KR20180024053A - Thermal barrier coating structure and method of preparing the same - Google Patents

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Abstract

Provided are a thermal shield coating structure, and a manufacturing method thereof. More specifically, the thermal shield coating structure includes a bonding coating layer, a buffer layer, and a topcoat layer, which are coupled on an outer surface of a base material and are sequentially stacked from the outer surface of the base material. The bonding coating layer is formed of MCrAlY (M is metal selected from a group including Ni, Co, and Fe). The buffer layer includes a first buffer layer formed with 8YSZ and a second buffer layer using mixed powder of 8YSZ and La_2Zr_2O_7. The topcoat layer is formed with the mixed powder of 8YSZ and La_2Zr_2O_7, which has a mixing ratio of La_2Zr_2O_7 greater than that of the second buffer layer. Therefore, thermal shock resistance is able to be improved in a rapid temperature change.

Description

열차폐 코팅 구조 및 이의 제조방법{THERMAL BARRIER COATING STRUCTURE AND METHOD OF PREPARING THE SAME}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a thermal barrier coating structure and a method of manufacturing the same. BACKGROUND OF THE INVENTION [0002]

본 발명은 열차폐 코팅 구조 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 급속한 온도 변화에서의 열충격 저항을 향상시킬 수 있는 열차폐 코팅 구조 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a thermal barrier coating structure and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a thermal barrier coating structure capable of improving thermal shock resistance at a rapid temperature change and a method of manufacturing the same.

기존의 YSZ(yttria-stabilized zirconia) 소재가 적용된 열차폐 코팅은 약 1600℃ 이상의 온도에서 가스터빈 시스템이 작동될 경우, 열차폐 코팅이 배치된 부품의 표면 온도가 약 1200℃ 이상으로 상승함에 따라, 이러한 고온에서 탑 코팅층의 소결 및 상 변화가 일어난다. 이로 인해, YSZ 소재로 이루어진 탑 코팅층이 치밀화되어 열차폐 성능이 저하되며 모재의 손상이 초래된다. 또한, 기존 YSZ 소재의 상 변화로 인해 부피가 팽창(약 4%의 부피 팽창)함에 따라, 탑 코팅층 내부에서 균열이 형성되어 모재로부터 탑 코팅층의 박리가 일어나, 더 이상 모재를 보호하지 못하는 결과를 초래한다.The thermal barrier coatings applied with the conventional YSZ (yttria-stabilized zirconia) material have a surface temperature higher than about 1200 ° C when the gas turbine system is operated at a temperature of about 1600 ° C or higher, At such a high temperature, sintering and phase change of the top coating layer occurs. As a result, the top coating layer made of the YSZ material becomes densified to deteriorate the heat shielding performance, and the base material is damaged. In addition, as the volume of the YSZ material changes due to the phase change (volume expansion of about 4%), cracks are formed in the top coating layer, resulting in peeling of the top coating layer from the base material. .

한편, 가스터빈의 효율향상과 증력증강 등을 위해서는 터빈 입구온도가 상승되어야 하는데, 기존의 YSZ 소재가 적용된 열차폐 코팅으로는 충분한 열차폐가 이루어지지 않아 모재의 한계 수용 온도(약 1100℃) 이하로 모재에 가해지는 열적 부하를 줄이기 위해 새로운 소재가 적용될 필요가 있다. 특히, 급속히 가동 또는 정지되는 가스터빈이나, 항공기 이륙 시의 제트엔진에서와 같이 비정상 상태의 급격한 온도변화가 발생할 경우에는 모재에 가해지는 열적 부하가 가중되어 열차폐 기능을 하는 탑 코팅층의 박리가 가속화 된다.In order to improve the efficiency of the gas turbine and increase the strength, the turbine inlet temperature must be raised. However, since the thermal barrier coating using the conventional YSZ material does not provide sufficient heat shielding, New materials need to be applied to reduce the thermal load on the base metal. Particularly, when a sudden temperature change occurs in an abnormal state such as in a gas turbine which is rapidly started or stopped or in a jet engine at the time of takeoff of an aircraft, the thermal load applied to the base material is increased, do.

따라서, 현재 적용되고 있는 YSZ 기반 소재는 탑 코팅층의 표면온도가 약 1200℃ 이상으로 증가될 수 있는 가스터빈 고온 부품에 적용될 수 없으며, 열전달에 의해 모재 온도가 약 1100℃ 이상으로 올라갈 수 있는 경우에도 적용되기 어려운 한계가 있다. 나아가, 기존의 YSZ 소재는 CMAS(Ca, Mg, Al, Si)에 대한 부식 저항성이 낮아서, 고온 부품이 경험하게 되는 CMAS 환경에서의 부식 저항성을 높일 수 있는 새로운 소재의 적용이 필요하다.Therefore, the currently applied YSZ-based material can not be applied to gas turbine high temperature components where the surface temperature of the top coating layer can be increased to more than about 1200 ° C, and even when the base material temperature can rise to about 1100 ° C or more due to heat transfer There are limitations that are difficult to apply. Furthermore, the conventional YSZ materials have low corrosion resistance to CMAS (Ca, Mg, Al, Si), and it is necessary to apply new materials to increase corrosion resistance in CMAS environment where high temperature parts are experienced.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 급속한 온도 변화에서도 열차폐 성능이 우수하고, 고온에서도 상 안정성 및 소결 저항성을 가질 수 있는, 열차폐 코팅 구조 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.The object of the present invention is to provide a thermal spray coating structure and a method of manufacturing the same which can have good thermal barrier performance even under rapid temperature changes and have phase stability and sintering resistance even at a high temperature.

상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 측면은 열차폐 코팅 구조를 제공한다. 상기 열차폐 코팅 구조는 모재의 외면에 결합되며, 상기 모재의 외면으로부터 순차 적층되는 본드 코팅층, 버퍼층 및 탑 코팅층을 포함한다. 상기 본드 코팅층은 MCrAlY(M은 Ni, Co 및 Fe로 이루어진 군으로부터 선택된 금속)으로 형성된다. 상기 버퍼층은 8YSZ로 형성된 제1 버퍼층을 포함한다. 상기 탑 코팅층은 8YSZ 및 La2Zr2O7이 혼합되어 형성된다.In order to solve the above problems, one aspect of the present invention provides a thermal barrier coating structure. The thermal barrier coating structure includes a bond coat layer, a buffer layer, and a top coat layer which are bonded to the outer surface of the base material and sequentially laminated from the outer surface of the base material. The bond coat layer is formed of MCrAlY (M is a metal selected from the group consisting of Ni, Co and Fe). The buffer layer includes a first buffer layer formed of 8YSZ. The top coat layer is formed of the 8YSZ and the La 2 Zr 2 O 7 in combination.

상기 버퍼층은, 상기 제1 버퍼층 및 탑 코팅층의 사이에 적층되며 부피를 기준으로 상기 탑 코팅층의 La2Zr2O7:8YSZ의 혼합비보다 작은 혼합비로 8YSZ 및 La2Zr2O7이 혼합되어 형성된 제2 버퍼층을 더 포함할 수 있다.The buffer layer, the first buffer layer and laminated between the top coat layer and the top coating layer, based on the volume La 2 Zr 2 O 7: the 8YSZ and the La 2 Zr 2 O in a small mixing ratio than the mixing ratio of the 8YSZ 7 of a mixture formed of And may further include a second buffer layer.

