로의 더 높은 열 유입이 초래된다. 따라서, 금속 성분의 실질적 증기상을 피하는 측면에서는 하류 주입이 더 유리하기 때문에, 본 발명에 따른 방법에 있어서는 하류 주입이 바람직하다.
프로세스 압력은 바람직하게는 50Pa 이상, 10,000Pa 이하이다.
은폐된 부위의 코팅은 프로세스 제트용 가스 흐름이 50?2000SLPM(분당 표준 리터)의 총 유량을 가질 때 특히 성공적인 것으로 밝혀졌다.
거리에 관해서는, 프로세스 제트용 배출 노즐과 기판 사이의 분무 거리가 50mm 내지 1500mm인 경우, 바람직하게는 400mm를 초과하는 경우, 특히 바람직하게는 700mm 내지 1000mm인 경우에 유리하다.
분말 공급에 관해서는, 공급률이 적절히 선택될 경우에 바람직하다.
본 발명에 따른 방법은 기판 상에 부식 방지층 또는 침식 방지층을 제조하는 데 적합하다.
금속층, 경질 금속층 또는 카바이드층은 본 발명에 따른 방법으로 바람직하게 제조된다.
바람직한 구현예에 있어서, 출발 물질은 MCrAlX형 금속 합금이고, 여기서 M은 니켈(Ni) 및/또는 코발트(Co) 및/또는 철(Fe)을 나타내고, X는 이트륨(Y) 및/또는 지르코늄(Zr) 및/또는 하프늄(Hf)을 나타낸다. 이들 MCrAlX 화합물에 있어서 X용으로는 이트륨이 특히 바람직하게 사용된다. 매우 양호한 부식 방지층은 이들 화합물을 사용하여 제조될 수 있다. 본 발명에 따르면, 이들 MCrAlX 화합물은 현재 프로세스 제트의 기하학적 음영에서 액상으로부터 제조될 수도 있다.
본 발명에 따른 방법은 특정적으로, 텅스텐 카바이드 또는 크롬 카바이드 및 니켈-크롬 또는 코발트-크롬을 함유하는 기판 상에 층을 제조할 때에도 적합하다.
또 다른 바람직한 변형예는 니켈-크롬층 또는 니켈-크롬 카바이드층을 기판 상에 제조하는 경우이다.
출발 물질은 바람직하게는 실질적으로 두 가지 금속과 탄소를 포함하는 입자를 포함하는 분무 분말로서, 제1 금속은 제2 금속과 합금을 이루는 부분 및 탄소와 카바이드를 형성하는 또 다른 부분을 포함한다.
이와 관련하여, 제1 금속은 바람직하게는 크롬이고, 제2 금속은 바람직하게는 니켈이며, 상기 카바이드는 침전물의 형태로 금속 매트릭스에 균일하게 분포된다.
출발 물질(P)은 바람직하게는 크기가 5?50㎛, 특히 10?20㎛인 입자를 포함하는 분무 분말이다. 이 크기는 그 자체가 더 작은 입자로의 개별적 입자의 해체를 방지하는 것으로 입증되었다. 또한, 카바이드의 경우에 이러한 입자 크기를 가짐으로써, 카바이드의 열적 분해가 일어나는 것이 방지될 수 있다.
상기 방법은 특히 기판이 회전 기계, 특히 펌프의 회전자일 때 적합하다.
또한, 본 발명에 의해 제공되는 기판은 플라즈마 분무에 의해 제조되는 코팅을 가지며, 출발 물질이 프로세스 제트의 형태로 기판 상에 분무되고, 출발 물질은 프로세스 제트의 디포커싱 플라즈마 내에 주입되고, 거기에서 20,000Pa 이하의 낮은 프로세스 압력에서 액상 또는 가소화상으로 부분적으로 또는 완전히 용융되고, 출발 물질(P)은 금속 매트릭스 또는 금속 합금을 함유하고, 프로세스 제트(2)에서의 출발 물질(P)의 온도는 금속 매트릭스 또는 금속 합금의 비등점보다 낮고, 상기 코팅은 액상 또는 가소화상으로부터 증착에 의해 제조되어, 적어도 프로세스 제트에 관해 기하학적 음영에 위치한 부위에 제공된다.
