보고서 정보
주관연구기관 |
세원하드페이싱 |
연구책임자 |
곽찬원
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보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2017-10 |
과제시작연도 |
2016 |
주관부처 |
산업통상자원부 Ministry of Trade, Industry and Energy |
등록번호 |
TRKO201800040109 |
과제고유번호 |
1415148740 |
사업명 |
소재부품기술개발 |
DB 구축일자 |
2018-10-13
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키워드 |
섬유 강화 복합체.연소기 라이너 소재.복합체 제조 공정.내환경 코팅.고온 구조 세라믹스.
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초록
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핵심기술
초고온 combustor용 고인성 섬유 강화 SiC 세라믹 복합체 개발 및 내환경 코팅 분말 상용화 시스템 구축
최종목표
♦ 초고온 combustor용 고인성 섬유 강화 SiC 세라믹 복합체 개발
▪ Proportional limit stress (1200℃) : 120 MPa
▪ 파괴인성: 25 MPa·m1/2
▪ Environmental barrier coating/TBC 단열성: ΔT=100℃ at 1200℃ for 100h, Δt < 2%
▪ 건전성 유
핵심기술
초고온 combustor용 고인성 섬유 강화 SiC 세라믹 복합체 개발 및 내환경 코팅 분말 상용화 시스템 구축
최종목표
♦ 초고온 combustor용 고인성 섬유 강화 SiC 세라믹 복합체 개발
▪ Proportional limit stress (1200℃) : 120 MPa
▪ 파괴인성: 25 MPa·m1/2
▪ Environmental barrier coating/TBC 단열성: ΔT=100℃ at 1200℃ for 100h, Δt < 2%
▪ 건전성 유지 : 10분 at 2000℃
▪ 크기 : 300 X 300 mm
개발내용 및 결과
♦ SiC 섬유 강화 복합체
세라믹스가 지닌 취성파괴 특성을 향상시키고자 SiC 섬유를 강화제로 직조한 다공성 프리폼의 빈 공간을 SiC 기지물질로 채워서 만든 복합체
♦ SiCf/SiC 복합체 제조 기술 개발
- 프리폼 제조를 위하여 braiding 장치 제작 및 braiding 기술을 확보하였고, filament winding 기술도 섬유 슬러리 연속 코팅 기술을 포함하여 튜브형상 최적화 제조 기술을 개발하였음.
- 섬유 계면 코팅을 위하여 PyC 와 BN 코팅 기술을 화학기상증착,슬러리 코팅법으로 개발하여 활용하였음.
- 화학기상침착 공정 (Chemical Vapor Infiltration) : 섬유 프리폼(preform) 내에 열분해한 반응가스를 침착(infiltration) 하여 기지상을 채워 치밀한 섬유강화 복합체를 제조하는 공정임. subscale mock-up을 제조할 수 있는 CVI 장치를 구축하였고, 최대 직경 200 mm 튜브형상 라이너 제조 최적공정을 개발하였으며, C-ring 강도가 500 MPa, 파괴인성도 20 MPa m1/2이상 까지 얻었음. PIP와 hybrid 공정을 개발하였고, whisker를 활용한 공정도 개발하였음.
- 액상 금속 함침 및 반응 소결 공정 (Liquid Metal Infiltration) :섬유 + 카본 프리폼(preform) 내에 용융 금속 (ex. Si, Alloys)을 침투시켜 내부 카본과 반응된 카바이드 (ex. SiC) 기지상을 형성하는 공정. 공정 속도가 매우 빠르고 제조 단가가 저렴하며, 부품 크기와 모양의 제약이 없어 상용 CMC 부품 제조에 다양하게 적용되고 있음.
- 고분자 함침 열분해 공정 (Polymer Impregnation / Pyrolysis) :PIP 공정을 위한 최적의 액상 전구체를 선정하였고 62vol%의 초고농도 슬러리 제조가 가능한 고순도 nano SiC filler를 제조하였음. 이를 이용하여 제조된 SiCf/SiC는 최대 350MPa의 높은 상온곡강도 값을 나타내었음. 또한 PIP 공정 최적화에 의한 산화방지와 filler 표면의 산화물 제거 처리를 통하여 기존 공정으로 제작시 1400℃ 열처리 후 상온강도의 16% 만이 보존된 소재의 고온 안정성을 76.1% 유지로 크게 향상 시켰음. 최종적으로 대형화 공정 개발을 통하여 직경 200mm, 높이 100mm 급의 대형 CMC tube를 제작하였음.
- 전기영동법 (Electrophoretic Deposition : EPD)에 의한 슬러리 함침 (Slurry impregnation) 및 고온가압 (Hot Press) 공정 : 전극 사이의 전기장 하에서 용액 속에 분산된 세라믹 입자가 반대 전하의 전극을 향하여 이동하는 현상을 이용하여 함침을 하는 방법.함침된 프리폼을 열간가압 소결법을 이용하여 고밀도의 탄화규소 섬유강화 탄화규소 복합체(SiCf/SiC)를 제조.
- 복합체 물성평가를 위한 표준 절차서를 작성하여 활용하였으며,공인시험성적서, 표준 data sheets, DB 핸드북을 확보하였음.
- PACRIM, HT-CMC, 한국세라믹학회 등 국내외 학회에 복합체 session을 주관하여 기술교류를 지속적을 유지하고, 연구 컨소시엄의 역량을 향상하였고, 국내외 학회지에 32편 논문게재, 107편 논문발표, 16건의 특허출/등록을 하였음.
