[논문]플라즈마 용사법으로 제작된 4mol% Y2O3-ZrO2 열차폐코팅의 화산재에 의한 고온열화거동

Lee, Won-Jun; Jang, Byung-Koog; Lim, Dae-Soon; Oh, Yoon-Suk; Kim, Seong-Won; Kim, Hyung-Tae; Araki, Hiroshi; Murakami, Hideyuki; Kuroda, Seiji

doi:10.4191/kcers.2013.50.6.353

플라즈마 용사법으로 제작된 4mol% Y2O3-ZrO2 열차폐코팅의 화산재에 의한 고온열화거동
Hot Corrosion Behavior of Plasma Sprayed 4 mol% Y2O3-ZrO2 Thermal Barrier Coatings with Volcanic Ash 원문보기

한국세라믹학회지 = Journal of the Korean Ceramic Society, v.50 no.6, 2013년, pp.353 - 358

Lee, Won-Jun (고려대학교 신소재공학과) , Jang, Byung-Koog (물질재료연구기구 고온재료유니트) , Lim, Dae-Soon (고려대학교 신소재공학과) , Oh, Yoon-Suk (한국세라믹기술원 엔지니어링세라믹센터) , Kim, Seong-Won (한국세라믹기술원 엔지니어링세라믹센터) , Kim, Hyung-Tae (한국세라믹기술원 엔지니어링세라믹센터) , Araki, Hiroshi (물질재료연구기구 고온재료유니트) , Murakami, Hideyuki (물질재료연구기구 고온재료유니트) , Kuroda, Seiji (물질재료연구기구 고온재료유니트)

Abstract ▼ AI-Helper

The hot corrosion behavior of plasma sprayed 4 mol% $Y_2O_3-ZrO_2$ (YSZ) thermal barrier coatings (TBCs) with volcanic ash is investigated. Volcanic ash that deposited on the TBCs in gas-turbine engines can attack the surface of TBCs itself as a form of corrosive melt. YSZ coating specimens with a thickness of 430-440 ${\mu}m$ are prepared using a plasma spray method. These specimens are subjected to hot corrosion environment at $1200^{\circ}C$ with five different duration time, from 10 mins to 100 h in the presence of corrosive melt from volcanic ash. The microstructure, composition, and phase analysis are performed using Field emission scanning electron microscopy, including Energy dispersive spectroscopy and X-ray diffraction. After the heat treatment, hematite ($Fe_2O_3-TiO_2$) and monoclinic YSZ phases are found in TBCs. Furthermore the interface area between the molten volcanic ash layers and YSZ coatings becomes porous with increases in the heat treatment time as the YSZ coatings dissolved into molten volcanic ash. The maximum thickness of this a porous reaction zone is 25 ${\mu}m$ after 100 h of heat treatment.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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

