KR100798478B1

KR100798478B1 - 열차폐 코팅용 소결체, 이의 제조방법 및 이를 이용한열차폐 코팅층의 제조방법

Info

Publication number: KR100798478B1
Application number: KR1020060083410A
Authority: KR
Inventors: 이기성; 정규익; 박상현; 이진헌; 이재현; 정연길; 백운규
Original assignee: 한양대학교 산학협력단
Priority date: 2006-08-31
Filing date: 2006-08-31
Publication date: 2008-01-28
Also published as: AU2007251892B2; WO2008026901A1; AU2007251892A1; US20100296943A1

Abstract

본 발명은 열차폐 코팅용 소결체, 이의 제조방법 및 이를 이용한 열차폐 코팅층의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 Y₂O₃(이트리아)로 도핑된 Gd₂Zr₂O₇를 포함하는 열차폐 코팅용 소결체 및 이의 제조방법과, 상기 열차폐 코팅용 소결체를 이용하여 열차폐 코팅층을 형성하는 방법에 관한 것이다.

상기 열차폐 코팅층은 각종 기계 부품 등의 표면에 형성되어 우수한 열차폐 특성을 나타내고 내구성 및 경도가 향상되어, 상기 기계 부품의 신뢰성 및 수명을 증가시킨다.

열차폐 코팅, 소결체, 경도, 내구성, 저항성

Description

열차폐 코팅용 소결체, 이의 제조방법 및 이를 이용한 열차폐 코팅층의 제조방법{Thermal Barrier Coated Materials, Method of Preparation Thereof, and Method of Coating Using Them}

도 1은 실시예 1, 2 및 비교예 1 내지 3에서 제조된 열차폐 코팅용 소결체를 마이크로 비커스법으로 측정된 경도 변화를 보여주는 그래프이다.

도 2는 실시예 5에서 제조된 열차폐 코팅층의 표면에 대해 20000배 확대된 주사전자현미경 사진이다.

도 3은 실시예 5에서 제조된 열차폐 코팅층의 파단면에 대해 5000배 확대된 주사전자현미경 사진이다.

본 발명은 열차폐 코팅용 소결체, 이의 제조방법 및 이를 이용한 코팅층의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 상기 열차폐 코팅층은 각종 기계 부품 등의 표면에 형성되어 우수한 열차폐 특성을 나타내고 내구성 및 경도가 향상되어, 상기 기계 부품의 신뢰성 및 수명을 증가시킬 수 있는 열차폐 코팅용 소결체, 이의 제조방법 및 이를 이용한 열차폐 코팅층의 제조방법에 관한 것이다.

발전용 설비에 사용되는 엔진은 효율을 높이기 위해 과속화되어 엔진 내부의 온도 증가를 야기한다. 이러한 온도 증가에 따라 고온 환경에 노출이 장시간 진행되면 엔진에 사용되는 금속재는 부식이 발생하여 열적, 기계적 특성이 저하되거나 미세입자가 충돌하여 접촉 손상이 발생한다.

또한 가스터빈 블레이드의 경우, 진동의 발생으로 각각의 부품 간 접촉으로 인하여 응력이 발생한다. 이러한 응력은 각 부품의 파괴를 일으킬 만한 크기가 아니더라도 장시간 운전하게 되면 반복적인 피로응력의 발생을 유도하여 부품의 치명적인 손상을 초래할 수 있다.

이에 장시간 고온에 노출되거나 장기적인 피로응력으로부터 금속재를 보호하기 위해서 엔진이나 가스터빈 블레이드와 같은 금속재의 표면에 열차폐 코팅을 수행하고 있다. 특히 엔진의 열효율을 높이기 위해서는 온도를 높여야 하기 때문에 열차폐를 위한 코팅의 필요성은 더욱 크다.

