[논문]다층 코팅된 Stainless Steel의 고온 내삭마특성

최광수; 양원철; 김영주; 박준식; 김민규

doi:10.3740/mrsk.2018.28.3.135

다층 코팅된 Stainless Steel의 고온 내삭마특성
High Temperature Ablation Behaviors of Multilayer Coated Stainless Steel 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.28 no.3, 2018년, pp.135 - 141

최광수 (한밭대학교 신소재공학과) , 양원철 (한밭대학교 신소재공학과) , 김영주 (한밭대학교 신소재공학과) , 박준식 (한밭대학교 신소재공학과) , 김민규 (한밭대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Stainless steel is being used in various industries such as automobile and aerospace for its cheap manufacturing cost and excellent mechanical properties. However, stainless steel failed to stably protect a specimen with a $Cr_2O_3$ protective layer at temperatures above $1000^{\circ}C$. Thus, improving the high temperature flame resistance of the specimen through additional surface coating was needed. In this study, multilayer coatings of YSZ and $Al_2O_3$ were performed on SUS 304 specimens using pack cementation coatings and thermal plasma spray. The multilayer coated specimen showed enhanced thermal properties due to the coated layers. The microstructures and phase stability are discussed together with flame conditions at $1350^{\circ}C$.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

Al₂O₃ 코팅은 코팅과정에서 Al rich 코팅층으로 부터 생성된 표면의 Al₂O₃ 보호층과 이후의 YSZ 코팅층의 중간층의 역할과 열차폐의 역할을 하기 위한 세라믹 코팅층이다. 따라서, 플라즈마 용사 코팅 과정에서 생성되는 표면의 Al₂O₃ 산화층 위에 Al₂O₃ 를 플라즈마 용융분사로 코팅함으로써 코팅층 간의 열팽창 계수의 차이를 최소화 시키고자 하였다. 이후에 플라즈마 용사된 Al₂O₃ 코팅층 위에 YSZ를 추가로 코팅하였다.
본연구에서는 SUS 304 시편에 Al rich 확산 코팅 / Al₂O₃플라즈마 용융분사 중간층 / YSZ 플라즈마 용융 분사 열차폐 코팅층 공정을 거쳐 다층 코팅층을 제작 하였으며, 이러한 공정을 통하여 제작된 다층 코팅된 SUS 304를 1350 ℃ 5분 산소/LPG 토치를 이용해 화염 내삭마 실험을 진행한 결과, 우수한 내삭마 및 내산화 특성을 고찰하였다. 시편의 외관 이미지 및 시편의 단면 이미 지와 XRD의 분석결과, YSZ 및 Al₂O₃ 열차폐 코팅층를 통하여 시편으로 전달되는 열전달을 줄이고 확산코팅된 Al rich 코팅층은 모재와의 열팽창계수를 최소화하여 박리 없는 안정적으로 모재를 제조하여 모재를 보호 할 수있는 기초자료를 제시하였다.

가설 설정

Fig. 5는 각 제작 단계의 코팅층 외관 이미지로 (a) SUS 304, (b) Al 코팅한 시편, (c) Al₂O₃ 플라즈마 용융분사 코팅층 그리고 (d) YSZ 플라즈마 용융분사 코팅층이다. Fig.