제안 방법

Iceland의 에이야프야틀라이외쿠틀 화산재와 플라즈마 용사법으로 제작한 4 mol% Y₂O₃-ZrO₂(YSZ) 열차폐 코팅을 1200℃, 대기분위기에서 각각 10분, 1시간, 10시간, 50시간, 100시간 동안 열처리한 후 YSZ 코팅의 열화거동을 고찰하였다. 이를 통해 얻어진 결론을 요약하면 다음과 같다.
그 후 시료를 마운팅하여 시료의 측면을 1 μm까지 다이아몬드 현탁액을 사용하여 경면연마 한 후 아세톤과 에탄올에서 각각 5분간 세척 후 건조기에서 12시간 동안 건조하였다.
본 연구에서는 상용 4 mol% Y₂O₃-ZrO₂ (YSZ) 분말을 사용하여 플라즈마 용사법으로 제조된 YSZ 코팅시료들의 표면에 Iceland의 에이야프야틀라이외쿠틀 화산재를 도포한 후 1200℃ 대기분위기에서 10분에서 100시간까지 열처리하였다. 이와 같이 제조된 시료들의 열처리 전후 및 열처리 시간변화에 따른 코팅의 조성과 미세구조 변화 분석을 통하여 화산재에 의한 YSZ 코팅의 고온열화 거동을 고찰하였다.
본드코팅은 Co-32Ni-21Cr8Al-0.5Y (in wt%)계 (AMDRY:9954, SULZER, USA) 분말을 사용하여 sand blasting된 금속기재 위에 고속 화염 용사법 (High Velocity Oxy-Fuel Spraying, HVOF)으로 코팅두께 100 μm 정도로 코팅하였다.
에이야프야틀라이외쿠틀 화산재를 단위면적당 20 mg/cm²으로 YSZ 코팅시료 위에 도포시킨 후 전기로 (MAT-1700KSB)에서 분당 5℃의 승온 속도로 1200℃까지 승온 후 각각 10분, 1시간, 10시간, 50시간, 100시간 동안 유지하여 열처리 한 후 분당 5℃의 냉각속도로 상온까지 전기로 내에서 냉각하였다.
열처리가 끝난 시료는 시간에 따른 상 변화를 알아보기 위해 X-ray diffraction (XRD, RINT-2500HF, Rigaku, JAPAN)을 이용하여 40 kV, 200 mA, Cu-Kα radiation, 스캔속도 2°/min의 조건으로 스캔하여 상 변화를 평가하였다.
(YSZ) 분말을 사용하여 플라즈마 용사법으로 제조된 YSZ 코팅시료들의 표면에 Iceland의 에이야프야틀라이외쿠틀 화산재를 도포한 후 1200℃ 대기분위기에서 10분에서 100시간까지 열처리하였다. 이와 같이 제조된 시료들의 열처리 전후 및 열처리 시간변화에 따른 코팅의 조성과 미세구조 변화 분석을 통하여 화산재에 의한 YSZ 코팅의 고온열화 거동을 고찰하였다.
그 후 시료를 마운팅하여 시료의 측면을 1 μm까지 다이아몬드 현탁액을 사용하여 경면연마 한 후 아세톤과 에탄올에서 각각 5분간 세척 후 건조기에서 12시간 동안 건조하였다. 주사전자현미경 (field emission scanning electron microscope, S-4700, HITACHI, JAPAN)을 이용하여 산화처리한 시료의 코팅층의 미세구조를 관찰하고 EDS mapping에 의해 성분 분석을 실시하였다. 화산재의 성분 분석은 X-ray fluorescence analysis (XRF-1800, SHIMADZU, JAPAN)를 사용하여 분석하였다.
3%, 평균입자크기 < 100 μm, METCO 204NS, SULZER, USA)을 이용하여 플라즈마 용사법에 의해 두께 430 ~ 440 μm로 코팅하였다. 코팅 조건으로는 Ar과 He 가스를 각각 50 psi의 속도로 제어하였으며, 코팅기재와 플라즈마 토치 사이의 거리는 100 mm, 이동속도는 200 mm/sec, 분말공급속도는 15 g/min, 코팅 가압전압과 전류는 각각 27 V, 800 A의 조건으로 코팅을 실시하였다. 이후 코팅시료를 아세톤과 에탄올을 이용하여 각각 5분간 초음파세척을 실시하고, HCl (35 mol%)에 넣어 10시간 동안 화학처리 하여 금속기재에서 YSZ 세라믹 코팅층을 분리하였다.
탑 (Top) 코팅은 상용 4 mol% Y2O3-ZrO2 (YSZ) 플라즈마 용사용 분말 (불순물 < 1.3%, 평균입자크기 < 100 μm, METCO 204NS, SULZER, USA)을 이용하여 플라즈마 용사법에 의해 두께 430 ~ 440 μm로 코팅하였다.
주사전자현미경 (field emission scanning electron microscope, S-4700, HITACHI, JAPAN)을 이용하여 산화처리한 시료의 코팅층의 미세구조를 관찰하고 EDS mapping에 의해 성분 분석을 실시하였다. 화산재의 성분 분석은 X-ray fluorescence analysis (XRF-1800, SHIMADZU, JAPAN)를 사용하여 분석하였다.

대상 데이터

14) 본 실험에서 사용한 시료에서는 73°와 74°에서 정방정상에서 나타나는 피크를 확인 할 수 있었다(Fig. 1에서 확대한 부분).
코팅에 사용된 금속기재는 직경 25 mm, 두께 2.7 mm의 디스크 형태 SS400 계열 (Shotoku Co, JAPAN)을 사용하였으며 본드코팅의 접착강도를 높이기 위하여 알루미나 입자로 sand blasting을 실시하였다. 본드코팅은 Co-32Ni-21Cr8Al-0.

