KR20170034252A - Method for forming thermal barrier coating layer and thermal barrier coating layer formed by the same - Google Patents

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Abstract

Disclosed are a method for forming a thermal barrier coating layer and a thermal barrier coating layer formed thereby. According to the present invention, the method for forming a thermal barrier coating layer comprises the following steps of: forming an alumina layer on a metal base material surface by heat treating a metal base material containing aluminum at 1100-1150C in a vacuum condition of 10-9 atm to 10-12 atm of oxygen partial pressure; and forming a ceramic coating layer on a surface of the alumina layer.

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}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a method of forming a thermal barrier coating layer and a thermal barrier coating layer formed by the method.

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.The present invention relates to a method of forming a thermal barrier coating layer and a thermal barrier coating layer formed thereby. More particularly, the present invention relates to a method for forming a thermal barrier coating layer which is capable of forming a stable oxide layer at an elevated temperature and having equivalent functions without directly coating the metal powder on the surface of the base material by high temperature heat treatment at a low oxygen partial pressure And a thermal barrier coating layer formed by the thermal barrier coating layer.

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. For aviation and power generation gas turbines, the turbine inlet temperature (TIT) or the combustion temperature is operated above 1,000 ℃ to obtain high thermal efficiency. In this operating environment, parts that come into direct contact with high temperature combustion gases are mostly made of nickel-base or cobalt-base superalloy with high heat resistance.

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.For example, a bond coat (MCrAlY, M = Ni, Co) or bond coat + zirconia (zirconia) may be added to components such as a first stage blade, a vane, ZrO2) based thermal barrier coating (TBC) is applied to a thickness of 200 m or more.

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.The conventional thermal spray coating method is performed by laminating a material having a low thermal conductivity on a surface of a material to slow heat transfer and to shield the heat of the high temperature combustion gas due to the internal pores formed during coating. At this time, the thermal barrier coating system is composed of two coating layers.

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. At this time, the outermost layer has a ceramic coating layer that directly shields heat. However, due to the difference in thermal expansion coefficient between the ceramic coating layer and the base metal, the ceramic coating layer is easily peeled off in a repeated operating environment of high temperature and low temperature. In order to compensate for this, a metal component having a coefficient of thermal expansion between the base metal and the ceramic coating layer is coated on the base metal, which is referred to as a metal bond (metal bond) coating.

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.Such a metal bond coat layer facilitates bonding between the ceramic coating layer and the metal base material and prevents high temperature oxidation of the metal base material due to external harsh environment. This is due to the principle that stable aluminum oxide is formed at the interface between the ceramic coating layer and the metal bond coat layer to prevent movement of the metal element in the opposite direction to the oxygen coming from the outside to the inside.

도 1은 종래 발명에 의한 열차폐 코팅층 형성방법을 개략적으로 나타내는 순서도이고, 도 2는 종래 발명에 의해 형성된 열차폐 코팅층을 개략적으로 나타내는 단면도이다.FIG. 1 is a flow chart schematically showing a method of forming a thermal barrier coating layer according to the conventional invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a thermal barrier coating layer formed by a conventional invention.

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.Referring to FIGS. 1 and 2, the conventional thermal spray coating is performed by blasting the base material 10 to form surface irregularities, and then cleaning the surface with acetone or the like to remove contaminants on the surface. Next, the surface of the base material 10 is preheated, and then the surface of the base metal material 10 is coated with a metal alloy powder (component: MCrAlY, M = Ni or / and Co) by using a high-temperature plasma in vacuum, . After that, ceramic coating (YSZ: yttria-stabilized zirconia, ZrO2-8Y2O3) is used for heat-shielding, and finally post-heat treatment is carried out. The aluminum oxide layer 30 is formed at the interface between the metal bond coat layer 20 and the ceramic coating layer 50 by the post heat treatment to protect the base material 10 from high temperature oxidation.

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.However, according to this conventional method, the cost of the plasma spray coating equipment, the metal alloy powder, the processing time and the work force is large and the cost of the plasma spray coating equipment, There arises a problem that an undesired image is generated due to the occurrence of a shift in the image.

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. An object of the present invention is to provide a coating layer which is capable of forming a stable oxide layer at an elevated temperature even when the metal base material is subjected to a high-temperature heat treatment under a low oxygen partial pressure condition without having a metal powder directly coated on the surface of the base material.

본 발명의 다른 목적은, 비용이 절감되고, 보다 짧은 공정시간이 소요되며 효율적인 새로운 중간 결합층 형성이 가능한 코팅층을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a coating layer which is cost-effective, requires a shorter processing time, and is capable of forming an efficient new intermediate bonding layer.

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.It is still another object of the present invention to provide a coating layer which prevents movement of constituent elements due to a difference in composition between a base material and a metal bond coat layer to prevent an undesired phase from being generated.

