KR102020127B1 - 다층형 열차폐 코팅막 및 이러한 코팅막이 코팅된 고온 가스터빈 설비 부품 - Google Patents

다층형 열차폐 코팅막 및 이러한 코팅막이 코팅된 고온 가스터빈 설비 부품 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다층형 열차폐 코팅막에 관한 것이고, 이러한 다층형 열차폐 코팅막이 코팅된 고온 가스터빈 설비 부품에 관한 것이다. 본 발명에 따르면 이러한 다층형 열차폐 코팅막에 의해 열적 내구성 및 열적 안정성이 향상된다.
본 발명은 가스 터빈과 같은 고온 부품의 운전시 외부 이물질에 의한 충격으로 인한 코팅의 탈락 및 마멸 현상을 줄임으로써 고온 부품의 수명의 향상을 기대한다.

Description

다층형 열차폐 코팅막 및 이러한 코팅막이 코팅된 고온 가스터빈 설비 부품 {MULTILAYER THERMAL BARRIER COATING AND HIGH TEMPERATURE GAS TURBINE PARTS COATED WITH THEREOF}
본 발명은 다층형 열차폐 코팅막에 관한 것이고, 이러한 다층형 열차폐 코팅막이 코팅된 고온 가스터빈 설비 부품에 관한 것이다. 본 발명에 따르면 이러한 다층형 열차폐 코팅막에 의해 열적 내구성 및 열적 안정성이 향상된다.
가스 터빈 등과 같은 고온 부품의 운전시 모재를 보호하기 위해 코팅막이 이용되어 이러한 모재를 보호하는 것이 일반적이다.
가스 터빈 운전시 외부 이물질에 의한 충격으로 인하여 코팅의 탈락 및 마멸 현상이 발생하고, 열차폐 코팅과 본드 코팅의 계면에서의 발생한 산화와 균열로 인하여 열차폐 코팅과 본드 코팅의 산화 및 열화를 가속화시켜 고온 부품의 수명이 저하되는 문제점이 발생된다.
가스 터빈 입구 온도 상승에 따라 열차폐 코팅의 소결 속도가 빨라지고, 이에 의해 열전도도가 증가되어 초내열합금으로 형성된 모재에 더 높은 온도가 발생하여 가스 터빈의 고온 부품의 수명이 저하되는 문제점이 발생된다.
가스 터빈의 가동 및 정지가 빈번하게 반복됨에 따라 형성되는 급격한 온도 변화로 압축 응력 및 인장 응력이 계면에서 발생되며 열차폐 코팅이 쉽게 탈락하는 문제점이 발생된다.
가스 터빈의 운전시 외부 이물질이 코팅에 증착, 확산되면서 코팅층의 국부적 파열 및 본드 코팅의 산화가 가속화되는 문제점이 발생된다.
본 발명은 가스 터빈과 같은 고온 부품의 운전시 외부 이물질에 의한 충격으로 인한 코팅의 탈락 및 마멸 현상을 줄임으로써 고온 부품의 수명의 향상을 기대한다.
또한, 본 발명은 가스 터빈의 이용시 입구 온도 상승에 따른 열차폐 코팅의 열전도도 증가로 인하여 초내열합금으로 형성된 모재에 닿는 온도가 증가할 수 있고, 이로 인해 파생되는 고온 부품의 수명 저하를 막기 위해 본 발명과 같은 다층형 열차폐 코팅막을 이용할 것을 제안한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 다층형 열차폐 코팅막은, 모재를 열차폐 코팅하는 코팅막으로서, 모재 표면으로부터 차례대로 배치된 제 1 열차폐 코팅층; 제 2 열차폐 코팅층; 제 3 열차폐 코팅층; 및 제 4 열차폐 코팅층을 포함하고, 상기 제 1 코팅층은 본드 코팅층이고, 상기 제 2 내지 제 4 코팅층은 다공성 코팅층이다.
