[논문]가스터빈의 열차폐용 탑코팅 설계기술

구재민; 이시영; 석창성

doi:10.7736/kspe.2013.30.8.802

가스터빈의 열차폐용 탑코팅 설계기술
Top Coating Design Technique for Thermal Barrier of Gas Turbine 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.30 no.8, 2013년, pp.802 - 808

구재민 (성균관대학교 기계공학부) , 이시영 (성균관대학교 기계공학과 대학원) , 석창성 (성균관대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Thermal barrier coating (TBC) is used to protect substrates and extend the operating life of gas turbines in power plant and aeronautical applications. The major causes of failure of such coatings is spallation, which results from thermal stress due to a thermal expansion coefficient mismatch between the top coating and the bond coating layers. In this paper, the effects of the material properties and the thickness of the top coating layer on thermal stresses were evaluated using the finite element method and the equation for the thermal expansion coefficient mismatch stress. In addition, we investigated a design technique for the top coating whereby thermal resistance is exploited.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 가스터빈의 열차폐용 탑코팅의 설계를 위하여 유한요소해석을 수행하지 않고 단순히 열저항을 이용하여 열차폐성능 및 열응력을 계산할 수 있는 방법에 대한 연구를 수행하였다. 이를 위하여 코팅 두께와 주요 물성치의 변화를 고려한 열응력해석을 수행하여, 열팽창계수 불일치 열응력식에 의한 결과와 비교분석하였으며, 열 저항에 기초하여 탑코팅의 열차폐온도와 열응력을 구하는 방법에 대한 연구를 수행하였다.
본 논문에서는 유한요소해석과 열팽창계수 불일치 열응력식을 이용하여 탑코팅의 물성치와 두께가 열차폐성능과 열응력에 미치는 영향에 대하여 평가하였으며, 열저항을 이용하여 유한요소해석을 수행하지 않고도 가스터빈의 열차폐용 탑코팅을 설계할 수 있는 기술에 대한 연구를 수행하였다.
열차폐코팅시스템을 설계하기 위해서는 탑코팅의 재료와 두께를 결정하는 것이 주요한 문제인데, 열전달해석과 연동하여 열응력해석을 수행하는 것은 접근이 쉽지 않은 것이 현실이다. 본 연구에서는 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 코팅의 박리의 주요 원인인 계면에서의 열응력을 구하는데 유효한 열팽창계수 불일치응력식 (1)을 사용하는데 있어서 어려움을 주는 계면에서 온도차를 열 저항을 이용하여 구하는 방법을 제시하고자 한다.

제안 방법

유한요소해석과 열저항에 의한 식(8)에 의한 결과가 약간의 차이가 있음을 알 수 있다. 따라서본 연구에서는 유한요소해석에 의한 탑코팅의 온도변화량과 두께의 변화에 따르는 열저항비와의 관계를 최소제곱에 의한 회귀분석을 수행하여 다음과 같이 곡선접합식을 획득하였다. 이때 결정계수는 0.
열전달해석은 모델 내부에 열구배를 주기 위하여 탑코팅표면은 1100℃로 가열하고, 모재의 하단 표면은 25℃를 가하여 냉각하였다. 열전달해석을 수행하여 모델내의 열분포를 획득한 후에 열전달 해석의 결과를 열응력해석의 input data로 사용하여 모델 내에 발생하는 열응력분포를 획득하였다. 코팅시편의 박리가 보통 탑코팅과 본드코팅사이에서 발생하기 때문에 탑코팅과 본드코팅계면에서 계면에 평행인 방향의 열응력 데이터를 구하였으며, 특히, 경계의 영향을 받지 않는 시편 중심부위의 해석결과를 가지고 평가하였다.
열차폐코팅 시스템에서 탑코팅의 물성변화가 코팅내부 열응력 발생에 미치는 영향을 파악하기 위해서 코인형 코팅시편을 모사하여 Fig. 1과 같이 모델링하였다. 탑코팅, 본드코팅, 초내열합금모재 3개의 층을 2차원으로 모델링하였으며, Y축 축대칭 조건을 주었다.
본 논문에서는 가스터빈의 열차폐용 탑코팅의 설계를 위하여 유한요소해석을 수행하지 않고 단순히 열저항을 이용하여 열차폐성능 및 열응력을 계산할 수 있는 방법에 대한 연구를 수행하였다. 이를 위하여 코팅 두께와 주요 물성치의 변화를 고려한 열응력해석을 수행하여, 열팽창계수 불일치 열응력식에 의한 결과와 비교분석하였으며, 열 저항에 기초하여 탑코팅의 열차폐온도와 열응력을 구하는 방법에 대한 연구를 수행하였다.
열전달해석을 수행하여 모델내의 열분포를 획득한 후에 열전달 해석의 결과를 열응력해석의 input data로 사용하여 모델 내에 발생하는 열응력분포를 획득하였다. 코팅시편의 박리가 보통 탑코팅과 본드코팅사이에서 발생하기 때문에 탑코팅과 본드코팅계면에서 계면에 평행인 방향의 열응력 데이터를 구하였으며, 특히, 경계의 영향을 받지 않는 시편 중심부위의 해석결과를 가지고 평가하였다.⁴ 열전달해석 및 열 응력해석에 쓰인 물성치^5-7는 Table 1과 같다.
1과 같이 모델링하였다. 탑코팅, 본드코팅, 초내열합금모재 3개의 층을 2차원으로 모델링하였으며, Y축 축대칭 조건을 주었다. 모재의 두께는 3mm, 본드코팅층의 두께는 0.
탑코팅의 두께가 열차폐성능 및 열응력에 미치는 영향을 확인하기 위해 탑코팅의 두께를 0.2mm 부터 0.6mm까지 0.1mm씩 증가시키며 열전도 및 열응력해석을 수행하였다.
탑코팅의 열팽창계수가 열응력에 미치는 영향을 평가하기 위하여 Fig. 5와 같이 10%씩 증감시키면서 해석을 수행하였다. 모델의 중심부의 탑코팅의 계면에서 계면에 평행인 방향의 열응력에 대한 해석 결과와 열팽창계수 불일치 응력을 Fig.
4mm로 하여 모델링하였다. 해석은 상용 FEM 프로그램인 ABAQUS 6.9-1버전을 사용하여 수행하였으며, 열전달 해석에는 DC2D4 type, 열응력 해석에는 CPS4R type의 요소를 사용하였는데, 4500개의 요소와 4641개의 절점으로 모델을 구성했다.

