[논문]전자빔을 이용한 물리기상증착법으로 제조된 열차폐용 4 mol% YSZ 코팅의 내열특성

박찬영; 양영환; 김성원; 이성민; 김형태; 임대순; 장병국; 오윤석

doi:10.4150/kpmi.2013.20.6.460

전자빔을 이용한 물리기상증착법으로 제조된 열차폐용 4 mol% YSZ 코팅의 내열특성
Thermal Durability of 4YSZ Thermal Barrier Coating Deposited by Electron Beam PVD 원문보기

한국분말야금학회지 = Journal of Korean Powder Metallurgy Institute, v.20 no.6, 2013년, pp.460 - 466

박찬영 (한국세라믹기술원 엔지니어링세라믹센터) , 양영환 (한국세라믹기술원 엔지니어링세라믹센터) , 김성원 (한국세라믹기술원 엔지니어링세라믹센터) , 이성민 (한국세라믹기술원 엔지니어링세라믹센터) , 김형태 (한국세라믹기술원 엔지니어링세라믹센터) , 임대순 (고려대학교 신소재공학과) , 장병국 (물질 재료 연구기구 고온 재료 유니트) , 오윤석 (한국세라믹기술원 엔지니어링세라믹센터)

Abstract ▼ AI-Helper

4 mol% Yttria-stabilized zirconia (4YSZ) coatings with $200{\mu}m$ thick are fabricated by Electron Beam Physical Vapor Deposition (EB-PVD) for thermal barrier coating (TBC). $150{\mu}m$ of NiCrAlY based bond coat is prepared by conventional APS (Air Plasma Spray) method on the NiCrCoAl alloy substrate before deposition of top coating. 4 mol% YSZ top coating shows typical tetragonal phase and columnar structure due to vapor phase deposition process. The adhesion strength of coating is measured about 40 MPa. There is no delamination or cracking of coatings after thermal cyclic fatigue and shock test at $850^{\circ}C$.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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제안 방법

