KR20180076523A - 우수한 부착력 및 열내구성을 가지는 세라믹 열차폐코팅층의 제조방법 - Google Patents

우수한 부착력 및 열내구성을 가지는 세라믹 열차폐코팅층의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은(a) 열차폐코팅용 제1 산화물 입자가 분산된 제1 서스펜션 및 열차폐코팅용 제2 산화물 입자가 분산된 제2 서스펜션을 각각 준비하는 단계; (b) 상기 제1 서스펜션을 이용해 서스펜션 플라즈마 용사(suspension plasma spraying, SPS)로 모재 위에 제1 코팅층을 형성하는 단계; (c) 상기 제1 서스펜션 및 상기 제2 서스펜션의 혼합 서스펜션을 이용해 서스펜션 플라즈마 용사로 상기 제1 코팅층 위에 완충층을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 제2 서스펜션을 이용해 서스펜션 플라즈마 용사로 상기 완충층 위에 제2 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는 세라믹 열차폐코팅층의 제조방법에 관한 것으로서, 상기 제조방법에 의하면, 고에너지 밀링을 통해 분쇄된 산화물 입자 또는 합금화된 복합 산화물 입자를 포함하는 YSZ와 희토류 지르코네이트 2종의 서스펜션을 이용해 연결된 서스펜션 공급기를 지닌 서스펜션 플라즈마 용사로 2층세라믹 열차폐코팅층을 형성함으로써, 해당 코팅층에 고온부인 상층에는 열전도도가 낮고 고온 상안정성이 뛰어난 파이로클로어 혹은 플루오라이트 상을 지니는 희토류 지르코네이트를, 저온부인 하층에는 열팽창계수가 기판과 근사하고 고온 기계적 특성이 우수한 YSZ를 증착시켜 기존의 YSZ 단층코팅와 비교하여 좀더 높은 온도에서 사용이 가능하고 부착력 및 고온 내구성이 희토류 지르코네이트 단층코팅보다 향상된 2층세라믹 열차폐코팅층을 형성할 수 있다.

Description

우수한 부착력 및 열내구성을 가지는 세라믹 열차폐코팅층의 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING CERAMIC THERMAL BARRIER COATINGS HAVING EXCELLENT ADHESION AND THERMAL DURABILITY}
본 발명은 가스터빈 엔진의 고온부 초합금 부품 등의 표면에 증착되는 세라믹 열차폐코팅층의 제조방법에 대한 것이다.
열차폐코팅 (Thermal barrier coatings, TBCs)은 발전용이나 항공용 가스터빈 엔진의 고온부 초합금 부품 표면에 증착된 내열성 세라믹코팅으로 터빈입구온도 (Turbine inlet temperature, TIT)를 높여 가스터빈의 열효율을 향상시키는 역할을 한다.
현재 산업적으로 널리 쓰이는 이트리아 안정화 지르코니아 (Yttria-stabilized zirconia, YSZ)는 플라즈마 용사법이나 전자빔 물리증착법을 이용하여 열차폐코팅으로 제조되면 온도에 따른 상변태가 없는 준안정 정방정상 (Metastable tetragonal prime phase, t'-phase)으로 형성되는데 이러한 t'-상 YSZ는 1200℃ 이상의 고온에 노출되면 열역학적으로 안정한 정방정상과 입방정상으로 분리되며 냉각과정 중에 정방정상이 단위부피가 큰 단사정상으로 상변태를 일으켜 코팅층의 열화가 일어나므로 적용온도가 제한이 있다.
기존 YSZ 열차폐코팅의 적용온도 이상에서 작동되는 고효율 가스터빈 엔진에 응용하기 위해 최근에 널리 연구되는 차세대 열차폐코팅 소재로 란탄계 희토류 지르코네이트가 있다. 기존의 이트리아 안정화 지르코니아는 낮은 열전도도와 세라믹으로는 비교적 높은 열팽창계수를 지니며 높은 파괴인성으로 열차폐코팅의 고온내구성이 우수하지만 적용온도가 1200℃로 제한된다. 반면에 란탄계 희토류 지르코네이트의 경우 YSZ 대비 낮은 열전도도와 녹는점까지 입방정상으로 존재하는 상안정성을 지니지만 비교적 낮은 열팽창 특성과 파괴인성으로 열차폐코팅으로 제조하였을 때, 부착력이나 고온내구성이 떨어지는 것으로 알려져 있다.
따라서, 종래 YSZ 또는 란탄계 희토류 지르코네이트로 열차폐코팅을 형성할 경우 발생되는 각각의 문제점을 해결하여, 열차폐코팅층의 부착력 개선은 물론 열싸이클 중의 고온 내구성까지도 동시에 향상시킬 수 있는 기술에 대한 필요성이 증대되고 있다.
