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플라즈마 용사 열차폐 코팅의 열화에 따른 접착강도 평가
Evaluation of Bond Strength of Isothermally Aged Plasma Sprayed Thermal Barrier Coating 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.32 no.7 = no.274, 2008년, pp.569 - 575  

김대진 (성균관대학교 기계공학부) ,  이동훈 (성균관대학교 기계공학부) ,  구재민 (성균관대학교 기계공학부) ,  송성진 (성균관대학교 기계공학부) ,  석창성 (성균관대학교 기계공학부) ,  김문영 (한전 KPS(주) G)

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, disk type of thermal barrier coating system for gas turbine blade was isothermally aged in the furnace changing exposure time and temperature. For each aging condition, bond tests for three samples were conducted for evaluating degradation of adhesive or cohesive strength of thermal b...

주제어

#열차폐코팅   #열화   #열생성산화물   #접착강도시험  

AI 본문요약
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제안 방법

  • (8) 탑코팅을 실시하기 전에는 모재와 본드코팅의 결합력을 증가시키기 위한 진공 열처리를 실시하였다. Fig.
  • 본 연구에서는 가스터빈 1단 블레이드에 적용되고 있는 상용화된 열차폐 코팅 시험편을 제작하여, 이를 시간별, 온도별로 열화시킨 후, 각 열화조건에 대한 접착강도시험을 실시하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
  • 본 연구에서는 가스터빈 1단 블레이드에 적용되는 상용화된 열차폐 코팅을 대상으로 온도 및 유지시간 조건을 변화시키며 시험편을 열화한 후, 각각의 열화 조건에 대해 접착강도시험을 실시하여 열화에 따른 열차폐 코팅 시스템의 파손 모드 및 접착강도의 변화를 관찰하였다.
  • ASTM C633-79(5)에 따라 변위 제어를 이용하여 1mm/min의 속도로 시험하였다. 접착제만 바른 시편에 대해서는 6회, 코팅 시편에 대해서는 열화 조건 당 각각 3회의 실험을 실시하여 하중-변위 선도를 구하였고, 파단 하중을 단면적으로 나누어 접착강도를 구하였다.
  • Table 3에 열화조건을 나타내었다. 코팅층의 산화시험(oxidation test)에 주로 적용되는 온도인 1100℃ 조건에 대하여(10~12) 열화시간을 달리하여 400시간까지 변화시켰으며, 50시간의 고정된 유지시간에 대해서는 설정온도를 950℃에서 1200℃까지 변화시키며 시편을 열화하였다.(8)

대상 데이터

  • 3M사의 2214 에폭시 접착제를 사용하였으며, 접착제를 바른 시편을 가열로에 넣어 170℃에서 약 2시간 동안 유지하여 접착제를 경화시켰다.
  • 가스터빈 1단 블레이드 소재인 GTD-111DS를 사용하여 직경 25mm의 원기둥 형태의 코팅시험편을 Table 2와 같이 제작하였다.(8) 탑코팅을 실시하기 전에는 모재와 본드코팅의 결합력을 증가시키기 위한 진공 열처리를 실시하였다.

이론/모형

  • 4는 접착강도 시험에 사용된 25 ton 용량의 전기모터식 만능시험기와 지그에 시편이 장착되어 있는 모습을 보여주고 있다. ASTM C633-79(5)에 따라 변위 제어를 이용하여 1mm/min의 속도로 시험하였다. 접착제만 바른 시편에 대해서는 6회, 코팅 시편에 대해서는 열화 조건 당 각각 3회의 실험을 실시하여 하중-변위 선도를 구하였고, 파단 하중을 단면적으로 나누어 접착강도를 구하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
가스터빈 1단 블레이드에 적용되고 있는 상용화된 열차폐 코팅 시험편을 제작하여, 이를 시간별, 온도별로 열화시킨 후, 각 열화조건에 대한 접착강도시험을 실시하여 얻은 결론은 무엇인가? (1) 열화 시간 및 열화 온도가 증가함에 따라 TGO 두께가 증가하며, TGO의 두께가 증가할수록 접착강도는 감소하는 경향을 나타내었다. (2) 접착강도시험시 열화에 따른 파손 모드는 열화 초기에 탑코팅 파단에서 열화가 더 진행되면 탑코팅과 TGO 계면 파단으로 변화한다. (3) 탑코팅 파단 모드에서는 열화가 진행됨에 따라 탑코팅의 상변태 및 소결로 인한 변형율 허용 감소로 접착강도가 점차 감소하며, 탑코팅과 TGO 계면 파단 모드에서는 코팅층 내부의 박리면적 증가에 따라 접착강도가 점차 감소한다. (4) 운전이력을 알고 있는 블레이드로부터 채취한 열차폐 코팅 시험편을 대상으로 접착강도시험을 수행한다면, 열피로를 겪은 열차폐 코팅 시스템의 열화정도를 평가할 수 있을 것이다. 이 경우 에어포일부는 곡면의 형태이므로 곡률을 가지는 시편에 대한 접착강도시험법에 대한 연구가 추가적으로 필요하리라 예상된다.
접착강도시험은 무엇을 평가하는 시험법인가? 열차폐 코팅은 가스터빈 가동 중 반복적인 열피로에 의해 세라믹 탑코팅이 떨어져 나가는 형태로 파손되며(1~3) 탑코팅의 파손은 곧 전체 열차폐 코팅 시스템의 파괴로 이어지게 되므로 열차폐 코팅은 기본적으로 충분한 결합력이 요구된다.(4) 접착강도시험은 이러한 코팅층의 결합력을 측정하는데 널리 사용되는 방법으로서 계면의 강도(adhesive strength)나 코팅 자체의 강도(cohesive strength)를 평가하는 인장시험법이다.(5)
가스터빈 블레이드의 열차폐 코팅 시스템 보통 어떤 형태인가? 가스터빈 블레이드의 열차폐 코팅 시스템은 대부분 본드코팅 된 초합금 모재위에 세라믹 탑코팅을 추가로 적용한 이중 코팅의 형태이며, 본드코팅과 탑코팅 사이에는 가스터빈 가동 중에 산화물(TGO: Thermally Grown Oxide)이 형성된다. 열차폐 코팅 시스템의 일반적인 구성(1)을 Table 1에 나타내었다.
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참고문헌 (17)

