[논문]서스펜션 플라즈마 용사로 제조된 란타눔/가돌리늄 지르코네이트 열차폐코팅의 구조와 열전도도 특성

권창섭; 이성민; 오윤석; 김형태; 장병국; 김성원

doi:10.5695/jkise.2014.47.6.316

서스펜션 플라즈마 용사로 제조된 란타눔/가돌리늄 지르코네이트 열차폐코팅의 구조와 열전도도 특성
Structure and Thermal Conductivity of Thermal Barrier Coatings in Lanthanum/Gadolinium Zirconate System Fabricated via Suspension Plasma Spray 원문보기

한국표면공학회지 = Journal of the Korean institute of surface engineering, v.47 no.6, 2014년, pp.316 - 322

권창섭 (한국세라믹기술원 이천분원 엔지니어링세라믹팀) , 이성민 (한국세라믹기술원 이천분원 엔지니어링세라믹팀) , 오윤석 (한국세라믹기술원 이천분원 엔지니어링세라믹팀) , 김형태 (한국세라믹기술원 이천분원 엔지니어링세라믹팀) , 장병국 (물질.재료연구기구 (NIMS) 선진고온재료유닛트) , 김성원 (한국세라믹기술원 이천분원 엔지니어링세라믹팀)

Abstract ▼ AI-Helper

With increase in demand for higher operating temperatures of gas turbines, extensive research efforts have been carried out to enhance the performance of thermal barrier coatings (TBCs) in the field of coating processing as well as materials. In this study, thermal barrier coatings in lanthanum/gadolinium zirconate system, which is one of the most promising candidates for replacing yttira-stabilized zirconia (YSZ) in thermal barrier coating applications, are fabricated via suspension plasma spray. Dense, $300{\sim}400{\mu}m$ thick coatings of fluoritephase zirconate with modest amount of segmented microstructures are obtained by using suspension plasma spray with suspensions of planetary-milled mixture between lanthanum and/or gadolinium oxide and nano zirconia. These coatings exhibit thermal conductivities of 1.6 ~ 1.7 W/mK at $1000^{\circ}C$, which is relatively lower than that of YSZ.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 YSZ를 대체하는 차세대 열차폐코팅 소재로 주목받는 희토류 지르코네이트 세라믹스 중에서 파이로클로어 혹은 플루오라이트 결정상을 지니면서 열전도도가 낮은 것으로 알려진 란타눔/가돌리늄 지르코네이트 산화물((La_1-xGd_x)₂Zr₂O₇(x = 0.0, 0.5, 1.0))을 서스펜션 플라즈마 용사로 증착하고 그 코팅시편의 상형성, 미세구조 및 열전도도 특성에 대해 고찰하였다. 특히 코팅층의 단면미세구조와 열전도도 특성으로부터 차세대 열차폐코팅용 소재로서 적용가능성을 검토하였다.
본 연구에서는 YSZ를 대체하는 차세대 열차폐코팅 소재로 주목받는 희토류 지르코네이트 세라믹스 중의 하나인 란타눔/가돌리늄 지르코네이트((La_1-xGd_x)₂Zr₂O₇(x = 0.0, 0.5, 1.0)) 산화물을 각 산화물 원료로부터 유성구 볼밀로 준비한 슬러리를 사용하여 서스펜션 플라즈마 용사로 증착하고 그 코팅시 편의 상형성, 미세구조 및 열전도도 특성에 대해 고찰하였다. X-선 회절과 라만분석을 이용한 상분석 결과로부터 유성구 볼밀공정을 거친 각 산화물원료가 서스펜션 플라즈마 용사를 통해 플루오라이트 상을 지니는 희토류 지르코네이트로 합성되어 증착되었음을 확인하였다.
본 연구에서는 란타눔/가돌리늄 지르코네이트 산화물 ((La_1-xGd_x)₂Zr₂O₇ (x = 0.0, 0.5, 1.0))을 서스펜션 플라즈마 용사로 증착하고 그 코팅시편의 상형성, 미세구조 및 열전도도 특성에 대해 살폈다.
본 연구에서는 란타눔/가돌리늄 지르코네이트 열차폐코팅을 서스펜션 플라즈마 스프레이로 증착하고 코팅의 구조 및 상형성과 열전도도 특성에 대하여 고찰하였다.
0))을 서스펜션 플라즈마 용사로 증착하고 그 코팅시편의 상형성, 미세구조 및 열전도도 특성에 대해 고찰하였다. 특히 코팅층의 단면미세구조와 열전도도 특성으로부터 차세대 열차폐코팅용 소재로서 적용가능성을 검토하였다.

