KR101920565B1 - Thermal barrier coating layer with excellent heat durability and preparing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 상부 열차폐 세라믹 상부 코팅(top Coating)과 결합 코팅(Bond Coating) 계면에서 형성되는 산소의 확산/침투로 인한 열생성 산화물(thermally grown oxide; 이하 'TGO') 형성 속도를 감소시킴으로써 박리 수명을 개선시킬 수 있는 우수한 열적 내구성을 가지는 열차폐 코팅층 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention reduces the rate of formation of thermally grown oxide (TGO) due to the diffusion / penetration of oxygen formed at the top coating top coating and the bonding coating interface, To a thermal barrier coating layer having excellent thermal durability capable of improving the lifetime and a method of manufacturing the same.
열차폐 코팅(thermal barrier coating; 이하 'TBC')은 가스터빈 엔진 등의 고온 부품에 적용되는 기술로서, 통상 낮은 열전도도를 가진 세라믹 상부 코팅(top coating)과, 상부 코팅의 접착력을 높여주는 결합 코팅(bond coating) 층으로 이루어져 있다.Thermal barrier coating (TBC) is a technology applied to high-temperature components such as gas turbine engines. It is usually applied to ceramic top coatings with low thermal conductivity and bonding And a bond coating layer.
상부 코팅에 적절한 공극률을 갖도록 함으로써 낮은 열전도도와 높은 변형 내성이 생기도록하여 모재 표면의 온도가 화염 온도에 비해 약 200 내지 250℃ 정도 낮아지게 된다. 이를 통해 가스터빈 엔진 부품의 한계를 연장시켜 주는 역할을 한다.By having a proper porosity in the upper coating, low thermal conductivity and high resistance to deformation are produced, and the temperature of the surface of the base material is lowered by about 200 to 250 DEG C compared to the flame temperature. Thereby extending the limits of gas turbine engine components.
열차폐 코팅은 결합 코팅 또는 상부 코팅의 화학적 조성 변화, 상부 코팅의 DVC 또는 다층 구조를 형성함으로써 열차폐 코팅층의 열적 내구성을 향상하는 방법으로 연구가 진행되었다.The thermal barrier coatings have been studied in a way that improves the thermal durability of the thermal barrier coating layer by forming a change in the chemical composition of the bond coat or top coat, DVC or multilayer structure of the top coat.
하지만, 코팅층 내부로 산소 확산으로 결합 코팅층의 알루미늄이 고갈되고 치밀한 TGO층(Al2O3)이 생성됨에 따라서 상부 코팅층과 결합 코팅층 사이의 계면에서 박리가 발생하여 수명을 단축 시키게 되는 문제가 있다.However, since the aluminum of the bonding coating layer is depleted and the dense TGO layer (Al 2 O 3 ) is produced by diffusion of oxygen into the coating layer, peeling occurs at the interface between the upper coating layer and the bonding coating layer, which shortens the service life.
따라서, 산소의 확산/침투에 의해 생성되는 TGO 층의 형성 속도를 감소시킴으로써 상부 코팅층과 결합 코팅층 사이의 계면에서 박리를 억제하여 열차폐 코팅층의 수명을 개선시킬 수 있는 방법에 대한 연구 개발이 시급한 실정이다.Therefore, it is urgent to research and develop a method for improving the lifetime of the thermal barrier coating layer by suppressing peeling at the interface between the upper coating layer and the bonding coating layer by decreasing the formation rate of the TGO layer produced by diffusion / penetration of oxygen to be.
본 발명의 목적은 열차폐 코팅층의 박리 발생을 억제하여 열적 내구성을 향상시킬 수 있는 열차폐 코팅층 및 이의 제조방법을 제공하는 데에 있다.An object of the present invention is to provide a thermal barrier coating layer capable of suppressing the occurrence of peeling of a thermal barrier coating layer and improving thermal durability and a method of manufacturing the same.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 모재(substrate); 상기 모재 상에 형성된 금속 결합 코팅층(metal bond coating layer); 및 상기 결합 코팅층 상에 형성된 상부 코팅층(top coating layer)을 포함하며, 상기 상부 코팅층은, 내부에 금속 입자(metallic particle)들을 포함하는 세라믹 코팅층(ceramic coating layer)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 우수한 열적 내구성을 가지는 열차폐 코팅층을 제공한다.In order to accomplish the above object, the present invention provides a semiconductor device comprising: a substrate; A metal bond coating layer formed on the base material; And a top coating layer formed on the bond coat layer, wherein the top coat layer comprises a ceramic coating layer including metallic particles therein. Thereby providing a heat-shrinkable coating layer having durability.