제안 방법

Al 고온 확산 코팅조건인 700 ℃ 12시간은 4130 강 및스테인레스 강의 기존의 Al 고온 확산 코팅 조건을 참고하여 설계 하였다.^6,11) Fig.
1에 코팅 준비가 완료된 도가니와 코팅이 완료된 시편의 실제 이미지를 나타내었다. Al 고온 확산 코팅하여 제작된 시편의 표면 위에 Al₂O₃ , YSZ 열차폐 코팅층을 플라즈마 용융 분사 코팅법으로 차례로 추가 코팅하였다.^21,23) 플라즈마 용융 분사 코팅의 세부 코팅 조건은 Table 1에 나타내었다.
다층 코팅으로 제작된 시편은 산소/LPG 토치를 사용 하여 화염 내삭마 실험을 진행하였으며, 시험편과 토치의 거리는 10 cm로 위치 하고 1350 ℃의 온도에서 5분노출하여 화염 노출 전후의 무게를 비교하고 외관사진과 표면 및 단면 이미지를 주사전자현미경(SEM, HitachiSU5000)을 이용하여 관찰 하였다. Fig.
11은 SUS 304 시편의 전체 코팅 공정과 화염 내삭마 실험결과를 도식화한 것이다. 모재 시편은 고온 확산 코팅의 전처리 공정으로 샌드블라스팅 처리하여 표면적을 향상시키고 고온확산 코팅을 통해 Al rich 코팅층을 형성하였다. 추가적으로 Al₂O₃ 중간 열차폐 코팅층, YSZ 열차폐 코팅층을 플라즈마 용융 분사법으로 코팅 하였다.
본 연구에서는 SUS 304 시편에 Al 고온 확산 코팅 / Al₂O₃ 플라즈마 용융분사 코팅 / YSZ 플라즈마 용융분사 코팅인 다층 구조의 코팅층을 형성하고 이를 1350 ℃ 의 온도에서 화염 내삭마 테스트를 진행하여 스테인레스 강의 화염 내삭마 특성을 분석하였다. 이러한 다층 코팅을 통한 스테인레스 강의 초고온의 내삭마특성은 정적 산화 저항성뿐만 아니라 고온의 산업 분야에 스테인레스 강의 활용 가능성을 크게 확장할 수 있다고 사료된다.
보호층으로 인하여 고온에서 화염 노출 시에 시편을 안정적으로 보호 할 수 없어 표면 코팅을 통한 내삭마 및 내산화성의 향상이 필요하다. 본연구에서는 SUS 304 시편에 Al rich 확산 코팅 / Al₂O₃플라즈마 용융분사 중간층 / YSZ 플라즈마 용융 분사 열차폐 코팅층 공정을 거쳐 다층 코팅층을 제작 하였으며, 이러한 공정을 통하여 제작된 다층 코팅된 SUS 304를 1350 ℃ 5분 산소/LPG 토치를 이용해 화염 내삭마 실험을 진행한 결과, 우수한 내삭마 및 내산화 특성을 고찰하였다. 시편의 외관 이미지 및 시편의 단면 이미 지와 XRD의 분석결과, YSZ 및 Al₂O₃ 열차폐 코팅층를 통하여 시편으로 전달되는 열전달을 줄이고 확산코팅된 Al rich 코팅층은 모재와의 열팽창계수를 최소화하여 박리 없는 안정적으로 모재를 제조하여 모재를 보호 할 수있는 기초자료를 제시하였다.
1350 ℃의 온도는 Fe-Al 2원계 상태도에서 Al의 분율이 높은 코팅층의 융점 이상의 온도이지만 추가적인 열차폐 코팅을 통하여 이 온도에서 안정적으로 시편을 보호하였다. 상분석은 X선 회절분석(XRD, Rigaku), 에너지분산형분석기(EDS, energy dispersive spectroscopy)을 이용하여 분석하였다.
중간 열차폐층 / 플라즈마 용융분사 YSZ 열차폐 코팅을 진행하였다. 코팅 전처리 단계로 시편을 샌드 블라스팅 처리를 하여 시편의 표면적을 증가 시키고 이를 통해 고온 확산 코팅과 이후의 플라즈마 용융 분사 코팅층의 밀착력을 증가 시켰다. Al rich 코팅은 코팅원(Al 분말), 소결방지제(Al₂O₃), 기화제(AlCl₃ ) 분말을 Al : Al₂O₃ : AlCl₃ = 30 : 65 : 5(wt %)의 비율로 섞어 시편과 함께 알루미나 도가니에 넣어 세라믹 본드로 밀봉하고, Ar 분위기에서 700 ℃ 12시간 열처리하여 Al rich 코팅층을 형성 하였다.
플라즈마 용융분사 코팅법을 이용한 열차폐 코팅은 Al₂O₃ 와 YSZ 코팅 두 층으로 고온 확산 코팅층으로 생성된 Al rich 확산층 위에 차례대로 코팅 하였다. Al₂O₃ 코팅은 코팅과정에서 Al rich 코팅층으로 부터 생성된 표면의 Al₂O₃ 보호층과 이후의 YSZ 코팅층의 중간층의 역할과 열차폐의 역할을 하기 위한 세라믹 코팅층이다.

