KR100509118B1 - 열 차폐 코팅의 수명연장을 위한 예산화 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열 차폐 코팅의 수명을 향상시키고자 금속 중간 결합층에 치밀하고 견고한 고온 내산화성이 높은 알루미늄 산화물층을 얻기 위한 열처리 공정에 관한 것이다.

본 발명에 의한 열처리 공정은 기존의 열 차폐 코팅 공정과 모두 동일하지만 단지 공정 중간단계에서 모재에 금속 중간결합층을 코팅한 후 예산화처리를 하는 것만 다르다.

예산화처리는 중간 결합층까지만 코팅한 시편을 대기 중에서 1050℃에서 최대 50시간까지 열처리를 통해 금속 중간결합 코팅층 위에 치밀하고 견고한 알루미늄 산화층을 얻는 것을 목적으로 한다.

상기 방법으로 처리된 열 차폐 코팅의 시편을 1100℃ 공기 중에서 반복산화 시험한 결과 아주 우수한 내산화 특성을 보였으며, 열충격 특성 또한 우수하였다.

Description

열 차폐 코팅의 수명연장을 위한 예산화 방법{Pre-oxidation treatment method for life extension of thermal barrier coating}

본 발명은 열 차폐 코팅의 수명연장을 위한 예산화 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 고온에서 운전되는 가스터빈 고온부품에 적용되는 열 차폐 코팅의 수명을 연장하기 위한 방법에 관한 것이다.

열 차폐 코팅은 고온에서 운전되는 부품에 적용되는 표면처리법이다. 이 표면처리법은 금속결합층과 세라믹 상부층의 두 층으로 구성되어진다. 금속결합층은 금속모재의 고온산화를 방지하고, 모재와 세라믹 상부층의 접착력을 용이하게 하는 역할을 하며, 세라믹 상부층은 열전달을 지연시켜 모재를 고온의 환경에서 보호하는 역할을 한다. 이러한 열 차폐 코팅층은 모재에 블라스팅을 통해 표면 거칠기를 부여한 후, 금속합금분말(MCrAlY, M=Ni, Co, Fe)을 대기 또는 진공 하에서 용사(Spray)로 모재 표면에 코팅한 후, 세라믹 분말(ZrO₂-Y₂O₃)을 최종적으로 대기 중에서 용사하는 공정으로 제조된다.

이러한 열 차폐 코팅의 열화는 고온에서 장시간 사용함에 따라 금속 결합층과 세라믹 상부층 계면에서 발생한다. 열화의 주된 원인은 세라믹층을 통과한 산소가 금속결합층의 금속원소와 반응하여 산화물을 형성한다. 계면에 생성된 산화물은 주로 알루미늄 산화물과 니켈 산화물 등으로 불안정한 상으로 존재하여 외력에 취약한 구조인 NiAl₂O₄의 스피넬 구조를 갖게 되며, 이 상은 가열과 냉각이 반복되는 환경에서 계면에서 발생하는 응력에 의해 균열의 개시점과 균열의 전파에 용이한 경로를 제공하는 역할을 한다.

또 하나의 원인은 금속원소가 산화물로 되면 부피가 팽창하여 계면에서 산화물 주위로 응력을 발생시킨다. 이러한 열 차폐 코팅의 열화는 중간 결합층과 세라믹 상부층의 계면에서 생성되는 산화물로 인해 진행되며, 결국 박리되어 수명이 다하고 만다.

이러한 금속결합층의 산화를 방지하기 위해 현재의 연구방향은 금속결합층과 세라믹 상부층의 계면에 희토류 원소(Re, Pd, Pt)를 이용하여 물리 진공 증착법 등으로 산소의 확산 장벽을 생성하고, 또 하나의 백금 도금을 한 후 증착시키는 방법을 통해 산화를 방지하는 연구가 진행되고 있다.

그러나, 전술한 방법은 공정이 복잡하며, 실제 부품에 적용하기에는 장비의 대형화 및 비용이 많이 소요되는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 금속결합층을 코팅한 후 대기 중에서 간단한 열처리를 통해 내산화성을 향상시킬 수 있는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 중간결합층을 코팅한 후 미리 안정화하고 치밀한 산화물을 표면에 형성시켜 산소의 내부로의 확산을 방지 및 산화물의 생성을 억제하여 열 차폐 코팅의 수명을 연장하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 조성물은 코팅의 모재로 니켈기 초합금인 IN738LC를 사용한다. IN738LC의 조성은 다음과 같다.

Ni-16.0Cr-8.5Co-1.7Mo-2.6W-1.7Ta-0.9Nb-3.4Al-3.4-Ti-0.11C(중량％)

모재는 표면의 거칠기를 부여하기 위해 블라스팅(Blasting) 처리를 하며, 아세톤과 알콜로 세척을 한다.