성능/효과

1. XRD 분석을 통하여 열처리 전후의 코팅층의 상형성 거동을 고찰한 결과, 제조된 YSZ 코팅은 정방정상이 주상을 이루고 있었으며, 일부 단사정이 혼재하고 있는 것으로 확인 되었다. 열처리 후에는 단사정상의 피크가 강해지는 결과를 보였으며, 화산재의 성분 중 하나인 Fe₂O₃가 용융된 화산재 glass에 모두 용해되지 않고 적철석 (Hematite)으로 잔류하여 열처리 시간이 증가함에 따라 그 양이 줄어든 것을 확인하였다.
2. 100시간 동안 열처리를 실시한 경우, YSZ 열차폐 코팅과 용융된 화산재 glass의 경계면 일부에서 용해/재석출된 ZrO₂와 액상 SiO₂가 반응하여 ZrSiO₄의 결정화가 일어났으며 용융된 화산재 glass에 용해되어 있던 Y₂O₃가 결정화를 가속화시킨 것으로 판단된다. 또한 이와 같은 YSZ의 용해/재석출 과정은 XRD상에서 열처리시간 증가에 따른 단사정상의 피크강도가 높아진 원인으로 추정된다.
4. 열처리시간이 증가함에 따라 위 과정에 의해 다공질로 변화된 코팅영역의 두께가 점차 증가하였으며, 100시간에서 최대 25 μm까지 형성된 것을 확인하였다.
3은 1200℃에서 화산재와 10분간 열처리 한 YSZ 코팅시료의 단면을 Si, Zr, Fe 성분들에 대하여 EDS mapping을 실시한 결과이다. EDS mapping을 통해서도 10분간 열처리 한 YSZ 코팅층에 Si가 확산되지 못한 것을 확인할 수 있었다(Fig. 3(c)).
다공질로 변화된 코팅영역의 두께는 10시간에서 6 μm, 50시간에서 17 μm 그리고 100시간의 경우 최대 25 μm까지 관찰되었다. 다공질로 변화된 코팅영역의 두께는 열처리 시간이 증가함에 따라 증가하였으며, 이는 앞서 언급한 것과 같이 열처리 시간이 증가함에 따라서 YSZ 입자가 용융된 화산재 glass로 용해되는 양 또한 증가하게 되면서 다공질로 변화된 코팅영역의 두께가 증가한 것으로 판단된다.
이를 통해 화산재가 용융되어 YSZ 코팅층을 침투하기 위해서는 1시간보다 많은 시간이 요구되는 것을 알 수 있었다. 또한 Fe 성분 mapping을 통해서 용융된 화산재 glass에 용해되지 않은 적철석이 존재하는 것을 확인 할 수 있었다(Fig. 3(d)).
이는 Si와 Al이 YSZ 코팅 내부로 확산된 것을 의미한다. 또한 코팅내부에 큰 기공이 있는 부분에서 미량의 Si가 검출되었으며, Al 성분 보다는 Si 성분의 확산이 더욱 빠르다는 것을 알 수 있었다.
4(b)는 선형 성분분석의 결과이다. 선형 성분분석 결과 화산재의 주요 성분인 Si와 Al이 다공성으로 변화된 코팅영역에서 관찰되었으며, Si와 Al이 발견된 영역과 다공성으로 변화된 코팅영역이 정확히 일치하였다. 이는 Si와 Al이 YSZ 코팅 내부로 확산된 것을 의미한다.
XRD 분석을 통하여 열처리 전후의 코팅층의 상형성 거동을 고찰한 결과, 제조된 YSZ 코팅은 정방정상이 주상을 이루고 있었으며, 일부 단사정이 혼재하고 있는 것으로 확인 되었다. 열처리 후에는 단사정상의 피크가 강해지는 결과를 보였으며, 화산재의 성분 중 하나인 Fe₂O₃가 용융된 화산재 glass에 모두 용해되지 않고 적철석 (Hematite)으로 잔류하여 열처리 시간이 증가함에 따라 그 양이 줄어든 것을 확인하였다.
밝은 영역이 YSZ 코팅층이고 위쪽의 어두운 영역은 용융된 화산재 glass층이다. 용융된 화산재 glass 내부에 적철석이 열처리 시간이 증가함에 따라 용융된 화산재 glass로 용해되어 그 양이 줄어든 것을 확인할 수 있었다. 화산재는 조면안산암 조성으로 1160℃에서 용융되어 glass 형태로 된다.