상기 코팅은 바람직한 구현예에서, 경질 금속 코팅 또는 카바이드 코팅이다.
본 발명의 또 다른 유리한 조치 및 바람직한 구현예는 청구의 범위의 종속항으로부터 얻어진다.
이하에서 실시예 및 도면을 참조하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
본 발명에 의하면, 프로세스 제트의 직선적 시계에 위치하지 않는 기판의 표면도 코팅할 수 있는, 기판의 코팅 방법이 제공된다.
도 1은 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 방법을 이용하여 코팅되는 펌프의 회전자의 평면도이다.
도 3은 도 2의 회전자의 상부 절반의 일부에 대한 개략적 단면도이다.
기판을 코팅하기 위한 본 발명에 따른 방법은 배기될 수 있는 프로세스 챔버를 포함하는 플라즈마 분무 장치를 이용하여 수행된다.
도 1은 전체적으로 참조 번호 1로 표시되어 있는 플라즈마 분무 장치로서, 본 발명에 따른 방법을 수행하는 데 적합한 장치의 개략도를 나타낸다. 또한, 기판(10)은 도 1에서, 층(11)이 증착되어 있는 상태로 개략적으로 도시되어 있다.
본 발명에 따른 방법은 바람직하게는 일반적으로 특허 문헌 WO-A-03/087422 또는 US-A-5,853,815에 기재되어 있는 플라즈마 분무 공정을 포함한다. 이 플라즈마 분무 방법은 이른바 LPPS(저압 플라즈마 분무) 박막의 제조를 위한 열적 분무 공정이다.
LPPS 박막(LPPS-TF) 공정은 구체적으로는, 도 1에 나타낸 플라즈마 분무 장치를 사용하여 수행된다. 여기서, 통상적 LPPS 플라즈마 분무 방법은 기술적 프로세스 방식으로 변형되어 있는데, 변화로 인해 플라즈마 흐름("플라즈마 화염" 또는 "플라즈마 제트")이 통과하여 확장되고 길이 2.5m까지 연장되는 공간을 가진다.
플라즈마의 기하학적 범위는 캐리어 가스에 의해 플라즈마 내에 주입되는 프로세스 제트의 균일한 확대 - "디포커싱" - 를 초래한다. 플라즈마에서 클라우드를 형성하도록 분산되고, 거기에서 부분적으로 또는 완전히 용융되는 프로세스 제트의 물질은 균일한 분배로 기판(10)의 표면에 도달한다.
도 1에 나타낸 플라즈마 분무 장치는, 보다 구체적으로 도시되지는 않았지만, 플라즈마를 생성하는 플라즈마 토치를 가진 공지의 플라즈마 발생기(3)를 포함한다. 프로세스 제트(2)는 출발 물질(P), 프로세스 가스 혼합물(G) 및 전기 에너지(E)로부터 플라즈마 발생기(3)를 이용하여 공지의 방식으로 발생된다. 이들 성분(E, G, P)의 공급은 도 1에서 화살표(4, 5, 6)로 표시되어 있다. 발생된 프로세스 제트(2)는 배출 노즐(7)을 통해 배출되어, 코팅 물질(21, 22)이 플라즈마에 분산되어 있는 프로세스 제트(2)의 형태로 출발 물질(P)을 수송한다. 이 수송 공정은 화살표(24)로 표시되어 있다. 상이한 참조 번호 21, 22는, 코팅 물질이(반드시 그런 것은 아니지만) 복수 개의 상으로 존재할 수 있음을 나타낸다. 적어도 하나의 액상(21)이 존재한다. 또한, 고상 및/또는 기상(22)이 프로세스 제트(2)에 수용될 수 있다. 기판(10)에 증착된 층(11)의 형태는 프로세스 파라미터, 특히 출발 물질(P), 프로세스 엔탈피 및 기판(10)의 온도에 의존한다. 배기될 수 있는 프로세스 챔버는 도 1에 도시되어 있지 않다.
