[논문]열차폐 코팅 기술 및 응용현황

곽찬원

열차폐 코팅 기술 및 응용현황 원문보기

세라미스트 = Ceramist, v.19 no.3, 2016년, pp.46 - 56

곽찬원 ((주)세원하드페이싱)

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문제 정의

용사 코팅법으로 형성한 코팅층의 경우에는 일반적으로 많은 기공이 존재하는 코팅층이나, 보다 기공이 많이 존재하는 다공성 코팅층을 갖기 위해서는 용사 코팅에 사용되는 분말의 크기가 크고 중공형상의 분말이 사용 한다면 다공성 코팅층을 형성할 수 있다. 본 고에서는 상용 YSZ 용사분말과 개발된 YSZ 용사분말을 적용하여 플라즈마 용사 코팅 장비(Triplex Pro-200, Oerlikon Metco)을 이용하여 코팅조건을 변화시켜 형성된 코팅층의 특성을 비교 분석 하고자 하였다.
따라서 YSZ 용사 분말을 고순도로 제조한 분말의 경우 TIT 1,450~1,500 ℃에서 사용가능하다고 알려져 있다. 본고에서는 ㈜세원하드페이싱에서 개발한 열차폐용 YSZ 용사 분말과 용사 코팅층 특성을 나타내었다.

제안 방법

도넛상의 열처리된 YSZ 용사 분말은 구형상의 열처리 YSZ 분말보다 낮은 기공율을 나타내는 원인은 도넛형태의 경우 구형상 보다 플라즈마 화염에 노출되는 표면이 많아진다. 따라서 동일한 크기의 분말이라도 보다 많은 영역에서 용융됨으로서 구형상 YSZ 용사분말과 비교하여 낮은 기공을 갖는 코팅구조가 얻어졌다.
일반적인 보드 코팅 방법은 고속화염용사(High velocity Oxy-Fuel), 대기플라즈마용사(Atmosphere plasma spray, APS), 진공플라즈마용사(Vacuum plasma spray, VPS)를 이용하여 코팅한다. 본 실험은 그중 대기플라즈마 코팅방식으로 진행하였고 장비 및 코팅조건은 다음과 같다.
본드코팅을 위해 Ni계 초내열 합금 모재(Φ 1 inch T= 5 mm, Inconel 718)를 #40(약 200 ㎛)의 Fused Al2O3 모래를 이용하여 4 kg/cm2 공기압의 압축 공기와 함께 분사하여 모재의 표면의 조도를 형성 및 이물질 제거 후 용사 코팅을 실시하였고 이때 모재 표면의 조도는 평균 5 ㎛ 내외가 되도록 하였다.
수직 균열 형성 시험을 하기 위한 시험편의 용사 코팅조건 및 열처리 시험을 Fig. 13.의 용사 코팅 조건표의 조건으로 코팅 시험편을 제작 하였으며, 코팅 및 열처리 시험에 있어서 용사 건과 기판 간의 거리에 따라서 형성되어지는 수직 균열의 형태 및 미세구조 차이에 대하여 비교 분석 하고자 하였다.
용사 분말의 크기가 클 때 부분 용융 입자의 존재와 큰 액적간 기공에 의해 높은 기공율을 갖는 코팅층이 만들어진 반면, 용사 분말 작을수록 입자가 작을수록 액적간 기공의 작아짐과 더불어 완전 용융화되어 치밀한 코팅막을 얻을 수 있었다. 열차폐 코팅구조중 열응력에 유리하다고 알려진 수직크랙 형성을 유도하기 위해서는 일반적으로 용사코팅 후 용사 코팅층에 열충격에 의한 열응력을 발생시켜 수직크랙을 구현 할 수 있는데 우선적으로 치밀한 코팅층을 가진 시편을 제조한 후 조건별 플라즈마 화염으로 코팅층에 열응력을 가하여 변화된 미세조직을 살펴보았다.

대상 데이터

본 고에서는 Amdry 386-2(Oerlikon Metco)를 적용하였으며, 분말의 조성비와 입자사이즈 등의 특성을 아래 Table에 나타내었다.
본드 코팅층의 재료로는 상용화 분말인 Amdry 386-2 분말을 사용하였으며, Amdry 962의 경우 내산화성 및 내 부식성이 높은 Ni계 합금 구형 분말로, 분말의 크기 범위는 5~88㎛이다. 일반적으로 본드 코팅층에 사용되는 분말과 마찬가지로 세라믹 및 금속 재료의 열팽창계수 중간 값을 가져서 열팽창계수 차이에서 오는 열응력을 완화시킬 수 있는 재료 분말이다.

