파리기후협약 이후 전력 생산을 위한 발전분야에서도 이산화탄소 저감을 위해 기존의 화석연료 발전을 줄이거나 중지하고 있으며, 이를 대체하기 위해 재생에너지와 발전용 가스터빈을 이용한 전력생산을 증대되고 있다. 이를 위해 가스터빈의 터빈 입구 온도(Turbine Inlet Temperature, TIT) 증가를 통한 효율 향상과 수소와 같은 Clean 연료를 사용한 ...
파리기후협약 이후 전력 생산을 위한 발전분야에서도 이산화탄소 저감을 위해 기존의 화석연료 발전을 줄이거나 중지하고 있으며, 이를 대체하기 위해 재생에너지와 발전용 가스터빈을 이용한 전력생산을 증대되고 있다. 이를 위해 가스터빈의 터빈 입구 온도(Turbine Inlet Temperature, TIT) 증가를 통한 효율 향상과 수소와 같은 Clean 연료를 사용한 가스 터빈 엔진 개발이 활발히 진행하고 있다. 가스터빈의 TIT 증가를 위해서는 고온 부품의 소재 변경, 냉각 효율 향상 및 고온부품 보호를 위한 열차폐 코팅의 새로운 기술이 적용되어야 한다. 이러한 기술들 중에, 열차폐 코팅 (Thermal Barrier Coating System, TBCs)은 단열효과를 극대화하기 위한 세라믹 코팅층과 모재의 산화와 부식 방지를 위한 금속 코팅을 적용한 다층 구조로 되어 있다. 세라믹 코팅층은 7 ~ 8 wt% yttria 안정화된 Zirconia (8YSZ), 금속 코팅층은 MCrAlY (M = Ni or / and Co) 성분의 재료가 각각 주로 사용되고 있다. 다양한 가스터빈 고온 운전환경에서의 재료의 안정성과 열차폐 효과 향상을 위해 다양한 저열도도 소재 개발을 시도하고 있고, 고온에서 오랜 시간동안 코팅층의 건전성 확보를 위해 수직 미세 균열, 다층 코팅 구조등과 같은 새로운 기능을 부여하는 미세구조도 적용되고 있다. 이와 같은 새로운 코팅 소재와 공정은 실제 제품 적용을 위해서는 고온의 다양한 환경에서 평가가 진행되어야 하지만, 많은 연구에서는 일부 시험 결과만을 통해 적용가능성만을 제시하고 있다. 이번 연구에서는 차세대 신규 소재로 알려진 후보 열차폐 코팅 소재에 대해 발전용 가스터빈의 운전 환경을 고려한 다양한 시험평가 방법을 통해 적합한 코팅 소재 및 공정에 대해 제안하였다. 특히 고순도 (HP), 단사정 구조 최소화 (NoM) 및 저열전도도 (Low–K) 특성을 가지는 소재를 세라믹 코팅층으로 활용하여 고온 열피로 (Furnace Cyclic Test, FCT), 고온 열충격 (Flame Thermal Shock Test, FTST), 상안정성(Phase Stability), 소결 저항성(Sintering Resistance) 및 고온 수증기 분위기 (Hot Steam Degradation)에서 특성을 확인하였다. NoM과 Low–K 소재를 적용한 코팅층의 경우 고온에서 장시간동안 노출함에도 불구하고 높은 상저항성과 낮은 열전도도 특성을 유지하였다. 반면에 고온 열피로 및 열충격 시험에는 기존 8YSZ 및 기공도가 높은 HP보다 높은 수명을 보이지 못했는데, 해당 소재의 낮은 기계적 특성과 해당 코팅층의 낮은 기공도에 의한 코팅층의 열적 응력 해소에 불리하여 코팅층 파괴가 발생하였다. 이와 같이 동일한 열차폐 코팅층은 서로 다른 평가 조건에 따라 전혀 다른 내구성을 보여준다. 따라서 해당 열차폐 코팅층이 적용되는 환경에 따라 다른 평가 방법을 도입하여야 하며, 소재 및 공정 조건을 선정하여야 한다. 코팅층이 고온에서 장시간 노출되는 가스터빈 운전환경이라면 고온의 상안정성 및 열전도도 특성이 우수한 NoM 또는 Low–K소재 적용이 유리하다. HP는 단시간의 FCT와 1400 ˚C 이상의 FTST에서도 다른 코팅층에 비해 20 % ~ 50 %의 높은 수명을 보여주었기 때문에 코팅층의 가열과 냉각이 빈번히 노출되는 조건이라면 기공도를 높인 HP코팅층이 적용되어야 한다. 또한, NoM 코팅층은 고온 부식, 모래성분의 용융 침전물 또는 수증기 분위기에서 매우 안정적인 특성을 보여주었기 때문에 환경적인 코팅층의 파괴가 빈번한 가혹한 환경에서는 매우 높은 내구성을 가질 수 있다.