금속 중간 결합층의 코팅은 Ni-211(Ni-22Cr-10Al-1Y 중량％) 분말을 사용하였다. 이 분말을 이용하여 대기용사(APS : Air Plasma Spraying)를 통하여 모재에 100㎛ 두께로 코팅한다. 세라믹 상부 코팅층은 ZrO₂-8Y₂O₃(중량％) 분말을 이용하여 150㎛ 두께로 코팅한다.

코팅 후 열처리는 진공분위기에서 1050℃에서 4시간 동안 처리한다.

예산화처리는 금속 중간결합층까지만 코팅한 후 대기 중에서 1050℃의 온도에서 1시간부터 최대 50시간까지 한다. 예산화처리 후 세라믹 상부코팅은 동일 조건으로 코팅한 후 열처리도 동일 조건으로 행한다.

이렇게 일반적으로 행해지는 코팅으로 제조된 시편과 예산화처리를 한 코팅을 가지고 고온 특성을 비교하였다.

예산화처리 후 일반 코팅에서는 관찰할 수 없었던 알루미늄 산화층이 생성되었으며, 도 1에서 보는 바와 같이 생성된 알루미늄 산화물층의 두께는 예산화 시간이 증가함에 따라 1.22, 2.15, 3.72㎛로 증가하였다.

실제 발전용 가스터빈은 기동정지를 반복하는 환경에서 운전되고 있어 가스터빈 고온부에 적용된 열 차폐 코팅은 고온에서 저온의 환경이 반복됨에 따라 수명이 소진된다.

이에 실제 운전환경과 유사한 조건에서 코팅의 고온 특성을 알아보고자 주기산화시험을 행하였다.

주기산화시험은 시편을 1100℃의 노(Furnace)에 넣고 45분 유지하고, 그 후 노에서 꺼내 상온(25℃)에서 15분 유지하는 것을 1사이클(Cycle)로 하는 반복시험으로서 전체 코팅면적의 20％ 이상이 박리하는 때를 코팅 수명이 다한 것으로 간주하였다.

도 2에서 보는 바와 같이, 일반코팅의 경우는 227회 예산화처리를 한 경우 시간이 1, 10, 50시간으로 증가함에 따라 363, 436, 558회로 증가하였다. 예산화처리를 한 코팅이 보통 코팅의 경우보다 수명이 현저히 향상되었으며, 예산화 시간이 길어질수록 코팅 수명이 향상 정도가 큼을 알 수 있었다.

또한, 발전소에서 갑자기 정지하는 경우의 환경을 모사하기 위해 좀더 가혹한 조건인 열충격 시험을 행하였다. 열 충격 시험은 시편을 박스형태의 노에 투입하여 노의 온도가 1050℃에 도달하면 시편을 취외하여 대기 중의 물속에 투입하여 급냉시킨 후 시편에 다시 투입하는 과정을 1사이클로 하는 반복시험을 하였다. 열충격 시험에 따른 코팅 파단 수명의 기준은 열충격 시험 동안에 시편 표면에서 세라믹층의 탈락이 시작되는 때를 코팅 수명이 다한 것으로 하였다.

도 3에서 보는 바와 같이, 예산화를 50시간 적용한 경우는 262회, 적용하지 않은 경우는 136회로서 예산화처리를 한 코팅의 수명이 2배정도 향상됨을 알 수 있었다.

본 발명의 예산화 방법은, 기존의 코팅 공정에 간단한 열처리를 행함으로써 열 차폐 코팅의 수명을 연장시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 예산화처리 시간에 따른 산화물의 두께를 나타낸 그래프이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 예산화처리에 따른 주기 산화 시험 결과를 나타낸 그래프이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 예산화처리에 따른 열충격 시험 결과를 나타낸 그래프이다.

Claims (2)

1. Ni-16.0Cr-8.5Co-1.7Mo-2.6W-1.7Ta-0.9Nb-3.4Al-3.4-Ti-0.11C(중량％)의 조성을 갖는 니켈기 초합금인 IN738LC의 모재 표면을 블라스팅 처리를 한 후, Ni-211(Ni-22Cr-10Al-1Y 중량％) 분말을 사용하여 대기 용사에 의해 금속 중간 결합층을 상기 모재 표면에 코팅하고, 그 위에 ZrO₂-8Y₂O₃(중량％) 분말을 이용하여 세라믹 상부 코팅층을 형성한 후 진공분위기 하에서 1050℃에서 4시간 동안 열처리하여 고온에서 운전되는 가스터빈 고온부품에 적용되는 열 차폐 코팅에 있어서, 상기 금속 중간결합층을 코팅한 후 대기 중에서 1050℃의 온도에서 1시간부터 최대 50시간까지 열처리를 행하는 것을 특징으로 하는 열 차폐 코팅의 수명연장을 위한 예산화 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 열처리에 의해 금속 중간결합층의 표면에 안정한 알루미늄 산화물을 형성하는 것을 특징으로 하는 열 차폐 코팅의 수명연장을 위한 예산화 방법.