D. R. Clarke, Surf. Coat. Technol., 163-164 (2003) 67. C. G. Levi, Curr. Opi. in Sol. St. Mater. Sci., 8 (2004) 77. R. Vaㅯen, M. O. Jarligo, T. Steinke, D. E. Mack,D. Stㆆver, Surf. Coat. Technol., 205 (2010) 938. D. R. Clarke, M. Oechsner, N. P. Padture, MRS Bull., 37 (2012) 891. W. Pan, S. R. Phillpot, C. Wan, A. Chernatynskiy, Z. Qu, MRS Bull., 37 (2012) 917. X. Ren, W. Pan, Acta Mater., 69 (2014) 397. N. P. Padture, M. Gell,E. H. Jordan, Science, 296 (2002) 280. J. Wu, X. Z. Wei, N. P. Padture, P. G. Klemens, M. Gell, E. Garcia, P. Miranzo and M. I. Osendi, J. Am. Ceram. Soc., 85 (2002) 3031. H. Lehmann, D. Pitzer, G. Pracht, R. Vassen,D. Stㆆver, J. Am. Ceram. Soc., 86 (2003) 1338. J. W. Fergus, Metall. Mater. Trans. E, (2014) 1.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 전처리를 거친 산화물 입자가 분산된 서스펜션을 이용해 경사기능성 코팅층 형성에 적합한 연결된 서스펜션 공급기를 지닌 서스펜션 플라즈마 용사로 2층세라믹 열차폐코팅층을 형성하여 열차폐코팅층의 부착력 특성의 개선은 물론 코팅수직방향으로의 열팽창계수 조정을 통해 열싸이클 중의 고온 내구성 증진이 가능한 2층세라믹 열차폐코팅층의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명은, (a) 열차폐코팅용 제1 산화물 입자가 분산된 제1 서스펜션 및 열차폐코팅용 제2 산화물 입자가 분산된 제2 서스펜션을 각각 준비하는 단계; (b) 상기 제1 서스펜션을 이용해 서스펜션 플라즈마 용사(suspension plasma spraying, SPS)로 모재 위에 제1 코팅층을 형성하는 단계; (c) 상기 제1 서스펜션 및 상기 제2 서스펜션의 혼합 서스펜션을 이용해 서스펜션 플라즈마 용사로 상기 제1 코팅층 위에 완충층을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 제2 서스펜션을 이용해 서스펜션 플라즈마 용사로 상기 완충층 위에 제2 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는 세라믹 열차폐코팅층의 제조방법을 제안한다.
또한, 열차폐코팅용 제1 산화물은 YSZ(Yttria-stabilized zirconia)이고, 열차폐코팅용 제2 산화물은 희토류 지르코네이트(rare-earth zirconates)인 것을 특징으로 하는 세라믹 열차폐코팅층의 제조방법을 제안한다.
또한, 상기 희토류 지르코네이트는 La2Zr2O7 또는 Gd2Zr2O7인 것을 특징으로 하는 세라믹 열차폐코팅층의 제조방법을 제안한다.
또한, 상기 단계 (a)는 (a-1) 열차폐코팅용 산화물 분말을 기계적으로 분쇄하는 단계; 및 (a-2) 상기 분쇄된 산화물 분말을 포함하는 슬러리를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 열차폐코팅층의 제조방법을 제안한다.
또한, 상기 단계 (a)는 (a-1) 2종 이상의 산화물 분말을 혼합하여 기계적 합금화(mechanical alloying)를 수행하는 단계; 및 (a-2) 상기 단계 (a-1)에서 얻어진 열차폐코팅용 산화물 분말을 포함하는 슬러리를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 열차폐 코팅층의 제조방법을 제안한다.
또한, 상기 2종 이상의 산화물 분말은 (i) Y2O3, Gd2O3 및 La2O3으로부터 선택되는 1종 이상 및 (ii) ZrO2 및 CeO2로 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 열차폐 코팅층의 제조방법을 제안한다.
또한, 상기 단계 (a-1)에서 산화물 분말의 기계적 분쇄 또는 기계적 합금화는 유성구 볼밀링(planetary ball milling), 어트리션 밀링(attrition milling) 또는 쉐이커 밀링(shaker milling)에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 세라믹 열차폐 코팅층의 제조방법을 제안한다.
또한, 상기 단계 (a-2)에 앞서 상기 단계 (a-1)에서 얻어진 산화물 분말을 하소(calcination)하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 열차폐 코팅층의 제조방법을 제안한다.
또한, 상기 단계 (c)에서 코팅층 두께 방향으로 제1 산화물 및 제2 산화물의 함량비가 연속적으로 변화하는 완충층이 형성되는 것을 특징으로 하는 세라믹 열차폐코팅층의 제조방법을 제안한다.
또한, 상기 단계 (c)는, 상기 제1 서스펜션이 저장되는 제1 서스펜션 저장탱크; 상기 제2 서스펜션이 저장되는 제2 서스펜션 저장탱크; 상기 제1 서스펜션 저장탱크로부터 제1 서스펜션을 플라즈마 용사 건(gun)으로 공급하는 제1 이송관; 상기 제1 이송관에 구비되어 제1 서스펜션의 플라즈마 용사 건으로의 공급량을 제어하는 제1 개폐밸브; 상기 제1 서스펜션 저장탱크와 제2 서스펜션 저장탱크 사이를 연결하고, 상기 제2 서스펜션을 제1 서스펜션 저장탱크로 이송시키는 제2 이송관; 상기 제2 이송관에 구비되어 제2 서스펜션의 제1 서스펜션 저장탱크로의 유량을 제어하는 제2 개폐밸브; 상기 제2 서스펜션 저장탱크로부터 제2 서스펜션을 플라즈마 용사 건(gun)으로 공급하는 제3 이송관; 및 상기 제3 이송관에 구비되어 제2 서스펜션의 플라즈마 용사 건으로의 공급량을 제어하는 제3 개폐밸브를 포함하는 서스펜션 공급기를 지닌 서스펜션 플라즈마 용사장치를 이용해 실시하는 것을 특징으로 하는 세라믹 열차폐코팅층의 제조방법을 제안한다.