여기에 기재된 LPPS-TF 프로세스에 있어서, 출발 물질(P)은 플라즈마 내에 주입되고, 플라즈마는 20,000Pa 이하, 바람직하게는 10,000Pa 이하로 낮은 프로세스 압력에서 프로세스 제트를 디포커싱하고, 거기에서 부분적으로 또는 완전히 용융되어 액상(21)이 발생된다. 이러한 목적에서, 충분히 높은 고유 엔탈피를 가진 플라즈마가 발생되어 고밀도의 층(11)이 기판 상에 생성된다. 질감(texture)과 같은 상기 층의 구조는 코팅 조건, 특히 프로세스 엔탈피, 프로세스 챔버 내의 작동 압력 및 프로세스 제트에 의해 실질적으로 영향을 받고 제어될 수 있다. 이렇게 해서 프로세스 제트(2)는 제어가능한 프로세스 파라미터에 의해 결정되는 성질을 가진다.
도 1에 표시된 바와 같이, 기판(10)은 프로세스 제트(2)에 관해 기하학적 음영에 위치한 하나 이상의 부위(101)를 가진다. 이 부위는, 예를 들면, 은폐 부위(101) 또는 기판의 내측 표면일 수 있다. 그러한 기하학적 음영 부위 또는 은폐되거나 커버된 부위는 - 기하학적 의미에서 - 플라즈마 분무 공정(비-시계)에서 프로세스 제트(2)에 의해 직접적으로 작용되지 않는 기하학적 음영 부위(101) 또는 은폐되거나 커버된 부위(101)를 의미한다. 그러한 부위(101)는 프로세스 제트(2)에서 기판(10)의 회전에 의해, 또는 프로세스 제트(2)와 기판(10)간의 또 다른 상대적 운동에 의해서도 도달될 수 없는 경우가 보통이다.
본 발명에 따르면, 프로세스 제트(2)용 가스 흐름이 설정됨으로써, 기판(10)은 프로세스 제트에 관해 기하학적 음영 내에 위치한 하나 이상의 부위(101)에서 액상(21)으로부터의 증착에 의해 코팅된다. 이와 관련하여, 프로세스 제트(2)의 기하학적 음영 부위에서도 액상(21)으로부터 증착을 달성할 수 있다는 인식이 중요하고 또한 놀라운 일이다.
LPPS-TF에 의한 층(11)의 생성을 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
적합한 조성의 분말은, 이하에서 추가로 설명하는 바와 같이, 출발 물질(P)로서 선택된다. 이 분말은 금속 매트릭스 또는 금속 합금, 바람직하게는 MCrAlX 타입의 금속 합금을 함유하고, 여기서 M은 니켈(Ni) 및/또는 코발트(Co) 및/또는 철(Fe)을 나타내고, X는 이트륨(Y) 및/또는 지르코늄(Zr) 및/또는 하프늄(Hf)을 나타낸다. 이에 관해서, 출발 물질(P)은 단일 분말 형태로 존재하는 것이 가능하다. 또 다른 가능성은, 분말 혼합물로서 존재할 수 있거나, 또는 2개의 상이한 분말 공급기를 통해 동시에 또는 순차적으로 플라즈마 화염에 주입되는 2종 이상의 상이한 분말상 물질을 출발 물질로서 사용하는 것이다.
