KR20160036572A - 경사기능 열차폐 코팅 시스템 - Google Patents

경사기능 열차폐 코팅 시스템 Download PDF

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KR20160036572A
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게랄드 제이. 브룩
아흐메드 카멜
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지멘스 에너지, 인코포레이티드
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Abstract

경사기능 열차폐 코팅(functionally graded thermal barrier coating)(30)은 파우더 증착 프로세스에 의해 증착되는 재료들의 복수의 층들(34, 36 ... 44, 46)로서 형성되고, 다양한 층들의 조성은 코팅의 두께에 걸쳐 변화된다. 본드 코트 재료(64)의 용융 풀(melt pool)(56) 내의 세라믹 입자들(62)의 부력(buoyancy)으로 인해, 단일 층(58) 내에 조성 그래디언트가 존재할 수 있다. 파우더 증착 프로세스는, 증착 프로세스 동안 슬래그(28)의 보호 층을 형성하도록 용융되는 파우더형 플럭스 재료(20)를 포함한다.

Description

경사기능 열차폐 코팅 시스템{FUNCTIONALLY GRADED THERMAL BARRIER COATING SYSTEM}
본 출원은, 2013년 7월 26일 출원된, 공동-계류중인 미국 특허 출원 번호 제 13/951,542호(대리인 문서 번호 제 2013P03164US호)의 일부계속출원이며, 이는 인용에 의해 본원에 포함된다.
본 발명은 일반적으로, 재료 기술의 분야에 관한 것으로, 더 상세하게는 가스 터빈 엔진 애플리케이션(gas turbine engine application)들에서 이용될 수 있는 바와 같은 열적으로 절연된 금속성 합금들, 그리고 열차폐 코팅(thermal barrier coating)들을 금속성 합금들에 적용하는 방법들에 관한 것이다.
세라믹 열차폐 코팅 시스템(ceramic thermal barrier coating system)들은, 기저 금속 합금 기판을 그 합금의 안전 동작 온도를 초과하는 연소 가스 온도(combustion gas temperature)들로부터 보호하기 위해 가스 터빈 엔진 고온 가스 경로 컴포넌트(gas turbine engine hot gas path component)들 상에서 이용된다. 통상의 열차폐 코팅 시스템은 기판 합금 상에 증착되는 MCrAlY 재료와 같은 본드 코트(bond coat) 및 본드 코트 상에 증착되는 이트리아 안정화 지르코니아(yttria stabilized zirconia)와 같은 세라믹 톱코트(ceramic topcoat)를 포함할 수 있다. 본드 코트 및 세라믹 재료들은 종종, 고속 옥시-연료(HVOF; High Velocity Oxy-Fuel) 또는 에어 플라즈마 스프레이(APS; Air Plasma Spray)와 같은 열 스프레이 프로세스(thermal spray process)에 의해 증착된다.
경사기능 재료(functionally graded material)들은 볼륨(volume)에 걸친 조성의 점진적 변화를 특징으로 한다. 이러한 재료들은, 열차폐 코팅 시스템의 재료 계면들에서의 재료 특성들의 개별 변화와 같은 갑작스러운 재료 변화들과 때때로 연관되는 단점들을 회피한다. 금속-세라믹 그래디언트 재료(metal-ceramic gradient material)는, 베드(bed)에 걸쳐 경사 조성(graded composition)을 가진 파우더(powder)의 패킹된 베드(packed bed)를 소결함으로써 형성되는 것으로 미국 특허 번호 제 6,322,897호에서 설명된다.
본 발명은 다음을 도시하는 도면들을 고려하여 다음의 설명에서 설명되며:
도 1은 플럭스 재료(flux material)의 베드 아래에 합금 입자들을 용융하기 위해 레이저(laser)를 이용한 파우더 증착 프로세스(powder deposition process)에 의한 기판 상의 코팅(coating)의 증착을 예시한다.
도 2는 가변 조성들을 가진 재료의 복수의 층들로서 증착된 경사기능 열차폐 코팅 시스템(functionally graded thermal barrier coating system)을 예시한다.
도 3은 세라믹 재료의 경사 농도(graded concentration)를 가진 본드 코트 층(bond coat layer)을 형성하는 파우더 증착 프로세스를 예시한다.
