KR101511248B1 - Extra dense thermal barrier coating structure with vertical cracks and method thereof - Google Patents

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박종탁
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Abstract

A vertical crack embedded thermal barrier coating structure having high density and a manufacturing method thereof are disclosed. According to an embodiment of the present invention, the thermal barrier coating structure includes: a parent metal; a metal bond coating layer formed on the surface of the parent metal; and a ceramic coating layer formed on the upper side of the metal bond coating layer blocking external heat. A plurality of vertical cracks are formed in parallel to the thickness direction of the ceramic coating layer in the ceramic coating layer, and the width of the vertical crack is 0.01-0.02 mm; and the length of the vertical crack is 50-90% of the thickness of the ceramic coating layer, and a distance between the vertical cracks is 50-150% of the thickness of the ceramic coating layer.

Description

수직균열이 내재된 고밀도 열차폐코팅 구조 및 그 제조방법{EXTRA DENSE THERMAL BARRIER COATING STRUCTURE WITH VERTICAL CRACKS AND METHOD THEREOF}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a high-density thermal spray coating structure having vertical cracks and a method of manufacturing the same.

본 발명은 열차폐코팅 구조 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수직균열이 내재된 고밀도 열차폐코팅 구조 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a thermal barrier coating structure and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a high-density thermal barrier coating structure having vertical cracks therein and a method of manufacturing the same.

가스터빈을 이용한 발전 시스템의 효율 향상을 위해서는 작동유체의 온도를 상승시키는 것이 필수적으로 요구된다. 예컨대, 가스터빈의 작동유체인 연소가스의 온도는 현재 1,300℃를 상회하는 수준이다. 하지만, 가스 터빈의 핵심 부품을 구성하고 있는 내열소재들의 한계온도는 일반적으로 1,000℃를 넘지 못하는 바, 연소가스에 노출될 경우에는 부품 열화 또는 파손의 우려가 있다. 가스 터빈에 적용되는 내열소재들 표면에 열차폐 코팅이 적용되는 이유다. In order to improve the efficiency of the power generation system using the gas turbine, it is essential to raise the temperature of the working fluid. For example, the temperature of the combustion gas, which is an operating oil of the gas turbine, is at a level higher than 1,300 ° C. However, the critical temperatures of heat-resistant materials constituting core parts of gas turbines generally do not exceed 1,000 ° C, and when they are exposed to combustion gases, there is a fear of component deterioration or breakage. Heat-resistant materials applied to gas turbines are the reason why thermal barrier coatings are applied to the surface.

열차폐 코팅은 화염으로부터의 열을 차폐하여 상술한 가스 터빈 부품들의 열화를 방지하는 기능을 한다. 이와 같은 열차폐 코팅은 일반적으로 두 개의 코팅층으로 이루어지는데, 금속모재 상부에 형성되는 금속 본드 코팅층과, 상기 금속 본드 코팅층 상부에 형성되는 세라믹 코팅층이 그것이다. 금속 본드 코팅층은 금속모재의 산화를 방지하고, 세라믹 코팅층이 금속모재에 잘 부착되도록 하는 기능을 수행한다. 세라믹 코팅층은 내열성이 우수한 세라믹 소재로 형성되는 바, 열차폐 기능을 직접 수행한다. The thermal barrier coating functions to shield the heat from the flame and prevent the deterioration of the gas turbine components described above. The thermal barrier coating generally comprises two coating layers, a metal bond coating layer formed on the metal base material, and a ceramic coating layer formed on the metal bond coating layer. The metal bond coat layer functions to prevent the oxidation of the metal base material and to make the ceramic coating layer adhere well to the metal base material. The ceramic coating layer is formed of a ceramic material having excellent heat resistance, and directly performs the heat shielding function.

그런데, 이와 같은 종래 열차폐코팅 구조에 있어서, 가스터빈 시스템의 운전과 정지가 반복될 때에 일어나는 급격한 온도변화로 인하여, 세라믹 코팅층이 박리(exfoliation)되는 문제가 있었다. 이는 금속모재, 금속 본드 코팅층 및 세라믹 코팅층 각각이 열에 대한 특성변화가 다르고, 세라믹 재료의 특성상 고온에서의 열팽창 수용능력이 금속에 비해 떨어질뿐더러, 금속 본드 코팅층 및 세라믹 코팅층의 결합면에 산화물층이 형성되어 빠르게 성장하는 현상이 있었기 때문이다.However, in such a conventional thermal spray coating structure, there is a problem that the ceramic coating layer is exfoliated due to a rapid temperature change occurring when the operation and stop of the gas turbine system are repeated. The metal base material, the metal bond coat layer, and the ceramic coating layer each have different characteristics in terms of heat. Due to the characteristics of the ceramic material, the thermal expansion capacity at a high temperature is lower than that of the metal, and an oxide layer is formed on the bonding surfaces of the metal bond coat layer and the ceramic coating layer. This is because there has been a rapid growth phenomenon.

이를 해결하기 위해서 미국등록특허 제6,730,413호(2004.05.04 등록, 제너럴 일렉트릭社)에서는 세라믹 코팅층 내부에 인위적으로 수직균열을 생성시킴으로써 재료의 급격한 온도변화가 발생하더라도 코팅층의 부분 박리 또는 파손을 방지할 수 있도록 하였다. 이와 같은 방식을 DVC(Dense Vertically Cracked) 방식이라고 한다. In order to solve this problem, US Pat. No. 6,730,413 (registered by May 4, 2004, General Electric) discloses that artificial vertical cracks are generated inside the ceramic coating layer, thereby preventing partial peeling or breakage of the coating layer Respectively. This method is called Dense Vertically Cracked (DVC).

