KR102359508B1

KR102359508B1 - 열차폐 코팅층 형성방법 및 이에 의해 형성된 열차폐 코팅층

Info

Publication number: KR102359508B1
Application number: KR1020150132673A
Authority: KR
Inventors: 정진성; 홍진표; 유근봉; 김두수; 이한상
Original assignee: 한국서부발전(주)
Priority date: 2015-09-18
Filing date: 2015-09-18
Publication date: 2022-02-09
Also published as: KR20170034252A

Abstract

열차폐 코팅층 형성방법 및 이에 의해 형성된 열차폐 코팅층이 개시된다. 본 발명의 열차폐 코팅층 형성방법은 알루미늄을 함유하는 금속 모재를 산소 분압 10^-9atm내지 10^-12atm의 진공조건에서 1100 내지 1150℃에서 열처리하여 금속 모재 표면에 알루미나층을 형성하고 그리고 상기 알루미나층 표면에 세라믹 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

열차폐 코팅층 형성방법 및 이에 의해 형성된 열차폐 코팅층{METHOD FOR FORMING THERMAL BARRIER COATING LAYER AND THERMAL BARRIER COATING LAYER FORMED BY THE SAME}

본 발명은 열차폐 코팅층 형성방법 및 이에 의해 형성된 열차폐 코팅층에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 금속 모재를 저산소 분압조건에서 고온 열처리함으로서 모재 표면에 외부에서 금속분말을 직접 코팅하지 않고도 동등한 기능을 갖으며 고온에서도 안정한 산화물층의 형성이 가능한 열차폐 코팅층 형성방법 및 이에 의해 형성된 열차폐 코팅층에 관한 것이다.

항공용이나 발전용 가스터빈은 높은 열효율을 얻기 위해 터빈입구온도(Turbine Inlet Temperature, TIT) 또는 연소온도를 1,000℃이상으로 운전하고 있다. 이러한 운전환경에서 고온의 연소가스와 직접 접촉하는 부품은 대부분 내열성이 강한 니켈계 또는 코발트계 초합금으로 제작되고 있다.

한편, 1,000℃이상의 고온환경에서 장시간 운전하기 위해, 1단 블레이드, 베인, 연소 캔 등과 같은 부품에는, 추가적으로 예를 들어, 본드코팅(MCrAlY, M=Ni, Co) 또는 본드코팅+지르코니아(zirconia, ZrO2) 계통 등의 열차폐 코팅(Thermal Barrier Coating, TBC)이 200㎛ 이상의 두께로 적용되고 있다.

통상적인 열차폐 코팅방법은 낮은 열전도도를 갖는 물질을 소재 표면에 적층하여 열전달을 느리게 함과 동시에 코팅시 형성되는 내부 기공들에 의한 고온의 연소가스 열을 차폐하는 방식으로 수행된다. 이때, 열차폐 코팅 시스템은 두 개의 코팅층으로 구성되어진다.

이때, 최외각에는 직접적으로 열을 차폐하는 역할을 하는 세라믹 코팅층이 존재한다. 그러나, 이러한 세라믹 코팅층은 모재 금속과의 열팽창 계수 차이로 인해 고온과 저온이 반복되는 운전환경에서 쉽게 박리된다. 이를 보완하기 위해 모재 금속과 세라믹 코팅층의 중간 열팽창계수를 갖는 금속 성분을 모재 위에 코팅하는데, 이를 금속본드(금속결합) 코팅이라 한다.

이러한 금속본드 코팅층은 세라믹 코팅층과 금속 모재간 결합을 용이하게 하고 외부의 가혹 환경에 의한 금속 모재의 고온산화를 방지한다. 이는 세라믹 코팅층과 금속본드 코팅층 계면에 안정한 알루미늄 산화물이 형성되어 외부에서 내부로 들어오는 산소와 반대 방향으로의 금속원소의 이동을 막아주는 원리에 의한다.

도 1은 종래 발명에 의한 열차폐 코팅층 형성방법을 개략적으로 나타내는 순서도이고, 도 2는 종래 발명에 의해 형성된 열차폐 코팅층을 개략적으로 나타내는 단면도이다.

도 1 내지 2를 참조하면, 종래의 열차폐코팅은 모재(10)에 블라스팅을 하여 표면 요철을 형성한 후, 아세톤 등을 이용하여 세척 후 표면의 오염물질을 제거한다. 그 다음에 모재(10)의 표면을 예열한 후, 금속 합금분말(성분: MCrAlY, M=Ni or/and Co)을 진공, 저진공 또는 대기중에서 고온 플라즈마를 이용하여 금속 모재(10)의 표면에 코팅한다. 그 다음 열차폐를 위해 세라믹 코팅(YSZ : 이트리아 안정화 지르코니아, ZrO2-8Y2O3) 후, 최종적으로 후열처리를 수행한다. 이러한 후열처리를 통해 금속본드 코팅층(20)과 세라믹 코팅층(50) 계면에 알루미늄 산화물층(30)이 형성되어 모재(10)를 고온 산화로부터 보호하게 된다.

