KR102083417B1

KR102083417B1 - 내침식성이 향상된 복합 코팅층 및 이를 포함하는 터빈용 부품

Info

Publication number: KR102083417B1
Application number: KR1020180072503A
Authority: KR
Inventors: 김인수; 박찬영
Original assignee: 두산중공업 주식회사
Priority date: 2018-06-25
Filing date: 2018-06-25
Publication date: 2020-05-22
Also published as: KR20200000546A; US20190390556A1

Abstract

본 발명의 복합 코팅층은 TiN층과 TiAlN층이 교번적으로 적층 형성되며, TiN층과 TiAlN층을 포함한 전체 층 수가 6 내지 18로 형성됨으로써, 복합 코팅층이 갖는 내침식성, 경도, 고주기 피로 특성 및 표면 조도 특성이 향상될 수 있다. 또한, 이러한 복합 코팅층을 갖는 터빈용 부품은 내침식성, 경도, 고주기 피로 특성 및 조도 특성과 같은 물성이 향상되어 수명 특성이 현저히 향상될 수 있다.

Description

내침식성이 향상된 복합 코팅층 및 이를 포함하는 터빈용 부품{Composite coating layer having excellent erosion resistance and turbine component comprising the same}

본 발명은 내침식성이 향상된 복합 코팅층 및 이를 포함하는 터빈용 부품에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 TiN층과 TiAlN층이 교번적으로 적층되어 다층으로 형성되는 복합 코팅층 및 이를 포함하는 터빈용 부품에 관한 것이다.

금속부품은 특유의 높은 강성으로 인해 다양한 산업 분야에서 널리 사용되고 있다. 또한 다양한 환경에서 사용되기 때문에 금속부품 상에 코팅층을 형성하여 금속부품의 내침식성, 내부식성, 내열성 및 내산화성 등의 물성을 향상시키고 있다.

예를 들어, 고압 또는 중압 터빈에 사용되는 금속부품의 경우, 고상 또는 액상 입자에 의해 모재의 표면이 침식되기 쉽기 때문에 일반적으로 모재 상에 내침식성을 부여하기 위한 코팅을 수행한다.

특히 발전용 보일러에 사용되는 고압 스팀 터빈의 경우에는 발전용 보일러의 운행 중 생성된 철 산화물(Fe₃O₄)이 회전체인 스팀 터빈 버켓과 고정체인 노즐에 충돌하여 침식을 유발하므로, 고온에서도 우수한 내침식성을 갖는 재료로 코팅이 수행되어야 한다.

일반적으로 금속부품의 내침식성을 향상시키기 위한 코팅층으로는 경질 금속 재료가 사용되며, 화학기상증착(CVD), 플라즈마 강화 화학기상증착(PCVD) 또는 물리기상증착(PVD)법에 의해 모재 상에 증착되어 코팅층을 형성한다.

최근에는 금속부품의 내침식성을 향상시키기 위하여 부품 상에 열분사 기술, 예를 들면, 공기 플라즈마 분사(APS) 및 화염 용사(HVOF) 등을 이용하여 알루미나, 티타니아, 크로미아와 같은 세라믹 성분의 코팅이 수행되고 있다. 그러나, 이와 같은 코팅은 금속부품 표면조도를 증가시키고, 표면경도 향상이 제한되어 터빈 작동에 여러 문제점을 발생시켜, 부품의 운전 수명을 저하시키는 문제가 있다.

이에, 내침식성 향상을 위한 코팅층의 표면조도를 감소시켜 스팀 터빈 부품의 공기역학적 효율성을 높이고자 하였으나, 코팅층의 물성, 경제성 및 작업성을 모두 만족시키는 적합한 방법은 개발되지 않고 있다.

최근에는 터빈에 사용되는 금속부품의 코팅층에 있어서 표면조도는 낮추고 표면경도는 높이며, 침식 특성을 향상시켜 운전 수명을 증가시키기 위한 코팅층에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으나, 여전히 만족할 만한 수준의 코팅층은 개발되지 않고 있다.