DVC 방식의 적용을 위해서는 100kW 이상의 출력을 갖는 고출력 용사코팅 장비가 요구된다. 그런데, 현재 국내에 보급되어 있는 용사코팅 장비의 경우에는 최대 출력이 80kW에 지나지 않으므로 DVC 방식을 그대로 적용할 수 없다는 문제가 있다. 판매회사의 정책 등으로 인해 100kW 이상의 출력을 갖는 고출력 용사코팅 장비의 구입은 현실적으로 어려운 바, 기술국산화를 위하여 현재 국내에 보급된 80kW 이하의 출력을 가진 용사코팅 장비로도 세라믹 코팅층 내부에 인위적으로 수직균열을 생성시킬 수 있는 공정이 요구되는 실정이다.To apply the DVC method, a high-power spray coating equipment with an output of 100 kW or more is required. However, in the case of the spray coating equipment currently in the domestic market, the maximum output is only 80 kW, which means that the DVC system can not be applied as it is. Due to the policy of the sales company, it is difficult to purchase a high-power spray coating equipment with an output of 100 kW or more. In order to localize the technology, spray coating equipment having an output of 80 kW or less, A process capable of generating cracks is required.

본 발명의 실시예들은 열차폐코팅 구조 및 이와 같은 구조를 제조하는 방법에 있어서, 80kW 이하의 출력을 가진 코팅장비로도 세라믹 코팅층 내부에 수직균열을 생성시킬 수 있는 열차폐코팅 구조 및 방법을 제공하고자 한다.Embodiments of the present invention provide a thermal barrier coating structure and a method of manufacturing such a structure that can generate vertical cracks in a ceramic coating layer even with a coating apparatus having an output of 80 kW or less I want to.

본 발명의 일 측면에 따르면, 금속모재와, 상기 금속모재 표면에 형성되는 금속 본드 코팅층과, 상기 금속 본드 코팅층 상부에 형성되어 외부 열을 차폐하는 세라믹 코팅층을 포함하는 열차폐코팅 구조이고, 상기 세라믹 코팅층에는 상기 세라믹 코팅층의 두께 방향과 평행하도록 복수개의 수직균열이 형성되고, 상기 수직균열의 너비는 0.01~0.02mm이고, 상기 수직균열의 길이는 상기 세라믹 코팅층의 두께의 50~90%이고, 상기 수직균열들 사이의 간격은 상기 세라믹 코팅층의 두께의 50~150%인 열차폐코팅 구조가 제공될 수 있다. According to an aspect of the present invention, there is provided a thermal barrier coating structure comprising a metal base material, a metal bond coating layer formed on the surface of the metal base material, and a ceramic coating layer formed on the metal bond coating layer to shield external heat, The vertical cracks are formed in the coating layer in parallel with the thickness direction of the ceramic coating layer. The width of the vertical cracks is 0.01 to 0.02 mm. The length of the vertical cracks is 50 to 90% of the thickness of the ceramic coating layer. The gap between the vertical cracks may be 50 to 150% of the thickness of the ceramic coating layer.

이 때, 상기 세라믹 코팅층의 내부 기공량은 5~10%일 수 있다. At this time, the amount of internal porosity of the ceramic coating layer may be 5 to 10%.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 열차폐코팅 구조 제조방법에 있어서, 상기 금속모재를 3단계에 걸쳐 균일하게 예열하는 1단계; 상기 금속모재 상부에 상기 금속 본드 코팅층 및 세라믹 코팅층을 순차적으로 코팅하는 2단계; 및 상기 금속 본드 코팅층 및 세라믹 코팅층이 적층된 상기 금속모재를 상온으로 냉각시켜 상기 세라믹 코팅층에 복수개의 수직균열을 형성하는 3단계를 포함하고, 상기 각 단계는 80kW 이하의 출력을 갖는 코팅장비를 이용하여 수행되는 열차폐코팅 구조 제조방법이 제공될 수 있다. According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing the thermal barrier coating structure, comprising: a first step of uniformly preheating the metal base material in three stages; A second step of sequentially coating the metal bond coat layer and the ceramic coating layer on the metal base material; And cooling the metal base material having the metal bond coat layer and the ceramic coating layer laminated to a room temperature to form a plurality of vertical cracks in the ceramic coating layer, wherein each of the steps includes using a coating apparatus having an output of 80 kW or less A method of manufacturing a thermal barrier coating structure can be provided.

이 때, 상기 1단계는 상기 금속모재의 최종 예열온도의 50%의 온도에서 예열시키는 1차 예열 단계와, 상기 최종 예열온도의 80%의 온도에서 예열시키는 2차 예열 단계와, 상기 최종 예열온도에서 예열시키는 3차 예열을 포함할 수 있다. In this case, the first step may include a first preheating step of preheating at a temperature of 50% of a final preheating temperature of the metal base material, a second preheating step of preheating at a temperature of 80% of the final preheating temperature, Lt; RTI ID = 0.0 > preheating. ≪ / RTI >

또한, 상기 2단계는 상기 코팅 장비의 용사부와 상기 금속모재 사이의 간격을 60~80mm를 유지한 상태에서 이루어질 수 있다. In addition, the second step may be performed while maintaining a distance between the molten metal of the coating equipment and the base metal of 60 to 80 mm.

또한, 상기 세라믹 코팅층은 8% 이트리아 성분이 포함된 안정화된 지르코니아를 이용하여 형성될 수 있다.Also, the ceramic coating layer may be formed using stabilized zirconia containing 8% yttria component.