그러나, 이러한 종래 발명에 의할 경우, 금속본드 코팅층 형성을 위해 플라즈마 용사코팅 장비, 금속합금 분말, 공정시간 및 인력 등 비용 소모가 크고, 또한, 금속본드 코팅층과 모재간 조성 차이로 인해 구성 원소 사이에 이동이 발생하여 원하지 않는 상이 생성되는 등 문제가 발생하므로, 이를 개선함이 시급하다.

본 발명의 목적은, 금속 모재를 저산소 분압조건에서 고온 열처리함으로서, 모재 표면에 외부에서 금속분말을 직접 코팅하지 않고도 동등한 기능을 갖으며 고온에서도 안정한 산화물층의 형성이 가능한, 코팅층을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 비용이 절감되고, 보다 짧은 공정시간이 소요되며 효율적인 새로운 중간 결합층 형성이 가능한 코팅층을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 모재와 금속본드 코팅층 간 조성 차이로 인해 구성 원소 사이에 이동이 발생하여 원하지 않는 상이 생성되는 것을 방지할 수 있는 코팅층을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 모재에 존재하는 알루미늄을 이용하여 형성된 안정한 산화물에 의한 화학적 결합을 생성하여 외부 코팅에 의한 금속 중간 결합층의 물리적 결합보다 결합력이 우수한 코팅방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 원래 금속 중간 결합층에 소요되는 두께만큼 세라믹 코팅층을 더 두껍게 형성시킬 수 있어 우수한 열차폐기능 및 코팅건전성을 구현하는 코팅방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 발전설비의 가스터빈 뿐만 아니라 항공기 가스터빈 엔진 등에도 적용 가능하고, 해당 설비가 운전되는 동안 지속적으로 적용 가능하여 해당 설비와 같은 수명주기 효과를 갖는 코팅방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 상기 및 기타의 목적들은 하기 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.

본 발명의 하나의 관점은 알루미늄을 함유하는 금속 모재를 산소 분압 10^-9 atm 내지 10^-12atm의 진공조건에서 1100 내지 1150℃에서 열처리하여 금속 모재 표면에 알루미나층을 형성하고; 그리고 상기 알루미나층 표면에 세라믹 코팅층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 열차폐 코팅층 형성방법에 관한 것이다.

구체예에서, 상기 금속 모재는 알루미늄(Al)을 5 내지 20중량%로 포함하는 가스터빈 부품용 니켈계 또는 코발트계 초합금인 것을 특징으로 한다.

구체예에서, 상기 진공조건에서 열처리하기 전에, 전처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

구체예에서, 상기 알루미나층은 상기 금속 모재에 접하고, 상기 알루미나층과 상기 금속 모재 사이에 금속결합층이 형성되지 않는 것을 특징으로 한다.

구체예에서, 상기 열처리는 200 내지 400℃/min로 승온하여 1100 내지 1150℃에서 유지한 후 서냉하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 하나의 관점은 알루미늄을 함유하는 금속 모재 표면에 형성되는 알루미나층; 및 상기 알루미나층 표면에 형성되는 세라믹 코팅층;을 포함하고, 상기 알루미나층의 표면거칠기가 30㎚ 내지 60㎚(Ra)인 것을 특징으로 하는 열차폐 코팅층에 관한 것이다.

구체예에서, 상기 금속 모재는, 알루미늄(Al)을 5 내지 20중량%로 포함하는 가스터빈 부품용 니켈계 또는 코발트계 초합금인 것을 특징으로 한다.

구체예에서, 상기 알루미나층은 상기 금속 모재에 접하고, 상기 알루미나층과 상기 금속 모재 사이에는 금속결합층이 존재하지 않는 것을 특징으로 한다.

구체예에서, 상기 알루미나층은 층두께가 0.001㎛ 내지 1㎛ 이고, 상기 세라믹 코팅층은 층두께가 200㎛ 내지 500㎛ 인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 열차폐 코팅층 형성방법 및 이에 의해 형성된 열차폐 코팅층은, 금속 모재를 저산소 분압 조건에서 고온 열처리함으로서 별도의 금속 분말 코팅층을 형성하지 않고도 고온에서도 안정한 산화물층의 형성이 가능하고, 비용이 절감되고 보다 짧은 공정시간이 소요되며 효율적인 새로운 중간 결합층 형성이 가능하다. 또한, 본 발명은 모재와 금속본드 코팅층간 조성 차이로 인해 구성 원소사이에 이동이 발생하여 원하지 않는 상이 생성되는 것을 방지할 수 있고, 모재에 존재하는 알루미늄을 이용하여 형성된 안정한 산화물은 화학적 결합을 하고 있어 외부 코팅에 의한 금속 중간 결합층의 물리적 결합보다 결합력이 우수하다. 또한, 본 발명은 원래 금속 중간 결합층에 소요되는 두께만큼 세라믹 코팅층을 더 두껍게 형성시킬 수 있어 우수한 열차폐기능 및 코팅건전성을 구현하고, 발전설비의 가스터빈 뿐만 아니라 항공기 가스터빈 엔진 등에도 적용 가능하고, 해당 설비가 운전되는 동안 지속적으로 적용 가능하여 해당 설비와 같은 수명주기 갖는 효과가 있다.

