[논문]서스펜션 진공 플라즈마 용사법을 통한 YSZ 코팅의 형성

유연우; 변응선

doi:10.5695/jkise.2017.50.6.460

서스펜션 진공 플라즈마 용사법을 통한 YSZ 코팅의 형성
Formation of YSZ Coatings Deposited by Suspension Vacuum Plasma Spraying 원문보기

한국표면공학회지 = Journal of the Korean institute of surface engineering, v.50 no.6, 2017년, pp.460 - 464

유연우 (재료연구소 표면기술연구본부 플라즈마공정연구실) , 변응선 (재료연구소 표면기술연구본부 플라즈마공정연구실)

Abstract ▼ AI-Helper

As increasing thermal efficiency of the gas turbine, the performance improvement of thermal barrier coatings is also becoming important. Ytrria stabilized zirconia(YSZ) is the most popular materials for ceramic top coating because of its low thermal conductivity. In order to enhance the performance of thermal barrier coatings for hot sections in the gas turbine, suspension plasma spraying was developed in order to feed nano-sized powders. YSZ coatings formed by suspension plasma spraying showed better performance than YSZ coatings due to its exclusive microstructure. In this research, two YSZ coatings were deposited by suspension vacuum plasma spraying at 400 mbar and 250 mbar. Microstructures of YSZ coatings were analyzed by scanning electron image(SEM) on each spraying conditions, respectively. Crystalline structure transformation was not detected by X-ray diffraction. Thermal conductivity of suspension vacuum plasma sprayed YSZ coatings were measured by laser flash analysis. Thermal conductivity of suspension vacuum plasma sprayed YSZ coatings containing horizontally oriented nano-sized pores and vertical cracks showed $0.6-1.0W/m{\cdot}K$, similar to thermal conductivity of YSZ coatings formed by atmospheric plasma spraying.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

하지만 서스펜션 대기 플라즈마 용사 공정은 사용하는 분말의 크기가 작고, 서스펜션 내 분산매에 플라즈마 화염의 엔탈피를 소비하기 때문에 코팅의 형성 속도가 기존 플라즈마 용사 공정 대비 현저히 낮다는 단점이 존재한다. 본 연구에서는 위와 같은 단점을 보완하기 위하여 플라즈마 화염의 크기가 진공 중에서 커지는 것에 착안하여 진공 플라즈마 용사 장치를 이용하여 YSZ 코팅을 형성하였다.
본 연구에서는 진공 서스펜션 플라즈마 용사 공정을 이용하여 YSZ 코팅을 형성하였으며, 형성된 미세 조직과 결정 구조, 열전도도 특성을 분석하였다. 400 mbar와 250 mbar에서 YSZ 코팅을 형성하였으며, 그 미세 구조와 열전도도 특성을 분석하였다.

가설 설정

대기 플라즈마 용사 공정을 통해 형성된 YSZ 코팅은 낮은 열전도율을 보이나 반복 열 피로 스트레스로 인한 박리 현상 때문에 열 수명이 짧은 단점을 가지고 있다. 전자빔 물리 기상 증착법을 통해 형성된 YSZ 코팅은 반복 열 피로 스트레스로 인한 박리 현상이 적어 열 수명이 우수하다는 장점은 있지만 특유의 미세 구조로 인해 열전도도가 크다는 단점이 존재한다. 따라서 열전도도가 낮으면서 열 수명이 우수한 코팅을 형성하기 위해 서스펜션을 이용한 용사 공정이 개발되고 있다[5,6].