본 발명에 따른 경사기능성 코팅층 형성에 적합한 연결된 서스펜션 공급기를 지닌 서스펜션 플라즈마 용사를 이용한 2층세라믹 열차폐코팅층의 제조방법에 의하면, 고에너지 밀링을 통해 분쇄된 산화물 입자 또는 합금화된 복합 산화물 입자를 포함하는 YSZ와 희토류 지르코네이트 2종의 서스펜션을 이용해 연결된 서스펜션 공급기를 지닌 서스펜션 플라즈마 용사로 2층세라믹 열차폐코팅층을 형성함으로써, 해당 코팅층에 고온부인 상층에는 열전도도가 낮고 고온 상안정성이 뛰어난 파이로클로어 혹은 플루오라이트 상을 지니는 희토류 지르코네이트를, 저온부인 하층에는 열팽창계수가 기판과 근사하고 고온 기계적 특성이 우수한 YSZ를 증착시켜 기존의 YSZ 단층코팅와 비교하여 좀더 높은 온도에서 사용이 가능하고 부착력 및 고온 내구성이 희토류 지르코네이트 단층코팅보다 향상된 2층세라믹 열차폐코팅층을 형성할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 서스펜션 플라즈마 용사 장치용 서스펜션 공급기를 보여주는 도면이다.
도 2(a)는 본원 실시예 1-1 내지 1-2에서 제1 서스펜션 저장탱크의 서스펜션에 사용된 YSZ 분말의 분쇄 전/후 미세구조를 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진과 X-선 회절(XRD) 패턴 분석 결과이다.
도 2(b)는 본원 실시예 1-1 내지 1-2에서 제2 서스펜션 저장탱크의 서스펜션에 사용된 La2Zr2O7 분말의 원료인 La2O7와 ZrO2 분말과 합성된 La2Zr2O7 분말의 미세구조를 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진과 합성된 La2Zr2O7 분말의 X-선 회절(XRD) 패턴 분석 결과이다.
도 3(a)는 본원 실시예 1-1에서 제조된 2층세라믹 열차폐코팅 시편의 X-선 회절(XRD) 패턴 및 해당 시편의 단면 미세구조를 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 3(b)는 본원 실시예 1-2에서 제조된 2층세라믹 열차폐코팅 시편의 X-선 회절(XRD) 패턴 및 해당 시편의 단면 미세구조를 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 3(c)는 본원 비교예 1에서 제조된 단층 열차폐코팅 시편의 X-선 회절(XRD) 패턴 및 해당 시편의 단면 미세구조를 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 4는 본원 실시예 1-1에서 제조된 2층세라믹 열차폐코팅 시편의 단면 미세구조를 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진과 La, Zr, Y 원소의 분포를 보여주는 EDS map이다.
도 5는 본원 실시예 1-1에서 제조된 2층세라믹 열차폐코팅 시편의 단면 미세구조를 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진과 각각의 위치에서 구한 비커스 경도값 그래프이다.
도 6(a)는 본원 실시예 1-1 내지 실시예 1-2에서 제조된 2층세라믹 열차폐코팅 시편의 1100℃ 전기열피로 시험 1429 싸이클 실시 후 건전한 코팅이 남아있는 사진이다.
도 6(b)는 본원 비교예 2에서 제조된 단층 열차폐코팅 시편의 1100℃ 전기열피로 시험 2 싸이클 실시 후 코팅이 박리된 사진이다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 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.
이하, 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.
본 발명에 따른 우수한 부착력 및 열내구성을 가지는 세라믹 열차폐코팅층의 제조방법은, (a) 열차폐코팅용 제1 산화물 입자가 분산된 제1 서스펜션 및 열차폐코팅용 제2 산화물 입자가 분산된 제2 서스펜션을 각각 준비하는 단계; (b) 상기 제1 서스펜션을 이용해 서스펜션 플라즈마 용사(suspension plasma spraying, SPS)로 모재 위에 제1 코팅층을 형성하는 단계; (c) 상기 제1 서스펜션 및 상기 제2 서스펜션의 혼합 서스펜션을 이용해 서스펜션 플라즈마 용사로 상기 제1 코팅층 위에 완충층을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 제2 서스펜션을 이용해 서스펜션 플라즈마 용사로 상기 완충층 위에 제2 코팅층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지며, 이하에서 상기 각 단계에 대해 상세히 설명한다.
상기 열차폐코팅용 제1 산화물은 낮은 열전도도와 세라믹으로는 비교적 높은 열팽창계수를 지니며 높은 파괴인성으로 열차폐코팅의 고온내구성이 우수한 산화물, 예를 들면, YSZ(Yttria-stabilized zirconia)인 것이 바람직하고, 열차폐코팅용 제2 산화물은 낮은 열전도도와 녹는점까지 상안정성이 우수한 산화물, 예를 들면, 희토류 지르코네이트(rare-earth zirconates)인 것이 바람직하다. 상기 희토류 지르코네이트로서 La2Zr2O7 또는 Gd2Zr2O7을 예로 들 수 있으나 이들로 제한되는 것은 아니다.