제안 방법

5 wt.%의 분산제를 첨가하여 유성구 볼밀 (planetary mill)을 이용해 6 시간 습식혼합 후 슬러리가 침전되지 않도록 교반시키며 건조하였고 이후 80℃ 오븐에서 24 시간동안 건조시킨 후 알루미나 유발을 이용하여 분쇄하여 혼합분말을 제조하였다. 제조된 분말을 에탄올 대비 1:9 비율로 분산하고 24 시간동안 볼밀하여 액상의 혼합 슬러리를 제조하였다.
기판을 분리한 코팅시편의 고온 열물리 특성으로 비열, 열확산도를 측정하고 열전도도를 계산하였다. 비열은 시차주사열량측정기(Differential scanning calorimeter, LABSYS evo, Setaram Instrumentation, France)로 1000℃까지 측정하였다.
)를 통하여 각 코팅산화물 내의 결합특성을 평가하였다. 또한 주사전자현미경 (Scanning electron microscope, JSM-6390, JEOL, Japan)을 이용하여 코팅시편들의 표면과 단면미세 구조를 관찰하였다.
본 연구에서는 란타눔/가돌리늄 지르코네이트 열차폐코팅의 상형성과 열물성을 평가하기 위하여 코팅의 성막 및 free standing 시편의 제조가 용이하도록 연마된 지르코니아 기판을 사용하였다. 사용된 슬러리는 공급관을 통해 플라즈마 토치까지 공급되고 지르코니아 기판을 장착한 지그를 1200 RPM의 속도로 회전시키면서 기판과토치와의 거리를 75 mm로 고정한 상태에서 상하운동을 통해 220 A, 111.65 kW 의 플라즈마 조건에서 150 pass 하여 기판온도가 350℃ 정도 되도록 예열을 거친 후 동일한 플라즈마 조건(표 2 참조)으로 슬러리를 공급하면서 코팅을 제조하였다. 그림 1에서스펜션 플라즈마 용사 장비의 모식도를 보였다.
서스펜션 플라즈마 용사로 증착된 코팅의 상형성과 단면미세구조 및 열전도도 특성을 평가하였다. 제조된 시험편의 상형성을 분석하기 위하여 고출력 X-선 회절기(X-ray diffractometer, D/max-2500/PC, Rigaku, Japan)를 이용하여 40 kV, 200 ㎃ 의 조건에서 5℃/min의 스캔 속도로 25~65°까지 회절 패턴을 관찰하였고 라만분광기(Raman spectroscope, RE-04, Reinshaw, U.
열확산도는 레이저플래시법(Laser flash analysis, LFA 457 Micro Flash, NETZSCH, Germany)을 이용하여 1000℃까지 가열된 시편의 온도에 따라 측정하였다. 열확산도 측정시편에 조사되는 레이저가 투과없이 흡수되고 광원 반대쪽의 적외선 검출기로 흑체복사가 되도록 코팅 시편의 양쪽에 흑연코팅을 하였다. 시편의 열전도도(K)는 측정된 겉보기밀도(ρ), 비열(C_p), 열확산도(λ)를 사용하여 식 (1)과 같이 계산하였다.
%의 분산제를 첨가하여 유성구 볼밀 (planetary mill)을 이용해 6 시간 습식혼합 후 슬러리가 침전되지 않도록 교반시키며 건조하였고 이후 80℃ 오븐에서 24 시간동안 건조시킨 후 알루미나 유발을 이용하여 분쇄하여 혼합분말을 제조하였다. 제조된 분말을 에탄올 대비 1:9 비율로 분산하고 24 시간동안 볼밀하여 액상의 혼합 슬러리를 제조하였다. 제조된 슬러리를 10 μm체를 사용해 체거름하여 서스펜션 플라즈마 용사를 위한 슬러리를 제조하였다.
제조된 시험편의 상형성을 분석하기 위하여 고출력 X-선 회절기(X-ray diffractometer, D/max-2500/PC, Rigaku, Japan)를 이용하여 40 kV, 200 ㎃ 의 조건에서 5℃/min의 스캔 속도로 25~65°까지 회절 패턴을 관찰하였고 라만분광기(Raman spectroscope, RE-04, Reinshaw, U.K.)를 통하여 각 코팅산화물 내의 결합특성을 평가하였다.
코팅의 상형성을 확실히 확인하기 위해서 추가적 으로 라만분석을 시행하였다. 그림 4에서 보는 바와 같이 코팅의 조성에 관계없이 ~250에서 ~450 cm^-1 영역에서 넓은 피크가 관찰된다.