3(c)). 이를 통해 화산재가 용융되어 YSZ 코팅층을 침투하기 위해서는 1시간보다 많은 시간이 요구되는 것을 알 수 있었다. 또한 Fe 성분 mapping을 통해서 용융된 화산재 glass에 용해되지 않은 적철석이 존재하는 것을 확인 할 수 있었다(Fig.
Table 1은 에이야프야틀라이외쿠틀 화산재의 성분을 XRF를 이용하여 분석한 결과이다. 주성분은 SiO₂가 48 wt%로 가장 많이 함유되어 있었고, 다음으로 Fe₂O₃ 20 wt%, Al₂O₃ 13 wt%, Na₂O 6 wt%, MgO 5 wt%, CaO 4 wt%, 그리고 기타미량원소 4 wt%로 이루어져 있었으며 CMAS의 성분이 화산재에 모두 포함되어 있었다. CAMS 형태와 화산재의 가장 큰 차이점은 상대적으로 CaO와 MgO의 함량이 적고 Fe₂O₃ 성분이 많은 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	터빈엔진의 고온에서 작동되는 영역에서 분진에 의한 열화를 발생시키는 무기질 분진은 주로 무엇으로 이루어져있는가?	1990년대 초반부터 터빈엔진의 고온에서 작동되는 영역에서 분진에 의한 열화가 보고되었으며, 이 현상은 엔진에서 흡입된 공기 중에 있는 저융점의 무기질성분의 분진이 고온의 연소실에서 녹아 표면에 달라 붙으면서 발생하는 것이다.6-9) 이러한 무기질 분진은 주로 SiO2, Al2O3, CaO, MgO의 산화물로 이루어져있으며, 이러한 종류의 열화를 주로 CMAS (Calcium–Magnesium–Alumino–Silicate)에 의한 고온 부식이라고 한다. 고온에서 용융된 CMAS는 상용 YSZ 조성의 열차폐 코팅에 침투하여 실제 사용시에 반복되는 가열과 냉각에 의해 기계적 응력이 발생하고 이것이 열차폐 코팅의 열화를 촉진하여 엔진의 수명이 상당히 감소된다.
	가스터빈은 어디에 사용되는가?	가스터빈은 항공기, 선박, 발전기, 공업용 터빈엔진 등 다양한 용도로 사용 되고 있으며 작동온도가 높을수록 에너지효율이 높은 것으로 잘 알려져 있다. 따라서 작동온도를 높이기 위한 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 그 중에서 특히 열차폐 코팅을 사용하여 에너지 효율을 높이는 연구가 많이 이루어지고 있다.
	열차폐 코팅에는 어떤 방법이 있는가?	따라서 작동온도를 높이기 위한 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 그 중에서 특히 열차폐 코팅을 사용하여 에너지 효율을 높이는 연구가 많이 이루어지고 있다.1) 열차폐 코팅은 크게 두 가지 방법이 있는데 첫 번째는 전자빔에 의한 물리적 증착법 (Electron Beam Physical Vapor Deposition, EBPVD)으로 코팅층이 주상 (columnar) 형상으로 성장하여 주상내부에 미세기공을 포함한 미세구조를 갖는 코팅법이고, 두 번째는 플라즈마 용사법으로, splat 경계를 따라 수평방향으로 균열 (crack)이 전파되는 다공성 미세구조를 형성하는 코팅방법이 주로 사용되고 있다.1-4) 전형적인 열차폐 코팅 (Thermal Barrier Coatings, TBCs)은 100 μm ~ 1 mm의 두께로 Y2O3를 첨가하여 안정화시킨 정방정상 (tetragonal)을 갖는 부분안정화 지르코니아 (4 mol% Y2O3-ZrO2, YSZ)를 사용한다.