또한 본 발명은 모재; 상기 모재 상에 형성된 금속 결합 코팅층; 및 상기 결합 코팅층 상에 형성된 상부 코팅층을 포함하며, 상기 상부 코팅층은, 1 이상의 적층된 세라믹 코팅층과, 상기 세라믹 코팅층 사이에 위치하는 금속 입자들로 이루어진 금속 코팅층으로 구성되는 것을 특징으로 하는, 우수한 열적 내구성을 가지는 열차폐 코팅층을 제공한다.Further, A metal bond coating layer formed on the base material; And an upper coating layer formed on the bonding coating layer, wherein the upper coating layer is composed of at least one laminated ceramic coating layer and a metal coating layer composed of metal particles positioned between the ceramic coating layers. Thereby providing a heat-shrinkable coating layer having durability.
또한 본 발명은 모재 상에 금속 분말을 용사 코팅하여 금속 결합 코팅층을 형성하는 단계(제1단계); 상기 금속 결합 코팅층 상에 2 이상의 원소를 포함하는 복합 산화물로 이루어진 세라믹 코팅층을 형성하는 단계(제2단계); 상기 세라믹 코팅층 상에 2이상의 금속 입자를 포함하는 금속 결합 코팅층을 형성하는 단계(제3단계); 및 상기 제2단계와 제 3단계를 반복하여 세라믹 코팅층과 금속 결합 코팅층을 교대로 다층 구조를 형성하는 단계(제4단계);를 포함하는, 우수한 열적 내구성을 가지는 열차폐 코팅층 제조방법을 제공한다.Further, the present invention provides a method of manufacturing a metal-coated metal plate, comprising the steps of: (1) forming a metal bond coating layer by spray coating a metal powder on a base material; Forming a ceramic coating layer composed of a composite oxide containing at least two elements on the metal bond coat layer (second step); Forming a metal bonding coating layer including at least two metal particles on the ceramic coating layer (third step); And repeating the second step and the third step to form a multilayer structure alternately with the ceramic coating layer and the metal bonding coating layer (step 4), thereby providing a method of manufacturing a thermal barrier coating layer having excellent thermal durability .
또한 본 발명은 모재 상에 금속 분말을 용사 코팅하여 금속 결합 코팅층을 형성하는 단계(제1단계); 금속 입자를 용매에 분산시켜 분산용액을 준비하는 단계(제2단계); 및 상기 분산용액과 2 이상의 원소를 포함하는 복합 산화물 입자를 함께 주입하여 코팅하는 단계(제3단계);를 포함하는, 우수한 열적 내구성을 가지는 열차폐 코팅층 제조방법을 제공한다.Further, the present invention provides a method of manufacturing a metal-coated metal plate, comprising the steps of: (1) forming a metal bond coating layer by spray coating a metal powder on a base material; Dispersing the metal particles in a solvent to prepare a dispersion solution (second step); And a step (3) of injecting and coating the dispersion solution and the composite oxide particles containing two or more elements together (third step). The present invention also provides a method of manufacturing a thermal barrier coating layer having excellent thermal durability.
본 발명에 따른 우수한 열적 내구성을 가지는 열차폐 코팅층 및 이의 제조방법은 세라믹 코팅층 내부에 산소 친화도가 높은 금속 입자(metallic particle)을 분포 시키거나, 세라믹 코팅층과 금속 코팅층의 다층 구조 형성을 통한 TGO 형성 속도를 감소시키고 응력 이완 효과를 발생시킴으로써 열차폐 코팅층의 수명을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.The thermal barrier coating having excellent thermal durability according to the present invention and the method of manufacturing the same may be used for distributing metallic particles having high oxygen affinity in the ceramic coating layer or forming TGO by forming a multilayer structure of a ceramic coating layer and a metal coating layer It is possible to improve the lifetime of the thermal barrier coating layer by reducing the speed and generating the stress relaxation effect.
도 1은 종래 열차폐 코팅층의 구조를 나타낸 도면;
도 2는 본 발명에 따라 제조된 열차폐 코팅층을 개략적으로 나타낸 도면;
도 3은 본 발명에 따라 제조된 열차폐 코팅층을 개략적으로 나타낸 도면;
도 4는 본 발명에 따라 제조된 열차폐 코팅층을 개략적으로 나타낸 도면;
도 5는 종래 열차폐 코팅층에서 발생하는 박리 원인을 나타낸 도면;
도 6은 본 발명에 따라 제조된 열차폐 코팅층의 측단면을 촬영한 SEM 이미지;
도 7은 본 발명에 따라 제조된 열차폐 코팅층의 측단면을 촬영한 SEM 이미지; 및
도 8은 본 발명에 따라 제조된 열차폐 코팅층의 측단면을 촬영한 SEM 이미지이다.1 is a view showing the structure of a conventional thermal barrier coating layer;
2 is a schematic view of a thermal barrier coating layer produced according to the present invention;
FIG. 3 is a schematic view of a thermal barrier coating layer produced according to the present invention; FIG.