대상 데이터

제조된 슬러리를 플라즈마 건(Plasma spray system, Axial III, Northwest Mettech, Canada)를이용하여 #1200 사포로 표면을 연마한 지르코니아 기판에 증착하였다. 본 연구에서는 란타눔/가돌리늄 지르코네이트 열차폐코팅의 상형성과 열물성을 평가하기 위하여 코팅의 성막 및 free standing 시편의 제조가 용이하도록 연마된 지르코니아 기판을 사용하였다. 사용된 슬러리는 공급관을 통해 플라즈마 토치까지 공급되고 지르코니아 기판을 장착한 지그를 1200 RPM의 속도로 회전시키면서 기판과토치와의 거리를 75 mm로 고정한 상태에서 상하운동을 통해 220 A, 111.
우선 출발원료로 La2O3(Kojundo Chemical Lab. Co., LTD, 99.9%, 10 μm), Gd2O3 (Kojundo Chemical Lab. Co., LTD, 99.9%, 2 ~ 3 μm), ZrO2(US Research nanomaterials Inc, 99%, 40 nm), ZrO2(Kojundo Chemical Lab. Co., LTD, 98%, 5 μm)의 산화물 분말을 사용하였다.
제조된 슬러리를 10 μm체를 사용해 체거름하여 서스펜션 플라즈마 용사를 위한 슬러리를 제조하였다.
제조된 슬러리를 플라즈마 건(Plasma spray system, Axial III, Northwest Mettech, Canada)를이용하여 #1200 사포로 표면을 연마한 지르코니아 기판에 증착하였다. 본 연구에서는 란타눔/가돌리늄 지르코네이트 열차폐코팅의 상형성과 열물성을 평가하기 위하여 코팅의 성막 및 free standing 시편의 제조가 용이하도록 연마된 지르코니아 기판을 사용하였다.
문헌^5,6)에 보고된 란타눔 지르코네이트나 가돌리늄 지르코네이트는 파이로클로어 혹은 플루오라이트 결정구조를 지닌다. 파이로클로어 구조는 플루오라이트 구조에서 유도된 구조로 각각 Fd#m (#227)와 Fm#m (#225)의 공간군을 지니는 입방정 결정구조이다. 파이로클로어 구조가 플루오라이트 구조와 비교하여 가장 큰 차이는 양 이온의 규칙적 배열(ordering)과 특정위치의 산소이온 공극의 존재이다.

