KR101769750B1 - 경사기공 구조와 경사화 특성을 갖는 열차폐 코팅층의 동시제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 경사기공 구조와 경사화 특성을 갖는 열차폐 코팅층의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 작은 크기의 1차 세라믹 분말, 및 큰 크기의 2차 세라믹 분말을 순차적으로 용사 분말 공급 장치에 적재한 후 용융 분사를 실시함으로써 세라믹 코팅층 내에 경사기공 구조를 매우 쉽게 형성할 수 있는, 경사기공 구조를 가지므로 경사화 특성을 발현할 수 있는 열차폐 코팅층의 동시제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 제조방법에 따르면, 본드층의 상부(본드층과 세라믹 코팅층 계면 근처)에 치밀한 코팅층이 형성됨으로써 본드층과 세라믹 코팅층의 계면에서 균열의 진행을 억제시킬 수 있는데, 치밀한 코팅층은 기계적 특성의 향상을 가져와서 코팅층 자체에 포함되어 있는 결함들(기공, 균열, 입자계면 등)의 진행을 억제하게 됨으로써 열적 내구성이 향상된 세라믹 코팅층을 제조할 수 있다. 또한, 상기 치밀한 코팅층 상부에 다공성 구조의 코팅층이 형성됨으로써 열전도도를 낮추어 우수한 열차폐 효과를 가질 수 있고, 치밀한 코팅층 및 다공성 코팅층 사이에 경사기공 구조가 형성되어 치밀한 코팅층 및 다공성 코팅층 간의 급격한 기공 구조 변화로 인한 열팽창계수 차이 때문에 발생되는 열응력/잔류응력이 집중되지 않고 고르게 분산될 수 있다. 뿐만 아니라, 경사기공 구조를 한 번의 용사만으로 형성시킬 수 있는바, 제조비가 절감된 간편한 방법으로 열적 내구성이 뛰어난 경사기공구조의 열차폐 코팅막을 제조할 수 있다.
Description
본 발명은 경사기공 구조와 경사화 특성을 갖는 열차폐 코팅층의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 작은 크기의 1차 세라믹 분말, 및 큰 크기의 2차 세라믹 분말을 순차적으로 용사 분말 공급 장치에 적재한 후 용융 분사를 실시함으로써 세라믹 코팅층 내에 경사기공 구조를 매우 쉽게 형성할 수 있는, 경사기공 구조를 가지므로 경사화 특성을 발현할 수 있는 열차폐 코팅층의 동시제조 방법에 관한 것이다.
현재 열차폐 코팅은 가스터빈 또는 항공기 엔진의 고온부품이 고온의 화염에 노출될 때 고온부품의 금속 모재를 보호하기 위해 적용되는 기술로써, 일반적으로 고온의 플라즈마 열원을 이용하여 세라믹 분말을 모재 상에 용융 분사시켜 코팅층을 형성하는 방법으로 실시되고 있다. 고온으로 용융 분사하여 코팅층을 형성하는 방법을 용사(Thermal Spraying) 코팅이라고 부르는데, 용사 코팅법은 빠르게 코팅층을 형성할 수 있고, 코팅층의 두께 조절이 용이하며, 적용 가능한 모재가 다양하다는 장점이 있다.
일반적인 열차폐 코팅은 내열합금 소재의 금속 모재 위에 2종 이상의 금속조성을 갖는 합금(Intermetallic Alloy) 분말을 포함하는 본드층을 형성한 후 그 위에 열차폐 역할을 하는 세라믹 탑 코팅층을 형성한다. 온도 감소는 세라믹 탑 코팅층에서 크게 발생하는데, 금속 모재 위에 세라믹 코팅을 바로 적용하게 되면 접착 강도가 낮아서 쉽게 떨어질 수 있고, 모재와 세라믹 간의 열팽창계수의 큰 차이에 의해 고온에 노출될 시 세라믹 코팅막이 쉽게 박리되거나 파괴될 수 있다. 이 때문에 금속 모재 상에 본드층을 형성함으로써 세라믹 코팅층의 접착력을 높여주고, 모재와 세라믹 간의 열팽창계수 차이에 따른 열응력이나 잔류응력(열응력은 열이 가해질 때 형성되는 응력이며, 잔류응력은 냉각 시 형성되는 응력임)을 완화시켜준다(변응선, 공업화학 전망, 제17권제4호, p. 34~38, 2014).
