KR100536821B1 - 가스터빈의 가스버너 팁 코팅방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용사 기술에 의해 1차 기초코팅 및 2차 탑 코팅을 실시하여 마모가 잘 일어나는 가스버너 팁 접촉부의 기계적 성질을 개량하여 마모와 응력 부식이 일어나지 않도록 표면특성을 개선시킬 수 있는 가스버너 팁의 코팅방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 가스터빈 연소실에 부착되는 가스버너 팁의 표면성질을 개선하기 위한 방법으로, 상기 가스버너 팁에 대해 코팅 전처리를 실시하고, 용사 기술을 이용하여 금속 분말재료인 LS 30 파우더 재료를 이용하여 250 ~ 300㎛의 두께로 1차 기초 코팅을 하고, 그 위에 Al 99％ 파우더를 이용하여 80 ~ 100㎛의 두께로 2차 탑 코팅을 실시하는 것을 특징으로 한다.

Description

가스터빈의 가스버너 팁 코팅방법{Method for coating gas burner tip of gas turbine}

본 발명은 천연가스를 연료로 사용하는 가스터빈의 가스버너 팁 코팅방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 용사기술을 이용하여 마모가 일어나는 표면부분의 경도를 높여서 표면성질을 개선시킴으로써 내마모성을 증진시킬 수 있는 가스버너 팁의 코팅방법에 관한 것이다.

도 1에 예시한 바와 같이 가스터빈의 가스버너 팁(Gas burner tip : 11)은 주로 가스버너몸체, 노즐 홀(Nozzle hole), 공기공급 홀(Air supply hole), 나삿니(Screw thread) 등으로 구성되어 있으면서 다음 표 1과 같은 화학조성을 가지며, 경도는 보통 22 ~ 24HRC이며, 연소실(12)에 조립되어 연료인 천연가스를 연소실(12)에 분사하는 장치로 가스터빈의 핵심 설비이다. 그리고 연소실 칼라의 재질은 초경합금(Hastolly-X)으로 경도는 44 ~ 46HRC이며, 그 화학조성은 다음 표 2와 같다.

표 1

성분	Fe	Cr	Ni	Mn	C
중량％	Bal.	11.37	0.84	0.53	0.25

표 2

성분	Ni	Co	Fe	W	Mo	C	B	Al
중량％	Bal.	1.5	1.9	0.7	9	0.07	0.005	2

보통 10개의 연소실에는 각각 도 2에 나타낸 바와 같은 가스버너 팁이 설치되어 있는 바, 천연가스 운전 중 12.5kg/㎠의 압력과 324℃의 고온 환경 및 연소진동에 의하여 경한 재질로 된 연소실에 조립된 연한 재질로 된 가스버너 팁의 접촉부분에서 재질 차이로 인해 마찰마모, 예를 들면 도 3에 예시한 바와 같이 마모깊이 마모 폭(a) 16.9 ~ 18.1mm, 마모깊이(b) 1.50 ~ 1.78mm, 마모길이(c) 195 ~ 325mm의 편 마모가 발생하게 되며, 마모의 발생으로 틈 사이가 생겨 압축기 출구에서 공급되는 연소용 공기가 불균일하게 흘러 연소장애를 일으키고, 응력부식도 부분적으로 일어나는 문제점이 있다.

또한, 주위 냉각용 공기(12.5kg/㎠, 342℃)가 통과하면서 분체가 틈새 윤활작용을 하고 있으나, 마모가 진행되면서 분체 윤활은 감소하는 단점이 있고, 설비특성상 일일 기동정지를 계속하는 관계로 이 때의 금속 온도변화는 대기온도 25℃에서 약 450 ~ 500℃까지 15분만에 급상승되어 열응력(stress) 피로가 가중되는 문제점이 있다. 특히 운전 중 진동으로 인한 마찰마모와 미동마모 현상이 초기에 복합적으로 일어나면서 마모가 진행되다가 심하면 응력부식까지 일어나게 된다.

이에 본 발명은 종래의 문제점을 개선시키기 위한 것으로 고온에서 내마모성, 내산화성, 내침식성이 있는 코팅재료를 선택하여 가스버너 팁의 마모 층에 표면처리를 하여 표면특성을 개선시키고자 하는 것을 기술적 과제로 한다.

이에 본 발명은 용사 기술에 의해 1차 기초코팅 및 2차 탑 코팅을 실시하여 마모가 잘 일어나는 가스버너 팁 접촉부의 기계적 성질을 개량하여 마모와 응력부식이 일어나지 않도록 표면특성을 개선시킬 수 있는 가스버너 팁의 코팅방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 가스터빈 연소실에 부착되는 가스버너 팁의 표면성질을 개선하기 위한 방법으로, 상기 가스버너 팁에 대해 코팅 전처리를 실시하고, 용사 기술을 이용하여 금속 분말재료인 LS 30 파우더 재료를 이용하여 250 ~ 300㎛의 두께로 1차 기초 코팅을 하고, 그 위에 Al 99％ 파우더를 이용하여 80 ~ 100㎛의 두께로 2차 탑 코팅을 실시하는 것을 특징으로 한다.