대상 데이터

탑코팅, 본드코팅, 초내열합금모재 3개의 층을 2차원으로 모델링하였으며, Y축 축대칭 조건을 주었다. 모재의 두께는 3mm, 본드코팅층의 두께는 0.15mm, 탑코팅의 두께는 0.4mm로 하여 모델링하였다. 해석은 상용 FEM 프로그램인 ABAQUS 6.

성능/효과

(2) 탑코팅의 물성치인 열전도계수는 낮을수록, 열팽창계수는 클수록, 탄성계수는 낮을수록 열응력이 감소함을 알 수 있었다.
(3)열응력해석으로 구한 x방향 열응력 σxx와 열팽창계수불일치로 발생하는 열응력 σt의 값이 비슷함을 보였다.
(4) 탑코팅의 두께 증가는 열차폐성능을 증가시켜서 계면의 온도를 낮추며, 열응력을 감소시킨다.
(5) 열저항값을 이용한 결과와 해석에 의한 탑 코팅의 온도차가 비슷하게 증가하였다.
(6) 탑코팅의 온도차와 열저항비의 관계를 fitting하여 구한 식을 통해 탑코팅층의 열차폐성능및 열응력을 구할 수 있음을 확인하였다.
이 결과들로부터 탑코팅의 물성치인 열전도계수는 낮을수록, 열팽창계수는 클수록, 탄성계수는 낮을수록 열응력이 감소함을 알 수 있는데, 유한요소해석으로 구한 x방향 열응력 σxx와 열팽창계수불일치 응력 σt를 비교할 때, 서로 유사한 거동을 보이며, 비교적 값도 유사하기 때문에, 열팽창계수불일치 응력에 의하여 열차폐코팅시스템을 설계할수 있다고 판단된다.

