[논문]진공 플라즈마 용사법을 통해 형성된 NiCoCrAlY 오버레이 코팅의 반복 산화 거동

유연우; 남욱희; 박훈관; 박영진; 이성훈; 변응선

doi:10.5695/jkise.2019.52.6.283

Abstract ▼ AI-Helper

MCrAlY overaly coatings are used as oxidation barrier coatings to prevent degradation of the underlying substrate in high temperature and oxidizing environment of the hot section of gas turbines. Therefore, oxidation resistance in high temperature is important property of MCrAlY coatings. Also, coef...

MCrAlY overaly coatings are used as oxidation barrier coatings to prevent degradation of the underlying substrate in high temperature and oxidizing environment of the hot section of gas turbines. Therefore, oxidation resistance in high temperature is important property of MCrAlY coatings. Also, coefficients of thermal expansion (CTE) of MCrAlY have middle value of that of Ni-based superalloys and oxides, which have the effect of preventing the delamination of the surface oxides. Cyclic oxidation test is one of the most useful methods for evaluating the high temperature durability of coatings used in gas turbines. In this study, NiCoCrAlY overlay coatings were formed on Inconel 792(IN 792) substrates by vacuum plasma spraying process. Vacuum plasma sprayed NiCoCrAlY coatings and IN 792 susbstrates were exposed to 1000℃ one-hour cyclic oxidation environment. NiCoCrAlY coatings showed lower weight gain in short-term oxidation. In long-term oxidation, IN 792 substrates showed higher weight loss due to delamination of surface oxide but NiCoCrAlY coatings showed lower weight loss. X-ray diffraction (XRD) analysis showed α-Al2O3 and NiCr2O4 was formed during the cyclic oxidation test. Through cross-section observation using scanning electron microscopy (SEM) and electron back scatter diffraction (EBSD) analysis, thermally grown oxide (TGO) layer composed of α-Al2O3 and NiCr2O4 was formed and the thickness of TGO increased during 1000℃ cyclic oxidation test. β phase in upper side of NiCoCrAlY coating was depleted due to oxidation of Al and outer beta depletion zone thickness also increased as the cyclic oxidation time increased.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. SEM image of vacuum plasma sprayed NiCoCrAlY overlay coating
표 Table 1. Composition of NiCoCrAlY powders (Oerlikon Metco) and Inconel 792 substrate
그림 Fig. 3. XRD spectra of cyclic oxidized NiCoCrAlY coatings
그림 Fig. 2. (a) Temperature profile of cyclic oxidation test, (b) weight change of NiCoCrAlY coating and IN 792 substrate
그림 Fig. 4. SEM images of cyclic oxidized NiCoCrAlY coatings (a) 0 hr, (b) 100 hrs, (c) 200 hrs (d) 1000 hrs, respectively.
그림 Fig. 5. EBSD phase map images of cyclic oxidized NiCoCrAlY coatings (a) 0 hr, (b) 100 hrs, (c) 200 hrs (d) 1000 hrs, respectively.
그림 Fig. 6. (a) TGO thickness, (b) OBDZ thickness of cyclic oxidized NiCoCrAlY coatings, respectively.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 NiCoCrAlY 오버레이 코팅을 진공 플라즈마 용사법을 통해 형성하였으며, 1000℃ 반복산화시험을 통해 장시간 고온 산화환경에 노출된 NiCoCrAlY 코팅의 미세구조와 결정구조 변화에 대하여 관찰하였다.

제안 방법

코팅에 사용된 NiCoCrAlY 분말과 모재로 사용된 Inconel 792(IN 792)의 조성은 표1과 같다. 형성된 NiCoCrAlY 코팅을 반복산화시험로에서 1000℃, 1시간 주기 반복산화시험을 1000회 수행하였다. 반복산화시험을 수행한 시편들은 무게 변화 분석, X선 회절 분석(X-ray Diffraction, XRD, X-Pert Pro, PANalytical)을 수행하였다.

대상 데이터

NiCoCrAlY 오버레이 코팅은 150 mbar의 공정 압력에서 형성되었으며, 50 -55 kW의 플라즈마 파워 범위에서 플라즈마 화염을 형성하고, 형성된 플라즈마 화염에 NiCoCrAlY 분말(Oerlikon Metco)을 투입하여 코팅을 형성하였다. 진공 플라즈마 용사 공정에 사용된 플라즈마 가스로는 Ar과 H₂의 혼합가스가 사용되었으며, 진공 및 불활성 분위기를 형성하기 위한 분위기 가스로는 N₂가 사용되었다. 코팅에 사용된 NiCoCrAlY 분말과 모재로 사용된 Inconel 792(IN 792)의 조성은 표1과 같다.