상기 제 1 코팅층은 상기 제 2 내지 제 4 코팅층의 상기 모재로의 접합력을 향상시킨다. 상기 제 1 코팅층은 고온 내부식성 및 내산화성을 갖는 물질로 이루어지며, 바림직하게는 MCrAlY 물질이 이용된다. 상기 본드 코팅층의 두께는 150 내지 300μm인 것이 바람직하다.
상기 제 2 코팅층은 온도 변화에 대한 저항성을 가지며 15 내지 25%의 기공률을 갖는 다공성 코팅층이고, 상기 제 2 코팅층으로 입자 크기가 140 내지 190μm인 7-9wt%의 Y2O3-ZrO2가 이용된다. 상기 제 2 코팅층의 두께는 250 내지 350μm인 것이 바람직하다.
상기 제 3 코팅층은 낮은 소결 저항성 및 저열전도도를 가지며 15 내지 25%의 기공률을 갖는 다공성 코팅층이고, 상기 제 3 코팅층으로 입자 크기가 125 내지 170μm인 ZrO2·9.5Y2O3·5.6Yb2O3·5.2Gd2O3가 이용된다. 상기 제 3 코팅층의 두께는 350 내지 500μm인 것이 바람직하다.
상기 제 4 코팅층은 높은 내마멸 효과를 가지며 3 내지 10%의 기공률을 갖는 다공성 코팅층이고, 상기 제 4 코팅층으로는 입자 크기가 45 내지 67μm인 7-9wt%의 Y2O3-ZrO2가 이용된다. 상기 제 4 코팅층의 두께는 100 내지 200μm인 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고온 가스 터빈 설비 부품은 다층형 열차폐 코팅막을 이용해 코팅되어 있다. 상기 고온 가스터빈 설비 부품은 상기 다층형 열차폐 코팅막에 의해 열적 내구성 및 열적 안정성을 갖는다. 외부 화염 온도가 1350℃일 경우 열차폐 코팅층에 의한 온도 감소 효과가 14%이하이다. 상기 다층형 열차폐 코팅막의 두께는 870μm 이하이다.
본 발명의 다층형 열차폐 코팅막을 이용해 가스 터빈과 같은 고온 부품의 운전시 외부 이물질에 의한 충격으로 인한 코팅의 탈락 및 마멸 현상을 줄임으로써 고온 부품의 신뢰성 및 수명 향상이 기대된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다층형 열차폐 코팅의 개략도를 도시한다.
도 2는 조밀한 열차폐 코팅층이 존재하는 경우와 존재하지 아니하는 경우의 에로존 마모율을 비교한 그래프이다.
도 3은 열차폐 코팅층의 소결 저항성을 비교한 그래프이다.
다양한 실시예들이 이제 도면을 참조하여 설명되며, 전체 도면에서 걸쳐 유사한 도면번호는 유사한 엘리먼트를 나타내기 위해서 사용된다. 설명을 위해 본 명세서에서, 다양한 설명들이 본 발명의 이해를 제공하기 위해서 제시된다. 그러나 이러한 실시예들은 이러한 특정 설명 없이도 실행될 수 있음이 명백하다. 다른 예들에서, 공지된 구조 및 장치들은 실시예들의 설명을 용이하게 하기 위해서 블록 다이아그램 형태로 제시된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 다층형 열차폐 코팅막에 관한 것이고, 이러한 다층형 열차폐 코팅막이 코팅된 고온 가스터빈 설비 부품에 관한 것이다. 본 발명에 따르면 이러한 다층형 열차폐 코팅막에 의해 열적 내구성 및 열적 안정성이 향상된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다층형 열차폐 코팅의 개략도를 도시한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 다층형 열차폐 코팅막은 모재를 열차폐 코팅하는데 이용되는 것으로서, 모재 표면으로부터 차례대로 배치된 제 1 열차폐 코팅층(10); 제 2 열차폐 코팅층(20); 제 3 열차폐 코팅층(30); 및 제 4 열차폐 코팅층(40)을 포함한다. 이 경우 제 1 코팅층(10)은 본드 코팅층이고, 제 2 내지 제 4 코팅층은 다공성 코팅층이다.
