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문제 정의
- HIP처리가 가스터빈의 고정익과 회전익 등 고온부품에 적용되는 열차폐 코팅층의 미세조직, 접착강도 및 고온특성에 미치는 영향을 조사하고 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- 고온환경에서 코팅층의 특성변화를 평가하기 위한 열 사이클(thermal cycle)시험은 대기중에서 1100℃로 45분간 가열한 후 15분간 공랭하는 과정을 반복하여 코팅층이 모재로부터 박리될 때 까지의 사이클 수를 측정하여 비교하였으며, 열충격(thermal shock) 시험에서는 1000℃ 및 1100℃로 가열된 시편을 수냉하는 과정을 반복하여 코팅층의 박리현상을 분석하여 고온 내구성을 평가하였다.
- 3~5) 그러나 hip을 적용하는 대부분의 연구는 주로 코팅 충의 접착강도에 미치는 영향만을 고려하고 있으며, 고온환경에서 코팅층의 특성에 관한 연구는 미미한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 가스터빈 회전익 재료인 IN738LC 초합금의 표면에 플라즈마 용사법에 의해 열차폐 코팅 (thermal barrier coating； TBC) 을 한 후 후속적으로 HIP 처리를 행하였을 때 코팅층의 미세조직과 접착강도에 미치는 영향 및 고온환경에서의 코팅층의 특성변화를 조사하였다.
- 본 실험에 사용된 모재는 발전용 가스터빈 회전익 재료로 가장 많이 사용되는 IN738LC 초합금으로서 화학조성은 표 1과 같다. 시편은 모재를 Φ25×5㎜의 디스크형 (disc)으로 진공정밀주조한 후 표면에 METCO 9MB 플라즈마 용사 장비를 이용하여 표 2와 같은 조건으로 코팅하여 제작하였다. 열차폐 코팅공정은 일반적으로 모재와 top 코팅층간의 접착력을 높여주기 위한 bond코팅을 행한 후 열차폐재를 top 코팅하는 과정으로 이루어진다.
- 본 실험에서는 모재 표면에 Praxair N211분말(Ni-22Cr-10Al-1Y)을 100~150㎛ 두께로 본드코팅한 후 그 위에 METCO 204NS 세라믹 분말 (8wt%Y2O3-ZrO2)을 300~400㎛ 두께로 top 코팅하였다. 이와 같이 제작된 TBC 시편에 대한 후속 HIP처리는 IN738LC 모재의 상변태 영향을 최소화하기 위한 온도인 1200℃에서 l00M㎩의 압력으로 4시간 동안 아르곤 가스를 압력매체로 사용하여 수행하였다*
- 코팅 시편의 미세구조를 조사하기 위하여 코팅층 단면에 대한 SEM 관찰을 수행하였으며 이와 함께 SEM-EDX를 사용하여 코팅층 계면에서 확산에 따른 성분원소의 거동을 분석하였다. 코팅층의 접착강도는 에폭시 접착제를 사용하여 시편의 양면을 인장시험 지그에 부착시킨 후 INSTRON 인장시험기를 사용하여 1㎜/min로 인장시험하여 구하였다.
- 이때 접착강도는 HIP처리 전후의 시편 3개씩을 사용하 여 얻어진 측정치의 평균값이다. 코팅층의 경도는 HIP처리 전후의 코팅 단면에 대해 Microvickers 경도계(하중 25g)를 이용하여 각각 3회씩 측정하였다.
- 코팅 시편의 미세구조를 조사하기 위하여 코팅층 단면에 대한 SEM 관찰을 수행하였으며 이와 함께 SEM-EDX를 사용하여 코팅층 계면에서 확산에 따른 성분원소의 거동을 분석하였다. 코팅층의 접착강도는 에폭시 접착제를 사용하여 시편의 양면을 인장시험 지그에 부착시킨 후 INSTRON 인장시험기를 사용하여 1㎜/min로 인장시험하여 구하였다. 이때 접착강도는 HIP처리 전후의 시편 3개씩을 사용하 여 얻어진 측정치의 평균값이다.
대상 데이터
- 본 실험에 사용된 모재는 발전용 가스터빈 회전익 재료로 가장 많이 사용되는 IN738LC 초합금으로서 화학조성은 표 1과 같다. 시편은 모재를 Φ25×5㎜의 디스크형 (disc)으로 진공정밀주조한 후 표면에 METCO 9MB 플라즈마 용사 장비를 이용하여 표 2와 같은 조건으로 코팅하여 제작하였다.
- 열차폐 코팅공정은 일반적으로 모재와 top 코팅층간의 접착력을 높여주기 위한 bond코팅을 행한 후 열차폐재를 top 코팅하는 과정으로 이루어진다. 본 실험에서는 모재 표면에 Praxair N211분말(Ni-22Cr-10Al-1Y)을 100~150㎛ 두께로 본드코팅한 후 그 위에 METCO 204NS 세라믹 분말 (8wt%Y2O3-ZrO2)을 300~400㎛ 두께로 top 코팅하였다. 이와 같이 제작된 TBC 시편에 대한 후속 HIP처리는 IN738LC 모재의 상변태 영향을 최소화하기 위한 온도인 1200℃에서 l00M㎩의 압력으로 4시간 동안 아르곤 가스를 압력매체로 사용하여 수행하였다*
성능/효과
- 이러한 접착강도의 변화는 두 조건에 대한 그림 4의 파단면 관찰결과를 통해 간접적으로 확인할 수 있다. 두 조건 모두 top 코팅층 내부에서 파단이 일어났으나, as-coated 시편의 경우(그림 4(a)) 인장응력에 거의 수직방향으로 용착된 laminated 계면(화살표로 나타낸 평활한 부위)을 따른 벽개파단 양상이 두드러지게 나타났다. 반면 HIP처리된 시편의 경우(그림 4(b)), 이러한 계면에서의 파단 면적이 as-coated에 비해 크게 줄어든 양상을 보여주고 있으며, 그림 2(b)의 미세구조로 잘 설명된다.
