[논문]경사화 두께를 갖는 열차폐 코팅의 열적 내구성 평가

이승수; 김준성; 정연길

doi:10.5762/kais.2020.21.8.248

경사화 두께를 갖는 열차폐 코팅의 열적 내구성 평가
Evaluation of Thermal Durability for Thermal Barrier Coatings with Gradient Coating Thickness 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.8, 2020년, pp.248 - 255

이승수 (국방기술품질원 항공센터) , 김준성 (창원대학교 신소재공학부) , 정연길 (창원대학교 신소재공학부)

초록
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경사화 두께를 갖는 열차폐 코팅의 열적 내구성과 열적 안정성에 대한 코팅층 두께의 영향을 화염 열피로 시험과 열충격 시험을 통해서 조사하였다. Bond 층과 top 층은 각각 Ni-Cr계 상용 MCrAlY 분말과 상용 이트리아 안정화 지르코니아 (YSZ) 분말을 사용하여 니켈기지의 초내열합금 모재 (GTD-111)에 대기 플라즈마 용사법 (APS)으로 코팅층을 형성하였다. 1100 ℃의 화염으로 1429회 열피로 시험 후 bond 층이 일부 산화되고 top 층과 bond 층 계면에서 열화에 의한 산화층 (TGO)이 관찰되었으나, 코팅층 부위와 관계없이 균열이나 박리현상 없는 양호한 미세구조를 나타내었다. 1100 ℃ 열충격 시험결과, 37회 열충격 테스트 후 코팅층의 얇은 부위에서 박리가 시작되어 98회 시험 후 코팅층의 50% 이상이 박리되었으며, 코팅층의 두께가 얇게 형성된 부위는 코팅층이 두껍게 형성된 부위에 비해, top 층의 박리와 함께 bond 층의 산화가 많이 진행되었으며, 코팅층 두께가 상대적으로 두껍게 형성된 부위에서 열차폐 효과의 증가로 인해 bond 층의 내산화성과 열적 안정성이 우수한 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

The effects of the coating thickness on the thermal durability and thermal stability of thermal barrier coatings (TBCs) with a gradient coating thickness were investigated using a flame thermal fatigue (FTF) test and thermal shock (TS) test. The bond and topcoats were deposited on the Ni-based super-alloy (GTD-111) using an air plasma spray (APS) method with Ni-Cr based MCrAlY feedstock powder and yttria-stabilized zirconia (YSZ), respectively. After the FTF test at 1100 ℃ for 1429 cycles, the bond coat was oxidized partially and the thermally grown oxide (TGO) layer was observed at the interface between the topcoat and bond coat. On the other hand, the interface microstructure of each part in the TBC specimen showed a good condition without cracking or delamination. As a result of the TS test at 1100 ℃, the TBC with gradient coating thickness was initially delaminated at a thin part of the coating layer after 37 cycles, and the TBC was delaminated by more than 50% after 98 cycles. The TBCs of the thin part showed more oxidation of the bond coat with the delamination of topcoat than the thick part. The thick part of the TBC thickness showed good thermal stability and oxidation resistance of the bond coat due to the increased thermal barrier effect.

주제어

표/그림 (9)

표 Table 1. Composition of starting materials and particle size of feedstock powders
그림 Fig. 1. Test equipment for cyclic flame thermal fatigue (FTF) test
그림 Fig. 2. Method for thermal shock test : (A) Schematic diagram of rapid heating procedure, (B) Photographs of holding temperature procedure, and (C) Photographs of quenching procedure
표 Table 2. Process parameters for Top and Bond coat
그림 Fig. 3. Schematic diagram of structural design and SEM images of as-prepared TBCs with gradient thickness : (A) Thin part, (B) Middle thickness part, and (C) Thick part
그림 Fig. 4. High magnification SEM images of as-prepared TBCs with gradient thickness : (A) Thin part, (B) Middle thickness part, and (C) Thick part
그림 Fig. 5. Surface images and cross-sectional SEM images of TBC specimen with gradient coating after FTF test : (A) Thin part, (B) Middle thickness part, and (C) Thick part
그림 Fig. 6. Surface images of TBC species with gradient coating after TS test
그림 Fig. 7. Cross-specimen sectional SEM images of TBC with gradient coating after 98 cycles TS test : (A) Thin part, (B) Middle thickness part, and (C) Thick part

