[논문]터빈블레이드 형상 mock-up의 기하학적 배치조건에 따른 전자빔 물리기상증착법으로 제조된 7 wt% YSZ 열차폐 코팅의 코팅 균일성

오윤석; 채정민; 류호림; 한윤수; 안종기; 손명숙; 김홍규

doi:10.6111/jkcgct.2019.29.6.308

터빈블레이드 형상 mock-up의 기하학적 배치조건에 따른 전자빔 물리기상증착법으로 제조된 7 wt% YSZ 열차폐 코팅의 코팅 균일성
Deposition uniformity of 7 wt% YSZ as a thermal barrier coating with different configurational arrangement for turbine blade shape mock-up by electron beam physical vapor deposition 원문보기

한국결정성장학회지 = Journal of the Korean crystal growth and crystal technology, v.29 no.6, 2019년, pp.308 - 316

오윤석 (한국세라믹기술원 엔지니어링세라믹센터) , 채정민 (한국세라믹기술원 엔지니어링세라믹센터) , 류호림 (한국세라믹기술원 엔지니어링세라믹센터) , 한윤수 (한국세라믹기술원 엔지니어링세라믹센터) , 안종기 (한화에어로스페이스 항공우주연구소 가스터빈개발팀) , 손명숙 (한화에어로스페이스 항공우주연구소 가스터빈개발팀) , 김홍규 (국방과학연구소)

초록
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전자빔 물리기상증착기술(EBPVD)은 주상형 성장거동과 같이 고온에서의 구조 안정성에 기여할 수 있는 특성으로 인해 터빈블레이드 등과 같은 항공기 엔진 고온부품의 열차폐 코팅(TBC) 제조기술로 개발되어 상용화된 기술이다. 전자빔 증착으로 열·기계적 특성이 상용화 가능한 수준에 만족하는 고품질 열차폐 코팅제조를 위해서는 성장거동, 균일두께형성 등과 같은 구조적 요소의 제어가 반드시 수반되어야 한다. 본 연구에서는 실품형상에 근사한 터빈 블레이드 mock-up에 대한 기하학적 코팅인자 조건에 따른 7YSZ(7 wt% 이트리아 안정화 지르코니아) 열차폐 코팅의 성장거동과 구조변화를 고찰하였으며, 전산모사 기법을 활용한 기하학적 코팅인자 조건에 따른 코팅성장거동 모델링을 수행하여 실제 코팅결과와 비교하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Electron beam physical vapor deposition (EBPVD) is a conventional method to fabricate thermal barrier coating (TBC) of high temperature airfoil engine parts, such as blade etc. for its high temperature structural stability from the nature of columnar growth behavior. For the high quality of TBC by EBPVD, the structural factors, such as growth behavior, thickness uniformity and so on, should be managed to obtain the coating which satisfied the required specifications of usable level of mechanical and thermal properties. In this study, the growth behavior and structure variations of 7YSZ (7 wt% yttria stabilized zirconia) coatings with different configurational deposition parameters for the specimens which have turbine blade shape mock-up were investigated. Growth behavior of coatings were studied by comparing computational modeling of evaporation behavior with actual deposition process using e-beam source.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1. (a) CAD image of EBPVD equipment for thermal barrier coating, and (b) their simulation model.
표 Table 1 Computational calculation condition
그림 Fig. 2. Modelling of configurational positions of coated specimens for e-beam evaporation.
그림 Fig. 3. Modelling of film thickness distribution of coated specimens with different position.
표 Table 2 Deposition condition for top coat
그림 Fig. 4. Modelling of configurational positions of turbine blade shape mock-up for e-beam evaporation.
표 Table 3 Deposition modelling of thickness distribution for coupon shape specimens with different position in chamber (refer Fig. 3)
그림 Fig. 5. Modelling of film thickness difference for coated turbine blade shape mock-up with different tilt condition; (a) 0° (parallel) and (b) 30° to the evaporation source (ingot).
그림 Fig. 6. Configurational positions of turbine blade shape mockup for e-beam evaporation above coating source (ingot).
그림 Fig. 7. XRD pattern of 8YSZ coating on the turbine blade shape mock-up.
그림 Fig. 9. Cross sectional microstructure of coating on turbine blade mock-up; (a) Position 3 and (b) Position 7.
그림 Fig. 8. Film thickness difference for coated turbine blade shape mock-up at position 4.
그림 Fig. 10. Film thickness difference for coated turbine blade shape mock-up at position 1 (P1) and 2 (P2).
그림 Fig. 11. Theoretical film thickness uniformity during e-beam evaporation [17].
그림 Fig. 12. Film thickness difference based on the coated turbine blade shape mock-up position.