한국공개특허 제10-2017-0138444호 (2017.12.15 공개)

본 발명에서는 공구 표면에 형성되는 코팅층의 내침식성을 향상시키기 위해 TiN층 및 TiAlN층이 교번적으로 적층되어 다층으로 형성되는 복합 코팅층 및 이를 포함하는 터빈용 부품을 제공하고자 한다.

상술한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 코팅층은 TiN층 및 TiAlN층이 교번적으로 적층되어 형성되며, 상기 TiN층 및 TiAlN층을 포함한 전체 층 수가 6 내지 18이다.

상기 TiN층 및 TiAlN층이 교번적으로 적층되어 전체 층 수가 12일 수 있다.

상기 TiN층의 두께는 0.1 내지 0.5 ㎛일 수 있고, 상기 TiAlN층의 두께는 0.7 내지 3.0 ㎛일 수 있으며, 상기 복합 코팅층의 총 두께는 5.1 내지 24.0 ㎛일 수 있다.

상기 TiAlN층은 Ti 50.3 내지 61.5 wt%, Al 19.6 내지 26.2 wt% 및 N 18.8 내지 24.3 wt%를 포함할 수 있다.

상기 복합 코팅층의 최상층에 TiAlN층이 배치되고, 최상층에 배치되는 TiAlN층의 두께는 1.0 내지 6.0 ㎛일 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시예는 터빈용 부품에 관한 것으로, 상기 터빈용 부품은 모재 상기 모재상에 TiN층 및 TiAlN층이 교번적으로 적층되어 형성되는 복합 코팅층을 포함하며, 상기 TiN층 및 TiAlN층을 포함한 전체 층 수가 6 내지 18이다.

상기 모재는 크롬강 또는 니켈합금일 수 있다.

상기 복합 코팅층의 최상층에 TiAlN층이 배치되며, 최상층에 배치되는 TiAlN층의 두께는 1.0 내지 6.0 ㎛일 수 있다.

상기 터빈용 부품은 버켓(bucket) 또는 노즐(nozzle)일 수 있다.

상기 터빈용 부품은 터빈 블레이드 또는 터빈 베인에 사용될 수 있다.

상기 터빈용 부품은 전기 터빈, 가스 터빈 또는 증기 터빈에 사용될 수 있다.

본 발명의 복합 코팅층은 TiN층과 TiAlN층이 교번적으로 적층 형성되며, TiN층과 TiAlN층을 포함한 전체 층 수가 6 내지 18로 형성됨으로써, 복합 코팅층이 갖는 내침식성, 경도, 고주기 피로 특성 및 표면 조도 특성을 향상시킬 수 있으며, 이러한 복합 코팅층을 갖는 터빈용 부품은 위와 같은 특성이 향상되어 수명 특성이 현저히 향상될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 코팅층을 나타낸 도면이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 코팅층이 각각 크롬강(9Cr), 크롬강(12Cr) 및 니켈합금 상에 형성된 시험편의 단면을 촬영한 전자현미경(SEM)사진이다.
도 3은 복합 코팅층의 접착력을 측정하기 위해 각 시험편의 표면을 촬영한 광학사진이다.
도 4a 및 도 4b는 각 시험편의 고주기 피로 특성을 나타낸 그래프이다.
도 5는 각 시험편의 잔류 응력을 나타낸 그래프이다.
도 6a 내지 도 6e는 각 시험편의 고상 입자 침식 특성을 나타낸 그래프이다.
도 7은 각 시험편의 표면 조도를 나타낸 그래프이다.
도 8은 각 시험편의 경도를 나타낸 그래프이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 통해 상세히 설명하기에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 밝혀둔다.

본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 달리 정의하지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 숙련자에 의해 통상적으로 이해되는 바와 동일한 의미를 가지며, 상충되는 경우에는, 정의를 포함하는 본 명세서의 기재가 우선할 것이다.

