KR20190081792A - Method for manufacturing three-layer ceramic thermal barrier coatings having excellent thermal durability - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a step (a) of preparing a first suspension in which first oxide particles are dispersed, a second suspension in which second oxide particles are dispersed, and a third suspension in which third oxide particles are dispersed; a step (b) of forming a first coating layer on a first coating layer on a base material with suspension plasma spraying (SPS) by using the first suspension; a step (c) of forming a second coating layer on the first coating layer; and a step (d) of forming a third coating layer on the second coating layer. According to the manufacturing method, a three-layered ceramic thermal barrier coating layer can be formed to enhance high-temperature durability during a thermal cycle.

Description

우수한 열내구성을 가지는 3층세라믹 열차폐코팅층의 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING THREE-LAYER CERAMIC THERMAL BARRIER COATINGS HAVING EXCELLENT THERMAL DURABILITY}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a three-layer ceramic thermal barrier coating layer having excellent thermal durability,

본 발명은 가스터빈 엔진의 고온부 초합금 부품 등의 표면에 증착되는 세라믹 열차폐코팅층의 제조방법에 대한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of manufacturing a ceramic thermal barrier coating layer deposited on a surface of a high temperature superalloy part of a gas turbine engine.

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. Thermal barrier coatings (TBCs) are heat-resistant ceramic coatings deposited on the surface of super high temperature superalloy parts of power and aviation gas turbine engines to increase the turbine inlet temperature (TIT) to improve the thermal efficiency of the gas turbine It plays a role.

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. Yttria-stabilized zirconia (YSZ), which is widely used in industry, is a metastable tetragonal prime phase with no phase change depending on the temperature when it is made into a thermal barrier coating by plasma spraying or electron beam physical vapor deposition '-phase). This t'-phase YSZ is separated into a thermodynamically stable tetragonal phase and a cubic phase when exposed to a high temperature of 1200 ° C. or more. During the cooling process, the tetragonal phase is transformed into a monosial phase having a large unit volume, As the deterioration occurs, the applicable temperature is limited.

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.A new generation of thermal barrier coating materials, recently studied extensively for applications in high efficiency gas turbine engines operating above the application temperature of conventional YSZ thermal barrier coatings, is lanthanide rare earth zirconate. Conventional yttria stabilized zirconia has a low thermal conductivity and a relatively high coefficient of thermal expansion for ceramics, and has high fracture toughness, which is superior to high temperature durability of thermal barrier coatings, but its application temperature is limited to 1200 ° C. On the other hand, the lanthanide-based rare earth zirconate has a low thermal conductivity compared to YSZ and a phase stability existing in the cubic state from the melting point to the melting point. However, when manufactured by thermal barrier coating with relatively low thermal expansion property and fracture toughness, .

또한 저열전도성을 지니며 고온에서 안정한 세라믹을 이용한 열차폐코팅의 미세구조는 코팅의 기계적, 열적 물성뿐만 아니라 고온 내구성에 영향을 미치는데 특히 코팅 내부에 존재하는 조성, 기공의 양, 형상, 분포 등은 코팅의 영률, 경도와 같은 기계적 물성에 영향을 주어 가스터빈의 열사이클링 과정에서 발생하는 열응력과 코팅 고온 내구성에 영향을 주는 주요 변수 중 하나이다.In addition, the microstructure of thermal barrier coatings with low thermal conductivity and stable ceramics at high temperatures influences not only the mechanical and thermal properties of the coating but also the high temperature durability, especially the composition, pore volume, shape and distribution Is one of the main parameters affecting the mechanical properties such as the Young's modulus and hardness of the coating, which affects the thermal stress generated in the thermal cycling process of the gas turbine and the high temperature durability of the coating.

따라서, 종래 YSZ 또는 란탄계 희토류 지르코네이트로 열차폐코팅을 형성할 경우 발생되는 각각의 문제점을 해결하여, 열차폐코팅층의 모재와 코팅층 간의 열응력 완화는 물론 열싸이클 중의 고온 내구성까지도 동시에 향상시킬 수 있는 기술에 대한 필요성이 증대되고 있다.Therefore, it is possible to solve the respective problems caused by forming a thermal barrier coating with YSZ or lanthanide-based rare earth zirconate, and to improve not only the thermal stress between the base material and the coating layer of the thermal barrier coating layer but also the high temperature durability in the thermal cycle There is an increasing need for technology that can be used.

D. R. Clarke, Surf. Coat. Technol., 163-164 (2003) 67. D. R. Clarke, Surf. Coat. Technol., 163-164 (2003) 67. C. G. Levi, Curr. Opi. in Sol. St. Mater. Sci., 8 (2004) 77. 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. R. Vaughan, M. O. Jarligo, T. Steinke, D. E. Mack, D. St ㆆ ver, Surf. Coat. Technol., 205 (2010) 938. D. R. Clarke, M. Oechsner, N. P. Padture, MRS Bull., 37 (2012) 891. 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. 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. X. Ren, W. Pan, Acta Mater., 69 (2014) 397. N. P. Padture, M. Gell,E. H. Jordan, Science, 296 (2002) 280. 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. J. Wu, X. Z. Wei, N. P. Padture, P. G. Klemens, M. Gell, E. Garcia, P. Miranzo and M. Osendi, J. Am. Ceram. Soc., 85 (2002) 3031. S. Sampath, U. Schulz, M.O. Jarligo and S. Kuroda, MRS Bull., 37 (2012) 903. S. Sampath, U. Schulz, M.O. Jarligo and S. Kuroda, MRS Bull., 37 (2012) 903. E. Bakan, D. E. Mack, G. Mauer, R. Muecke and R. Vassen, J. Am. Ceram. Soc., 98 (2015) 1. E. Bakan, D. E. Mack, G. Mauer, R. Muecke and R. Vassen, J. Am. Ceram. Soc., 98 (2015) 1. V. Viswanathan, G. Dwivedi and S. Sampath, J. Am. Ceram. Soc., 98 (2015) 1769. V. Viswanathan, G. Dwivedi and S. Sampath, J. Am. Ceram. Soc., 98 (2015) 1769.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 전처리를 거친 산화물 입자가 분산된 서스펜션을 이용해 경사기능성 코팅층 형성에 적합한 연결된 서스펜션 공급기를 지닌 서스펜션 플라즈마 용사로 3층세라믹 열차폐코팅층을 형성하여 그 미세 구조에 조성 및 기공도를 제어하여 모재와 코팅층 간의 열응력 조정을 통해 열싸이클 중의 고온 내구성 증진이 가능한 3층세라믹 열차폐코팅층의 제조방법을 제공하는 것이다.The present invention provides a three-layer ceramic thermal barrier coating layer formed by using a suspension plasma sprayer having a suspension supplier suitable for forming an inclined functional coating layer using a suspension in which pre-treated oxide particles are dispersed, And a method for manufacturing a three-layer ceramic thermal barrier coating layer capable of enhancing high temperature durability in a thermal cycle by controlling thermal stress between a base material and a coating layer by controlling porosity.