도 1은 종래 발명에 의한 열차폐 코팅층 형성방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.
도 2는 종래 발명에 의해 형성된 열차폐 코팅층을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명에 의한 열차폐 코팅층 형성방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.
도 4는 본 발명에 의해 형성된 열차폐 코팅층을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 5는 비교예 1에 의한, 대기중에서 열처리된 금속 모재의 표면구조를 나타내는 이미지이다.
도 6은 비교예 1에 의한, 대기중에서 열처리된 금속 모재의 단면을 나타내는 이미지이다.
도 7은 실시예 1에 의한, 저산소 분압에서 열처리된 금속 모재의 표면구조를 나타내는 이미지이다.
도 8은 실시예 1에 의한, 저산소 분압에서 열처리된 금속 모재의 단면을 나타내는 이미지이다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 출원의 실시예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 본 출원에 개시된 기술은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.

단지 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해 질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 출원의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 도면에서 각 장치의 구성요소를 명확하게 표현하기 위하여 상기 구성요소의 폭이나 두께 등의 크기를 다소 확대하여 나타내었다. 또한, 설명의 편의를 위하여 구성요소의 일부만을 도시하기도 하였으나, 당업자라면 구성요소의 나머지 부분에 대하여도 용이하게 파악할 수 있을 것이다.

전체적으로 도면 설명시 관찰자 시점에서 설명하였고, 일 요소가 다른 요소 위 또는 아래에 위치하는 것으로 언급되는 경우, 이는 상기 일 요소가 다른 요소 위 또는 아래에 바로 위치하거나 또는 그들 요소들 사이에 추가적인 요소가 개재될 수 있다는 의미를 모두 포함한다. 또한, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 출원의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 출원의 사상을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있을 것이다. 그리고, 복수의 도면들 상에서 동일 부호는 실질적으로 서로 동일한 요소를 지칭한다.

본 출원에서 서술되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 기술되는 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 방법 또는 제조방법을 수행함에 있어서, 상기 방법을 이루는 각 과정들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 과정들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.

이하, 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명하기로 한다.

열차폐 코팅층 형성방법

본 발명의 하나의 관점인 열차폐 코팅층 형성방법은, 알루미늄을 함유하는 금속 모재를 산소 분압 10^-9 atm 내지 10^-12 atm의 진공조건에서 1100 내지 1150℃에서 열처리하여 금속 모재 표면에 알루미나층을 형성하고(S100) 그리고, 상기 알루미나층 표면에 세라믹 코팅층을 형성하는 단계(S200)를 포함한다.

이하, 본 발명에 의한 열차폐 코팅층 형성방법의 각 단계에 대하여 상술한다.

도 3은 본 발명에 의한 열차폐 코팅층 형성방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 열차폐 코팅층 형성방법은 알루미나층 형성단계(S100) 및 세라믹 코팅층 형성단계(S200)를 포함한다.

알루미나층 형성

상기 알루미나층 형성단계(S100)는 알루미늄을 함유하는 금속 모재를 산소 분압 10^- ⁹atm내지 10^-12atm의 진공조건에서 1100 내지 1150℃에서 열처리하여 금속 모재 표면에 알루미나층을 형성하기 위한 목적에서 수행된다.

상기 알루미나층 형성시 금속 모재를 산소 분압 10^- ⁹atm내지 10^-12atm의 진공조건에서 저산소로 산소 분압을 낮추는 것은, 일정 온도에서 산소 분압에 따라 금속 표면에 생성되는 산화물이 변하는 원리에 따라 안정한 알루미늄 산화물을 형성시키기 위해서다.

상기 저산소 분압은, 상기 금속 모재를 챔버에 장입한 후 산소 분압을 10^-9atm내지 10^-12atm, 예를들어, 10^- ¹⁰atm내지 10^-11atm으로 저감시키는 방식으로 수행될 수 있다. 상기 저산소 분압조건 범위에서, 금속 중간 결합층의 외부 코팅없이 열처리 등을 수행함으로써 금속본드 코팅층을 형성하지 않고도 동등한 기능을 갖는 고온에서 안정한 산화물층의 형성이 가능한 장점이 있다.