상기 탑 코팅층에서 La2Zr2O7:8YSZ의 혼합비(부피비)는 x:1-x 이고(0.5≤x<1), 상기 버퍼층에서 La2Zr2O7:8YSZ의 혼합비(부피비)는 y:1-y (0<y<0.5)일 수 있다.The top coat layer on the La 2 Zr 2 O 7: mixing ratio (volume ratio) of 8YSZ is x: a 1-x (0.5≤x <1) , in the buffer layer La 2 Zr 2 O 7: mixing ratio (volume ratio) of 8YSZ is y : 1-y (0 < y < 0.5).

상기 탑 코팅층의 La2Zr2O7:8YSZ의 혼합비(부피비)는 1:1이고, 상기 제2 버퍼층의 La2Zr2O7:8YSZ의 혼합비(부피비)는 1:3일 수 있다.The mixing ratio (volume ratio) of La 2 Zr 2 O 7 : 8YSZ of the top coating layer is 1: 1, and the mixing ratio (volume ratio) of La 2 Zr 2 O 7 : 8YSZ of the second buffer layer is 1: 3.

상기 탑 코팅층은 상기 버퍼층보다 두꺼울 수 있다.The top coating layer may be thicker than the buffer layer.

상기 버퍼층의 두께는 50 μm 내지 150 μm이고, 상기 탑 코팅층의 두께는 200 μm 내지 2000 μm일 수 있다.The thickness of the buffer layer may be in the range of 50 μm to 150 μm, and the thickness of the top coating layer may be in the range of 200 μm to 2000 μm.

상기 탑 코팅층 상에 적층되고 La2Zr2O7로 형성된 커버층을 더 포함할 수 있다.The tower is laminated on the coating layer may further include a cover layer formed of La 2 Zr 2 O 7.

상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 다른 측면은 열차폐 코팅 구조의 제조방법을 제공한다. 상기 제조방법은 (a) 모재의 표면을 블라스팅하는 단계, (b) 상기 모재의 표면 상에 MCrAlY(M은 Ni, Co 및 Fe로 이루어진 군으로부터 선택된 금속) 분말을 용사하여 본드 코팅층을 형성하는 단계, (c) 상기 본드 코팅층 상에 8YSZ 분말 및 La2Zr2O7 분말의 제1 혼합 분말을 용사하여 버퍼층을 형성하는 단계, 및 (d) 상기 버퍼층 상에 8YSZ 분말 및 La2Zr2O7 분말의 제2 혼합 분말을 용사하여 탑 코팅층을 형성하는 단계를 포함한다. 부피를 기준으로 상기 제1 혼합 분말의 La2Zr2O7:8YSZ의 혼합비는 상기 제2 혼합 분말의 La2Zr2O7:8YSZ의 혼합비보다 작다.Another aspect of the present invention provides a method of manufacturing a thermal barrier coating structure. (B) forming a bond coat layer by spraying MCrAlY (M is a metal selected from the group consisting of Ni, Co and Fe) powder on the surface of the base material; , (c) the bond 8YSZ powder onto the coating layer and the La 2 Zr 2 O 7 powder, the first step of forming a buffer layer by thermal spraying a mixed powder, and (d) onto the 8YSZ powder and a La 2 Zr 2 O 7 buffer layer of And spraying a second mixed powder of the powder to form a top coating layer. The mixing ratio of La 2 Zr 2 O 7 : 8YSZ of the first mixed powder is smaller than the mixing ratio of La 2 Zr 2 O 7 : 8YSZ of the second mixed powder based on the volume.

상기 단계 (c)는, 상기 본드 코팅층 상에 8YSZ 분말을 용사하여 제1 버퍼층을 형성하는 단계, 및 상기 제1 버퍼층 상에 상기 제1 혼합 분말을 용사하여 제2 버퍼층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.The step (c) includes the steps of forming a first buffer layer by spraying 8YSZ powder on the bond coat layer, and forming a second buffer layer by spraying the first mixed powder on the first buffer layer .

상기 제조방법은, (e) 상기 탑 코팅층 상에 La2Zr2O7 분말을 용사하여 커버층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.The manufacturing method may further include (e) forming a cover layer by spraying La 2 Zr 2 O 7 powder on the top coat layer.

본 발명에 따르면, 열차폐 코팅 구조가, 모재 외면에 증착된 본드 코팅층 상에, 8YSZ의 조성비율이 연속되게 변하도록 증착되는 버퍼층 및 탑 코팅층을 포함함으로써, 우수한 열차폐 성능을 나타내는 동시에 약 1200℃ 이상의 고온에서도 상 안정성 및 소결 저항성을 가지며, CMAS(Ca, Mg, Al, Si) 환경에서의 높은 부식 저항성을 가질 수 있다.According to the present invention, the thermal barrier coating structure includes a buffer layer and a top coating layer deposited on the bond coat layer deposited on the outer surface of the base material so that the composition ratio of 8YSZ changes continuously, And can have high corrosion resistance in CMAS (Ca, Mg, Al, Si) environment.

또한, 버퍼층이, 탑 코팅층의 La2Zr2O7:8YSZ의 혼합비보다 작은 혼합비로 8YSZ 및 La2Zr2O7이 혼합되어 형성된 제2 버퍼층을 더 포함함으로써, 열팽창계수 차이로 발생하는 열적응력과 잔류응력을 줄여 탑 코팅층의 탈락을 방지하며 열차폐 코팅의 열적 내구성을 확보할 수 있다.In addition, the buffer layer, a top coat layer La 2 Zr 2 O 7: by further comprising a second buffer layer formed in a mixture of 8YSZ and La 2 Zr 2 O 7 in a small mixing ratio than the mixing ratio of 8YSZ, heat adaptability caused by thermal expansion coefficient difference And the residual stress can be reduced to prevent the top coating layer from falling off, and the thermal durability of the thermal barrier coating can be secured.

또한, 열차폐 코팅 구조의 버퍼층 및 탑 코팅층을 제조하기 위하여 상용화된 분말을 사용함으로써, 별도의 고용체 합성에 소요되는 시간 및 비용을 감소시킬 수 있다.In addition, by using a commercially available powder for preparing the buffer layer and the top coating layer of the thermal barrier coating structure, it is possible to reduce the time and cost for separate solid solution synthesis.

다만, 발명의 효과는 상기에서 언급한 효과로 제한되지 아니하며, 언급되지 않은 또 다른 효과들을 하기의 기재로부터 당업자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.However, the effects of the present invention are not limited to those mentioned above, and other effects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열차폐 코팅 구조를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 열차폐 코팅 구조를 도시한 단면도들이다.
도 3은 도 2의 열차폐 코팅 구조를 갖는 시편들을 확대한 단면도들이다.
도 4는 표 1에 따른 열충격 시험을 진행한 후의 박리 상태를 나타낸 평면도들이다.
도 5는 도 4의 시편들의 박리된 단면을 나타낸 도면들이다.
도 6는 표 2의 화염 열충격 시험을 진행한 후의 박리 상태를 나타낸 평면도들이다.
도 7은 도 6의 시편들의 박리된 단면을 나타낸 도면들이다.
1 is a cross-sectional view illustrating a thermal barrier coating structure according to an embodiment of the present invention.
2 is a cross-sectional view illustrating a thermal barrier coating structure according to embodiments of the present invention.
3 is an enlarged cross-sectional view of the specimens having the thermal barrier coating structure of FIG.
4 is a plan view showing the state of peeling after the thermal shock test according to Table 1 is performed.
Fig. 5 is a view showing a peeled section of the specimens of Fig.
6 is a plan view showing the state of peeling after the flame thermal shock test of Table 2 is carried out.
FIG. 7 is a view showing a peeled section of the specimen of FIG. 6; FIG.

