KR20090076514A - 니켈 및 크롬이 코팅된 액체로켓엔진용 재생냉각 연소실 및이의 코팅방법 - Google Patents

니켈 및 크롬이 코팅된 액체로켓엔진용 재생냉각 연소실 및이의 코팅방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 니켈 및 크롬이 코팅된 액체로켓엔진용 재생냉각 연소실 및 이의 코팅방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 본 발명의 니켈 및 크롬이 코팅된 액체로켓엔진용 재생냉각 연소실은 냉각채널이 구비된 연소실 내피와, 상기 연소실 내피의 일면에 결합되는 연소실 외피를 구비하는 액체로켓엔진용 재생냉각 연소실에 있어서, 연소실 내피의 타면에 무전해 니켈층; 및 전해 크롬층이 순차적으로 코팅된다.
본 발명에 의하면, 코팅에 의한 열 차폐효과뿐만 아니라 접합력과 내구성도 함께 향상된 액체로켓엔진용 재생냉각 연소실을 얻을 수 있다.
니켈, 크롬, 무전해, 코팅, 진공 열처리

Description

니켈 및 크롬이 코팅된 액체로켓엔진용 재생냉각 연소실 및 이의 코팅방법{Regenerative-cooling combustion chamber for liquid-propellant rocket engine coated by Nickel and Chrome and coating method thereof}
본 발명은 액체로켓엔진용 재생냉각 연소실 및 이의 코팅방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 내피 위에 열 차폐효과를 가져오는 코팅 층이 형성된 액체로켓엔진용 재생냉각 연소실 및 이의 코팅방법에 관한 것이다.
우주발사체에 사용되는 고성능 액체로켓엔진 연소기는 큰 추력에 의해 발생하는 높은 열로부터 연소실 벽면이 손상될 수 있으므로 이러한 위험으로부터 상기 연소기를 보호하기 위해 다양한 방법들이 적용되고 있다.
이러한 연소기의 보호방법으로는 재생냉각, 막 냉각, 융제재료(ablative material)를 이용한 냉각, 배출 냉각, 침투 냉각, 복사 냉각 또는 코팅(coating)을 이용한 열 차폐방법 등이 단독 또는 복합적으로 활용되고 있다.
특히 열 차폐방법과 관련한 연소실 내벽의 코팅은 연소실의 열적 내구성을 향상시킬 뿐만 아니라 고온산화 및 고온부식방지의 기능까지 수행하기 때문에 가스터빈의 블레이드 및 베인 그리고 액체로켓엔진 연소기에 널리 사용되고 있다.
현재 가장 널리 사용되고 있는 열 차폐 코팅방식은 플라즈마 스프레이(plasma spray) 기술을 이용한 이중 코팅방식이다.
이러한 플라즈마 스프레이 이중 코팅방식은 세라믹 재질의 이트리아 안정화 지르코니아(yttria stabilized zirconia; YSZ)와 이 재료의 화학적 부착력을 유지시키기 위해 결합층(bonding layer)이라고 하는 M크롬알루미늄이트리아(MCrAlY; M=철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co))이나 니켈알루미늄(NiAl) 등의 금속간 화합물을 코팅하는 것이다.
이와 같은 코팅방식은 지르코니아의 낮은 열전도도와 높은 열팽창계수로 인하여 우수한 열 차폐 특성을 보이지만, 산소 이온의 확산계수가 지르코니아 코팅 층 내에서 크게 나타나기 때문에 대기 중의 산소 이온이 내부로 확산되어 기지 층을 산화시키는 것을 방지할 수 없다는 문제점이 있다.
물론, 상기 결합층이 내부로 확산되는 산소에 의한 모재의 열화를 막아주는 역할을 수행하기도 하지만, 고온산화 및 고온부식에 대한 내구성 개선을 위한 노력이 필요한 상태이다.
또한, 플라즈마 스프레이 기술을 이용한 코팅방식은 적층 구조의 특성과 코팅층간의 확산 정도가 약하기 때문에 열응력에 의한 크랙(crack)과 초음속 유동이 형성되는 곳에서의 얇은 조각(Flake)이 발생할 수 있다.
따라서 우주발사체 선진국에서는 플라즈마 스프레이 방식과 다르게 전해(전기)도금 방식을 이용한 니켈/크롬 코팅을 액체로켓엔진용 재생냉각 연소기의 연소실에 사용하기도 하는데, 이는 전해도금 방식의 특성상 균일한 두께를 얻을 수 없 어 코팅 후 장시간에 걸친 연마(polishing) 작업이 필수적이다.