이미 언급한 바와 같이, LPPS-TF 공정에서, 플라즈마 화염은 세트 공정 파라미터로 인해 통상적 플라즈마 분무 공정에 비해 매우 길다. 또한, 플라즈마 화염은 폭이 크게 확대된다. 예를 들면, 15,000kJ/kg 이상의 높은 고유 엔탈피를 가진 플라즈마가 생성됨으로써, 높은 플라즈마 온도가 얻어진다. 플라즈마 화염의 높은 엔탈피와 길이 또는 크기로 인해 코팅 물질(21, 22)로 매우 높은 에너지가 인가되며, 그에 따라 한편으로는 상기 코팅 물질이 크게 가속화되고, 다른 한편으로는 고온에 도달하게 되므로, 코팅 물질은 매우 양호하게 용융되거나 가소화될 수 있다.
그러나, 이와 관련하여, 금속 성분의 증발이 방지되어야 하므로, 프로세스 제트(2) 내 출발 물질(P)의 입자의 온도가 금속 매트릭스 또는 금속 합금의 비등점보다 낮아지도록, 플라즈마 온도 및 분말의 공급 속도가 서로 부합되는 것이 중요하다.
플라즈마는, 예를 들면, 플라즈마 발생기(3) 내의 공지의 플라즈마 토치에서 DC 전류 및 캐소드 또는 복수 개의 캐소드뿐 아니라 환형 애노드에 의해 발생된다. 플라즈마에 공급되는 유효 파워는 실험적으로 결정될 수 있다. 전기적 파워와 냉각에 의해 방출되는 열 사이의 차에 의해 제공되는 유효 파워가, 예를 들면, 80kW 이하의 범위인 것이 실험을 통해 나타났다. 이러한 목적에서, 시스템의 총 파워가 20 내지 200kW인 경우에는 가치있는 것으로 입증되었다.
플라즈마를 발생하기 위한 전류는 2,000?2,600A이다.
프로세스 챔버 내 LPPS-TF 플라즈마 분무의 프로세스 압력을 위해서 50?2,000Pa, 바람직하게는 100?1,000Pa, 구체적으로는 150Pa 범위의 값이 선택된다.
출발 물질(P)은 캐리어 가스, 바람직하게는 아르곤, 헬륨, 수소 또는 이들 가스의 2종 이상의 혼합물을 이용하여 플라즈마 내에 분말로서 분사된다. 캐리어 가스의 유량은 바람직하게는 5?40SLPM(분당 표준 리터)이다.
출발 물질(P) 내의 입자 크기는 바람직하게는 5?50㎛이고, 10?20㎛ 범위가 특히 바람직하다.
플라즈마를 생성하기 위한 프로세스 제트(2)용 가스인 프로세스 가스는 바람직하게는 불활성 가스의 혼합물, 특히 아르곤, 수소 및 헬륨의 혼합물이다. 실제로, 프로세스 가스에 있어서 다음과 같은 가스 유량이 특히 바람직한 것으로 입증되었다:
Ar 유량: 50?120SLPM
H2 유량: 0?12SLPM
He 유량: 0?40SLPM,
여기서 프로세스 가스의 총 유량은 200SLPM 미만, 50SLPM 이상인 것이 바람직하다.
출발 물질(P)이 운반되는 공급 속도는 특히 160g/분 이하, 20g/분 이상이고, 바람직하게는 40?80g/분이다. 분말 공급용 2개 이상의 인젝터(injector)를 구비한 구성에 있어서, 이러한 속도는 바람직하게는 모든 인젝터, 즉 2개의 인젝터에 걸쳐 균등하게 분배되고, 작업은 인젝터 1개당 20g/분 내지 40g/분의 분말 공급 속도로 수행됨으로써, 전체적인 공급 속도는 2×20g/분 내지 2×40g/분이 된다.
기판이 물질 적용시 프로세스 제트에 대해 회전형 또는 피벗형 운동에 의해 이동되는 것이 유리할 수 있다. 또한, 기판(10)에 대해 플라즈마 발생기(3)를 이동시킬 수도 있음은 물론이다.
배출 노즐(7)과 기판(10) 사이의 거리(D)인 분무 거리는 바람직하게는 50?1,500mm, 특히 400mm 초과, 구체적으로는 700?1,000mm이다.
본 발명에 따른 방법은 금속 부식 방지층 또는 침식 방지층의 제조에 특히 적합하다.