- 1) As-coated 시편의 top 코팅층 내부에 존재하는 laminated 구조와 기공들은 HIP처리에 의해 상당량 소멸 되므로서 치밀화된 미세구조로 변화하였다.
- 일반적으로 As-coated 상태에서는 이 계면이 기계적 결합 상태이거나 또는 용사과정에서 일부가 순간적으로 용착되어 있다고 볼 수 있다.1) 그러나 그림 5의 성분 분석 결과 HIP처리에 의해 top 코팅층내에 함유되어 있거나 Ar가스중에 불순물로 존재하고 있던 산소와 bond 코팅층의 Al성분이 결합하여 top/bond 계면에 Al2O3 피막층이 형성된 것으로 나타났고, 특히 bond 코팅층내의 Ni과 Cr이 top 코팅층으로 일부 확산된 것을 볼 수 있다. 이와 같은 HIP처리에 의한 계면부위에서의 원자들의 상호확산은 기계적 결합상태의 top/bond 계면의 접착특성을 개선시키는데 기여하는 것으로 추정된다.
- 2) 그리고 as-coated 상태에서 top 코팅층에 존재하는 기공 등의 결함들은 이러한 열응력을 흡수하므로서 열적 특성을 양호하게 유지시켜 주는 역할을 하게 된다.1,5)이러한 관점에서 볼 때, 본 실험에서 HIP 처리 코팅층의 열적 내구성이 as-coated 조건에 비해 다소 떨어지는 결과는 HIP처리에 의해 기공이 감소하여 조직이 치밀화됨에 따라 열응력을 홉수하는 능력이 as-coated 시편에 비해 저하된 것에서 비롯됨을 알 수 있다.
- 2) 열차폐 코팅에 HIP처리를 한 경우 접착강도는 HIP 처리 전보다 48% 이상 크게 증가하였다. 이는 HIP처리에 의한 top 코팅층내의 기공 소멸에 따른 치밀화와 laminated 조직내 구성 성분의 상호확산에 기인된 것으로 판단된다.
- 일반적으로 고온의 운전 환경에서 나타나는 코팅층의 박리현상은 모재와 코팅층간의 서로 다른 열팽창계수에 기인된 반복 열응력에 의해 발생되는 것으로 알려져 있다.2) 그리고 as-coated 상태에서 top 코팅층에 존재하는 기공 등의 결함들은 이러한 열응력을 흡수하므로서 열적 특성을 양호하게 유지시켜 주는 역할을 하게 된다.1,5)이러한 관점에서 볼 때, 본 실험에서 HIP 처리 코팅층의 열적 내구성이 as-coated 조건에 비해 다소 떨어지는 결과는 HIP처리에 의해 기공이 감소하여 조직이 치밀화됨에 따라 열응력을 홉수하는 능력이 as-coated 시편에 비해 저하된 것에서 비롯됨을 알 수 있다.
- 3) 열 사이클 시험 결과 코팅층의 고온 내구력은 HIP처리 후에 다소 저하되었는데 이는 모재와 코팅층간에 열팽창 차이를 흡수해주는 역할을 하는 기공이 감소되었기 때문으로 판단된다.
- 이 실험에서 1000℃-수냉 시험의 경우 95회까지 두 시편 모두에서 코팅층의 박리가 발생되지 않으므로서 HIP처리 전후 코팅층의 열적 내구성이 비교적 양호하다는 것을 알 수 있었다. 따라서 계속하여 가열온도를 1100℃로 높여 동일한 조건으로 반복 실험한 결과 HIP처리 시편이 as-coated에서 보다 빨리 박리가 발생하였다. 일반적으로 고온의 운전 환경에서 나타나는 코팅층의 박리현상은 모재와 코팅층간의 서로 다른 열팽창계수에 기인된 반복 열응력에 의해 발생되는 것으로 알려져 있다.
- 또한 열 사이클 시험보다 가혹한 조건에서 열적 내구성을 평가하기 위해 1000, 1100℃로 10분간 가열한 후 수냉을 반복하는 열충격 시험 결과를 그림 8에 나타내었다. 이 실험에서 1000℃-수냉 시험의 경우 95회까지 두 시편 모두에서 코팅층의 박리가 발생되지 않으므로서 HIP처리 전후 코팅층의 열적 내구성이 비교적 양호하다는 것을 알 수 있었다. 따라서 계속하여 가열온도를 1100℃로 높여 동일한 조건으로 반복 실험한 결과 HIP처리 시편이 as-coated에서 보다 빨리 박리가 발생하였다.
- 그림 7은 TBC 시편을 대기중에서 1100℃로 45분간 가열한 후 15분간 공랭하는 과정을 반복하는 열 사이클 시험으로부터 코팅층이 박리되는 현상을 조사한 결과이다. 코팅층의 최초 박리는 as-coated 시편의 경우 75회 반복 열처리에서 발생되었으며 HIP처리 시편의 경우 이보다 다소 빠른 69회에서 나타나므로써 HIP처리된 코팅층의 열적 내구성이 as-coated 조건에 비해 약간 떨어지는 것으로 분석되었다. 이들 두 조건에서 코팅층의 박리가 공히 top/bond 계면에서 일어나므로서 HIP처리가 bond/모재간 박리특성 자체를 변화시키지 않는 것으로 판단할 수 있다.
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