상기 열차폐 코팅 재료는 단열 효과 및 기계적 특성이 우수한 재료가 선정된다. 이러한 열차폐 코팅층은 이의 하부에 있는 접착층(bondcoating layer)과 유사한 열팽창 계수를 가지도록 하여, 온도 증가 시 각 층간 열팽창 계수의 차이로 인한 응력 발생에 따른 파손을 방지한다.

지금까지 열차폐 코팅 재료로서는 지르코니아(ZrO₂)가 가장 널리 사용되고 있다. 상기 지르코니아는 세라믹 재료 중 낮은 열전도율을 가지고, 열안정성 및 열팽창 계수가 매우 큰 장점이 있다. 그러나 순수 지르코니아만을 사용하는 경우 온도가 상승함에 따라 상변태가 일어나 부피가 변화되어 열차폐 코팅층의 열전도도 특성이 저하되어 열화를 가져온다.

대한민국 등록특허 제390388호는 안정화제로 이트리아(Y₂O₃)를 첨가한 지르코니아로 이루어진 열차폐 코팅재료를 개시하고 있다. 상기 특허에서 제시한 바와 같이 이트리아를 첨가하여 안정화 작용을 통해 열차폐 코팅층의 상변태에 따른 부피변화를 억제한다. 그러나 보다 높은 온도 분위기에서는 충분한 효과를 내고 있지는 못하다.

이에 상기 이트리아 대신, 또는 이에 더하여 희토류 원소인 La, Nd, Sm, Gd 등의 란탄계열의 원소를 첨가하여 파이로클로(pyrochlore)의 결정구조를 갖는 재료가 제안되었다.

대한민국 공개특허 제2005-115209호는 지르코니아, 하프니아 및 세리아에 IN₂O₃, Sc₂O₃, 또는 Y₂O₃를 첨가하여 파이로클로 구조를 갖는 열차폐 코팅용 재료를 제시하고 있다. 이러한 재료는 약 2300 ℃까지 상변태에 대한 안정성을 확보하며 희토류 원소 등의 첨가로 인한 공공의 생성 등으로 원자의 진동으로 인한 포논(phonon)의 전달을 산개시키는 역할로 2.0 W/mK의 안정화된 지르코니아 재질보다 훨씬 낮은 열전도도를 갖는다.

그러나 상기 열차폐 코팅용 재료는 외부의 미세한 입자에 의한 코팅층 표면의 파손과 같은 기계적 특성에 있어 만족할만한 수준을 나타내고 있지는 못하다.

이에 이트리아로 안정화된 지르코니아 열차폐 코팅용 재료를 대체하기 위해 미합중국 특허 제09/164,700호에서는 Gd₂Zr₂O₇을 제안하였다. 상기 Gd₂Zr₂O₇은 하기 표 1에 나타낸 바와 같이 이트리아로 안정화된 지르코니아(YSZ)와 열팽창 특성, 열전도도 특성 및 경도 면에서 거의 동등하여 이트리아로 안정화된 지르코니아의 대체 물질로 가능함을 보여준다.

	열팽창 계수(10^-6)	열전도도 (Wm^-1K^-1)	경도 (GPa)
YSZ	11.5	2.12	7~8
Gd₂Zr₂O₇	10.7	1.20	7

그러나 Gd₂Zr₂O₇은 이트리아로 안정화된 지르코니아와 비교하여 열팽창 특성이 우수하나 열전도도면에서 상대적으로 낮고, 이트리아로 안정화된 지르코니아와 같이 경도 등 기계적 특성과 내구성이 아직까지는 미약한 면이 있다.

이에 본 발명의 목적은 높은 경도와 내구성을 가지고 열차폐가 가능한 열차폐 코팅용 소결체 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 다른 목적은 상기 코팅 소결체를 이용하여 각종 기계 부품 모재의 표면을 코팅하는 열차폐 코팅층의 제조방법을 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 다른 목적은 상기 열차폐 코팅층이 형성되어 부품의 신뢰성 및 수명이 증가된 기계 부품을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 Y₂O₃(이트리아)로 도핑된 Gd₂Zr₂O₇를 포함하는 열차폐 코팅용 소결체를 제공한다.