이론/모형

비열은 시차주사열량측정기(Differential scanning calorimeter, LABSYS evo, Setaram Instrumentation, France)로 1000℃까지 측정하였다. 열확산도는 레이저플래시법(Laser flash analysis, LFA 457 Micro Flash, NETZSCH, Germany)을 이용하여 1000℃까지 가열된 시편의 온도에 따라 측정하였다. 열확산도 측정시편에 조사되는 레이저가 투과없이 흡수되고 광원 반대쪽의 적외선 검출기로 흑체복사가 되도록 코팅 시편의 양쪽에 흑연코팅을 하였다.

성능/효과

파이로클로어 구조로부터 플루오라이트 구조로의 변화는 결정격자 내에 특정위치의 두 양이온과 산소이온의 혼동을 의미하며 라만분석에서 250 ~ 450 cm^-1 영역에서넓은 피크로 나타난다²²⁾. X-선 회절과 라만분석 결과로부터 유성구 볼밀공정을 거친 각 산화물원료가 서스펜션 플라즈마 용사를 통해 플루오라이트 상을 지니는 희토류 지르코네이트로 합성되어 증착되었음을 확인하였다. 이는 고에너지 볼밀을 거친 원료가 서스펜션 플라즈마 용사 공정 중에 열역학적으로 안정한 조성으로 합성되었으나 공정시간이 짧고 급랭되어 양이온이 파이로클로어 구조에 해당하는 특정위치로 이동하기에는 속도론적으로 부족한 결과로 사료된다.
0)) 산화물을 각 산화물 원료로부터 유성구 볼밀로 준비한 슬러리를 사용하여 서스펜션 플라즈마 용사로 증착하고 그 코팅시 편의 상형성, 미세구조 및 열전도도 특성에 대해 고찰하였다. X-선 회절과 라만분석을 이용한 상분석 결과로부터 유성구 볼밀공정을 거친 각 산화물원료가 서스펜션 플라즈마 용사를 통해 플루오라이트 상을 지니는 희토류 지르코네이트로 합성되어 증착되었음을 확인하였다. 코팅의 미세구조는 두께 약 300 ~ 400 μm의 비교적 치밀한 코팅구조로 미약하지만 주상구조와 유사한 수직분리 구조와 수직균열이 함께 나타났다.
전기절연체인 산화물 세라믹스의 열전도도는 흔히 포논으로 불리는 격자진동에 의해서 결정되며 포논산란은 결정구조의 본래 열전도도(intrinsic thermal conductivity) 외에 점결함이나 입계에 의한 기여가 있다²⁵⁾. 따라서, 세라믹소재의 열전도도에 대한 온도의존성을 살피면 본래 열전도도와 점결함에 의한 포논산란으로부터의 기여를 구분해낼 수 있는데 열전도도의 1/T 온도의존성은 본래 열전도도에 의한 것으로 열전도도값의 온도의존성이 거의 없는 경우에는 구조내의 결함에 의한 포논산란의 기여가 중요해짐을 의미한다. 서스펜션 플라즈마 용사로 증착된 (La_1-xGdx)₂Zr₂O₇(x = 0.
코팅의 미세구조는 두께 약 300 ~ 400 μm의 비교적 치밀한 코팅구조로 미약하지만 주상구조와 유사한 수직분리 구조와 수직균열이 함께 나타났다. 또한, 코팅층의 1000℃ 열전도도 값은 1.6 ~ 1.7 W/mK로 서스펜션 플라즈마 용사법으로 증착된 란타눔/가돌리늄 지르코네이트 열차 폐코팅의 가능성을 보여주었다고 사료된다.
따라서, 세라믹소재의 열전도도에 대한 온도의존성을 살피면 본래 열전도도와 점결함에 의한 포논산란으로부터의 기여를 구분해낼 수 있는데 열전도도의 1/T 온도의존성은 본래 열전도도에 의한 것으로 열전도도값의 온도의존성이 거의 없는 경우에는 구조내의 결함에 의한 포논산란의 기여가 중요해짐을 의미한다. 서스펜션 플라즈마 용사로 증착된 (La_1-xGdx)₂Zr₂O₇(x = 0.0, 0.5, 1.0) 코팅의 결정구조 분석으로부터 코팅층을 이루는 희토류 지르코네이트 소재는 파이로클로어 구조에 비해 정렬구조가 사라진 플루오라이트 구조를 지니는 것으로부터 구조 내의 점결함에 의한 열전도도의 감소를 설명할 수 있으며 특히 소결체의 열전도도²⁴⁾에 비해 온도의존성이 감소한 것으로 나타났는데 이는 점결함의 포논산란에 대한 기여가 증가한 것을 반증한다.