AI 본문요약
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문제 정의

증발원을 점(point)로 상정한 경우와 면적을 가진 경우(surface)로 구분하여 계산하였을 때, 증발원에 수직한 위치로부터 멀어졌을 때 감소되는 증착두께의 차이가 나타남을 보이고 있으며, 본 실험에서는 55Φ의 면적을 갖는 증발원(잉곳)을 사용하였으므로 면적을 가진 경우의 이론적 계산 거동에 근사하여 비교하고자 하였다.

제안 방법

4a)를 사용하여 유한 요소법으로 터빈 블레이드 표면의 YSZ 코팅층의 두께를 계산하였다. 3차원 모델은 실제 증착 장비와 동일한 크기의 챔버조건으로 설정하여 챔버, 코팅 소스(잉곳, 여기서는 8YSZ) 및 근사 형상 블레이드의 세 가지 요소로 구성하여 진행하였다(Fig. 1 참조). 잉곳의 표면분해로부터 제공된 입자는 진공 상태에서 챔버를 통해 블레이드의 표면에 도달하여 코팅층으로 형성된다.
Figure 6에서는 터빈블레이드 형상 mock-up에 대한 실제 코팅 적용시험을 위한 챔버 배치 모습이다. 4개의 mockup을 일렬로 배열하고(mock-up 간 간격 30 mm, 전산모사 실험과 동일조건), 길이 방향의 배열에서 중앙 하단에 코팅 소스(잉곳)를 배치하였다. 이때 mock-up들의 위치로부터 잉곳까지의 거리는 300 mm(수직거리)으로 배치 하였다(Fig.
코팅챔버 진공은 10^-4 torr로 설정하였으며, 코팅이 진행되는 동안 근사 형상 블레이드는 0°, 30° 기울 어지고 회전은 1,15 rpm으로 변화되는 조건을 설정하였다. 5개의 근사 형상 블레이드를 동시에 장착하는 조건으로, 이들 사이의 코팅 균일성을 확인하였다. 시뮬레이션에 사용된 분해 요소의 수는 100,000개 이상으로 진행하였으며, 대부분의 미세 원소는 근사형상의 블레이드 표면에 집중되어 코팅이 형성되는 조건으로 설정하였습니다.
공정 중에는 10 sccm의 조건으로 O2 분위기를 조성하였으며, (Mass flow Controller)를 이용하여 유량을 제어하고, 증발입자와 mock-up 시료 사이에 개스투입구(nozzle)를 설치하여 시료표면에 산소 분위기를 형성하고자 하였다.
먼저 실제 코팅챔버 내 터빈블레이드 형상 mock-up들의 기하학적 배치와 공정인자 조건을 설정하여 전산모사법에 의해 증착 거동을 모델링하였다. 이후 동일한 조건의 챔버 구성을 통해 실제 코팅을 수행하여 모델링 계산 결과와 비교하고, 전자빔을 이용한 이론적 증발증착 거동과 기판형상 및 배치 조건에 따른 실제 증착과의 편차 발생에 대하여 고찰하였다.
본 연구에서는 7YSZ(7 wt% yttria stabilized zirconia) 소재를 활용하여 항공용 터빈엔진 블레이드의 형상의 mock-up에 대해 전자빔 증착 기술을 이용하여 열차폐 코팅을 제조하였다. 이때 코팅용 재료 증발원의 위치 및 크기를 고정하고, 복수의 mock-up 시료를 일정한 조건으로 배열하여 동시에 증착을 시도함으로써 시료의 기하학적 증착조건의 차이에 따른 코팅구조 변화 및 두께 균일성 등을 살펴보았으며, 또한 전자빔 증발증착 이론적 증착거동과, 전산모사기법을 추가적으로 적용하여 실제 실험결과와의 비교를 통하여 향후 이와 같은 터빈부품의 양산을 고려한 복수개 시료의 건전한 코팅조건을 확보하기 위한 코팅공정 설계에 대한 의견을 제시하였다.
제조된 코팅 시료의 상 형성 거동은 5°/min의 스캔 속도로 40 kV, 200 mA, Cu-Kα 조건에서 XRD(RINT-2500HF, Rigaku, 일본)를 이용하여 분석하였으며, 각 조건에 대한 코팅 시편의 미세 구조 형성을 조사하기 위해, 다이아몬드 커터를 이용하여 시편 절단 후 1 μm 다이아몬드 현탁액으로 연마하여 에탄올 에서 30분 동안 초음파 세척을 거쳐 12시간 동안 건조시켰다. 시편의 미세구조 및 조성은 SEM(JSM-6701F, ZEOL Co., Ltd., Japan)을 통하여 분석하였다.