도 1은 보호 코팅이 추가되도록 요구되는 기판(12)을 가진 가스 터빈 컴포넌트(gas turbine component)(10)의 부분 단면도이다. 파우더(14)의 층이 기판(12)의 표면(16) 상에 증착된다. 파우더(14)의 층은 MCrAlY 본드 코트 재료와 같은 금속 합금(18)의 입자들, 및 플럭스 재료(flux material)(20)의 입자들을 포함한다. 플럭스 재료(20)는 후속 용융 단계 동안 세척 및 대기 보호 기능들을 제공하기 위해 적용된다. 금속 합금(18)의 입자들은 예시된 바와 같이, 플럭스 재료(20)의 입자들에 의해 커버될(covered) 수 있다. 다른 실시예들에서, 금속 합금의 입자들 및 플럭스 재료의 입자들은 함께 혼합되어 단일 층으로서 사전-위치지정될(pre-positioned) 수 있거나, 또는 이들은 용융 단계 동안 입자들의 스프레이를 표면을 향해 지향시킴으로써 적용될 수 있다. 또한 추가의 대안은, 플럭스 및 금속 재료가 복합 입자들로서 제공되고 그리고 사전-배치되거나 또는 공급될 수 있는 것이다. 파우더(14)는 레이저 빔(laser beam)과 같은 에너지 빔(energy beam)(22)에 노출되어 용융(melt)(24)을 형성한다. 용융(24)은 분리되어, 기판(16) 상의 슬래그(slag)(28)의 층에 의해 커버되는(covered) 금속 합금(26)의 코팅(26)으로 굳어질 것이다. 그 다음으로, 슬래그(28)는, 기판(12) 상의 본드 코트 재료(26)의 코팅이 드러나도록 제거될 수 있다.
본 발명자들은 위에서 설명된 방법을 이용하여, 2 내지 5 mm의 플럭스 파우더 두께 아래에 1 내지 4 mm의 합금 파우더 두께로, CoNiCrAlY 본드 코트 재료를 성공적으로 증착하여, 0.7 내지 3 mm 두께의 균열이 없는 증착부(crack free deposit)들을 만들었다. 1 mm까지의 두께의 본드 코트 재료 파우더 층들은 바람직하게, 적어도 3 mm 두께의 플럭스 재료 층들에 의해 커버될 수 있고, 그리고 1 내지 4 mm 두께의 본드 코트 재료 파우더 층들은 바람직하게, 적어도 5 mm 두께의 플럭스 재료 층들에 의해 커버될 수 있다. 이테르븀 섬유(ytterbium fiber), 슬래브(slab), 다이오드(diode), 네오디네뮴 YAG(neodynemium YAG), 및 이산화탄소(carbon dioxide)를 포함하는 다양한 레이저 타입(laser type)들이 활용될 수 있다. 서브머지드 아크 용접(submerged arc welding), 플럭스 코어드 아크 용접(flux cored arc welding), 일렉트로 슬래그 용접(electro slag welding) 및 피복 아크 용접(shielded metal arc welding) 재료들, 또는 이들의 변형들의 넓은 군(family)으로부터의 산화물들(oxides), 플루오르화물들(fluorides) 및 탄산염들(carbonates)의 플럭스들이 활용될 수 있다. 전력 레벨(power level)들은 통상적으로 2 킬로와트(kilowatts)일 수 있지만, 프로세싱될(processed) 영역, 프로세싱 속도(processing speed), 증착 깊이 및 관련된 변수들에 따라 가변될 수 있다.
슬래그(28)의 층이 제거된 후에, 복수의 층들로 증착되는 코팅을 원하는 두께까지 구축(build)하기 위해, 도 1에 예시된 단계들에 의해 추가의 재료 층이 적용될 수 있다. 하나의 이러한 프로세스(process)가 도 2에 예시되며, 도 2에서, 열차폐 코팅(30)은 초합금 기판(superalloy substrate)(32) 상에서 복수의 층들(34, 36, 38, 40, 42, 44, 46)로 증착된다. 다양한 층들을 증착할 때, 상이한 재료 타입들의 입자들이 이용될 수 있으며, 코팅(30)에서 기능 그래디언트(functional gradient)를 생성하기 위해 층들 간에 재료들의 타입들의 비(ratio)가 변화된다. 도 2는 또한, 각각의 개별 층에서의 초합금 입자들, 본드 코트 입자들 및 세라믹 입자들의 상대적 비율(proportion)들을 도시하는 표를 포함한다. "플럭스(Flux)"라는 명칭의 열(column)은, 레이저 용융(laser melting) 또는 레이저 소결(laser sintering)과 같은, 도 1과 관련하여 설명된 파우더 증착 프로세스를 이용하여 각각의 층이 증착됨을 표시한다.