이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein but may be embodied in other forms.

도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장 또는 축소된 것일 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참고번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.In the drawings, the thicknesses of the layers and regions may be exaggerated or reduced for clarity. Like reference numerals throughout the specification denote like elements.

열차폐 코팅 구조Thermal barrier coating structure

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열차폐 코팅 구조를 도시한 단면도이다.1 is a cross-sectional view illustrating a thermal barrier coating structure according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열차폐 코팅 구조는 모재(10)의 외면에 순차적으로 적층되는 본드 코팅층(20), 버퍼층(30) 및 탑 코팅층(40)을 포함한다. 버퍼층(30)은 제1 버퍼층(31) 및 제2 버퍼층(33)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, a thermal barrier coating structure according to an embodiment of the present invention includes a bond coat layer 20, a buffer layer 30, and a top coat layer 40 that are sequentially stacked on an outer surface of a base material 10. The buffer layer 30 may include a first buffer layer 31 and a second buffer layer 33.

모재(10)는 항공우주 관련 연소 엔진 또는 가스터빈 등에 사용되는 부품일 수 있다. 모재(10)는 공지의 적절한 재질로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 세라믹 합성 재질, 니켈 기반 초내열합금, 코발트 기반 초내열합금, 티타늄 기반 초내열합금 등으로 형성될 수 있다. 모재(10)의 표면은 본드 코팅층(20) 등이 적층되기 전에, 블라스팅(blast) 처리될 수 있다.The base material 10 may be a component used in an aerospace-related combustion engine, a gas turbine or the like. The base material 10 may be formed of any suitable known material and may be formed of, for example, a ceramic composite material, a nickel-based super-heat-resistant alloy, a cobalt-based super-heat-resistant alloy, a titanium-based super- The surface of the base material 10 may be subjected to blast treatment before the bond coat layer 20 and the like are laminated.

본드 코팅층(20)은 모재(10)의 표면 상에 적층된다. 본드 코팅층(20)은 버퍼층(30) 및 탑 코팅층(40)이 모재(10)의 표면 상에 견고히 결합되도록 버퍼층(30) 및 모재(10)의 사이에 적층된다. 본드 코팅층(20)은 알루미나이드 공정으로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 오버레이(overlay) 코팅 (대기 용사법, 진공 용사법, 고속 화염 용사법 등)으로 형성될 수 있는데, 예를 들어, MCrAlY로 형성될 수 있다. 여기서, M은 니켈, 코발트, 철 또는 이들의 합금으로부터 선택된 금속이다. 버퍼층(30)은 본드 코팅층(20) 상에 적층되는 제1 버퍼층(31)을 포함한다. 제1 버퍼층(31)은 8 wt% 이트리아-안정화된 지르코니아(8YSZ)로 형성된다. 제1 버퍼층(31)은 금속 재질의 본드 코팅층(20)과 비교적 유사한 열팽창계수를 가지므로, 급속한 온도 변화 시 두 층 간의 열팽창계수 차이로 인하여 계면에서 형성되는 열응력 및 잔류응력을 저하시켜, 열적 내구성을 유지시킬 수 있다.The bond coat layer 20 is laminated on the surface of the base material 10. The bond coat layer 20 is laminated between the buffer layer 30 and the base material 10 such that the buffer layer 30 and the top coat layer 40 are firmly bonded on the surface of the base material 10. [ The bond coat layer 20 may be formed by an aluminiding process and preferably formed by overlay coating (atmospheric spraying, vacuum spraying, high-speed flame spraying, etc.), for example, have. Here, M is a metal selected from nickel, cobalt, iron or an alloy thereof. The buffer layer 30 includes a first buffer layer 31 laminated on the bond coat layer 20. The first buffer layer 31 is formed of 8 wt% yttria-stabilized zirconia (8YSZ). Since the first buffer layer 31 has a thermal expansion coefficient relatively comparable to that of the metal bond coat layer 20, the thermal stress and the residual stress formed at the interface are lowered due to the difference in thermal expansion coefficient between the two layers at a rapid temperature change, Durability can be maintained.

버퍼층(30)은 제1 버퍼층(31) 상에 적층되는 제2 버퍼층(33)을 더 포함할 수 있다. 제2 버퍼층(33)은 8YSZ 및 La2Zr2O7(이하, LZO)가 혼합되어 형성된다. 제2 버퍼층(33)에서 부피를 기준으로 한 8YSZ 및 LZO의 혼합 비율 LZO:8YSZ은 y:(1-y) (단, 0<y<0.5)일 수 있다. 예를 들어, 제2 버퍼층(33)에서 LZO:8YSZ의 혼합 비율은 1:3 (y=0.25)일 수 있다.The buffer layer 30 may further include a second buffer layer 33 stacked on the first buffer layer 31. The second buffer layer 33 is formed the 8YSZ and the La 2 Zr 2 O 7 (hereinafter, LZO) are mixed. The mixing ratio LZO: 8YSZ of 8YSZ and LZO based on the volume in the second buffer layer 33 may be y: (1-y) (where 0 <y <0.5). For example, the mixing ratio of LZO: 8YSZ in the second buffer layer 33 may be 1: 3 (y = 0.25).

탑 코팅층(40)은 버퍼층(30) 상에 적층된다. 탑 코팅층(40) 또한, 8YSZ 및 LZO가 혼합되어 형성된다. 다만, 탑 코팅층(40)에서 부피를 기준으로 한 8YSZ 및 LZO의 혼합 비율 LZO:8YSZ은 제2 버퍼층(33)에서의 혼합 비율보다 크다. 구체적으로, 탑 코팅층(40)에서 8YSZ 및 LZO의 혼합 비율 LZO:8YSZ은 x:(1-x) (단, 0.5≤x<1)일 수 있다. 예를 들어, 탑 코팅층(40)에서 LZO:8YSZ의 혼합 비율은 1:1 (x=0.5)일 수 있다.The top coat layer 40 is deposited on the buffer layer 30. The top coating layer 40 is also formed by mixing 8YSZ and LZO. However, the mixing ratio LZO: 8YSZ of 8YSZ and LZO based on volume in the top coating layer 40 is larger than the mixing ratio in the second buffer layer 33. Specifically, the mixing ratio LZO: 8YSZ of 8YSZ and LZO in the top coating layer 40 may be x: (1-x) (where 0.5? X <1). For example, the mixing ratio of LZO: 8YSZ in the top coating layer 40 may be 1: 1 (x = 0.5).