본 발명의 실시예들은 80kW 이하의 출력을 가진 코팅장비로도 DVC 방식을 이용한 열차폐코팅 구조의 성능과 동등 또는 그 이상의 성능을 갖는 열차폐코팅 구조를 형성할 수 있다.The embodiments of the present invention can form a thermal barrier coating structure having a performance equal to or higher than that of the thermal barrier coating structure using the DVC method even with a coating apparatus having an output of 80 kW or less.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열차폐코팅 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2 및 도 3은 실시예에 해당하는 시험편의 표면을 촬영한 이미지이다.
도 4는 실시예 및 비교예들의 열전도계수 값을 나타내는 그래프이다.
도 5는 실시예 및 비교예들의 열피로 내구성능 시험결과를 나타내는 그래프이다.1 is a schematic view illustrating a thermal barrier coating structure according to an embodiment of the present invention.
2 and 3 are images of the surface of the test piece corresponding to the embodiment.
FIG. 4 is a graph showing the values of thermal conductivity of Examples and Comparative Examples. FIG.
5 is a graph showing the results of thermal fatigue endurance performance tests of Examples and Comparative Examples.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열차폐코팅 구조(100)를 개략적으로 도시한 도면이다.1 is a schematic view of a thermal barrier coating structure 100 according to an embodiment of the present invention.

열차폐코팅 구조(100)는 금속모재(110)와, 금속모재(110) 표면에 형성되는 금속 본드 코팅층(120)과, 금속 본드 코팅층(120) 상부에 형성되어 외부 열을 차폐하는 세라믹 코팅층(130)을 포함한다. 이 때, 세라믹 코팅층(130)에는 세라믹 코팅층(130)의 두께(D) 방향과 평행하도록 복수개의 수직균열(140)이 형성된다. The thermal barrier coating structure 100 includes a metal base material 110, a metal bond coat layer 120 formed on the surface of the metal base material 110, and a ceramic coating layer 120 formed on the metal bond coat layer 120, 130). At this time, a plurality of vertical cracks 140 are formed in the ceramic coating layer 130 so as to be parallel to the thickness direction D of the ceramic coating layer 130.

금속모재(110)는 여러가지 금속 또는 합금 재질로 구성될 수 있다. 예컨대, 금속모재(110)는 가스터빈 1단 블레이드에 사용되는 IN738LC일 수 있다. The metal base material 110 may be composed of various metals or alloys. For example, the metal base material 110 may be IN738LC, which is used for a gas turbine first stage blade.

금속 본드 코팅층(120)은 금속모재(110)의 산화를 방지하고, 세라믹 코팅층(130)이 금속모재(110)에 잘 부착될 수 있도록 하는 기능을 수행한다. 금속 본드 코팅층(120)은 니켈 또는 코발트를 기반으로, 크롬, 알루미늄, 이트리아(Yittria) 등의 성분이 추가된 형태의 합금으로 형성될 수 있다. 예컨대, 금속 본드 코팅층(120)은 MCrAlY(여기서 M은 니켈, 코발트 또는 이들의 합금이다)일 수 있다. The metal bond coat layer 120 functions to prevent oxidation of the metal base material 110 and to allow the ceramic coating layer 130 to adhere well to the metal base material 110. The metal bond coat layer 120 may be formed of nickel or cobalt based alloys in which components such as chromium, aluminum, and yttria are added. For example, the metal bond coat layer 120 may be MCrAlY, where M is nickel, cobalt, or an alloy thereof.

세라믹 코팅층(130)은 열차폐 기능을 수행한다. 세라믹 코팅층(130)은 이트리아 안정화 지르코니아(Yittria-Stabilized Zirconia, 이하, YSZ로 칭함)를 사용하여 형성할 수 있다. YSZ는 산화지르코늄(지르코니아)에 산화이트륨(이트리아)을 첨가하여 상온에서도 안정하도록 만든 세라믹 재료를 말한다. YSZ는 가스터빈이 가동을 시작하고 중지하는 동안 온도가 증가하거나 감소할 때에 다른 코팅재료들 보다 우수한 응력 저항성 및 피로 저항성을 갖는다. YSZ는 이트리아의 함량에 따라 구분될 수 있는데 본 발명의 열차폐코팅 구조에서는 8중량%의 이트리아에 의해 안정화된 YSZ가 이용될 수 있다. The ceramic coating layer 130 performs a thermal shutdown function. The ceramic coating layer 130 may be formed using yttria-stabilized zirconia (hereinafter referred to as YSZ). YSZ refers to a ceramic material that is stabilized at room temperature by adding yttrium oxide (yttria) to zirconium oxide (zirconia). YSZ has better stress and fatigue resistance than other coating materials when the temperature increases or decreases while the gas turbine starts and stops. YSZ can be classified according to the content of yttria. In the thermal barrier coating structure of the present invention, YSZ stabilized by yttria at 8 wt% can be used.

세라믹 코팅층(130)의 내부 기공량은 5~10%일 수 있다. 기공량이 크다는 것은 열차폐 기능이 우수한 공기를 보다 많이 포함하고 있다는 것을 의미한다. DVC 방식에 의해 형성되는 세라믹 코팅층에서의 기공량이 5% 미만임을 감안할 때에, 본 발명에 따른 열차폐코팅 구조(100)에서의 세라믹 코팅층(130)의 기공량은 그보다 크고, 이로 인해 보다 우수한 열차폐 성능을 가질 수 있다.The amount of internal porosity of the ceramic coating layer 130 may be 5 to 10%. A large amount of pores means that the air contains more air with excellent heat-shielding function. Considering that the amount of pores in the ceramic coating layer formed by the DVC method is less than 5%, the amount of pores of the ceramic coating layer 130 in the thermal spray coating structure 100 according to the present invention is larger than that, Performance.