이하에서는 본 발명의 실시예와 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 예시적으로 제시한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가지는 자에 있어서 자명할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 코팅층(100)을 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 발명의 일 실시예에 따른 복합 코팅층(100)은 TiN층(110) 및 TiAlN층(120)이 교번적으로 적층되어 형성된다.

TiN층(110)을 구성하는 TiN은 Ti와 N원자가 강한 이온결합을 한 팔면체의 입방정계 결정구조를 가지고 있어, 열적, 화학적으로 안정하며 높은 내산화성과 낮은 마찰계수를 갖기 때문에 반도체 소자의 확산 베리어층이나 금속공구의 내마모 코팅 소재로 적용될 수 있다.

그러나, 터빈과 같이 고온, 고압 환경에서 작동하는 금속공구의 코팅층이 TiN층(110)만으로 구성되는 경우에는 고상 입자에 의한 침식에 취약해지므로 결과적으로 터빈의 수명을 감소시키는 결과를 야기하게 된다.

한편, TiAlN층(120)을 구성하는 TiAlN은 고온에서의 열적, 화학적 안정성이 뛰어나며 낮은 열전도율과 높은 경도를 갖는 소재이므로 다양한 용도의 금속공구의 코팅층에 사용될 수 있다.

그러나, 코팅층이 TiAlN층(120)만으로 구성되는 경우에는 코팅층의 모재(200)에 대한 접착력이 떨어지므로, 코팅층이 모재(200)로부터 박리되는 문제가 발생할 수 있다.

이에, 본 발명에서는 TiN층(110)과 TiAlN층(120)을 교번적으로 적층시킨 복합 코팅층(100)을 적용함으로써 모재(200)와의 접착력, TiN층(110)과 TiAlN층(120)과의 접착력이 우수하며, 향상된 내침식성을 갖는 복합 코팅층(100)을 제공하고자 한다.

앞서 설명한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 코팅층(100)은 TiN층(110)과 TiAlN층(120)을 교번적으로 적층되어 형성될 수 있다. 이때, TiN층(110) 및 TiAlN층(120)을 포함한 전체 층 수가 6 내지 18인 것이 바람직하다. 전체 층 수가 6 미만인 경우, 내침식성과 표면조도 특성은 우수하나 경도가 낮아져 내마모성이 저하되는 문제가 있고, 전체 층 수가 18을 초과하는 경우에는 경도가 낮아져 침식 특성이 저하될 뿐만 아니라, 표면 조도가 증가하여 금속공구의 공기역학적 효율이 감소되는 문제가 있다.

더욱 바람직하게는, TiN층(110) 및 TiAlN층(120)을 포함한 전체 층 수가 12층일 수 있는데, 전체 층 수가 12층으로 형성되는 경우, 표면 조도가 가장 낮게 형성되고, 침식 특성이 가장 우수할 뿐만 아니라 가장 높은 경도를 나타내므로, 금속공구의 물리적 특성을 극대화시킬 수 있기 때문이다.

TiN층(110)의 두께는 0.1 내지 0.5 ㎛일 수 있는데, TiN층(100)의 두께가 0.1 ㎛ 미만인 경우에는 TiN층(110)과 TiAlN층(120)의 결합력이 저하되고, 충격, 응력 완화 및 균열 전파 저감 효과를 얻기 어렵다. 반면, 0.5 ㎛를 초과하는 경우에는 과도하게 두꺼워진 두께로 인해 모재에 대한 밀착성이 떨어져 접착력 및 내피로성이 저하될 수 있다.

TiAlN층(120)의 두께는 0.7 내지 3.0 ㎛일 수 있는데, 0.7 ㎛ 미만인 경우에는 내침식성 및 내구성 향상 효과를 얻기 어렵고, 3.0 ㎛를 초과하는 경우에는 TiN층(110)에 대한 접착력이 감소하기 때문이다.