탑 코팅층(40)은 버퍼층(30)보다 큰 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 버퍼층(30)의 두께는 약 50 μm 내지 약 150 μm이고, 탑 코팅층(40)의 두께는 약 200 μm 내지 약 2000 μm일 수 있다. 일반적으로 열차폐 코팅 시스템에서의 계면 박리 혹은 계면 균열에 의한 파괴는 본드 코팅층(20)으로부터 50 ~ 150 μm에서 발생하게 된다. 버퍼층(30)의 두께가 50 μm 보다 얇으면 본드 코팅층(20)과 탑 코팅층(40) 간의 열팽창계수 차이로 인해 발생하는 응력을 충분히 수용하지 못하고, 추가적인 버퍼층(30)의 도입으로 결함의 발생 가능성이 증가되어 박리가 쉽게 발생할 수 있다. 버퍼층(30)의 두께가 150 μm 보다 두꺼우면, 상대적으로 높은 열전도성으로 인한 열차폐 효과가 감소되고, 구동 시 버퍼층(30)과 탑 코팅층(40) 계면에서 박리가 발생할 수 있다. 탑 코팅층(40)의 두께가 200 μm 보다 얇으면 열차폐 효과가 감소되어 모재의 표면 온도 상승으로 열화 현상이 가속될 수 있고, 산소의 침투가 용이해져 본드 코팅층(20)의 산화가 발생할 수 있다. 탑 코팅층(40)의 두께가 2000 μm 보다 두꺼우면 코팅층 형성 시 누적되는 열적 응력으로 인해 열적 내구성의 저하가 발생할 수 있다.The top coat layer 40 may have a thickness greater than that of the buffer layer 30. For example, the thickness of the buffer layer 30 may be from about 50 [mu] m to about 150 [mu] m, and the thickness of the topcoat layer 40 may be from about 200 [mu] m to about 2000 [mu] m. In general, interfacial delamination or interfacial cracking in a thermal barrier coating system occurs at 50 to 150 μm from the bond coat layer 20. If the thickness of the buffer layer 30 is thinner than 50 탆, the stress due to the difference in thermal expansion coefficient between the bond coat layer 20 and the top coat layer 40 can not be sufficiently accommodated, So that peeling can easily occur. If the thickness of the buffer layer 30 is greater than 150 탆, the heat shielding effect due to the relatively high thermal conductivity is reduced, and peeling may occur at the interface between the buffer layer 30 and the top coat layer 40 during driving. When the thickness of the top coating layer 40 is thinner than 200 탆, the heat shielding effect is reduced, so that the surface temperature of the base material can be accelerated to deteriorate the deterioration phenomenon and oxygen penetration can be facilitated and oxidation of the bond coat layer 20 can occur . If the thickness of the top coating layer 40 is greater than 2000 μm, the thermal durability may be lowered due to the thermal stress accumulated in the formation of the coating layer.

도시되지 않았지만, 탑 코팅층(40) 상에는 LZO로 형성된 커버층이 더 적층될 수 있다.Although not shown, a cover layer formed of LZO may be further stacked on the top coating layer 40. [

이와 같이, 본드 코팅층(20) 상에 적층되는 버퍼층(30), 탑 코팅층(40) 및 커버층에서, LZO:8YSZ의 혼합 비율이 증가함에 따라, 열차폐 코팅 구조의 열적 특성이 연속될 수 있고, 본드 코팅층(20)과 탑 코팅층(40)의 사이에 파괴인성 및 강도가 우수한 버퍼층(30)이 도입됨으로써, 계면에서의 균열 형성 및 진행을 억제하여 열차폐 코팅 구조의 기계적 특성을 향상시킬 수 있다.As described above, as the mixing ratio of LZO: 8YSZ increases in the buffer layer 30, the top coating layer 40 and the cover layer which are laminated on the bond coat layer 20, the thermal characteristics of the thermal barrier coating structure can be continuous The buffer layer 30 having excellent fracture toughness and strength is introduced between the bond coat layer 20 and the top coat layer 40 to improve the mechanical properties of the thermal barrier coating structure by suppressing crack formation and progression at the interface have.

열차폐 코팅 구조의 제조방법Method of manufacturing a thermal barrier coating structure

본 발명의 일 실시예에 따른 열차폐 코팅 구조의 제조방법에는, 모재의 표면에 각각의 층을 적층시키기 위해 대기 용사법(air plasma spray, APS), 전자빔 증착법(electron beam physical vapor deposition, EB-PVD) 등의 방법이 사용될 수 있다. 예를 들어, 전자빔 증착법은 항공 우주 관련 부품 중 블레이드 부품에 열차폐 코팅을 형성하는 데에 적용될 수 있다. 이하, 일 실시예에 따른 열차폐 코팅 구조의 제조방법을 순서에 따라 설명한다.The method of manufacturing a thermal barrier coating structure according to an embodiment of the present invention includes an air plasma spray (APS), an electron beam physical vapor deposition (EB-PVD) method, ) Can be used. For example, electron beam evaporation can be applied to form thermal barrier coatings on blade components of aerospace-related components. Hereinafter, a method of manufacturing a thermal barrier coating structure according to an embodiment will be described in order.

먼저, 모재의 표면 상에 열차폐 코팅 구조를 형성하기 위해, 모재의 표면을 블라스팅할 수 있다. 예를 들어, 모재의 표면은 열차폐 코팅 구조를 형성하기 전에 알루미나 분말을 이용하여 블라스팅될 수 있다.First, the surface of the base material can be blasted to form a thermal barrier coating structure on the surface of the base material. For example, the surface of the base material may be blasted with alumina powder prior to forming the thermal barrier coating structure.

다음으로, 블라스팅된 모재의 표면 상에 MCrAlY 분말(M은 Ni, Co 및 Fe로 이루어진 군으로부터 선택된 금속)을 용사하여 본드 코팅층을 형성한다. 본드 코팅층은 예를 들어, MCrAlY 분말이 대기 용사법으로 증착되어 형성될 수 있다.Next, MCrAlY powder (M is a metal selected from the group consisting of Ni, Co and Fe) is sprayed on the surface of the blasted base material to form a bond coat layer. The bond coat layer can be formed, for example, by depositing MCrAlY powder by atmospheric spraying.

다음으로, 본드 코팅층 상에 8YSZ 분말 및 LZO 분말의 제1 혼합 분말을 용사하여 버퍼층을 형성한다. 상기 제1 혼합 분말은, 8YSZ 및 LZO을 부피 기준으로 혼합 비율 LZO:8YSZ이 y:(1-y)(단, 0<y<0.5)가 되도록 준비된 후, 볼-밀 장치에 의해 소정의 회전 속도로 일정 시간 혼합되어 제공된 것일 수 있다.Next, a first mixed powder of 8YSZ powder and LZO powder is sprayed on the bond coat layer to form a buffer layer. The first mixed powder was prepared so that the mixing ratio LZO: 8YSZ was y: (1-y) (0 <y <0.5) based on 8YSZ and LZO by volume, And may be provided as a mixture of a certain amount of time at a certain speed.

버퍼층은, 본드 코팅층 상에 8YSZ 분말을 용사하여 제1 버퍼층을 형성하고, 제1 버퍼층 상에 상기 제1 혼합 분말을 용사하여 제2 버퍼층을 선택적으로 더 형성함으로써, 적층될 수 있다.The buffer layer can be laminated by forming a first buffer layer by spraying 8YSZ powder on the bond coat layer and selectively forming a second buffer layer by spraying the first mixed powder on the first buffer layer.