FIG. 4 is a schematic view of a thermal barrier coating layer produced according to the present invention; FIG.
5 is a view showing a cause of peeling occurring in a conventional thermal barrier coating layer;
6 is a SEM image of a side surface of a thermal barrier coating layer prepared according to the present invention;
7 is a SEM image of a side surface of a thermal barrier coating layer produced according to the present invention; And
8 is a SEM image of a side surface of a thermal barrier coating layer produced according to the present invention.
이하, 본 발명인 우수한 열적 내구성을 가지는 열차폐 코팅층 및 이의 제조방법을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the thermal barrier coating layer having excellent thermal durability according to the present invention and a method for producing the same will be described in detail.
본 발명의 발명자들은 열차폐 코팅층의 수명을 개선시킬 수 있는 방법에 대한 연구 개발하던 중, 금속 입자를 세라믹 코팅층(ceramic coating layer) 내부에 주입하거나, 또는 금속 입자로 이루어진 금속 코팅층을 세라믹 코팅층과 교대로 적층시킬 경우 결합 코팅층까지 확산되는 산소의 양을 저감시킴으로써 TGO의 성장속도를 저감시켜 열차폐 코팅층의 수명을 향상 시킬 수 있음을 밝혀내어 본 발명을 완성하였다.The inventors of the present invention have found that, while researching and developing a method for improving the service life of a thermal barrier coating layer, metal particles are injected into a ceramic coating layer, or a metal coating layer made of metal particles is alternated with a ceramic coating layer It is possible to reduce the growth rate of TGO by improving the life of the thermal barrier coating layer by reducing the amount of oxygen diffused to the bond coat layer.
본 발명은 모재(substrate); 상기 모재 상에 형성된 금속 결합 코팅층(metal bond coating layer); 및 상기 결합 코팅층 상에 형성된 상부 코팅층(top coating layer)을 포함하며, 상기 상부 코팅층은, 내부에 금속 입자(metallic particle)들을 포함하는 세라믹 코팅층(ceramic coating layer)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 우수한 열적 내구성을 가지는 열차폐 코팅층을 제공한다.The present invention relates to a substrate; A metal bond coating layer formed on the base material; And a top coating layer formed on the bond coat layer, wherein the top coat layer comprises a ceramic coating layer including metallic particles therein. Thereby providing a heat-shrinkable coating layer having durability.
또한 본 발명은 모재; 상기 모재 상에 형성된 금속 결합 코팅층; 및 상기 결합 코팅층 상에 형성된 상부 코팅층을 포함하며, 상기 상부 코팅층은, 1 이상의 적층된 세라믹 코팅층과, 상기 세라믹 코팅층 사이에 위치하는 금속 입자들로 이루어진 금속 코팅층으로 구성되는 것을 특징으로 하는, 우수한 열적 내구성을 가지는 열차폐 코팅층을 제공한다.Further, A metal bond coating layer formed on the base material; And an upper coating layer formed on the bonding coating layer, wherein the upper coating layer is composed of at least one laminated ceramic coating layer and a metal coating layer composed of metal particles positioned between the ceramic coating layers. Thereby providing a heat-shrinkable coating layer having durability.
상기 금속 결합 코팅층은 금속 분말인 MCrAlY(M= Ni, Co, 또는 이들의 합금) 분말을 용사 코팅하여 형성된 것일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.The metal bond coating layer may be formed by spray coating a metal powder, MCrAlY (M = Ni, Co, or an alloy thereof) powder, but is not limited thereto.
구체적으로, 상기 금속 분말인 MCrAlY(M= Ni, Co, 또는 이들의 합금) 분말에서, M은 Ni, Co, 또는 이들의 합금일 수 있다.Specifically, in the above-mentioned metal powder MCrAlY (M = Ni, Co, or an alloy thereof) powder, M may be Ni, Co, or an alloy thereof.
상기 금속 결합 코팅층은 MCrAlY(M= Ni, Co, 또는 이들의 합금) 분말에 하프늄(Hf), 규소(Si), 또는 레늄(Re)을 더 포함하여 형성된 것일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.The metal bonding coating layer may be formed by further including hafnium (Hf), silicon (Si), or rhenium (Re) in a MCrAlY (M = Ni, Co, or alloy thereof) powder.