TiN층(110)과 TiAlN층(120)이 6 내지 18 층으로 적층된 복합 코팅층(100)의 총 두께는 5.1 내지 24.0 ㎛인 것이 바람직하다. 총 두께가 5.1 ㎛ 미만인 경우에는 충분한 내침식성 효과를 얻기 어렵고, 24.0 ㎛를 초과하는 경우에는 추가된 두께로 인한 추가적인 내침식성 또는 물리적 성질의 향상 효과를 얻기 곤란할 뿐만 아니라, 균열과 같은 문제가 발생하여 복합 코팅층(100)을 적용한 금속공구의 수명이 감소될 수 있다.

TiAlN층(120)은 Ti 50.3 내지 61.5 wt%, Al 19.6 내지 26.2 wt% 및 N 18.8 내지 24.3 wt%를 포함할 수 있다.

이때, TiAlN층(120)에 포함되어 있는 Ti와 Al의 농도비가 상기 조성비 내에서 형성되는 경우, 종래의 피막보다 높은 경도와 탄성계수를 가지며, 향상된 잔류 응력 완화 효과를 나타낸다.

한편, TiAlN층(120)의 조성이 상기 범위를 벗어나는 경우에는 충분한 수준의 내피로성, 조도 및 경도 향상과 같은 물성 향상 효과를 얻기 곤란하다.

복합 코팅층(100)의 최상층에는 TiAlN층이 배치되는데, 최상층에 배치되는 TiAlN층인 TiAlN 최상층(121)의 두께는 다른 TiAlN층(120)의 두께보다 두껍게 형성될 수 있다. 구체적으로 1.0 내지 6.0 ㎛일 수 있으며, 1.0 ㎛ 미만으로 형성되는 경우에는 내침식성이 현저히 감소되어, 고압 터빈과 같은 부품에 사용되는 경우, 침식에 의한 손상을 견디기 어려울 수 있다. 반면 6.0 ㎛를 초과하여 형성되는 경우에는 복합 코팅층의 결함 발생 빈도가 증가하여 금속부품의 수명이 저하될 수 있다.

본 발명에서 TiN층(110)과 TiAlN층(120)을 교번적으로 증착시키기 위한 방법은 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어 물리적 증착법(PVD)이 이용될 수 있다. 물리적 증착법(PVD)으로는 구체적으로 전자빔에 의한 물리적 증착법(EB-PVD), 음극 아크 물리적 증착법(CA-PVD) 또는 스퍼터링에 의해 증착법이 사용될 수 있다.

상술한 본 발명의 복합 코팅층(100)은 고온에서의 내침식성이 뛰어나고, 모재(200)에 대한 접착력, 고주기 피로특성, 코팅 응력, 경도 및 표면 조도 특성이 우수하다.

본 발명의 다른 실시예는 모재(200), 모재(200)상에 상술한 복합 코팅층(100)이 형성된 터빈용 부품에 관한 것이다.

모재(200)는 내마모성이 우수한 크롬강 및 니켈합금으로 이루어진 군에서 선택 될 수 있다. 이때, 크롬강은 크롬이 9 wt%로 포함된 스테인리스 스틸 또는 12 wt%로 포함된 스테인리스 스틸일 수 있다.

본 발명의 터빈용 부품은 버켓(bucket) 또는 노즐(nozzle)일 수 있다.

본 발명의 터빈용 부품은 터빈 블레이드 또는 터빈 베인에 사용될 수 있다.

또한, 본 발명의 터빈용 부품은 전기 터빈, 가스 터빈 또는 증기 터빈에 사용될 수 있다.