코팅 대상물은 850~900°C 전후로 가열되었고 이는 고밀도 전자빔 방사에 의한 주괴(잉곳, ingot)의 가열로부터 야기되었으며 증착 공정이 완료될 때까지 유지되었다. 이때 기판의 온도는 열전대 (k-type)를 코팅소스(잉곳)와 mock-up 시료와 동일한 거리의 중앙부(Fig. 6, 2번과 3번 시료 사이)와 외곽부(Fig. 6, 3번과 4번 시료 사이) 위치에 각각 장착하여 측정하였다. 전자빔 물리기상증착(EBPVD, Electron beam physical vapor deposition) 공정은 약 20 kW 전자빔 전력 및 증발원(ingot)을 기준으로 코팅 대상물의 회전(5 rpm) 및기울임(15^o ) 조건으로 9.
본 연구에서는 7YSZ(7 wt% yttria stabilized zirconia) 소재를 활용하여 항공용 터빈엔진 블레이드의 형상의 mock-up에 대해 전자빔 증착 기술을 이용하여 열차폐 코팅을 제조하였다. 이때 코팅용 재료 증발원의 위치 및 크기를 고정하고, 복수의 mock-up 시료를 일정한 조건으로 배열하여 동시에 증착을 시도함으로써 시료의 기하학적 증착조건의 차이에 따른 코팅구조 변화 및 두께 균일성 등을 살펴보았으며, 또한 전자빔 증발증착 이론적 증착거동과, 전산모사기법을 추가적으로 적용하여 실제 실험결과와의 비교를 통하여 향후 이와 같은 터빈부품의 양산을 고려한 복수개 시료의 건전한 코팅조건을 확보하기 위한 코팅공정 설계에 대한 의견을 제시하였다.
먼저 실제 코팅챔버 내 터빈블레이드 형상 mock-up들의 기하학적 배치와 공정인자 조건을 설정하여 전산모사법에 의해 증착 거동을 모델링하였다. 이후 동일한 조건의 챔버 구성을 통해 실제 코팅을 수행하여 모델링 계산 결과와 비교하고, 전자빔을 이용한 이론적 증발증착 거동과 기판형상 및 배치 조건에 따른 실제 증착과의 편차 발생에 대하여 고찰하였다.
전자빔 물리기상증착법으로 7 wt% 이트리아 안정화 지르코니아 소재를 이용하여 터빈블레이드 형상 mock-up에 대한 열차폐코팅 균일증착 실험을 수행하였다.
제조된 코팅 시료의 상 형성 거동은 5°/min의 스캔 속도로 40 kV, 200 mA, Cu-Kα 조건에서 XRD(RINT-2500HF, Rigaku, 일본)를 이용하여 분석하였으며, 각 조건에 대한 코팅 시편의 미세 구조 형성을 조사하기 위해, 다이아몬드 커터를 이용하여 시편 절단 후 1 μm 다이아몬드 현탁액으로 연마하여 에탄올 에서 30분 동안 초음파 세척을 거쳐 12시간 동안 건조시켰다.
진공챔버 내 배치조건이 서로 다른 코팅시료의 두께형성 거동의 경우 분자운동 및 회전 모듈을 구비한 COMSOL 상용 소프트웨어(FEM Software: COMSOL 4.4a)를 사용하여 유한 요소법으로 터빈 블레이드 표면의 YSZ 코팅층의 두께를 계산하였다. 3차원 모델은 실제 증착 장비와 동일한 크기의 챔버조건으로 설정하여 챔버, 코팅 소스(잉곳, 여기서는 8YSZ) 및 근사 형상 블레이드의 세 가지 요소로 구성하여 진행하였다(Fig.
Figure 2에 전산모사에 의한 코팅 위치별 막두께 변화에 대한 모델링을 수행하기 위한 시편 및 챔버 조건을 도시하였다. 챔버의 크기 및 형상은 실제 코팅실험에 사용된 장비의 크기와 형상 설계를 바탕으로 설정하였으며, 내부에 쿠폰형상의 시료가 길이 방향으로 5개, 폭방향으로 3개씩 배치되는 회전형 지그가 장착되도록 하고(쿠폰 시편 간 간격 30 mm), 챔버하부에 도시된 코팅원료(주괴, 잉곳(ingot))의 증발증착 시 작동조건에 따라 시료위치별 두께의 분포 변화를 모사하였다. 이때 2개로 도시된 잉곳은 5개의 시료 중 3번째의 하단 중앙에 위치한 1개의 잉곳만 사용되도록 설정하고 쿠폰형의 시료들은 1 rpm의 속도로 회전하도록 설정하였다.
코팅챔버 진공은 10-4 torr로 설정하였으며, 코팅이 진행되는 동안 근사 형상 블레이드는 0°, 30° 기울 어지고 회전은 1,15 rpm으로 변화되는 조건을 설정하였다.
시뮬레이션에 사용된 분해 요소의 수는 100,000개 이상으로 진행하였으며, 대부분의 미세 원소는 근사형상의 블레이드 표면에 집중되어 코팅이 형성되는 조건으로 설정하였습니다. 코팅형성에 대한 계산은 시간 의존적 방식으로 진행되었고, 계산 결과는 0.5 sec에 한 번씩 저장되었으며, 1 min의 코팅 시간에 대해 계산을 수행하였다. 시료 회전 및 자유 분자 유동 제어는 Direct PARDISO Solver를 사용하여 수행하였다.