층(34)은 100% 초합금 입자들을 포함한다. 이러한 타입의 층은 기판(32)에서의 균열들 또는 불규칙성들을 치유하기에 유용할 수 있다.
층(36)은 초합금 재료 및 본드 코트 재료 양쪽 모두를 포함하지만, 본드 코트 재료보다 더 높은 함량의 초합금 재료(즉, 빈약한 본드 코트, 풍부한 초합금)를 갖는다.
층(38)도 또한, 초합금 및 본드 코트 재료들 양쪽 모두를 포함하지만, 층(38)은 초합금 재료보다는 비교적 더 많은 본드 코트 재료(즉, 풍부한 본드 코트)를 그리고 층(36)에서보단 더 많은 본드 코트 재료를 포함한다.
층(40)은 본드 코트 재료만을 포함한다.
층(42)은 본드 코트 재료 및 더 적은 양의 세라믹 절연 재료 양쪽 모두를 포함한다.
층(44)은 본드 코트 재료 및 세라믹 재료 양쪽 모두를 포함하지만, 층(42)에서보단 더 많은 세라믹 재료를 포함한다.
층(46)은 세라믹 절연 재료만을 포함한다.
층들(34, 36, 38, 40, 42, 44, 46)은 코팅의 두께에 걸쳐 가변하는 층들의 조성을 갖는 재료의 복수의 층들의 파우더 증착에 의해 형성된 경사기능 열차폐 코팅 시스템들의 예시이다. 다른 실시예들에, 이러한 층들 또는 다른 타입들의 층들의 상이한 조합들이 포함될 수 있다. 예컨대, 일 실시예에서, 코팅에는 층(32) 및/또는 층(40)이 없을 수 있다. 다른 실시예들에서, 더 점진적으로 변화되는 조성비(composition ratio)들의 다수의 단계들이 이용될 수 있다. 일부 층들은 초합금, 본드 코트 및 세라믹 재료들을 포함할 수 있다. 층들은 동일한 또는 가변적인 두께들을 가질 수 있다. 다수의 조성들의 초합금, 본드 코트 및/또는 세라믹 재료들이 단일 코팅 시스템에서 이용될 수 있다.
본원에서 설명되는 파우더 증착 프로세스에서 이용되는 플럭스 재료는 균열이 생기는 것에 대비한 개선된 보호를 제공하기 때문에, 본드 코팅 재료의 층을 3 mm 또는 그 초과까지 증착시키는 것이 가능하다. 파우더 층에 포함된 약간의 농도의 세라믹 입자들을 갖게 이러한 층이 형성될 때, 용융된 본드 코트 재료 내의 세라믹 재료의 자연적 부력(natural buoyancy)은 세라믹 입자들을 용융의 상방향 표면을 향해 몰아가는(drive) 경향이 있을 것이다. 프로세스 파라미터(process parameter)들을 제어함으로써, 경사기능 농도(functionally graded concentration)의 세라믹 입자들을 본드 코트 층에 생성하는 것이 이제 가능하다. 하나의 이러한 프로세스가 도 3에 예시되며, 도 3에서 기판(50)은 본드 코트 재료, 세라믹 재료 및 플럭스 재료의 혼합물을 포함하는 파우더(52)의 층에 의해 커버된다. 용융(56)을 형성하기 위해 파우더(52) 위에 에너지 빔(54)이 래스터링되고(rastered), 용융(56)은 코팅(58) 및 그 위에 놓인 슬래그(60) 층으로 분리된다. 코팅(58)은 본드 코트 재료(64)의 매트릭스(matrix)에 매립된(encased) 세라믹 재료(62)의 입자들을 포함한다. 세라믹 재료들이 통상적으로, 금속성 합금들(예컨대, 8 g/cm3 초과) 미만의 밀도(예컨대, 6 g/cm3 미만)를 갖기 때문에, 용융(56) 내에서의 세라믹 입자들의 자연적 부력은, 코팅(58)의 두께를 통한 세라믹 재료(62)의 농도의 그래디언트를 제공하기에 효과적일 것이다. 코팅(58)은 순수 세라믹에 가까운 상부 구역 및 순수 본드 코트에 가까운 하부 구역을 포함할 수 있다. 이러한 경사 층(graded layer)(58)은, 이를테면, 본드 코트 재료 층 위에 그리고/또는 세라믹 재료 층 아래에 증착되는 것에 의해, 열차폐 코팅 시스템의 복수의 상이한 층들 중 하나로서 형성될 수 있거나, 또는 경사 층(58)이 혼자서 그러한 역량으로 기능할 수 있다. 일부 실시예들에서, 이러한 경사 층(58)은 또한 초합금 재료를 포함할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예들이 본원에서 도시되고 설명되지만, 이러한 실시예들이 단지 예시적으로만 제공됨이 명백할 것이다. 본원의 본 발명으로부터 벗어남이 없이 많은 변형들, 변화들 및 대체들이 이루어질 수 있다. 기판이라는 용어는, 코팅이 그 위에 적용되는 표면을 가진 임의의 재료를 포함하고, 그 기판은 초합금 컴포넌트, 또는 나중에 다른 코팅을 수용할 임의의 코팅 재료의 하나 또는 그 초과의 층들을 이미 가진 그러한 컴포넌트를 포함할 수 있다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구항들의 사상 및 범주에 의해서만 제한되도록 의도된다.