파리기후협약 이후 전력 생산을 위한 발전분야에서도 이산화탄소 저감을 위해 기존의 화석연료 발전을 줄이거나 중지하고 있으며, 이를 대체하기 위해 재생에너지와 발전용 가스터빈을 이용한 전력생산을 증대되고 있다. 이를 위해 가스터빈의 터빈 입구 온도(Turbine Inlet Temperature, TIT) 증가를 통한 효율 향상과 수소와 같은 Clean 연료를 사용한 가스 터빈 엔진 개발이 활발히 진행하고 있다. 가스터빈의 TIT 증가를 위해서는 고온 부품의 소재 변경, 냉각 효율 향상 및 고온부품 보호를 위한 열차폐 코팅의 새로운 기술이 적용되어야 한다. 이러한 기술들 중에, 열차폐 코팅 (Thermal Barrier Coating System, TBCs)은 단열효과를 극대화하기 위한 세라믹 코팅층과 모재의 산화와 부식 방지를 위한 금속 코팅을 적용한 다층 구조로 되어 있다. 세라믹 코팅층은 7 ~ 8 wt% yttria 안정화된 Zirconia (8YSZ), 금속 코팅층은 MCrAlY (M = Ni or / and Co) 성분의 재료가 각각 주로 사용되고 있다. 다양한 가스터빈 고온 운전환경에서의 재료의 안정성과 열차폐 효과 향상을 위해 다양한 저열도도 소재 개발을 시도하고 있고, 고온에서 오랜 시간동안 코팅층의 건전성 확보를 위해 수직 미세 균열, 다층 코팅 구조등과 같은 새로운 기능을 부여하는 미세구조도 적용되고 있다. 이와 같은 새로운 코팅 소재와 공정은 실제 제품 적용을 위해서는 고온의 다양한 환경에서 평가가 진행되어야 하지만, 많은 연구에서는 일부 시험 결과만을 통해 적용가능성만을 제시하고 있다. 이번 연구에서는 차세대 신규 소재로 알려진 후보 열차폐 코팅 소재에 대해 발전용 가스터빈의 운전 환경을 고려한 다양한 시험평가 방법을 통해 적합한 코팅 소재 및 공정에 대해 제안하였다. 특히 고순도 (HP), 단사정 구조 최소화 (NoM) 및 저열전도도 (Low–K) 특성을 가지는 소재를 세라믹 코팅층으로 활용하여 고온 열피로 (Furnace Cyclic Test, FCT), 고온 열충격 (Flame Thermal Shock Test, FTST), 상안정성(Phase Stability), 소결 저항성(Sintering Resistance) 및 고온 수증기 분위기 (Hot Steam Degradation)에서 특성을 확인하였다. NoM과 Low–K 소재를 적용한 코팅층의 경우 고온에서 장시간동안 노출함에도 불구하고 높은 상저항성과 낮은 열전도도 특성을 유지하였다. 반면에 고온 열피로 및 열충격 시험에는 기존 8YSZ 및 기공도가 높은 HP보다 높은 수명을 보이지 못했는데, 해당 소재의 낮은 기계적 특성과 해당 코팅층의 낮은 기공도에 의한 코팅층의 열적 응력 해소에 불리하여 코팅층 파괴가 발생하였다. 이와 같이 동일한 열차폐 코팅층은 서로 다른 평가 조건에 따라 전혀 다른 내구성을 보여준다. 따라서 해당 열차폐 코팅층이 적용되는 환경에 따라 다른 평가 방법을 도입하여야 하며, 소재 및 공정 조건을 선정하여야 한다. 코팅층이 고온에서 장시간 노출되는 가스터빈 운전환경이라면 고온의 상안정성 및 열전도도 특성이 우수한 NoM 또는 Low–K소재 적용이 유리하다. HP는 단시간의 FCT와 1400 ˚C 이상의 FTST에서도 다른 코팅층에 비해 20 % ~ 50 %의 높은 수명을 보여주었기 때문에 코팅층의 가열과 냉각이 빈번히 노출되는 조건이라면 기공도를 높인 HP코팅층이 적용되어야 한다. 또한, NoM 코팅층은 고온 부식, 모래성분의 용융 침전물 또는 수증기 분위기에서 매우 안정적인 특성을 보여주었기 때문에 환경적인 코팅층의 파괴가 빈번한 가혹한 환경에서는 매우 높은 내구성을 가질 수 있다.
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