KR19990051968A - 단열코팅방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 단열 코팅방법에 관한 것이며, 그 목적하는 바는 금속분말로 행하는 금속코팅외에 세라믹 코팅을 추가하고, 또한 열 사이클 환경에서 잘 견디기 위하여 금속 코팅과 세라믹 코팅 사이에 중간 코팅으로서 금속 세라믹 복합 재료를 첨가하는 삼중 코팅을 행함으로써, 최대한 열팽창 계수를 저감하여 열 사이클시 발생하는 잔류응력을 최소화하는 단열성이 우수한 코팅층이 얻어지는 코팅방법을 제공하고자 하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 Ni, Co, Fe 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 금속에 Cr-Al-Y이 함유된 합금분말, 또는 Cr-Al이 함유된 합금분말, 또는 Cr이 함유된 합금분말을 이용하여 본드코팅하고; MgO의 함량이 20-30wt%인 ZrO2-MgO 세라믹분말 50-75wt%와, Cr 10-30wt%, Al 5-10wt%, 나머지 Ni인 합금분말 25-50wt%의 혼합분말로 중간코팅하고; Al2O360-80wt% 와 MgO 20-40wt%로 구성된 세라믹 분말을 이용하여 탑코팅을 행하는 단열코팅방법에 관한 것을 그 요지로 한다.

Description

단열 코팅방법
본 발명은 세라믹, 고분자, 금속 등을 소지로 하는 모재에 우수한 단열성을 갖게하는 코팅방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열전도도가 나쁜 세라믹과 금속을 이용하여 3중으로 코팅층을 형성시킴으로써 단열성이 우수한 코팅층이 얻어지는 코팅방법에 관한 것이다.
단열 코팅의 용도는 가스 터빈 엔진과 같이 모재가 외부로부터 열차단이 요구되는 모든 상업적 용도에 사용된다. 가스터빈 엔진의 경우는 단열 코팅으로 인하여 사용 온도를 증대시킬 수 있고, 냉각 효과 증대를 초래하여 결국에는 엔진의 효율성 증대를 도모하게 되어 단열 코팅의 가장 주요한 용도로 사용되고 있다.
가스 터빈에 가장 많이 사용되는 단열 코팅재는 ZrO2-Y2O3재로서 Y2O3는 6-8%가 가장 적당한 조성으로 알려져 있다. 이에 관한 특허로는 EP 338520 (1989). EP 266299 (1988), JP 60194056 (1985), 그리고 US 4537744 (1985)등이 있다. 상기의 특허에서는 금속의 본드 코팅재와 세라믹 탑 코팅재의 소재에 대하여 규정하고 있다. 한편, 단열 코팅의 수명 증대와 접착력 증대를 위하여, 코팅시 금속 분말과 세라믹 분말을 점차적으로 비율을 변화시켜 코팅하는 방법에 대하여는 규정하는 특허도 있다. (US 4248940, 1981)
그러나, 세라믹을 플라즈마 용사 코팅하는 경우에는 기공이 거의 항상 10-15% 정도 존재하게 되며, 기공도 증가로 단열성은 증가하지만 접착력이 감소하여 수명 감소를 초래하는 문제점이 있다. 또한, 열 사이클이 반복될 시 세라믹과 금속과의 열팽창계수 차이에서 오는 열응력이 발생하게 되어 결국에는 균열이 발생하고 파손되게 되는 문제점도 발생한다.
이에, 본 발명자들은 상기와 같은 문제점이 발생하지 않는 코팅방법에 대하여 연구와 실험을 거듭하고, 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로, 본 발명은 금속분말로 행하는 금속코팅외에 세라믹 코팅을 추가하고, 또한, 열사이클 환경에서 잘 견디기 위하여 금속 코팅과 세라믹 코팅 사이에 중간 코팅으로서 금속-세라믹 복합재료를 첨가하는 삼중 코팅을 행함으로써, 최대한 열팽창계수를 저감하여 열사이클시 발생하는 잔류응력을 최소화하는 단열성이 우수한 코팅층이 얻어지는 코팅방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.