본 발명에 따른 방법은 구체적으로, 경질 금속층 또는 카바이드층을 특히 내측 또는 은폐된 부위(101)가 있는 기판 상에 제조하는 데 적합하다. 이러한 목적에서, 특히 유럽 특허출원 EP-A-0 960 954에 기재되어 있는 바와 같이, 출발 물질(P)로서 분말이 적합하다.
이 열적 분무 분말은 각각 실질적으로 니켈, 크롬 및 탄소를 포함하는 입자를 포함하고, 여기서 크롬은 매트릭스를 형성하는 니켈과 합금을 형성하는 제1 부위 및 적층물(deposit)의 형태로 매트릭스에 균일하게 분포되어 있는 탄소와 함께 카바이드를 형성하는 제2 부위를 포함한다.
그밖의 금속도 그러한 경질 금속 코팅 또는 텅스텐 카바이드와 같은 카바이드 코팅용으로 적합하다. 전술한 니켈-크롬 매트릭스 이외에도, 텅스텐 카바이드 또는 크롬 카바이드도 코발트-크롬 매트릭스에 내포되어 있을 수 있다.
카바이드를 함유하지 않는 금속 합금, 예를 들면 니켈-크롬 합금 또는 아연과 같은 금속도 부식 방지층의 제조에 사용될 수 있는 것으로 이해된다.
이하에서, 회전 기계의 회전자, 특히 펌프의 회전자에 경질 금속 코팅이 제공되어 있는 실시예를 제시한다.
도 2는, 전체가 참조 번호 50으로 표시되어 있고 곡선 형태로 만들어진 복수 개의 베인(vane)(51)을 포함하는, 코팅되어 있는 펌프의 회전자의 평면도를 나타낸다. 따라서, 이 베인들(51) 사이에는 코팅 공정에서 프로세스 제트(2)의 기하학적 음영 부위에 위치한 은폐 부위(101)가 생긴다.
도 3은 도시된 바에 따라 상부에 도 2의 회전자의 절반(커버)의 일부에 대한 단면을 개략적으로 나타낸다. 단면은 회전자가 회전하는 중심이 되는 축에 수직으로 만들어져 있다. 도 3에서, 3개의 상이한 부위(101)가 예로서 표시되어 있는데, 이것들은 코팅시 프로세스 제트(2)의 기하학적 음영 부위에 위치하는 내측 표면 또는 은폐 부위를 나타낸다.
예를 들면, 표면의 세정, 샌드블라스팅 또는 숏-피닝(shot-peening), 이온 세정 등에 의해 이미 알려져 있는 방식으로 코팅을 위한 기판(10)(여기서는 펌프의 회전자(50))이 제조된 후, 그 기판은 프로세스 챔버에 도입되고, 회전가능한 홀더와 같은 가동형(movable) 홀더에 고정된다. 프로세스 챔버에서는 실제로 코팅이 시작되기 전에 플라즈마 소스를 이용하고, 회전자의 예열에 의해 추가의 이온 세정이 일어날 수 있다. 기판(10)의 예열은 코팅과 기판 사이의 보다 양호한 결합을 얻을 수 있게 한다.
배출 노즐(7)간의 분무 거리는, 프로세스 제트(2)의 길이 및 직경이 모두 프로셋 압력의 함수이기 때문에, 프로세스 챔버 내 프로세스 압력에 의존하여 선택된다. 본 발명의 실시예에 있어서, 프로세스 압력은 150Pa이고, 분무 거리(D)는 700mm이다. 이로써, 폭 넓은 플라즈마 화염에 의해 큰 표면을 커버할 수 있고, 플라즈마 흐름 또는 프로세스 제트(2)를 회전자의 복잡한 형상에 통과시킬 수 있다.