대상 데이터

실험에 사용한 모재 시편은 SUS 304 스테인레스 강으로 직경 10 mm, 두께 5 mm의 원기둥 모양의 시편을 사용하였으며, 코팅층은 총 3층 구조로 고온 확산 코팅 법을 이용한 Al rich 내산화 코팅 / 플라즈마 용융 분사를 통한 Al₂O₃ 중간 열차폐층 / 플라즈마 용융분사 YSZ 열차폐 코팅을 진행하였다. 코팅 전처리 단계로 시편을 샌드 블라스팅 처리를 하여 시편의 표면적을 증가 시키고 이를 통해 고온 확산 코팅과 이후의 플라즈마 용융 분사 코팅층의 밀착력을 증가 시켰다.

이론/모형

모재 시편은 고온 확산 코팅의 전처리 공정으로 샌드블라스팅 처리하여 표면적을 향상시키고 고온확산 코팅을 통해 Al rich 코팅층을 형성하였다. 추가적으로 Al₂O₃ 중간 열차폐 코팅층, YSZ 열차폐 코팅층을 플라즈마 용융 분사법으로 코팅 하였다. 이러한 다층 코팅의 YSZ와 Al₂O₃ 열차폐 코팅 층은 화염 내삭마 실험에서 모재 쪽으로 전해지는 열전 달을 감소시키는 역할을 하였다고 사료되며, 확산코팅으로 생성된 Al rich 코팅층은 초기 산화과정에서 Al₂O₃ 보호층을 표면에 형성하여 시편으로 이동하는 추가의 산소를 차단하여 추가적인 모재의 산화를 방지 한 것으로 사료된다.

성능/효과

(c)는 다층 코팅된 SUS 304의 화염 노출 후 시편의 단면 SEM BSE 이미지로 YSZ와 Al2O3 플라즈마 용융분사 코팅층은 화염 노출 전과 마찬가지로 변화가 없지만, Al2O3 코팅층과 Al rich 코팅층 사이에 약 20 µm 두께의 Al2O3 산화 보호층이 생성된 것을 알 수 있었다.
9(a)는 코팅하지 않은 SUS 304의 화염 노출 후 표면 SEM BSE 이미지로서 여러가지 복합적인 산화물이 형성된 것을 여러 색의 산화물로 확인할 수 있었고, Fig. 10(a, b) XRD 분석 결과 화염 노출 후에 Cr₂O₃ , F₂O₃ , Fe₃O₄ 와 같은 산화물이 형성 된것을 확인 할 수 있었다. Fig.
추가적으로 Al₂O₃ 중간 열차폐 코팅층, YSZ 열차폐 코팅층을 플라즈마 용융 분사법으로 코팅 하였다. 이러한 다층 코팅의 YSZ와 Al₂O₃ 열차폐 코팅 층은 화염 내삭마 실험에서 모재 쪽으로 전해지는 열전 달을 감소시키는 역할을 하였다고 사료되며, 확산코팅으로 생성된 Al rich 코팅층은 초기 산화과정에서 Al₂O₃ 보호층을 표면에 형성하여 시편으로 이동하는 추가의 산소를 차단하여 추가적인 모재의 산화를 방지 한 것으로 사료된다. 이러한 다층 코팅을 통하여 스테인레스 강을 초고온의 화염에서 보호할 수 있었다고 사료되며, 이러한 스테인레스 강의 다층 코팅과 화염내삭마 실험을 통하여 고온 환경에서의 스테인레스 강의 활용을 확장 시키는 기초자료로 활용을 할 수 있을 것으로 사료된다.
이러한 치밀한 세라믹 보호 층은 시편의 추가적인 산화를 방지하는 역할을 할 것으로 사료된다. 이러한 열차폐 코팅층과 세라믹 보호층을 통해 1350 ℃의 화염 노출시에 시편이 손상없이 보호된 것을 알 수 있었다.
Al 코팅된 시편은 Fe₂Al₅ , FeAl로 Al이 많은 상을 나타내었다. 코팅층을 EDS 분석결과 Al, Fe, Cr, Ni 이 71.47 %, 20.44 %, 5.91 %, 2.18 % (at %) 를 나태는 Al rich 조성으로 나타났다. 이러한 Al rich 확산 코팅층은 고온의 산화 환경에서 Al₂O₃ 보호층을 형성하여 시편을 보호할 것으로 사료된다.