상기 산소 분압의 저감은, 30분 내지 90분간, 예를들어 40분 내지 80분간, 예를들어 50분 내지 60분간, 진공 상태 유지 후 불활성 가스를 주입하는 과정을 3 내지 10회 반복할 수 있다. 상기 저감 범위에서, 고진공 펌프에 의하지 않고도 통상적인 저성능 진공펌프로 보다 용이하게 용기 내부의 산소분압을 낮출 수 있는 효과가 있다. 이때, 상기 불활성 가스는, 예를 들어 아르곤(Ar) 가스를 사용할 수 있다.

상기 고온 열처리는, 상기 금속 모재를 1100 내지 1150℃에서, 예를들어, 1110 내지 1140℃에서, 예를들어, 1120 내지 1130℃에서, 15 내지 120분 동안 열처리하고 그리고, 상기 열처리된 금속 모재를 노(Furnace)에 장입하여 승온한 후 냉각하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 고온 열처리 범위에서, 단순히 산소 분압을 낮추어 열처리함으로서 고온에서 안정하며 치밀한 알루미늄 산화물 층을 형성할 수 있고, 중간 결합층을 형성하기 위한 종래 기술인 고가의 플라즈마 용사에 의한 코팅, 블라스팅 및 예열 등 다양한 공정을 단축시켜 비용을 절감하고, 외부 코팅에 의한 중간결합층 두께만큼 세라믹 코팅층을 추가로 형성시킬 수 있어 열차폐기능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

상기 승온은, 200 내지 400℃/min로, 예를 들어, 250 내지 350℃/min로, 예를들어 300 내지 330℃/min로 수행될 수 있다. 상기 승온 범위에서, 일정시간 유지 후 노의 전원을 차단하여 금속 모재를 서서히 냉각시킬 수 있다. 이때 상기 금속 모재의 냉각은 서냉 방식으로 수행되는데, 이를 통해 금속 모재 표면에 생성된 안정한 알루미늄 산화물이 급속한 냉각에 의한 열응력에 의해 탈락되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

세라믹 코팅층 형성

상기 세라믹 코팅층 형성단계(S200)는 상기 알루미나층 표면에 중간 결합층인 금속본드 코팅층을 형성하지 않고 직접 금속 모재에 세라믹 코팅층을 형성하기 위한 목적에서 수행된다.

상기 세라믹 코팅층이 형성됨으로써 모재의 최외곽에서 직접적으로 열을 차폐할 수 있고, 외부 코팅없이도 안정한 산화물층 형성함으로써 원래 금속 중간 결합층에 소요되는 두께만큼 세라믹 코팅층을 더 두껍게 형성시킬 수 있어 우수한 열차폐기능 및 코팅건전성을 구현할 수 있다.

상기 세라믹 코팅층은 주지의 방법에 의하여 형성될 수 있다. 예를들어, 이트리아 안정화 지르코니아(ZrO2-8Y2O3) 등을 이용하여 통상적인 방법에 의해 세라믹 코팅층을 형성할 수 있다. 그러나, 본 발명의 목적을 구현할 수 있는 것이라면, 그 방법이 이에 제한되지 않는다.

전처리

상기 모재 표면의 전처리단계는 상기 진공조건에서 열처리하기 전에 더 포함될 수 있는 단계로, 모재(10) 표면의 기름 성분 및 오염 물질을 제거하기 위하여 아세톤 등을 이용하여 세척한 뒤 건조하기 위한 목적에서 수행될 수 있다.

상기 모재 표면의 전처리단계에서는, 세척 후 건조 등을 통해 알루미나층인 산화물층의 형성이 용이하고 특히, 표면에 기공이 형성되지 않고 단면이 안정하며 단일한 산화물층이 치밀하게 형성될 수 있는 장점이 있다.

이상 살펴본 바와 같이, 본 발명의 열차폐 코팅층 형성방법에 의할 경우, 금속 모재를 저산소 분압 조건에서 고온 열처리함으로서 모재 표면에 외부에서 금속분말을 직접 코팅하지 않고도 고온 안정한 산화물층 형성이 가능하고 비용절감, 공정시간 단축 및 설비 수명주기 상승 등 우수한 효과가 구현될 수 있다.

열차폐 코팅층

본 발명의 다른 하나의 관점인 열차폐 코팅층은 알루미늄을 함유하는 금속 모재 표면에 형성되는 알루미나층; 및 상기 알루미나층 표면에 형성되는 세라믹 코팅층;을 포함하고, 상기 알루미나층의 표면거칠기가 30㎚ 내지 60㎚(Ra)이다.

이하, 본 발명의 열차폐 코팅층에 대하여 상술한다.