대상 데이터

진공 주조법으로 제조된 Ni 기반 초합금(CM247 LC)으로 만든 터빈 블레이드 형상 mock-up(한국 로스트 왁스, 대한민국)이 코팅 대상물로서 사용되었다. 7 wt% Y₂O₃안정화 ZrO₂ (7YSZ, 생고뱅, 프랑스)소재는 주괴(ingot) 의 형태로 탑코팅 제조를 위해 준비되었다. 세라믹 탑코팅은 Fig.
니켈 알루미나이드(NiAl, Ni aluminide) 본드 코트는 약 50 μm 두께로 화학적기상증착방법(CVD, Chemical vapor deposition, (써마텍 코리아, 대한민국))에 의해 준비되었다.
7 wt% Y₂O₃안정화 ZrO₂ (7YSZ, 생고뱅, 프랑스)소재는 주괴(ingot) 의 형태로 탑코팅 제조를 위해 준비되었다. 세라믹 탑코팅은 Fig. 5에 도시된 바와 같은 챔버 내 장착조건하에서 전자빔 증착법에 의해 제조되었다. 니켈 알루미나이드(NiAl, Ni aluminide) 본드 코트는 약 50 μm 두께로 화학적기상증착방법(CVD, Chemical vapor deposition, (써마텍 코리아, 대한민국))에 의해 준비되었다.
니켈 알루미나이드(NiAl, Ni aluminide) 본드 코트는 약 50 μm 두께로 화학적기상증착방법(CVD, Chemical vapor deposition, (써마텍 코리아, 대한민국))에 의해 준비되었다. 세라믹 탑코팅을 제조하기 위해 준비된 코팅 대상물(터빈 블레이드 형상 mock-up)은 맞춤형 지그장치에 설치하고 필요한 진공 상태를 확보하였다. 코팅 대상물은 850~900°C 전후로 가열되었고 이는 고밀도 전자빔 방사에 의한 주괴(잉곳, ingot)의 가열로부터 야기되었으며 증착 공정이 완료될 때까지 유지되었다.
진공 주조법으로 제조된 Ni 기반 초합금(CM247 LC)으로 만든 터빈 블레이드 형상 mock-up(한국 로스트 왁스, 대한민국)이 코팅 대상물로서 사용되었다. 7 wt% Y₂O₃안정화 ZrO₂ (7YSZ, 생고뱅, 프랑스)소재는 주괴(ingot) 의 형태로 탑코팅 제조를 위해 준비되었다.

이론/모형

5 sec에 한 번씩 저장되었으며, 1 min의 코팅 시간에 대해 계산을 수행하였다. 시료 회전 및 자유 분자 유동 제어는 Direct PARDISO Solver를 사용하여 수행하였다. 계산에 활용된 장치는 PRECISIONT7610 (DELL hardware, CPU 2.