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.It is still another object of the present invention to provide a coating method which is superior in bonding strength to physical bonding of a metal intermediate bonding layer by an outer coating by producing chemical bonding by stable oxides formed using aluminum present in a base material.

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.Still another object of the present invention is to provide a coating method which can form a ceramic coating layer thicker by a thickness required for an original metallic intermediate bonding layer, thereby realizing an excellent heat shielding function and a coating soundness.

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. It is another object of the present invention to provide a coating method which can be applied not only to a gas turbine of a power generation facility but also to an aircraft gas turbine engine and is continuously applicable during operation of the facility, .

본 발명의 상기 및 기타의 목적들은 하기 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다. The above and other objects of the present invention can be achieved by the present invention described below.

본 발명의 하나의 관점은 알루미늄을 함유하는 금속 모재를 산소 분압 10-9 atm 내지 10-12 atm의 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.One aspect of the present invention is to heat-treat a metal base material containing aluminum at a temperature of 1100 to 1150 占 폚 under a vacuum condition of an oxygen partial pressure of 10 -9 atm to 10 -12 atm to form an alumina layer on the surface of the metal base material; And forming a ceramic coating layer on the surface of the alumina layer.

구체예에서, 상기 금속 모재는 알루미늄(Al)을 5 내지 20중량%로 포함하는 가스터빈 부품용 니켈계 또는 코발트계 초합금인 것을 특징으로 한다.In an embodiment, the metal matrix is a nickel-based or cobalt-based superalloy for gas turbine components containing aluminum (Al) in an amount of 5 to 20 wt%.

구체예에서, 상기 진공조건에서 열처리하기 전에, 전처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In a specific example, the method further includes pretreatment before the heat treatment in the vacuum condition.

구체예에서, 상기 알루미나층은 상기 금속 모재에 접하고, 상기 알루미나층과 상기 금속 모재 사이에 금속결합층이 형성되지 않는 것을 특징으로 한다.In an embodiment, the alumina layer is in contact with the metal base material, and a metal bonding layer is not formed between the alumina layer and the base metal material.

구체예에서, 상기 열처리는 200 내지 400℃/min로 승온하여 1100 내지 1150℃에서 유지한 후 서냉하는 것을 특징으로 한다. In the specific example, the heat treatment is performed at a temperature of 200 to 400 ° C / min, maintained at a temperature of 1100 to 1150 ° C, and slowly cooled.

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. Another aspect of the present invention relates to an alumina layer formed on a surface of a metal base material containing aluminum; And a ceramic coating layer formed on the surface of the alumina layer, wherein the alumina layer has a surface roughness of 30 nm to 60 nm (Ra).

구체예에서, 상기 금속 모재는, 알루미늄(Al)을 5 내지 20중량%로 포함하는 가스터빈 부품용 니켈계 또는 코발트계 초합금인 것을 특징으로 한다. In an embodiment, the metal base material is a nickel-based or cobalt-based superalloy for gas turbine components containing aluminum (Al) in an amount of 5 to 20 wt%.

구체예에서, 상기 알루미나층은 상기 금속 모재에 접하고, 상기 알루미나층과 상기 금속 모재 사이에는 금속결합층이 존재하지 않는 것을 특징으로 한다. In an embodiment, the alumina layer is in contact with the metal preform, and a metal bonding layer is not present between the alumina layer and the metal preform.

구체예에서, 상기 알루미나층은 층두께가 0.001㎛ 내지 1㎛ 이고, 상기 세라믹 코팅층은 층두께가 200㎛ 내지 500㎛ 인 것을 특징으로 한다. In an embodiment, the alumina layer has a layer thickness of 0.001 탆 to 1 탆, and the ceramic coating layer has a layer thickness of 200 탆 to 500 탆.

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.The method of forming a thermal barrier coating layer according to the present invention and the thermal barrier coating layer formed thereby can form a stable oxide layer even at a high temperature without forming a separate metal powder coating layer by high temperature heat treatment under a low oxygen partial pressure condition, It is possible to form a new intermediate bonding layer which is shorter in the process time and is efficient. In addition, the present invention can prevent an undesired phase from being generated due to a movement between constituent elements due to a difference in composition between the base metal and the coating layer, and the stable oxide formed using the aluminum present in the base material chemically bonds The bonding strength is superior to the physical bonding of the metal intermediate bonding layer by the outer coating. Further, the present invention can form a ceramic coating layer thicker by the thickness required for the original metal intermediate bonding layer, thereby realizing excellent heat-shielding function and coating integrity, and can be applied not only to a gas turbine of a power generation facility but also to an aircraft gas turbine engine And can be continuously applied during operation of the facility, which has the same life cycle as the facility.