후속연구

(7) 이로부터 본 연구에서 제시한 열저항개념과 열팽창계수불일치응력을 사용한다면 가스터빈의 열차폐용 탑코팅을 설계할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	열차폐코팅의 탑코팅은 열팽창계수의 차이에 의해 발생하는 열응력을 작게 하기 위하여 높은 열팽창계수를 가져야하는 이유는?	일반적으로 열차폐코팅의 기저는 열팽창계수가 높은 금속이기 때문에, 열차폐코팅의 탑코팅은 열차폐를 위하여 낮은 열전도계수를 갖을 뿐 만아니라 열팽창계수의 차이에 의해 발생하는 열응력을 작게 하기 위하여 높은 열팽창계수를 가져야 한다.
	극한환경하의 초고온 핵심부품의 내구수명을 만족하기 위해서 필요한 것은?	극한환경하의 초고온 핵심부품의 내구수명을 만족하기 위해서는 내열, 내산화, 내부식 등의 한계성을 극복하는 것이 필요하다.10,11 이를 위하여 초내열합금 소재기술, 일방향 응고, 단결정 성장 등을 통한 정밀 주조기술, 냉각유로 설계기술, TBC (Thermal Barrier Coating: 열차폐코팅) 기술 등에 대한 다각적인 노력이 수반되고 있는데, 특히, 최근에는 비교적 적은 투자로 큰 효과를 얻을 수 있는 TBC기술 개발이 점차 주목받고 있다.
	내열, 내산화, 내부식 등의 한계성을 극복하기 위해 어떤 기술들이 연구개발 되고 있는가?	극한환경하의 초고온 핵심부품의 내구수명을 만족하기 위해서는 내열, 내산화, 내부식 등의 한계성을 극복하는 것이 필요하다.10,11 이를 위하여 초내열합금 소재기술, 일방향 응고, 단결정 성장 등을 통한 정밀 주조기술, 냉각유로 설계기술, TBC (Thermal Barrier Coating: 열차폐코팅) 기술 등에 대한 다각적인 노력이 수반되고 있는데, 특히, 최근에는 비교적 적은 투자로 큰 효과를 얻을 수 있는 TBC기술 개발이 점차 주목받고 있다. 그 중 열차폐코팅은 초내열합금 모재 위에 열전도계수가 낮은 세라믹 탑코팅을 적용하는데,1 탑코팅과 모재를 접합하기 위해서 금속성분의 본드코팅을 하게 되며, 탑코팅재료로는 열전도계수가 낮은 YSZ (Yttria Stabilized Zirconia)와 같은 세라믹의 탑코팅이 주로 적용되고 있다.

참고문헌 (11)

Kim, D. J., Shin, I, H., Koo, J. M., Seok, C. S., and Kim, M. Y., "Evaluation on the Delamination Life of Isothermally Aged Plasma Sprayed Thermal Barrier Coating," Transactions of the KSME A, Vol. 33, No. 2, pp. 162-168, 2009.

원문보기 상세보기
Duvall, D. S. and Ruckle, D. L., "Ceramic thermal barrier coatings for turbine engine components," ASME Paper No. 82-GT-332, 1980.
Pindera, M. J., Aboudi, J., and Arnold, S. M., "The effect of Interface Roughness and Oxide Film Thickness on the Inelastic Response of Thermal Barrier Coatings to Thermal Cycling," NASA/TM, Document ID: 2003-210803, 1999.
Wright, P. K., "Influence of cyclic strain on life of a PVD TBC," Mat. Sci. and Eng. A, Vol. 245, No. 2, pp. 191-200, 1998.

상세보기
Almeida, D. S., Silva, C. R. M., Nono, M. C. A., and Cairo, C. A. A., "Thermal conductivity investigation of zirconia co-doped with yttria and niobia EB-PVD TBCs," Mat. Sci. and Eng. A, Vol. 443, No. 1-2, pp. 60-65, 2007.

상세보기
Arnold, S. M., Pindera, M. J., and Aboudi, J., "Analysis of Plasma-Sprayed Thermal Barrier Coatings With Homogeneous and Heterogeneous Bond Coats Under Spatially Uniform Cyclic Thermal Loading," NASA/TM, Document ID: 2003-210803, 2003.
Ferguson, B. L., Petrus, G. J., and Krauss, T. M., "Modeling of Thermal Barrier Coatings," NASA Contractor Report, Document ID: NAS3-26664, 1992.
Schulz, U., Ratzer, H. J., Saruhan, B., and Renteria, A. F., "Thermal conductivity issues of EB-PVD thermal barrier coatings," Mat.-wiss. u. Werkstofftech., Vol. 38, No. 9, pp. 659-666, 2007.

상세보기
Kokinia, K., DeJongea, J., Rangaraja, S., and Beardsleyb, B., "Thermal shock of functionally graded thermal barrier coatings with similar thermal resistance," Surface and Coatings Technology, Vol. 154, No. 1-2, pp. 223-231, 2002.

상세보기
Kim, H. I., Park, H. S., Huh, Y., Koo, J. M., Seok, C. S., Yang, S. H., Kim, M. Y., and Weon, J. I., "A Study on the Integrity Recovery according to Manual Overlay and Pre- & Post- welding Treatment of Nickel-based Superalloy for Gas Turbine Blade," J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol. 26, No. 3. pp. 11-18, 2009.
Kim, D. J., Koo, J. M., Seok, C. S., Weon, J. I., Park, S. Y., Kim, M. Y., and Lee, S. H., "Thermal Fatigue Test Methods for Thermal Barrier Coatings of Gas Turbine Blade," J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol. 26, No. 2. pp. 7-15, 2009.

저자의 다른 논문 :

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증