이때 상기 이트리아는 Gd₂Zr₂O₇에 대해 1.0 내지 5.0 중량%, 바람직하기로 2.0 내지 4.0 중량%, 더욱 바람직하기로 2.2 내지 3.6 중량%의 농도로 도핑된다.

또한 본 발명은

이트리아가 도핑된 Gd₂Zr₂O₇ 소결체를 제조하기 위해 Gd₂O₃와 이트리아로 안정화된 지르코니아를 혼합하여 혼합 분말을 제조하는 단계;

상기 혼합 분말을 가압 성형하여 성형체를 제조하는 단계; 및

상기 성형체를 소결하여 소결체를 제조하는 단계를 포함하는 열차폐 코팅용 소결체의 제조방법을 제공한다.

이때 상기 이트리아로 안정화된 지르코니아는 내지 1.0 내지 7.0 몰%, 바람직하기로 2.5 내지 5.5 몰%, 더욱 바람직하기로 3.0 내지 4.7 몰%의 이트리아를 포함하는 것을 사용한다.

또한 본 발명은 상기 얻어진 열차폐 코팅용 소결체를 금속 기판 상에 코팅하는 열차폐 코팅층의 제조방법을 제공한다.

이때 상기 제조된 열차폐 코팅층은 주상 조직을 가지며, 이트리아가 도핑된 Gd₂Zr₂O₇를 포함한다.

이러한 열차폐 코팅층은 엔진, 가스터빈 블레이드, 발전설비의 각종 부품, 및 내열성이 요구되는 발전· 기계요소 부품 등에 적용된다.

이하 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 열차폐 코팅용 소결체는 강도 및 경도가 향상되어 각종 제품의 표면에 열차폐 코팅층으로 적용된다. 그 결과 상기 열차폐 코팅층으로 인하여 엔진과 같은 부품 효율을 증대시키기 위한 고온 분위기에서도 우수한 물성을 유지하고, 외부 미세 입자에 의한 충돌 또는 기계 진동에 의한 피로 하중에도 우수한 저항성을 나타내 각종 부품의 신뢰성 및 수명을 증가시킬 수 있다.

Gd₂Zr₂O₇는 열적 특성이 우수하여 온도가 상승에 의한 상변태에 따른 부피 변화가 적어 열차폐 코팅층을 형성하더라도 열화가 적에 발생한다. 그러나 경도와 같은 기계적 특성이 낮아 외부의 미세한 입자에 의한 코팅층 표면의 파손이 발생한다.

이에 본 발명에서는 상기 열차폐 코팅용 소결체를 제조하기 위해 Gd₂Zr₂O₇에 이트리아(Y₂O₃)를 도핑시켜 경도 및 내구성과 같은 기계적 특성을 향상시킨다.

구체적으로, Gd₂Zr₂O₇에 이트리아가 첨가되면 Gd₂Zr₂O₇ 조직 내 Zr 자리에 Y(이트륨)이 도핑된다. 그 결과 추가적인 기공이 발생하여 열전도도 특성을 향상시킬 수 있고, 변형에 대한 저항성이 향상되어 내구성을 증가시킨다.

특히 열차폐 코팅용 소결체를 이용하여 각종 기계 부품 등의 모재에 열차폐 코팅층을 형성하는 경우 코팅층 내 나노 간극과 나노 기공을 코팅재 내에 도입시켜 열적 특성을 높이고, 또한 각 원소 간의 증기압 차이에 따른 코팅 조성의 불균일 문제를 해결하는 공정 조정자의 역할을 한다. 더욱이 모재에 코팅되었을 때 모재의 표면온도에 따라 주상조직의 치밀도가 달라지며, 코팅 온도보다 높은 온도에 노 출되어질 경우 치밀화의 정도가 더욱 증가하게 되고 Gd₂Zr₂O₇의 결정립의 크기를 증가시킨다.