이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로, 실시예에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

[제조예]

70×40×5 mm 크기의 9Cr, 12Cr의 크롬강 및 니켈합금 시험편을 준비하고, 상기 시험편의 표면상에 음극 아크 물리적 증착법(CA-PVD)을 이용하여 TiAlN으로 이루어진 단일 코팅층을 증착하거나, TiN층과 TiAlN층이 교대로 증착된 복합 코팅층(100)을 형성하였다. 이후, 각 시험편에 형성된 코팅층 또는 복합 코팅층(100)의 두께 및 층 수를 CSEM Instruments SA의 Calotest 장비를 이용하여 측정하고, 그 결과를 하기 표 1에 기재하였다. 이하, "코팅층"은 단일 코팅층 및 복합 코팅층(100)을 모두 포함하는 용어로 정의하여 설명한다.

	층 수	조성		두께(㎛)
	층 수	홀수층	짝수층	홀수층	짝수층	TiAlN 최상층	코팅층
비교예 1	1	TiAlN		10±2		-	10
비교예 2	1	TiAlN		15±5		-	15
비교예 3	4	TiN	TiAlN	0.3±0.2	10±2	10±2	20.6
실시예 1	12	TiN	TiAlN	0.3±0.2	2±1	4±2	15.8
비교예 4	20	TiN	TiAlN	0.3±0.2	2±1	4±2	25
비교예 5	4	Ti	TiAlN	0.3±0.2	10±2	10±2	20.6
비교예 6	12	Ti	TiAlN	0.3±0.2	2±1	4±2	15.8
비교예 7	20	Ti	TiAlN	0.3±0.2	2±1	4±2	25
비교예 8	28	TiN	TiAlN	0.2±0.1	1±0.1	2±0.5	17.2

[실험예 1]

경도 및 접착력 측정

독일 연방 기술자 가이드라인 VDI 3198에 의거하여, 록웰-C 경도 실험(Rockwell-C hardness test) 방법을 이용한 경도를 측정하였으며, 그 결과를 표 3에 나타내었다. 또한 록웰-C 경도 실험을 수행한 표면의 SEM 사진을 도 3에 나타내고, 표면 형상에 따른 HF값(접착력의 값)의 표준인 록웰-C 차트와 상기 SEM 사진을 대조하여, 각 시험편의 HF값을 판정한 뒤 그 결과를 표 3에 정리하였다. 이때, HF1에서 HF6으로 갈수록 접착력이 떨어지는 것을 의미한다.

이러한 경도 측정 실험은 다이아몬드 콘(indentor)을 이용하여 코팅층에 150kg의 예비하중을 가함으로써 수행되었으며, 이 때 사용된 다이아몬드 콘(indentor)의 반지름은 0.2 mm이고, 콘의 앵글은 120도이다.

모재		크롬강(9Cr)		크롬강(12Cr)		니켈합금
항목	코팅 층 수	경도	접착력	경도	접착력	경도	접착력
비교예 1	1	29	HF3	34	HF3~4	32	HF3
비교예 3	4	29	HF2	34	HF2	33	HF2
실시예 1	12	29.5	HF1	33	HF1	33	HF1
비교예 4	20	28.5	HF2	35	HF3	33	HF3
비교예 8	28	-	HF3~4	-	HF3~4

도 3과 표 2를 참조하면, 실시예 1의 접착력 특성이 가장 우수한 것으로 확인되었고, 비교예 1과 비교예 8의 접착력은 상당히 불량한 것으로 나타났다. 비교예 3은 비교예 1에 비해 개선된 접착력을 보였고, 비교예 4는 비교예 8에 비해 개선된 접착력을 갖는 것으로 나타났으나, 모재의 종류의 따라 다소 접착력이 저하되는 경우도 있었다.

각 시편들과 코팅 층 수의 관계를 살펴보면, 코팅 층수가 너무 적거나 많은 경우 접착력 특성이 저하되고, 코팅 층 수가 12층일 때 가장 우수한 접착력 특성을 갖는 것을 확인할 수 있었다.