- 고온환경에서 탄화규소가 증기(water vapor)와 반응하여 부식이 일어나는 단점을 방지하기 위해 내환경코팅(T/EBC, Thermal barrier coating/ Environment barrier coating)이 요구되어 이에 대한 연구를 수행하였음.
- 분무건조방법을 통해 다양한 T/EBC 용사 분말을 개발 및 제조하였고 대기 플라즈마 코팅법을 통해 각 용사 분말에 알맞은 용사코팅 최적화를 실시하여 각 참여기관에서 제작한 SiCf/SiC CMC를 제공받아 시작품 코팅 제작.
- 사업화를 위한 T/EBC 용사 분말 양산화 공정 확립 및 코팅 시스템 구축하였고 구축된 용사 코팅 시스템을 활용하여 최적화된 용사분말 및 용사 코팅 조건을 매뉴얼로 제작.
기술개발 배경
• 국내의 가스터빈 연소기 라이너 부품은 잦은 기동정지로 냉간가동 시 급격한 온도변화를 겪게 되고, 가혹한 진동환경 하에서 작동함. 따라서 고온부품에 열피로, 변형, 균열, 파손현상이 자주 발견되어 정비 시 잦은 교체가 발생하고 있음. 국내의 교체주기는 6년, 정비주기는 3년으로서 많은 비용이 소모되고 있는 실정임. 가스터빈 연소기 라이너 부품의 보수유지 비용을 절감하고 내구성 향상으로 인한 설비의 수명증가를 위해서는 고온에서 안정적으로 사용 가능한 연소기 라이너 부품 개발이 필요함. 이러한 연소기 라이너 소재는 금속재 내열합금(Nimonic 263)에 세라믹 코팅재(YSZ, Yttria stabilized zirconia)가 도입된 부품으로 사용되며, 국내에서도 1350℃급이 개발되어 적용된 사례가 있으나, 보다 높은 온도에 적용하기에는 무리가 있음. 따라서 보다 높은 온도에 적용하기 위한 내열성이 우수한 소재가 적용된 연소기 라이너 개발이 필요함.
핵심개발 기술의 의의
• SiCf/SiC복합체는 전략물자에 속하며 상용시장이 최근에 항공부품 분야에서 형성되기 시작하고 있음.
• 복합체 제조 기술은 전 세계적으로 현재도 개발이 진행 중인 기술임. TRL 5의 기술을 본 연구를 통하여 확보하였으며, 쿠폰 시험에서 sub-scale의 직경 400 mm 튜브 형상 제조 기술을 확보하여 시험편의 scale-up 기술이 도달되었고, 튜브에 대한 물성평가 방법을 확보하였음.
• 내환경 코팅 분야도 기술 개발이 진행 중인 분야이며, 신조성 분말을 합성하였고, 코팅 최적화 기술을 확보하였으며, 상용화를 위한 기반 구축이 마련되어 시장확보를 위한 노력인 진행 중임.
• 생산자료의 신뢰성을 높이기 위하여 DB 핸드북을 구축하였고,물성평가 시험은 국제표준문서를 기준으로 표준절차서를 만들어 적용하였고, 평가 자료는 표준 data sheet를 이용하여 고품질화 하였음.
• 16건의 국내외 특허가 출원 및 등록 되었고, 32건의 논문이 국내외 학술지에 게재되었고, 107건의 논문이 국내외 학술대회에서 발표되었음.
• 원자력연구원에서 우수과제로 선정되어 수상하였고, PacRim 11, 12, HTCMC 9 등 국제학술대회에서 심포지엄을 구성하고 외국의 저명한 전문가들과 정보교환 및 현안 해결을 위한 노력을 기울였음.
• 또한 ISO/TC 206, KS 파인세라믹스 전문위원회, OECD/NEA EGISM 전문가 그룹에 포함되어 국제적인 활동도 적극적으로 수행하여 국가 위상을 높이는데 기여하였음.
적용 분야
• High efficiency micro & medium gas turbine : Combustor liner, Heat exchanger, Vane, Rotor
• High temperature stable aircraft components : Ramjet, Combustion chamber, Aircraft thrust deflector, Missile nozzle exit cone
• High temperature & high dose resistance components : Core component for GEN-IV Reactor, Blanket in fusion reactor
( 출처: 최종보고서 초록 - 3. 개발결과 요약 4p )
목차 Contents
- 표지 ... 1
- 제출문 ... 2
- 최종보고서 초록 ... 3
- 기술개발사업 주요 연구성과 ... 11
- 제 1 장 서론 ... 20
- 제 1 절 과제의 개요 ... 20
- 제 2 장 과제 수행의 내용 및 결과(기술개발 내용 및 방법) ... 22
- 제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 ... 22
- 제 2 절 단계 목표 및 평가 방법 ... 26
- 제 3 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 29
- 제 4 절 수행 결과의 보안등급 ... 34
- 제 5 절 유형적 발생품(연구시설, 연구장비 등) 구입 및 관리 현황 ... 34
- 제 3 장 결과 ... 37
- 제 1 절 연구개발 최종 결과 ... 37
- 제 2 절 연구개발 추진 체계 ... 85
- 제 3 절 고용 창출 효과 ... 92
- 제 4 절 자체 보안관리 진단표 ... 93
- 제 4 장 사업화 계획 ... 94
- 제 1 절 시장 현황 및 전망 ... 94
- 제 2 절 사업화 계획 ... 95
- 제 3 절 향후 추가 기술 개발 계획(개발기술 응용 등) ... 98
- 부 록 ... 99
- 끝페이지 ... 258
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