초록 ▼

□ 연구개요
보호코팅이란 핵심부품 표면에 내열성이 뛰어나고 열전도도가 낮은 재질이나 산화막을 형성하는 재질로 피막하여 핵심부품의 모재를 보호하는 기술임. 가스터빈 블레이드와 같은 초고온 부품에 적용되는 보호코팅의 경우 안전성을 확보하기 위해서는 보호코팅의 설계단계에서 내산화 및 열차폐성능 뿐만 아니라 내구성에 대한 설계가 함께 이루어져야 함. 이를 위해 보호코팅의 소재, 두께, 내부 형상 등을 고려하여 적합한 보호코팅을 도출할 수 있는 설계기술을 연구 개발하고자 함.

□ 연구 목표대비 연구결과
• 보호코팅의

□ 연구개요
보호코팅이란 핵심부품 표면에 내열성이 뛰어나고 열전도도가 낮은 재질이나 산화막을 형성하는 재질로 피막하여 핵심부품의 모재를 보호하는 기술임. 가스터빈 블레이드와 같은 초고온 부품에 적용되는 보호코팅의 경우 안전성을 확보하기 위해서는 보호코팅의 설계단계에서 내산화 및 열차폐성능 뿐만 아니라 내구성에 대한 설계가 함께 이루어져야 함. 이를 위해 보호코팅의 소재, 두께, 내부 형상 등을 고려하여 적합한 보호코팅을 도출할 수 있는 설계기술을 연구 개발하고자 함.

□ 연구 목표대비 연구결과
• 보호코팅의 내산화 및 열차폐성능 설계기술 개발
- 내산화성능의 설계지표로 Al 고갈도 및 TGO층 두께를 선정하여 TGO 성장곡선과 Al 고갈 관계를 도출하고, 내산화성능 설계를 위한 Al 고갈도 예측식을 정립함. 또한, 보호코팅의 미세구조에 따라 TGO의 만곡이 다르게 형성됨을 확인함.
- 열차폐성능의 설계지표로 코팅표면-모재표면의 온도차를 선정하여 이를 예측할 수 있는 기법을 정립하고 열차폐성능이 보호코팅 열전도계수 및 두께의 함수임을 확인하여 목표 열차폐성능을 만족하는 코팅 규격의 도출이 가능한 설계기법을 정립함.
- 극한가동환경하 내산화 및 열차폐 요구 성능을 만족시키는 보호코팅을 설계하고, 이를 시험적으로 검증하여 보호코팅의 극한가동환경 대응 내산화 및 열차폐성능 설계기술을 개발함. 또한, 보호코팅의 주요 파손 원인은 TGO 만곡부에 발생되는 응력집중임을 밝혔으며, 미세구조에 따른 TGO의 만곡 차이가 보호코팅 설계 시 반드시 고려되어야 함.
• 보호코팅의 내열 내구성능 설계기술 개발
- 가동환경을 모사하는 내열 내구성능 평가시스템을 구축하여 보호코팅의 가동온도별 내열 내구성능을 평가함. 이에 등가운전시간 관계식을 도출하여 내열 내구성능을 평가할 수 있는 기준을 정립함.
- TGO층의 만곡을 조절하는 좌굴응력을 주요 인자로 확인하였고, 탑코팅층에 삽입된 수직균열에 의해 좌굴응력이 효과적으로 감소함을 확인함. 이를 이용하여 보호코팅의 내열 내구성능을 향상시키는 산화층 제어 코팅 설계기법을 정립함.
- 정립된 설계기법을 통해 산화층 형상을 완만하게 제어하여 내구성능이 개선된 보호코팅을 설계(CTS 코팅)하였고, 상용코팅 2종과 내열내구성능을 비교한 결과, 개발된 코팅이 더 우수하게 평가된 것을 확인함.
• 보호코팅의 복합하중 내구성능 설계기술 개발
- 화염에 의한 열피로와 원심력에 의한 기계적 피로를 모사하는 복합하중 내구성능 평가시스템을 구축하여 개발된 코팅을 포함한 보호코팅의 가동변형률별 복합하중 내구성능을 평가함.
- 복합하중 내구성능 평가결과와 해석을 통해 응력기반 내구성능 설계지표를 도출하고, 설계인자의 해석을 통한 최적 설계 범위를 도출하여 보호코팅의 복합하중 내구성능 설계기법을 정립함.
- 복합하중 내구성능 설계기법을 적용한 보호코팅의 내구성능을 다른 상용코팅의 내구성능 시험결과와 비교 및 평가하여 우수성을 검증하였고, 이를 기반으로 관련 특허를 등록함으로써, 해외기술에 의존하고 있는 가스터빈, 항공기용 엔진, 우주선 발사체 등의 개발에 필요한 기술을 확보함.

□ 연구개발결과의 중요성
• 보호코팅 기술 국산화
본 연구를 통해 확보된 설계기술을 활용하여 보호코팅 기술 국산화가 가능할 것으로 판단되며, 이를 통해 매년 해외로 지출되고 있는 관련 부품 구입비용 및 기술 로열티의 지출을 줄일 수 있을 것으로 판단됨.
• 관련 산업분야로의 확대적용
본 연구를 통해 확보된 보호코팅 설계기술은 발전용 가스터빈 이외에도, 항공기용 엔진(~1,700℃)과 로켓 발사체(~3,300℃) 등 항공·우주용 엔진을 개발하기 위한 기초기술로서 활용이 가능할 것으로 판단됨.
• 후속연구기반 확보
본 연구를 통해 확보된 보호코팅용 연구 인프라는 향후 국내에서 진행될 다양한 보호코팅 관련 연구에 활용되어 국내 보호코팅 연구 기반을 마련할 수 있을 것으로 판단됨.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 1) 연구의 필요성 ... 4
• 2) 연구의 목표 ... 4
• 3) 연구범위 ... 5
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 6
• 1) 보호코팅의 내산화 및 열차폐성능 설계기술 개발 ... 6
• 2) 보호코팅의 내열 내구성능 설계기술 개발 ... 10
• 3) 보호코팅의 복합하중 내구성능 설계기술 개발 ... 14
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 18
• 1) 보호코팅 원천기술 확보를 통한 기술 자립화 ... 18
• 2) 보호코팅 원천기술을 이용한 적용분야 확장 ... 18
• 3) 전문연구인력 양성을 통한 경쟁력 확보 ... 18
• 4. 참고문헌 ... 19
• 5. 연구성과 ... 24
• 대표적 연구실적 ... 36
• 끝페이지 ... 52