모재(E)는 기판으로서 초내열합금으로 형성된 부분이다. 이러한 모재 부분을 보호하기 위해 코팅층이 코팅되며, 이러한 모재 부분의 열적 내구성 및 열적 안정성을 향상시키는 것이 중요하다.
제 1 코팅층(10)은 본드 코팅층으로서 나머지 제 2 코팅층, 제 3 코팅층, 제 4 코팅층을 모재에 접합시킴에 있어서 모재와 이러한 코팅층들 간의 접합력을 향상시키기 위한 코팅층이다. 또한, 이러한 제 1 코팅층(10)은 고온 내부식성 및 내산화성을 갖는 물질로 이루어지는 것이 바람직하며, 이러한 물질로는 MCrAlY 물질이 이용된다. 본드 코팅층인 제 1 코팅층(10)의 두께는 150 내지 300μm인 것이 바람직하다. 150μm 미만인 경우에는 충분한 고온 내부식성 및 내산화성을 나타내기 어렵고, 300μm를 넘는 경우에는 제 2 코팅층 내지 제 4 코팅층과 모재와의 접합력이 떨어질 수 있는 문제점이 있다.
제 2 코팅층(20)은 온도 변화에 대한 저항성을 가지며 15 내지 25%의 기공률을 갖는 다공성 코팅층이 이용된다. 제 2 코팅층은 급격한 온도 변화에 대해 저항성을 갖는 다공성 열차폐 코팅층이며, 입자 크기가 140 내지 190μm인 7-9wt%의 Y2O3-ZrO2가 이용되는 것이 바람직하다. 한편, 제 2 코팅층의 두께는 250 내지 350μm인 것이 바람직하다.
제 3 코팅층(30)은 낮은 소결 저항성 및 저열전도도를 갖는 15 내지 25%의 기공률을 갖는 다공성 코팅층이 이용된다. 제 3 코팅층은 가스 터빈 등의 운전시 낮은 소결 저항성 및 저열전도도를 갖는 물질이 이용되며, 구체적으로 입자 크기가 125 내지 170μm인 ZrO2·9.5Y2O3·5.6Yb2O3·5.2Gd2O3가 이용되는 것이 바람직하다. 한편, 제 3 코팅층의 두께는 350 내지 500μm인 것이 바람직하다.
제 4 코팅층(40)은 높은 내마멸 효과를 가지며 3 내지 10%의 기공률을 갖는 다공성 코팅층이 이용된다. 제 4 코팅층은 가스터빈 운전시 내마멸 효과를 증대시키는 조밀한 열차폐 코팅이 이용되는 것이 바람직하며, 구체적으로 제 4 코팅층으로는 입자 크기가 45 내지 67μm인 7-9wt%의 Y2O3-ZrO2가 이용되는 것이 바람직하다. 한편, 제 4 코팅층의 두께는 100 내지 200μm인 것이 바람직하다.
이러한 본 발명에 따른 다층형 열차폐 코팅막은 고온 가스터빈 설비 부품에 이용될 수 있고, 이러한 코팅막에 의해 고온 가스터빈 설비 부품은 상기 다층형 열차폐 코팅막에 의해 열적 내구성 및 열적 안정성을 갖는다.
일반적으로 가스 터빈 운전시 열차폐 코팅 주위로 1350℃ 이상의 높은 유속을 지니는 고온 가스가 흐르게 된다. 이때 제 4 열차폐 코팅층(40)의 경우 기공률이 3 내지 10% 정도로 기공의 감소로 인해 열차폐 코팅의 경도 상승이 발생되고, 이에 의해 내마멸 효과의 증대가 일어나게 된다.
도 2는 조밀한 열차폐 코팅층이 존재하는 경우와 존재하지 아니하는 경우의 에로존 마모율을 비교한 그래프이다.
도 2에서 보는 것처럼, 본 발명의 제 4 열차폐 코팅층(40)과 같은 조밀한 열차폐 코팅층의 경우에는 상온에서 24.4g/kg의 에로존 마모율을 보이고, 이러한 조밀한 열차폐 코팅층을 갖지 못하는 열차폐 코팅층의 경우에는 210g/kg의 에로존 마모율을 나타낸다. 따라서, 본 발명의 조밀한 열차폐 코팅층의 경우에는 에로존 마모율이 88% 개선됨을 확인할 수 있었다.