그러나 본드층을 형성함에도 불구하고 여전히 본드층과 세라믹 코팅층의 열팽창계수는 차이를 나타내게 되며(기존 사용되고 있는 세라믹 코팅층 소재의 열팽창계수: 10.511.5×10-6K-1, 기존 사용되고 있는 본드층 소재인 Ni 기반 본드층의 열팽창계수: 15.0×10-6K-1), 이에 따라 반복적인 사용에 의해서 형성되는 열응력이나 잔류응력을 견디지 못하고 세라믹 코팅층에 균열이 일어나거나 박리가 발생하는 문제가 빈번하게 일어나고 있다. 특히, 세라믹 코팅층의 박리나 파괴는 본드층으로부터 약 100 μm 내외에서 발생되므로, 이 영역에 대한 특성 향상을 통한 열적 내구성의 향상이 필요하다. 따라서 열적 내구성을 향상시킴으로써 열응력이나 잔류응력을 잘 견딜 수 있는 세라믹 열차폐 코팅층을 제조할 수 있는 방법을 개발할 필요가 있다.
종래 기술의 문제점인 계면 근처에서의 기계적 특성을 향상시키기 위한 방법을 찾던 중, 세라믹 코팅층이 경사기공 구조를 갖게 함으로써 기계적 특성의 경사화를 이루고, 이를 통해 세라믹 코팅층의 박리 혹은 파괴가 일어나는 계면 근처에서의 기계적 특성을 향상시켜 세라믹 코팅층 내에 존재하는 균열의 진행을 억제할 수 있는 기술적 방법을 생각해 내었다. 계면 근처에서의 치밀한 구조는 가열/냉각 시 형성되는 응력들에 의한 균열의 진행을 억제하여 세라믹 코팅층의 열적 내구성을 향상시킬 수 있고, 치밀한 구조 상부의 다공성 구조로 열차폐 성능을 발현할 수 있다.
또한, 열차폐 코팅이 적용되는 가스터빈 또는 항공기 엔진의 고온부품 표면이 우선적으로 고온의 화염에 노출되게 됨으로, 표면에서부터 계면(탑층과 본드층 계면, 혹은 본드층과 모재 계면)으로 경사화된 열적 부하가 가해지며, 상대적으로 높은 온도의 표면에서 빠른 수축이 발생하게 된다. 그러나 다공성 구조의 상부 열차폐 코팅층은 이러한 수축거동에 저항성을 나타내며, 경사기공 구조와 열적 부하가 상호 보완되어 전체 열차폐 코팅층에서의 균일한 수축 거동을 발현시킬 수 있다.
현재 열차폐 코팅은 가스터빈 또는 항공기 엔진같이 고온의 화염에 노출되는 부위에 금속 모재를 보호하기 위해 적용되는 기술로써, 이러한 구조체를 형성하기 위해, 미세한 세라믹 분말(용사 코팅에서 상대적으로 용융이 잘됨)을 아래에 공급하고 평균 입경이 상대적으로 큰 세라믹 분말(용사 코팅에서 상대적으로 용융이 잘 안됨)을 그 위에 공급한 후 상기 분말들을 용사 코팅하면 경사기공 구조를 갖는 세라믹 코팅층을 쉽게, 그리고 동시에 형성할 수 있는 것을 발상해냄에 따라 본 발명을 완성하였다.