도 1은 단열성 측정 실험장치를 도식적으로 보인 개략도
도 2는 발명예의 노내부 온도에 따른 시편표면온도를 보이는 그래프
도 3은 1200℃에서의 단열효과를 보이는 그래프
도 4는 비교예(3)의 단면조직사진
도 5는 발명예의 단면조직사진
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 Ni, Co, Fe 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 금속에 Cr-Al-Y이 함유된 합금분말, 또는 Cr-Al이 함유된 합금분말, 또는 Cr이 함유된 합금분말을 이용하여 본드코팅하고; MgO의 함량이 20-30wt%인 ZrO2-MgO 세라믹분말 50-75wt%와, Cr 10-30wt%, Al 5-10wt%, 나머지 Ni인 합금분말 25-50wt%의 혼합분말로 중간코팅하고; Al2O360-80wt% 와 MgO 20-40wt%로 구성된 세라믹 분말을 이용하여 탑코팅을 행하는 단열코팅방법에 관한 것이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명에서는 금속분말을 이용하여 본드코팅을 행한다.
상기 본드코팅은 Ni, Co, Fe 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 금속에 Cr-Al-Y이 함유된 합금분말, 또는 Cr-Al이 함유된 합금분말, 또는 Cr이 함유된 합금분말을 이용하는 것과 같은 통상의 방법으로 행할 수 있다.
이때, 바람직한 합금조성으로는 Cr이 20-30wt%, Al이 5-15wt%, Y이 0.1-1wt%의 함량으로 함유되는 것이다.
또한, 본 발명에서는 세라믹 분말과 합금분말의 혼합분말을 이용하여 중간코팅을 행한다.
이때, 상기 세라믹 분말과 합금분말의 비율은 각각 50-75wt%와 25-50wt%로 한다. 상기 합금분말의 비율이 25wt%보다 작으면, 중간 코팅의 효과가 거의 얻어지지 않고, 50wt% 를 초과하면 단열성이 떨어지기 때문이다.
또한, 상기 세라믹분말은 MgO의 함량이 20-30wt%인 ZrO2-MgO 세라믹 분말로써, MgO의 함량이 20wt% 미만이거나 30wt%를 초과하면 ZrO2의 안정화가 제대로 이루어지지 않는다.
또한, 상기 합금분말은 Cr 10-3wt%, Al 5-10wt%이고 나머지가 Ni로 이루어진 것이다. 상기 Cr 과 Al의 함량이 상기 범위를 벗어나면 내부식성의 효과가 떨어진다.
또한, 본 발명에서는 Al2O3와 MgO로 구성된 세라믹 분말을 이용하여 탑코팅을 행한다.
상기 Al2O3와 MgO의 비율은 각각 60-80wt% 와 20-40wt%로 행하는데, 그 이유는 스피넬 형성에 효과적인 범위이기 때문이다.
상기와 같은 조성으로 행하는 각 코팅은 50㎛이상의 두께로 행하는 것이 바람직한데, 그 이유는 50㎛미만에서는 각 코팅층의 효과가 거의 사라지기 때문이다. 또한, 상기 3중의 코팅층 두께 합이 200-500㎛인 것이 바람직한데, 그 이유는 너무 두꺼운 경우는 경제성이 떨어지고, 너무 두꺼우면 박리가 일어날 가능성이 있기 때문이다.
본 발명에서는 상기와 같은 본드코팅, 중간코팅, 탑코팅을 플라즈마 용사기법에 의해 행하는 것이 가장 효율적이며 바람직하다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
실시예
단열성을 측정하기 위한 시편을 하기 표1과 같은 조건으로 코팅하였다. 이때 본드 코팅층의 두께는 약 50㎛로 동일하고, 중간 코팅과 탑 코팅의 두께는 각각 약 100㎛였으며, 중간 코팅이 없는 경우는 탑 코팅이 약 200㎛정도였다.
본드 코팅 중간코팅 탑 코팅
발명예 Co32Ni21Cr8Al0.5Y ZrO2-15MgO-26Ni7Cr2Al Al2O3-30MgO
비교예 1 Co32Ni21Cr8Al0.5Y - Al2O3-40ZrO2
비교예 2 Co32Ni21Cr8Al0.5Y - Al2O3-30MgO
비교예 3 Co32Ni21Cr8Al0.5Y - ZrO2-7Y2O3
비교예 4 Co32Ni21Cr8Al0.5Y - Al2O3-3TiO2
비교예 5 Co32Ni21Cr8Al0.5Y Al2O3-30(Ni20Al) Al2O3-3TiO2
비교예 6 Co32Ni21Cr8Al0.5Y MgZrO3-35NiCr Al2O3-30MgO
도 1에서는 코팅층의 단열성을 측정하기 위한 실험장치를 보이고 있다. 즉, 기판만을 측정시와 기판에 코팅을 적용시의 노 내부와 노 외부의 시편 표면 온도를 측정하여 코팅에 의한 단열 효과를 측정하는 것이다.