본 발명에 따른 열차폐 코팅용 소결체는

S1) Gd₂O₃와 이트리아로 안정화된 지르코니아를 혼합하여 혼합 분말을 제조하는 단계;

S2) 상기 혼합 분말을 가압 성형하여 성형체를 제조하는 단계; 및

S3) 제조된 성형체를 소결 온도를 달리하여 상당량의 기공을 포함하는 다공성 소결체 및 치밀한 소결체를 제조한다.

구체적으로, 단계 S1)에서는 열차폐 코팅용 소결체를 제조하기 위해 Gd₂O₃과 이트리아로 안정화된 지르코니아를 혼합하여 혼합 분말을 제조한다.

상기 Gd₂O₃과 이트리아로 안정화된 지르코니아는 1:2 내지 2:1의 중량비로 혼합된다. 이때 최종 얻어지는 소결체 내 도핑되는 이트리아의 함량을 조절하기 위해, 상기 이트리아로 안정화된 지르코니아의 이트리아 함량을 조절하여 사용한다.

특히 본 발명에서 상기 이트리아로 안정화된 지르코니아는 이트리아가 1.0 내지 7.0 몰%, 바람직하기로 2.5 내지 5.5 몰%, 더욱 바람직하기로 3.0 내지 4.7 몰%의 함량으로 존재하는 것을 사용한다. 만약 상기 범위 미만이면 제조된 열차폐 코팅용 소결체의 내구성 및 경도 증가 효과를 얻을 수 없고, 이와 반대로 상기 범위를 초과하게 되더라도 효과상 더 이상 증가가 없어 비경제적이다.

이때 각각의 입경은 고밀도화의 관점에서 작은 것이 바람직하며, 더욱 바람직하기로는 0.01 내지 10 ㎛, 가장 바람직하기로는 0.05 내지 5 ㎛를 갖는 것을 사용한다. 만약 상기 Gd₂O₃ 및 이트리아로 안정화된 지르코니아의 입경이 0.01 ㎛미만이면, 계량, 혼합 등의 처리공정에 있어서의 취급이 곤란해지기 쉽고, 10 ㎛를 초과하면 비표면적이 작고, 즉 인접하는 분말과의 접촉면적이 작아져 고밀도화하기 어려워지기 때문에 바람직하지 않다.

이러한 Gd₂O₃ 및 이트리아로 안정화된 지르코니아는 막대형, 판상형, 침상형 또는 구형과 같은 형상이 가능하며, 본 발명에서 특별히 한정하지는 않는다.

상기 혼합은 건식 또는 습식 혼합방법으로 통상적인 혼련 장치를 이용하여 5 내지 48시간, 바람직하기로 16 내지 24 시간 동안 수행한다. 이러한 혼련 장치는 대표적으로 믹서, 볼-밀(ball mill) 장치 등이 가능하다.

이때 혼합은 통상적인 혼합 공정을 통해 이뤄지며, 본 발명에서 특별히 한정하지 않으나 믹서, 볼밀기 등을 사용하여 수행한다.

다음으로, 단계 S2)에서는 상기 혼합된 혼합 분말을 가압 성형하여 성형체를 제조한다.

이때 가압 성형은 통상적인 성형방법이 가능하고, 일예로 50 MPa의 압력으로 일축 가압 성형 공정을 거쳐 판상 형태로 제조한다.

다음으로, 단계 S3)에서는 상기 제조된 성형체를 소결하여 사용 목적에 따라 잉곳 형태의 열차폐 코팅용 소결체와 경도 평가를 위한 치밀한 소결체를 제조한다.

먼저 열차폐 코팅용 소결체의 소결 조건은 산화성 분위기 하에서 상압 소결하며, 1250 내지 1350 ℃까지 승온한 후 1시간 내지 3 시간 동안, 바람직하기로 2시간 동안 열처리하여 수행한다.