다음으로, 버퍼층 상에 8YSZ 분말 및 LZO 분말의 제2 혼합 분말을 용사하여 탑 코팅층을 형성한다. 제2 혼합 분말은, 8YSZ 및 LZO을 부피 기준으로 혼합 비율 LZO:8YSZ이 x:(1-x) (단, 0.5≤x<1)가 되도록 준비된 후, 볼-밀 장치에 의해 소정의 회전 속도로 일정 시간 혼합되어 제공된 것일 수 있다. 제1 혼합 분말을 용사하는 조건과 제2 혼합 분말을 용사하는 조건은 부분적으로 상이할 수 있다. 예를 들어, 제2 혼합 분말을 용사하는 경우, 용사에 적용되는 아르곤 및 수소 유량이 달라질 수 있다.Next, a second mixed powder of 8YSZ powder and LZO powder is sprayed on the buffer layer to form a top coating layer. The second mixed powder was prepared so that the mixing ratio LZO: 8YSZ of 8YSZ and LZO was adjusted to be x: (1-x) (0.5? X <1) For a certain period of time. The conditions for spraying the first mixed powder and the spraying conditions for the second mixed powder may be partially different. For example, when the second mixed powder is sprayed, the argon and hydrogen flow rates applied to the spray may vary.

다음으로, 탑 코팅층 상에 LZO 분말을 용사하여 커버층을 형성한다. 다만, 실시예에 따라, 커버층은 열차폐 코팅 구조에서 생략될 수도 있다.Next, LZO powder is sprayed onto the top coating layer to form a cover layer. However, according to the embodiment, the cover layer may be omitted in the thermal barrier coating structure.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실시예(example)를 제시한다. 다만, 하기의 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The above and other objects, features and advantages of the present invention will become more apparent from the following description taken in conjunction with the accompanying drawings, in which: FIG. However, the following examples are intended to aid understanding of the present invention, and the present invention is not limited by the following examples.

제조예 1Production Example 1

모재로서 직경 25 mm, 두께 5 mm를 갖는 코인 형태로 가공된 Special Metals사의 Nimonic 263을 사용하였으며, 열차폐 코팅 구조를 형성하기 전에 알루미나 분말을 이용한 블라스팅 공정을 통해 모재의 표면을 처리하였다.Nimonic 263 manufactured by Special Metals Co., Ltd., having a diameter of 25 mm and a thickness of 5 mm, was used as the base material, and the surface of the base material was treated through a blasting process using alumina powder before forming the thermal barrier coating structure.

표면 처리된 모재에 니켈을 주 성분으로 하는 NiCrAlY계의 코팅 소재인 METCO사의 상용화 분말 AMDRY 962를 대기 용사법으로 용사하여 본드 코팅층을 증착하였다. 용사 건으로는 METCO-3MB를 사용하였으며, 용사 건과 모재의 거리는 80 mm로 유지하였으며, 본드 코팅층의 두께는 150 μm로 증착하였다.The bond coat layer was deposited by spraying AMDRY 962 commercialized by METCO, a coating material of NiCrAlY based on nickel, on the surface treated base material by atmospheric spraying. METCO-3MB was used as the spray gun. The distance between the spray gun and the base material was maintained at 80 mm, and the thickness of the bond coat layer was 150 μm.

본드 코팅층 상에 버퍼층으로서 8 wt% 이트리아-안정화 지르코니아(8YSZ) 상용화 분말인 METCO사의 204 C-NS를 용사하였다.On the bond coat layer, 204 C-NS of METCO Corp., a 8 wt% yttria-stabilized zirconia (8YSZ) commercial powder, was sprayed as a buffer layer.

버퍼층 상에, 저 열전도성 소재인 La2Zr2O7 상용화 분말로서 Praxair 사의 LAO-109-1을 8YSZ 상용화 분말인 204 C-NS과 50:50 부피 비율로 혼합한 혼합 분말을 용사하여 탑 코팅층을 증착하였다. La2Zr2O7와 8YSZ의 혼합 분말은 50:50의 부피 비율로 준비한 분말들을 볼-밀 장치를 통해 4시간 동안 약 300 rpm의 회전 속도로 혼합하여 제공되었다. 탑 코팅층은, 본드 코팅층을 용사할 때와 비슷하게 용사 건과 시험편과의 거리를 80 mm로 유지하여 증착되었으나, 아르곤 및 수소 유량을 달리하여 형성되었다. 버퍼층 및 탑 코팅층을 합한 총 두께는 430 μm로 하고, 버퍼층의 두께는 60 μm을 목표로 형성되었다.On the buffer layer, a mixed powder obtained by mixing LAO-109-1 of Praxair Co., Ltd. as a low thermal conductive material La 2 Zr 2 O 7 as a commercial powder with 204 C-NS as a commercial powder of 8YSZ was sprayed on the top coat layer Respectively. Mix powders of La 2 Zr 2 O 7 and 8YSZ were prepared by mixing powders prepared in a 50:50 volume ratio at a rotational speed of about 300 rpm for 4 hours through a ball-mill device. The topcoat layer was deposited by keeping the distance between the spray gun and the test specimen at 80 mm similar to the case of spraying the bond coat layer, but with different argon and hydrogen flow rates. The total thickness of the buffer layer and the top coating layer was set to 430 μm, and the thickness of the buffer layer was set to 60 μm.

제조예 2Production Example 2

버퍼층으로서, 8YSZ 상용화 분말인 204 C-NS를 60 μm 두께로 용사하여 제1 버퍼층을 형성한 다음, La2Zr2O7 상용화 분말인 LAO-109-1을 8YSZ 상용화 분말인 204 C-NS과 25:75의 비율로 혼합한 제2 버퍼층을 60 μm 두께로 더 증착하고, 그 위에 탑 코팅층을 형성한 점을 제외하면, 제조예 1과 동일한 방법으로 열차폐 코팅 구조를 형성하였다.As a buffer layer, 8YSZ commercially available powder of 204 C-NS a thermal spraying to form the first buffer layer 60 μm in thickness and then, La 2 Zr 2 O 7 powder, the commercialization of LAO-109-1 8YSZ powder and commercialization of 204 C-NS A thermal barrier coating structure was formed in the same manner as in Preparation Example 1, except that a second buffer layer mixed at a ratio of 25:75 was further deposited to a thickness of 60 탆 and a top coating layer was formed thereon.

비교예Comparative Example

제조예 1과 동일하게 블라스팅 표면 처리된 모재 위에 NiCrAlY계 상용화 분말 AMDRY 962를 용사하여 본드 코팅층을 증착한 다음, 버퍼층 없이, La2Zr2O7 상용화 분말인 LAO-109-1을 8YSZ 상용화 분말인 204 C-NS과 50:50의 비율로 혼합한 탑 코팅층을 증착하였다.The same procedure as in Preparation Example 1 was followed by spraying a NiCrAlY-based commercialized powder AMDRY 962 on the blast-surfaced base material to deposit a bond coat layer. Then, LAO-109-1, a La 2 Zr 2 O 7 commercial powder, 204 C-NS in a ratio of 50:50.

도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 열차폐 코팅 구조를 도시한 단면도들이다.2 is a cross-sectional view illustrating a thermal barrier coating structure according to embodiments of the present invention.