성능/효과

반면, 개발된 구형상의 열처리된 YSZ 용사 분말은 작은 1차 입자들이 응집된 형태로서 플라즈마 용사 코팅 공정중 화염에 의해 외부는 melting되고 녹지 않은 내부의 1차 입자들이 나노기공 구조를 형성하여 높은 기공율을 갖는 코팅 구조를 얻을 수 있었다. 도넛상의 열처리된 YSZ 용사 분말은 구형상의 열처리 YSZ 분말보다 낮은 기공율을 나타내는 원인은 도넛형태의 경우 구형상 보다 플라즈마 화염에 노출되는 표면이 많아진다.
수직크랙을 갖는 용사코팅 조건 및 열응력 처리하여 분석한 결과 용사 코팅조건의 건거리 125 mm 조건에서 코팅된 시편을 75, 100, 125 mm로 건거리를 달리하여 플라즈마에 의한 열응력을 가한 결과 건거리 75 mm 조건에서는 큰 열응력에 의해 수직크랙과 수평 크랙을 동시에 갖는 미세조직을 얻을 수 있었고, 100~125 mm의 플라즈마 열처리 조건에서는 용사건과 시험편의 거리가 멀기 때문에 시험편에 가해지는 열응력이 작게 작용하여 코팅층의 조직에 변화가 발생하지 않았다. 그리고 용사 코팅공정 중에 건거리 125 mm에서는 플라즈마에 의해 충분히 YSZ 용사분말이 완전히 melting되어 치밀한 미세구조를 가지게 되어 열응력이 가해져도, 쉽게 표면 수축에 의한 수직 크랙이 발생되지 않은 결과라 생각된다.
12에 나타내었다. 용사 분말의 크기가 클 때 부분 용융 입자의 존재와 큰 액적간 기공에 의해 높은 기공율을 갖는 코팅층이 만들어진 반면, 용사 분말 작을수록 입자가 작을수록 액적간 기공의 작아짐과 더불어 완전 용융화되어 치밀한 코팅막을 얻을 수 있었다. 열차폐 코팅구조중 열응력에 유리하다고 알려진 수직크랙 형성을 유도하기 위해서는 일반적으로 용사코팅 후 용사 코팅층에 열충격에 의한 열응력을 발생시켜 수직크랙을 구현 할 수 있는데 우선적으로 치밀한 코팅층을 가진 시편을 제조한 후 조건별 플라즈마 화염으로 코팅층에 열응력을 가하여 변화된 미세조직을 살펴보았다.
이는 용사 거리가 길어짐에 따라 용융 분말(액적)이 냉각에 의해 표면 의고 후 모재에 융착되어 많은 기공이 형성 되어진 것으로 판단되어진다. 전류 500A, 530A 조건에서는 470A에 비해 높은 화염 온도로 인해 용융 분말의 온도가 보다 높아 비교적 용사 거리에 따른 코팅조직의 변화는 극히 미미한 결과를 얻을 수 있었다.
Table 4. 조건으로 용사 코팅된 본드 코팅층은 전형적인 용사 코팅층인 lamellar 구조로 형성되었음을 확인할 수 있었다.
에서 코팅층 단면 미세구조를 보면 전류 470A일 때에는 건거리가 가까울 때 기공이 많은 코팅구조를 형성하였고, 전류 500A일 때도 건거리가 가까울 때 기공이 많은 구조를 갖는 코팅층이 형성되었다. 즉, 건거리가 가까울 때 플라즈마 화염의 온도와 상관없이 열원에 노출되는 시간이 짧아서 용사 분말이 완전 용융되지 않아 splat간 큰 기공이 형성됨을 알 수 있었다. 또한 건거리 75 mm 조건에서 용사 코팅층의 비교분석을 통해 전류값이 높아질수록 치밀한 코팅구조가 형성되어짐을 알 수 있는데, 이는 플라즈마 화염 온도가 올라감에 따라 분말의 용융 정도가 높아졌기 때문이라 판단되어진다.