금속 본드 코팅층(120) 및 세라믹 코팅층(130)의 두께는 한정되지 않으며, 예컨대 수백 마이크로미터의 두께를 지닐 수 있다. The thicknesses of the metal bond coat layer 120 and the ceramic coating layer 130 are not limited, and may be, for example, several hundreds of micrometers.

세라믹 코팅층(130)에는 복수개의 수직균열(140)이 형성된다. 수직균열(140)은 금속모재(110), 금속 본드 코팅층(120) 및 세라믹 코팅층(130)의 열팽창률 및 기계적 특성 등이 서로 달라 가스터빈 운전 및 정지 때의 급격한 온도변화로 인한 열응력을 보상함으로써, 세라믹 코팅층(130)이 박리되거나 파손되는 것을 방지하는 기능을 수행한다. A plurality of vertical cracks 140 are formed in the ceramic coating layer 130. The vertical cracks 140 compensate for thermal stresses due to sudden temperature changes during gas turbine operation and shutdown due to different thermal expansion coefficients and mechanical characteristics of the metal base material 110, the metal bond coat layer 120 and the ceramic coating layer 130. Thereby preventing the ceramic coating layer 130 from peeling or breaking.

수직균열(140)은 세라믹 코팅층(130)의 두께 방향과 평행하도록 형성된다. 세라믹 코팅층(130)의 두께는 도 1에 D로 표기되어 있다. The vertical cracks 140 are formed parallel to the thickness direction of the ceramic coating layer 130. The thickness of the ceramic coating layer 130 is indicated by D in Fig.

수직균열(140)의 너비는 0.01~0.02mm일 수 있다. 수직균열(140)의 너비는 도 1에 W로 표기되어 있다. DVC 방식에 의해 형성되는 수직균열의 너비가 보통 0.01mm 미만임을 감안할 때에, 본 발명에 따른 열차폐코팅 구조(100)에서의 수직균열(140)의 너비는 그보다 넓다. 이로 인해 세라믹 코팅층(130)의 열팽창 수축시에 발생하는 열응력이 보상되는 효과가 있으며, 이로 인해 열차폐 성능 및 열피로 성능이 향상될 수 있다. The width of the vertical crack 140 may be between 0.01 and 0.02 mm. The width of the vertical crack 140 is denoted by W in FIG. Considering that the width of the vertical cracks formed by the DVC method is usually less than 0.01 mm, the width of the vertical cracks 140 in the thermal barrier coating structure 100 according to the present invention is much wider. Accordingly, the thermal stress generated when the thermal expansion of the ceramic coating layer 130 is shrunk is compensated for, thereby improving the thermal barrier performance and thermal fatigue performance.

수직균열(140)의 길이는 세라믹 코팅층(130)의 두께의 50~90%일 수 있고, 바람직하게는 80~90%일 수 있다. 수직균열(140)의 길이는 도 1에 h로 표기되어 있다. 즉, 수직균열(140)의 하단부(tip 부분)는 세라믹 코팅층(130)의 내부에 포함되어 있으며, 세라믹 코팅층(130)을 관통하여 금속 본드 코팅층(120)에 다다르지 않도록 형성된다. 수직균열(140)의 길이가 세라믹 코팅층(130)의 두께의 90%를 넘어서는 경우에는, 고온에서 사용 중에 금속 본드 코팅층(120)의 급격한 산화현상이 발생하여 세라믹 코팅층(130)이 박리되거나 파손되는 문제가 있다. The length of the vertical crack 140 may be 50-90% of the thickness of the ceramic coating layer 130, and preferably 80-90%. The length of the vertical crack 140 is denoted by h in FIG. That is, the lower end portion of the vertical crack 140 is included in the ceramic coating layer 130 and is formed so as not to reach the metal bond coating layer 120 through the ceramic coating layer 130. When the length of the vertical cracks 140 exceeds 90% of the thickness of the ceramic coating layer 130, rapid oxidation of the metal bond coat layer 120 occurs during use at a high temperature and the ceramic coating layer 130 is peeled or broken there is a problem.

수직균열(140)은 복수개가 형성되며 수직균열(140)의 간격은 세라믹 코팅층(130)의 두께(D)의 50~150%일 수 있다. 수직균열(140)의 간격은 도 1에 L로 표기되어 있다. 이는 DVC 방식에 의해 형성되는 수직균열의 간격보다 좁은 범위에 해당한다. 즉, 본 발명에 따른 열차폐코팅 구조(100)에서의 수직균열(140)은 보다 조밀하게 형성된다. A plurality of vertical cracks 140 may be formed and the vertical cracks 140 may be spaced from 50 to 150% of the thickness D of the ceramic coating layer 130. The spacing of the vertical cracks 140 is labeled L in FIG. Which is narrower than the interval of vertical cracks formed by the DVC system. That is, the vertical crack 140 in the thermal barrier coating structure 100 according to the present invention is formed more densely.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 열차폐코팅 구조 제조방법에 대하여 설명하도록 한다. 설명의 편의를 위하여 전술한 열차폐코팅 구조의 설명시 병기되었던 도면부호는 그대로 사용하였음을 밝혀둔다. 또한 각 구성을 형성하는 재료에 대해서는 중복 설명을 생략하도록 한다. Hereinafter, a method of manufacturing a thermal barrier coating structure according to an embodiment of the present invention will be described. For convenience of explanation, it is noted that the reference numerals used in the description of the thermal spray coating structure are used as they are. In addition, redundant description is omitted for the materials forming each constitution.