기계, 기구, 장치류의 부품성능 및 수명은 그 표면성질에 좌우되는 경우가 많다. 이러한 경우를 위해 여러 가지 표면처리법 중에서 용사법을 이용한다. 용사는 가스 화염이나 플라즈마 등의 고온 열원으로 분말, 선재, 봉상의 금속 및 세라믹을 용융 또는 반용융 상태로 고속으로 모재에 분사시켜 모재 표면에 피막을 형성하는 것으로 부품성능향상 및 품질안정화를 이루는데 우수한 표면강화 육성기술이다. 따라서 용사 피막은 상호 용융되어 강력한 결합을 형성하여 고내마모성, 내산화성, 고내열성, 조직적합성 등 우수한 특성을 지니고 있어 성능개선효과가 매우 크게 된다.

본 발명에 의하면, 모재표면의 이물질제거와 기계적 특수가공을 통해 표면 전처리 공정을 실시하고, 약 110 ~ 130℃의 온도 범위로 예열을 한 후, 1차 코팅 재료(기초 코팅 층)로 LS 30 파우더(self flux, METCO에서 제작)를, 2차 코팅 재료(탑 코팅 층)로 99％ Al 파우더로 코팅하되 용사 기술을 이용함으로써 아주 치밀하고 기공율과 산화물의 함유량이 적당한 용사 피막을 형성할 수 있으며, 마모부위의 크랙, 수축현상이 적으며, 내마모성과 내산화성 및 내충격성이 우수하게 된다.

본 발명에 의하면, 코팅 전처리와 같은 표면처리는 용사의 성공여부를 판가름하게 된다. 그 이유는 가스버너 팁의 모재 표면에 대한 부적절한 표면처리는 부착력을 저하시키기 때문이다. 가스버너 팁과 용착금속 사이의 부착력은 모재 표면의 청정, 거칠기, 모재 표면과 용착금속의 화학적 친화력에 의해 결정된다.

상기 청정은 모재 표면에 존재하고 있는 이물질을 제거하기 위한 표면 전처리 공정으로 증기, 솔벤트, 신나 등을 사용하여 모재 표면을 세척한다.

기계적 특수가공인 거칠기 형성은 모재 표면에 탄화물이나 녹 등을 제거하거나 모재와 용착금속의 접착력을 향상시키기 위해 모재 표면에 요철을 만드는 것으로 거칠기 조성에 사용되는 연마용 입자로는 모래, 작은 강구(鋼球 : Shot), 강구를 파쇄한 그리트(Grit) 등을 사용하는데 이중에서 그리트 블래스팅(Grit blasting)이 가장 바람직하다.

본 발명에 의하면, 도 4에 나타낸 바와 같이 상기 가스버너 팁에 대해 코팅 전처리를 실시하고, 약 110 ~ 130℃의 온도 범위에서 예열을 실시하고, 용사 기술을 이용하여 1차 코팅으로 금속 분말재료인 LS 30 파우더 재료를, 2차 코팅으로 Al 99％ 파우더를 다층으로 코팅하게 되는 바, 상기에서 1차 코팅 재료로 사용하는 LS 30 파우더의 화학조성은 다음과 같다.

표 3

파우더	Fe	Ni	Cr	Mo	Mn	S	P	C
LS 30Self Flux	Bal.	4.0	1.5	1.5	2.0	0.03	0.03	0.04
Al	99％

LS 30의 입자 형상은 도 5와 같다. 도 5에서 보는 바와 같이, 입자 형상이 둥근 모양을 하고 있는 것이 Ni 입자이고, 그 외에는 각을 가지고 있으며, Fe와 혼합되어 있는 것을 알 수 있다.

본 발명에 따라 다층 코팅된 가스버너 팁은 팁 접촉부의 기계적 성질이 개선되어 마모와 응력부식이 일어나지 않는 장점이 있다.

이와 같은 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

실시예

가스터빈의 가스버너 팁 모재의 표면에서 이물질을 제거하기 위해 솔벤트로 전처리를 행하고, 거칠기 형성으로 평균 440㎛ Al₂O₃ 그리트로 분사노즐 20cm 앞에서 공기압 7kg/㎠으로 직접 밀어주는 방법으로 블래스팅 처리를 하였다.

상기 전처리된 모재의 표면에다 80KW 용량의 플라즈마 용사장비(METCO 9MB gun)을 이용하여 플라즈마 용사를 실시하되 플라즈마 1차 가스로 아르곤을 사용하고, 2차 가스로 수소를 사용하였다. 기초 코팅시 모재와 용사 건의 거리를 64mm, 탑 코팅 시에는 모재와 용사 건의 거리를 44mm로 하고, 기초 코팅시에는 건의 속도를 0.13m/s, 탑 코팅시에는 건의 속도를 0.13m/s로 하였다. 이때, 파우더의 공급율은 2.3kg/hr로 하고, 탑 코팅시에는 1.5kg/hr로 하였다.