상기 소결 공정을 통해 소결체 내에 존재하는 가스가 외부로 배출되어 기공을 형성한다. 이에 제조된 소결체는 성형 및 소결 온도 조건에 따라 바람직하기로 30% 내외의 기공율을 갖는다.

금속의 경우 표면 깊이(skin depth)가 얇아서 표면에서부터 서서히 녹게 되는데, 세라믹 소재의 경우 전자 전도성이 낮아 이러한 표면 깊이가 깊다. 따라서 세라믹 소결체에 전자선을 조사하면 소결체 내부에서부터 녹으므로 열 충격에 약한 단점이 있다. 이에 본 발명에 따른 열차폐 코팅용 소결체는 치밀한 소결체보다 5 내지 70%의 기공도, 바람직하기로 30% 내외의 기공이 있어 열전도율이 낮아 열 충격에 대한 저항성을 확보하게 된다.

전술한 바의 단계를 거쳐 제조된 열차폐 코팅용 소결체는 각종 기계 부품의 표면에 열차폐 코팅층을 형성한다.

이러한 열차폐 코팅층의 형성은 모재의 표면을 연마 후 세정한 다음, 상기 열차폐 코팅용 소결체를 증착시켜 이루어진다.

이때 상기 모재의 재질은 본 발명에서 한정하지 않으며, 통상적으로 전술한 바의 각종 기계 부품에 사용되는 금속 또는 세라믹 재질이면 모두 가능하며, 일 예로 니켈 기재 초합금, 코발트 기재 초합금, 강철과 같은 철 합금, 티타늄 합금 및 구리 합금 등이 가능하다.

상기 코팅은 이 분야에서 통상적으로 사용되는 증착 방법이 가능하며 본 발명에서 특별히 한정하지 않는다. 대표적으로 상기 증착 방법은 전자선 물리적 증착 방법(EB-PVD, Electron Beam Physical Vapor Deposition), 화학 증착 방법(CVD), 및 플라즈마 증착 방법(PVD), 공기 플라스마 분무법(APS), 및 저압 플라스마 분무법(LPPS) 등이 가능하며, 바람직하기로 코팅층이 나노 구조를 갖기 위해 전자선 물리적 증착 방법(EB-PVD)을 이용하여 수행한다.

전자선 물리적 증착 방법을 이용하는 경우 모재를 연마 및 세척한 후, 모재 표면 온도를 900 ℃로 가열한 후 진공도 10^-6 torr 미만에서 상기 얻어진 열차폐 코팅용 소결체를 이용하여 증착한다.

그 결과 제조된 열차폐 코팅층은 이방성을 가지는 결정구조, 즉 독특한 주상구조(columnar structure)를 가져 상기 열차폐 코팅층의 내박리성을 높인다. 또한 상기 형성된 주상 입자들이 나노 크기를 가져 고온 안정성이 향상된다. 더불어, 상기 주상의 내부 또는 계면에 나노 크기의 기공이 형성되고, 이러한 나노 크기의 기공에 기인하여 탁월한 열차폐 효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 계면 특성이 향상되어 상기 열차폐 코팅층의 경도 및 내구성을 높인다.

이때 상기 열차폐 코팅층은 바람직하기로 1 nm 내지 10 ㎛의 두께로 형성한다. 상기 두께는 본 발명에서 한정하지 않으며, 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 모재 및 사용 목적 등에 따라 상기 두께를 변형시켜 적용할 수 있다.

이와 같이 열차폐 코팅층은 상호 독립적인 주상구조로 인해 고온 분위기 하 에 장시간 사용하는 경우 열 응력, 외부의 미세 입자에 의한 충돌이나 기계진동에 의한 피로 하중에 따른 피로 파손에 대해 우수한 저항성을 나타낸다. 더욱이 전자선 물리적 증착 방법(EB-PVD)으로 제조된 상기 열차폐 코팅층은 모재간의 결합력이 기타 증착 방법보다 매우 우수하다.