상기 MCrAlY(M= Ni, Co, 또는 이들의 합금) 분말은 평균 직경이 0.05 내지 15 ㎛일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.The MCrAlY (M = Ni, Co, or alloys thereof) powder may have an average diameter of 0.05 to 15 탆, but is not limited thereto.
상기 금속 결합 코팅층은 평균 두께가 100 내지 400 ㎛일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.The metal bond coating layer may have an average thickness of 100 to 400 탆, but is not limited thereto.
구체적으로, 상기 금속 결합 코팅층의 평균 두께가 100 ㎛ 미만일 경우 모재와 세라믹 코팅층의 열팽창 계수 차이로 인한 내부 응력을 이완할 수 있는 효과를 저하시켜 열충격으로 인한 코팅 박리가 발생할 수 있으며, 또한 금속 결합 코팅층의 평균 두께가 400 ㎛를 초과할 경우 제조비용이 높아질 수 있는 문제점을 야기할 수 있는 바 금속 결합 코팅층의 평균 두께는 100 내지 400 ㎛인 것이 바람직하다.In particular, when the average thickness of the metal bonding coating layer is less than 100 μm, the effect of relaxing the internal stress due to the difference in thermal expansion coefficient between the base metal and the ceramic coating layer may be deteriorated to cause peeling of the coating due to thermal shock, The average thickness of the metal bond coat layer is preferably in the range of 100 to 400 占 퐉.
상기 상부 코팅층은 플라즈마 열처리 되어 내부에 수직 균열이 형성된 것일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.The upper coating layer may be formed by a plasma heat treatment so that a vertical crack is formed therein, but the present invention is not limited thereto.
상기 상부 코팅층은 내부에 형성된 수직 균열은 인치당 40 내지 50개 일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.The vertical crack formed in the upper coating layer may be 40 to 50 per inch, but is not limited thereto.
상기 상부 코팅층은 평균 두께가 400 내지 1500 ㎛일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.The upper coating layer may have an average thickness of 400 to 1500 [mu] m, but is not limited thereto.
상기 금속 입자는 니켈(Ni), 코발트(Co), 크롬(Cr), 알루미늄(Al), 이트륨(Y), 규소(Si), 하프늄(Hf), 및 레늄(Re)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 원소로 이루어진 금속 입자이며, 이에 제한되는 것은 아니다.The metal particles may be selected from the group consisting of Ni, Co, Cr, Al, Y, Si, hafnium (Hf), and rhenium (Re) Or more, and is not limited thereto.
상기 세라믹 코팅층은 지르코늄(Zr), 이트륨(Y), 가돌리늄(Gd), 이테르븀(Yb), 란타넘(La), 세륨(Ce), 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 군에서 선택된 2 이상의 원소를 포함하는 복합 산화물로 이루어질 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.The ceramic coating layer contains two or more elements selected from the group consisting of zirconium (Zr), yttrium (Y), gadolinium (Gd), ytterbium (Yb), lanthanum (La), cerium (Ce) , But is not limited thereto.
상기 분산용액은 5 내지 40%의 충진율로 물 또는 알콜계 용매에 금속 입자를 분산시킨 분산용액이며, 이에 제한된 것은 아니다.The dispersion solution is a dispersion solution in which metal particles are dispersed in water or an alcohol-based solvent at a filling rate of 5 to 40%, but is not limited thereto.
특히 5 내지 15% 금속 입자를 충진한 분산용액을 사용할 경우, 금속 입자들을 포함한 상부 세라믹 코팅층 내부에 금속 입자의 균일성이 향상되기 때문에 안정적인 결합성을 유지하면서 산소와의 반응을 위선되게 함으로써 금속 결합 코팅층까지 확산되는 산소의 양을 효율적으로 저감시킬 수 있고, TGO의 성장속도를 저감시켜 수명을 향상 시킬 수 있는 장점이 있으며, 또한 열팽창 계수 차이로 인한 응력을 완충시킴으로써 열차폐 코팅층의 열적 내구성을 개선 시킬 수 있는 장점이 있다.Particularly, when a dispersion solution filled with 5 to 15% metal particles is used, the uniformity of the metal particles in the upper ceramic coating layer containing the metal particles is improved, so that the reaction with oxygen is hypotonic while maintaining stable bonding, It is possible to efficiently reduce the amount of oxygen diffused to the coating layer and to reduce the growth rate of TGO to improve the service life and to improve the thermal durability of the thermal barrier coating layer by buffering the stress due to the difference in thermal expansion coefficient There is an advantage that can be made.
상기 세라믹 코팅층은 평균 두께가 250 내지 600 ㎛일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.The ceramic coating layer may have an average thickness of 250 to 600 mu m, but is not limited thereto.