상기 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명은, (a) 열차폐코팅용 제1 산화물 입자가 분산된 제1 서스펜션, 에탄올 및 증류수를 80:20 내지 60:40 중량비로 포함하는 혼합매질에 열차폐코팅용 제2 산화물 입자가 분산된 제2 서스펜션 및 열차폐코팅용 제3 산화물 입자가 분산된 제3 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 제2 서스펜션을 이용해 서스펜션 플라즈마 용사(suspension plasma spraying, SPS)로 상기 제1 코팅층 위에 제2 코팅층을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 제3 서스펜션을 이용해 서스펜션 플라즈마 용사로 상기 제2 코팅층 위에 제3 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는 3층세라믹 열차폐코팅층의 제조방법을 제안한다.In order to accomplish the above object, the present invention provides a method for producing a thermal barrier coating comprising the steps of: (a) mixing a first suspension in which first oxide particles for thermal barrier coating are dispersed, ethanol and distilled water in a mixing medium at a weight ratio of 80:20 to 60:40, Preparing a second suspension in which second oxide particles for coating are dispersed and a third suspension in which third oxide particles for a thermal barrier coating are dispersed, respectively; (b) forming a first coating layer on the base material by suspension plasma spraying (SPS) using the first suspension; (c) forming a second coating layer on the first coating layer by suspension plasma spraying (SPS) using the second suspension; And (d) forming a third coating layer on the second coating layer by suspension plasma spraying using the third suspension. The present invention also provides a method for manufacturing a three-layer ceramic thermal barrier coating layer.

또한, 열차폐코팅용 제1 산화물 및 제2 산화물은 YSZ(Yttria-stabilized zirconia)이고, 열차폐코팅용 제3 산화물은 희토류 지르코네이트(rare-earth zirconates)인 것을 특징으로 하는 3층세라믹 열차폐코팅층의 제조방법을 제안한다.Wherein the first oxide and second oxide for thermal barrier coating are YSZ (Yttria-stabilized zirconia) and the third oxide for thermal barrier coating is rare-earth zirconates. A method for producing a pulmonary coating layer is proposed.

또한, 상기 희토류 지르코네이트는 La1.89-xGdxZr2.12O7.06 (x는 0.24 내지 1.65)인 것을 특징으로 하는 3층세라믹 열차폐코팅층의 제조방법을 제안한다.Also, the rare earth zirconate is La 1.89-x Gd x Zr 2.12 O 7.06 (x is 0.24 to 1.65), and proposes a method of manufacturing a three-layer ceramic thermal barrier coating layer.

또한, 상기 단계 (a)에서 상기 제1 서스펜션을 준비하는 단계는 하기 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3층세라믹 열차폐코팅층의 제조방법을 제안한다:In addition, the step of preparing the first suspension in the step (a) includes the following steps:

(a-1) 열차폐코팅용 산화물 분말을 기계적으로 분쇄하는 단계; 및 (a-2) 상기 분쇄된 산화물 분말을 포함하는 슬러리를 형성하는 단계.(a-1) mechanically pulverizing oxide powder for thermal spray coating; And (a-2) forming a slurry comprising the pulverized oxide powder.

또한, 상기 단계 (a)에서 상기 제2 서스펜션을 준비하는 단계는 하기 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3층세라믹 열차폐코팅층의 제조방법을 제안한다:In addition, the step of preparing the second suspension in the step (a) includes the following steps:

(a-1) 열차폐코팅용 산화물 분말을 기계적으로 분쇄하는 단계; 및 (a-2) 에탄올 및 증류수를 80:20 내지 60:40 중량비로 포함하는 혼합매질에 상기 분쇄된 산화물 분말을 분산시켜 슬러리를 형성하는 단계.(a-1) mechanically pulverizing oxide powder for thermal spray coating; And (a-2) dispersing the pulverized oxide powder in a mixing medium comprising ethanol and distilled water at a weight ratio of 80:20 to 60:40 to form a slurry.

또한, 상기 단계 (a)에서 상기 제3 서스펜션을 준비하는 단계는 하기 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3층세라믹 열차폐 코팅층의 제조방법을 제안한다:In addition, the step of preparing the third suspension in the step (a) includes the following steps:

(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.(a-1) mixing two or more oxide powders to perform mechanical alloying; And (a-2) forming a slurry containing the oxide powder for thermal spray coating obtained in the step (a-1).

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 3층세라믹 열차폐 코팅층의 제조방법을 제안한다.Also, the two or more types of oxide powders preferably contain (i) at least one selected from Y 2 O 3 , Gd 2 O 3 and La 2 O 3 , and (ii) at least one oxide selected from ZrO 2 and CeO 2 Layer ceramic thermal barrier coating layer.

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 3층세라믹 열차폐 코팅층의 제조방법을 제안한다.In the step (a-1), the mechanical pulverization or mechanical alloying of the oxide powder is performed by planetary ball milling, attrition milling or shaker milling. Layer ceramic thermal spray coating layer.

또한, 상기 단계 (a-2)에 앞서 상기 단계 (a-1)에서 얻어진 산화물 분말을 하소(calcination)하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 3층세라믹 열차폐 코팅층의 제조방법을 제안한다.Further, the present invention further proposes a method for manufacturing a three-layer ceramic thermal barrier coating layer characterized by further comprising the step of calcining the oxide powder obtained in the step (a-1) before the step (a-2) .

또한, 상기 단계 (c)에서 제2 코팅층을 형성한 후, 상기 제2 서스펜션 및 상기 제3 서스펜션의 혼합 서스펜션을 이용해 서스펜션 플라즈마 용사로 상기 제2 코팅층 위에, 코팅층 두께 방향으로 제2 산화물 및 제3 산화물의 함량비가 연속적으로 변화하는 완충층을 형성하는 것을 특징으로 하는 3층세라믹 열차폐코팅층의 제조방법을 제안한다.In addition, after forming the second coating layer in the step (c), suspension plasma spraying is performed on the second coating layer using the mixed suspension of the second suspension and the third suspension, and the second oxide and the third Layer ceramic thermal barrier coating layer characterized in that a buffer layer in which the oxide content ratio continuously changes is formed.