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.
1 is a flowchart schematically showing a method of forming a thermal barrier coating layer according to the prior art.
2 is a cross-sectional view schematically showing a thermal barrier coating layer formed by the conventional invention.
3 is a flowchart schematically showing a method of forming a thermal barrier coating layer according to the present invention.
4 is a cross-sectional view schematically showing a thermal barrier coating layer formed by the present invention.
5 is an image showing the surface structure of a metal base material heat-treated in the atmosphere according to Comparative Example 1. Fig.
6 is an image showing a cross-section of a metal base material heat-treated in air according to Comparative Example 1. Fig.
7 is an image showing the surface structure of a metal base material heat-treated at a low oxygen partial pressure according to Example 1. Fig.
8 is an image showing a cross section of a metal base material heat-treated at a low oxygen partial pressure according to Example 1;

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.Embodiments of the present application will now be described in more detail with reference to the accompanying drawings. However, the techniques disclosed in the present application are not limited to the embodiments described herein but may be embodied in other forms.

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.The embodiments disclosed herein are provided so that the disclosure can be thorough and complete, and will fully convey the scope of the present application to those skilled in the art. In the drawings, the width, thickness, and the like of the components are enlarged in order to clearly illustrate the components of each device. In addition, although only a part of the components is shown for convenience of explanation, those skilled in the art can easily grasp the rest of the components.

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. It is to be understood that when an element is described above as being located above or below another element, it is to be understood that the element may be directly on or under another element, It means that it can be done. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit and scope of the invention. In the drawings, the same reference numerals denote substantially the same elements.

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.It is to be understood that the singular forms "a", "an", and "the" include plural referents unless the context clearly dictates otherwise, and the terms "comprise" Components, components, or combinations thereof, and does not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof .

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.Further, in carrying out the method or the manufacturing method, the respective steps of the method may take place differently from the stated order unless clearly specified in the context. That is, each process may occur in the same order as described, may be performed substantially concurrently, or may be performed in the opposite order.

이하, 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

열차폐Train waste 코팅층 형성방법 Coating layer forming method

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. A method of forming a thermal barrier coating layer which is one aspect of the present invention is a method of forming a thermal barrier coating layer by heat-treating a metal base material containing aluminum at a temperature of 1100 to 1150 캜 under a vacuum of 10 -9 atm to 10 -12 atm, (S100), and forming a ceramic coating layer on the surface of the alumina layer (S200).

이하, 본 발명에 의한 열차폐 코팅층 형성방법의 각 단계에 대하여 상술한다.Each step of the method for forming a thermal barrier coating layer according to the present invention will be described in detail below.

도 3은 본 발명에 의한 열차폐 코팅층 형성방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.3 is a flowchart schematically showing a method of forming a thermal barrier coating layer according to the present invention.

도 3을 참조하면, 본 발명의 열차폐 코팅층 형성방법은 알루미나층 형성단계(S100) 및 세라믹 코팅층 형성단계(S200)를 포함한다. Referring to FIG. 3, the thermal spray coating layer forming method of the present invention includes an alumina layer forming step (S100) and a ceramic coating layer forming step (S200).

알루미나층 형성Alumina layer formation

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.It said aluminum oxide layer forming step (S100) is the base metal containing aluminum oxygen partial pressure is 10 - 9 -12 atm to 10 atm by heating at 1100 to 1150 ℃ in vacuum conditions for the purpose of forming an alumina layer on the base metal surface .

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. The alumina layer when forming the metal base material 10, the oxygen partial pressure-lowering the oxygen partial pressure to a low oxygen condition in the vacuum of 9 atm to 10 -12 atm, stable in accordance with the principles of oxide generated in a metal surface in accordance with the oxygen partial pressure at a constant temperature that varies To form aluminum oxide.

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. The low oxygen partial pressure, and then charged to the base metal in the chamber oxygen partial pressure, for 10 -9 atm to about 10 -12 atm, for example, 10 may be performed in a manner that reduces the 10 atm to 10 -11 atm. In the range of the low-oxygen partial pressure, the metal intermediate bonding layer is heat-treated without external coating to form a stable oxide layer having a function equivalent to that of a high temperature without forming a metal bond coat layer.

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. The reduction of the oxygen partial pressure can be repeated 3 to 10 times for 30 minutes to 90 minutes, for example, for 40 minutes to 80 minutes, for example, for 50 minutes to 60 minutes, . It is possible to more easily lower the oxygen partial pressure inside the vessel by a conventional low-performance vacuum pump without resorting to a high vacuum pump in the above reduction range. At this time, for example, argon (Ar) gas may be used as the inert gas.

