[논문]특집 : 극한환경재료기술 - 고온 내산화성 표면 코팅 기술

김만; 이주열

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김만 (재료연구소 융합공정연구본부 전기화학연구 그룹) , 이주열 (재료연구소 융합공정연구본부 전기화학연구 그룹)

고온 고압의 부식 환경 하에서 사용할 수 있는 고내구성 재료 개발은 항공기와 선박의 추진체 및 발전기 등과 같이 고온부에서 작동하는 장치 설비의 수명 확보 및 안전성 보장을 위해 관련 산업계의 지속적인 연구 개발이 요구되고 있는 분야이다. 최근 세계 각국에서 발전소를 중심으로 한 새로운 고효율 에너지 생산 시스템화 계획이 구체화됨에 따라, 과거 한 종류의 연료 연소 방식으로부터 다양한 연료를 사용할 수 있는 시스템으로 전환함과 더불어 극심한 고온 산화 환경 변화에 유연하게 대응할 수 있는 소재 개발이 주요한 기술적 이슈로 부각되고 있다. 이와 같은 측면에서, 소재 '표면'의 기계적 열화를 극복하면서 생산 경쟁력을 갖춘 '새로운' 보호 코팅 기술은 가스 터빈 엔진 제조업체와 같은 장치 설비 제조 업체의 요소 기술 영역으로 자리매김 하고 있다.

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제안 방법

최근 나노 분말 제조기술의 향상과 더불어, 도금층 내에 나노 크기의 세라믹 . 금속 입자를 분산 . 혼입시켰을 때 기존의 마이크로 크기의 분말을 도금층 내에 분산 .
의해 AbOs 산화물이 기지 금속으로부터 분리되어 떨어져 나가는 파괴 현상이 발생하게 된다. 이를 보완하기 위해 Y, Hf, Sc, Zr, Ce, La 등과 같은 산소 활성종을 미량 첨가한다. 산소 활성종은 AI2O₃의 입계에 산화물 형태로 석출되어 입계를 통한 산소의 확산 속도를 현격하게 저하시킴과 동시에, A12O.

성능/효과

나노 입자 크기가분산된 경우 많은 핵 형성 자리가유발되어 (a-l), 핵간거리 짧아져 short-circuit grain boundary가 형성된다(a-2). 따라서, short-circuit grain boundary를 따라 Al 입자의 확산이 손쉽게 일어날 수 있고 그 결과 A1 핵의 병합으로 연속적인 A1 산화물 층이 형성되며 (a-3), A1 산화물층의 성장은 지속되는 반면, Ni 산화물 층의 성장은 억제된다. 반면, 마이크로 크기의 A1 입자가 혼입되면 위의 과정이 속도론적으로 느리게 진행됨으로써 연속적인 A1 산화물 층이 형성되기 전에 Ni 산화물층의 성장이 크게 이루어져 고온 내산화성이 열위해진다.

후속연구

따라서, 본 기술의 성공적인 산업적 적용을 위해서는 도금액 내 나노 입자의 분산 제어, 전착과정 중 나노 입자의 매트릭스 내 혼입 속도 제어, 코팅층 조성 제어기술 등에 대한 연구가 지속적으로 수행되어야 한다. 나노 복합 도금 기술을 활용한 고온 산화용 코팅 기술은 현재 실험실적으로 시도되고 있는 신개념 공정으로써, 향후 본 공정의 국산화를 통해 상기 산업 영역에서의 기술 선점뿐만 아니라, 현행 코팅 공정이 안고 있는 원자재 수입에 따른 고비용 제조 원가 문제를 탈피할 수 있어 유망한 기술로 각광받을 것으로 기대된다. 또한, 발전소 등과 같은 고온 산화 환경에 실적용 하기 위해서는 코팅공정, 코팅 물질 구조 및 부식 거동간 상관 관계에 대해 심도있는 연구가 필요하다.
현재까지 개발된 나노 복합도금 기술 내용을 살펴보면 코팅층 자체 물성은 기존 품질에 상응할 수 있는 수준으로 우수하나, 매트릭스 내 나노입자의 불균일한 혼입과 적절히 제어되지 못한 계면 특성으로 인해 품질의 균일성 및 안정성에 취약점을 안고 있는 것으로 파악된다. 따라서, 본 기술의 성공적인 산업적 적용을 위해서는 도금액 내 나노 입자의 분산 제어, 전착과정 중 나노 입자의 매트릭스 내 혼입 속도 제어, 코팅층 조성 제어기술 등에 대한 연구가 지속적으로 수행되어야 한다. 나노 복합 도금 기술을 활용한 고온 산화용 코팅 기술은 현재 실험실적으로 시도되고 있는 신개념 공정으로써, 향후 본 공정의 국산화를 통해 상기 산업 영역에서의 기술 선점뿐만 아니라, 현행 코팅 공정이 안고 있는 원자재 수입에 따른 고비용 제조 원가 문제를 탈피할 수 있어 유망한 기술로 각광받을 것으로 기대된다.
나노 복합 도금 기술을 활용한 고온 산화용 코팅 기술은 현재 실험실적으로 시도되고 있는 신개념 공정으로써, 향후 본 공정의 국산화를 통해 상기 산업 영역에서의 기술 선점뿐만 아니라, 현행 코팅 공정이 안고 있는 원자재 수입에 따른 고비용 제조 원가 문제를 탈피할 수 있어 유망한 기술로 각광받을 것으로 기대된다. 또한, 발전소 등과 같은 고온 산화 환경에 실적용 하기 위해서는 코팅공정, 코팅 물질 구조 및 부식 거동간 상관 관계에 대해 심도있는 연구가 필요하다.

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