상기 단계 (a)에서는 서스펜션 플라즈마 용사에 이용되는 피드 스탁(feed stock)으로서 산화물 입자가 분산된 서스펜션을 형성하는 단계로서, 본 단계에서는 열차폐코팅층 형성을 위한 원료 물질인 1종 또는 2종 이상의 산화물 분말로부터 고에너지 밀링을 통해 열차폐코팅용 산화물 미분체를 얻은 후, 이를 용매에 분산시켜 제1 서스펜션 및 제2 서스펜션을 각각 별도로 제조하게 된다.
예를 들어, 원료 물질로서 상용 YSZ(Yttria-stabilized zirconia), La2Zr2O7, Gd2Zr2O7 등과 같은 1종의 산화물 분말을 사용할 경우에는 (a-1) 열차폐코팅용 산화물 분말을 기계적으로 분쇄하는 단계; 및 (a-2) 상기 분쇄된 산화물 분말을 포함하는 슬러리를 형성하는 단계를 거쳐 서스펜션이 형성된다.
이때, 상기 단계 (a-1)에서는 고에너지를 가할 수 있는 기계적 밀링 방법이 사용되는 것이 바람직하며, 이를 위한 구체적인 수단으로서 유성구 볼밀링(planetary ball milling), 어트리션 밀링(attrition milling) 또는 쉐이커 밀링(shaker milling) 등을 들 수 있다.
그리고, 상기 단계 (a-2)에서는 전 단계를 통해 분쇄된 크기의 산화물 분말을 볼 밀링(ball milling) 등의 수단을 통해 에탄올 등의 용매에 균질하게 분산시키게 된다.
또한, 본 단계 (a)를 실시함에 있어서 원료 물질로서 상용 2종 이상의 산화물 분말을 사용해 희토류 지르코네이트(rare-earth zirconates) 등의 열차폐코팅용 산화물을 제조할 경우에는 (a-1) 2종 이상의 열차폐코팅용 산화물 분말을 혼합하여 기계적 분쇄 또는 기계적 합금화(mechanical alloying)를 수행하는 단계; 및 (a-2) 상기 단계 (a-1)에서 얻어진 산화물 분말을 포함하는 슬러리를 형성하는 단계를 거쳐 서스펜션이 형성된다.
이때, 상기 단계 (a-1)에서는 상기 2종 이상의 산화물로는, (i) Y2O3, Gd2O3 및 La2O3으로부터 선택되는 1종 이상 및 (ii) ZrO2 및 CeO2로 선택되는 1종 이상을 함께 포함하는 것이 바람직하며, 상기와 같은 2종 이상의 산화물 분말을 혼합한 후 유성구 볼밀링(planetary ball milling), 어트리션 밀링(attrition milling) 또는 쉐이커 밀링(shaker milling) 등의 고에너지 밀링을 통해 기계적 분쇄 또는 기계적 합금화를 수행하게 된다.
그리고, 상기 단계 (a-2)에서는 전 단계를 통해 복합 산화물 분말을 볼 밀링(ball milling) 등의 수단을 통해 에탄올 등의 용매에 균질하게 분산시키게 된다.
한편, 본 단계 (a)를 수행함에 있어서, 상기 단계 (a-1)에서 산화물 입자의 분쇄 또는 기계적 합금화를 수행한 후 (a-2)를 실시하기 전에 유기물 등의 불순물을 탈지시키거나 최종 산화물을 합성하기 위해 진공 또는 환원가스 분위기에서 하소(calcination)하는 단계를 필요 에 따라 추가적으로 수행할 수 있다. 이때, 상기 하소는 불순물이 완전히 제거되면서 화합물이 합성될 수 있을 정도의 온도 및 시간으로 수행되면 바람직하다.
다음으로, 상기 단계 (b)에서는 상기 제1 서스펜션을 이용해 서스펜션 플라즈마 용사(suspension plasma spraying, SPS)로 모재 위에 제1 코팅층을 형성하는 단계이다.
참고로, 서스펜션 플라즈마 용사는 분말 재료를 대신해 액체 상태의 서스펜션을 플라즈마 제트에 직접 공급하는 용사법으로서, 플라즈마 제트에 투입된 서스펜션은 플라즈마 제트 내에서 미립화되어 가열에 의한 용매의 증발, 재료의 용해, 모재에서의 충돌이라는 일련의 과정을 거쳐 코팅층이 형성된다.
다음으로, 상기 단계 (c)에서는 상기 제1 서스펜션 및 상기 제2 서스펜션의 혼합 서스펜션을 이용해 서스펜션 플라즈마 용사로 상기 제1 코팅층 위에 완충층을 형성하는 단계로서, 바람직하게는, 두께 방향으로 제1 산화물 및 제2 산화물의 함량비가 연속적으로 변화하는 완충층을 형성시키며, 더욱 바람직하게는, 버퍼층의 하단에서 상단 방향으로 제1 산화물의 분율은 연속적으로 감소하는 반면 제2 산화물의 분율은 연속적으로 증가하는 버퍼층을 형성시키는 단계이다.