후속연구

^1-3) 스테인레스 강은 산화 환경에서 합금내의 Cr이 초기 산화하여 표면에 Cr₂O₃ 보호층을 형성함으로써 이를 통하여 산화를 방지하는 것으로 알려져 있지만, 1000℃ 이상의 고온 에서는 Cr₂O₃ 보호층이 불안정하여 고온환경에서 합금을 안정적으로 보호할 수 없다.⁴⁾ 이러한 고온에서의 산화 저항성을 증가시킬 수 있다면 스테인 레스 강이 고온의 산업 분야에 더 많은 활용 가능성을 가지게 될 것으로 사료된다. 그러므로 스테인레스 강의 고온 산화 저항성을 증가 시키기 위하여 여러 종류의 표면 코팅에 대한 연구가 이루어지고 있다.
이러한 다층 코팅의 YSZ와 Al₂O₃ 열차폐 코팅 층은 화염 내삭마 실험에서 모재 쪽으로 전해지는 열전 달을 감소시키는 역할을 하였다고 사료되며, 확산코팅으로 생성된 Al rich 코팅층은 초기 산화과정에서 Al₂O₃ 보호층을 표면에 형성하여 시편으로 이동하는 추가의 산소를 차단하여 추가적인 모재의 산화를 방지 한 것으로 사료된다. 이러한 다층 코팅을 통하여 스테인레스 강을 초고온의 화염에서 보호할 수 있었다고 사료되며, 이러한 스테인레스 강의 다층 코팅과 화염내삭마 실험을 통하여 고온 환경에서의 스테인레스 강의 활용을 확장 시키는 기초자료로 활용을 할 수 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	스테인레스 강의 장점은 무엇인가	스테인레스 강은 값싼 제조 가격, 우수한 기계적 성질 그리고 상온에서의 우수한 부식 저항성으로 석유화학, 자동차 산업, 우주항공 산업 등에 다양한 기능으로 활용 되고 있다. 1-3) 스테인레스 강은 산화 환경에서 합금내의 Cr이 초기 산화하여 표면에 Cr2O3 보호층을 형성함으로써 이를 통하여 산화를 방지하는 것으로 알려져 있지만, 1000℃ 이상의 고온 에서는 Cr2O3 보호층이 불안정하여 고온환경에서 합금을 안정적으로 보호할 수 없다.
	열차폐 코팅법이란 무엇인가	열차폐 코팅법(thermal barier coatings)은 가스 터빈과 같은 고온 환경에서 사용되는 합금의 내부가 받는 열전달, 열충격을 줄이기 위한 세라믹 코팅으로 알려져 있다.20) Yttrium stable zirconia(YSZ) 열차폐 코팅은 플라 즈마 용융분사(plasma spray), EB-PVD 등의 코팅 방법을 여러 종류의 합금에 코팅하는 방법으로 연구가 진행 되고 있으며, 현재 Ni 기지의 superalloy 합금에 열차폐 코팅을 이용해 가스 터빈 블레이드에 활용되고 있다.
	스테인레스 강의 고온 산화 저항성을 증가 시키기 위해 표면 코팅에 대한 연구가 이루어진 이유는 무엇인가	1-3) 스테인레스 강은 산화 환경에서 합금내의 Cr이 초기 산화하여 표면에 Cr2O3 보호층을 형성함으로써 이를 통하여 산화를 방지하는 것으로 알려져 있지만, 1000℃ 이상의 고온 에서는 Cr2O3 보호층이 불안정하여 고온환경에서 합금을 안정적으로 보호할 수 없다.4) 이러한 고온에서의 산화 저항성을 증가시킬 수 있다면 스테인 레스 강이 고온의 산업 분야에 더 많은 활용 가능성을 가지게 될 것으로 사료된다. 그러므로 스테인레스 강의 고온 산화 저항성을 증가 시키기 위하여 여러 종류의 표면 코팅에 대한 연구가 이루어지고 있다.

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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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