Claims (20)

  1. 방법으로서,
    본드 코트 재료(bond coat material)의 입자들 및 플럭스 재료(flux material)의 입자들을 포함하는 파우더(powder)를 기판 상에 증착하는 단계;
    상기 기판 상에 슬래그(slag)의 층에 의해 커버되는(covered) 용융된 본드 코트 재료의 층을 형성하기 위해 에너지 빔(energy beam)으로 상기 파우더를 용융하는 단계;
    상기 기판 상에 코팅(coating)을 형성하기 위해, 상기 슬래그의 층 아래에서 상기 용융된 본드 코트 재료가 냉각되어 굳어지도록 허용하는 단계; 및
    상기 슬래그의 층을 제거하는 단계
    를 포함하는,
    방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판 상의 상기 본드 코트 재료 입자들의 층 및 상기 본드 코트 재료 입자들의 층 상의 상기 플럭스 재료 입자들의 층으로서 상기 파우더를 증착하는 단계
    를 더 포함하는,
    방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 본드 코트 재료 입자들의 층을 두께가 1 mm 이하이도록 그리고 상기 플럭스 재료 입자들의 층을 두께가 적어도 3 mm이도록 증착하는 단계
    를 더 포함하는,
    방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 본드 코트 재료 입자들의 층을 두께가 1 내지 4 mm이도록 그리고 상기 플럭스 재료 입자들의 층을 두께가 적어도 5 mm이도록 증착하는 단계
    를 더 포함하는,
    방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    복수의 층들로 원하는 두께까지 상기 코팅을 구축(build)하기 위해 제 1 항의 단계들을 여러번 반복하는 단계;
    상기 코팅의 층들 중 적어도 일부를 위해, 추가 재료의 입자들을 상기 파우더에 포함시키는 단계; 및
    상기 코팅에서 기능적 그래디언트(functional gradient)를 생성하기 위해 상기 층들 중 적어도 일부 간에 상기 추가 재료의 입자들 대 상기 본드 코트 재료의 입자들의 비(ratio)를 변화시키는 단계
    를 더 포함하는,
    방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 추가 재료는 초합금 재료(superalloy material)를 포함하고, 그리고
    상기 초합금 재료의 입자들 대 상기 본드 코트 재료의 입자들의 비는 상기 층들 중 하나의 층으로부터 후속 층으로 감소되는,
    방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 추가 재료는 세라믹 재료(ceramic material)를 포함하고, 그리고
    상기 세라믹 재료의 입자들 대 상기 본드 코트 재료의 입자들의 비는 상기 층들 중 하나의 층으로부터 후속 층으로 증가되는,
    방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    복수의 층들로 원하는 두께까지 상기 코팅을 구축하기 위해 제 1 항의 단계들을 여러번 반복하는 단계;
    상기 코팅의 층들 중 적어도 하나의 층을 위해, 세라믹 재료의 입자들을 상기 파우더에 포함시키는 단계; 및
    상기 적어도 하나의 층이 두께를 갖게 증착하는 단계
    를 더 포함하고,
    상기 용융된 본드 코트 재료 내의 상기 세라믹 재료의 부력(buoyancy)은 상기 적어도 하나의 층의 두께를 통한 상기 세라믹 재료의 농도의 기능적 그래디언트를 생성하기에 효과적인,
    방법.