제안 방법

본 연구에서는 진공 서스펜션 플라즈마 용사 공정을 이용하여 YSZ 코팅을 형성하였으며, 형성된 미세 조직과 결정 구조, 열전도도 특성을 분석하였다. 400 mbar와 250 mbar에서 YSZ 코팅을 형성하였으며, 그 미세 구조와 열전도도 특성을 분석하였다. 기존의 대기 플라즈마 용사 공정을 통해 형성된 YSZ 코팅의 미세 구조와 달리 나노미터 크기의 기공과 수직 크랙을 갖는 미세 구조의 YSZ 코팅을 서스펜션 진공 플라즈마 용사 공정으로 얻을 수 있었다.
형성된 YSZ 코팅의 단면 미세 구조를 분석하기 위하여 시편을 절단한 뒤 epoxy resin을 이용하여 mounting하였으며, scanning electron microscopy (SEM, JEOL, IT-300)을 이용하여 분석하였다. 또한 코팅의 결정성을 살펴 보기 위해 코팅의 X-ray diffraction 장치(XRD, PANalytical)를 이용하여 결정성을 확인하였다. 이때 측정 조건은 λ = 1.
플라즈마 토치를 6축 로봇에 체결함으로서 대면적 혹은 평판 외의 시편에도 균일한 코팅을 형성할 수 있도록 하였다. 위 장치에 자체 개발한 서스펜션 공급 장치를 활용하여 YSZ 서스펜션을 진공 플라즈마 용사 장치 내부로 이송 및 주입하였다.
2 sec/step으로 측정하였다. 코팅의 열전도도 측정을 위하여 NiCoCrAlY 본드 코팅을 형성시킨 직경 12.65 mm의 시편에 같은 방법으로 200 μm 이상의 YSZ 코팅을 형성하였으며, laser flash analysis(LFA, NETZSCH, LFA 467 HyperFlash)을 이용하여 열확산계수를 측정하였다.
형성된 YSZ 코팅의 단면 미세 구조를 분석하기 위하여 시편을 절단한 뒤 epoxy resin을 이용하여 mounting하였으며, scanning electron microscopy (SEM, JEOL, IT-300)을 이용하여 분석하였다. 또한 코팅의 결정성을 살펴 보기 위해 코팅의 X-ray diffraction 장치(XRD, PANalytical)를 이용하여 결정성을 확인하였다.

대상 데이터

YSZ 코팅은 NiCoCrAlY 본드 코팅이 형성된 Ni계 초내열합금 위에 형성되었으며, 400 mbar, 250 mbar의 공정 압력에서 형성되었다. 진공 플라즈마 용사 공정에 사용된 플라즈마 가스로는 Ar과 H₂가 사용되었으며, 분위기 가스로는 N₂가 사용되었다.
YSZ 코팅을 형성 하기 위한 출발 물질로 서스펜션 형태의 YSZ 농축 용액(Northwest Mettech corp., suspension)을 사용하였다. YSZ 농축 용액 내 YSZ 분말의 크기와 입도 분포는 아래 그림 1과 같으며 평균 직경(d₅₀)이 0.
농축 용액을 농도에 맞게 칭량 후 1000 ml 폴리프로필렌 병에 넣고, 분산매로 에탄올(99.9%)을 사용하여 혼합하여 사용하였다.
YSZ 코팅은 NiCoCrAlY 본드 코팅이 형성된 Ni계 초내열합금 위에 형성되었으며, 400 mbar, 250 mbar의 공정 압력에서 형성되었다. 진공 플라즈마 용사 공정에 사용된 플라즈마 가스로는 Ar과 H₂가 사용되었으며, 분위기 가스로는 N₂가 사용되었다. 플라즈마 가스로 사용된 Ar과 H₂의 유량은 각각 30 SLM, 12 SLM이었으며, 형성된 플라즈마 화염의 전류 값과 전압 값은 각각 700 A와 77 V으로 유지하였다.