도 4는 본 발명에 의해 형성된 열차폐 코팅층을 개략적으로 나타내는 단면도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명에 의한 열차폐 코팅층(100)은 알루미늄을 함유하는 금속 모재(10) 표면에 형성되는 알루미나층(30) 및 상기 알루미나층(30) 표면에 형성되는 세라믹 코팅층(50)으로 구성된다.

금속 모재

상기 금속 모재(10)는 가스터빈 부품용 니켈계 또는 코발트계 초합금일 수 있다. 항공용이나 발전용 가스터빈은 시스템의 높은 열효율을 얻기 위해 터빈입구온도 또는 연소온도를 1,000℃이상으로 운전하고 있는데, 이러한 운전환경에서 고온의 연소가스와 직접 접촉하는 부품은 강한 내열성이 요구되기 때문에, 상기 모재로 니켈계 또는 코발트계 초합금을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 금속 모재(10)는, 알루미늄(Al)을 5 내지 20중량%로 포함하는 가스터빈 부품용 니켈계 또는 코발트계 초합금일 수 있다. 하나의 구체예에서, 상기 금속 모재(10)인 초합금은, 5 내지 10중량% 코발트(Co), 5 내지 10중량% 크롬(Cr), 0.5 내지 3.0중량% 텅스텐(W), 0.5 내지 4중량% 탄탈륨(Ta), 5 내지 20중량% 알루미늄(Al), 0.5 내지 3.0중량% 티타늄(Ti), 0.1 내지 2.0중량% 베릴룸(Re) 및 잔량의 니켈(Ni)을 포함할 수 있다. 이때, 상기 알루미늄(Al)은, 상기 가스터빈 부품용 니켈계 또는 코발트계 초합금 100중량%에 대하여, 예를들어, 5 내지 20중량%, 예를 들어, 7 내지 17중량%, 예를들어 10 내지 15중량% 포함될 수 있다. 상기 알루미늄 함량범위에서, 연소가스의 열과 산소를 차폐하여 강한 내열성을 지님으로써 고온의 연소가스와 직접 접촉하는 부품에 균열 등 문제가 발생되는 것을 저감시킬 수 있다.

알루미나층

상기 알루미나층(30)은 금속 모재(10) 표면에 형성되는 것으로, 금속 중간 결합층의 외부 코팅없이 동등한 기능을 갖는 고온에서 안정화되게 형성된 산화물층이다.

상기 알루미나층(30)은 상기 금속 모재(10)에 접하고, 상기 알루미나층과 상기 금속 모재 사이에는 금속결합층이 존재하지 않는 것을 특징으로 한다. 이러한 층 구성을 통해, 금속 모재(10) 외부에서 내부로 들어오는 산소와 반대 방향으로의 금속 원소의 이동을 막아주며 모재(10)와 세라믹 코팅층(50)간 결합을 용이하게 하고, 외부의 가혹한 환경에 의한 금속 모재(10)의 고온산화를 방지하는 역할을 수행할 수 있다.

상기 알루미나층(30)은 층두께가 0.001㎛ 내지 1㎛, 예를들어, 0.01㎛ 내지 0.8㎛, 예를들어, 0.1㎛ 내지 0.7㎛ 일 수 있다. 상기 코팅층의 층두께가 0.001㎛ 미만일 경우, 알루미나층을 통하여 산소나 금속이온의 투과가 용이하여 내산화특성의 향상이 미미해지지는 문제가 있고, 반면에, 상기 코팅층의 층두께가 1㎛ 초과일 경우, 코팅층 자체의 응력(internal stress)이나 금속 모재와의 열팽창계수 차이로 인한 응력(external stress)으로 인하여 코팅층의 박리가 쉬워지는 문제가 있다.

세라믹 코팅층

상기 세라믹 코팅층은 본 발명의 일 구체예에 의한 열차폐 코팅층(100)의 알루미나층(30) 표면에 형성되는 것이다.

상기 세라믹 코팅층(50)은 최외곽에서 직접적으로 열을 차폐하는 역할을 수행하고 본 발명에서는 금속본드 코팅층을 형성하지 않고 직접 금속 모재에 세라믹 코팅층을 형성할 수 있다.

상기 세라믹 코팅층(50)은 층두께가 200㎛ 내지 500㎛ 이고, 예를들어, 250㎛ 내지 450㎛이고, 예를들어, 300㎛ 내지 400㎛ 일 수 있다. 상기 코팅층의 층두께가 200㎛ 미만일 경우, 세라믹 코팅층 형성에 의한 열 차폐기능이 미비해지고, 반면에, 상기 코팅층의 층두께가 500㎛ 초과일 경우, 안정한 산화물층 형성에 의해 중간 결합층 두께만큼 추가로 세라믹 코팅층을 두껍게 하면 손상이 발생되기 용이하여 열차폐 효과를 향상시키는 효과가 구현되기 어렵다.