플라즈마 토치는 기판(10)에 대해 이동가능하도록 축 상에 설치된다. 그 결과, 전체 기판(10)은 플라즈마에 의해 제어된 방식으로 가열될 수 있고, 프로세스 제트(2)는 코팅시 전체 회전자(50) 위를 쓸어갈 수 있다. 이러한 방식으로, 증착된 코팅의 두께와 품질도 모니터될 수 있다.
플라즈마에 의한 회전자(50)의 예열은, 예를 들면, 후속 코팅과 동일한 플라즈마 파라미터로 이루어질 수 있다. 플라즈마 화염은 예열을 위한 횟수 만큼 전체 회전자(50)에 걸쳐 이동되고, 상기 회전자는 이러한 공정에서 균일한 가열을 보장하도록 회전된다. 회전자(50)는 전형적으로 300K 내지 500K의 온도로 예열된다.
NiCr-CrC(니켈-크롬 크롬 카바이드)가 코팅 물질로서 선택된다. 이와 관련하여 출발 물질(P)은 전술한 바와 같이 EP-A-0 960 954에 개시된 분말, 즉 열적 분무 분말로서, 각각의 입자가 실질적으로 니켈(Ni), 크롬(Cr) 및 탄소(C)를 포함하고, 크롬의 제1 부분은 매트릭스를 형성하는 니켈과 함금을 형성하고, 크롬의 제2 부분은 적층물의 형태로 NiCr 매트릭스에 실질적으로 균일하게 분포되어 있는 탄소와 함께 하나 이상의 크롬 카바이드(예; Cr3C2 또는 Cr7C3)를 형성한다. 적층물의 전형적인 크기는 0.1㎛ 내지 5㎛이다. 출발 물질(P)은 2개의 분말 캐리어 및 캐리어 가스, 여기서는 아르곤에 의해 플라즈마 내에 공지의 방식으로 도입된다.
플라즈마 또는 프로세스 제트(2)를 생성시키는 프로세스 가스용으로는 아르곤(Ar)과 수소(H2)의 혼합물이, Ar에 있어서 60SLPM 및 H2에 있어서 12SLPM인 가스 유량으로 사용된다. 플라즈마는 43.75V의 전압이 얻어지는 2400A의 전류에 의해 발생된다. 이때 전체 파워는 105kW에 달한다. 플라즈마 토치는 수냉식이며, 파워의 일부는 냉각 시스템으로 출력된다. 따라서, 플라즈마 화염에 있어서 파워가 감소되는데 그 양은 전체 파워의 약 45% 내지 55%이다. 분말상 출발 물질(P)의 주입은 플라즈마 화염, 즉 고엔탈피 부위 내로 직접 이루어진다. 2개의 분말 캐리어는 서로 마주보고 배치된다. 출발 물질이 플라즈마에 도입되는 공급 속도는 2×30g/분, 즉 총 60g/분이다. 캐리어 가스용, 여기서는 아르곤용으로는 2×5SLPM의 유량이 설정된다. 코팅 시간은 2분 내지 10분이다.
코팅 후, 회전자(50)는 냉각되는데, 이것은 예를 들면 프로세스 챔버와 상이한 챔버에서 실행될 수 있다. 회전자(50)가 냉각되는 이 챔버는 바람직하게는 설정가능한 압력까지 불활성 가스, 특히 아르곤으로 충전된다. 냉각 시간과 압력은 기판(10)의 형태 및 적용되는 코팅의 형태에 의존하여, 냉각하는 동안 내부 변형 및 크랙이 일어나지 않도록 선택된다. 본 발명의 실시예에서, 50,000Pa의 아르곤의 압력에서 10분의 냉각 시간이 선택된다.
본 실시예에서와 같이, 미립자화 NiCr-CrC 출발 물질로부터 이 방식으로 생성된 코팅은, 전형적으로 Hv(0.3)=900?950의 마이크로경도를 가진다.
따라서, 본 발명에 따른 방법은, 프로세스 제트의 시계에 위치하지 않고, 기하학적 음영 부위에 위치한 내측 또는 은폐된 표면을 가진 기판 상에, 경질 금속층 또는 카바이드층과 같은 금속 침식 방지층 또는 부식 방지층을 제조하는 데 특히 적합하다.