성능/효과

400 mbar와 250 mbar에서 YSZ 코팅을 형성하였으며, 그 미세 구조와 열전도도 특성을 분석하였다. 기존의 대기 플라즈마 용사 공정을 통해 형성된 YSZ 코팅의 미세 구조와 달리 나노미터 크기의 기공과 수직 크랙을 갖는 미세 구조의 YSZ 코팅을 서스펜션 진공 플라즈마 용사 공정으로 얻을 수 있었다. 형성된 YSZ 코팅의 결정구조 분석 결과 분말의 환원이나 결정구조 변화 없이 정방정계 결정구조를 갖는 ZrO₂코팅이 형성되었음을 확인하였다.
그림 2(a)는 대기 플라즈마 용사 공정을 통해 형성된 YSZ 코팅의 SEM 이미지이며, 그림 2(b)는 400 mbar의 공정 압력에서 서스펜션 진공 플라즈마 용사 공정을 통해 형성된 YSZ 코팅의 SEM 이미지이다. 대기 플라즈마 용사 공정을 통해 형성된 YSZ 코팅의 미세 구조는 마이크로 크기의 기공과 라멜라구조로 적층된 스플랫(splat)과 스플랫 사이의 수평 방향 크랙으로 구성되어 있는 반면, 서스펜션 진공 플라즈마 용사 공정을 통해 형성된 YSZ 코팅의 미세 구조는 라멜라구조 사이의 수평 방향 크랙 없이 나노미터 사이즈의 기공과 수직 방향 크랙이 포함되어 있음을 알 수 있었다. 또한 400 mbar에서 형성된 YSZ 코팅의 하부에 비해 상부의 코팅이 기공을 많이 포함하고 있으며, 수직 방향 크랙을 포함하고 있음을 확인할 수 있었다.
측정한 열확산계수 값과 코팅의 밀도, 비열을 대입하여 열전도도를 계산한 값이 그림 5에 나타내어져 있다. 두 코팅 모두 YSZ가 갖고 있는 2.5 W/m·K보다는 낮은 열전도도 값을 보이는 것을 확인할 수 있었다. YSZ가 본래 가지고 있는 열전도도보다 코팅의 열전도도가 낮은 값을 보이는 것은 코팅 내부에 분포하고 있는 기공의 영향 때문인데, 코팅의 수직방향으로 전도되는 열 흐름을 코팅 내부의 기공이나 크랙이 방해하기 때문이다[7,8].
대기 플라즈마 용사 공정을 통해 형성된 YSZ 코팅의 미세 구조는 마이크로 크기의 기공과 라멜라구조로 적층된 스플랫(splat)과 스플랫 사이의 수평 방향 크랙으로 구성되어 있는 반면, 서스펜션 진공 플라즈마 용사 공정을 통해 형성된 YSZ 코팅의 미세 구조는 라멜라구조 사이의 수평 방향 크랙 없이 나노미터 사이즈의 기공과 수직 방향 크랙이 포함되어 있음을 알 수 있었다. 또한 400 mbar에서 형성된 YSZ 코팅의 하부에 비해 상부의 코팅이 기공을 많이 포함하고 있으며, 수직 방향 크랙을 포함하고 있음을 확인할 수 있었다.
대기 플라즈마 용사 공정으로 형성된 YSZ 코팅의 경우, 라멜라구조에서 기인되는 수평 방향 크랙으로 인해 수직 방향으로 전달되는 열 흐름이 방해 받게 되고, 이로 인해 낮은 열전도도 값을 갖게 된다. 본 연구에서 진공 서스펜션 플라즈마 용사 공정을 통해 형성된 YSZ 코팅은 대기 플라즈마 용사 공정으로 형성된 YSZ 코팅의 열전도도 값인 0.6~1.0 W/m·K와 비슷한 값을 가지는 것을 확인할 수 있다[9-14]. 250 mbar에서 형성된 YSZ 코팅이 400 mbar에서 형성된 YSZ 코팅에 비해 더 낮은 열전도도 값을 보이는 것은 코팅의 미세 조직 차이에서 기인한다.
ZrO₂는 상온에서 단사정계 결정 구조로 존재하지만 YSZ 분말의 경우 결정 내 Y₂O₃의 존재로 인해 상온에서 정방정계 결정 구조로 존재한다. 서스펜션 진공 플라즈마 용사 공정을 통해 고온의 플라즈마 화염 내부에서도 산화물 분말의 환원이나 고온으로 인한 상변화 없이 정방정계 구조를 갖는 YSZ 코팅이 형성되었음을 확인할 수 있었다.
형성된 YSZ 코팅의 열전도도 특성 분석 결과 하부 모재에 비해 매우 낮은 수준의 열확산계수 값을 보였으며, 기공율이 낮은 코팅이 형성되었음에도 불구하고 대기 플라즈마 용사 공정을 통해 형성된 YSZ 코팅의 열전도도 값과 비슷한 수준의 열전도도 특성을 보였다. 서스펜션을 이용한 진공 플라즈마 용사 공정을 통해 YSZ 코팅이 성공적으로 형성되었으며, 그 특성 또한 대기 플라즈마 용사 공정을 통해 형성된 YSZ 코팅과 비교하여 비슷하거나 우수하였다. 추후 열 수명 평가 등을 통해 열차폐 코팅으로서 특성을 비교해야 할 것으로 사료된다.
기존의 대기 플라즈마 용사 공정을 통해 형성된 YSZ 코팅의 미세 구조와 달리 나노미터 크기의 기공과 수직 크랙을 갖는 미세 구조의 YSZ 코팅을 서스펜션 진공 플라즈마 용사 공정으로 얻을 수 있었다. 형성된 YSZ 코팅의 결정구조 분석 결과 분말의 환원이나 결정구조 변화 없이 정방정계 결정구조를 갖는 ZrO₂코팅이 형성되었음을 확인하였다. 형성된 YSZ 코팅의 열전도도 특성 분석 결과 하부 모재에 비해 매우 낮은 수준의 열확산계수 값을 보였으며, 기공율이 낮은 코팅이 형성되었음에도 불구하고 대기 플라즈마 용사 공정을 통해 형성된 YSZ 코팅의 열전도도 값과 비슷한 수준의 열전도도 특성을 보였다.
형성된 YSZ 코팅의 결정구조 분석 결과 분말의 환원이나 결정구조 변화 없이 정방정계 결정구조를 갖는 ZrO₂코팅이 형성되었음을 확인하였다. 형성된 YSZ 코팅의 열전도도 특성 분석 결과 하부 모재에 비해 매우 낮은 수준의 열확산계수 값을 보였으며, 기공율이 낮은 코팅이 형성되었음에도 불구하고 대기 플라즈마 용사 공정을 통해 형성된 YSZ 코팅의 열전도도 값과 비슷한 수준의 열전도도 특성을 보였다. 서스펜션을 이용한 진공 플라즈마 용사 공정을 통해 YSZ 코팅이 성공적으로 형성되었으며, 그 특성 또한 대기 플라즈마 용사 공정을 통해 형성된 YSZ 코팅과 비교하여 비슷하거나 우수하였다.