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.The high-temperature heat treatment may be performed by heat-treating the metal base material at 1100 to 1150 ° C, for example, at 1110 to 1140 ° C, for example, at 1120 to 1130 ° C for 15 to 120 minutes, And then charging the furnace to raise the temperature and then cooling the furnace. In the high-temperature heat treatment range, it is possible to form a stable and dense aluminum oxide layer at a high temperature by merely performing a heat treatment by lowering the oxygen partial pressure. Various processes such as coating, blasting and preheating by the expensive plasma spray, To reduce the cost and to further form a ceramic coating layer by the thickness of the intermediate bonding layer by the outer coating, thereby improving the heat shielding function.

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.The temperature rise can be performed at a temperature of 200 to 400 占 폚 / min, for example, 250 to 350 占 폚 / min, for example, 300 to 330 占 폚 / min. The metal base material can be gradually cooled by shutting off the power supply to the furnace after a certain period of time in the temperature raising range. At this time, the cooling of the metal base material is performed by the slow cooling method, and it is possible to prevent the stable aluminum oxide generated on the surface of the metal base material from falling off due to the thermal stress due to the rapid cooling.

세라믹 코팅층 형성Formation of ceramic coating layer

상기 세라믹 코팅층 형성단계(S200)는 상기 알루미나층 표면에 중간 결합층인 금속본드 코팅층을 형성하지 않고 직접 금속 모재에 세라믹 코팅층을 형성하기 위한 목적에서 수행된다. The ceramic coating layer forming step (S200) is performed for forming a ceramic coating layer directly on the metal base material without forming a metal bond coat layer as an intermediate bonding layer on the surface of the alumina layer.

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.Since the ceramic coating layer is formed, heat can be directly shielded from the outermost part of the base material, and a stable oxide layer can be formed without external coating, so that the ceramic coating layer can be formed thicker by the thickness required for the original metal intermediate bonding layer, Function and coating integrity can be realized.

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.The ceramic coating layer may be formed by a well-known method. For example, a ceramics coating layer can be formed by a conventional method using yttria-stabilized zirconia (ZrO2-8Y2O3) or the like. However, if the object of the present invention can be realized, the method is not limited thereto.

전처리Pretreatment

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.The pretreatment step of the surface of the base material may be further included before the heat treatment in the vacuum condition. The pretreatment step may be performed for cleaning the surface of the base material 10 with acetone or the like to remove oil components and contaminants, .

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.In the pretreatment step of the surface of the base material, an oxide layer, which is an alumina layer, can be easily formed through washing and drying, and in particular, a single oxide layer can be densely formed without forming pores on the surface, have.

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.As described above, according to the method of forming a thermal barrier coating layer of the present invention, it is possible to form a stable oxide layer at a high temperature without coating the metal powder directly on the surface of the base material by high temperature heat treatment under a low oxygen partial pressure condition, , Shortening the process time, and increasing the life cycle of the equipment.

열차폐Train waste 코팅층 Coating layer

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. Another aspect of the present invention is a thermal barrier coating layer comprising: an alumina layer formed on a surface of a metal base material containing aluminum; And a ceramic coating layer formed on the surface of the alumina layer, wherein the alumina layer has a surface roughness of 30 nm to 60 nm (Ra).

이하, 본 발명의 열차폐 코팅층에 대하여 상술한다. Hereinafter, the thermal barrier coating layer of the present invention will be described in detail.

도 4는 본 발명에 의해 형성된 열차폐 코팅층을 개략적으로 나타내는 단면도이다. 4 is a cross-sectional view schematically showing a thermal barrier coating layer formed by the present invention.

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.4, the thermal spray coating layer 100 according to the present invention includes an alumina layer 30 formed on the surface of a metal base material 10 containing aluminum and a ceramic coating layer 50 formed on the surface of the alumina layer 30 ).

금속 모재Metal base material

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.The metal base material 10 may be a nickel-based or cobalt-based superalloy for gas turbine components. In order to obtain the high thermal efficiency of the system, the gas turbines for aviation and power generation are operated at a turbine inlet temperature or a combustion temperature of 1,000 ° C or higher. In such an operating environment, parts which are in direct contact with the high temperature combustion gas are required to have high heat resistance , It is preferable to use a nickel-based or cobalt-based superalloy as the base material.

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. The metal base material 10 may be a nickel-based or cobalt-based superalloy for gas turbine components containing aluminum (Al) in an amount of 5 to 20% by weight. In one embodiment, the superalloy, which is the metal base material 10, comprises 5 to 10 wt% cobalt, 5 to 10 wt% chromium (Cr), 0.5 to 3.0 wt% tungsten (W) (Ta), 5 to 20 wt% aluminum (Al), 0.5 to 3.0 wt% titanium (Ti), 0.1 to 2.0 wt% beryllum (Re), and balance nickel (Ni). At this time, the aluminum (Al) may be, for example, 5 to 20 wt%, for example, 7 to 17 wt%, for example, 10 wt% to 100 wt% of the nickel- or cobalt- To 15% by weight. In the aluminum content range, heat and oxygen of the combustion gas are shielded to have strong heat resistance, so that the occurrence of problems such as cracks in the parts directly in contact with the high temperature combustion gas can be reduced.