본 발명에 따른 방법은 또한 MCrAlX와 같은 층을 증착하는 데 적합하고, 여기서 X는 이트륨인 것이 특히 바람직하다.
전술한 펌프의 회전자(50) 이외에도, 상기 증착 대상은 예를 들면 터빈 부품일 수도 있다. 스팀 터빈, 정지형 가스 터빈 또는 항공기 엔진과 같은 터빈은 보통 복수 개의 회전형 회전자 및 정지형 가이드 엘리먼트를 포함한다. 회전자와 가이드 엘리먼트는 각각 복수 개의 터빈 베인을 포함한다. 터빈 베인은 그것의 각부(foot)에서 각각 터빈의 공통축에 장착될 수 있고, 또는 각각 복수 개의 터빈 베인을 포함하는 세그먼트의 형태로 제공될수 있다. 이러한 설계는 흔히 클러스터(cluster) 베인 세그먼트 또는, 터빈 베인의 수에 따라, 이중 베인 세그먼트, 삼중 베인 세그먼트 등으로 불린다.
본 발명에 따른 방법은 특히 이 방법에 의해 코팅이 음영 부위에 실행될 수 있기 때문에 클러스터 베인 세그먼트의 경우에 유리하게 사용될 수도 있다. 클러스터 베인 엘리먼트에 있어서, 프로세스 제트에 의해 직접 작용될 수 없는(기하학적 의미에서) 기하학적 음영 부위 또는 은폐되거나 커버된 부위가 있다. 흔히, 그러한 부위는 또한 프로세스 제트에서 베이스 본체의 회전에 의해, 또는 프로세스 제트와 베이스 본체 사이의 또 다른 상대적 운동에 의해 도달될 수 없는 경우이다. 코팅은 또한, 프로세스 제트의 기하학적 음영에 위치하고, 프로세스 제트의 시계에 있지 않은 부위에서 본 발명에 따른 방법을 이용하여 제조될 수 있다.
그러므로, 예를 들면 터빈 베인이 개별적으로는 코팅될 수 없지만, 보다 크고, 이미 조립된 클러스터로는 코팅될 수 있다.
플라즈마 분무에 의해 프로세스 제트(2)의 형태로 기판(10; 50) 상에 출발 물질(P)을 분무하고, 출발 물질(P)은 프로세스 제트(2)의 디포커싱 플라즈마 내에 주입되어, 거기에서 20,000Pa 이하의 낮은 프로세스 압력에서 부분적으로 또는 완전히 액상(21)으로 용융되는 코팅 방법에 있어서, 프로세스 제트(2)용 가스 흐름은 기판(10; 50)이, 프로세스 제트(2)에 관해 기하학적 음영에 위치한 하나 이상의 부위(101)에서 액상(21)으로부터 증착에 의해 코팅되도록 설정된다.