그 결과 상기 열차폐 코팅층이 형성된 각종 기계 부품은 고온에서 장시간 사용하여도 신뢰도가 증가하고 수명이 향상되는 효과를 얻을 수 있다. 이러한 기계 부품은 본 발명에서 한정하지 않으나, 대표적으로 발전소의 가스터빈 블레이드, 발전설비의 각종 부품, 내열성이 요구되는 발전· 기계요소 부품 등의 사용될 수 있으며, 이외 열차폐 코팅층이 필요한 각종 부품이 사용될 수 있다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.

[실시예]

열차폐 코팅용 소결체

실시예 1 내지 2

볼밀기에 Gd₂O₃ 분말(1.0 ㎛)과 이트리아가 안정화된 지르코니아 분말(1.0 ㎛, YSZ)을 습식 혼합하였다.

상기 혼합 분말을 50 MPa의 조건에서 일축 가압 성형하여 성형체를 제조한 후, 소결체의 사용목적에 따라 1300 ℃에서 2시간 동안 소결하여 기공율 30% 내외 의 열차폐 코팅용 소결체(잉곳)를 제조하였다. 이때 물성 측정을 위해 1600 ℃에서 2시간 동안 소결하여 기공율 5% 내외의 접촉손상저항 평가용 소결체를 제조하였다.

이때 원료로서 사용되는 각 산화물의 함량과 최종 제조된 열차폐 코팅용 소결체 내 존재하는 산화물의 함량을 하기 표 2에 나타내었다.

	원료(중량%)		전체 조성 내 이트리아의 도핑 농도
	Gd₂O₃	YSZ(이트리아 몰%)	전체 조성 내 이트리아의 도핑 농도
실시예 1	57.2 중량%	42.8 중량%(3 몰%)	2.29 중량%
실시예 2	56.0 중량%	44.0 중량%(4.56 몰%)	3.52 중량%

비교예 1

실시예 1에서 제시한 방법에 따라, 이트리아를 사용하지 않고, Gd₂O₃ 분말과 순수 지르코니아 분말만을 사용하여 Gd₂Zr₂O₇를 제조하였다.

비교예 2

8 몰% YSZ(이트리아: 6.45 중량%)를 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 열차폐 코팅용 소결체와 접촉손상저항 평가용 소결체를 제조하였다.

비교예 3

10 몰% YSZ(이트리아: 8.25 중량%)를 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 소결체와 접촉손상저항 평가용 소결체를 제조하였다.

비교예 4

20 몰% YSZ(이트리아: 16.5 중량%)를 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 열차폐 코팅용 소결체와 접촉손상저항 평가용 소결체를 제조하였다.

실험예 1: 경도 실험

상기 실시예 1 및 2와 비교예 1 내지 3에서 제조된 접촉손상저항 평가용 소결체의 경도를 알아보기 위해 각각의 잉곳을 표면 연마한 다음, 다이아몬드 압자를 사용하여 마이크로 비커스 압흔 시험법을 이용하여 경도를 측정하였다. 이때 경도는 1 내지 10N의 범위로 하중을 주어 발생한 압흔의 크기와 하중을 이용하여 경도를 산출하였으며, 얻어진 결과를 하기 표 3 및 도 1에 나타내었다.

경도(GPa)	압입 하중(N)
경도(GPa)	1	2	3	5	10
실시예 1	9.29	9.54	9.25	8.11	8.34
실시예 2	9.34	8.73	9.99	8.49	8.70
비교예 1	6.61	6.68	6.54	5.49	5.88
비교예 2	6.89	7.77	7.67	6.93	6.88
비교예 3	6.43	7.04	6.96	5.66	5.89

상기 표 3 및 도 1을 참조하면, 각 하중별에 근소한 차이는 있으나 실시예 1과 2의 경우 특히 높은 경도 값을 나타냄을 알 수 있다.