마지막으로, 상기 단계 (d)에서는 상기 제2 서스펜션을 이용해 서스펜션 플라즈마 용사로 상기 완충층 위에 제2 코팅층을 형성하는 단계이다.
한편, 도 1은 전술한 본 발명에 따른 완충층이 개재(介在)된 2층세라믹 열차폐코팅층 제조방법을 구현하기 위한 서스펜션 플라즈마 용사장치에 구비되는 서스펜션 공급기(1)로서, 특히, 본 발명에 따른 완충층이 개재(介在)된 2층세라믹 열차폐코팅층과 같은 경사기능성 코팅층 형성에 적합한 연결된 서스펜션 공급기에 대한 개념도이다.
상기 서스펜션 플라즈마 용사 장치용 서스펜션 공급기(1)는, 기본적으로 코팅층을 이루는 소재의 원료가 되는 성분이 분산되어 있는 서스펜션을 저장하는 복수의 저장탱크; 상기 저장탱크 상호 간을 연결하면서 서스펜션의 이동을 가능케 하거나 플라즈마 용사 건으로 서스펜션을 공급하는 역할을 하는 이송관; 및 상기 이송관에 구비되어 서스펜션의 흐름을 개폐하는 개폐밸브를 포함한다.
보다 상세하게는, 상기 서스펜션 플라즈마 용사 장치용 서스펜션 공급기(1)는 제1 서스펜션이 저장되는 제1 서스펜션 저장탱크(11); 제2 서스펜션이 저장되는 제2 서스펜션 저장탱크(12); 상기 제1 서스펜션 저장탱크로부터 제1 서스펜션을 플라즈마 용사 건(gun)으로 공급하는 제1 이송관(21); 상기 제1 이송관에 구비되어 제1 서스펜션의 플라즈마 용사 건으로의 공급량을 제어하는 제1 개폐밸브(22); 상기 제1 서스펜션 저장탱크와 제2 서스펜션 저장탱크 사이를 연결하고, 상기 제2 서스펜션을 제1 서스펜션 저장탱크로 이송시키는 제2 이송관(31); 상기 제2 이송관에 구비되어 제2 서스펜션의 제1 서스펜션 저장탱크로의 유량을 제어하는 제2 개폐밸브(32); 상기 제2 서스펜션 저장탱크로부터 제2 서스펜션을 플라즈마 용사 건(gun)으로 공급하는 제3 이송관(41); 및 상기 제3 이송관에 구비되어 제2 서스펜션의 플라즈마 용사 건으로의 공급량을 제어하는 제3 개폐밸브(42)를 포함할 수 있다.
상기와 같은 서스펜션 플라즈마 용사 장치용 서스펜션 공급기(1)를 사용해 본 발명에 따른 세라믹 열차폐코팅층 제조방법을 수행할 경우, 경사기능성 열차폐코팅층, 즉, 완충층이 개재(介在)된 2층세라믹 열차폐코팅층을 보다 용이하게 구현할 수 있으며, 특히, 각 구성 성분의 함량 분율이 그 최하층부로부터 최상층부에 이르기까지 연속적으로 변화하는 완충층을 손쉽게 얻을 수 있다.
상기와 같이 경사기능성 코팅층 형성에 적합한 연결된 서스펜션 공급기를 지닌 서스펜션 플라즈마 용사를 이용해, 완충층이 개재(介在)된 2층세라믹 열차폐코팅층을 제조하는 본 발명에 의하면, 고에너지 밀링을 통해 분쇄된 산화물 입자 또는 합금화된 복합 산화물 입자를 포함하는 YSZ와 희토류 지르코네이트 2종의 서스펜션을 이용해 연결된 서스펜션 공급기를 지닌 서스펜션 플라즈마 용사로 2층세라믹 열차폐코팅층을 형성함으로써, 해당 코팅층에 고온부인 상층에는 열전도도가 낮고 고온 상안정성이 뛰어난 파이로클로어 혹은 플루오라이트 상을 지니는 희토류 지르코네이트를, 저온부인 하층에는 열팽창계수가 기판과 근사하고 고온 기계적 특성이 우수한 YSZ를 증착시켜 기존의 YSZ 단층코팅와 비교하여 좀더 높은 온도에서 사용이 가능하고 부착력 및 고온 내구성이 희토류 지르코네이트 단층코팅보다 향상된 2층세라믹 열차폐코팅층을 형성할 수 있다.
이하, 본 명세서를 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 명세서에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 명세서의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 명세서를 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
<실시예 1-1 내지 실시예 1-2>
1. 서스펜션 플라즈마 용사를 위한 서스펜션 제조
상용 YSZ 분말(7.5 wt% Y2O3-ZrO2, PRAXAIR, ZRO271-5, USA, <125μm)를 YSZ ball(φ1mm)과 IPA를 혼합매질로 사용하여 20시간 동안 볼 밀링을 통해 입자 사이즈를 작게 만든 후, YSZ ball과 에탄올을 혼합매질로 분말대비 1:9 비율로 분산하여 1시간 동안 볼밀링을 통해 서스펜션으로 제작하였다. 도 2 (a)는 본원 실시예 1-1 내지 1-2에서 제1 서스펜션 저장탱크의 서스펜션에 사용된 상용 YSZ 분말 과립형상과 20 시간 볼밀 후 분말형상 및 분쇄 후 분말의 XRD 상분석 결과이며 사용된 YSZ 분말은 정방정상으로 이루어져 있으며 20 시간 볼밀 후 수십 ㎛ 과립형태에서 수 ㎛ 크기의 분말로 분쇄되었음을 확인하였다.