[실험예 2]

고주기 피로 특성 측정

10 ton 용량의 만능시험기를 이용하고, 시편의 온도를 600±3 ℃로 하여 축방향으로 하중을 가하며 주기에 따른 피로 특성을 측정하고, 그 결과를 도 4에 나타내었다. 이때 응력비(R ratio)가 -1인 완전 인장, 압축 조건에서 실험을 수행하였으며, 하중은 인장강도 대비 50~70 % 범위에서 진행하였다. 도 4a는 크롬강(9Cr)을 모재로 하여 측정한 것이고, 도 4b는 니켈합금을 모재로 하여 측정한 것이다.

도 4a 및 도 4b와 같은 고주기 피로 특성 그래프는, 코팅층이 적용된 금속부품의 피로 특성 라인과 모재의 피로 특성 라인의 기울기가 유사하고, 코팅층이 적용된 금속부품의 피로 특성 라인이 모재의 피로 특성 라인보다 우측 상단쪽에 위치할수록 피로 특성이 우수한 것으로 판단한다.

상술한 고주기 피로 특성 판단 기준에 따라, 크롬강(9Cr)을 모재로 한 고주기 피로 특성을 나타낸 그래프인 도 4a를 참조하면, 실시예 1 및 비교예 1 내지 비교예 5의 코팅층이 적용된 금속부품의 고주기 피로 특성이 우수한 것을 확인할 수 있다.

니켈합금을 모재로 한 고주기 피로 특성을 나타낸 도 4b를 참조하면, 시편 대부분의 고주기 피로 특성이 모재의 피로 특성 라인보다 우측 상단에 위치하는 것으로 나타난다. 그러나, 모재의 피로 특성 라인의 기울기와 비교하였을 때, 실시예 1 및 비교예 3을 제외한 시편들의 피로 특성 라인의 기울기가 급격히 낮아지므로 니켈합금을 모재로 쓰는 경우에는 실시예 1, 비교예 3 및 비교예 6의 고주기 피로 특성이 우수한 것을 알 수 있다.

도 4a 및 도 4b의 그래프를 함께 참조하면, 실시예 1, 비교예 3은 모재의 종류에 상관없이 고주기 피로 특성이 우수한 것으로 나타난다. 따라서, 본 발명의 코팅층이 TiN층과 TiAlN층이 교번적으로 증착되는 구성을 갖고, 코팅층의 총 수가 2층 이상, 18층 이하일 때 고주기 피로 특성이 우수하게 나타난다.

[실험예 3]

잔류 응력 측정

X-ray Diffraction(XRD)를 이용한 sin²Ψ법으로 각 시편의 잔류 응력을 측정하고 그 결과를 도 5에 나타내었다. sin²Ψ법은 다결정 재료의 잔류 응력 측정 방법으로, 「X선 응력 측정법」(일본 재료 학회, 1981년 주식회사 요켄도 발행)의 54~66 페이지에 상세히 설명되어 있다.

잔류 응력은 코팅층 중에 존재하는 내부 응력의 일종으로, 음수로 나타내어지며, 금속부품의 잔류 응력은 -4500 MPa 이하일 때, 즉 잔류 응력의 절대값이 4500보다 작을 때 잔류 응력 특성이 우수한 것으로 판단할 수 있다. 도 5를 살펴보면, 비교예 1 내지 비교예 7 및 실시예 1 모두 잔류 응력 측정값의 절대값이 4500보다 작게 나타난다.

따라서, 코팅층이 형성된 금속부품의 잔류 응력 특성은 우수한 것으로 나타나나, 코팅층의 층 수는 특별히 잔류 응력 특성에 영향을 주지 않는 것을 확인할 수 있었다.

[실험예 4]

고상 입자 침식 특성 측정

시편의 온도를 600±3 ℃로 유지하고 70 ㎛의 Fe₃O₄ 입자를 231 m/s의 속도로 시편에 분사시켜 고온에서 코팅층의 침식 특성을 측정하였다. 입자의 입사각은 30~90도로 변화시키며 측정하였고, 그 결과는 도 6에 나타내었다.