후속연구

추후 열 수명 평가 등을 통해 열차폐 코팅으로서 특성을 비교해야 할 것으로 사료된다. 대기 플라즈마 용사 공정으로 형성된 YSZ 코팅 대비 동등 혹은 우수한 열전도도 특성이나 미세조직으로 판단했을 때 차세대 가스터빈의 열차폐 코팅에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
서스펜션을 이용한 진공 플라즈마 용사 공정을 통해 YSZ 코팅이 성공적으로 형성되었으며, 그 특성 또한 대기 플라즈마 용사 공정을 통해 형성된 YSZ 코팅과 비교하여 비슷하거나 우수하였다. 추후 열 수명 평가 등을 통해 열차폐 코팅으로서 특성을 비교해야 할 것으로 사료된다. 대기 플라즈마 용사 공정으로 형성된 YSZ 코팅 대비 동등 혹은 우수한 열전도도 특성이나 미세조직으로 판단했을 때 차세대 가스터빈의 열차폐 코팅에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	열차폐 코팅은 어떤 목적으로 사용되는가?	열차폐 코팅은 발전용/항공용 가스터빈의 고온 부품, 로켓 엔진 연소기 고온 부품 등 고온의 환경에서 하부 금속 모재를 보호하는 용도로 사용되고 있으며, 세라믹 탑 코팅과 금속 본드 코팅으로 이루어져 있다. 세라믹 탑 코팅은 낮은 열전도도로 인해 모재에 가해지는 열부하를 경감하는 역할을 하며, 금속 본드 코팅은 세라믹 탑 코팅과 하부 금속모재의 열팽창 계수 차이로 인해 누적된 반복 열피로로 인한 박리 현상을 방지하는 역할을 한다.
	Yttria stabilized zirconia (YSZ) 코팅이 열차폐 코팅의 탑 코팅 부분 소재로 널리 사용되고 있는 배경은 무엇인가?	세라믹 탑 코팅은 낮은 열전도도로 인해 모재에 가해지는 열부하를 경감하는 역할을 하며, 금속 본드 코팅은 세라믹 탑 코팅과 하부 금속모재의 열팽창 계수 차이로 인해 누적된 반복 열피로로 인한 박리 현상을 방지하는 역할을 한다. Yttria stabilized zirconia(YSZ)는 낮은 열전도도와 높은 상안정성의 장점으로 인해 열차폐 코팅의 탑 코팅 부분 소재로 널리 사용되고 있다. YSZ 코팅을 형성하기 위해 대기 플라즈마 용사(atmospheric plasma spraying, APS), 전자빔 물리 기상 증착법(electron beam physical vapor deposition, EB-PVD) 등이 사용되고 있다[1-4].
	열차폐 코팅을 이루는 세라믹 탑 코팅과 금속 본드 코팅은 각각 어떤 역할을 하는가?	열차폐 코팅은 발전용/항공용 가스터빈의 고온 부품, 로켓 엔진 연소기 고온 부품 등 고온의 환경에서 하부 금속 모재를 보호하는 용도로 사용되고 있으며, 세라믹 탑 코팅과 금속 본드 코팅으로 이루어져 있다. 세라믹 탑 코팅은 낮은 열전도도로 인해 모재에 가해지는 열부하를 경감하는 역할을 하며, 금속 본드 코팅은 세라믹 탑 코팅과 하부 금속모재의 열팽창 계수 차이로 인해 누적된 반복 열피로로 인한 박리 현상을 방지하는 역할을 한다. Yttria stabilized zirconia(YSZ)는 낮은 열전도도와 높은 상안정성의 장점으로 인해 열차폐 코팅의 탑 코팅 부분 소재로 널리 사용되고 있다.