열차폐 코팅층

실시예 4

상기 실시예 1에서 제조된 열차폐 코팅용 소결체를 이용하여 기판에 코팅하여 열차폐 코팅층을 형성하였다.

알루미나 기판을 연마 후 세정한 다음, EB-PVD 장치로 이송한 후 모재를 900 ℃ 온도와 10^-6 Torr의 압력 하에 증착을 수행하여 열차폐 코팅층을 형성하였다.

실시예 5

상기 실시예 2에서 제조된 열차폐 코팅용 소결체를 이용하여 상기 실시예 4에서 제시한 방법으로 열차폐 코팅층을 형성하였다.

비교예 5

상기 비교예 1에서 제조된 열차폐 코팅용 소결체를 이용하여 상기 실시예 4에서 제시한 방법으로 열차폐 코팅층을 형성하였다.

비교예 6

상기 비교예 2에서 제조된 열차폐 코팅용 소결체를 이용하여 상기 실시예 4에서 제시한 방법으로 열차폐 코팅층을 형성하였다.

비교예 7

상기 비교예 3에서 제조된 열차폐 코팅용 소결체를 이용하여 상기 실시예 4에서 제시한 방법으로 열차폐 코팅층을 형성하였다.

실험예 2: 입자 분석

본 발명에 따라 EB-PVD법으로 제조된 열차폐 코팅층의 표면을 확인하기 위해 주사전자현미경(SEM; Scanning Electron Microscope)으로 확대 관찰하였다.

도 2는 실시예 5에서 제조된 열차폐 코팅층 표면의 20000배 확대된 주사전자현미경 사진이고, 도 3은 파단면의 5000배 확대된 주사전자현미경 사진이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 실시예 5를 통해 제조된 열차폐 코팅층은 상호 개별적인 주상 구조가 생성되었음을 알 수 있다.

실험예 3: 응력-변형률 분석

본 발명에 따른 열차폐 코팅층의 하중에 의한 접촉손상 저항 특성을 알아보기 위해 하기와 같이 수행하였다.

열차폐 코팅층에 대한 응력-변형률 관계는 헤르찌안 구형 압자 압흔법에 의해 수행하였다.

이때 구형 압자는 1.98 내지 12.7mm의 반경을 갖는 초경(WC)구를 선택하였으며 압입 하중은 최초 5 N에서 하중간격을 5 N씩 증가시키다가 50 N부터는 10 N씩, 150 N부터는 25 N씩, 400 N부터는 코팅층의 파손이 일어날 때까지 50 N씩 증가하였다. 상기 인덴테이션 변형률은 압흔의 반경과 초경구의 반경의 비로 나타내었으며 인덴테이션 응력은 압입 하중을 압흔의 단면적으로 나누어 그 값을 도출하였으며, 얻어진 결과를 하기 표 4에 나타내었다.

변형률(%)	응력(GPa)
변형률(%)	실시예 5	비교예 5	비교예 6
0.03	1.64	2.10	1.78
0.06	3.49	4.54	4.00
0.07	4.44	5.39	4.88
0.08	5.03	6.29	5.68

상기 표 4를 참조하면, 실시예 5 및 비교예 6에서 제조된 열차폐 코팅층은 코팅층 내 이트리아가 포함됨에 따라 동일 변형률 상에서 비교예 5의 코팅층과 비교하여 더욱 높은 응력 값을 나타냄을 알 수 있다. 이러한 결과는 Gd₂Zr₂O₇ 조직 내 이트리아가 첨가되어 기계적 특성이 향상됨을 의미한다.