상기 본 발명에 의한 열차폐 코팅층은, 저산소 분압조건에서 표면거칠기가 30㎚ 내지 60㎚(Ra) 일 수 있고, 예를들어, 35㎚ 내지 55㎚(Ra) 일 수 있고, 40㎚ 내지 50㎚(Ra) 일 수 있다. 표면거칠기 변화는 금속 모재의 열처리시 표면에서 반응이 일어난 것을 나타낸다. 상기 표면거칠기 범위에서, 본 발명에 의한 열차폐 코팅층 형성시 모재 표면에 기공이 관찰되지 않고 단면도 안정한 알루미늄 산화물 한 층만이 치밀하게 형성되는 효과가 있음을 알 수 있다.

본 발명에 의한 열차폐 코팅층은 모재 표면에 외부에서 금속분말을 직접 코팅하지 않고도 동등한 기능을 갖으며 고온에서도 안정한 산화물층을 형성하여 외부 코팅에 의한 금속 중간 결합층의 물리적 결합보다 결합력이 뛰어나고 우수한 열차폐기능 및 코팅건전성을 구현하여 발전설비나 항공기 가스터빈 엔진 등에도 적용 가능한 효과가 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.

여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.

실시예

실시예 1

금속 모재로 Ni-9.5Co-7.7Cr-1.9W-2.1Ta-12.8Al-1.4Ti-1.1Re (at.%) 조성의 가스터빈 부품용 니켈계 초합금을 사용하였다. 상기 모재를 2X2(가로X세로)cm 크기 시편으로 절단하였고, 이때, 시편은 표면 조건을 동일하게 하기 위하여 연마지를 이용하여 #2000 SiC 레벨까지 연마하였다.

그 다음, 아세톤과 알콜을 이용하여 초음파세척기에서 시편을 세척하였고, 상기 세척된 시편은 압축공기를 이용하여 완전히 건조하였다. 그런 다음, 건조된 시편의 표면 거칠기를 측정하였다.

상기 준비된 시편을 알루미나 보트에 놓인 후 석영관과 진공펌프로 구성된 반응용기에 놓았다. 그 다음, 저산소 분압(10^-9atm)조건에서 1150℃로 유지되고 있는 튜브 노에 장입하였다. 이때, 시편 온도는 별도로 연결된 열전대로 실시간으로 온도를 측정하였다.

상기 설정 온도에 시료 온도가 도달된 후 약 15분 후에 노 전원을 차단하였다. 그 다음, 냉각 후 알루미나층의 표면거칠기를 측정하였다. 그 다음 세라믹 코팅(YSZ : 이트리아 안정화 지르코니아, ZrO2-8Y2O3)을 수행하였다. 그후 최종적으로 후열처리(온도 1100℃, 시간 120분, 압력 10^-2 atm)를 수행하였다.

실시예 2

산소 분압을 10^-10 atm의 저산소 분압 조건에서 수행한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 조건에서 열차폐 코팅층을 형성하였다.

실시예 3

산소 분압을 10^-11 atm의 저산소 분압 조건에서 수행한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 조건에서 열차폐 코팅층을 형성하였다.

실시예 4

산소 분압을 10^-12 atm의 저산소 분압 조건에서 수행한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 조건에서 열차폐 코팅층을 형성하였다.

비교예 1

열차폐 코팅층 형성시 산소 분압조건을 대기압 조건에서 수행한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 조건에서 열차폐 코팅층을 형성하였다.

비교예 2

열차폐 코팅층 형성시 산소 분압조건을 고산소(10^-6atm) 분압 조건에서 수행한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 조건에서 열차폐 코팅층을 형성하였다.

비교예 3

열차폐 코팅층 형성시 산소 분압조건을 고산소(10^-3atm) 분압 조건에서 수행한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 조건에서 열차폐 코팅층을 형성하였다.

비교예 4

열차폐 코팅층 형성시 열처리 온도를 저온(800℃)에서 조건에서 수행한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 조건에서 열차폐 코팅층을 형성하였다.

비교예 5

열차폐 코팅층 형성시 낮은 승온 온도(100℃/min) 조건에서 수행한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 조건에서 열차폐 코팅층을 형성하였다.

비교예 6

종래 방법에 의하여, 금속 모재에 블라스팅을 하여 표면 요철을 형성한 후 아세톤 등을 이용하여 세척 후 표면의 오염물질을 제거하고, 그 다음 모재 표면을 예열 후 금속 합금분말(MCrAlY, M=Ni or/and Co)을 저진공 중에서 고온 플라즈마를 이용하여 금속 모재의 표면에 코팅하고, 그 다음 세라믹 코팅(YSZ : 이트리아 안정화 지르코니아, ZrO2-8Y2O3) 후 최종적으로 후열처리를 수행하여 열차폐 코팅층을 형성하였다.