하중은 1 kgf를 인가하였으며, 다이아몬드 팁(Diamond tip)으로 5번의 값을 측정하여 그 중 최대값과 최소값을 뺀 3번의 값을 평균 내었다. 또한 JIS h 8402 규격의 인장강도 시험법을 참조하여 본 연구의 시편에 맞게 조정된 시험조건으로 코팅의 부착력을 측정하였다. 코팅된 시편을 각각 상부지그와 하부지그 사이에 위치한 후 양면에 에폭시(Epoxy) 접착제를 도포하여 160℃에서 1시간동안 열처리하여 인장시험편을 준비하였다.
열피로 시험(ETF, Electric thermal fatigue)은 850℃로 가열된 전기로 내부에 코팅된 기판시료를 장입하여 1시간 동안 유지한 후 외부로 노출시켜 10분간 냉각하는 방식으로 진행하였으며 이와 같은 1시간 가열/10분 냉각을 1 cycle로 하여 열피로 특성을 평가하였다. 또한 금속재질의 기판자체의 변형을 최소화하기 위하여 전기로에 시편이 장입되어 있는 동안 기판 뒷면을 air cooling하여 약 650℃로 유지함으로써 코팅표면과의 온도차를 약 200℃로 유지 하고자 하였다. 열충격 시험(Thermal shock)은 박스 형태의 전기로를 이용하여 열피로 시험과는 달리 기판후면의 냉각없이 시편의 모든 면에 대하여 850℃에서 1시간 동안 가열한 후 상온의 물에 급냉하여 열충격을 가하는 방식으로 코팅시편의 열충격 저항성을 평가하고자 하였다.
그림 5에서는 EB-PVD로 제작한 4 mol% YSZ 코팅시 편의 열전도도를 기판 및 소결체의 측정 결과와 함께 나타내었다. 본 연구에서 사용된 기판자체(본드코팅 포함)와 함께 코팅과 동일조성의 소결체를 비교시편으로 하여 EBPVD로 코팅된 시편의 열전도도를 비교 분석하였다. EBPVD로 코팅된 시편의 경우 1100℃에서 약 1.
본 연구에서는 전자빔 물리기상증착법으로 초합금 재질의 금속기판에 상용 4 mol% YSZ로 열차폐 코팅층을 형성 시킨 후, 세라믹 코팅막의 상형성 거동 및 미세구조를 관찰하고 열피로 및 열충격 시험을 통하여 코팅내구성 거동에 대하여 고찰하였다.
그림 4는 EB-PVD로 제작한 4YSZ 코팅시편의 표면 경도 및 접착력을 표시하였다. 실험방법에서 논의된 바와 같이 비커스 압입법으로 측정된 표면 경도의 경우 7.6 GPa이였고, pull-off 방식으로 접착력을 측정하였다. 측정된 부착력의 경우 약 40 MPa의 측정값을 보이고 있다.
열피로 시험(ETF, Electric thermal fatigue)은 850℃로 가열된 전기로 내부에 코팅된 기판시료를 장입하여 1시간 동안 유지한 후 외부로 노출시켜 10분간 냉각하는 방식으로 진행하였으며 이와 같은 1시간 가열/10분 냉각을 1 cycle로 하여 열피로 특성을 평가하였다. 또한 금속재질의 기판자체의 변형을 최소화하기 위하여 전기로에 시편이 장입되어 있는 동안 기판 뒷면을 air cooling하여 약 650℃로 유지함으로써 코팅표면과의 온도차를 약 200℃로 유지 하고자 하였다.
코팅된 시편을 각각 상부지그와 하부지그 사이에 위치한 후 양면에 에폭시(Epoxy) 접착제를 도포하여 160℃에서 1시간동안 열처리하여 인장시험편을 준비하였다. 제작된 시험편들은 만능재료시험기(UTM, Universal testing machine, ㈜알앤비, Korea)를 이용하여 인장방식(pull-off)으로 접착력을 측정하였다.
코팅된 시편을 36% HCl을 이용하여 기판으로부터 분리된 코팅체를 제작한 후 밀도와 비열을 측정하였다. 밀도는 아르키메데스법을 이용하여 측정하였으며, 비열의 경우는 시차주사 열량측정법(DSC, Differential Scanning Calorimetry, LABSYS EVO, SETARAM, France)를 이용하여 30℃에서 10분, 1200^oC에서 10분간 유지하였으며, Ar 분위기(20mL/min)에서 10℃/min의 속도로 승온하여 측정하였다.
또한 JIS h 8402 규격의 인장강도 시험법을 참조하여 본 연구의 시편에 맞게 조정된 시험조건으로 코팅의 부착력을 측정하였다. 코팅된 시편을 각각 상부지그와 하부지그 사이에 위치한 후 양면에 에폭시(Epoxy) 접착제를 도포하여 160℃에서 1시간동안 열처리하여 인장시험편을 준비하였다. 제작된 시험편들은 만능재료시험기(UTM, Universal testing machine, ㈜알앤비, Korea)를 이용하여 인장방식(pull-off)으로 접착력을 측정하였다.
코팅의 단면미세구조를 FESEM(JSM-6701F, Jeol, Japan)으로 관찰 하였으며, 탑코팅과 본드코팅 사이의 층간 조성분석(EDS)을 하였다. 코팅된 시편의 경도를 측정하기 위해 비커스 경도 측정기(Vicker’s hardness testing(HV-114), Mitutoyo corporation, Japan)를 통해 비커스 압입법으로 측정 하였다.
코팅의 상 분석을 위하여 X-ray diffractometer (XRD, D-max2500, Rigaku, Japan)를 이용하여 40 kV, Cu-Kα radiation, 1°/min 스캔속도의 조건으로 상 분석을 하였다.

대상 데이터

EB-PVD장비를 이용하여 탑코팅을 형성시키기 위해 4 mol% Y2O3-ZrO2(4YSZ, 99.7%, Praxair, USA) 상용 분말을 코팅용 소결체(이하 소결체, 50 mm, 60Φ)로 제조하였다.
본 연구에서는 4 mol% YSZ를 Ni-Cr-Co-Al계 합금기판에 EB-PVD를 이용하여 코팅하였다. 코팅된 시편의 단면 미세구조 사진 관찰 결과 기상증착공정에서 나타날 수 있는 전형적인 주상성장구조를 나타낸 것을 확인 할 수 있었으며, 탑코팅과 본드코팅 계면에서 Ni, YSZ 등이 포함된 확산층 형성이 관찰되었다.
7%, Praxair, USA) 상용 분말을 코팅용 소결체(이하 소결체, 50 mm, 60Φ)로 제조하였다. 온간 프레스(Warm compacting press, ㈜Neolfn, Korea) 로 0.2 ton/mm²의 압력을 가하여 성형체를 제조한 후 슈퍼칸탈로(Kanthal super furnace, Thermo, Korea)에서 1500℃ 조건으로 열처리하여 소결체를 준비하였다. 준비된 4 mol% YSZ소결체를 EB-PVD 챔버 내부 하단에 위치한 Cu 실린더에 장착한 후, 기판온도 850℃에서 20~30 kW 의 전자빔을 인가하여 본드코팅이 형성된 기판재 표면에 탑코팅을 증착하였다.
제작 된 기판 위에 Ni22Cr10Al0.1Y 합금 분말 (Amdry 962, Sulzer metco, Switzerland)을 APS(9M system, Sulzer metco, Switzerland)를 이용하여 150 µm 두께로 본 드코팅(Bond coating)을 증착하였다.
코팅에 사용된 기판은 Ni-Cr-Co 로 이루어진 초합금(Nimonic 263, Crucible Service Centers, USA) 소재를 3 mm두께의 직경 1/2''와 1''의 디스크 형태로 제작하여 사용 하였다.