상기 금속 코팅층은 평균 두께가 10 내지 100 ㎛일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.The metal coating layer may have an average thickness of 10 to 100 [mu] m, but is not limited thereto.
본 발명에 따른 우수한 열적 내구성을 가지는 열차폐 코팅층은 하기 방법으로 제조된다.The thermal barrier coating layer having excellent thermal durability according to the present invention is prepared by the following method.
또한 본 발명은 모재 상에 금속 분말을 용사 코팅하여 금속 결합 코팅층을 형성하는 단계(제1단계); 상기 금속 결합 코팅층 상에 2 이상의 원소를 포함하는 복합 산화물로 이루어진 세라믹 코팅층을 형성하는 단계(제2단계); 상기 세라믹 코팅층 상에 2이상의 금속 입자를 포함하는 금속 결합 코팅층을 형성하는 단계(제3단계); 및 상기 제2단계와 제3단계를 반복하여 세라믹 코팅층과 금속 결합 코팅층을 교대로 다층 구조를 형성하는 단계(제4단계);를 포함하는, 우수한 열적 내구성을 가지는 열차폐 코팅층 제조방법을 제공한다.Further, the present invention provides a method of manufacturing a metal-coated metal plate, comprising the steps of: (1) forming a metal bond coating layer by spray coating a metal powder on a base material; Forming a ceramic coating layer composed of a composite oxide containing at least two elements on the metal bond coat layer (second step); Forming a metal bonding coating layer including at least two metal particles on the ceramic coating layer (third step); And repeating the second step and the third step to form a multilayer structure alternately with the ceramic coating layer and the metal bonding coating layer (step 4), thereby providing a method of manufacturing a thermal barrier coating layer having excellent thermal durability .
또한 본 발명은 모재 상에 금속 분말을 용사 코팅하여 금속 결합 코팅층을 형성하는 단계(제1단계); 금속 입자를 용매에 분산시켜 분산용액을 준비하는 단계(제2단계); 및 상기 분산용액과 2 이상의 원소를 포함하는 복합 산화물 입자를 함께 주입하여 코팅하는 단계(제3단계);를 포함하는, 우수한 열적 내구성을 가지는 열차폐 코팅층 제조방법을 제공한다.Further, the present invention provides a method of manufacturing a metal-coated metal plate, comprising the steps of: (1) forming a metal bond coating layer by spray coating a metal powder on a base material; Dispersing the metal particles in a solvent to prepare a dispersion solution (second step); And a step (3) of injecting and coating the dispersion solution and the composite oxide particles containing two or more elements together (third step). The present invention also provides a method of manufacturing a thermal barrier coating layer having excellent thermal durability.
상기 금속 결합 코팅층을 형성하는 단계는 모재 상에 금속 분말인 MCrAlY(M= Ni, Co, 또는 이들의 합금) 분말을 용사 코팅하여 평균 두께가 100 내지 400 ㎛인 금속 결합 코팅층을 형성하는 것일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.The step of forming the metal bond coat layer may include spraying a metal powder of MCrAlY (M = Ni, Co, or an alloy thereof) powder on the base material to form a metal bond coat layer having an average thickness of 100 to 400 탆 , But is not limited thereto.
상기 세라믹 코팅층을 형성하는 단계는 금속 결합 코팅층 상에 평균 두께가 250 내지 600 ㎛인 세라믹 코팅층을 형성하는 것일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.The step of forming the ceramic coating layer may include forming a ceramic coating layer having an average thickness of 250 to 600 탆 on the metal bonding coating layer, but the present invention is not limited thereto.
상기 분산용액을 준비하는 단계는 니켈(Ni), 코발트(Co), 크롬(Cr), 알루미늄(Al), 이트륨(Y), 규소(Si), 하프늄(Hf), 및 레늄(Re)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상인 금속 입자를 용매에 분산시켜 분산용액을 준비하는 것일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.The step of preparing the dispersion solution may include a step of preparing a dispersion solution containing nickel (Ni), cobalt (Co), chromium (Cr), aluminum (Al), yttrium (Y), silicon (Si), hafnium (Hf) The metal particles may be dispersed in a solvent to prepare a dispersion solution, but the present invention is not limited thereto.
상기 용매는 물 또는 알코올계 용매일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.The solvent may be water or alcohol-based, but is not limited thereto.
상기 금속 입자를 주입하는 단계는 세라믹 코팅층 내부에 플라즈마 건의 이동속도를 400 내지 1000 mm/s로 하여 플라즈마 처리하며 5 내지 40%의 충진율을 갖도록 금속 입자를 함께 주입할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.In the step of injecting the metal particles, the metal particles may be injected into the ceramic coating layer so as to have a filling rate of 5 to 40% by plasma treatment at a plasma gun moving speed of 400 to 1000 mm / s, but not limited thereto .