참고문헌 (20)

N. P. Padture, M. Gell, and E. H. Jordan, "Thermal Barrier Coatings for Gas-Turbine Engine Applications," Science, 296 [5566] 280-84 (2002).

상세보기
A. G. Evans, D. R. Mumm, J. W. Hutchinson, G. H. Meier, and F. S. Pettit, "Mechanisms Controlling the Durability of Thermal Barrier Coatings," Prog. Mater. Sci., 46 [5] 505-53 (2001).

상세보기
A. G. Evans, D. R. Clarke, and C. G. Levi, "The Influence of Oxides on the Performance of Advanced Gas Turbines," J. Eur. Ceram. Soc., 28 [7] 1405-19 (2008).

상세보기
B. K. Jang and H. Matsubara, "Microstructure of Nanoporous Yttria-Stabilized Zirconia Films Fabricated by EB-PVD," J. Eur. Ceram. Soc., 26 [9] 1585-90 (2006).

상세보기
B. K. Jang, Y. Sakka, N. Yamaguchi, H. Matsubara, and H. T. Kim, "Thermal Conductivity of EB-PVD $ZrO_2-4$ mol% $Y_2O_3$ Films Using the Laser Flash Method," J. Alloys Compd., 509 [3] 1045-49 (2011).

상세보기
J. Kim, M. G. Dunn, A. J. Baran, D. P. Wade, and E. L. Tremba, "Deposition of Volcanic Materials in the Hot Sections of Two Gas Turbine Engines," ASME J. Eng. Gas Turbines Power., 115 [3] 641 (1993).

상세보기
D. J. de Wet, R. Taylor, and F. H. Stott, "Corrosion Mechanisms of $ZrO_2-Y_2O_3$ Thermal Barrier Coatings in the Presence of Molten Middle-East Sand,'' J. Phys. IV France, 3 [C9] 655-63 (1993).
F. H. Stott, D. J. de Wet, and R. Taylor, "Degradation of Thermal-Barrier Coatings at Very High Temperatures," MRS Bull., 19 [10] 46-9 (1994).

상세보기
J. L. Smialek, F. A. Archer, and R. G. Garlick, "Turbine Airfoil Degradation in the Persian Gulf War," J. Min. Metal. Mater. Soc., 46 [12] 39-41 (1994).
S. Kramer, J. Yang, C. G. Levi, and C. A. Johnson, "Thermochemical Interaction of Thermal Barrier Coatings with Molten CaO-MgO- $Al_2O_3-SiO_2(CMAS)$ Deposits," J. Am. Ceram. Soc., 89 [10] 3167-75 (2006).

상세보기
A. Aygun, A. L. Vasiliev, N. P. Padture, and X. Ma, "Novel Thermal Barrier Coatings that are Resistant to High-Temperature Attack by Glassy Deposits," Acta Mater., 55 [20] 6734-45 (2007).

상세보기
J. M. Drexler, K. Shinoda, A. L. Ortiz, D. Li, A. L. Vasiliev, A. D. Gledhill, S. Sampath, and N. P. Padture, "Air Plasma Sprayed Thermal Barrier Coatings that are Resistant to High Temperature Attack by Glassy Deposits," Acta Mater., 58 [20] 6835-44 (2010).

상세보기
S. Kramer, J. Yang, and C. G. Levi, "Infiltration-Inhibiting Reaction of Gadolinium Zirconate Thermal Barrier Coatings with CMAS Melts," J. Am. Ceram. Soc., 91 [2] 576-83 (2008).

상세보기
R. Srinivasan, R. J. De Angelis, G. Ice, and B. H Davis, "Identification of Tetragonal and Cubic Structures of Zirconia Using Synchrotron X-Radiation Source," J. Mater Res., 6 [6] 1287-92 (1991).

상세보기
F. Sigmundsson, S. Hreinsdottir, A. Hooper, T. Arnadottir, R. Pedersen, M. J. Roberts, N. Oskarsson, A. Auriac, J. Decriem, P. Einarsson, H. Geirsson, M. Hensch, B. G. Ofeigsson, E. Sturkell, H. Sveinbjornsson, and K. F. Feigl, "Intrusion Triggering of the 2010 Eyafallajokull Explosive Eruption," Nature, 468 [7322] 426 (2010).

상세보기
C. S. Ramachandran, V. Balasubramanian, and P. V. Ananthapadmanabhan, "Thermal Cycling Behaviour of Plasma Sprayed Lanthanum Zirconate Based Coatings under Concurrent Infiltration by a Molten Glass Concoction," Ceram. Int., 39 [2] 1413-31 (2013).

상세보기
Schmincke and Hans-Ulrich, Volcanism, pp. 1-324, Springer, Berlin, 2003.
Y. Kanno, "Discussion of the Double Oxides Formation in the Systems of $ZrO_2-SiO_2,\;ZrO_2-TiO_2\;and\;TiO_2-SiO_2$ ," J. Mater. Sci. Lett., 9 [7] 765-67 (1990).

상세보기
D. R. Spearing and J. Y. Huang, "Zircon Synthesis Via Sintering of Milled $SiO_2\;and\;ZrO_2$ ," J. Am. Ceram. Soc., 81 [7] 1964-66 (1998).
P. Mechnich, W. Braue, and U. Schulz, "High-Temperature Corrosion of EB-PVD Yttria Partially Stabilized Zirconia Thermal Barrier Coatings with an Artificial Volcanic Ash Overlay," J. Am. Ceram. Soc., 94 [3] 925-31 (2011).

상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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