본 발명의 발명자들은 DVC 방식을 국산화하기 위하여 80kW 이하의 출력을 갖는 코팅장비를 이용하여 수직균열을 생성할 수 있는 열차폐코팅 구조 제조방법을 구성하게 되었다. 이는 코팅장비의 출력전압, 전류, 코팅장비와 금속모재 사이의 거리, 예열 조건 등의 다양한 변수들을 조정함으로써 이루어진 것이다. The inventors of the present invention have made up a method of manufacturing a thermal barrier coating structure capable of generating vertical cracks using a coating apparatus having an output of 80 kW or less in order to localize the DVC system. This is done by adjusting various parameters such as the output voltage of the coating equipment, the current, the distance between the coating equipment and the metal matrix, and the preheating conditions.

이하의 각 단계들은 모두 80kW 이하의 출력을 갖는 코팅장비를 이용하여 수행될 수 있다. Each of the following steps can be performed using coating equipment having an output of 80 kW or less.

1단계는 금속모재(110)를 3단계에 걸쳐 균일하게 예열하는 단계이다. 본 발명의 발명자들은 80kW 미만의 출력을 갖는 코팅장비를 이용하기 위해서는 금속모재(110)를 한번에 예열하는 것이 아닌 3단계에 걸쳐 균일하게 예열하여야 함을 발견하였다. 즉, 저출력 장비를 이용하는 경우에는 장비에 걸리는 과중한 부하를 방지하고, 모재가 전부분에 걸쳐 균일하게 예열되도록 하기 위하여 한 번에 예열하는 것이 아니라 3단계에 걸쳐 예열할 필요가 있다. Step 1 is a step of uniformly preheating the metal base material 110 in three steps. The inventors of the present invention have found that, in order to use a coating apparatus having an output of less than 80 kW, the metal base material 110 should be uniformly preheated in three stages, rather than being preheated at one time. That is, in the case of using low-power equipment, it is necessary to preheat all three stages, not to preheat in one step, in order to prevent excessive load on the equipment and uniformly preheat the base material.

예열의 3단계는 다음과 같다. 금속모재(110)의 최종 예열온도의 50%의 온도에서 1차 예열하고, 다시 최종 예열온도의 80%의 온도에서 2차 예열하고, 마지막으로 최종 예열온도에서 3차 예열한다. 이와 같이 3단계로 예열을 하지 않는 경우에는 80kW 이하의 출력을 갖는 코팅 장비로 수직균열을 갖는 열차폐코팅 구조를 형성할 수 없다. The three stages of preheating are as follows. Preheated at a temperature of 50% of the final preheating temperature of the metal base material 110, secondarily preheated again at a temperature of 80% of the final preheating temperature, and thirdly preheated at the final preheating temperature. In this case, when the preheating is not performed in three stages, a coating apparatus having an output of 80 kW or less can not form a thermal barrier coating structure having vertical cracks.

2단계는 금속모재(110) 상부에 금속 본드 코팅층(120) 및 세라믹 코팅층(130)을 순차적으로 코팅하는 단계다. 이 때, 상기 코팅 장비의 용사부와 금속모재(110) 사이의 간격은 60~80mm로 유지된다. 용사부 및 금속모재(110) 사이의 간격을 제외하고는 공지된 공정과 동일 또는 유사하므로 중복설명은 생략한다. 이 때, 상기 코팅 장비의 용사부와 금속모재(110) 사이의 간격은 코팅입자의 분사속도, 산화, 모재 온도 등의 변수에 영향을 주는 인자이므로 매우 중요하다. Step 2 is a step of sequentially coating the metal bond coat layer 120 and the ceramic coat layer 130 on the metal base material 110. At this time, the interval between the molten metal of the coating equipment and the metal base material 110 is maintained at 60 to 80 mm. Except for the interval between the molten solder and the metal base material 110, the process is the same as or similar to the known process, and therefore, redundant description is omitted. At this time, the interval between the molten metal of the coating equipment and the metal base material 110 is very important because it affects parameters such as the spraying speed of the coating particles, oxidation, and the base metal temperature.

3단계는 금속 본드 코팅층(120) 및 세라믹 코팅층(130)이 적층된 금속모재(110)를 상온으로 냉각시켜 세라믹 코팅층(130)에 복수개의 수직균열(140)을 형성하는 단계다. 본 단계는 공지된 공정과 동일 또는 유사하므로 중복설명은 생략한다. Step 3 is a step of forming a plurality of vertical cracks 140 in the ceramic coating layer 130 by cooling the metal base material 110 in which the metal bond coat layer 120 and the ceramic coating layer 130 are laminated to room temperature. Since this step is the same as or similar to the known process, redundant description is omitted.

이상의 단계들이 종료되면 수직균열(140)이 세라믹 코팅층(130)의 내부에 균일하게 분산되어 형성될 수 있다. 상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들은 80kW 이하의 출력을 가진 코팅장비로도 DVC 방식을 이용한 열차폐코팅 구조의 성능과 동등 또는 그 이상의 성능을 갖는 열차폐코팅 구조를 형성할 수 있다.When the above steps are completed, the vertical crack 140 can be uniformly dispersed in the ceramic coating layer 130. As described above, the embodiments of the present invention can form a thermal barrier coating structure having performance equal to or higher than that of the thermal barrier coating structure using the DVC method even with a coating apparatus having an output of 80 kW or less.

이하, 본 발명의 시험예에 대하여 설명한다. 하기의 시험예가 본 발명을 한정하지 않음은 자명하다. Hereinafter, a test example of the present invention will be described. It is apparent that the following test examples do not limit the present invention.