이어서, 마모부위의 재육성에 적합한 LS 30을 모재에 약 250㎛의 두께로 1차 코팅을 실시하고, 이 위에 80㎛ 두께로 알루미늄 파우더를 2차로 코팅하여 다층으로 코팅 층을 형성하였다.

이와 같은 용사 기술에 의해 표면성질이 개선된 모재인 가스버너 팁의 코팅 층에 대한 접착성능시험, 경도측정 및 미세구조를 관찰하였다.

접착성능시험은 탑 코팅 층의 두께를 100㎛로 고정시킨 후, 기초 코팅 층의 두께를 150㎛, 200㎛, 250㎛로 증가시키면서 실험을 하였는 바, 인장력은 두께가 증가할수록 증가하였고, 250㎛ 때의 인장력은 2300.0kg/㎟이었다.

다른 한편으로 기초 코팅 층의 두께를 200㎛로 고정시킨 후 탑 코팅 층의 두께를 50㎛, 100㎛, 150㎛으로 증가시키면서 실험을 하였는 바, 인장력은 두께가 증가할수록 거의 변화가 없었으며, 100㎛때의 인장력은 2305.5kg/㎟이었다.

경도시험은 비커스 경도기 25G 하중을 사용하여 측정하였으며, 기초 코팅 층 경도를 7회 측정하여 최대치와 최소치를 제외한 5개의 평균값을 얻었다.

이에 의하면 모재 경도는 23 HRC에서 35.2 HRC로 우수하게 나타났으며, 마모깊이는 1.50 ~ 1.78 mm이었던 것이 개선 후에 0.10 ~ 0.17 mm로 기계적 성능의 향상으로 인하여 마모특성이 강화되었다.

일일 기동 정지시 모재 온도 급변에 의한 열적 피로에도 코팅 층과 모재와의 계면부분이 안정한 상태를 이루었다. 시험 팁을 가스터빈 연소실에 설치하여 6,791시간, 233회 기동 정지 운전을 반복한 결과에 의하면 코팅 층의 내부, 외부 파단이 발생하지 않았다.

본 발명의 실시예에 따른 가스버너 팁을 사용할 경우 연소실과 가스버너 접촉부의 마모량(마모깊이)이 1.50 ~ 1.78mm에서 0.10 ~ 0.17mm로 감소되어 가스터빈 운전중 연소실에서 발생되는 진동감소(떨림) 효과가 있으며, 가스버너 접촉부의 경도가 23HRC에서 35HRC로 개량되어 가스버너 자체 마모가 최소화되어 기계적 수명을 연장하여 정비비 및 지장 전력비 등의 비용을 절감할 수 있는 경제적 효과가 크다.

도 1은 통상적인 가스터빈의 가스버너 및 연소실의 분해 사시도이다.

도 2는 도 1의 가스버너 팁의 사시도이다.

도 3은 도 2와 유사한 도면으로 가스버너 팁의 마모 상황을 보여주기 위한 단면 개략도이다.

도 4는 본 발명에 따른 가스버너 팁의 코팅과정을 설명하기 위한 계통도이다.

도 5는 본 발명에서 1차 코팅재로 사용하는 LS 30의 입자를 200배 확대한 광학 현미경 사진이다.

-도면의 주요부분에 대한 부호의 설명-

11 ---- 버너 12 ---- 연소실

Claims (4)

1. 가스터빈 연소실에 부착되는 가스버너 팁의 표면성질을 개선하기 위한 방법으로, 상기 가스버너 팁에 대해 코팅 전처리 및 예열을 실시하고, 용사 기술을 이용하여 금속 분말재료인 LS 30 파우더 재료를 이용하여 250 ~ 300㎛의 두께로 1차 기초 코팅을 하고, 그 위에 Al 99％ 파우더를 이용하여 80 ~ 100㎛의 두께로 2차 탑 코팅을 실시하는 것을 특징으로 하는 가스터빈의 가스버너 팁 코팅방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 코팅 전처리는 증기, 솔벤트, 신나를 사용하여 모재 표면을 세척하는 청정과 모래, 작은 강구 및 그리트를 사용하는 거칠기 공정을 실시하는 것을 특징으로 하는 가스터빈의 가스버너 팁 코팅방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 예열 과정은 110 내지 130℃의 온도 범위에서 실시하는 것을 특징으로 하는 가스터빈의 가스버너 팁 코팅방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 기초 코팅과 탑 코팅은 플라즈마 용사에 의해 실시하는 것을 특징으로 하는 가스터빈의 가스버너 팁 코팅방법.