또한, 상기 단계 (c)는, 상기 제2 서스펜션이 저장되는 제1 저장탱크; 상기 제3 서스펜션이 저장되는 제2 저장탱크; 상기 제1 저장탱크로부터 제2 서스펜션을 플라즈마 용사 건(gun)으로 공급하는 제1 이송관; 상기 제1 이송관에 구비되어 제2 서스펜션의 플라즈마 용사 건으로의 공급량을 제어하는 제1 개폐밸브; 상기 제1 저장탱크와 제2 저장탱크 사이를 연결하고, 상기 제3 서스펜션을 제1 저장탱크로 이송시키는 제2 이송관; 상기 제2 이송관에 구비되어 제3 서스펜션의 제1 저장탱크로의 유량을 제어하는 제2 개폐밸브; 상기 제2 저장탱크로부터 제3 서스펜션을 플라즈마 용사 건(gun)으로 공급하는 제3 이송관; 및 상기 제3 이송관에 구비되어 제3 서스펜션의 플라즈마 용사 건으로의 공급량을 제어하는 제3 개폐밸브를 포함하는 서스펜션 공급기를 지닌 서스펜션 플라즈마 용사장치를 이용해 실시하는 것을 특징으로 하는 3층세라믹 열차폐코팅층의 제조방법을 제안한다.The step (c) may further include: a first storage tank in which the second suspension is stored; A second storage tank in which the third suspension is stored; A first transfer pipe for supplying a second suspension from the first storage tank to a plasma spray gun; A first opening / closing valve provided in the first transfer pipe for controlling a supply amount of the second suspension to the plasma spray gun; A second transfer pipe connecting between the first storage tank and the second storage tank and transferring the third suspension to the first storage tank; A second opening / closing valve provided in the second transfer pipe for controlling a flow rate of the third suspension to the first storage tank; A third transfer pipe for supplying a third suspension from the second storage tank to a plasma spray gun; And a third opening / closing valve provided in the third transfer pipe for controlling an amount of supply of the third suspension to the plasma spray gun. The three-layer ceramic thermal spraying coating apparatus according to any one of the preceding claims, Of the present invention.

본 발명에 따른 다층 열차폐코팅층 형성에 적합한 연결된 서스펜션 공급기를 지닌 서스펜션 플라즈마 용사를 이용한 3층세라믹 열차폐코팅층의 제조방법에 의하면, 고에너지 밀링을 통해 분쇄된 산화물(YSZ 등) 입자 또는 합금화된 복합 산화물(희토류 지르코네이트 등) 입자를, 에탄올 또는 에탄올 및 증류수를 80:20 내지 60:40 중량비로 포함하는 혼합매질에 분산시킨 3종의 서스펜션을 이용해 연결된 서스펜션 공급기를 지닌 서스펜션 플라즈마 용사로 3층세라믹 열차폐코팅층을 형성함으로써, 해당 코팅층에 고온부인 상층에는 열전도도가 낮고 고온 상안정성이 뛰어난 파이로클로어 혹은 플루오라이트, 혹은 파이로클로어 및 플루오라이트 두 상의 혼합상을 지니면서 열차폐코팅의 열화를 일으키는 m-ZrO2는 존재하지 않는 희토류 지르코네이트를, 저온부인 하층에는 열팽창계수가 기판과 근사하고 고온 기계적 특성이 우수한 YSZ를, 특히 기공도가 다른 2층으로 증착시킨 3층세라믹 열차폐코팅층을 형성하여 그 미세 구조에 조성 및 기공도를 제어하여 기존의 YSZ 단층코팅와 비교하여 좀더 높은 온도에서 사용이 가능하고 모재와 코팅층 간의 열응력 조정을 통해 열싸이클 중의 고온 내구성 증진이 가능한 3층세라믹 열차폐코팅층을 형성할 수 있다.According to the method for manufacturing a three-layer ceramic thermal barrier coating layer using a suspension plasma spray having a connected suspension supplier suitable for forming a multilayer thermal barrier coating layer according to the present invention, particles of oxide (YSZ or the like) pulverized through high energy milling or alloyed composite The suspension plasma spray with a suspension supply connected with three kinds of suspensions in which oxide (rare earth zirconate or the like) particles are dispersed in a mixed medium containing ethanol or ethanol and distilled water at a weight ratio of 80:20 to 60:40, By forming a ceramic thermal barrier coating layer, the coating layer has a mixture phase of pyrochlore or fluorite, or pyrochlore and fluorite, which has a low thermal conductivity and excellent high-temperature stability in the upper layer, m-ZrO 2 causes the degradation of the rare earth zirconates is not present, the low In the lower layer, a three-layer ceramic thermal barrier coating layer is formed by depositing YSZ having a thermal expansion coefficient close to the substrate and excellent in high temperature mechanical properties, particularly two layers having different porosity, and controlling composition and porosity in the microstructure, Layer ceramic thermal barrier coating layer which can be used at a higher temperature than the YSZ single layer coating and can improve the high temperature durability in the thermal cycle by adjusting the thermal stress between the base material and the coating layer.

도 1은 본 발명에 따른 서스펜션 플라즈마 용사를 이용한 열차폐 코팅층의 제조방법의 흐름도이다.
도 2(a)는 선행연구(비특허문헌 0011) V. Viswanathan, G. Dwivedi and S. Sampath, J. Am. Ceram. Soc., 98 (2015) 1769)에 보고된 다층코팅의 설계 모식도와 실제 열차폐코팅 층의 미세구조이다.
도 2(b)는 선행연구(비특허문헌 0011) V. Viswanathan, G. Dwivedi and S. Sampath, J. Am. Ceram. Soc., 98 (2015) 1769)에 보고된 다층코팅의 고온 내구성 실험결과이다.
도 3은 본 발명에 따른 서스펜션 플라즈마 용사 장치용 서스펜션 공급기를 보여주는 도면이다.
도 4는 본원 실시예 1에서 제조된 3층 세라믹 열차폐코팅 시편의 단면 미세구조와 코팅두께를 보여주는 광학현미경 사진이다.
도 5는 본원 실시예 1에서 제조된 3층 세라믹 열차폐코팅 시편의 각 층의 기공도를 측정하기 위한 단면 미세구조를 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진과 기공을 표시한 사진이다.
도 6은 본원 비교예 1에서 제조된 2층세라믹 열차폐코팅 시편의 단면 미세구조와 코팅두께를 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
1 is a flow chart of a method of manufacturing a thermal barrier coating layer using a suspension plasma spray according to the present invention.
FIG. 2 (a) is a diagram showing the results of a previous study (Non-Patent Document 0011) V. Viswanathan, G. Dwivedi and S. Sampath, J. Am. Ceram. Soc., 98 (2015) 1769) and the microstructure of the actual thermal barrier coating layer.
FIG. 2 (b) is a diagram showing the results of a previous study (Non-Patent Document 0011) V. Viswanathan, G. Dwivedi and S. Sampath, J. Am. Ceram. Soc., 98 (2015) 1769).
3 is a view showing a suspension supply device for a suspension plasma spraying apparatus according to the present invention.
4 is an optical microscope photograph showing the cross-sectional microstructure and coating thickness of the three-layer ceramic thermal barrier coating specimen prepared in Example 1 of the present application.
5 is a scanning electron microscope (SEM) photograph and pore image showing the cross-sectional microstructure for measuring the porosity of each layer of the three-layer ceramic thermal barrier coating specimen manufactured in Example 1 of the present application.
6 is a scanning electron microscope (SEM) image showing the cross-sectional microstructure and coating thickness of the two-layer ceramic thermal barrier coating specimen prepared in Comparative Example 1 of the present invention.