시험예Test Example

(1) 실시예 및 비교예의 준비(1) Preparation of Examples and Comparative Examples

시험편에서 공통되는 부분을 설명하면 다음과 같다. 금속모재인 IN738LC를 직경 25mm 및 두께 3mm의 동전 모양으로 가공하고, 상부에 NiCrAlY 분말을 이용하여 LVPS(low vaccum plasma thermal spray)코팅 방식으로 금속 본드 코팅층을 형성하였다. 그리고 8wt% YSZ(ZRO 271-4, Praxari社)를 이용하여 같은 방식으로 세라믹 코팅층을 형성하였다. 세라믹 코팅층의 두께는 300㎛였다. 한편, 후술할 열차폐 성능 평가를 위하여 시험편들의 외주경측은 2단으로 단이 지도록 형성하였다(소위 모자형태).The following explains the common parts of the test specimens. The metal base material, IN738LC, was processed into a coin shape having a diameter of 25 mm and a thickness of 3 mm, and a metal bond coat layer was formed on the upper side using NiCrAlY powder by LVPS (low vacuum plasma thermal spray) coating method. Then, a ceramic coating layer was formed in the same manner using 8 wt% YSZ (ZRO 271-4, Praxari). The thickness of the ceramic coating layer was 300 mu m. On the other hand, in order to evaluate the thermal performance of the test piece described later, the outer circumference of the test pieces was formed so as to have two stages (so-called hat type).

이 때, 실시예 및 비교예의 차이점은 실시예는 본 발명에 따른 제조방법을 이용하였고, 비교예 1은 DVC 방식을, 비교예 2는 APS(atomsphere plasma spray) 방식을 이용하였다는 데에 있다. DVC 방식은 상술한 것과 같이 세라믹 코팅층에 수직균열이 내재되어 있으며, APS 방식은 세라믹 코팅층에 수직균열이 내재되지 않는다. In this case, the difference between the embodiments and the comparative examples is that the manufacturing method according to the present invention is used for the embodiment, the DVC method is used for the comparative example 1, and the APS (atomsphere plasma spray) method is used for the comparative example 2. As described above, the DVC method has vertical cracks in the ceramic coating layer, and the APS method does not involve vertical cracks in the ceramic coating layer.

도 2 및 도 3은 실시예에 해당하는 시험편의 표면을 광학현미경으로 촬영한 이미지이다. 도 2에서 확인되듯(빨간색 타원으로 표시함), 실시예에 해당하는 열차폐코팅 구조에서의 수직균열(140)은 그 길이가 세라믹 코팅층(130) 두께의 90%에 해당하며, 수직균열(140)의 너비는 0.014mm로 측정되었다. Figs. 2 and 3 are images obtained by photographing the surface of the test piece corresponding to the embodiment by an optical microscope. Fig. 2, the vertical crack 140 in the thermal barrier coating structure corresponding to the embodiment corresponds to 90% of the thickness of the ceramic coating layer 130, and the vertical crack 140 ) Was measured to be 0.014 mm.

한편, 도 3에서 확인되듯, 실시예에 해당하는 열차폐코팅 구조에서의 세라믹 코팅층(130)에 형성되어 있는 기공량은 대략 5~10% 정도로, 비교예들에 비해 상대적으로 많음을 확인하였다. Meanwhile, as shown in FIG. 3, the amount of pores formed in the ceramic coating layer 130 in the thermal spray coating structure according to the embodiment is about 5 to 10%, which is relatively large as compared with the comparative examples.

(2) 열차폐 성능 평가(2) Evaluation of heat loss performance

실시예 및 비교예 1,2의 시험편들에 대하여 열차폐 성능을 평가하였다. 열차폐 성능 평가는 퍼니스를 이용한 열차폐 코팅 단열 측정장치를 이용하여 이루어졌으며, 상기 열차폐 코팅 단열 측정장치에 대한 내용은 한국등록특허 제1,164,057호에 개시되어 있다. The test pieces of Examples and Comparative Examples 1 and 2 were evaluated for heat loss performance. The evaluation of the thermal insulation performance was performed by using a thermal insulation coating thermal insulation measurement device using a furnace. The thermal insulation thermal insulation measurement device is disclosed in Korean Patent No. 1,164,057.

상기 열차폐 코팅 단열 측정장치는 퍼니스 형태의 고온 가열로를 이용한 방식의 시험 장치이고, 최대온도 1500℃인 가열로와, 모터 및 리드 스크류를 이용한 시편 자동이송장치와, 공기 순환에 의한 냉각 시스템을 포함하여 구성된다. 각 시험편들의 하부를 냉각하여 시편내부에 온도구배를 발생시키는 역할을 하는 냉각시스템의 경우에는 시험 중에 냉각유량이 항상 순환되도록 하였으며, 냉각유량의 압력 및 유량 조절계를 통해 조절 가능하도록 하였다. The thermal barrier coating adiabatic measurement apparatus is a system using a furnace type high-temperature heating furnace, and is equipped with a heating furnace with a maximum temperature of 1500 占 폚, a specimen automatic transfer apparatus using a motor and a lead screw, . In the case of a cooling system that functions to cool the bottom of each test specimen and to generate a temperature gradient inside the specimen, the cooling flow rate is always circulated during the test and it is adjustable through the pressure of the cooling flow rate and the flow rate controller.