따라서 본 발명의 목적은 용사 코팅을 이용한 계면 근처에서 경사기공 구조를 갖는 열차폐 코팅막의 동시제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 1차 세라믹 분말, 및 입경이 상기 1차 세라믹 분말 입경의 0.8~2.5배인 세라믹 입자들을 포함하는 2차 세라믹 분말을 준비하는 단계, 용사 코팅 장치의 용사 분말 공급 장치에 상기 1차 세라믹 분말을 채운 후 그 위에 상기 2차 세라믹 분말을 채우는 단계, 및 상기 용사 분말 공급 장치에 연결된 용사건(Thermal Spray Gun)을 이용하여 상기 1차 세라믹 분말 및 2차 세라믹 분말을 모재의 본드층 상부에 용융 분사하는 단계를 포함하는 경사기공 구조를 갖는 열차폐 코팅막의 동시제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 1차 세라믹 분말은 상기 모재의 본드층 상에 용융 분사되었을 때 50~150㎛ 두께의 코팅막을 형성할 수 있는 함량만큼 상기 용사 분말 공급 장치에 채워진다.
상기 1차 세라믹 분말의 입경은 11~125㎛일 수 있다.
상기 1차 세라믹 분말 및 2차 세라믹 분말의 중량비는 1 : 1~20 일 수 있다.
상기 용융 분사는 대기 플라즈마 용사(APS) 공정 또는 진공 플라즈마 용사(VPS) 공정에 의해 이루어질 수 있다.
상기에서 설명한 본 발명의 제조방법에 따르면, 본드층의 상부(본드층과 세라믹 코팅층 계면 근처)에 치밀한 코팅층이 형성됨으로써 본드층과 세라믹 코팅층의 계면에서 균열의 진행을 억제시킬 수 있는데, 치밀한 코팅층은 기계적 특성의 향상을 가져와서 코팅층 자체에 포함되어 있는 결함들(기공, 균열, 입자계면 등)의 진행을 억제하게 됨으로써 열적 내구성이 향상된 세라믹 코팅층을 제조할 수 있다. 또한, 상기 치밀한 코팅층 상부에 다공성 구조의 코팅층이 형성됨으로써 열전도도를 낮추어 우수한 열차폐 효과를 가질 수 있고, 치밀한 코팅층 및 다공성 코팅층 사이에 경사기공 구조가 형성되어 치밀한 코팅층 및 다공성 코팅층 간의 급격한 기공 구조 변화로 인한 열팽창계수 차이 때문에 발생되는 열응력/잔류응력이 집중되지 않고 고르게 분산될 수 있다. 뿐만 아니라, 경사기공 구조를 한 번의 용사만으로 형성시킬 수 있는바, 제조비가 절감된 간편한 방법으로 열적 내구성이 뛰어난 경사기공구조의 열차폐 코팅막을 제조할 수 있다.
도 1은 용사 분말 공급 장치의 개략적인 단면도를 나타낸다.
도 2는 본 발명에 의해 형성될 수 있는 경사기공 구조의 열차폐 코팅막의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명에 의해 형성될 수 있는 경사기공 구조의 열차폐 코팅막의 개략적인 단면도이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 1차 세라믹 분말, 및 입경이 상기 1차 세라믹 분말 입경의 0.8~2.5배인 세라믹 입자들을 포함하는 2차 세라믹 분말을 준비하는 단계, 용사 코팅 장치의 용사 분말 공급 장치에 상기 1차 세라믹 분말을 채운 후 그 위에 상기 2차 세라믹 분말을 채우는 단계, 및 상기 용사 분말 공급 장치에 연결된 용사건(Thermal Spray Gun)을 이용하여 상기 1차 세라믹 분말 및 2차 세라믹 분말을 모재 상에 용융 분사하는 단계를 포함하는 경사기공 구조를 갖는 열차폐 코팅막의 제조방법을 제공한다.
1차 세라믹 분말, 및 2차 세라믹 분말을 준비하는 단계는 용사 코팅용 분말을 준비하는 단계로써, 평균 입경의 차이를 나타내는 두 종류의 세라믹 분말을 준비한다.