AI 본문요약
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문제 정의

가스터빈 고온 부품은 고온의 가스로부터 구성품을 보호하기 위해 균일한 두께의 열차폐 코팅이 적용되어야 하지만, 터빈 부품의 경우 제품의 형상으로 인해 부위별 두께 편차가 발생한다. 본 연구에서는 동일 시편에 인위적으로 코팅층의 두께 편차를 발생시켜 터빈부품에 적용되는 열차폐 코팅을 모사하여, 열적 내구성과 손상거동에 대한 코팅층 두께의 영향을 고찰하였다.
본 연구에서는 발전용, 항공기, 함정, 유도 무기용 가스터빈 블레이드, 베인과 같은 터빈 부품의 형상으로 인해 발생하는 부품 내 코팅층 두께 차이에 따른 열차폐 코팅의 열적 내구성에 대해 평가하기 위해 인위적으로 시편 내에 두께 차이를 발생시킨 후 열피로 시험과 열충격 시험을 통해서 코팅층 두께에 따른 코팅층 수명, 열적 내구성 및 안정성에 대해 평가하고자 하였다.

제안 방법

Bond 코팅층 형성에 앞서, 코팅층의 접합력을 향상시키기 위해, 60 mesh 크기의 알루미나 분말을 이용하여 블라스팅을 실시하였으며, 초내열 합금 모재에 열차폐 코팅층을 형성하기 위하여, bond coat와 top coat 모두 대기 용사 (Air Plasma Spray : APS) 코팅 시스템 장비 (9MB, Sulzer Metco Holding AG, Switzerland)를 이용하였다. Bond coat 형성은 MCrAlY 상용 분말인 AMDRY 962 분말 (Oerlikon Metco, Switzerland)을 사용하였으며, top coat는 상용 YSZ 분말인 Metco 204 C-NS (Oerlikon Metco, Switzerland)를 사용하여 코팅층을 형성하였다.
6과 7은 열충격 시험 후 시험편 표면 사진과 부위별 단면 미세구조를 각각 나타내었다. Fig. 6에 나타낸 바와 같이, 37회 열충격 시험이 진행된 후 두께가 얇은 부위에서 박리가 시작되어 시험 횟수가 증가함에 따라 모재의 균열과 함께 코팅층의 두께가 두꺼운 부위로 박리가 진행되었으며, 98회 열충격 시험 후 top 층이 50% 이상 박리되어 테스트를 종료하였다. Fig.
1과 같은 반복 열피로 시험 장치를 이용하였다. 반복 열피로 시험을 위해 사용된 열피로 시험 장치는 액화 천연가스를 이용하여 화염을 형성하여 1100 ℃ 온도의 화염으로 5분간 가열하고, 상온에서 25분간 냉각하는 것을 1 cycle로 하여 1429회까지 테스트를 수행하였다. 열피로 시험 시 파괴 기준은 top coat 표면의 25% 이상 박리가 발생하는 시점으로 정의하였다[12].
열피로 시험 시 파괴 기준은 top coat 표면의 25% 이상 박리가 발생하는 시점으로 정의하였다[12]. 반복 열피로 시험의 경우 일반적인 발전용 가스터빈 고온부품의 교체 주기를 고려하여 1,429회까지 수행하였다.
발전용 가스터빈 고온 부품의 경우 부품별, 제조사별로 교체 주기가 차이가 있으나, 일반적으로 24,000 ~ 30,000 EOH를 기준으로 교체 혹은 유지보수를 하고 있다. 본 연구에서는 경사화 열차폐 코팅이 적용된 시험편을 30,000 EOH까지 화염 열피로 테스트를 수행 후 코팅층에 대해 분석하였다. Fig.
열충격 시험은 기존 연구에서 열차폐 코팅 시스템의 열적 내구성 평가를 위해 수행되었으며 [16-19], 본 연구에서는 열차폐 코팅층의 열적 안정성 평가를 위해 열충격 시험을 수행하였으며, Fig. 2는 열충격 시험을 위한 시험방법에 대해 나타내었다. 전기로의 내부 온도가 1100 ℃에 도달했을 때, 시편을 전기로 내부에 장입하고 1시간 동안 고온의 열원에 노출 시킨 후 상온의 물에 넣어 급랭시킨 시편 표면의 수분을 천으로 제거한 후 80 ℃의 건조기에서 1 시간 건조하는 것을 1 cycle로 하여, 코팅층의 표면이 50% 이상 박리가 될 때까지 테스트를 수행하였다[12].
열피로 및 열충격 시험 전/후 시험편 단면 미세구조와 기계적 특성을 관찰하기 위해 절단된 시편을 epoxy resin으로 마운팅하여 diamond paste로 1 ㎛까지 연마하였으며, 시험편의 단면 미세구조는 주사전자현미경(SEM; Model JSM-5610, JEOL, Japan)으로 분석하였다.
2는 열충격 시험을 위한 시험방법에 대해 나타내었다. 전기로의 내부 온도가 1100 ℃에 도달했을 때, 시편을 전기로 내부에 장입하고 1시간 동안 고온의 열원에 노출 시킨 후 상온의 물에 넣어 급랭시킨 시편 표면의 수분을 천으로 제거한 후 80 ℃의 건조기에서 1 시간 건조하는 것을 1 cycle로 하여, 코팅층의 표면이 50% 이상 박리가 될 때까지 테스트를 수행하였다[12].