또한 La2O3 (High purity chemicals, Japan, 99.99%, 7 μm), ZrO2 (High purity chemicals, Japan, 98%, 5 μm) 원료분말을 사용하여 La2Zr2O7 분말을 합성하고 서스펜션으로 제작하였다. 각 산화물 조성을 지르코니아 볼과 IPA (Isopropyl alcohol) 그리고 0.5 wt.% 분산제 (Dibutyl phosphate, Sigma-Aldrich, USA, 96%)를 첨가하여 24 시간 볼밀 (ball mill)로 혼합하였다. 혼합물은 교반기를 이용하여 교반하면서 가열하여 용매를 증발 시킨 후 80℃ 건조기에서 건조하였다. 건조된 분말은 1550℃에서 2 시간동안 하소처리한 후 유발을 이용하여 분말입자를 조립하고 체거름하여 La2Zr2O7 합성분말을 제조하였다. 제조된 La2Zr2O7 분말을 YSZ ball과 에탄올을 혼합매질로 분말대비 1:9 비율로 분산하여 1시간 동안 볼밀링을 통해 서스펜션으로 제작하였다. 도 2 (b)에서 본원 실시예 1-1 내지 1-2에서 제2 서스펜션 저장탱크의 서스펜션에 사용된 La2Zr2O7 분말의 원료분말인 La2O3 와 ZrO2, 그리고 합성된 La2Zr2O7 분말의 입자모양과 합성분말의 XRD 상분석 결과이다. 합성된 La2Zr2O7 분말은 (331), (511)의 초격자피크를 분명히 나타내는 파이로클로어 결정상으로 확인되었으며 분쇄된 YSZ 와 유사한 크기의 입자형상을 보였다.
2. 서스펜션 플라즈마 용사를 이용한 열차폐 코팅층 형성
제조된 슬러리는 니켈계 초합금 기판에 Amdry 386-2 (Sulzer metco, Switzerland) 본드코트 (Bond coat)조성을 고속화염용사법 (High velocity oxy-fuel spraying, HVOF)으로 약 200 ㎛ 증착한 기판에 서스펜션 플라즈마 용사 (Axial III plasma spray system, Northwest Mettech Corp., Canada)를 이용하여 증착하였다. 코팅조건으로는 Ar과 He 혼합가스를 15L/min의 속도로 제어하였으며, 코팅기재와 플라즈마 토치 사이의 거리는 75mm, 코팅기판의 회전속도 1500rpm, 서스펜션 공급속도 45mL/min, 코팅 가압전류는 220A으로 코팅을 실시하였다. 도 1에 서스펜션 플라즈마 용사법으로 2층세라믹 열차폐코팅을 제조하기 위한 슬러리 공급장치에 대한 모식도를 나타내었다. 우선 분당 45 ml 의 피딩속도로 공급되는 슬러리를 시간에 따라 슬러리 소비양을 계산한 후 제1 서스펜션 저장탱크에서 슬러리 공급이 완료되기 직전에 제2 서스펜션 저장탱크에서 슬러리를 제1 서스펜션 저장탱크에 추가공급하는 방식으로 2층세라믹 열차폐코팅을 제조하였다.
La2Zr2O7/YSZ의 실시예 1-1 코팅시편의 경우 우선 제1 서스펜션 저장탱크의 YSZ 조성의 서스펜션을 40 분 동안 플라즈마 화염에 공급하여 증착하였다. YSZ 조성의 서스펜션의 공급이 32 분 동안 진행되었을 때 제2 서스펜션 저장탱크로부터 La2Zr2O7 조성의 슬러리를 제1 서스펜션 저장탱크에 투입하여 YSZ+La2Zr2O7 층이 8 분 동안 코팅되었고, 제2 서스펜션 저장탱크의 La2Zr2O7 조성이 30 분 동안 추가로 공급되도록 코팅을 진행하여 총 1 시간 10 분 증착하였다.
그리고 La2Zr2O7/YSZ의 실시예 1-2 코팅시편의 경우 제1 서스펜션 저장탱크의 YSZ 조성의 서스펜션을 30 분 동안 플라즈마 화염에 공급하여 증착하고 제2 서스펜션 저장탱크로부터 La2Zr2O7 조성의 슬러리를 제1 서스펜션 저장탱크에 투입하여 20 분 동안 추가로 공급되도록 코팅을 진행하여 총 50 분 증착하였는데, La2Zr2O7/YSZ의 실시예 1-1 코팅시편과 마찬가지로 8 분의 혼합구간을 주어 코팅을 진행하였다.