상기 1차 세라믹 분말은 치밀한 코팅층을 형성한다. 1차 세라믹 분말은 입자가 작기 때문에 용융이 용이하므로 기공의 크기 및 기공률이 작은 치밀한 구조의 세라믹 코팅층을 형성하게 된다. 치밀한 구조의 세라믹 코팅층은 기계적 특성이 높기 때문에 금속을 포함하는 본드층과 세라믹 코팅층 간의 계면에서 균열의 진행을 억제시킬 수 있다. 1차 세라믹 분말의 평균 입경은 이에 한정되지 않지만, 11~125㎛가 바람직할 수 있다. 11㎛ 미만일 경우에는 분말 공급 시 비산되어 증착율이 낮으며, 125㎛를 초과할 경우에는 치밀한 코팅층을 형성하기 어렵다.
상기 1차 세라믹 분말이 상기 용사 분말 공급 장치에 공급되는 함량은, 1차 세라믹 분말만을 대상물인 모재의 본드층 상에 용융 분사했을 때 50~150 ㎛ 두께를 형성할 수 있는 함량이 바람직하다. 50 ㎛ 미만일 경우에는 치밀한 코팅층이 얇기 때문에 기계적 특성이 크지 않아 모재의 본드층과 세라믹 코팅층 간의 계면에서 균열의 진행에 대한 억제효과를 얻을 수 없고, 150 ㎛를 초과할 경우에는 치밀한 코팅층이 필요이상으로 두꺼워져서 열차폐 효과가 감소되고, 온도 변화에 따른 수축 또는 팽창률이 커져서 균열 또는 박리가 발생할 수 있다. 상기 두께는 바람직하게는 90~110 ㎛일 수 있고, 더 바람직하게는 100 ㎛일 수 있다.
2차 세라믹 분말은 입경이 상기 1차 세라믹 분말 입경의 0.8~2.5배인 세라믹 입자들을 포함한다. 0.8배 미만일 경우에는 코팅층 내에 경사기공 구조가 제대로 형성되지 않고, 2.5배를 초과할 경우에는 입자가 너무 커져서 용사 코팅을 수행할 때 용사 flame을 관통할 수 있으며 세라믹 코팅층에 거대 결함을 발생시켜 균일한 코팅층이 형성되지 않는다.
2차 세라믹 분말은 다공성 구조의 코팅층을 형성한다. 2차 세라믹 분말은 대체적으로 1차 세라믹 분말보다 크기 때문에, 1차 세라믹 분말에 비해 상대적으로 용융이 어려워 용융 분사되어 증착될 시에 기공 크기 및 기공률이 큰 다공성 구조의 세라믹 코팅층을 형성하게 된다. 다공성 구조이기 때문에 열전도도가 떨어지게 되므로 2차 세라믹 분말로 형성된 다공성 코팅층이 실질적인 열차폐 기능을 하게 된다.
상기 세라믹은 산화이트륨(이트리아), 산화지르코늄(지르코니아), 산화마그네슘(마그네시아), 산화세륨(세리아), 산화하프늄(하프니아), 산화알루미늄, 주기율표의 2A족 내지 8B족 및 란탄족 원소의 산화물, 또는 그의 합금 또는 혼합물 또는 복합물을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 산화이트륨, 산화지르코늄, 산화알루미늄, 산화세륨, 산화하프늄, 산화가돌리늄(가돌리니아), 산화이테르븀(이테르비아), 또는 그의 화합물 또는 혼합물 또는 복합물을 포함할 수 있고, 가장 바람직하게는, 코팅 물질은 이트리아, 및 지르코니아, 부분 안정화된 지르코니아 및 완전 안정화된 지르코니아로부터 선택된 지르코니아 물질을 포함할 수 있다.
도 1은 용사 분말 공급 장치(10)의 개략적인 단면도를 나타낸다.
용사 코팅 장치의 용사 분말 공급 장치(10)에 상기 1차 세라믹 분말(100)을 채운 후 그 위에 상기 2차 세라믹 분말(200)을 채우는 단계는 용사 분말을 공급하는 단계이다. 상기 서술된 바와 같이 1차 세라믹 분말(100)은 모재의 본드층과 세라믹 코팅층 사이의 계면에서 균열의 진행을 억제하기 위한 치밀한 코팅층을 형성하므로 2차 세라믹 분말(200)보다 먼저 용융 분사되어야 하고, 이에 따라 용사 분말 공급 장치(10)에 먼저 공급되어야 한다. 1차 세라믹 분말(100)을 채운 후에, 2차 세라믹 분말(200)을 채움으로써, 용융 분사되었을 때 치밀한 코팅층 위에 다공성 코팅층을 형성하게 된다.