도 2를 참조하면, 제조예 1, 제조예 2 및 비교예에 따른 열차폐 코팅 구조의 단면 구조가 도시되었다. 도 2에서처럼, 비교예에서는 La2Zr2O7와 8YSZ이 50:50의 비율로 혼합된 단일 조성의 탑 코팅층이 형성되었고, 제조예 1에서는 본드 코팅층의 계면에 제1 버퍼층으로서 8YSZ를 약 60 μm 두께로 도입한 뒤 탑 코팅층이 형성되었으며, 제조예 2에서는 제1 버퍼층과 탑 코팅층 간의 조성 변화에 연속성을 제공하기 위해, La2Zr2O7와 8YSZ이 25:75의 비율로 혼합된 제2 버퍼층이 도입되었다. 각각의 예에서 본드 코팅층의 두께는 약 150 μm으로, 본드 코팅층 상에 증착된 탑 코팅층(또는 탑 코팅층 + 버퍼층)의 총 두께는 약 430 μm으로 유지되었다.Referring to FIG. 2, a cross-sectional structure of a thermal barrier coating structure according to Production Example 1, Production Example 2, and Comparative Example is shown. As shown in FIG. 2, in the comparative example, a top coating layer having a single composition in which La 2 Zr 2 O 7 and 8YSZ were mixed at a ratio of 50:50 was formed. In Production Example 1, 8YSZ was formed as a first buffer layer at the interface of the bond coat layer at about 60 In order to provide continuity in the compositional change between the first buffer layer and the top coat layer in Production Example 2, La 2 Zr 2 O 7 and 8YSZ were mixed in a ratio of 25:75 2 buffer layer was introduced. In each example, the thickness of the bond coat layer was about 150 μm, and the total thickness of the top coat layer (or top coat layer + buffer layer) deposited on the bond coat layer was maintained at about 430 μm.

도 3은 도 2의 열차폐 코팅 구조를 갖는 시편들을 확대한 단면도들이다.3 is an enlarged cross-sectional view of the specimens having the thermal barrier coating structure of FIG.

도 3을 참조하면, 비교예의 시편의 미세구조에서는, 도 2의 설계와 같이, La2Zr2O7와 8YSZ이 각각 50:50 혼합 비율을 가지는 것을 확인할 수 있다. 또한, 제조예 1의 시편에서는 본드 코팅층 위에 8YSZ의 제1 버퍼층이 약 60 μm 두께로 형성된 것을 확인할 수 있고, 제조예 2의 시편에서는 8YSZ의 제1 버퍼층 위에 La2Zr2O7와 YSZ가 25:75 부피 비율로 혼합된 제2 버퍼층이 포함된 미세구조를 확인할 수 있다.Referring to FIG. 3, it can be seen that, in the microstructure of the specimen of the comparative example, La 2 Zr 2 O 7 and 8YSZ each have a mixing ratio of 50:50 as in the design of FIG. In the test piece of Production Example 1, it was confirmed that the first buffer layer of 8YSZ was formed to a thickness of about 60 μm on the bond coat layer. In the test piece of Production Example 2, La 2 Zr 2 O 7 and YSZ were formed on the first buffer layer of 8YSZ : 75 volume ratio of the second buffer layer.

분석예Analysis example

비교예, 제조예 1 및 제조예 2에 따라 제조된 열차폐 코팅 구조에 대하여 급속한 온도 변화 환경에서의 열충격 저항성(열적 내구성)을 평가하기 위해, 각 시편에 대해, 모재로부터 탑 코팅층이 약 50% 박리될 때까지, 1100℃의 머플로에 40분 간 노출한 뒤 상온의 물에 급냉각하는 것을 1 주기(사이클)로 하는 열충격 시험을 반복 진행하였다.In order to evaluate the thermal shock resistance (thermal durability) in a rapid temperature change environment for the thermal barrier coating structure produced according to Comparative Example, Production Example 1 and Production Example 2, about 50% of the top coating layer from the base material, The thermal shock test was repeated until the peeled state was exposed to the muffle furnace at 1100 占 폚 for 40 minutes and then quenched in water at room temperature for one cycle.

또한, 각 시편을 약 1400℃의 직화염에 20초 간 노출한 후, 질소 기체에 20초 간 노출하는 것을 1 주기(사이클)로 하는 화염 열충격(Jet Engine Thermal Shock, JETS) 시험을 진행하였다. JETS 시험의 박리 기준은 탑 코팅층이 약 50% 박리되는 것을 기준으로 설정하여 진행하였다. 이하, 제조예 1 및 제조예 2에 대한 실험 결과를 각각, 실험예 1 및 실험예 2라 칭한다.In addition, each specimen was exposed to a direct flame at about 1400 ° C. for 20 seconds, and subjected to a jet engine thermal shock (JETS) test in which the exposure to nitrogen gas was performed for 20 seconds in one cycle. The peeling criterion of the JETS test was set based on the fact that about 50% of the top coat layer was peeled off. Hereinafter, the experimental results of Production Example 1 and Production Example 2 will be referred to as Experimental Example 1 and Experimental Example 2, respectively.

구분division 열충격 시험 시행횟수
(cycle 수)
Number of thermal shock test runs
(number of cycles)
박리 상태Peeling state
비교예Comparative Example 1010 탑 코팅층/본드 코팅층 계면에서 완전 박리Completely peeled from the top coat layer / bond coat layer interface 실험예 1Experimental Example 1 2929 탑 코팅층/본드 코팅층 계면에서 완전 박리Completely peeled from the top coat layer / bond coat layer interface 실험예 2Experimental Example 2 5454 탑 코팅층 내부에서 부분 박리Partial peeling in the top coat layer

표 1은 실험예의 열충격 시험에 따라 탑 코팅층이 약 50% 이상 탈락 또는 박리될 때까지의 열충격 시험 시행횟수 및 그에 따른 박리 상태를 나타낸다. 도 4는 표 1에 따른 열충격 시험을 진행한 후의 박리 상태를 나타낸 평면도들이다. 도 5는 도 4의 시편들의 박리된 단면을 나타낸 도면들이다.Table 1 shows the number of times of the thermal shock test until the top coat layer is separated or peeled off by about 50% or more according to the thermal shock test in the experimental example, and the peeled state therefrom. 4 is a plan view showing the state of peeling after the thermal shock test according to Table 1 is performed. Fig. 5 is a view showing a peeled section of the specimens of Fig.

표 1 및 도 4를 참조하면, 비교예의 경우 열충격 시험횟수가 가장 적은, 10 사이클 후에 탑 코팅층이 완전히 박리되었으며, 실험예 1의 경우 열충격 시험횟수가 그보다 많은 29 사이클 후에 버퍼층(제1 버퍼층) 위의 탑 코팅층에서 완전 박리가 발생되었다. 한편, 제2 버퍼층을 포함함으로써 코팅 구조가 연속된 조성비율로 적층되었던 실험예 2의 경우, 가장 많은 열충격 시험횟수인 54 사이클이 종료된 후에 버퍼층 위의 탑 코팅층에서 부분박리가 일어났으며, 이때에도 이중 구조의 버퍼층은 유지되었다.Referring to Table 1 and FIG. 4, in the comparative example, the top coat layer was completely peeled off after 10 cycles with the smallest number of times of the thermal shock test, and in the case of Experimental Example 1, the number of thermal shock tests was 29 Lt; RTI ID = 0.0 &gt; of &lt; / RTI &gt; On the other hand, in the case of Experimental Example 2 in which the coating structure was laminated at a continuous composition ratio by including the second buffer layer, partial peeling occurred in the top coat layer on the buffer layer after the end of 54 cycles, which is the maximum number of thermal shock test times, The dual structure buffer layer was also maintained.