  1. Gell, M., Jordan, E., Vaidyanathan, K., McCarron, K., Barber, B., Sohn, Y.H. and Tolpygo, V.K., 1999, "Bond Strength, Bond Stress and Spallation Mechanisms of Thermal Barrier Coatings," Surface & Coatings Technology, Vol. 120-121, pp. 53-60 

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  2. Barber, B., Jordan, E., Gell, M. and Geary, A. 1999, "Assessment of Damage Accumulation in Thermal Barrier Coatings using a Fluorescent Dye Infiltration Technique," Journal of Thermal Spray Technology, Vol. 8, pp. 79-86 

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  3. Miller, R.A. and Lowell, C.E. 1982, "Failure Mechanisms of Thermal Barrier Coatings Exposed to Elevated Temperatures," Thin Solid Films, Vol. 95, pp. 265-273 

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  4. Lima, C.R.C. and Guilemany, J.M., 2007, "Adhesion Improvements of Thermal Barrier Coatings with HVOF Thermally Sprayed Bond Coats," Surface & Coatings Technology, Vol. 201, pp. 4694-4701 

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  5. ASTM C633-79, 1980, Standard Test Method for Adhesive or Cohesive Strength of Flame Sprayed Coatings, ASTM 

  6. Meier, S.M. Nissley, D.M. and Sheffler, K.D. 1991, "Thermal Barrier Coating Life Prediction Model Development: Phase II-Final Report," NASA CR-189111 

  7. Demasi ,J.T., Sheffler, K.D. and Ortiz, M., 1989, "Thermal Barrier Coating Life Prediction Model Development," NASA CR-182230 

  8. Kim, D.J., Seok, C.S., Lee, D.H., Koo, J.M., Kim, M.Y., Yang S.H. and Park, S.Y., 2007, "Evaluation of a Degradation of Thermal Barrier Coating for Gas Turbine Blade," Proceedings of the KSME Spring Annual Meeting, pp. 99-104 

  9. Kim, D.J., Lee, D.H., Kim, H.I., Kim, M.Y., Yang, S.H., Park, S.Y. Koo, J.M. and Seok, C.S. 2007, "Evaluation of a Bond Strength of Thermal Barrier Coating for Gas Turbine Blade," Proceedings of the KSME Fall Annual Meeting, pp. 613-617 

  10. Yanar, N.M., Meier, G.H. and Pettit, F.S. 2002, "The Influence of Platinum on the Failure of EBPVD YSZ TBCs on NiCoCrAlY Bond Coats," Scripta Materialia, Vol. 46, pp. 325-330 

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  11. Jang, J.C. and Choi, S.C. 2006, "Numerical Simulation of Effects of TGO Growth and Asperity Ratio on Residual Stress Distributions in TCBC- TGO Interface Region for Thermal Barrier Coatings," Journal of the Korean Ceramic Society, Vol. 43, No. 7, pp. 415-420 

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  12. Toscano, J., Vaβen,.R., Gil, A., Subanovic, M., Naumenko, D., Singheiser, L. and Quadakkers, W.J. 2006, "Parameters Affecting TGO Growth and Adherence on MCrAlY-bond Coats for TBC's," Surface & Coatings Technology, Vol. 201, Issue 7, pp. 3906-3910 

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  13. Lee, D.H., Kim, D.J., Koo, J.M., Seok, C.S. Kim, M.Y., Yang, S.H. and Park, S.Y., 2007, "Evaluation of the Bond Strength Degradation of Thermal Barrier Coating for Gas Turbine Blade," Proceedings of the KSPE Autumn Annual Meeting, pp. 13-18 

  14. Jung, K.I., Kim, T.W., Paik, U.G. and Lee, K.S., 2006, "Mechanical Properties of Zirconia-based Ceramic Materials for Thermal Barrier Coating," Journal of the Korean Ceramic Society, Vol. 43, No. 8, pp. 498-503 

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  15. Nissley, D.M. 1997,"Thermal Barrier Coating Life Modeling in Aircraft Gas Turbine Engines," Journal of Thermal Spray Technology, Vol. 6(1), pp. 91-98 

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  16. Nissley, D.M. 1997, "Thermal Barrier Coating Life Modeling in Aircraft Gas Turbine Engines," Journal of Thermal Spray Technology, Vol. 6(1), pp. 91-98 

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  17. Choi, W.S., Kim, Y.D., Jeon, H.T., Kim, H.T., Yoon, K.H., Hong, K.T., Park, J.K. and Park, W.S. 1998, "Oxidation Behavior at the Interface Between E-Beam Coated $ZrO_2-7wt.%Y_2O_3$ and Plasma Sprayed CoNiCrAlY," Korean Journal of Materials Research, Vol. 8, No. 6, pp. 538-544 

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