참고문헌 (14)

Haynes, J.A., Ferber, M.K., Porter, W.D., Rigney, E.D., Characterization of alumina scales formed during isothermal and cyclic oxidation of plasmasprayed TBC systems at $1150^{\circ}C$ , Oxidation of Metals, 52(1) (1999), 31-76.

상세보기
Khan, A.N., Lu, J., Behavior of air plasma sprayed thermal barrier coatings, subject to intense thermal cycling, Surf. and Coat. Tech., 166 (1) (2003), 37-43.

상세보기
Smialek, J.L., Compiled furnace cyclic lives of EB-PVD thermal barrier coatings, Surf. and Coat. Tech., 276 (2015), 31-38.

상세보기
Sohn, Y.H., Kim, J.H., Jordan, E.H., Gell, M., Thermal cycling of EB-PVD/MCrAlY thermal barrier coatings: I. Microstructural development and spallation mechanisms, Surf. and Coat. Tech., 146- 147 (2001), 70-78.

상세보기
Musalek, R., Bertolissi, G., Medricky, J., Kotlan, J., Pala, Z., Curry, N., Feasibility of suspension spraying of yttria-stabilized zirconia with waterstabilized plasma torch, Surf. and Coat. Tech., 268 (2015), 58-62.

상세보기
Mahade, S., Curry, N., Bjorklund, S., Markocsan, N., Nylen, P., Thermal conductivity and thermal cyclic fatigue of multilayered Gd2Zr2O7/YSZ thermal barrier coatings processed by suspension plasma spray, Surf. and Coat. Tech., 283 (2015), 329-336.

상세보기
M. V. Swain, L. F. Johnson, R. Syed, D. P. H. Hasselman, Thermal diffusivity, heat capacity and thermal conductivity of porous partially stabilized zirconia, J. Mater. Sci. Lett., 5(8) (1986), 799-802.

상세보기
Bertrand, G., Bertrand, P., Roy, P., Rio, C., Mevrel, R., Low conductivity plasma sprayed thermal barrier coating using hollow psz spheres: Correlation between thermophysical properties and microstructure, Surf. and Coat. Tech., 202 (2008), 1994-2001.

상세보기
D. Schwingel, R. Taylor, T. Haubold, J. Wigren, C. Gualco, Mechanical and thermophysical properties of thick PYSZ thermal barrier coatings: correlation with microstructure and spraying parameters, Surf. and Coat. Tech., 108-109 (1998), 99-106.

상세보기
S. Sampath, Thermal Sprayed Ceramic Coatings: Fundamental Issues and Application Considerations, Int. J. Mater. Product Technol., 35(4) (2009), 425-448.

상세보기
G. Antou, G. Montavon, F. Hlawka, A. Cornet, C. Coddet, and F.Machi, Evaluation of Modifications Induced on Pore Network and Structure of Partially Stabilized Zirconia Manufactured by Hybrid Plasma Spray Process, Surf. Coat. Tech., 180-81 (2004), 627-632.
C.A. Johnson, J.A. Ruud, R. Bruce, and D. Wortman, Relationships Between Residual Stress, Microstructure and Mechanical Properties of Electron Beam-Physical Vapor Deposition Thermal Barrier Coatings, Surf. Coat. Tech., 108-109 (1998), 80-85.

상세보기
P. Bengtsson and T. Johannesson, Characterization of Micro-structural Defects in Plasma-Sprayed Thermal Barrier Coatings, J. Therm. Spray Tech., 4(3) (1995), 245-251.

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Y. Tan, V. Srinviasan, T. Nakamura, S. Sampath, P. Bertrand and G. Bertrand, Optimizing Compliance and Thermal Conductivity of Plasma Sprayed Thermal Barrier Coatings via Controlled Powders and Processing Strategies, J. Therm. Spray Tech., 21(5) (2012), 950-962.

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표제어: PCR

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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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