상기 장치를 이용하여 상기 발명예의 시편에 대한 온도를 측정하여, 그 결과를 도 2에 나타내었다. 도 2에 있어서, 코팅을 적용시의 온도 분포에서 코팅없이 기판만을 측정한 온도 분포를 뺀 ΔT 값이 코팅에 의한 단열 효과이다. 단열 효과는 온도가 증가함에 따라 거의 직선적으로 증가함을 보이고 있다.
또한, 상기 표 1에서의 조건으로 코팅을 행하여 각각의 시편에 대한 단열효과를 측정하여 그 결과를 도 3에 나타내었다.
도 3에서 알 수 있는 바와같이 발명예의 경우가 가장 높은 단열효과를 보였다.
한편, 여러가지의 코팅재료에 대한 코팅층의 특성을 측정하여 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
코팅재료 열팽창계수(x10-6K-1) 기공도(%) 산화물(%)
코팅재 a Al2O3-30MgO 9.4 12.3 -
코팅재 b Al2O3-40ZrO2 12.0 8.8 -
코팅재 c ZrO2-7Y2O3 10.4 9.6 -
코팅재 d Al2O3-3TiO2 6.7 9.2 -
코팅재 e Al2O3-30(Ni20Al) 9.6 10.9 8.1
코팅재 f MgZrO3-35NiCr 10.6 13.9 11.0
코팅재 g ZrO2-15MgO-26Ni7Cr2Al 12.4 13.4 28.2
금속 Steel 16.4 - -
상기 표 2의 결과로 부터 상기 표 1의 각 코팅방법에 대한 단열효과를 알아보면 다음과 같다.
즉, 코팅재(b)를 사용한 비교예(1)의 경우는 열팽창계수는 크지만, 단열 특성이 저하함을 볼 수 있고, 코팅재(a)를 사용한 비교예(2)는 현재 단열 코팅으로 가장 많이 사용되는 비교예(3, 코팅재(c))에 비하여 열팽창계수도 작고, 단열 특성도 떨어짐을 볼 수 있다.
그러나, 발명예의 삼중 코팅은 단열 특성이 현저하게 증가함을 볼 수 있다. 단열 특성이 우수할 뿐만 아니라, 보통 금속의 열팽창계수가 16-17 (x10-6K-1)이므로 16에서 코팅재(c)의 10.4로 떨어지는 비교예(3) 보다는 발명예에서처럼 코팅재(g)의 12.4로 저하했다가 코팅재(a)의 9.4로 저하하는 것이 열팽창계수 차이를 줄여서 열 사이클시 응력을 저하시킬 수 있어서 수명 연장에 도움을 준다.
한편, 도 4와 도 5는 비교예(3)과 발명예의 단면조직사진으로서, 도 5는 본드코팅, 중간코팅, 탑코팅까지 양호하게 유지되어 있음을 알 수 있다.
상술한 바와같이, 본 발명의 단열코팅방법에 의하면 우수한 단열특성을 갖는 코팅층을 얻을 뿐만아니라, 열팽창계수 차이를 최소화하였기 때문에 코팅수명이 연장되고, 고온내마모, 내부식환경을 요구하는 환경의 코팅층을 형성할 수 있다.

Claims (4)

  1. Ni, Co, Fe 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 금속에 Cr-Al-Y이 함유된 합금분말, 또는 Cr-Al이 함유된 합금분말, 또는 Cr이 함유된 합금분말을 이용하여 본드코팅하고;
    MgO의 함량이 20-30wt%인 ZrO2-MgO 세라믹분말 50-75wt%와, Cr 10-30wt%, Al 5-10wt%, 나머지 Ni인 합금분말 25-50wt%의 혼합분말로 중간코팅하고;
    Al2O360-80wt% 와 MgO 20-40wt%로 구성된 세라믹 분말을 이용하여 탑코팅을 행하는 것을 특징으로 하는 단열코팅방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 각 코팅은 그 두께를 각각 50㎛이상으로 하고, 코팅전체의 두께를 200-500㎛로 하는 것을 특징으로 하는 단열코팅방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 각 코팅은 플라즈마 용사기법을 이용하여 행하는 것을 특징으로 하는 단열코팅방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 Cr-Al-Y이 함유된 합금분말은 Cr이 20-30wt%, Al이 5-15wt%, Y이 0.5-1wt%포함되고; Cr-Al이 함유된 합금분말은 Cr이 20-30wt%, Al이 5-15wt%포함되고; Cr이 함유된 합금분말은 Cr이 20-30wt%포함된 것임을 특징으로 하는 단열 코팅방법.
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