상기 제조방법은 금속 입자가 주입된 세라믹 코팅층에 플라즈마 건의 이동속도를 400 내지 600 mm/s 로 하여 2내지 4mm 코팅 또는 플라즈마 열처리하여 수직 균열을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.The manufacturing method may further include a step of forming a vertical crack by coating or plasma heat treatment of 2 to 4 mm at a moving speed of the plasma gun at 400 to 600 mm / s in the ceramic coating layer into which the metal particles are injected, no.
상기 금속 코팅층을 형성하는 단계는 평균 두께가 10 내지 100 ㎛인 금속 코팅층을 형성하는 것일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.The forming of the metal coating layer may include forming a metal coating layer having an average thickness of 10 to 100 탆, but is not limited thereto.
상기 제조방법은 상기 제2단계와 제3단계를 2 내지 4회 반복하는 것일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.The manufacturing method may include repeating the second step and the third step two to four times, but is not limited thereto.
특히 단계적 TGO 형성을 통한 열차폐 코팅의 박리로 인한 부피 손실(volume loss)을 최소화하여 수명을 개선 시킬 수 있는 점을 고려하였을 때 제2단계와 제3단계를 3회 반복하는 것이 보다 바람직하다.In particular, considering that it is possible to minimize the volume loss due to peeling of the thermal barrier coating through the stepwise TGO formation to improve the service life, it is more preferable to repeat the second and third steps three times.
이하, 하기 도면에 의해 본 발명인 우수한 열적 내구성을 가지는 열차폐 코팅층 및 이의 제조방법을 보다 상세하게 설명한다. 다만, 이러한 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, a thermal barrier coating layer having excellent thermal durability and a method of manufacturing the same will be described in detail with reference to the following drawings. However, the present invention is not limited to these drawings.
도 2를 참조하면, 가로 30 mm, 세로 30 mm, 및 두께 10 mm를 갖는 초내열 합금으로 형성된 모재 상에 Ni이 주원료인 NiCrAlY 분말(평균 직경이 0.1 내지 5 ㎛)에 하프늄(Hf), 규소(Si), 또는 레늄(Re) 중 어느 하나를 혼합한 후, APS, VPS, 및 SPS 중에서 어느 하나의 공법을 이용하여 세라믹 분말과 금속 입자의 주입 방향을 180˚로 하여 용사 코팅을 수행하여 평균 두께가 100 내지 400 ㎛인 금속 결합 코팅층을 형성하였다.Referring to FIG. 2, a NiCrAlY powder (average diameter 0.1 to 5 占 퐉) containing Ni as a main raw material is coated with a mixture of hafnium (Hf), silicon (Si), or rhenium (Re), spraying coating is carried out by using any one of APS, VPS, and SPS to adjust the injection direction of the ceramic powder and the metal particles to 180 °, A metal bond coat layer having a thickness of 100 to 400 mu m was formed.
지르코늄(Zr), 이트륨(Y), 가돌리늄(Gd), 이테르븀(Yb), 란타넘(La), 세륨(Ce), 및 알루미늄(Al) 중 2 이상의 원소를 포함하는 복합 산화물을 이용하여 APS, VPS, 및 SPS 중에서 어느 하나의 공법으로 세라믹 분말층과 금속 입자층을 반복적으로 용사 코팅을 수행하여 평균 두께가 1000 내지 2000 ㎛인 상부코팅층을 형성하였다.A composite oxide containing at least two elements of zirconium (Zr), yttrium (Y), gadolinium (Gd), ytterbium (Yb), lanthanum (La), cerium (Ce) VPS, and SPS, the ceramic powder layer and the metal particle layer were repeatedly spray-coated to form an upper coating layer having an average thickness of 1000 to 2000 탆.
니켈(Ni)과 알루미늄(Al)을 15%의 충진율을 갖도록 알콜에 분산시켜 분산용액을 준비하였고, 분산용액과 세라믹 입자의 주입 방향을 180˚로 하여 플라즈마 건의 이동속도를 1000 mm/s로 코팅하여 금속 입자를 세라믹 코팅층 상에 분포시킴으로써 도 2와 같은 구조의 열차폐 코팅층을 제조하였다.The dispersion solution was prepared by dispersing nickel (Ni) and aluminum (Al) in alcohol so as to have a packing ratio of 15%. The flow rate of the plasma gun was set at 1000 mm / s And the metal particles were distributed on the ceramic coating layer to prepare a thermal barrier coating layer having the structure shown in Fig.