한편, 시험편의 내부에 열전달 해석으로 얻은 온도구배를 구현할 수 있도록 시험편 금속모재의 중간 위치에서 온도측정 센서를 이용하여 열차폐 성능 평가를 위한 시험 조건을 결정하였다. 시험편 내 코팅에서부터 금속모재까지 온도 구배를 블레이드 운전조건과 동일하게 부여하여 세라믹 코팅층 영역에서의 열차폐 성능을 평가할 수 있도록 시험편의 외면을 고온 퍼니스를 이용하여 가열시켰고, 시험편의 하부는 공기로 냉각하였다. On the other hand, the test conditions for the evaluation of the thermal performance were determined using a temperature sensor at the middle position of the base metal of the test specimen so as to realize the temperature gradient obtained by the heat transfer analysis inside the test specimen. The outer surface of the test piece was heated using a high-temperature furnace so that the temperature gradient from the coating in the test piece to the metal base material was the same as that of the blade operation condition and the heat-insulating performance in the ceramic coating layer region was evaluated. .

시험 결과, 실시예의 경우 금속모재의 중앙 온도가 약 875℃로 측정되어 비교예 1(약 883℃) 및 비교예 2(약 875℃)보다 낮게 나타남을 확인할 수 있다. As a result of the test, it can be confirmed that the center temperature of the metal base material is measured at about 875 ° C in Examples and is lower than Comparative Example 1 (about 883 ° C) and Comparative Example 2 (about 875 ° C).

도 4는 실시예 및 비교예들의 열전도계수 값을 나타내는 그래프이다. X축은 열차폐코팅 제조방법을 구분한 것이고, Y축은 열전도계수 값을 나타낸 것이다. FIG. 4 is a graph showing the values of thermal conductivity of Examples and Comparative Examples. FIG. The X axis represents the method of manufacturing the thermal barrier coating, and the Y axis represents the thermal conductivity coefficient value.

도 4를 참조하면, 시험편들의 열전도계수 값은 열전달/확산 계수 측정에 널리 이용되고 있는 LFA(Laser Flash Appratus)를 이용하였으며, 측정 결과, 실시예의 경우 열전도계수 값이 0.96 W/m2K로 측정되었고, 비교예 1은 1.03 W/m2K, 비교예 2는 1.05 W/m2K로 측정되어 실시예에 해당하는 시험편의 열전도계수 값이 더 낮음을 확인하였다. 이는 실시예에 해당하는 시험편에서 열이 금속모재로 잘 전달되지 않음을 의미한다. 즉, 실시예에 해당하는 시험편에서의 열차폐효과가 비교예들에 해당하는 시험편보다 우수함을 보여준다. Referring to FIG. 4, the thermal conductivity coefficient of the test specimens was measured by LFA (Laser Flash Appratus), which is widely used for measurement of heat transfer / diffusion coefficient. As a result of measurement, the thermal conductivity coefficient value was 0.96 W / m 2 K , And Comparative Example 1 was measured to be 1.03 W / m 2 K and Comparative Example 2 was measured to be 1.05 W / m 2 K. Thus, it was confirmed that the thermal conductivity values of the test pieces corresponding to the Examples were lower. This means that the heat of the test piece corresponding to the embodiment is not transferred to the metal base material. That is, it is shown that the heat shielding effect in the test pieces corresponding to the examples is superior to the test pieces corresponding to the comparative examples.

(3) 열피로 내구성능 평가(3) Evaluation of thermal fatigue endurance performance

실시예 및 비교예 1,2의 열피로 내구성능을 평가하였다. 열피로 내구성능의 평가는 한국등록특허 제851,325호에 개시된 열피로 시험장치를 이용하여 이루어졌다. The thermal fatigue endurance performance of Examples and Comparative Examples 1 and 2 was evaluated. The evaluation of the thermal fatigue endurance performance was made using the thermal fatigue testing apparatus disclosed in Korean Patent No. 851,325.

상기 열피로 시험장치는 일정온도를 유지할 수 있는 고온의 상부 퍼니스와 시편 이송장치 및 냉각장치를 포함하여 구성된다. The thermal fatigue testing apparatus includes a high-temperature upper furnace capable of maintaining a predetermined temperature, a sample transferring device, and a cooling device.

1200℃, 1150℃ 및 1100℃의 세 가지 온도 조건에서 제작된 시험편들을 퍼니스 내로 투입 및 반출하였으며, 이 온도조건들은 일반적인 코팅 열피로시험에서의 시험온도, 실제 가스터빈의 운전온도, 시험장치의 가열용량 등을 고려하여 결정한 것이다. 시편 투입 및 반출 과정을 열피로 1사이클로 정의하였으며, 코팅이 금속모재로부터 전체 탈락되는 사이클을 열피로 내구수명이라 정하였다. Test specimens manufactured at three temperature conditions of 1200 ° C, 1150 ° C and 1100 ° C were put into and out of the furnace. These temperature conditions were the test temperature in the general coating thermal fatigue test, the operating temperature of the actual gas turbine, Capacity and so on. The cycle of loading and unloading of specimens is defined as one cycle of thermal fatigue, and the cycle in which the coating is completely removed from the metal base material is defined as the thermal fatigue endurance life.

도 5는 실시예 및 비교예들의 열피로 내구성능 시험결과를 나타내는 그래프이다. X축은 열피로 시험의 온도조건을 나타낸 것이고, Y축은 사이클을 나타낸 것이다. 5 is a graph showing the results of thermal fatigue endurance performance tests of Examples and Comparative Examples. The X axis represents the temperature condition of the thermal fatigue test, and the Y axis represents the cycle.

도 5를 참조하면, 1200℃에서 실시예는 57사이클, 비교예 1은 56사이클, 비교예 2는 54사이클로 나타나서, 실시예는 비교예 1,2와 비교할 때 약간 높은 정도의 내구성을 보여주었다. Referring to FIG. 5, at the temperature of 1200 ° C., 57 cycles were shown in the example, 56 cycles in the comparative example 1, and 54 cycles in the comparative example 2, and the examples showed slightly higher durability than the comparative examples 1 and 2.