후속연구

용사코팅 산업의 경우 특히 불황기에 원가절감, 품질향상에 대한 수요가 증가하고 있으며, 다양한 산업분야에 적용이 가능하다. 자동차 분야에서는 엔진내부의 연소실의 열효율을 높이기 위해 열차폐 코팅 적용을 연구 진행하고 있으며, 앞서 살펴본 바와 같이 가스터빈분야에서 가장 많이 활용될 것으로 생각되어진다. 가스터빈은 항공기뿐만 아니라 터빈발전기에서도 쓰이며 부품별로 TBC 코팅의 활용이 50~80%까지 적용되고 있으므로 그 활용도가 매우 높다.
국내 총 64기(1,640MW)의 가스터빈이 가동 중이지만 국산 고유 모델은 단 한기도 없다. 향후 2020년대 초까지 40~50여기의 대형가스터빈(100MW이상)이 추가로 건설될 예정으로 국내의 가스터빈 발전은 100조원(제조, 수리 모두포함) 규모를 형성할 것으로 기대된다. 용사 코팅 시장의 규모는 최초설비구축에 많은 비용이 소요되나 지속적이고 반복적인 용사 재코팅을 통한 설비유지보수비용이 월등하게 많은 비용이 사용되는 점을 가만하면 용사 코팅시장의 무한한 발전가능성을 확인 할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	열차폐를 위해 중요한 것은?	열차폐를 위해서는 그에 맞는 소재선택이 매우 중요한 부분을 차지하므로 열차폐 코팅이 사용되어지는 환경이나 모재의 특징에 따라 소재적용 여부를 결정해야 한다. 우선적으로 열차폐 코팅소재로서의 특징으로 고려되어야 할 점은 사용온도, 열전도도, 내산화-내부식-내마모 등이 있으며, 특히 모재와 열차폐 소재간의 열팽창계수를 염두 해 두어 부품의 잦은 가열 및 냉각에 의해 반복적인 열응력의 발생 시에 모재와 코팅소재들의 열팽창계수의 차이를 적게 하여 코팅층간의 열팽창계수의 차이에 의한 박리현상을 예방할 수 있도록 하는 것이 중요하다 하겠다.
	용사코팅이란?	용사코팅이라 함은 분말형태의 재료를 고온의 화염이나 플라즈마 등의 열원을 통해 재료를 용융(액적화)시켜 비활성 이송 가스(주로 N2 또는 Ar)를 통해 빠른 속도로 모재의 표면에 분사 응고되면서 표면층을 형성하는 코팅법으로 모재의 내열 및 내구성 향상을 위해 적용하기에 적합한 표면처리 방법으로 특히 고온의 열원을 사용하는 공정 기술이므로 고 융점의 소재 코팅하는데 효과적인 코팅방법이다[9]. 열차폐 코팅층의 구조는 기공을 많이 포함하고 있는 Porous한 미세구조로 크게 적용되어지는 미세구조는 적층형 미세구조(Lamellar structure) [3,4,7,9]와 수직 분리형 미세구조(Columnar structure)[1,2,5,6]로 나눌 수 있으며, 이는 미세구조 형성 코팅방법에 따라 코팅층의 미세구조가 다르게 나타난다.
	초고온-고압의 극한 환경에서 초내열합금개발, 냉각기술, 열차폐 기술 등의 개발이 이루어지는 이유는?	초고온-고압의 극한 환경에서 사용하는 용도로 개발되고 있는 기술은 초내열합금개발, 냉각기술, 열차폐 코팅[1-6, 9] 등의 다양한 방면으로 개발이 이루어지고 있다. 이는 장비가 더 높은 온도와 압력에서 가동되어질수록 에너지 효율이 높기 때문이다. 특히 공정비용이 저렴하고 고온고압의 환경에서 발생할 수 있는 산화, 부식 및 마모 등의 악영향으로부터 모재를 보호하는 기능을 발휘할 수 있는 열차폐 코팅에 적용되는 저 열전도도성 소재와 코팅 공정 기술 방법에 관한 연구가 활발히 진행되어지고 있다.

참고문헌 (9)

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Mark F. Smith, Aaron C. Hall, James D. Fleetwood and Philip Meyer, "Very Low Pressure Plasma Spray-A Review of an Emerging Technology in the Thermal Spray Community", Coatings 2011, 1, 117-132.

상세보기
L. swadzba, G. moskal, B. Mendala, T. Gancarczyk, "Characterization of air plasma sprayed TBC coating during isothermal oxidation at $1100^{\circ}C$ ", journal of achievements in materials and manufacturing engineering, volume 21 issue 2 April 2007.
Michael Aaron Helminiak, "Factors affecting the lifetime of thick air plasma sprayed thermal barrier coatings", BS, University of Pittsburgh, 2008.
R.G. Wellman, M.J. Deakin, J.R. Nicholls, "The effect of TBC morphology on the erosion rate of EB-PVD TBCs", Wear, volume 258, issues 1-4, pp. 349-356, 2005.

상세보기
Maurice Gella, Liangde Xiea, Xinqing Mab, Eric H. Jordanc, Nitin P. Padturea, "Highly durable thermal barrier coatings made by the solution precursor plasma spray process", Surface and Coatings Technology 177 -178 (2004) 97-102

상세보기
"Progress in Gas Turbine Performance", book edited by Ernesto Benini, ISBN 978-953-51-1166-5, Published: June 19, 2013 under CC BY 3.0 license. (C) The Author(s).
Abdullah Cahit Karaoglanli, Kazuhiro Ogawa, Ahmet Turk and Ismail Ozdemir, "Thermal Shock and Cycling Behavior of Thermal Barrier Coatings (TBCs) Used in Gas Turbines" DOI: 10.5772/54412
C.M. Cotell, J.A. Sprague, and F.A. Smidt, Jr., editors "Thermal Spray Coatings", ASM Handbook, Volume 5, Surface Engineering

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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