도 5를 참조하면, 탑 코팅층의 박리는 높은 응력이 집중되는 계면 근처에서 발생되었는데, 박리가 일어나는 위치는 비교예, 실험예 1 및 실험예 2의 순서로 계면에서 멀어졌다. 특히, 버퍼층을 도입한 실험예 1 및 실험예 2에서 우수한 열충격 저항성을 보였는데, 이는 탑 코팅층의 조성비(혼합 비율)만을 제어한 단일 코팅 구조(비교예)에 비해, 열팽창계수가 크고 우수한 기계적 특성을 가지는 8YSZ 기반의 버퍼층들이 급속한 온도변화로 인해 발생하는 열적응력/잔류응력을 수용하는데 유리하기 때문임을 알 수 있다. 구체적으로, 단일의 탑 코팅층만을 갖는 열차폐 코팅 구조(비교예)에서는 급격한 온도변화에 따라 탑 코팅층과 본드 코팅층의 계면에 응력들이 집중되며, 이러한 응력들을 분산시키거나 해소하지 못하여 열충격 저항성이 낮아지게 된다. 반면에, 버퍼층을 갖는 경우에는 열충격에 의해 형성된 응력들이 계면에서 분산되며, 특히 기계적 특성이 우수한 8YSZ 재질의 제1 버퍼층과 제2 버퍼층의 조성비율의 연속성, 그리고 제2 버퍼층과 탑 코팅층의 조성비율의 연속성으로 인해, 이러한 응력이 보다 용이하게 분산 및 해소될 수 있다.5, the peeling of the top coat layer occurred near the interface where high stress was concentrated, and the position where the peeling occurred was distant from the interface in the order of Comparative Example, Experimental Example 1 and Experimental Example 2. Particularly, in Experimental Example 1 and Experimental Example 2 in which a buffer layer was introduced, excellent thermal shock resistance was exhibited. Compared with a single coating structure (Comparative Example) in which only the composition ratio (mixing ratio) of the top coating layer was controlled Is due to the advantage of accommodating the thermo-adaptive / residual stresses due to rapid temperature changes. Specifically, in the thermal barrier coating structure (comparative example) having only a single top coat layer, stresses are concentrated at the interface between the top coat layer and the bond coat layer due to a rapid temperature change, and the thermal shock resistance is lowered do. On the other hand, in the case of having a buffer layer, stresses formed by thermal shock are dispersed at the interface, and in particular, the continuity of the composition ratios of the first buffer layer and the second buffer layer of 8YSZ material having excellent mechanical properties, and the composition ratio of the second buffer layer and the top coating layer The stresses can be more easily dispersed and eliminated.

구분division 화염 열충격 시험 시행횟수 (cycle 수)Flame thermal shock test frequency (number of cycles) 박리 상태Peeling state 비교예Comparative Example 7070 탑 코팅층/본드 코팅층 계면에서 완전 박리Completely peeled from the top coat layer / bond coat layer interface 실험예 1Experimental Example 1 20002000 탑 코팅층 내부에서 수직 균열 형성Vertical crack formation inside the top coating layer 실험예 2Experimental Example 2 20002000 탑 코팅층 내부에서 수직 균열 형성Vertical crack formation inside the top coating layer

표 2는 실험예의 화염 열충격(JETS) 시험에 따라 탑 코팅층이 약 50% 이상 탈락 또는 박리될 때까지의 화염 열충격 시험 시행횟수 및 그에 따른 박리 상태를 나타낸다. 도 6는 표 2의 화염 열충격 시험을 진행한 후의 박리 상태를 나타낸 평면도들이다. 도 7은 도 6의 시편들의 박리된 단면을 나타낸 도면들이다.Table 2 shows the number of times the flame thermal shock test was performed until the top coat layer was separated or peeled off by about 50% or more, and the thus-peeled state, according to the flame thermal shock (JETS) test of the experimental example. 6 is a plan view showing the state of peeling after the flame thermal shock test of Table 2 is carried out. FIG. 7 is a view showing a peeled section of the specimen of FIG. 6; FIG.

표 2 및 도 6을 참조하면, 비교예의 경우 화염 열충격 시험횟수가 가장 적은, 70 사이클 후에 탑 코팅층이 완전히 박리되었으며, 실험예 1 및 실험예 2의 경우 2000 사이클까지의 화염 열충격 시험에서 열차폐 코팅 구조가 유지되면서 열충격 저항성이 향상된 것으로 확인되었다.Referring to Table 2 and FIG. 6, in the comparative example, the top coat layer was completely peeled off after 70 cycles with the smallest number of flame thermal shock test times. In the case of Experimental Example 1 and Experimental Example 2, It was confirmed that the thermal shock resistance was improved by maintaining the structure.

도 7을 참조하면, 항공기가 이륙할 때의 제트엔진 내부에서와 같이 급격한 온도 변화가 있는 경우, 단일의 탑 코팅층만을 갖는 열차폐 코팅 구조(비교예)에서는 시편이 본드 코팅층과 탑 코팅층 간의 계면 근처에서 박리됨을 확인할 수 있다. 반면, 버퍼층을 도입한 실험예 1 및 실험예 2의 시편들은 2000 사이클 후에도 탑 코팅층이 박리되지 않은 것을 확인하였다. 이는 열충격 시험에서의 결과와 유사하게, 8YSZ 버퍼층의 우수한 기계적 특성과 제2 버퍼층을 포함한 조성비율의 연속성에 기인하는 결과이다.Referring to FIG. 7, in the case of a thermal barrier coating structure (comparative example) having only a single top coat layer, in the case where there is a sudden temperature change as in an internal jet engine at the time of takeoff of an aircraft, the specimen is close to the interface between the bond coat layer and the top coat layer It can be confirmed that it is peeled off. On the other hand, the specimens of Experiment 1 and Experiment 2 in which the buffer layer was introduced showed that the top coat layer was not peeled off even after 2000 cycles. This is a result similar to the result in the thermal shock test, due to the excellent mechanical properties of the 8YSZ buffer layer and the continuity of the composition ratio including the second buffer layer.

한편, 실험예 1 및 실험예 2의 시편들의 탑 코팅층 내부에서는 수직 균열이 형성되었는데, 수직 균열은 급속한 온도 변화 환경에서 8YSZ이 치밀화됨에 따라 발생한 결과이다. 이러한 수직 균열은 열팽창계수 차이로 인해 발생하는 열응력과 잔류응력을 수용하는데 상당한 역할을 수행하여 열적 내구성을 더 향상시킬 수 있다.On the other hand, vertical cracks were formed in the top coat layer of the specimens of Experimental Examples 1 and 2, and vertical cracks occurred as the 8YSZ was densified in a rapid temperature change environment. These vertical cracks play a significant role in accommodating the thermal stresses and residual stresses caused by the difference in thermal expansion coefficient, thereby further improving the thermal durability.

상기와 같이, 본 발명에 따르면, 열차폐 코팅 구조가, 모재 외면에 증착된 본드 코팅층 상에, 8YSZ의 조성비율이 연속되게 변하도록 증착되는 버퍼층 및 탑 코팅층을 포함함으로써, 열팽창계수 차이로 발생하는 열응력과 잔류응력을 줄여 탑 코팅층의 탈락을 방지하며 열차폐 코팅의 열적 내구성을 확보할 수 있다.As described above, according to the present invention, since the thermal barrier coating structure includes the buffer layer and the top coating layer deposited on the bond coat layer deposited on the outer surface of the base material so that the composition ratio of 8YSZ continuously changes, The thermal stress and the residual stress can be reduced to prevent the top coat layer from falling off and the thermal durability of the thermal barrier coating can be secured.