도 6a 내지 도 6e는 각각 금속 모재, 금속 모재상에 비교예 1의 코팅층이 적용된 금속부품, 금속 모재상에 비교예 3의 코팅층이 적용된 금속부품, 금속 모재상에 실시예 1의 코팅층이 적용된 금속부품 및 금속 모재상에 비교에 4의 코팅층이 적용된 금속부품의 침식 특성을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.

도 6a 내지 도 6e를 살펴보면 코팅층의 종류에 상관없이 코팅층이 적용된 금속부품(도 6b 내지 도 6e)의 고온에서의 고상 입자 침식 특성이 금속 모재(도 6a)에 비해 월등히 향상되는 것으로 나타난다.

그러나, 도 6b를 살펴보면, 입자의 입사 각도가 90도에 근접할수록 침식 특성이 불량해지는 것으로 나타났다. 또한 도 6e를 살펴보면, 모재에 따라 침식 특성이 다르게 나타나나, 크롬강 소재의 모재를 사용하는 경우, 입사 각도가 75도 이하일 경우 침식 특성이 저하되는 것으로 나타났다.

반면, 도 6c 및 도 6d를 살펴보면 입사 각도에 따라 침식 특성이 미세하게 변화하긴 하나, 전반적으로 우수한 침식 특성을 갖는 것으로 확인되었다.

따라서, TiN층과 TiAlN층이 교번적으로 증착된 코팅층이 2층 이상, 18층 이하로 형성될 때 고온에서의 침식 특성이 우수하게 나타날 것을 예상할 수 있으며, 특히 4층 또는 12층일 때 고온에서 안정적이며 우수한 내침식성을 나타낼 수 있다.

[실험예 5]

표면 조도 측정

각 시험편의 조도를 측정하고, 그 결과를 도 7에 나타내었다.

도 7을 살펴보면, 모재의 종류와 관계 없이 비교예 3 및 실시예 1의 코팅층이 적용된 금속부품의 조도가 더 낮게 나타나는 것을 확인할 수 있다.

따라서, TiN층과 TiAlN층이 교번적으로 증착된 코팅층이 2층 이상, 18층 이하로 형성될 때 개선된 표면 조도를 나타낼 수 있으며, 특히 4층 또는 12층으로 형성될 때 표면조도가 더욱 개선될 수 있음을 알 수 있다.

[실험예 6]

경도 측정

ISO 14577에 의거하여 나노-압입 경도를 측정하고, 그 결과를 도 8에 나타내었다. 나노-압입 경도는 삼각뿔 형상의 다이아몬드 압자를 샘플 표면으로부터 밀어넣고, 이때 부과되는 하중과, 압자와 시료의 접촉 투영 면적으로부터 구해지는 경도를 의미한다. 본 발명에서는 나노-압입 경도 시험기(Fischerscope^®HM 2000)를 이용하여, 마이크로 범위에서 측정하였으며, 측정 기준은 하기 표 3과 같다.

테스트 로드 범위(Test load range)	0.1~2000 mN
로드 정확도(Load accuracy)	< 40 μN
압입 깊이 범위(Indentation depth range)	0.1 nm~150 ㎛ (400 ㎛)
입자의 접근 속도	< 2 ㎛/sec

도 8을 살펴보면, 모재의 종류에 상관 없이 실시예 1의 경도가 가장 높게 나타났고, 그래프 상에서 실시예 1을 기준으로 비교예 1쪽으로, 비교예 8쪽으로 갈수록 경도가 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 그래프의 X축에서 코팅층의 총 수는 비교예 1부터 시작하여 각각 1, 4, 12, 20 및 28이므로, 코팅층이 12층으로 형성될 때 경도가 가장 높고, 코팅층의 총 수가 12층보다 작아지거나 커질수록 경도가 낮아짐을 알 수 있다.