도 3은 열차폐 코팅층의 소결 저항성을 비교한 그래프이다. 도 3에서 (C)는 제 2 코팅층을 의미하고, (B)는 제 3 코팅층을 의미하며, (A)는 제 4 코팅층을 의미한다. 도 3에서 보는 것처럼, 저열전도도를 갖는 열차폐 코팅(B)의 경우 (C)의 열차폐 코팅보다 낮은 소결 저항성을 가지므로, 이러한 열차폐 코팅(B)이 본 발명의 다층형 열차폐 코팅막에 이용되는 경우 가스 터빈 고온 부품의 수명 증가를 얻을 수 있게 되는 것이다.
본 발명에 따르면 기존의 코팅과 동일한 두께로 본 발명에 따른 다층형 열차폐 코팅을 적용하는 경우, 기존의 열차폐 코팅은 외부 화염 온도 1350℃ 기준으로 부품에 있어서 온도 감소가 △T=348℃이고, 본 발명의 열차폐 코팅의 경우 온도 감소 효과가 △T=398℃로 14%의 온도 개선 효과가 있다.
동일한 온도 개선 효과를 적용하기 위해서는 기존의 열차폐 코팅은 1000μm의 두께로 코팅되어야 하고, 본 발명의 열차폐 코팅층의 경우에는 870μm의 두께로 가능하므로 13%의 두께 절감 효과가 있다.
이러한 본 발명의 실시예에 따른 다층형 열차폐 코팅막이 이용될 수 있는 예는 7FA 계열 가스 터빈 부품의 CAP assembly, Combustion Liner, Transition Piece와 1st Turbine Nozzle에 적용 가능하다.
제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.

Claims (19)

  1. 모재를 열차폐 코팅하는 코팅막으로서,
    모재 표면으로부터 차례대로 배치된 제 1 열차폐 코팅층; 제 2 열차폐 코팅층; 제 3 열차폐 코팅층; 및 제 4 열차폐 코팅층을 포함하고,
    상기 제 1 코팅층은 본드 코팅층이고,
    상기 제 2 내지 제 4 코팅층은 다공성 코팅층이며,
    상기 제 2 코팅층은 15 내지 25%의 기공률을 갖는 다공성 코팅층이고, 상기 제 2 코팅층으로 입자 크기가 140 내지 190μm인 7-9wt%의 Y2O3-ZrO2가 이용되며, 제 2 코팅층의 두께는 250 내지 350μm이고,
    상기 제 3 코팅층은 15 내지 25%의 기공률을 갖는 다공성 코팅층이고, 상기 제 3 코팅층으로 입자 크기가 125 내지 170μm인 ZrO2·9.5Y2O3·5.6Yb2O3·5.2Gd2O3가 이용되며, 상기 제 3 코팅층의 두께는 350 내지 500μm이고,
    상기 제 4 코팅층은 내마멸 효과를 가지며 3 내지 10%의 기공률을 갖는 다공성 코팅층이고, 상기 제 4 코팅층으로는 입자 크기가 45 내지 67μm인 7-9wt%의 Y2O3-ZrO2가 이용되며, 상기 제 4 코팅층의 두께는 100 내지 200μm인,
    다층형 열차폐 코팅막.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 코팅층은 상기 제 2 내지 제 4 코팅층의 상기 모재로의 접합력을 향상시키는,
    다층형 열차폐 코팅막.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 코팅층은 내부식성 및 내산화성을 갖는 물질로 이루어진,
    다층형 열차폐 코팅막.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 코팅층으로 MCrAlY 물질이 이용되는,
    다층형 열차폐 코팅막.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 본드 코팅층의 두께는 150 내지 300μm인,
    다층형 열차폐 코팅막.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 따른 다층형 열차폐 코팅막을 이용해 코팅된, 고온 가스터빈 설비 부품.
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 고온 가스터빈 설비 부품은 7FA 계열의 고온 가스터빈 설비 부품인,
    고온 가스터빈 설비 부품.
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