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.In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.

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.Embodiments in accordance with the concepts of the present invention can make various changes and have various forms, so that specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in this specification or application. It should be understood, however, that the embodiments according to the concepts of the present invention are not intended to be limited to any particular mode of disclosure, but rather all variations, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the present invention.

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.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, the terms "comprises ", or" having ", or the like, specify that there is a stated feature, number, step, operation, , Steps, operations, components, parts, or combinations thereof, as a matter of principle.

이하, 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

도 1은 본 발명에 따른 서스펜션 플라즈마 용사를 이용한 3층세라믹 열차폐코팅층의 제조방법을 나타내는 흐름도로서, 도 1에 도시하는 바와 같이 본 발명에 따른 3층세라믹 열차폐코팅층의 제조방법은, (a) 열차폐코팅용 제1 산화물 입자가 분산된 제1 서스펜션, 에탄올 및 증류수를 80:20 내지 60:40 중량비로 포함하는 혼합매질에 열차폐코팅용 제2 산화물 입자가 분산된 제2 서스펜션 및 열차폐코팅용 제3 산화물 입자가 분산된 제3 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 제2 서스펜션을 이용해 서스펜션 플라즈마 용사(suspension plasma spraying, SPS)로 상기 제1 코팅층 위에 제2 코팅층을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 제3 서스펜션을 이용해 서스펜션 플라즈마 용사로 상기 제 2 코팅층 위에 제3 코팅층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지며, 이하에서 상기 각 단계에 대해 상세히 설명한다.FIG. 1 is a flow chart showing a method for manufacturing a three-layer ceramic thermal barrier coating layer using suspension plasma spraying according to the present invention. As shown in FIG. 1, the method for manufacturing a three- ) A second suspension in which second oxide particles for thermal spray coating are dispersed in a mixed medium comprising a first suspension in which first oxide particles for thermal spray coating are dispersed, ethanol and distilled water at a weight ratio of 80:20 to 60:40, Preparing a third suspension in which third particles for pulverous coating are dispersed, respectively; (b) forming a first coating layer on the base material by suspension plasma spraying (SPS) using the first suspension; (c) forming a second coating layer on the first coating layer by suspension plasma spraying (SPS) using the second suspension; And (d) forming a third coating layer on the second coating layer by suspension plasma spraying using the third suspension. Hereinafter, each step will be described in detail.

상기 열차폐코팅용 제1 산화물 및 제2 산화물은 낮은 열전도도와 세라믹으로는 비교적 높은 열팽창계수를 지니며 높은 파괴인성으로 열차폐코팅의 고온내구성이 우수한 산화물, 예를 들면, YSZ(Yttria-stabilized zirconia)인 것이 바람직하고, 열차폐코팅용 제3 산화물은 낮은 열전도도와 녹는점까지 상안정성이 우수한 산화물, 예를 들면, 희토류 지르코네이트(rare-earth zirconates)인 것이 바람직하다. 상기 희토류 지르코네이트로서 La1.89-xGdxZr2.12O7.06 (x는 0.24 내지 1.65)를 예로 들 수 있으나 이들로 제한되는 것은 아니다.The first oxide and the second oxide for the thermal barrier coating have a low thermal conductivity and a relatively high thermal expansion coefficient as ceramics, and an oxide excellent in high temperature durability of the thermal barrier coating, for example, Yttria-stabilized zirconia ), And the third oxide for thermal barrier coating is preferably an oxide excellent in phase stability from low thermal conductivity and melting point, for example rare-earth zirconates. As the rare earth zirconate, La 1.89-x Gd x Zr 2.12 O 7.06 (x is 0.24 to 1.65), for example, but not limited thereto.

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 내지 제2 서스펜션을 각각 별도로 제조하게 된다.The step (a) is a step of forming a suspension in which oxide particles are dispersed as a feed stock used for suspension plasma spraying. In this step, one or two or more kinds of oxides as a raw material for forming a thermal barrier coating layer The powder is subjected to high-energy milling to obtain an oxide powder for thermal spray coating, which is then dispersed in a solvent to produce a first suspension or a second suspension separately.

예를 들어, 원료 물질로서 상용 YSZ(Yttria-stabilized zirconia) 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.For example, when one type of oxide powder such as YSZO (Yttria-stabilized zirconia) is used as a raw material, (a-1) mechanically pulverizing oxide powder for thermal spray coating; And (a-2) forming a slurry containing the pulverized oxide powder to form a suspension.

또한, 원료 물질로서 상용 YSZ(Yttria-stabilized zirconia) 등과 같은 1종의 산화물 분말을 사용할 경우에는 (a-1) 열차폐코팅용 산화물 분말을 기계적으로 분쇄하는 단계; 및 (a-2) 에탄올 및 증류수를 80:20 내지 60:40 중량비로 포함하는 혼합매질에 상기 분쇄된 산화물 분말을 분산시켜 슬러리를 형성하는 단계를 거쳐 서스펜션이 형성된다.Also, when one type of oxide powder such as YSZO (Yttria-stabilized zirconia) is used as a raw material, (a-1) mechanically pulverizing oxide powder for thermal spray coating; And (a-2) dispersing the pulverized oxide powder in a mixing medium containing ethanol and distilled water at a weight ratio of 80:20 to 60:40 to form a slurry, thereby forming a suspension.

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.At this time, it is preferable that a mechanical milling method capable of applying high energy is used in step (a-1). Specific means for this purpose include planetary ball milling, attrition milling or shaker Milling (shaker milling) and the like.

그리고, 상기 단계 (a-2)에서는 전 단계를 통해 분쇄된 크기의 산화물 분말을 볼 밀링(ball milling) 등의 수단을 통해 에탄올 혹은 에탄올 및 증류수의 혼합매질 등의 용매에 균질하게 분산시키게 된다. In the step (a-2), the oxide powder of the pulverized size is uniformly dispersed in a solvent such as ethanol or a mixed medium of ethanol and distilled water through ball milling or the like.

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.Further, in the case where the oxide for thermal barrier coating such as rare-earth zirconates is prepared by using two or more kinds of commercially available oxide powders as raw materials in the step (a), (a-1) 2 Mixing at least two kinds of oxide powders for thermal spray coating to perform mechanical pulverization or mechanical alloying; And (a-2) a step of forming a slurry containing the oxide powder obtained in the step (a-1).