알루미나층Alumina layer

상기 알루미나층(30)은 금속 모재(10) 표면에 형성되는 것으로, 금속 중간 결합층의 외부 코팅없이 동등한 기능을 갖는 고온에서 안정화되게 형성된 산화물층이다. The alumina layer 30 is formed on the surface of the metal base material 10 and is an oxide layer formed to be stabilized at a high temperature having an equivalent function without the outer coating of the metal intermediate bonding layer.

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. The alumina layer (30) is in contact with the metal base material (10), and there is no metal bonding layer between the alumina layer and the base metal material. This layer structure prevents the movement of the metal element in a direction opposite to the oxygen that enters from the outside of the metal base material 10 and facilitates the bonding between the base material 10 and the ceramic coating layer 50, It is possible to prevent the metal base material 10 from being oxidized at a high temperature.

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. The alumina layer 30 may have a layer thickness of 0.001 탆 to 1 탆, for example, 0.01 탆 to 0.8 탆, for example, 0.1 탆 to 0.7 탆. When the layer thickness of the coating layer is less than 0.001 탆, permeation of oxygen or metal ions through the alumina layer is facilitated and the improvement of the oxidation resistance characteristic becomes insignificant. On the other hand, when the layer thickness of the coating layer exceeds 1 탆 There is a problem that the coating layer is easily peeled off due to an internal stress of the coating layer itself or an external stress due to a difference in thermal expansion coefficient from the metal base material.

세라믹 코팅층Ceramic coating layer

상기 세라믹 코팅층은 본 발명의 일 구체예에 의한 열차폐 코팅층(100)의 알루미나층(30) 표면에 형성되는 것이다. The ceramic coating layer is formed on the surface of the alumina layer 30 of the thermal barrier coating layer 100 according to an embodiment of the present invention.

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.The ceramic coating layer 50 directly shields heat at the outermost layer. In the present invention, a ceramic coating layer can be formed directly on the metal base material without forming a metal bond coat layer.

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. The ceramic coating layer 50 has a layer thickness of 200 탆 to 500 탆, for example, 250 탆 to 450 탆, for example, 300 탆 to 400 탆. If the layer thickness of the coating layer is less than 200 탆, the heat shielding function due to the formation of the ceramic coating layer is insufficient. On the other hand, when the thickness of the coating layer is more than 500 탆, It is difficult to increase the thickness of the ceramic coating layer so that damage is likely to occur and the effect of improving the heat shielding effect can not be realized.

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. The thermal spray coating layer according to the present invention may have a surface roughness of 30 nm to 60 nm (Ra) under a low oxygen partial pressure condition, for example, from 35 nm to 55 nm (Ra) (Ra). The change in surface roughness indicates that the reaction occurred on the surface during the heat treatment of the metal base material. It can be seen that, in the surface roughness range, there is an effect that only one layer of aluminum oxide having a stable cross-section is formed densely without forming pores on the surface of the base material when forming the thermal barrier coating layer according to the present invention.

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.The thermal barrier coating layer according to the present invention has an equivalent function without directly coating the metal powder on the surface of the base material and forms a stable oxide layer even at a high temperature, It is possible to apply the present invention to a power generation facility or an aircraft gas turbine engine by implementing a lung function and a coating soundness.

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.Hereinafter, the configuration and operation of the present invention will be described in more detail with reference to preferred embodiments of the present invention. It is to be understood, however, that the same is by way of illustration and example only and is not to be construed in a limiting sense.

여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.The contents not described here are sufficiently technically inferior to those skilled in the art, and a description thereof will be omitted.

실시예Example

실시예 1Example 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.Nickel-based superalloys for gas turbine components with a composition of Ni-9.5Co-7.7Cr-1.9W-2.1Ta-12.8Al-1.4Ti-1.1Re (at. The base material was cut into 2X2 (width X length) cm specimens, and the specimens were polished to a level of # 2000 SiC using abrasive paper to make the surface conditions the same.

그 다음, 아세톤과 알콜을 이용하여 초음파세척기에서 시편을 세척하였고, 상기 세척된 시편은 압축공기를 이용하여 완전히 건조하였다. 그런 다음, 건조된 시편의 표면 거칠기를 측정하였다. Then, the specimens were washed in an ultrasonic washing machine using acetone and alcohol, and the washed specimens were completely dried with compressed air. Then, the surface roughness of the dried specimen was measured.

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.The prepared specimens were placed in an alumina boat and placed in a reaction vessel composed of a quartz tube and a vacuum pump. And then charged into a tube furnace maintained at 1150 ° C under hypoxic partial pressure (10 -9 atm). At this time, the temperature of the specimen was measured in real time by the thermocouple connected separately.