<비교예 1>
1. 서스펜션 플라즈마 용사를 위한 서스펜션 제조
La1.94Y0.01Zr2.05O7.02 의 조성을 가지는 복합산화물을 합성하기 위해 출발 원료 분말로 La2O3, Y2O3 및 ZrO2의 3종의 산화물을 칭량하여 지르코니아 볼과 IPA(Isopropyl alcohol)를 혼합매질로 사용해 24 시간 동안 볼밀(ball mill)을 이용해 습식혼합 후 교반하면서 가열하여 용매를 증발시켰다. 용매가 증발된 혼합물을 80℃의 건조기에서 24 시간 동안 건조하였다. 건조된 분말을 유발로 분쇄한 후, 분당 5℃ 승온 속도로 1400℃에서 2 시간 유지 후 냉각하여 하소처리 하였다. 하소한 분말은 알루미나 유발을 이용해 분쇄하고 체거름하여 조립화한 후 YSZ ball과 에탄올을 혼합매질로 사용하여 24시간 동안 볼밀링을 통해 서스펜션으로 제작하였다.
2. 서스펜션 플라즈마 용사를 이용한 열차폐 코팅층 형성
코팅용 금속기재로 직경 25mm, 두께 3mm의 디스크형태 NIMONIC263(Crucible service centers, USA)을 사용하고, 본드 코트(Bond coat)는Ni-22Cr-10Al-1.0Y(in wt.%)계 분말(AMDRY:962, USA)을 사용하여 NIMONIC263 금속기재 위에 대기플라즈마용사(atmospheric plasma spray, APS)법으로 코팅두께 100μm 정도로 코팅을 실시하였으며, 이후 사포(#1200)로 표면연마 하였다. 이후 탑 (Top) 코팅에 앞서 플라즈마 화염을 통해 350℃까지 금속기재를 예열한 뒤, 상기 1.에서 제작한 나노 서스펜션을 사용하여 서스펜션 용사법으로 탑코팅을 실시하였다. 코팅조건으로는 Ar과 He 혼합가스를 15L/min의 속도로 제어하였으며, 코팅기재와 플라즈마 토치 사이의 거리는 75mm, 코팅기판의 회전속도 1500rpm, 서스펜션 공급속도 45mL/min, 코팅 가압전류는 220A으로 코팅을 실시하였다.
<실험예 1> 실시예 및 비교예에서 제조된 시편에 대한 결정구조 분석과 단면 미세구조 관찰
도 3(a) 내지 도 3(c)는 실시예 1-1 내지 1-2에서 제조된 2층세라믹 열차폐코팅 시편 및 비교예 1에서 제조된 단층 열차폐코팅 시편에 대한 X-선 회절(XRD) 패턴 및 해당 시편의 단면 미세구조를 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 3(a) 내지 도 3(b) 에 따르면, 상층인 La2Zr2O7 층으로부터 나타나는 파이로클로어 결정상을 플루오라이트 결정상과 구분 짓는 특성 피크인 (331)면 및 (511)면에 대응하는 피크를 포함하면서 파이로클로어 단일상(single phase)으로 이루어짐을 확인할 수 있었으며, 파이로클로어 상으로부터의 피크 외에 하부의 t'-YSZ 의 피크도 약하게 관찰되었다. 단면 미세구조는 세라믹코팅층이 대략 300~400 ㎛ 두께로 증착되었으며, 하층인 YSZ 층과 상층인 La2Zr2O7 층의 두께비는 대략 1:2 로 유사하지만 총 두께는 차이를 보였다. La2Zr2O7 와 YSZ 층 각각이 치밀한 미세구조를 지녔으나 La2Zr2O7 층에 비해 YSZ 층에서 다수의 기공도 관찰되었으며 수직균열과 같은 수직분리 미세구조는 나타나지 않았다.
반면에 도 3(c) 에 따르면, 비교예 1에서 La1.94Y0.01Zr2.05O7.02 조성을 가지면서 서스펜션 플라즈마 용사를 이용해 제조된 단면 코팅층 시편의 경우에는 플루오라이트의 단일상으로 이루어진 나노크기의 결정상을 갖는 코팅이 형성되었음을 확인할 수 있다. 미세구조 관찰 결과 깃털형 주상구조(Feathery columnar structure)와 유사한 수직분리(vertical separation)구조가 관찰되었다.
도 4는 실시예 1-1에서 제조된 2층세라믹 열차폐코팅 시편의 단면 미세구조를 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진과 La, Zr, Y 원소의 분포를 보여주는 EDS map이다. 하층인 YSZ와 상층인 La2Zr2O7의 조성 차이에 따라 La 층과 Zr 층 그리고 Y 층의 확연히 구분되는 것을 확인할 수 있었다.
도 5는 본원 실시예 1-1에서 제조된 2층세라믹 열차폐코팅 시편의 단면 미세구조를 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진과 각각의 위치에서 구한 비커스 경도값 그래프이다. 2층세라믹 열차폐코팅층에서 가장 높은 경도값은 YSZ 층으로 대략 32~34 GPa 의 경도값을 나타내었다.
<실험예 2> 실시예 및 비교예에서 제조된 시편에 대한 부착력 및 열내구성 측정
시편 부착력 (MPa)
실시예 1-1 >25.0
실시예 1-2 18.7
비교예 1 15.4
도 6(a)는 실시예 1-1 내지 실시예 1-2에서 제조된 2층세라믹 열차폐코팅 시편의 1100℃ 전기열피로 시험 1429 싸이클 실시 후 건전한 코팅이 남아있는 사진이다. 1429 cycles 진행과정에서 대략 1000 cycles 에서부터 코팅층 기판부분이 산화되어 기판부 부피가 감소하였으나 코팅층은 박리되지 않았다.