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.In the step (a-1), the at least two oxides include (i) at least one selected from Y 2 O 3 , Gd 2 O 3 and La 2 O 3 and (ii) at least one oxide selected from the group consisting of ZrO 2 and CeO 2 And at least two kinds of oxide powders may be mixed and then mixed with at least one selected from the group consisting of planetary ball milling, attrition milling or shaker milling, Or mechanical alloying through high energy milling, such as, for example,

그리고, 상기 단계 (a-2)에서는 전 단계를 통해 복합 산화물 분말을 볼 밀링(ball milling) 등의 수단을 통해 에탄올 혹은 에탄올 및 증류수의 혼합매질 등의 용매에 균질하게 분산시키게 된다. In the step (a-2), the composite oxide powder is homogeneously dispersed in a solvent such as ethanol or a mixed medium of ethanol and distilled water through ball milling or the like.

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 산화 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.In carrying out the present step (a), the oxide particles are pulverized or mechanically alloyed in the step (a-1), the impurities such as organic substances are degreased before the step (a-2) A step of calcining in an oxidizing atmosphere may be additionally performed as necessary. At this time, it is preferable that the calcination is carried out at a temperature and a time such that the compound can be synthesized while the impurities are completely removed.

다음으로, 상기 단계 (b)에서는 상기 제1 서스펜션을 이용해 서스펜션 플라즈마 용사(suspension plasma spraying, SPS)로 모재 위에 제1 코팅층을 형성하는 단계이다.Next, in the step (b), a first coating layer is formed on the base material by suspension plasma spraying (SPS) using the first suspension.

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.For reference, a suspension plasma spray is a spraying method in which a suspension in a liquid state is directly supplied to a plasma jet instead of a powder material. Suspensions injected into a plasma jet are atomized in a plasma jet to evaporate the solvent by heating, dissolve the material, And a collision of the two layers.

다음으로, 상기 단계 (c)에서는 상기 제2 서스펜션을 이용해 서스펜션 플라즈마 용사로 상기 제 1 코팅층 위에 제2 코팅층을 형성하는 단계이다.Next, in the step (c), a second coating layer is formed on the first coating layer by suspension plasma spraying using the second suspension.

필요에 따라, 본 단계 (c)에서는 코팅층 두께 방향으로 제2 산화물 및 제3 산화물의 함량비가 연속적으로 변화하는 완충층을 형성하기 위해, 제2 코팅층을 형성한 후 상기 제2 서스펜션 및 상기 제3 서스펜션의 혼합 서스펜션을 이용해 상기 제2 코팅층 위에 완충층을 형성시키는 공정을 추가로 수행할 수 있다.If necessary, in order to form a cushioning layer in which the content ratio of the second oxide and the third oxide continuously changes in the thickness direction of the coating layer in the step (c), the second coating layer is formed and then the second suspension and the third suspension The buffer layer may be formed on the second coating layer by using a mixed suspension of the first coating layer and the second coating layer.

마지막으로, 상기 단계 (d)에서는 상기 제3 서스펜션을 이용해 서스펜션 플라즈마 용사로 상기 제2 코팅층 위에 제3 코팅층을 형성하는 단계이다.Finally, in the step (d), a third coating layer is formed on the second coating layer by suspension plasma spraying using the third suspension.

참고로, 도 2는 Sampath group에서 발표한 다층코팅의 구조와 열내구성에 대한 결과로 현재 열차폐코팅으로서 산업에서 가장 널리 사용되고 있는 t'-YSZ를 안정하게 사용할 수 있는 1200℃ 이상에 적용되는 열차폐코팅에 대해서 크게 기존의 t'-YSZ의 안정화 온도를 높일 수 있는 첨가물에 대한 연구와 문헌에 보고된 것과 같은 다층코팅에 대한 접근이 있다. 도 2에 보인 문헌에서는 GZ(gadolinium zirconate)/YSZ의 2층 코팅 개념을 기반으로 각 층의 기공율을 조절하여 열차폐코팅 적용시 열싸이클 중에 열응력을 최소화하여 열내구성을 높이고자 한 결과로 특히 하층의 YSZ 코팅의 구조를 치밀/다공구조로 제조한 경우에 열차폐코팅의 고온 내구성이 향상된 예를 보였다. 2, as a result of the structure and thermal durability of the multi-layer coatings disclosed in the Sampath group, there is a train which is applied at a temperature of 1,200 ° C or more, which can stably use t'-YSZ, Studies on additives that can increase the stabilization temperature of conventional t'-YSZ for pulmonary coatings and approaches to multilayer coatings such as those reported in the literature are available. In the literature shown in FIG. 2, the porosity of each layer is adjusted based on the two-layer coating concept of GZ (gadolinium zirconate) / YSZ to minimize thermal stress during thermal cycling and to enhance thermal durability The high temperature durability of the thermal barrier coating is improved when the structure of the lower YSZ coating is made into dense / porous structure.

한편, 도 3은 전술한 본 발명에 따른 3층세라믹 열차폐코팅층 제조방법을 구현하기 위한 서스펜션 플라즈마 용사장치에 구비되는 서스펜션 공급기(1)로서, 특히, 본 발명에 따른 3층세라믹 열차폐코팅층과 같은 다층 코팅층 형성에 적합한 연결된 서스펜션 공급기에 대한 개념도이다.3 is a suspension supply device 1 provided in a suspension plasma spraying apparatus for implementing the method for manufacturing a three-layer ceramic thermal spraying coating layer according to the present invention. In particular, the three- Is a conceptual diagram of a connected suspension supply suitable for forming the same multilayer coating layer.

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.The suspension supply device (1) for a suspension plasma spraying apparatus basically comprises: a plurality of storage tanks for storing suspensions in which components constituting a material of a coating layer are dispersed; A transfer pipe connected to the storage tanks to enable movement of suspensions or to supply suspensions to the plasma spray gun; And an on-off valve provided on the transfer tube for opening and closing the flow of the suspension.

보다 상세하게는, 상기 서스펜션 플라즈마 용사 장치용 서스펜션 공급기(1)는 제1 서스펜션 또는 제2 서스펜션이 저장되는 제1 저장탱크(11); 제3 서스펜션이 저장되는 제2 저장탱크(12); 상기 제1 저장탱크로부터 제1 서스펜션 또는 제2 서스펜션을 플라즈마 용사 건(gun)으로 공급하는 제1 이송관(21); 상기 제1 이송관에 구비되어 제1 서스펜션 또는 제2 서스펜션의 플라즈마 용사 건으로의 공급량을 제어하는 제1 개폐밸브(22); 상기 제1 저장탱크와 제2 저장탱크 사이를 연결하고, 상기 제3 서스펜션을 제1 서스펜션 저장탱크로 이송시키는 제2 이송관(31); 상기 제2 이송관에 구비되어 제3 서스펜션의 제1 저장탱크로의 유량을 제어하는 제2 개폐밸브(32); 상기 제2 저장탱크로부터 제3 서스펜션을 플라즈마 용사 건(gun)으로 공급하는 제3 이송관(41); 및 상기 제3 이송관에 구비되어 제3 서스펜션의 플라즈마 용사 건으로의 공급량을 제어하는 제3 개폐밸브(42)를 포함할 수 있다.More specifically, the suspension supply device (1) for the suspension plasma spraying apparatus includes a first storage tank (11) in which a first suspension or a second suspension is stored; A second storage tank (12) in which the third suspension is stored; A first transfer pipe (21) for supplying a first suspension or a second suspension from the first storage tank to a plasma spray gun; A first opening / closing valve (22) provided in the first transfer pipe for controlling a supply amount of the first suspension or the second suspension to the plasma spray gun; A second transfer pipe (31) connecting between the first storage tank and the second storage tank and transferring the third suspension to the first suspension storage tank; A second opening / closing valve (32) provided in the second transfer pipe for controlling the flow rate of the third suspension to the first storage tank; A third transfer pipe (41) for supplying a third suspension from the second storage tank to a plasma spray gun; And a third open / close valve (42) provided in the third transfer pipe for controlling the supply amount of the third suspension to the plasma spray gun.