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.The furnace power was shut off about 15 minutes after the sample temperature reached the set temperature. The surface roughness of the alumina layer was then measured after cooling. Then a ceramic coating (YSZ: yttria stabilized zirconia, ZrO2-8Y2O3) was performed. Thereafter, a post-heat treatment (temperature 1100 ° C, time 120 min, pressure 10 -2 atm) was performed.

실시예 2Example 2

산소 분압을 10-10 atm의 저산소 분압 조건에서 수행한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 조건에서 열차폐 코팅층을 형성하였다. A thermal barrier coating layer was formed under the same conditions as in Example 1, except that the oxygen partial pressure was set to a low oxygen partial pressure of 10 -10 atm.

실시예 3Example 3

산소 분압을 10-11 atm의 저산소 분압 조건에서 수행한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 조건에서 열차폐 코팅층을 형성하였다. A thermal barrier coating layer was formed under the same conditions as in Example 1, except that the oxygen partial pressure was set at a low oxygen partial pressure of 10 -11 atm.

실시예 4Example 4

산소 분압을 10-12 atm의 저산소 분압 조건에서 수행한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 조건에서 열차폐 코팅층을 형성하였다. A thermal barrier coating layer was formed under the same conditions as in Example 1, except that the oxygen partial pressure was set at a low oxygen partial pressure of 10 -12 atm.

비교예 1Comparative Example 1

열차폐 코팅층 형성시 산소 분압조건을 대기압 조건에서 수행한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 조건에서 열차폐 코팅층을 형성하였다. A thermal barrier coating layer was formed under the same conditions as in Example 1, except that oxygen partial pressure was applied at atmospheric pressure to form a thermal barrier coating layer.

비교예 2Comparative Example 2

열차폐 코팅층 형성시 산소 분압조건을 고산소(10-6 atm) 분압 조건에서 수행한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 조건에서 열차폐 코팅층을 형성하였다. A thermal barrier coating layer was formed under the same conditions as in Example 1, except that oxygen partial pressure was applied under high oxygen (10 -6 atm) partial pressure during formation of the thermal barrier coating layer.

비교예 3Comparative Example 3

열차폐 코팅층 형성시 산소 분압조건을 고산소(10-3 atm) 분압 조건에서 수행한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 조건에서 열차폐 코팅층을 형성하였다. A thermal barrier coating layer was formed under the same conditions as in Example 1, except that oxygen partial pressure was applied under high oxygen (10 -3 atm) partial pressure during formation of the thermal barrier coating layer.

비교예 4Comparative Example 4

열차폐 코팅층 형성시 열처리 온도를 저온(800℃)에서 조건에서 수행한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 조건에서 열차폐 코팅층을 형성하였다. A thermal barrier coating layer was formed under the same conditions as in Example 1, except that the heat treatment temperature was set at a low temperature (800 ° C) in forming a thermal barrier coating layer.

비교예 5Comparative Example 5

열차폐 코팅층 형성시 낮은 승온 온도(100℃/min) 조건에서 수행한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 조건에서 열차폐 코팅층을 형성하였다. A thermal barrier coating layer was formed under the same conditions as in Example 1 except that the thermal barrier coating layer was formed at a low temperature elevating temperature (100 ° C / min).

비교예 6Comparative Example 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. The surface of the base material is pre-heated, and then the metal alloy powder (MCrAlY, M = Ni or / Mo) is added to the surface of the base material by washing with acetone or the like after blasting the metal base material by the conventional method, and Co were coated on the surface of the metal base material by using a high-temperature plasma in a low vacuum, and then a ceramic coating (YSZ: yttria-stabilized zirconia, ZrO2-8Y2O3) was finally performed and post-heat treatment was performed to form a thermal barrier coating layer .

  실시예1Example 1 실시예2Example 2 실시예3Example 3 실시예4Example 4 열처리Heat treatment 산소분압
(atm)
Oxygen partial pressure
(ATM)
10-9 10 -9 10-10 10 -10 10-11 10 -11 10-12 10 -12
온도
(℃)
Temperature
(° C)
11501150 11401140 11101110 11201120
지속시간
(min)
duration
(min)
3030 4545 4040 2525
승온속도
(℃/min)
Heating rate
(° C / min)
200200 250250 230230 300300
세라믹 코팅층Ceramic coating layer 표면거칠기 nm(Ra)Surface roughness nm (Ra) 5353 5555 5151 4848