코팅의 미세구조는 두께 약 300 ~ 400 μm의 비교적 치밀한 코팅구조로 미약하지만 주상구조와 유사한 수직분리 구조와 수직균열이 함께 나타났다.
본 연구에서는 YSZ와는 열팽창거동이 다른 희토류 지르코네이트 코팅과 기판의 조도가 좋은 지르코니아 기판을 사용하였으므로 위에 언급한 예와는 다른 결과가 예상되며 단면미세구조 상의 수직분리 형성거동은 두드러지지 않았다. 코팅의 표면 미세구조에서는 둥글고 완만한 주상형태를 하고 있으며 서브마이크론 크기의 액적형 상을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	열차폐코팅은 무엇인가?	발전용 혹은 항공용 가스터빈 엔진의 고온부에 적용되어 블레이드나 베인과 같은 초합금 소재의 금속부품을 고온의 가스로부터 보호하는 역할을 하는 저열전도성 세라믹 코팅을 열차폐코팅이라 부른다1-3). 최근 가스터빈 엔진의 작동온도를 높여 에너지효율을 향상시키기 위하여 열차폐코팅의 소재와 공정의 개선에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다4).
	열차폐코팅의 소재와 공정의 개선을 통해 어떤 효과를 얻을 수 있는가?	발전용 혹은 항공용 가스터빈 엔진의 고온부에 적용되어 블레이드나 베인과 같은 초합금 소재의 금속부품을 고온의 가스로부터 보호하는 역할을 하는 저열전도성 세라믹 코팅을 열차폐코팅이라 부른다1-3). 최근 가스터빈 엔진의 작동온도를 높여 에너지효율을 향상시키기 위하여 열차폐코팅의 소재와 공정의 개선에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다4).
	차세대 열차폐코팅용 소재의 조건을 만족하는 재료는?	최근 가스터빈의 효율향상을 위해 1300oC 이상의 고온에서 사용 가능한 YSZ를 대체 하는 세라믹 소재에 대한 요구가 증대되고 있는데, 차세대 열차폐코팅용 소재의 요구조건으로 높은 녹는점, 고온 상안정성, 저열전도성, 화학적 안정성, 높은 열팽창계수, 낮은 소결성 등이 있다7). 이러한 조건을 만족하는 저열전도성 세라믹스로 플루오라이트(fluorite) 혹은 파이로클로어(pyrochlore) 결정구조의 희토류 지르코네이트 산화물에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다5, 6, 8-10). 플루오라이트 혹은 파이로클로어 결정구조를 지니는 희토류 지르코네이트 세라믹스의 두드러진 장점은 적용온도에서 입방 정상으로 존재하여 열차폐코팅으로 증착된 후 고온 싸이클 중에 상변화가 없고 희토류 원소를 조정하여 열전도도와 열팽창계수와 같은 열차폐코팅용 소재의 주요물성을 제어할 수 있다는 것이다.

참고문헌 (25)

N. P. Padture, M. Gell, E. H. Jordan, Science, 296 (2002) 280.

상세보기
R. Vassen, M. O. Jarligo, T. Steinke, D. E. Mack, D. Stover, Surf. Coat. Technol., 205 (2010) 938.

상세보기
D. R. Clarke, M. Oechsner, N. P. Padture, MRS Bull., 37 (2012) 891.