대상 데이터

Bond 코팅층 형성에 앞서, 코팅층의 접합력을 향상시키기 위해, 60 mesh 크기의 알루미나 분말을 이용하여 블라스팅을 실시하였으며, 초내열 합금 모재에 열차폐 코팅층을 형성하기 위하여, bond coat와 top coat 모두 대기 용사 (Air Plasma Spray : APS) 코팅 시스템 장비 (9MB, Sulzer Metco Holding AG, Switzerland)를 이용하였다. Bond coat 형성은 MCrAlY 상용 분말인 AMDRY 962 분말 (Oerlikon Metco, Switzerland)을 사용하였으며, top coat는 상용 YSZ 분말인 Metco 204 C-NS (Oerlikon Metco, Switzerland)를 사용하여 코팅층을 형성하였다. bond 코팅층과 top 코팅층 형성을 위한 공정 조건을 Table 2에 나타내었다.
본 연구에서는, Ni계 일방향 초내열합금 (GTD- 111, a nominal composition of Ni–14Cr–9.5Co–1.5Mo–3Al–4.9Ti–3.8W–2.8Ta–0.1C-0.01B, in wt%)을 모재로 사용하였으며, 실험의 편의를 위해 직경 25.4 mm, 두께 5 mm 크기로 시편을 제작하였다.
열차폐 코팅층의 열적 내구성 평가를 위해 Fig. 1과 같은 반복 열피로 시험 장치를 이용하였다. 반복 열피로 시험을 위해 사용된 열피로 시험 장치는 액화 천연가스를 이용하여 화염을 형성하여 1100 ℃ 온도의 화염으로 5분간 가열하고, 상온에서 25분간 냉각하는 것을 1 cycle로 하여 1429회까지 테스트를 수행하였다.

이론/모형

본 연구에서는 일반적으로 발전용 가스터빈의 수명평가를 위해 사용하는 등가 운전 시간 (Equivalent Operating hour : EOH) 이용하여 열차폐 코팅의 열적 내구성을 평가하는 척도로 사용하였으며, 등가 운전 시간은 식 (1)과 같이 나타낸다[13,14]. 본 연구에서는 등가운전시간 계산을 시험 횟수 (cycle 수)에 21을 곱하여 테스트를 수행하였다[15].