1 플라즈마 분무 장치, 2 프로세스 제트, 3 플라즈마 발생기, 21 액상, 가소화상, 22 기상, 7 배출 노즐, 10 기판, 11 경질 금속층, 카바이드층, 50 회전자, 101 기하학적 음영 부위, P 출발 물질, D 분무 거리, E 전기 에너지, G 프로세스 가스 혼합물

Claims (15)

  1. 플라즈마 분무에 의해 프로세스 제트(2)의 형태로 출발 물질(P)이 기판(10; 50) 상에 분무되는, 기판의 코팅 방법으로서,
    상기 출발 물질(P)은, 상기 프로세스 제트(2)의 디포커싱(defocusing) 플라즈마 내에 주입되고, 거기에서 20,000Pa 이하의 낮은 프로세스 압력에서 액상 또는 가소화상(plasticized phased)(21)으로 부분적으로 또는 완전히 용융되고,
    상기 출발 물질(P)은 금속 매트릭스 또는 금속 합금을 함유하고; 상기 프로세스 제트(2) 내 상기 출발 물질(P)의 온도는 상기 금속 매트릭스 또는 금속 합금의 비등점보다 낮고; 상기 프로세스 제트(2)용 가스 흐름은, 상기 기판(10; 50)이 상기 프로세스 제트(2)에 관해 기하학적 음영(shadow)에 위치한 하나 이상의 부위(101)에서 상기 액상 또는 가소화상으로부터 증착에 의해 코팅되도록, 설정되는 것을 특징으로 하는,
    기판의 코팅 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 프로세스 압력이 50Pa 이상, 10,000Pa 이하인, 기판의 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 프로세스 제트(2)용 가스 흐름이 50?200SLPM의 총 유량을 가지는, 기판의 제조 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프로세스 제트(2)용 배출 노즐(7)과 상기 기판(10; 50) 사이의 분무 거리(D)가 50mm 내지 1,500mm, 바람직하게는 400mm보다 크고, 특히 바람직하게는 700mm 내지 1,000mm인, 기판의 제조 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프로세스 제트(2)용 공급 속도는 160g/분 이하의 범위, 바람직하게는 20g/분으로 선택되는, 기판의 제조 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    부식 방지층 또는 침식 방지층(11)이 상기 기판(10; 50) 상에 제조되는, 기판의 제조 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 출발 물질(P)은 MCrAlX 타입의 금속 합금이고, 여기서 M은 니켈(Ni) 및/또는 코발트(Co) 및/또는 철(Fe)을 나타내고, X는 이트륨(Y) 및/또는 지르코늄(Zr) 및/또는 하프늄(Hf)을 나타내는, 기판의 제조 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    경질 금속층(11) 또는 카바이드층(11)이 상기 기판(10; 50) 상에 제조되는, 기판의 제조 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    텅스텐 카바이드 또는 크롬 카바이드 및 니켈-크롬 또는 코발트 크롬을 함유하는 층(11)이 상기 기판(10; 50) 상에 제조되는, 기판의 제조 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    니켈 크롬층 또는 니켈-크롬 카바이드층이 상기 기판(10; 50) 상에 제조되는, 기판의 제조 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 출발 물질(P)은, 각각의 입자가 실질적으로 2종의 금속 및 탄소를 포함하는 분무 분말이고, 제1 금속은 제2 금속과 합금을 형성하는 부위 및 탄소와 카바이드를 형성하는 추가적 부위를 포함하는, 기판의 제조 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제1 금속은 크롬이고, 상기 제2 금속은 바람직하게는 니켈이며, 상기 카바이드가 침전물의 형태로 상기 금속 매트릭스에 균일하게 분포되어 있는, 기판의 제조 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 출발 물질(P)이 5?50㎛, 특히 10?20㎛의 크기를 가진 입자를 포함하는 분무 입자인, 기판의 제조 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판이 회전 기계, 특히 펌프의 회전자(50)인, 기판의 제조 방법.
  15. 플라즈마 분무에 의해 제조되는 코팅을 가진 기판으로서,
    출발 물질(P)이 프로세스 제트(2)의 형태로 기판(10; 50) 상에 분무되고, 상기 출발 물질은 상기 프로세스 제트(2)의 디포커싱 플라즈마 내에 주입되고, 거기에서 20,000Pa 이하의 낮은 프로세스 압력에서 액상 또는 가소화상(21)으로 부분적으로 또는 완전히 용융되고,
    상기 출발 물질(P)은 금속 매트릭스 또는 금속 합금을 함유하고; 상기 프로세스 제트(2)에서의 상기 출발 물질(P)의 온도는 상기 금속 매트릭스 또는 금속 합금의 비등점보다 낮고; 상기 코팅은 상기 액상 또는 가소화상(21)으로부터 증착에 의해 제조되어, 상기 프로세스 제트(2)에 관해 기하학적 음영에 위치한 부위(101)에 제공되는 것을 특징으로 하는,
    기판.
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