또한, 전해 니켈 코팅은 핀 홀(pin hole) 및 기공이 발생할 가능성이 높기 때문에 재생냉각 연소실 내벽에 코팅하기 위해서는 복잡한 추가 장치를 필수적으로 설치해야 한다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 코팅 층의 접합력이 개선되고, 균일한 두께의 도금 층이 형성되며, 내구성이 향상된 니켈 및 크롬이 코팅된 액체로켓엔진용 재생냉각 연소실 및 이의 코팅방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 니켈 및 크롬이 코팅된 액체로켓엔진용 재생냉각 연소실은 냉각채널이 구비된 연소실 내피와, 상기 연소실 내피의 일면에 결합되는 연소실 외피를 구비하는 액체로켓엔진용 재생냉각 연소실에 있어서, 상기 연소실 내피의 타면에 무전해 니켈층; 및 전해 크롬층이 순차적으로 코팅된다.
여기서, 상기 무전해 니켈층의 두께는 150~250㎛이고, 상기 전해 크롬층의 두께는 100~200㎛인 것이 바람직하다.
또한, 상기 무전해 니켈층은 1~7중량%의 인이 함유된 도금액을 사용하여 코팅된 것이 바람직하다.
뿐만 아니라, 본 발명의 액체로켓엔진용 재생냉각 연소실의 코팅방법은 냉각채널이 구비된 연소실 내피와, 상기 연소실 내피의 일면에 결합되는 연소실 외피를 구비하는 액체로켓엔진용 재생냉각 연소실의 코팅방법에 있어서, 상기 연소실 내피의 타면에 무전해 니켈층을 코팅하는 단계; 상기 무전해 니켈층을 1차 진공 열처리 하는 단계; 상기 무전해 니켈층 위에 전해 크롬층을 코팅하는 단계; 및 상기 전해 크롬층을 2차 진공 열처리하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 1차 진공 열처리는 530~750℃에서 수행되는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같은 본 발명의 액체로켓엔진용 재생냉각 연소실은,
첫째, 코팅 층의 두께를 일정하게 유지할 수 있어 연소실의 내부 윤곽(contour)이 보존될 수 있다.
둘째, 코팅 층의 확산에 따른 접합력 및 인장강도의 증가로 재생냉각 연소실의 열적 내구성을 향상시킬 수 있다.
셋째, 열 차폐효율 뿐만 아니라 접합력 및 내구성도 함께 향상되므로 열 차폐효율은 우수하지만 접합력 및 내구성 문제로 인하여 제한적으로 사용되었던 항공기 및 발전설비의 세라믹 재질을 이용한 열 차폐코팅(thermal barrier coating; TBC)의 대체 코팅방식으로 활용될 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 도 1 및 도 2를 참고하여 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 액체로켓엔진용 재생냉각 연소실(100)을 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체로켓엔진용 재생냉각 연소실의 단면을 나타낸 개략도이고, 도 2는 도 1에 나타낸 A부분의 확대도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 액체로켓엔진용 재생냉각 연소실(100)은 연소실 외피(110), 연소실 내피(130), 무전해 니켈층(150) 및 전해 크롬층(170)을 구비한다.
상기 연소실 외피(110)는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체로켓엔진용 재생냉각 연소실(100)의 최외곽 층을 형성하는 것으로 스테인리스 스틸 재질로 이루어진 것이 바람직하다.
또한, 상기 연소실 내피(130)는 동, 동합금 또는 스테인리스 스틸 중 어느 하나의 재질로 이루어져 상기 연소실 외피(110)의 내측에 일면이 접합되도록 구비되는 것이 바람직하다.
도 1을 참고하면, 상기 연소실 내피(130)에는 냉각채널을 이루기 위한 리브(rib)와 통로(passage)가 X방향을 따라 형성되어 있다.
도 2를 참고하면, 상기 액체로켓엔진용 재생냉각 연소실(100)의 내부에는 고온의 연소가스가 존재하게 되므로 이러한 고온의 열로부터 연소실 내벽을 보호하기 위하여 상기 연소실 내피(130)의 타면에는 상기 무전해 니켈층(150) 및 전해 크롬층(170)이 순차적으로 코팅된다.
여기서, 상기 무전해 니켈층(150)의 두께는 150~250㎛이고, 상기 전해 크롬층(170)의 두께는 100~200㎛인 것이 바람직하다.