참고로, 상기 제1 저장탱크(11)에는 제1 서스펜션을 먼저 채워 서스펜션 플라즈마 용사를 통한 제1 코팅층 형성을 진행하는 도중 또는 제1 코팅층 형성을 완료한 후에 제2 서스펜션이 채워진다.For reference, the first suspension tank is filled with the first suspension tank 11 and the second suspension is filled with the first coating layer formed through suspension plasma spraying or after the first coating layer is formed.

상기와 같이 다층 열차폐코팅층 형성에 적합한 연결된 서스펜션 공급기를 지닌 서스펜션 플라즈마 용사를 이용한 3층세라믹 열차폐코팅층의 제조방법에 의하면, 고에너지 밀링을 통해 분쇄된 YSZ 등의 산화물 입자 또는 합금화된 희토류 지르코네이트 등의 복합 산화물 입자를 에탄올 또는 에탄올 및 증류수를 80:20 내지 60:40 중량비로 포함하는 혼합매질에 분산시킨 3종의 서스펜션을 이용해 연결된 서스펜션 공급기를 지닌 서스펜션 플라즈마 용사로 3층세라믹 열차폐코팅층을 형성함으로써, 해당 코팅층에 고온부인 상층에는 열전도도가 낮고 고온 상안정성이 뛰어난 파이로클로어 혹은 플루오라이트 혹은 두 상의 혼합상을 지니면서 열차폐코팅의 열화를 일으키는 m-ZrO2 는 존재하지 않는 희토류 지르코네이트를, 저온부인 하층에는 열팽창계수가 기판과 근사하고 고온 기계적 특성이 우수한 YSZ를, 특히 기공도가 다른 2층으로 증착시킨 3층세라믹 열차폐코팅층을 형성하여 그 미세 구조에 조성 및 기공도를 제어하여 기존의 YSZ 단층코팅와 비교하여 좀더 높은 온도에서 사용이 가능하고 모재와 코팅층 간의 열응력 조정을 통해 열싸이클 중의 고온 내구성 증진이 가능한 3층세라믹 열차폐코팅층을 형성할 수 있다.According to the method for manufacturing a three-layer ceramic thermal barrier coating layer using a suspension plasma spray having a connected suspension supply suitable for forming a multilayer thermal spray coating layer as described above, oxide particles such as YSZ pulverized through high energy milling or alloyed rare earth zirconia Layer or the like is dispersed in a mixed medium containing ethanol or ethanol and distilled water in a mixing ratio of 80:20 to 60:40 by weight, the suspension is coated with a suspension plasma feeder having a suspension feeder connected to three layers of a ceramic thermal barrier coating layer , There is no m-ZrO 2 in the upper layer of the coating layer, which has a low thermal conductivity and a high temperature stability and has a mixed phase of pyrochlore or fluorite or two phases, which causes deterioration of the thermal barrier coating A rare earth zirconate, and a lower layer which is a low temperature portion, Layer ceramic thermal barrier coating layer formed by depositing YSZ excellent in high temperature mechanical properties, especially two layers having different porosity, to control the composition and porosity in the microstructure, so that the YSZ single layer coating has a higher Layer ceramic thermal barrier coating layer capable of improving the durability of the thermal cycle in the thermal cycle by adjusting the thermal stress between the base material and the coating layer.

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.Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of examples with reference to the drawings. However, the embodiments according to the present disclosure can be modified in various other forms, and the scope of the present specification is not construed as being limited to the embodiments described below. Embodiments of the present disclosure are provided to more fully describe the present disclosure to those of ordinary skill in the art.

<실시예 1>&Lt; Example 1 >

1. 서스펜션 플라즈마 용사를 위한 서스펜션 제조1. Suspension for Suspension Plasma Spraying

상용 YSZ(7.5 wt% Y2O3-ZrO2, 271-4, Praxair surface technologies, USA)를 사용하였으며 에탄올을 용매로 하고 직경 3 mm의 지르코니아 볼을 이용해서 24 시간동안 볼밀(ball mill)하여 수 μm 크기의 분말을 제조한 후 교반과 동시에 가열한 후 80℃에서 건조하였다. 서스펜션을 제조하기 위해 입자크기를 감소시킨 YSZ 분말을 서스펜션의 용매를 에탄올과 증류수를 아래 표 1의 비율로 혼합한 각 용매에 분말 중량대비 1:9 비율로 분산하여 1시간 동안 볼밀링을 통해 제1 및 제2 서스펜션으로 제작하였다.A commercially available YSZ (7.5 wt% Y 2 O 3 -ZrO 2 , 271-4, Praxair surface technologies, USA) was used and ball milled with a 3 mm diameter zirconia ball for 24 hours using ethanol as a solvent Powder having a size of several μm was prepared, heated at the same time as stirring, and then dried at 80 ° C. In order to manufacture a suspension, YSZ powder having a reduced particle size was dispersed in a solvent of suspension at a ratio of 1: 9 to the weight of each powder mixed in ethanol and distilled water in the ratio shown in Table 1 below and ball milled for 1 hour 1 and a second suspension.

Figure pat00001
Figure pat00001

또한 La2O3 (High purity chemicals, Japan, 99.99%, 10 μm), Gd2O3 (High purity chemicals, Japan, 99.99%, 2~3 μm), ZrO2 (High purity chemicals, Japan, 98%, 5 μm) 원료분말을 사용하여 표 2의 조성과 같이 La0.24Gd1.65Zr2.12O7.06 분말을 합성하고 제3 서스펜션으로 제작하였다. In addition, La 2 O 3 (High purity chemicals , Japan, 99.99%, 10 μm), Gd 2 O 3 (High purity chemicals, Japan, 99.99%, 2 ~ 3 μm), ZrO 2 (High purity chemicals, Japan, 98% , 5 μm) Using the raw material powder, La 0.24 Gd 1.65 Zr 2.12 O 7.06 powder was synthesized as shown in the composition of Table 2, and a third suspension was prepared.