그러나, 1150℃에서 실시예는 351사이클, 비교예 1은 277사이클, 비교예 2는 128사이클로 나타나서, 실시예가 비교예 1,2와 비교할 때 상대적으로 높은 수준의 내구성을 보여주었다(비교예 1과 비교했을 때에도 약 27% 높음).However, at 1150 ° C, the Example exhibited 351 cycles, Comparative Example 1 had 277 cycles, and Comparative Example 2 had 128 cycles, showing that the Examples had a relatively high level of durability as compared with Comparative Examples 1 and 2 (Comparative Examples 1 and 2) And about 27% higher when compared).

또한, 1100℃에서도 실시예는 1650사이클, 비교예 1은 1274사이클, 비교예 2는 1107사이클로 나타났는 바, 실시예가 비교예 1,2와 비교할 때 상대적으로 높은 수준의 내구성을 보여주었다. 이들 결과들은 모두 실시예에 해당하는 시험편이 비교예들에 해당하는 시험편보다 열피로 내구성능이 높음을 보여준다. Also, at 1100 DEG C, the sample showed 1650 cycles, 1274 cycles of Comparative Example 1, and 1107 cycles of Comparative Example 2, showing relatively high durability as compared with Comparative Examples 1 and 2. These results show that the specimens corresponding to the examples are higher in thermal fatigue durability than the specimens corresponding to the comparative examples.

이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, many modifications and changes may be made by those skilled in the art without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims. The present invention can be variously modified and changed by those skilled in the art, and it is also within the scope of the present invention.

100: 열차폐코팅 구조
110: 금속모재
120: 금속 본드 코팅층
130: 세라믹 코팅층
140: 수직균열100: Thermal barrier coating structure
110: metal base material
120: metal bond coat layer
130: ceramic coating layer
140: vertical crack

Claims (6)

삭제delete 삭제delete 금속모재와, 상기 금속모재 표면에 형성되는 금속 본드 코팅층과, 상기 금속 본드 코팅층 상부에 형성되어 외부 열을 차폐하는 세라믹 코팅층을 포함하는 열차폐코팅 구조이고,
상기 세라믹 코팅층에는 상기 세라믹 코팅층의 두께 방향과 평행하도록 복수개의 수직균열이 형성되고,
상기 수직균열의 가장 넓은 부분의 너비는 0.01~0.02mm이고, 상기 수직균열의 길이는 상기 세라믹 코팅층의 두께의 50~90%이고, 상기 수직균열들 사이의 간격은 상기 세라믹 코팅층의 두께의 50~150%이며,
상기 세라믹 코팅층의 내부 기공량은 5~10%인 열차폐코팅 구조 제조방법에 있어서,
상기 금속모재를 3단계에 걸쳐 균일하게 예열하는 1단계;
상기 금속모재 상부에 상기 금속 본드 코팅층 및 세라믹 코팅층을 순차적으로 코팅하는 2단계; 및
상기 금속 본드 코팅층 및 세라믹 코팅층이 적층된 상기 금속모재를 상온으로 냉각시켜 상기 세라믹 코팅층에 복수개의 수직균열을 형성하는 3단계를 포함하고,
상기 각 단계는 80kW 이하의 출력을 갖는 코팅장비를 이용하여 수행되는 열차폐코팅 구조 제조방법.A thermal barrier coating structure comprising a metal base material, a metal bond coating layer formed on the surface of the metal base material, and a ceramic coating layer formed on the metal bond coating layer to shield external heat,
A plurality of vertical cracks are formed in the ceramic coating layer so as to be parallel to the thickness direction of the ceramic coating layer,
Wherein the width of the widest portion of the vertical cracks is 0.01 to 0.02 mm, the length of the vertical cracks is 50 to 90% of the thickness of the ceramic coating layer, 150%
Wherein the ceramic coating layer has an internal porosity of 5 to 10%
A first step of uniformly preheating the metal base material in three steps;
A second step of sequentially coating the metal bond coat layer and the ceramic coating layer on the metal base material; And
Forming a plurality of vertical cracks in the ceramic coating layer by cooling the metal base material having the metal bond coat layer and the ceramic coating layer laminated to room temperature,
Wherein each of the steps is performed using a coating apparatus having an output of 80 kW or less. 청구항 3에 있어서,
상기 1단계는 상기 금속모재의 최종 예열온도의 50%의 온도에서 예열시키는 1차 예열 단계와, 상기 최종 예열온도의 80%의 온도에서 예열시키는 2차 예열 단계와, 상기 최종 예열온도에서 예열시키는 3차 예열을 포함하는 열차폐코팅 구조 제조방법.The method of claim 3,
The first step includes a first preheating step of preheating at a temperature of 50% of the final preheating temperature of the metal base material, a second preheating step of preheating at a temperature of 80% of the final preheating temperature, A method of manufacturing a thermal barrier coating structure comprising tertiary preheating. 청구항 3에 있어서,
상기 2단계는 상기 코팅 장비의 용사부와 상기 금속모재 사이의 간격을 60~80mm를 유지한 상태에서 이루어지는 열차폐코팅 구조 제조방법.The method of claim 3,
Wherein the step (2) is carried out while maintaining a distance between the molten metal of the coating equipment and the metal base material of 60 to 80 mm. 청구항 3에 있어서,
상기 세라믹 코팅층은 8wt% 이트리아 성분이 포함된 안정화된 지르코니아를 이용하여 형성되는 열차폐코팅 구조 제조방법.The method of claim 3,
Wherein the ceramic coating layer is formed using stabilized zirconia containing 8 wt% yttria component.
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