이론/모형

레이저 플래쉬 분석법(LFA, Laser Flash Analysis, LFA 457 Micro Flash, Netzsch, Germany)을 이용하여 1/2''크기의 코팅 시편을 상온부터 1100℃까지 열확산계수를 측정하였다.
코팅된 시편을 36% HCl을 이용하여 기판으로부터 분리된 코팅체를 제작한 후 밀도와 비열을 측정하였다. 밀도는 아르키메데스법을 이용하여 측정하였으며, 비열의 경우는 시차주사 열량측정법(DSC, Differential Scanning Calorimetry, LABSYS EVO, SETARAM, France)를 이용하여 30℃에서 10분, 1200^oC에서 10분간 유지하였으며, Ar 분위기(20mL/min)에서 10℃/min의 속도로 승온하여 측정하였다.
코팅된 시편의 경도를 측정하기 위해 비커스 경도 측정기(Vicker’s hardness testing(HV-114), Mitutoyo corporation, Japan)를 통해 비커스 압입법으로 측정 하였다.

성능/효과

4YSZ 코팅시편은 1100℃에서 약 1.6 W/m·K의 열전도 값을 보였으며, 이는 알려진 기존의 APS로 제작된 코팅의 열전도(1.2 W/m·K) 수준에 비견될 수 있는 열전도 특성을 나타내었음을 알 수 있었다.
2 W/m·K) 수준에 비견될 수 있는 열전도 특성을 나타내었음을 알 수 있었다. EB-PVD로 제작된 4 mol% YSZ 코팅의 열내구성은 열충격과 열피로 시험을 통해 확인하였으며, 850℃의 시험조건에서는 코팅의 박리가 발생하지 않는 우수한 열 내구성의 결과를 보였다. 그러나 850℃에서의 결과는 실제 열차폐 코팅의 사용온도에 비해서는 상대적으로 낮은 온도조건이므로 향후에는 보다 고온에서의 내열특성에 대한 연구가 필요하다.
코팅된 시편의 단면 미세구조 사진 관찰 결과 기상증착공정에서 나타날 수 있는 전형적인 주상성장구조를 나타낸 것을 확인 할 수 있었으며, 탑코팅과 본드코팅 계면에서 Ni, YSZ 등이 포함된 확산층 형성이 관찰되었다. EB-PVD로 제조된 4 mol% YSZ코팅은 우수한 기계적 특성을 갖고 있음을 알 수 있었으며, EB-PVD로 제작한 시편의 경도와 부착력은 각각 7 GPa, 40 MPa으로 예상되었다. 그러나 EB-PVD로 제작한 시편의 부착력은 박리가 접착제 부분에서의 발생했기 때문에 측정방법에 대한 추가적인 연구가 필요한 것으로 예상된다.
본 연구에서는 4 mol% YSZ를 Ni-Cr-Co-Al계 합금기판에 EB-PVD를 이용하여 코팅하였다. 코팅된 시편의 단면 미세구조 사진 관찰 결과 기상증착공정에서 나타날 수 있는 전형적인 주상성장구조를 나타낸 것을 확인 할 수 있었으며, 탑코팅과 본드코팅 계면에서 Ni, YSZ 등이 포함된 확산층 형성이 관찰되었다. EB-PVD로 제조된 4 mol% YSZ코팅은 우수한 기계적 특성을 갖고 있음을 알 수 있었으며, EB-PVD로 제작한 시편의 경도와 부착력은 각각 7 GPa, 40 MPa으로 예상되었다.