Figure pat00002
Figure pat00002

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 La0.24Gd1.65Zr2.12O7.06 합성분말을 제조하였다. 제조된 La0.24Gd1.65Zr2.12O7.06 (x=0.24, 0.71, 1.18, 1.65) 분말을 YSZ ball과 에탄올을 혼합매질로 분말대비 1:9 비율로 분산하여 1시간 동안 볼밀링을 통해 서스펜션으로 제작하였다. Each oxide composition was mixed with zirconia balls, IPA (isopropyl alcohol) and 0.5 wt.% Dispersant (Dibutyl phosphate, Sigma-Aldrich, USA, 96%) for 24 hours in a ball mill. The mixture was heated with stirring using an agitator to evaporate the solvent and then dried in a dryer at 80 ° C. The dried powders were calcined at 1550 ℃ for 2 hours and granulated and sieved using induction to produce La 0.24 Gd 1.65 Zr 2.12 O 7.06 synthetic powder. The prepared La 0.24 Gd 1.65 Zr 2.12 O 7.06 (x = 0.24, 0.71, 1.18, 1.65) The powder was dispersed in a ratio of 1: 9 with YSZ ball and ethanol as a mixing medium and made into a suspension by ball milling for 1 hour.

2. 서스펜션 플라즈마 용사를 이용한 열차폐 코팅층 형성2. Formation of thermal barrier coating layer using suspension plasma spray

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 Ar, H2, N2 혼합비를 7.5:1.5:1로 제어하였으며, 코팅기재와 플라즈마 토치 사이의 거리는 75mm, 코팅기판의 회전속도 1500rpm, 서스펜션 공급속도 45mL/min, 코팅 가압 전압과 전류는 150V와 220A으로 코팅을 실시하였다. 도 2에 서스펜션 플라즈마 용사법으로 3층세라믹 열차폐코팅을 제조하기 위한 슬러리 공급장치에 대한 모식도를 나타내었다. 우선 분당 45 ml 의 피딩속도로 공급되는 슬러리를 시간에 따라 슬러리 소비양을 계산한 후 제1 저장탱크에서 슬러리 공급이 완료되기 직전에 제2 저장탱크에서 슬러리를 제1 저장탱크에 추가공급하는 방식을 반복하여 표 2의 조건과 같이 3층세라믹 열차폐코팅을 제조하였다.The prepared slurry was deposited on a substrate of Amri 386-2 (Sulzer metco, Switzerland) bond coat composition deposited on a nickel-base superalloy substrate by high-speed oxy-fuel spraying (HVOF) to a thickness of about 200 μm. Suspension plasma spraying (Axial III plasma spray system, Northwest Mettech Corp., Canada). The mixing ratio of Ar, H 2 and N 2 was controlled to 7.5: 1.5: 1 as the coating condition. The distance between the coated substrate and the plasma torch was 75 mm, the rotation rate of the coated substrate was 1500 rpm, the suspension supply rate was 45 mL / min, The current was applied at 150V and 220A. FIG. 2 is a schematic view of a slurry supply apparatus for manufacturing a three-layer ceramic thermal spray coating by the suspension plasma spraying method. First, the slurry supplied at a feed rate of 45 ml per minute is calculated in accordance with time, and then the slurry is further supplied to the first storage tank in the second storage tank immediately before the completion of the slurry supply in the first storage tank Was repeated to produce a three-layer ceramic thermal barrier coating as shown in Table 2.

Figure pat00003
Figure pat00003

도 4는 본원 실시예 1에서 제조된 3층 세라믹 열차폐코팅 시편의 단면 미세구조와 코팅두께를 보여주는 광학현미경 사진이다. 각각 ~50 ㎛ 의 제1층(dense-YSZ), ~200 ㎛ 의 제2층(porous-YSZ), ~270 ㎛ 인 La0.24Gd1.65Zr2.12O7.06의 구조를 지니는 3층세라믹 열차폐코팅층이 증착된 것을 확인하였다.4 is an optical microscope photograph showing the cross-sectional microstructure and coating thickness of the three-layer ceramic thermal barrier coating specimen prepared in Example 1 of the present application. Layer ceramic thermal barrier coating layer having the structure of a first layer (dense-YSZ) of ~ 50 μm each, a second layer (porous-YSZ) of ~200 μm, and La 0.24 Gd 1.65 Zr 2.12 O 7.06 of ~270 μm Deposited.

도 5는 본원 실시예 1에서 제조된 3층 세라믹 열차폐코팅 시편의 각 층의 기공도를 측정하기 위한 단면 미세구조를 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진과 기공을 표시한 사진이다. 특히 제1층(dense-YSZ)과 제2층(porous-YSZ)의 기공도가 다르게 나타나 열차폐코팅의 고온 적용시 각 층간의 열응력을 완화시켜 고온 내구성이 향상될 것으로 예측된다.5 is a scanning electron microscope (SEM) photograph and pore image showing the cross-sectional microstructure for measuring the porosity of each layer of the three-layer ceramic thermal barrier coating specimen manufactured in Example 1 of the present application. In particular, the porosity of the first layer (dense-YSZ) and the second layer (porous-YSZ) are different and it is expected that the high temperature durability will be improved by relaxing the thermal stress between the layers when the thermal barrier coating is applied at high temperature.

<비교예 1>&Lt; Comparative Example 1 &

La2O3(Kojundo Chemical Lab. Co., LTD, 99.9%, 11㎛), ZrO2(Kojundo Chemical Lab. Co., LTD, 98%, 40nm)의 산화물 분말을 사용하여 La2Zr2O7 복합 산화물을 합성시켰다. La 2 O 3 (Kojundo Chemical Lab . Co., LTD, 99.9%, 11㎛), ZrO 2 , using an oxide powder (Kojundo Chemical Lab. Co., LTD , 98%, 40nm) La 2 Zr 2 O 7 Complex oxides were synthesized.

구체적으로, 상기 각 분말을 아래 표 4에 나타낸 조성이 되도록 칭량하고 1mm 지르코니아 볼과 IPA(Isopropyl alcohol)를 혼합매질로 사용하고 분말 함량 대비 0.5 Wt.%의 분산제를 첨가하여 유성구 볼밀을 이용해 6시간 습식혼합 후 혼합이 완료된 슬러리가 침전되지 않도록 마그네틱 바를 이용하여 교반시키며 건조하였고 이후 80℃ 오븐에서 24시간 동안 항량 건조시킨 후 알루미나 유발을 이용하여 분쇄하여 혼합분말을 제조하였다. 제조된 분말을 에탄올 대비 1:9 비율로 희석하고 24 시간 볼밀하여 액상의 혼합 슬러리를 제조하였다. 제조된 슬러리를 10 ㎛체를 사용해 체거름하여 조립화된 슬러리를 제조하였다.Specifically, each of the above powders was weighed to the composition shown in Table 4 below, and 1 mm zirconia balls and IPA (Isopropyl alcohol) were used as a mixing medium, and a dispersant of 0.5 Wt.% Relative to the powder content was added thereto. After the wet mixing, the mixed slurry was dried by stirring using a magnetic bar so that the slurry could not be precipitated. After that, the slurry was dried in an oven at 80 ° C for 24 hours and then pulverized using alumina induction to prepare mixed powder. The prepared powders were diluted at a ratio of 1: 9 with respect to ethanol and ball milled for 24 hours to prepare a liquid mixed slurry. The prepared slurry was sieved using a 10 μm sieve to prepare a granulated slurry.