또한, 도 3을 참조하면, 가로 30 mm, 세로 30 mm, 및 두께 10 mm를 갖는 초내열 합금으로 형성된 모재 상에 Ni이 주원료인 NiCrAlY 분말(평균 직경이 0.1 내지 5 ㎛)에 하프늄(Hf), 규소(Si), 또는 레늄(Re) 중 어느 하나를 혼합한 후, APS, VPS, 및 SPS 중에서 어느 하나의 공법을 이용하여 금속 결합 코팅층을 형성하였다.3, hafnium (Hf) is added to NiCrAlY powder (average diameter 0.1 to 5 탆), which is a main raw material of Ni, on a base material formed of a super heat resistant alloy having a width of 30 mm, a length of 30 mm and a thickness of 10 mm. , Silicon (Si), or rhenium (Re), and then a metal bonding coating layer was formed using any one of APS, VPS, and SPS.
지르코늄(Zr), 이트륨(Y), 가돌리늄(Gd), 이테르븀(Yb), 란타넘(La), 세륨(Ce), 및 알루미늄(Al) 중 2 이상의 원소를 포함하는 복합 산화물을 이용하여 APS, VPS, 및 SPS 중에서 어느 하나의 공법으로 용사 코팅을 수행하여 평균 두께가 250 내지 600 ㎛인 세라믹 코팅층을 형성하였다.A composite oxide containing at least two elements of zirconium (Zr), yttrium (Y), gadolinium (Gd), ytterbium (Yb), lanthanum (La), cerium (Ce) VPS, and SPS to form a ceramic coating layer having an average thickness of 250 to 600 mu m.
니켈(Ni)과 알루미늄(Al)을 상기 세라믹 코팅층 상부에 10 내지 100 ㎛인 금속 코팅층을 형성하였다.Nickel (Ni) and aluminum (Al) were formed on the ceramic coating layer to a metal coating layer having a thickness of 10 to 100 탆.
상기 세라믹 코팅층 형성단계와 금속 코팅층 형성단계를 반복함으로써 도 3과 같은 열차폐 코팅층을 제조하였다.The ceramic coating layer forming step and the metal coating layer forming step were repeated to produce a thermal barrier coating layer as shown in FIG.
또한, 도 4를 참조하면, 5 내지 15%의 충진율을 갖도록 금속 입자를 포함한 세라믹 코팅층에 플라즈마 건의 이동속도를 400 내지 600 mm/s 로 2 내지 4mm 코팅 또는 플라즈마 열처리하여 세라믹 코팅층 내부에 수직 균열이 형성(수직 균열은 인치당 40 내지 50개)된 도 4와 같은 열차폐 코팅층을 제조하였다.Referring to FIG. 4, the ceramic coating layer containing metal particles is coated with a plasma gun at a moving speed of 400 to 600 mm / s by 2 to 4 mm or plasma heat treatment so as to have a filling factor of 5 to 15% (Vertical cracking of 40 to 50 pieces per inch).
본 발명에 따라 제조된 열차폐 코팅층의 구조를 분석하기 위해 주사전자현미경을 이용하여 주사전자현미경 분석(scanning electron microscope analysis; 이하'SEM 분석')을 수행하였다.In order to analyze the structure of the thermal barrier coating layer prepared according to the present invention, scanning electron microscope analysis (SEM analysis) was performed using a scanning electron microscope.
구체적으로, 도 6 내지 도 8을 참조하면, 본 발명에 따라 제조된 3가지 타입의 열차폐 코팅층의 측단면을 촬영한 SEM 이미지에는 열차폐 코팅층 내에 금속 입자 내지 금속 코팅층을 포함함으로써 열팽창 계수 차이에 의하여 열 내구성을 개선시킬 수 있고, 이로 인하여 산소의 확산/침투로 인하여 TGO 형성 속도를 감소시켜 박리 수명을 개선함으로써 종래 일반적인 방법에 의해 제조된 열차폐 코팅층에 비해 볼륨 손실을 최소화할 수 있음을 예상할 수 있다. 6 to 8, SEM images of the side surfaces of the three types of thermal barrier coatings prepared according to the present invention include metal particles or metal coating layers in the thermal barrier coating layer, It is believed that the thermal durability can be improved, thereby reducing the TGO formation rate due to the diffusion / penetration of oxygen and thus improving the peel life, thereby minimizing the volume loss compared to the conventional thermal spray coating layer can do.