도 2는 본 발명에 의해 형성될 수 있는 경사기공 구조의 열차폐 코팅막의 개략적인 단면도를 나타내는데, 도 1의 용사 분말 공급 장치(10)에 공급된 1차 세라믹 분말(100)과 2차 세라믹 분말(200)은 그 경계면에서 일부가 서로 혼합되게 되고, 이에 따라 용사건(20)을 통해 용융 분사될 시에 치밀한 코팅층과 다공성 코팅층 간에 자연스럽게 경사기공 구조를 형성하게 된다.
만약, 1차 세라믹 분말(100)과 2차 세라믹 분말(200)을 공급 장치에 차례로 넣지 않고, 따로따로 용융 분사를 실시한다면, 1차 세라믹 분말로 형성된 치밀한 코팅층과, 2차 세라믹 분말로 형성된 다공성 코팅층의 계면에서 경사기공 구조가 형성되지 않아 기공 구조가 급격하게 변하게 되어, 불연속적인 계면을 형성하게 된다. 이에 따라 열응력/잔류응력이 상기 계면에 집중되어 박리 또는 균열이 발생하게 된다. 그러나 본 발명의 방법에 따르면 치밀한 코팅층과 다공성 코팅층 간에 경사기공 구조가 형성되므로 열응력이 연속적으로 형성 또는 분산되어 박리 또는 균열이 억제되는바, 열적 내구성이 향상된다. 또한 본 발명에 의한 경사기공 구조에서는 표면의 높은 온도임에도 불구하고 다공성 구조로 인한 수축이 억제되며, 계면(탑층과 본드층 계면)에서는 상대적으로 낮은 온도임에도 불구하고 치밀한 구조로 수축이 활발히 될 수 있다. 따라서 표면과 계면으로의 경사기공 구조는 온도구배와 상호 보완 작성을 하여 열차폐 코팅 전체에서 균일한 수축거동을 발현시킬 수 있는바, 열적 내구성이 향상된다.
한편, 상기 1차 세라믹 분말 및 2차 세라믹 분말의 중량비는 이에 한정되지 않지만, 1 : 1~20, 1 : 1~15, 1 : 1~10, 1 : 1~5, 1 : 5~20, 또는 1 : 10~20일 수 있다. 상기 중량비는 제조하고자 하는 세라믹 코팅층의 두께에 따라 적절히 선택할 수 있다. 1차 세라믹 분말 중량에 대하여 2차 세라믹 분말의 중량이 1배 미만일 경우에는 다공성 코팅층이 충분히 형성되지 않아 열차폐 기능이 미흡할 수 있고, 20배를 초과할 경우에는 온도변화에 따른 수축률 또는 팽창율이 커질 수 있다.
상기 용사 분말 공급 장치에 연결된 용사건(Thermal Spray Gun)을 이용하여 상기 1차 세라믹 분말 및 2차 세라믹 분말을 모재의 본드층 상에 용융 분사하는 단계는 최종적으로 모재에 세라믹 코팅층을 용사 코팅함으로써 형성하는 단계이다.
상기 용융 분사는 이에 한정되지 않지만, 대기 플라즈마 용사(APS) 공정 또는 진공 플라즈마 용사(VPS) 공정에 의해 이루어질 수 있다.