후속연구

EB-PVD로 제작된 4 mol% YSZ 코팅의 열내구성은 열충격과 열피로 시험을 통해 확인하였으며, 850℃의 시험조건에서는 코팅의 박리가 발생하지 않는 우수한 열 내구성의 결과를 보였다. 그러나 850℃에서의 결과는 실제 열차폐 코팅의 사용온도에 비해서는 상대적으로 낮은 온도조건이므로 향후에는 보다 고온에서의 내열특성에 대한 연구가 필요하다.
EB-PVD로 제조된 4 mol% YSZ코팅은 우수한 기계적 특성을 갖고 있음을 알 수 있었으며, EB-PVD로 제작한 시편의 경도와 부착력은 각각 7 GPa, 40 MPa으로 예상되었다. 그러나 EB-PVD로 제작한 시편의 부착력은 박리가 접착제 부분에서의 발생했기 때문에 측정방법에 대한 추가적인 연구가 필요한 것으로 예상된다.
본 연구에서 수행된 열피로 및 열내구 시험은 시험온도가 850℃로써 합금조성 기반의 본드코팅 혹은 기판재의 상변태에 영향을 줄 수 있는 조건이지만, 실제 산업적으로EB-PVD공정이 적용되는 열차폐 코팅의 사용 온도(>1000℃)에 비해서는 상대적으로 낮은 온도조건이므로 향후에는 보다 고온에서의 내열특성에 대한 연구가 필요할 것으로 믿어진다[15, 25].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	탑코팅 기술에서 기존의 APS기술을 사용할 때 장단점은?	탑코팅 기술에 있어, 기존의 APS기술은 세라믹 분말을 고온의 플라즈마에 투입하여 용융상태로 만들어 금속기판에 부착시키는 방법으로 진행한다. 이러한 방법은 세라믹 소재의 열차폐코팅 방법 중에서 가장 경제적이며 일반적으로 사용되지만, 미용융 입자의 존재, 층상형 구조에 기반한 층간 기공 및 미세균열등의 구조적 결함이 존재함으로써 열차폐 효과는 비교적 높으나 고온에서의 장기간 사용시에 코팅내구성이 저하되는 것으로 알려져 있다[7-9]. 이와 같은 코팅의 구조적 개선을 위하여, 서스펜션 플라즈마 용사(SPPS, Suspension/Slurry Precursor Plasma Spray), 전자빔 물리기상증착(EB-PVD, Electron Beam Physical Vapor Deposition), 플라즈마 용사 물리증착(PS-PVD, Plasma Spray-Physical Vapor Deposition) 등 새로운 코팅 기술에 대한 연구가 활발히 전개되고 있다[7, 9-10].
	전자빔 물리기상증착법이란?	이와 같은 코팅의 구조적 개선을 위하여, 서스펜션 플라즈마 용사(SPPS, Suspension/Slurry Precursor Plasma Spray), 전자빔 물리기상증착(EB-PVD, Electron Beam Physical Vapor Deposition), 플라즈마 용사 물리증착(PS-PVD, Plasma Spray-Physical Vapor Deposition) 등 새로운 코팅 기술에 대한 연구가 활발히 전개되고 있다[7, 9-10]. 그 중 전자빔 물리기상증착법은 10−4 torr이상의 고진공상태에서 전자빔을 세라믹 분말로 제조된 코팅용 소결체(Target material)의 표면에 조사·용융시켜 기체 상태의 입자로 만들어 기판재 표면에 증착시키는 방법이다. 이와 같은 방법 으로 제조된 열차폐 코팅은 기상입자 성장의 특성상 주상 구조(Columnar structure)를 이루게 된다.
	구조적 개선을 위한 새로운 코팅 방법은?	이러한 방법은 세라믹 소재의 열차폐코팅 방법 중에서 가장 경제적이며 일반적으로 사용되지만, 미용융 입자의 존재, 층상형 구조에 기반한 층간 기공 및 미세균열등의 구조적 결함이 존재함으로써 열차폐 효과는 비교적 높으나 고온에서의 장기간 사용시에 코팅내구성이 저하되는 것으로 알려져 있다[7-9]. 이와 같은 코팅의 구조적 개선을 위하여, 서스펜션 플라즈마 용사(SPPS, Suspension/Slurry Precursor Plasma Spray), 전자빔 물리기상증착(EB-PVD, Electron Beam Physical Vapor Deposition), 플라즈마 용사 물리증착(PS-PVD, Plasma Spray-Physical Vapor Deposition) 등 새로운 코팅 기술에 대한 연구가 활발히 전개되고 있다[7, 9-10]. 그 중 전자빔 물리기상증착법은 10−4 torr이상의 고진공상태에서 전자빔을 세라믹 분말로 제조된 코팅용 소결체(Target material)의 표면에 조사·용융시켜 기체 상태의 입자로 만들어 기판재 표면에 증착시키는 방법이다.

참고문헌 (25)

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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