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.It should be noted that the embodiments of the present invention disclosed in the present specification and drawings are only illustrative of specific examples for the purpose of understanding and are not intended to limit the scope of the present invention. It will be apparent to those skilled in the art that other modifications based on the technical idea of the present invention are possible in addition to the embodiments disclosed herein.

10: 모재
20: 본드 코팅층
30: 버퍼층
31: 제1 버퍼층
33: 제2 버퍼층
40: 탑 코팅층
10: base metal
20: Bond coating layer
30: buffer layer
31: first buffer layer
33: second buffer layer
40: Top coating layer

Claims (10)

모재의 외면에 결합되며, 상기 모재의 외면으로부터 순차 적층되는 본드 코팅층, 버퍼층 및 탑 코팅층을 포함하고,
상기 본드 코팅층은 MCrAlY(M은 Ni, Co 및 Fe로 이루어진 군으로부터 선택된 금속)으로 형성되고,
상기 버퍼층은 8YSZ로 형성된 제1 버퍼층을 포함하며,
상기 탑 코팅층은 8YSZ 및 La2Zr2O7이 혼합되어 형성되는, 열차폐 코팅 구조.
A buffer layer and a top coating layer which are bonded to the outer surface of the base material and are sequentially stacked from the outer surface of the base material,
Wherein the bond coat layer is formed of MCrAlY (M is a metal selected from the group consisting of Ni, Co, and Fe)
Wherein the buffer layer includes a first buffer layer formed of 8YSZ,
The top coat layer, the thermal barrier coating structure formed in a mixture of 8YSZ and La 2 Zr 2 O 7.
제1항에 있어서,
상기 버퍼층은,
상기 제1 버퍼층 및 탑 코팅층의 사이에 적층되며 부피를 기준으로 상기 탑 코팅층에서의 La2Zr2O7:8YSZ의 혼합비보다 작은 혼합비로 8YSZ 및 La2Zr2O7이 혼합되어 형성된 제2 버퍼층을 더 포함하는, 열차폐 코팅 구조.
The method according to claim 1,
The buffer layer may be formed,
A second buffer layer having a 8YSZ and La 2 Zr 2 O in a small mixing ratio than the mixing ratio of the 8YSZ 7 are mixed: the first buffer layer and laminated between the top coat layer and in the top coat layer, based on the volume La 2 Zr 2 O 7 Further comprising a thermal barrier coating structure.
제2항에 있어서,
상기 탑 코팅층에서 La2Zr2O7:8YSZ의 혼합비(부피비)는 x:1-x 이고(0.5≤x<1),
상기 버퍼층에서 La2Zr2O7:8YSZ의 혼합비(부피비)는 y:1-y 인(0<y<0.5), 열차폐 코팅 구조.
3. The method of claim 2,
The mixing ratio (volume ratio) of La 2 Zr 2 O 7 : 8YSZ in the top coating layer is x: 1-x (0.5? X <1)
Wherein the mixing ratio (volume ratio) of La 2 Zr 2 O 7 : 8YSZ in the buffer layer is y: 1-y (0 <y <0.5).
제3항에 있어서,
상기 탑 코팅층에서 La2Zr2O7:8YSZ의 혼합비(부피비)는 1:1이고, 상기 제2 버퍼층에서 La2Zr2O7:8YSZ의 혼합비(부피비)는 1:3인, 열차폐 코팅 구조.
The method of claim 3,
Wherein in the top coat layer La 2 Zr 2 O 7: mixing ratio (volume ratio) of 8YSZ is 1: 1, wherein the La 2 Zr 2 in the second buffer layer O 7: mixing ratio (volume ratio) of 8YSZ was 1: 3, the thermal barrier coating rescue.
제1항에 있어서,
상기 탑 코팅층은 상기 버퍼층보다 두꺼운, 열차폐 코팅 구조.
The method according to claim 1,
Wherein the top coating layer is thicker than the buffer layer.
제5항에 있어서,
상기 버퍼층의 두께는 50 μm 내지 150 μm이고, 상기 탑 코팅층의 두께는 200 μm 내지 2000 μm인, 열차폐 코팅 구조.
6. The method of claim 5,
Wherein the thickness of the buffer layer is from 50 [mu] m to 150 [mu] m, and the thickness of the top coating layer is from 200 [mu] m to 2000 [mu] m.
제1항에 있어서,
상기 탑 코팅층 상에 적층되고 La2Zr2O7로 형성된 커버층을 더 포함하는, 열차폐 코팅 구조.
The method according to claim 1,
The tower is laminated on the coating layer further comprises a cover layer formed of La 2 Zr 2 O 7, a train structure, barrier coating.
(a) 모재의 표면을 블라스팅하는 단계;
(b) 상기 모재의 표면 상에 MCrAlY(M은 Ni, Co 및 Fe로 이루어진 군으로부터 선택된 금속) 분말을 용사하여 본드 코팅층을 형성하는 단계;
(c) 상기 본드 코팅층 상에 8YSZ 분말 및 La2Zr2O7 분말의 제1 혼합 분말을 용사하여 버퍼층을 형성하는 단계; 및
(d) 상기 버퍼층 상에 8YSZ 분말 및 La2Zr2O7 분말의 제2 혼합 분말을 용사하여 탑 코팅층을 형성하는 단계를 포함하고,
부피를 기준으로 상기 제1 혼합 분말의 La2Zr2O7:8YSZ의 혼합비는 상기 제2 혼합 분말의 La2Zr2O7:8YSZ의 혼합비보다 작은, 열차폐 코팅 구조의 제조방법.
(a) blasting the surface of the base material;
(b) spraying MCrAlY (M is a metal selected from the group consisting of Ni, Co and Fe) powder on the surface of the base material to form a bond coat layer;
(c) forming a buffer layer by spraying a first mixed powder of 8YSZ powder and 2 Zr 2 O 7 powder, the La on said bond coat layer; And
(d) and forming a top coating layer by spraying a second mixed powder of 8YSZ powder and 2 Zr 2 O 7 powder, the La on the buffer layer,
Wherein a mixing ratio of La 2 Zr 2 O 7 : 8YSZ of the first mixed powder is smaller than a mixing ratio of La 2 Zr 2 O 7 : 8YSZ of the second mixed powder based on the volume.
제8항에 있어서,
상기 단계 (c)는,
상기 본드 코팅층 상에 8YSZ 분말을 용사하여 제1 버퍼층을 형성하는 단계; 및
상기 제1 버퍼층 상에 상기 제1 혼합 분말을 용사하여 제2 버퍼층을 형성하는 단계를 포함하는, 열차폐 코팅 구조의 제조방법.
9. The method of claim 8,
The step (c)
Forming a first buffer layer by spraying 8YSZ powder on the bond coat layer; And
And spraying the first mixed powder onto the first buffer layer to form a second buffer layer.
제8항에 있어서,
(e) 상기 탑 코팅층 상에 La2Zr2O7 분말을 용사하여 커버층을 형성하는 단계를 더 포함하는, 열차폐 코팅 구조의 제조방법.
9. The method of claim 8,
(e) spraying La 2 Zr 2 O 7 powder onto the top coat layer to form a cover layer.
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CN113151772A (en) * 2021-03-31 2021-07-23 辽宁科技大学 Novel high-temperature corrosion-resistant thermal barrier coating with double ceramic layer structure and preparation method thereof

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