즉, TiN층과 TiAlN층이 교번적으로 증착된 코팅층이 12층일 때 경도가 높게 나타나나, 4층이나 20층으로 형성될 때 경도가 급격히 저하되므로, 코팅층의 총 수가 6 내지 18층으로 형성되는 것이 바람직하고, 12층으로 형성되는 경우 가장 높은 경도를 나타내 내마모성이 더욱 극대화되므로, 12층으로 형성되는 것이 더욱 바람직하다.

따라서, 금속부품의 물성을 향상시키기 위해 적용되는 코팅층이 TiN층과 TiAlN층이 교번적으로 적층된 구조를 가지며, TiN층과 TiAlN층을 포함한 전체 층 수가 6 내지 18층일 때 우수한 접착력, 내피로성, 잔류응력, 내침식성, 표면조도 및 경도 특성을 나타내고, 이러한 특성은 전체 층 수가 12층으로 형성될 때 극대화된다.

경도 및 내마모성을 향상시키기 위해 최종층은 TiAlN층인 것이 바람직하고, 이 때 TiAlN층은 코팅층 내부에 위치하는 TiAlN층보다 더 두껍게 형성되는 것이 더욱 바람직하다.

본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.

100: 코팅층
110: TiN층
120: TiAlN층
121: TiAlN 최상층
200: 모재

Claims

TiN층 및 TiAlN층이 교번적으로 적층되어 형성되고, 상기 TiN층 및 TiAlN층을 포함한 전체 층 수가 6 내지 18이며,
상기 TiN층의 두께는 0.1 내지 0.5 ㎛이고,
상기 TiAlN층의 두께는 0.7 내지 3.0 ㎛인 복합 코팅층의 총 두께는 5.1 내지 24.0 ㎛이고,
상기 TiAlN층은 Ti 50.3 내지 61.5 wt%, Al 19.6 내지 26.2 wt% 및 N 18.8 내지 24.3 wt%를 포함하며,
상기 복합 코팅층의 최상층에는 두께가 1.0 내지 6.0 ㎛인 TiAlN층이 배치되는 것을 특징으로 하는, 복합 코팅층.
제1항에 있어서,
상기 TiN층 및 TiAlN층이 교번적으로 적층되어 전체 층 수가 12인, 복합 코팅층.
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삭제
모재; 및
상기 모재상에 TiN층 및 TiAlN층이 교번적으로 적층되어 형성되는 복합 코팅층;을 포함하며,
상기 TiN층 및 TiAlN층을 포함한 전체 층 수가 6 내지 18이며,
상기 TiN층의 두께는 0.1 내지 0.5 ㎛이고,
상기 TiAlN층의 두께는 0.7 내지 3.0 ㎛이며,
상기 복합 코팅층의 총 두께는 5.1 내지 24.0 ㎛이고,
상기 TiAlN층은 Ti 50.3 내지 61.5 wt%, Al 19.6 내지 26.2 wt% 및 N 18.8 내지 24.3 wt%를 포함하며,
상기 복합 코팅층의 최상층에는 두께가 1.0 내지 6.0 ㎛인 TiAlN층이 배치되는 것을 특징으로 하는, 터빈용 부품.
제8항에 있어서,
상기 TiN층 및 TiAlN층이 교번적으로 적층되어 전체 층 수가 12인, 터빈용 부품.
제8항에 있어서,
상기 모재는 크롬강 또는 니켈합금인, 터빈용 부품.
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삭제
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삭제
제8항에 있어서,
상기 터빈용 부품은 버켓(bucket) 또는 노즐(nozzle)인, 터빈용 부품.
제8항에 있어서,
상기 터빈용 부품은 터빈 블레이드 또는 터빈 베인에 사용되는, 터빈용 부품.
제8항에 있어서,
상기 터빈용 부품은 전기 터빈, 가스 터빈 또는 증기 터빈에 사용되는, 터빈용 부품.