상기 무전해 니켈층(150)의 두께가 150㎛ 미만인 경우에는 내구성이 감소될 수 있다는 문제가 있고, 250㎛를 초과하는 경우에는 도금층에 불량이 발생할 수 있다는 문제가 있다.
또한, 상기 전해 크롬층(170)의 두께가 100㎛ 미만인 경우에는 내구성이 감소될 수 있다는 문제가 있고, 200㎛를 초과하는 경우에는 도금층에 불량이 발생할 수 있다는 문제가 있다.
상기 무전해 니켈층은 1~7중량%의 인이 함유된 도금액을 사용하여 코팅된 것이 바람직하다.
이때, 무전해 니켈층을 코팅하기 위한 도금액에 포함된 인은 니켈과 함께 상기 연소실 내피(130)의 타면에 코팅되며, 열처리 과정을 통해 니켈 인(Ni3P) 상(phase)을 석출하게 된다.
상기 인의 함유량이 많을수록 니켈 인(Ni3P)의 석출 량이 많아지며, 동시에 코팅 층에 존재하는 니켈(Ni) 상과 니켈 인(Ni3P) 상간의 확산이 이루어지게 된다.
여기서, 상기 코팅층에 기본이 되는 상이 무엇이냐에 따라 열처리 후 그 특성이 달라진다.
즉, 니켈이 기본상으로 존재하며 니켈 인이 확산 되는 경우 코팅층의 인장강도는 증가하지만, 경도는 니켈 인이 기본상인 경우에 비해 떨어지게 된다. 반면에, 니켈 인이 기본상으로 존재하여 니켈이 확산되는 경우에는 경도는 우수하지만 인장강도는 떨어져 온도 구배가 큰 경우 크랙(crack)이 발생할 수 있다.
따라서 사용 목적에 맞는 인의 함유량 조절이 요구되며, 본 발명의 일 실시예에 따른 액체로켓엔진용 재생냉각 연소실(100)에서는 상기 무전해 니켈층(150)의 코팅에 사용되는 도금액은 인이 1~7중량%의 범위로 함유되어 열처리가 수행되는 경우, 고온환경 하에서 사용할 수 있다는 장점을 가지며, 인장강도 및 연성 면에서 우수한 코팅효과를 나타낸다.
이하, 도 3을 참고하여 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 액체로켓엔진용 연소실(100)의 코팅방법을 설명하도록 한다. 도 3은 도 1에 나타낸 액체로켓엔진용 재생냉각 연소실의 코팅방법을 나타낸 블록흐름도이다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 액체로켓엔진용 연소실(100)의 코팅방법은 무전해 니켈층 코팅단계(S110), 1차 진공 열처리단계(S120), 전해 크롬층 코팅단계(S130) 및 2차 진공 열처리단계(S140)를 포함한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 액체로켓엔진용 연소실(100)의 코팅방법에서는 우선적으로 전처리공정이 수행될 수 있는데, 마스킹(masking)공정 및 정착물(fixture)설치공정을 수행한 후 탈지 및 수세를 수행한다.
이때, 상기 탈지 및 수세는 1차 탈지를 수행하고, 수세한 다음 질산에 의한 탈지 후 수세하고, 다시 전해 탈지 후 수세하고, 니켈스트라이크공정을 거쳐 수세 하는 과정으로 이루어질 수 있다.
다만, 상기 전처리 공정은 상기 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 목적에 따라 무전해 니켈층의 코팅이 잘 이루어지도록 하기 위하여 연소실 내피에 행하는 전처리공정은 모두 포함될 수 있다.
상기 전처리 공정 후에 일면이 연소실 외피의 내측과 결합된 연소실 내피의 타면에 무전해 니켈층을 코팅한다(S110).
상기 무전해 니켈층의 코팅 시에는 인이 1~7중량%로 함유된 도금액을 이용하여 코팅하는 것이 바람직하다.
상기 인이 도금액에 1~7중량%로 함유되어 열처리가 수행되는 경우에 인장강도 및 연성 면에서 우수한 장점이 있다는 것은 상술한 바와 같으므로 반복적인 설명은 생략하도록 한다.
상기 무전해 니켈층이 코팅되면, 1차 진공 열처리를 수행한다(S120).
상기 진공 열처리는 무전해 도금액을 사용함으로써 포함된 인 성분과 니켈 성분의 화학반응과 코팅층의 확산을 발생시킴으로써 접합력과 인장강도를 증가시킨다.