비교예1Comparative Example 1 비교예2Comparative Example 2 비교예3Comparative Example 3 비교예4Comparative Example 4 비교예5Comparative Example 5 비교예6Comparative Example 6 열처리Heat treatment 산소분압
(atm)
Oxygen partial pressure
(ATM)
대기압Atmospheric pressure 10-6 10 -6 10-3 10 -3 10-9 10 -9 10-12 10 -12 --
온도
(℃)
Temperature
(° C)
11501150 11401140 11101110 800800 10001000 --
시간
(min)
time
(min)
3030 4545 4040 2525 2525 --
승온
(℃/min)
Heating
(° C / min)
200200 250250 230230 300300 100100 --
금속본드 코팅층Metal bond coat layer XX XX XX XX XX 세라믹 코팅층Ceramic coating layer 표면거칠기 nm(Ra)Surface roughness nm (Ra) 280280 190190 155155 100100 9595 317317

물성평가Property evaluation

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.The surface roughness of the metal matrix was measured during the heat treatment. The change in surface roughness indicates that the reaction took place on the surface of the base metal. For comparison of the surface roughness, the prior surface roughness was first measured, and as a result, it was in the range of 14 to 22 nm (Ra). Then, the surface roughness of each of the metal base specimens was measured according to Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 5, which are shown in Tables 1 and 2 above.

측정결과Measurement result

도 5는 비교예 1에 의한, 대기중에서 열처리된 금속 모재의 표면구조를 나타내는 이미지이다.5 is an image showing the surface structure of a metal base material heat-treated in the atmosphere according to Comparative Example 1. Fig.

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.Referring to FIG. 5, it can be seen that an oxide layer having a large number of pores is formed on the surface when the oxygen partial pressure is lowered in the atmosphere in the process of heat treatment of the metal base material as in Comparative Example 1, .

도 6은 비교예 1에 의한, 대기중에서 열처리된 금속 모재의 단면 외관을 나타내는 이미지이다.6 is an image showing a cross-sectional appearance of a metal base material heat-treated in the atmosphere according to Comparative Example 1. Fig.

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.Referring to FIG. 6, a pore cross section formed on the surface of the metal base material of Comparative Example 1 shows that the oxide layer is composed of several layers. At this time, the outermost layer is an oxide layer containing nickel as a main component. Such an oxide has a high growth rate at a high temperature and can not prevent oxygen penetration into the inside, so that it can not serve as an intermediate bonding layer. And an oxide layer mainly composed of titanium and tantalum is formed in the lower layer. This also has no protective coating properties like the upper nickel oxide layer. Finally, there is a black continuous phase at the boundary with the base metal. This layer is an aluminum oxide layer and has a protective coating property. However, the presence of the upper two layers does not contribute to the bonding force with the ceramic layer, and the two layers are rapidly grown at a high temperature, so that the entire thermal barrier coating is peeled off. Therefore, as in Comparative Example 1, when the heat treatment is performed in the air without controlling the oxygen partial pressure, the oxide layer having many pores is formed and the bonding force with the ceramic layer is decreased, And the surface roughness is also very high compared to the previously measured 22 nm (Ra) at 280 nm (Ra).

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.Further, when the oxygen partial pressure condition is 10 -6 atm of Comparative Example 2 and the oxygen partial pressure conditions, such as 10 -3 atm in Comparative Example 3, but to adjust the oxygen partial pressure during heat treatment of the base metal and to perform at an oxygen partial pressure conditions, the It can be seen that the surface roughness is 190 nm (Ra) and 155 nm (Ra) higher than the previously measured surface roughness.

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.Also, as compared with the present invention, it can be seen that the surface roughness of the thermal barrier coating layer is low and it is difficult to form a stable oxide layer when the temperature is low during the high temperature heat treatment as in Comparative Example 4 or when the temperature rising rate is low as in Comparative Example 5.

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. In particular, as in Comparative Example 6, when the conventional method of directly forming the metal bond bonding layer is used, the surface roughness of the thermal barrier coating layer is very low. As a result, the metal bond bonding layer exists as an intermediate layer It can be seen that there is a great problem such as formation of oxide layer having many pores and deterioration of bonding force with the ceramic layer.

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.7 is an image showing a surface structure of a metal base material heat-treated at a low oxygen partial pressure according to Example 1 and FIG. 8 is an image showing a cross-sectional appearance of a metal base material heat-treated at a low oxygen partial pressure according to Example 1 .

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.Referring to FIGS. 7 to 8, it can be seen that, when the surface of the metal base material is subjected to the heat treatment under a low oxygen partial pressure of 10 -9 atm, there is no pore observed at atmospheric pressure, It can be seen that a thin and continuous single layer is densely formed. As a result, it can be seen that oxygen invading from the outside can be effectively blocked by the aluminum oxide layer, and the bonding force with the ceramic layer is not lowered. In addition, it can be seen that the surface roughness measured by Example 1 is not much different from the surface roughness measured beforehand at 53 nm (Ra), and a very stable surface reaction is obtained as compared with Comparative Examples 1 to 5 described above.