반면에, 도 6(b)는 비교예 2에서 제조된 단층 열차폐코팅 시편의 1100℃ 전기열피로 시험 2 싸이클 실시 후 코팅이 박리된 사진이다. 열내구성이 높은 것으로 알려진 수직분리 미세구조를 지니는 코팅이지만 열팽창계수가 낮은 La2Zr2O7 조성에 유사한 조성으로 이루어져 고온과 상온을 반복적으로 오가는 동안 형성되는 열응력을 코팅층이 견디지 못하고 박리가 있어난 것으로 사료된다.
1: 서스펜션 플라즈마 용사 장치용 서스펜션 공급기
11: 제1 서스펜션 저장탱크
12: 제2 서스펜션 저장탱크
21: 제1 이송관
22: 제1 개폐밸브
31: 제2 이송관
32: 제3 개폐밸브
41: 제3 이송관
42: 제3 개폐밸브

Claims (10)

  1. (a) 열차폐코팅용 제1 산화물 입자가 분산된 제1 서스펜션 및 열차폐코팅용 제2 산화물 입자가 분산된 제2 서스펜션을 각각 준비하는 단계;
    (b) 상기 제1 서스펜션을 이용해 서스펜션 플라즈마 용사(suspension plasma spraying, SPS)로 모재 위에 제1 코팅층을 형성하는 단계;
    (c) 상기 제1 서스펜션 및 상기 제2 서스펜션의 혼합 서스펜션을 이용해 서스펜션 플라즈마 용사로 상기 제1 코팅층 위에 완충층을 형성하는 단계; 및
    (d) 상기 제2 서스펜션을 이용해 서스펜션 플라즈마 용사로 상기 완충층 위에 제2 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는 세라믹 열차폐코팅층의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    열차폐코팅용 제1 산화물은 YSZ(Yttria-stabilized zirconia)이고, 열차폐코팅용 제2 산화물은 희토류 지르코네이트(rare-earth zirconates)인 것을 특징으로 하는 세라믹 열차폐코팅층의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 희토류 지르코네이트는 La2Zr2O7 또는 Gd2Zr2O7인 것을 특징으로 하는 세라믹 열차폐코팅층의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (a)는 하기 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 열차폐코팅층의 제조방법:
    (a-1) 열차폐코팅용 산화물 분말을 기계적으로 분쇄하는 단계; 및
    (a-2) 상기 분쇄된 산화물 분말을 포함하는 슬러리를 형성하는 단계.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (a)는 하기 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 열차폐 코팅층의 제조방법:
    (a-1) 2종 이상의 산화물 분말을 혼합하여 기계적 합금화(mechanical alloying)를 수행하는 단계; 및
    (a-2) 상기 단계 (a-1)에서 얻어진 열차폐코팅용 산화물 분말을 포함하는 슬러리를 형성하는 단계.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 2종 이상의 산화물 분말은 (i) Y2O3, Gd2O3 및 La2O3으로부터 선택되는 1종 이상 및 (ii) ZrO2 및 CeO2로 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 열차폐 코팅층의 제조방법.
  7. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 단계 (a-1)에서 산화물 분말의 기계적 분쇄 또는 기계적 합금화는 유성구 볼밀링(planetary ball milling), 어트리션 밀링(attrition milling) 또는 쉐이커 밀링(shaker milling)에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 세라믹 열차폐 코팅층의 제조방법.
  8. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 단계 (a-2)에 앞서 상기 단계 (a-1)에서 얻어진 산화물 분말을 하소(calcination)하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 열차폐 코팅층의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (c)에서 코팅층 두께 방향으로 제1 산화물 및 제2 산화물의 함량비가 연속적으로 변화하는 완충층이 형성되는 것을 특징으로 하는 세라믹 열차폐코팅층의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 단계 (c)는,
    상기 제1 서스펜션이 저장되는 제1 서스펜션 저장탱크;
    상기 제2 서스펜션이 저장되는 제2 서스펜션 저장탱크;
    상기 제1 서스펜션 저장탱크로부터 제1 서스펜션을 플라즈마 용사 건(gun)으로 공급하는 제1 이송관;
    상기 제1 이송관에 구비되어 제1 서스펜션의 플라즈마 용사 건으로의 공급량을 제어하는 제1 개폐밸브;
    상기 제1 서스펜션 저장탱크와 제2 서스펜션 저장탱크 사이를 연결하고, 상기 제2 서스펜션을 제1 서스펜션 저장탱크로 이송시키는 제2 이송관;
    상기 제2 이송관에 구비되어 제2 서스펜션의 제1 서스펜션 저장탱크로의 유량을 제어하는 제2 개폐밸브;
    상기 제2 서스펜션 저장탱크로부터 제2 서스펜션을 플라즈마 용사 건(gun)으로 공급하는 제3 이송관; 및
    상기 제3 이송관에 구비되어 제2 서스펜션의 플라즈마 용사 건으로의 공급량을 제어하는 제3 개폐밸브를 포함하는 서스펜션 공급기를 지닌 서스펜션 플라즈마 용사장치를 이용해 실시하는 것을 특징으로 하는 세라믹 열차폐코팅층의 제조방법.
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