이상과 같이, 본 발명인 우수한 열적 내구성을 가지는 열차폐 코팅층 및 이의 제조방법은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.As described above, the thermal barrier coating layer having excellent thermal durability and the method of manufacturing the same according to the present invention have been described with reference to specific embodiments and drawings. However, the present invention is not limited thereto, It will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made without departing from the spirit and scope of the present invention as defined by the appended claims and their equivalents.
Claims (18)
상기 금속 결합 코팅층 상에 2 이상의 원소를 포함하는 복합 산화물로 이루어진 세라믹 코팅층을 250 내지 600 ㎛의 평균 두께로 형성하는 단계(제2단계);
상기 세라믹 코팅층 상에 니켈(Ni)과 알루미늄(Al)으로 이루어진 금속 코팅층을 10 내지 100 ㎛의 평균 두께로 형성하는 단계(제3단계); 및
상기 제2단계와 제3단계를 반복하여 세라믹 코팅층과 금속 코팅층을 교대로 다층 구조를 형성하는 단계(제4단계);
를 포함하는, 우수한 열적 내구성을 가지는 열차폐 코팅층 제조방법.Forming a metal bond coat layer by spray coating a metal powder on the base material (first step);
Forming a ceramic coating layer composed of a composite oxide containing at least two elements on the metal bonding coating layer to an average thickness of 250 to 600 탆 (second step);
Forming a metal coating layer made of nickel (Ni) and aluminum (Al) on the ceramic coating layer to an average thickness of 10 to 100 mu m (third step); And
Repeating the second step and the third step to form a multilayer structure alternately with the ceramic coating layer and the metal coating layer (step 4);
Wherein the thermal barrier coating layer has excellent thermal durability.
상기 금속 결합 코팅층은,
금속 분말인 MCrAlY(M= Ni, Co, 또는 이들의 합금) 분말을 용사 코팅하여 형성된 것을 특징으로 하는, 우수한 열적 내구성을 가지는 열차폐 코팅층 제조방법.The method according to claim 1,
The metal bond coating layer
(M = Ni, Co, or an alloy thereof) powder as a metal powder by spray coating.
상기 금속 결합 코팅층은,
MCrAlY(M= Ni, Co, 또는 이들의 합금) 분말에 하프늄(Hf), 규소(Si), 또는 레늄(Re)을 더 포함하여 형성된 것을 특징으로 하는, 우수한 열적 내구성을 가지는 열차폐 코팅층 제조방법.The method of claim 3,
The metal bond coating layer
A method for manufacturing a thermal barrier coating layer having excellent thermal durability, characterized by further comprising hafnium (Hf), silicon (Si), or rhenium (Re) in a MCrAlY (M = Ni, Co, or alloy thereof) .
상기 MCrAlY(M= Ni, Co, 또는 이들의 합금) 분말은,
평균 직경이 0.05 내지 15 ㎛인 것을 특징으로 하는, 우수한 열적 내구성을 가지는 열차폐 코팅층 제조방법.The method of claim 3,
The MCrAlY (M = Ni, Co, or alloy thereof)
And having an average diameter of 0.05 to 15 占 퐉.
상기 MCrAlY(M= Ni, Co, 또는 이들의 합금) 분말은,
평균 직경이 0.1 내지 5 ㎛인 것을 특징으로 하는, 우수한 열적 내구성을 가지는 열차폐 코팅층 제조방법.The method of claim 5,
The MCrAlY (M = Ni, Co, or alloy thereof)
Wherein the average diameter is 0.1 to 5 占 퐉.
상기 금속 결합 코팅층은,
평균 두께가 100 내지 400 ㎛인 것을 특징으로 하는, 우수한 열적 내구성을 가지는 열차폐 코팅층 제조방법.The method according to claim 1,
The metal bond coating layer
Wherein the average thickness is 100 to 400 占 퐉.
상기 세라믹 코팅층은,
지르코늄(Zr), 이트륨(Y), 가돌리늄(Gd), 이테르븀(Yb), 란타넘(La), 세륨(Ce), 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 군에서 선택된 2 이상의 원소를 포함하는 복합 산화물로 이루어진 것을 특징으로 하는, 우수한 열적 내구성을 가지는 열차폐 코팅층 제조방법.The method according to claim 1,
Wherein the ceramic coating layer comprises:
A composite oxide containing at least two elements selected from the group consisting of zirconium (Zr), yttrium (Y), gadolinium (Gd), ytterbium (Yb), lanthanum (La), cerium (Ce) Wherein the thermal barrier coating layer has excellent thermal durability.
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| KR102469908B1 (en) | 2021-05-18 | 2022-11-23 | 국방과학연구소 | Graded yttria stabilized zirconia (YSZ) thermal barrier coating method using atmospheric plasma spraying and thermal barrier coating deposited by the same |
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