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. Also, as in Examples 2 to 4, when the oxygen partial pressure during the surface heat treatment of the metal base material was performed under the conditions of 10 -10 atm, 10 -11 atm, and 10 -12 atm and low-oxygen partial pressure, the surface roughness , It can be seen that a highly stable high temperature oxide layer is formed and the intermediate bond coat layer can be replaced only by heat treatment under a low oxygen partial pressure condition without an external coating.

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. According to the above measurement results, the method of forming a thermal barrier coating layer according to the present invention can form a stable oxide layer at a high temperature without directly coating metal powder on the surface of the base material by high temperature heat treatment of the metal base material under a low oxygen partial pressure condition It is possible to realize excellent effects such as cost reduction, process time shortening, and lifetime of the equipment life cycle. Moreover, it has superior bonding force than the physical bonding of the metal intermediate bonding layer by the outer coating, It can be seen that there is an effect applicable to an aircraft gas turbine engine and the like.

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.While the invention has been shown and described with reference to certain preferred embodiments thereof, it will be understood by those of ordinary skill in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. This is possible.

그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Therefore, the scope of the present invention should not be limited by the described embodiments, but should be determined by the scope of the appended claims as well as the appended claims.

10 : 금속 모재 20 : 금속본드 코팅층
30 : 알루미나층 50 : 세라믹 코팅층
100 : 열차폐 코팅층
10: metal base material 20: metal bond coating layer
30: alumina layer 50: ceramic coating layer
100: Thermal barrier coating layer

Claims (9)

알루미늄을 함유하는 금속 모재를 산소 분압 10-9atm 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 형성방법.
Heat-treating the metal base material containing aluminum at a temperature of 1100 to 1150 占 폚 under a vacuum condition of an oxygen partial pressure of 10 -9 atm to 10 -12 atm to form an alumina layer on the surface of the metal base material; And,
And forming a ceramic coating layer on the surface of the alumina layer.
제1항에 있어서,
상기 금속 모재는 알루미늄(Al)을 5 내지 20중량%로 포함하는 가스터빈 부품용 니켈계 또는 코발트계 초합금인 것을 특징으로 하는, 열차폐 코팅층 형성방법.
The method according to claim 1,
Wherein the metal base material is a nickel-based or cobalt-based superalloy for gas turbine components comprising aluminum (Al) in an amount of 5 to 20 wt%.
제1항에 있어서,
상기 진공조건에서 열처리하기 전에, 전처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 열차폐 코팅층 형성방법.
The method according to claim 1,
Further comprising a pretreatment step before the heat treatment in the vacuum condition.
제1항에 있어서,
상기 알루미나층은 상기 금속 모재에 접하고, 상기 알루미나층과 상기 금속 모재 사이에 금속결합층이 형성되지 않는 것을 특징으로 하는, 열차폐 코팅층 형성방법.
The method according to claim 1,
Wherein the alumina layer is in contact with the metal preform and no metal bonding layer is formed between the alumina layer and the metal preform.
제1항에 있어서,
상기 열처리는 200 내지 400℃/min로 승온하여 1100 내지 1150℃에서 유지한 후 서냉하는 것을 특징으로 하는, 열차폐 코팅층 형성방법.
The method according to claim 1,
Wherein the heat treatment is performed at a temperature ranging from 200 to 400 캜 / min, maintained at a temperature of from 1100 to 1150 캜, and then slowly cooled.
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 코팅층.
An alumina layer formed on the surface of the metal base material containing aluminum; And
A ceramic coating layer formed on the surface of the alumina layer;
/ RTI >
Wherein the alumina layer has a surface roughness of 30 nm to 60 nm (Ra).
제6항에 있어서,
상기 금속 모재는, 알루미늄(Al)을 5 내지 20중량%로 포함하는 가스터빈 부품용 니켈계 또는 코발트계 초합금인 것을 특징으로 하는, 열차폐 코팅층.
The method according to claim 6,
Wherein the metal base material is a nickel-based or cobalt-based superalloy for gas turbine parts comprising aluminum (Al) in an amount of 5 to 20 wt%.
제6항에 있어서,
상기 알루미나층은 상기 금속 모재에 접하고, 상기 알루미나층과 상기 금속 모재 사이에는 금속결합층이 존재하지 않는 것을 특징으로 하는, 열차폐 코팅층.
The method according to claim 6,
Wherein the alumina layer is in contact with the metal preform and no metal bonding layer is present between the alumina layer and the metal preform.
제6항에 있어서,
상기 알루미나층은 층두께가 0.001㎛ 내지 1㎛ 이고, 상기 세라믹 코팅층은 층두께가 200㎛ 내지 500㎛ 인 것을 특징으로 하는, 열차폐 코팅층.
The method according to claim 6,
Wherein the alumina layer has a layer thickness of 0.001 탆 to 1 탆, and the ceramic coating layer has a layer thickness of 200 탆 to 500 탆.
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