  9. 장치로서,
    초합금 기판;
    상기 기판 상에 증착된 열차폐 코팅(thermal barrier coating)
    을 포함하고,
    상기 열차폐 코팅은,
    본드 코트 재료를 포함하지만 어떠한 세라믹 재료도 포함하지 않는, 상기 기판에 비교적 더 인접한 제 1 구역, 및
    상기 본드 코트 재료 및 그래디언트 농도(gradient concentration)의 세라믹 재료를 포함하는, 상기 기판으로부터 비교적 더 원거리에 있는 제 2 구역
    을 더 포함하고,
    상기 본드 코트 재료에 대한 상기 세라믹 재료의 그래디언트 농도는 상기 기판으로부터 멀어지는 두께 방향으로 증가되는,
    장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 구역은 그래디언트 농도의 초합금 재료 및 상기 본드 코트 재료를 더 포함하고, 그리고
    상기 본드 코트 재료에 대한 상기 초합금 재료의 그래디언트 농도는 상기 기판으로부터 멀어지는 두께 방향으로 감소되는,
    장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 구역은, 어떠한 세라믹 재료 및 어떠한 초합금 재료도 갖지 않고 본드 코트 재료만으로 이루어진 층을 포함하는,
    장치.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 구역은 본드 코트 재료만으로 이루어진 어떠한 층도 포함하지 않는,
    장치.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 2 구역에서의 그래디언트 농도는, 파우더 증착 프로세스(powder deposition process)에 의한 상기 제 2 구역의 증착 동안 용융된 본드 코트 재료 내에서 상기 세라믹 재료의 입자들의 부력에 의해 형성되는,
    장치.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 열차폐 코팅은 파우더 증착 프로세스의 연속적인 반복들에 의해 증착된 재료의 복수의 층들을 더 포함하고,
    연속적 층들에 증착된 상기 파우더는 상기 제 1 구역 및 상기 제 2 구역을 생성하기 위해 상이한 비율(proportion)들의 재료 타입(material type)들을 갖는,
    장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 열차폐 코팅은,
    본드 코트 재료 및 세라믹 재료 모두를 포함하는 층, 및
    세라믹 재료만을 포함하는 층
    을 더 포함하는,
    장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 열차폐 코팅은, 본드 코트 재료 및 초합금 재료를 포함하는 층을 더 포함하는,
    장치.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 열차폐 코팅은 본드 코트 재료만을 포함하는 층을 포함하는,
    장치.
  18. 장치로서,
    초합금 기판;
    상기 기판 상에 증착된 코팅
    을 포함하고,
    상기 코팅은 재료의 복수의 층들을 포함하고,
    상기 층들은, 제 1 층에서의 비교적 더 높은 농도의 초합금 재료로부터 상기 제 1 층보다 상기 기판으로부터 더 원거리에 있는 제 2 층에서의 비교적 더 높은 농도의 본드 코트 재료로, 초합금 재료 대 본드 코트 재료의 비율이 변화되는,
    장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    제 3 층에서의 비교적 더 높은 농도의 본드 코트 재료로부터 상기 제 3 층보다 상기 기판으로부터 더 원거리에 있는 제 4 층에서의 비교적 더 높은 농도의 세라믹 재료로, 본드 코트 재료 대 세라믹 재료의 비율이 변화되는 층들
    을 더 포함하는,
    장치.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 2 층과 상기 제 3 층 사이에 증착된 본드 코트 재료만을 포함하는 층
    을 더 포함하는,
    장치.
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