데이터처리

형성된 NiCoCrAlY 코팅 시편들은 1000℃, 50분 가열, 10분 냉각의 1시간 주기 반복산화시험을 1000회 수행하였으며, 시편의 온도변화는 그림 2(a)와 같다. NiCoCrAlY 코팅의 산화방지효과를 비교하기 위하여 IN 792 시편을 대조군으로 하여 실험을 수행하였다. 반복산화시험을 수행한 각 시편들의 시간에 따른 무게변화비율은 그림 2(b)와 같으며, 그림 2(b)의 삽입그림에는 반복산화시험 초기의 무게 변화율을 나타내었다.

성능/효과

본 연구에서는 NiCoCrAlY 오버레이 코팅이 1000℃ 반복산화 환경에서 겪는 결정구조와 미세조직구조 변화에 대하여 연구하였다. 1000℃ 반복 산화 환경에서 NiCoCrAlY 오버레이 코팅으로 인해 금속 모재 대비 무게 증가량이 감소하였으며, 반복산화시험 중 발생하는 열 응력으로 인한 박리를 방지하는 역할을 하였다. 초기 β 상과 γ 상 Ni계 합금으로 구성되어 있던 NiCoCrAlY 오버레이 코팅이 반복산화시험을 수행함에 따라 Al의 산화로 인해 표면 α-Al₂O₃ 층이 형성됨을 확인하였으며, 상부의 Al의 산화로 인한 고갈로 인해 β 상 고갈 구역이 형성됨을 확인할 수 있었다.
초기 β 상과 γ 상 Ni계 합금으로 구성되어 있던 NiCoCrAlY 오버레이 코팅이 반복산화시험을 수행함에 따라 Al의 산화로 인해 표면 α-Al₂O₃ 층이 형성됨을 확인하였으며, 상부의 Al의 산화로 인한 고갈로 인해 β 상 고갈 구역이 형성됨을 확인할 수 있었다. 반복산화시험 수행시간이 증가함에 따라 표면 산화층의 두께가 증가하고, 외부 β 상 고갈 구역의 두께 또한 증가하는 경향을 보임을 확인하였다.
1000℃ 반복 산화 환경에서 NiCoCrAlY 오버레이 코팅으로 인해 금속 모재 대비 무게 증가량이 감소하였으며, 반복산화시험 중 발생하는 열 응력으로 인한 박리를 방지하는 역할을 하였다. 초기 β 상과 γ 상 Ni계 합금으로 구성되어 있던 NiCoCrAlY 오버레이 코팅이 반복산화시험을 수행함에 따라 Al의 산화로 인해 표면 α-Al₂O₃ 층이 형성됨을 확인하였으며, 상부의 Al의 산화로 인한 고갈로 인해 β 상 고갈 구역이 형성됨을 확인할 수 있었다. 반복산화시험 수행시간이 증가함에 따라 표면 산화층의 두께가 증가하고, 외부 β 상 고갈 구역의 두께 또한 증가하는 경향을 보임을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Ni계 초내열합금의 단점은?	Ni계 초내열합금은 높은 온도 환경에서 우수한 특성을 보이기에 발전용, 항공용 가스터빈의 고온 부품으로 사용된다. 그러나 900℃ 이상의 고온산화 환경 하에서는 Ni계 초내열합금의 급격한 산화가 발생하게 되고, 가스터빈 기동 중 반복되는 열 충격으로 인해 형성된 스케일이 박리되는 문제가 발생한다. 고온의 산화환경으로부터 Ni계 초내열합금을 보호하기 위하여 열차폐코팅(Thermal barrier coating, TBC), 오버레이 코팅 등이 개발되어 적용 중이며, 오버레이 코팅의 재료로는 MCrAlY (M =Ni, Co, 둘 모두)가 알려져있다[1-4].
	MCrAlY 오버레이 코팅을 진공 플라즈마 용사법을 통해 형성할 때 장점은?	MCrAlY 오버레이 코팅을 형성하는 방법은 대기플라즈마 용사[8], 고속 화염용사[7,9], 진공 플라즈마 용사 방법 등이 존재하며, 진공 플라즈마 용사법이 내부 산화량도 적고, 기공율이 낮은 MCrAlY 코팅을 형성할 수 있다.
	등온 산화 시험이란?	MCrAlY 코팅의 고온 산화 특성을 평가하는 방법은 등온 산화 시험, 반복 산화 시험 등이 있다. 등온 산화 시험은 고온의 로 내에서 코팅의 산화 특성에 대하여 분석하는 방법이며, 고온 산화로 인해 생긴 산화층의 성장 거동을 확인하는데 유용하다. 반복 산화 시험은 코팅 시편을 고온의 로 내부에서 가열하고, 상온으로의 냉각을 반복하여 그 산화 특성을 분석하는 방법이다.

참고문헌 (15)

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P. Deb, D.H. Boone, T.F.M. II, Surface instability of platinum modified aluminide coatings during $1100^{\circ}C$ cyclic testing, Journal of Vacuum Science & Technology A, 5(6), (1987), 3366-3372

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