		실시예1	실시예2	실시예3	실시예4
열처리	산소분압 (atm)	10^-9	10^-10	10^-11	10^-12
	온도 (℃)	1150	1140	1110	1120
	지속시간 (min)	30	45	40	25
	승온속도 (℃/min)	200	250	230	300
세라믹 코팅층		○	○	○	○
표면거칠기 nm(Ra)		53	55	51	48

		비교예1	비교예2	비교예3	비교예4	비교예5	비교예6
열처리	산소분압 (atm)	대기압	10^-6	10^-3	10^-9	10^-12	-
	온도 (℃)	1150	1140	1110	800	1000	-
	시간 (min)	30	45	40	25	25	-
	승온 (℃/min)	200	250	230	300	100	-
금속본드 코팅층		X	X	X	X	X	○
세라믹 코팅층		○	○	○	○	○	○
표면거칠기 nm(Ra)		280	190	155	100	95	317

물성평가

금속 모재의 열처리 과정에서 나타나는 표면거칠기를 측정하였다. 표면거칠기 변화는 금속 모재 표면에서 반응이 일어난 것을 나타낸다. 표면거칠기의 비교를 위해 우선 사전 표면거칠기를 측정하였고, 그 결과 14 내지 22nm(Ra) 수준이었다. 그 다음, 상기 실시예 1 내지 4, 비교예 1 내지 5에 의해 각 금속 모재 시편의 표면거칠기를 측정하였고, 이를 상기 표 1 및 2에 나타내었다.

측정결과

도 5는 비교예 1에 의한, 대기중에서 열처리된 금속 모재의 표면구조를 나타내는 이미지이다.

도 5를 참조하면, 비교예 1과 같이, 금속 모재를 열처리하는 과정에서 산소 분압을 낮추지 않고 대기중에서 수행할 경우, 표면에 기공이 많은 산화물층이 형성됨을 알 수 있고, 이러한 기공은 세라믹층과의 결합력을 저하시킨다.

도 6은 비교예 1에 의한, 대기중에서 열처리된 금속 모재의 단면 외관을 나타내는 이미지이다.

도 6을 참조하면, 상기 비교예 1의 금속 모재 표면에 형성된 기공 단면을 살펴보면, 산화물층은 여러 층으로 구성되어진 것을 알 수 있다. 이때, 최외각층은 니켈을 주성분으로 한 산화물층이며, 이러한 산화물은 고온에서 성장속도가 빠르며, 내부로의 산소 침입을 막을 수 없어 중간결합층 역할을 수행할 수 없다. 그 아래층에는 타이타늄과 탄탈륨을 주성분으로 하는 산화층이 생성되어 있다. 이 또한 상부 니켈 산화물층과 마찬가지로 보호피막 특성을 갖지 않는다. 마지막으로 모재와의 경계에 검은 연속된 상이 존재한다. 이 층은 알루미늄 산화물층으로 보호피막 특성을 갖는다. 하지만 상부 두 층의 존재로 세라믹 층과의 결합력에 기여를 못하고, 두 층의 고온에서의 빠른 성장으로 인해 전체 열차폐코팅이 박리되어 결과적으로 기존의 중간결합층 역할을 수행할 수 없다. 따라서, 상기 비교예 1과 같이, 산소 분압의 조절없이 대기중에서 열처리를 수행할 경우, 기공이 많은 산화물층이 형성되고 세라믹층과의 결합력이 저하되어 중간결합층의 역할을 수행할 수 없는 등 문제가 많으며, 표면거칠기 또한 280nm(Ra)로 사전 측정된 22nm(Ra)에 비해 매우 높음을 알 수 있다.

또한, 산소분압 조건이 10^-6atm인 비교예 2 및 산소분압 조건이 10^-3atm인 비교예 3과 같이, 금속 모재의 열처리시 산소분압을 조절하되 고산소 분압 조건에서 수행할 경우, 그 표면거칠기가 사전 측정된 표면거칠기에 비하여 높은 190nm(Ra), 155nm(Ra)로 나타남을 알 수 있다.

또한, 본 발명과 대비하여, 비교예 4와 같이 고온 열처리시 온도가 낮거나 비교예 5와 같이 승온 속도가 낮은 경우, 열차폐 코팅층의 표면거칠기가 낮고 안정한 산화물층 형성이 어려움을 알 수 있다.

특히, 비교예 6과 같이, 금속본드 결합층을 직접 형성하는 종래의 방법에 의할 경우, 열차폐 코팅층 형성시 표면거칠기가 매우 낮음을 확인할 수 있는 바, 이를 통해 금속본드 결합층이 중간층으로 존재할 경우, 기공이 많은 산화물층이 형성되고 세라믹층과의 결합력이 저하되는 등 문제가 큼을 알 수 있다.