성능/효과

65 μm)를 보였다. 가장 얇게 코팅된 계산값과 가장 두껍게 계산된 코팅두께의 편차는 약 15 % 정도로 나타났으며, 중앙부와 인접한 위치와의 두께 편차는 약 10 % 정도로 계산되었다.
특히 오목한 부분의 경우 굴곡진 형상에 의해 증착 입자 이동이 간섭되어 볼록한 부분에 비해 증착도 저하가 커질 수 있다. 따라서 회전 시 시료의 기울임 조건은 특히 오목한 부분에 대하여 잉곳으로부터 발생된 코팅입자가 시료표면으로 이동/흡착되는 거동이 보다 원활이 일어날 수 있는 조건을 제공할 수 있으며, 이에따라 기울임이 적용되지 않은 경우에 비해 전반적인 증착 균일도가 상대적으로 높아지는 것으로 예측되었다.
이와 같은 결과는 평판형의 기판을 전제로 계산된 이론식의 경우 전자빔 증착 시 발생되는 ‘Line of sight’ 및 ‘Shadow effect’의 적용에 의해 적은 기판간 간격에서도 두께 차이가 비교적 크게 나타난 것으로 생각되며, 실제 굴곡진 표면 형상을 갖는 터빈블레이드 형상 mock-up의 경우 증발원에 대해 기울어진 조건에서 회전속도를 제어함으로써 개별 터빈블레이드 형상 mockup의 위치별 및 챔버 내 배열 조건에 따른 증착두께 편차를 최소화할 수 있는 것으로 해석될 수 있으며, 본 연구에서 수행된 전산 모델링의 경우도 비교적 실제 실험결과에 유사한 예측 결과를 나타낸 것을 알 수 있었다(P1, P2간 두께편차: 실제 약 8 % , 계산결과 약 10 % 수준).
잉곳표면과 수평을 이루는 경우(0º)와 30º의 기울임 각을 갖는 경우(mockup 시료 끝단이 하향기울임)로 나누어 계산한 결과, 일정한 각도로 기울어진 상태로 코팅 공정이 이루어지는 경우에서 개별 mock-up의 각 영역에서의 두께 균일도가 높은 것으로 계산되었으며, 특히 오목한 부위에서의 두께 균일도가 기울임 조건에서 높아짐을 알 수 있었다(오목한 영역에서의 국부 위치별 색도차이 감소).
전산모사에 의해 계산된 모델링 결과 증발원(잉곳)과 수직한 위치의 상부로부터 수평방향으로 멀어질수록 증착 두께가 감소되는 결과가 나타났으며, 이는 실제 터빈 블레이드 형상 mock-up의 증착과 유사한 거동을 보였다.
터빈블레이드 형상 mock-up의 경우, 증발원에 수직한 상부에 위치할 경우와 인접한 경우의 차이는, 이론식의 경우 약 18 %의 편차로 계산되었으나, 실제 코팅의 경우는 약 8 % 정도의 편차를 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	열차폐 코팅기술이 개발된 이유는?	항공기 엔진부품의 고온작동영역에 적용되어 내열금속으로 제조된 고온부품들의 성능과 수명의 요구수준을 확보하기 위한 보호코팅으로서 세라믹 소재기반의 열차폐 코팅기술이 개발되어 왔다. 항공용 엔진의 경우, 발전용 터빈과 다르게 급속가열과 냉각이 반복되는 작동환경으로서 보다 높은 소재의 열피로 내구성능이 요구된다.
	전자빔을 이용한 물리기상증착 기술이 개발 된 이유는?	항공용 엔진의 경우, 발전용 터빈과 다르게 급속가열과 냉각이 반복되는 작동환경으로서 보다 높은 소재의 열피로 내구성능이 요구된다. 이와 같은 열피로 내구성능은 열변형성과 직접적인 연관이 있으며, 코팅이 적용된 부품의 경우 특히 수평방향으로의 응력집중에 대한 높은 저항성을 갖는 구조가 필요하게 된다. 이와 같은 고온 열피로 저항성 구조를 형성할 수 있는 코팅기술로서 전자빔을 이용한 물리기상증착 기술이 개발되었다.
	전자빔 물리기상증착기술이란?	전자빔 물리기상증착기술(EBPVD)은 주상형 성장거동과 같이 고온에서의 구조 안정성에 기여할 수 있는 특성으로 인해 터빈블레이드 등과 같은 항공기 엔진 고온부품의 열차폐 코팅(TBC) 제조기술로 개발되어 상용화된 기술이다. 전자빔 증착으로 열·기계적 특성이 상용화 가능한 수준에 만족하는 고품질 열차폐 코팅제조를 위해서는 성장거동, 균일두께형성 등과 같은 구조적 요소의 제어가 반드시 수반되어야 한다.

참고문헌 (17)

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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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