더욱이 본 발명에 따른 실시예 5의 경우 이트리아의 함량을 최적화함에 따라 이트리아가 과량으로 사용되는 비교예 5 및 6과 비교하여 보다 높은 물성을 나타내며, 하중에 의한 우수한 손상저항 특성을 보인다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 의해 Gd₂Zr₂O₇에 이트리아(Y₂O₃)를 포함하는 열차폐 코팅용 소결체를 제조하였으며, 이를 이용하여 열차폐 코팅층을 제조하였다. 상기 열차폐 코팅층은 각종 기계 부품 등의 표면에 형성되어 우수한 열차폐 특성을 나타내고 내구성 및 경도가 향상되어, 상기 기계 부품의 신뢰성 및 수명을 증가시킨다.

Claims

Y₂O₃(이트리아)로 도핑된 Gd₂Zr₂O₇를 포함하는 열차폐 코팅용 소결체.
제1항에 있어서 상기 이트리아는 Gd₂Zr₂O₇에 대해 1.0 내지 5.0 중량%의 농도로 도핑된 것인 열차폐 코팅용 소결체.
제1항에 있어서 상기 이트리아는 Gd₂Zr₂O₇에 대해 2.0 내지 4.0 중량%의 농도로 도핑된 것인 열차폐 코팅용 소결체.
제1항에 있어서 상기 이트리아는 Gd₂Zr₂O₇에 대해 2.2 내지 3.6 중량%의 농도로 도핑된 것인 열차폐 코팅용 소결체.
Gd₂O₃와 이트리아로 안정화된 지르코니아를 혼합하여 혼합 분말을 제조하는 단계;

상기 혼합 분말을 가압 성형하여 성형체를 제조하는 단계; 및

상기 성형체를 소결하여 소결체를 제조하는 단계를 포함하는 열차폐 코팅용 소결체의 제조방법.
제5항에 있어서,

상기 Gd₂O₃과 이트리아로 안정화된 지르코니아는 1:2 내지 2:1의 중량비로 혼합 사용하는 것인 열차폐 코팅용 소결체의 제조방법.
제5항에 있어서,

상기 이트리아로 안정화된 지르코니아는 이트리아가 1.0 내지 7.0 몰%로 함유된 것을 사용하는 것인 열차폐 코팅용 소결체의 제조방법.
제5항에 있어서,

상기 이트리아로 안정화된 지르코니아는 이트리아가 2.5 내지 5.5 몰%로 함유된 것을 사용하는 것인 열차폐 코팅용 소결체의 제조방법.
제5항에 있어서,

상기 이트리아로 안정화된 지르코니아는 이트리아가 3.0 내지 4.7 몰%로 함유된 것을 사용하는 것인 열차폐 코팅용 소결체의 제조방법.
제5항에 있어서,

상기 열차폐 코팅용 소결체는 5 내지 70%의 기공도를 갖는 것인 열차폐 코팅용 소결체의 제조방법.
모재 표면에 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 열차폐 코팅용 소결체를 증착하여 열차폐 코팅층을 형성하는 방법.
제11항에 있어서,

상기 증착은 전자선 물리적 증착 방법(EB-PVD, Electron Beam Physical Vapor Deposition), 화학 증착 방법(CVD), 및 플라즈마 증착 방법(PVD), 공기 플라스마 분무법(APS), 및 저압 플라스마 분무법(LPPS)으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 방법으로 수행하는 것인 열차폐 코팅층을 형성하는 방법.
제11항에 있어서,

상기 증착은 전자선 물리적 증착 방법(EB-PVD)을 이용하여 수행하는 것인 열차폐 코팅층을 형성하는 방법.
모재; 및

상기 모재 표면에 형성된 열차폐 코팅층을 포함하고,

상기 열차폐 코팅층은 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 소결체를 포함하는 것인 부품.
제14항에 있어서,

상기 열차폐 코팅층은 주상 구조의 소결체를 포함하는 것인 부품.
제14항에 있어서,

상기 모재는 금속 또는 세라믹 재질인 것인 부품.
제14항에 있어서,

상기 부품은 엔진, 가스터빈 블레이드, 발전설비의 각종 부품, 및 내열성이 요구되는 발전· 기계요소 부품으로 이루어진 군에서 선택된 1종인 것인 부품.