반면에, 도 7은 실시예 1에 의한, 저산소 분압에서 열처리된 금속 모재의 표면구조를 나타내는 이미지이고, 도 8은 실시예 1에 의한, 저산소 분압에서 열처리된 금속 모재의 단면 외관을 나타내는 이미지이다.

도 7 내지 8을 참조하면, 실시예 1과 같이, 10^-9atm의 저산소 분압 조건에서 금속 모재의 표면에 열처리를 수행할 경우, 대기압에서 관찰되던 기공이 존재하지 않음을 알 수 있고, 그 단면을 보면 얇고 연속적인 단일층이 치밀하게 형성되어 있는 것을 알 수 있다. 이를 통해, 알루미늄 산화물층으로 외부에서 침입하는 산소를 효과적으로 막을 수 있고, 세라믹층과의 결합력을 저하시키지 않는 것을 알 수 있다. 또한, 실시예 1에 의해 측정된 표면거칠기가 53nm(Ra)로 사전 측정된 표면거칠기와 큰 차이가 없으며, 전술한 비교예 1 내지 5와 비교하여 매우 안정된 표면 반응이 이루어졌음을 알 수 있다.

또한, 실시예 2 내지 4와 같이, 금속 모재의 표면 열처리시 산소 분압을 10^-10atm, 10^-11atm, 10^-12atm의 저산소 분압 조건에서 수행할 경우, 상기 표 1에 측정된 표면 거칠기와 같이, 매우 안정한 고온 산화물층이 형성되어 외부 코팅없이도 저산소 분압조건에서의 열처리만으로 중간결합코팅층을 대체할 수 있음을 알 수 있다.

이상의 측정결과를 통해, 본 발명에 의한 열차폐 코팅층 형성방법에 의할 경우, 금속 모재를 저산소 분압 조건에서 고온 열처리함으로서 모재 표면에 외부에서 금속분말을 직접 코팅하지 않고도 고온 안정한 산화물층 형성이 가능하고 비용절감, 공정시간 단축 및 설비 수명주기 상승 등 우수한 효과가 구현될 수 있고, 또한, 외부 코팅에 의한 금속 중간 결합층의 물리적 결합보다 결합력이 뛰어나고 우수한 열차폐기능 및 코팅건전성을 구현하여 발전설비나 항공기 가스터빈 엔진 등에도 적용 가능한 효과가 있음을 알 수 있다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

10 : 금속 모재 20 : 금속본드 코팅층
30 : 알루미나층 50 : 세라믹 코팅층
100 : 열차폐 코팅층

Claims

알루미늄을 함유하는 금속 모재를 산소 분압 10^-9atm 내지 10^-12atm의 진공조건에서, 200 내지 400℃/min로 승온하여 1100 내지 1150℃에서 열처리하여 금속 모재 표면에 알루미나층을 형성하고; 그리고,
상기 알루미나층 표면에 세라믹 코팅층을 형성하는 단계;를 포함하되,
상기 금속 모재는 가스터빈 부품용 니켈계 또는 코발트계 초합금을 포함하며,
상기 가스터빈 부품용 니켈계 또는 코발트계 초합금은 알루미늄(Al)을 5 내지 20중량% 포함하는 것을 특징으로 하는, 열차폐 코팅층 형성방법.
삭제
제1항에 있어서,
상기 진공조건에서 열처리하기 전에, 전처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 열차폐 코팅층 형성방법.
제1항에 있어서,
상기 알루미나층은 상기 금속 모재에 접하고, 상기 알루미나층과 상기 금속 모재 사이에 금속결합층이 형성되지 않는 것을 특징으로 하는, 열차폐 코팅층 형성방법.
제1항에 있어서,
상기 열처리는 200 내지 400℃/min로 승온하여 1100 내지 1150℃에서 유지한 후 서냉하는 것을 특징으로 하는, 열차폐 코팅층 형성방법.
금속 모재 표면에 형성되는 알루미나층; 및
상기 알루미나층 표면에 형성되는 세라믹 코팅층;을 포함하고,
상기 금속 모재는 가스터빈 부품용 니켈계 또는 코발트계 초합금을 포함하며,
상기 가스터빈 부품용 니켈계 또는 코발트계 초합금은 알루미늄(Al)을 5 내지 20중량% 포함하고,
상기 알루미나층의 표면거칠기가 30㎚ 내지 60㎚(Ra)인 것을 특징으로 하는, 열차폐 코팅층.
삭제
제6항에 있어서,
상기 알루미나층은 상기 금속 모재에 접하고, 상기 알루미나층과 상기 금속 모재 사이에는 금속결합층이 존재하지 않는 것을 특징으로 하는, 열차폐 코팅층.
제6항에 있어서,
상기 알루미나층은 층두께가 0.001㎛ 내지 1㎛ 이고, 상기 세라믹 코팅층은 층두께가 200㎛ 내지 500㎛ 인 것을 특징으로 하는, 열차폐 코팅층.