10 : 용사 분말 공급 장치 20 : 용사건 연결관
100 : 1차 세라믹 분말 200 : 2차 세라믹 분말
100 : 1차 세라믹 분말 200 : 2차 세라믹 분말
Claims (5)
11~125㎛의 입경을 갖는 1차 세라믹 분말과, 상기 1차 세라믹 분말의 입경에 대해 0.8~2.5배의 입경 크기를 갖는 2차 세라믹 분말을 준비하는 단계;
용사 코팅 장치의 용사 분말 공급 장치에 상기 1차 세라믹 분말을 채운 후 그 위에 상기 2차 세라믹 분말을 채우는 단계; 및
상기 용사 분말 공급 장치에 연결된 용사건(Thermal Spray Gun)을 이용하여 상기 1차 세라믹 분말 및 2차 세라믹 분말을 순차적으로 모재의 본드층 상에 용융 분사하는 단계; 를 포함하되,
상기 1차 세라믹 분말은 상기 모재의 본드층 상에 용융 분사되었을 때 50~150㎛ 두께의 코팅막을 형성할 수 있는 함량만큼 상기 용사 분말 공급 장치에 채워지고, 상기 2차 세라믹 분말은 1차 세라믹 분말 : 2차 세라믹 분말의 중량비가 1 : 1~20가 되도록 상기 용사 분말 공급 장치에 채워지는 것을 특징으로 하는 경사기공 구조를 갖는 열차폐 코팅층의 동시제조 방법.
용사 코팅 장치의 용사 분말 공급 장치에 상기 1차 세라믹 분말을 채운 후 그 위에 상기 2차 세라믹 분말을 채우는 단계; 및
상기 용사 분말 공급 장치에 연결된 용사건(Thermal Spray Gun)을 이용하여 상기 1차 세라믹 분말 및 2차 세라믹 분말을 순차적으로 모재의 본드층 상에 용융 분사하는 단계; 를 포함하되,
상기 1차 세라믹 분말은 상기 모재의 본드층 상에 용융 분사되었을 때 50~150㎛ 두께의 코팅막을 형성할 수 있는 함량만큼 상기 용사 분말 공급 장치에 채워지고, 상기 2차 세라믹 분말은 1차 세라믹 분말 : 2차 세라믹 분말의 중량비가 1 : 1~20가 되도록 상기 용사 분말 공급 장치에 채워지는 것을 특징으로 하는 경사기공 구조를 갖는 열차폐 코팅층의 동시제조 방법.
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제1항에 있어서,
상기 용융 분사는 대기 플라즈마 용사(APS) 공정 또는 진공 플라즈마 용사(VPS) 공정에 의해 이루어지는, 경사기공 구조를 갖는 열차폐 코팅막의 동시제조 방법.
상기 용융 분사는 대기 플라즈마 용사(APS) 공정 또는 진공 플라즈마 용사(VPS) 공정에 의해 이루어지는, 경사기공 구조를 갖는 열차폐 코팅막의 동시제조 방법.
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|---|---|---|---|---|
| US20220359256A1 (en) * | 2021-05-10 | 2022-11-10 | Pukyong National University Industry-University Cooperation Foundation | Method of manufacturing electrostatic chuck having electrode layer made of heterogeneous composite material, and electrostatic chuck manufactured thereby |
| US20220355374A1 (en) * | 2021-05-10 | 2022-11-10 | Pukyong National University Industry-University Cooperation Foundation | Method for manufacturing electrostatic chuck having electrode layer including clad member and electrostatic chuck manufactured thereby |
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2016
- 2016-08-09 KR KR1020160101165A patent/KR101769750B1/ko active IP Right Grant
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20220359256A1 (en) * | 2021-05-10 | 2022-11-10 | Pukyong National University Industry-University Cooperation Foundation | Method of manufacturing electrostatic chuck having electrode layer made of heterogeneous composite material, and electrostatic chuck manufactured thereby |
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| US11904390B2 (en) * | 2021-05-10 | 2024-02-20 | Pukyong National University Industry-University Cooperation Foundation | Method for manufacturing electrostatic chuck having electrode layer including clad member and electrostatic chuck manufactured thereby |
| US11908726B2 (en) * | 2021-05-10 | 2024-02-20 | Pukyong National University Industry-University Cooperation Foundation | Method of manufacturing electrostatic chuck having electrode layer made of heterogeneous composite material, and electrostatic chuck manufactured thereby |
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