상세보기
C. G. Levi, Curr. Opi. in Solid State and Mater. Sci., 8 (2004) 77.

상세보기
R. Vassen, X. Cao, F. Tietz, D. Basu, D. Stover, J. Am. Ceram. Soc., 83 (2000) 2023.

상세보기
W. Pan, S. R. Phillpot, C. Wan, A. Chernatynskiy, Z. Qu, MRS Bull., 37 (2012) 917.

상세보기
X. Q. Cao, R. Vassen, D. Stoever, J. Euro. Ceram. Soc., 24 (2004) 1.

상세보기
J. Wu, X. Wei, N. P. Padture, P. G. Klemens, M. Gell, E. Garcla, P. Miranzo, M. I. Osendi, J. Am. Ceram. Soc., 85 (2002) 3031.

상세보기
C. Wang, Y. Wang, Y. Cheng, W. Huang, Z.S. Khan, X. Fan, Y. Wang, B. Zou, X. Cao, J. Mater. Sci., 47 (2012) 4392.

상세보기
J. W. Fergus, Metall. Mater. Trans. E, (2014) 1.
W.-J. Lee, B.-K. Jang, D.-S. Lim, Y.-S. Oh, S.-W. Kim, H.-T. Kim, H. Araki, H. Murakami, S. Kuroda, J. Kor. Ceram. Soc., 50 (2013) 353 (Korean).

원문보기 상세보기
A. R. Evans, Acta Mater., 48 (2000) 3963.

상세보기
S. K. H. Guo, and H. Murakami, J. Am. Ceram. Soc., 89 (2006) 1432.

상세보기
Y. H. Yang, C. Y. Park, W. J. Lee, S. J. Kim, S. M. Lee, S. Kim, H. T. Kim, Y. S. Oh, J. Kor. Inst. Surf. Eng., 46 (2013) 258 (Korean).

원문보기 상세보기
K. VanEvery, M. J. M. Krane, R. W. Trice, H. Wang, W. Porter, M. Besser, D. Sordelet, J. Ilavsky, J. Almer, J. Therm. Spray Technol., 20 (2011) 817.

상세보기
A. Guignard, G. Mauer, R. Vaßen, D. Stover, J. Therm. Spray Technol., 21 (2012) 416.

상세보기
H. Kassner, R. Siegert, D. Hathiramani, R. Vassen, D. Stoever, J. Therm. Spray Technol., 17 (2007) 115.
W.-J. Lee, C.-S. Kwon, S. Kim, Y.-S. Oh, H.-T. Kim, D.-S. Lim, J. Kor. Powd. Metall. Inst., 20 (2013) 445 (Korean).

원문보기 상세보기
W. J. Lee, Y. S. Oh, S. M. Lee, H. T. Kim, D. S. Lim, S. Kim, J. Kor. Ceram. Soc., 51 (2014) 598 (Korean).

원문보기 상세보기
C. S. Kwon, S. M. Lee, Y. S. Oh, H. T. Kim, B. K. Jang, S. Kim, J. Kor. Powd. Met. Inst., 20 (2013) 453 (Korean).

원문보기 상세보기
D. Michel, R. Collongues, J. Raman Spectro., 5 (1976) 163.

상세보기
R. Leckie, S. Kramer, M. Ruhle, C. Levi, Acta Mater., 53 (2005) 3281.

상세보기
C. Delbos, J. Fazilleau, V. Rat, J. F. Coudert, P. Fauchais, B. Pateyron, Plasma Chem. Plasma Proces., 26 (2006) 393.

상세보기
C. Wan, W. Pan, Q. Xu, Y. Qin, J. Wang, Z. Qu, M. Fang, Phys. Rev. B, 74 (2006) 144109.

상세보기
H. Lehmann, D. Pitzer, G. Pracht, R. Vassen, D. Stover, J. Am. Ceram. Soc., 86 (2003) 1338.

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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].

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