이때, 상기 1차 진공 열처리는 530~750℃에서 수행되는 것이 바람직하다.
열처리 과정에서 산화되는 것을 방지하기 위해서는 진공 상태에서 열처리를 수행해야 하며, 그 온도는 니켈 인상이 석출될 수 있는 온도 조건이어야 한다. 이때, 니켈 인상의 석출 온도는 400℃ 근처에서 최대가 되지만 니켈 인과 니켈 간의 확산을 위해서는 이보다 높은 온도 조건이 바람직하다.
따라서 니켈의 재결정 온도는 530~660℃이므로 이러한 재결정 온도의 최소치인 530℃보다 낮은 온도에서 진공 열처리가 이루어지는 경우 경도가 증가하므로 이에 적합한 경우에 사용하여야 한다는 문제가 있고, 750℃를 초과하는 온도에서 수행되는 경우 코팅이 적용된 제품에 문제가 발생할 수 있다.
상기 1차 진공 열처리 단계가 수행된 후에는 상기 무전해 니켈층의 두께 검사를 실시한다.
상기 무전해 니켈층의 두께는 150~250㎛인 것이 바람직하다.
이어서, 상기 무전해 니켈층 다시 마스킹 공정, 정착물 설치공정, 탈지 및 수세공정을 거친 후 에칭하여 표면을 평평하게 만든 후에 전해 크롬층을 코팅한다(S130).
상기 전해 크롬층을 코팅함으로써 제품의 내마모성, 내열성 및 내식성이 향상시킬 수 있다.
상기 전해 크롬층이 코팅되면 다시 한번 수세한 후 건조시키고, 수소취성을 제거한다. 상기와 같이 수소취성을 제거함으로써 코팅의 성능을 향상시킬 수 있다.
상기 전해 크롬층이 코팅된 후에는 2차 진공 열처리를 수행한다(S140). 상기 2차 진공 열처리를 수행함으로써 니켈이 크롬층까지 확산하여 경계층을 모호하게 함으로써 내구성을 향상시킬 수 있다.
상기 2차 진공 열처리공정까지 수행되면 상기 전해 크롬층의 두께검사를 실시한다. 상기 전해 크롬층의 두께는 100~200㎛인 것이 바람직하다.
이와 같은 공정이 완료된 후 최종적으로 연마(polishing)를 통하여 표면을 매끈하게 함으로써 코팅을 완료한다.
이상과 같이, 본 발명은 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 특허 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체로켓엔진용 재생냉각 연소실의 단면을 나타낸 개략도,
도 2는 도 1에 나타낸 A부분의 확대도,
도 3은 도 1에 나타낸 액체로켓엔진용 재생냉각 연소실의 코팅방법을 나타낸 블록흐름도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 액체로켓엔진용 재생냉각 연소실
110 : 연소실 외피 130 : 연소실 내피
150 : 무전해 니켈층 170 : 전해 크롬층

Claims (5)

  1. 냉각채널이 구비된 연소실 내피와, 상기 연소실 내피의 일면에 결합되는 연소실 외피를 구비하는 액체로켓엔진용 재생냉각 연소실에 있어서,
    상기 연소실 내피의 타면에 무전해 니켈층; 및
    전해 크롬층이 순차적으로 코팅된 액체로켓엔진용 재생냉각 연소실.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 무전해 니켈층의 두께는 150~250㎛이고,
    상기 전해 크롬층의 두께는 100~200㎛인 것을 특징으로 하는 액체로켓엔진용 재생냉각 연소실.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 무전해 니켈층은 1~7중량%의 인이 함유된 도금액을 사용하여 코팅된 것을 특징으로 하는 액체로켓엔진용 재생냉각 연소실.
  4. 냉각채널이 구비된 연소실 내피와, 상기 연소실 내피의 일면에 결합되는 연소실 외피를 구비하는 액체로켓엔진용 재생냉각 연소실의 코팅방법에 있어서,
    상기 연소실 내피의 타면에 무전해 니켈층을 코팅하는 단계;
    상기 무전해 니켈층을 1차 진공 열처리하는 단계;
    상기 무전해 니켈층 위에 전해 크롬층을 코팅하는 단계; 및
    상기 전해 크롬층을 2차 진공 열처리하는 단계를 포함하는 액체로켓엔진용 재생냉각 연소실의 코팅방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 1차 진공 열처리는 530~750℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 액체로켓엔진용 재생냉각 연소실의 코팅방법.
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