성능/효과

화염 열피로 테스트 결과, 열차폐 코팅층으로 인한 열차폐 효과와 상대적으로 짧은 AOH로 인해 코팅층의 두께와 관계없이 모두 건전한 코팅층 미세구조를 유지하였으며, top층과 bond층 계면에서의 박리현상은 관찰되지 않았다. Top 층의 일부 치밀화 현상과 1 ~ 2 ㎛의 TGO층이 관찰되었으나, top 층의 치밀화로 인한 균열의 성장이나, TGO로 인한 박리 영향은 관찰되지 않는 양호한 상태로 유지되어, 1100 ℃의 화염에서 5분간 1429 회 동안 건전성이 유지되었다. 반면에, 열충격 테스트를 한 결과, 열차폐 효과가 적은 코팅층이 얇은 부위에서 박리가 발생되기 시작하여 모재의 균열과 더불어 박리부위가 확대되어 98회 테스트 후 top층 표면이 50% 이상 박리가 발생되었다.
Top 층의 일부 치밀화 현상과 1 ~ 2 ㎛의 TGO층이 관찰되었으나, top 층의 치밀화로 인한 균열의 성장이나, TGO로 인한 박리 영향은 관찰되지 않는 양호한 상태로 유지되어, 1100 ℃의 화염에서 5분간 1429 회 동안 건전성이 유지되었다. 반면에, 열충격 테스트를 한 결과, 열차폐 효과가 적은 코팅층이 얇은 부위에서 박리가 발생되기 시작하여 모재의 균열과 더불어 박리부위가 확대되어 98회 테스트 후 top층 표면이 50% 이상 박리가 발생되었다. 열차폐 효과가 적은 코팅층이 얇은 부위에서 top 층의 박리현상과 함께 bond 층의 산화정도가 두꺼운 부위에 비해서 심하게 나타났으며, 결과적으로 온도가 급격하게 변하는 열충격 환경에서 열차폐 효과가 높은 두꺼운 부위의 코팅층이 얇은 부위에 비해 산화 저항성과 열적 안정성이 우수한 것으로 나타났다.
반면에, 열충격 테스트를 한 결과, 열차폐 효과가 적은 코팅층이 얇은 부위에서 박리가 발생되기 시작하여 모재의 균열과 더불어 박리부위가 확대되어 98회 테스트 후 top층 표면이 50% 이상 박리가 발생되었다. 열차폐 효과가 적은 코팅층이 얇은 부위에서 top 층의 박리현상과 함께 bond 층의 산화정도가 두꺼운 부위에 비해서 심하게 나타났으며, 결과적으로 온도가 급격하게 변하는 열충격 환경에서 열차폐 효과가 높은 두꺼운 부위의 코팅층이 얇은 부위에 비해 산화 저항성과 열적 안정성이 우수한 것으로 나타났다.
화염 열피로 테스트 결과, 열차폐 코팅층으로 인한 열차폐 효과와 상대적으로 짧은 AOH로 인해 코팅층의 두께와 관계없이 모두 건전한 코팅층 미세구조를 유지하였으며, top층과 bond층 계면에서의 박리현상은 관찰되지 않았다. Top 층의 일부 치밀화 현상과 1 ~ 2 ㎛의 TGO층이 관찰되었으나, top 층의 치밀화로 인한 균열의 성장이나, TGO로 인한 박리 영향은 관찰되지 않는 양호한 상태로 유지되어, 1100 ℃의 화염에서 5분간 1429 회 동안 건전성이 유지되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	열차폐 코팅은 어떤 역할을 하는가?	가스터빈의 고온부품에 적용되는 초내열합금은 일반적으로 온도 내구성의 한계로 인해 1000 ℃ 이상에서 사용이 어려우며, 이러한 환경에서 사용하기 위해서 열차폐 코팅 및 냉각 유로를 통한 공기 냉각의 적용이 필수적이다. 열차폐 코팅은 발전용 및 항공용 가스터빈에 적용되는 고온 부품에 적용되어, 고온의 연소 가스로부터 모재를 보호하는 역할을 한다[3,4]. 일반적으로, 열차폐 코팅 시스템은 세라믹 top coat와 intermetallic bond coat로 구성되며, top coat의 경우 가스터빈 고온부품에 열차폐 기능을 제공하는 세라믹 물질로 형성되고, MCrAlY (M = Ni and/or Co) 물질을 사용하는 bond coat는 모재에 산화 저항성 및 부식 저항성을 높일 뿐만 아니라 top coat와 모재의 결합력을 증가 시키는 역할을 한다[5].
	열차폐 코팅 시스템 적용 시 어떤 효과가 있는가?	이러한 열차폐 코팅의 적용으로 가스터빈 구성품 표면온도를 100 ~ 150 ℃까지 줄일 수 있으며, 이로 인해 터빈 입구온도를 상승 시킬 수 있어, 궁극적으로 연료 효율 증가로 이어진다[6-11]. 이와 같은 터빈 입구 온도 상승을 위한 코팅층의 조성과 열적 노출에 의한 TGO 생성으로 야기되는 코팅층 박리에 대한 연구는 많이 진행된 바가 있으나, 가스터빈 블레이드의 형상으로 인해 발생하는 부품 내 코팅층 두께 차이에 의한 연구는 미진한 상태이다.
	열차폐 코팅 시스템은 일반적으로 어떻게 구성되는가?	열차폐 코팅은 발전용 및 항공용 가스터빈에 적용되는 고온 부품에 적용되어, 고온의 연소 가스로부터 모재를 보호하는 역할을 한다[3,4]. 일반적으로, 열차폐 코팅 시스템은 세라믹 top coat와 intermetallic bond coat로 구성되며, top coat의 경우 가스터빈 고온부품에 열차폐 기능을 제공하는 세라믹 물질로 형성되고, MCrAlY (M = Ni and/or Co) 물질을 사용하는 bond coat는 모재에 산화 저항성 및 부식 저항성을 높일 뿐만 아니라 top coat와 모재의 결합력을 증가 시키는 역할을 한다[5].

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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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