Figure pat00004
Figure pat00004

다음으로, 상기 조립화된 슬러리는 공급관을 통해 플라즈마 토치까지 공급되고 내열금속기판을 장착한 지그를 1200 rpm의 속도로 회전시키면서 기판과 토치와의 간격을 75 mm 이격시킨 상태에서 로봇팔의 상하반복을 통해 220A, 111.65 kW의 코팅 조건에서 150 pass 예열공정을 거친 후 동일한 방법으로 슬러리를 공급하면서 1000 pass 코팅하였다.Next, the assembled slurry was supplied to the plasma torch through the supply pipe, rotated at a speed of 1200 rpm while the jig equipped with the heat-resistant metal substrate was rotated at an interval of 75 mm between the substrate and the torch, , A 150 pass preheating process was performed under a coating condition of 220 A and 111.65 kW, and 1000 pass coating was carried out while supplying the slurry in the same manner.

도 6은 상기 비교예 1에서 제조된 시편의 코팅층 단면 미세구조를 도시한 것으로서, 미세구조 관찰 결과 코팅 자체는 상당히 치밀한 구조를 가지며, 특히, 비교예 1에서 제조된 Lanthanum zirconate 조성의 경우 일부 수직균열(vertical crack)이 관찰되었다. 6 shows the microstructure of the coating layer of the specimen prepared in Comparative Example 1. As a result of observation of the microstructure, the coating itself has a very dense structure, and in particular, in the case of the composition of Lanthanum zirconate prepared in Comparative Example 1, a vertical crack was observed.

1: 서스펜션 플라즈마 용사 장치용 서스펜션 공급기
11: 제1 저장탱크
12: 제2 저장탱크
21: 제1 이송관
22: 제1 개폐밸브
31: 제2 이송관
32: 제3 개폐밸브
41: 제3 이송관
42: 제3 개폐밸브
1: Suspension feeder for suspension plasma spraying machine
11: First storage tank
12: Second storage tank
21: First conveying pipe
22: first opening / closing valve
31: Second conveyance pipe
32: Third open / close valve
41: Third conveying pipe
42: Third open / close valve

Claims (11)

(a) 열차폐코팅용 제1 산화물 입자가 분산된 제1 서스펜션, 에탄올 및 증류수를 80:20 내지 60:40 중량비로 포함하는 혼합매질에 열차폐코팅용 제2 산화물 입자가 분산된 제2 서스펜션 및 열차폐코팅용 제3 산화물 입자가 분산된 제3 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 제2 서스펜션을 이용해 서스펜션 플라즈마 용사(suspension plasma spraying, SPS)로 상기 제1 코팅층 위에 제2 코팅층을 형성하는 단계; 및
(d) 상기 제3 서스펜션을 이용해 서스펜션 플라즈마 용사로 상기 제2 코팅층 위에 제3 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는 3층세라믹 열차폐코팅층의 제조방법.
(a) a second suspension in which second oxide particles for thermal spray coating are dispersed in a mixed medium comprising a first suspension in which first oxide particles for thermal barrier coating are dispersed, ethanol and distilled water at a weight ratio of 80:20 to 60:40 And a third suspension in which third oxide particles for thermal barrier coating are dispersed, respectively;
(b) forming a first coating layer on the base material by suspension plasma spraying (SPS) using the first suspension;
(c) forming a second coating layer on the first coating layer by suspension plasma spraying (SPS) using the second suspension; And
(d) forming a third coating layer on the second coating layer with a suspension plasma spray using the third suspension.
제1항에 있어서,
열차폐코팅용 제1 산화물 및 제2 산화물은 YSZ(Yttria-stabilized zirconia)이고, 열차폐코팅용 제3 산화물은 희토류 지르코네이트(rare-earth zirconates)인 것을 특징으로 하는 3층세라믹 열차폐코팅층의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the first oxide and second oxide for thermal barrier coating are YSZ (Yttria-stabilized zirconia) and the third oxide for thermal barrier coating is rare-earth zirconates. &Lt; / RTI &gt;
제2항에 있어서,
상기 희토류 지르코네이트는 La1.89-xGdxZr2.12O7.06 (x는 0.24 내지 1.65)인 것을 특징으로 하는 3층세라믹 열차폐코팅층의 제조방법.
3. The method of claim 2,
Wherein the rare earth zirconate is La 1.89-x Gd x Zr 2.12 O 7.06 (x is 0.24 to 1.65).
제1항에 있어서,
상기 단계 (a)에서 상기 제1 서스펜션을 준비하는 단계는 하기 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3층세라믹 열차폐코팅층의 제조방법:
(a-1) 열차폐코팅용 산화물 분말을 기계적으로 분쇄하는 단계; 및
(a-2) 상기 분쇄된 산화물 분말을 포함하는 슬러리를 형성하는 단계.
The method according to claim 1,
Wherein the step of preparing the first suspension in the step (a) comprises the following steps:
(a-1) mechanically pulverizing oxide powder for thermal spray coating; And
(a-2) forming a slurry containing the pulverized oxide powder.
제1항에 있어서,
상기 단계 (a)에서 상기 제2 서스펜션을 준비하는 단계는 하기 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3층세라믹 열차폐코팅층의 제조방법:
(a-1) 열차폐코팅용 산화물 분말을 기계적으로 분쇄하는 단계; 및
(a-2) 에탄올 및 증류수를 80:20 내지 60:40 중량비로 포함하는 혼합매질에 상기 분쇄된 산화물 분말을 분산시켜 슬러리를 형성하는 단계.
The method according to claim 1,
Wherein the step of preparing the second suspension in the step (a) comprises the following steps:
(a-1) mechanically pulverizing oxide powder for thermal spray coating; And
(a-2) dispersing the pulverized oxide powder in a mixing medium comprising ethanol and distilled water at a weight ratio of 80:20 to 60:40 to form a slurry.
제1항에 있어서,
상기 단계 (a)에서 상기 제3 서스펜션을 준비하는 단계는 하기 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3층세라믹 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.
The method according to claim 1,
Wherein the step of preparing the third suspension in the step (a) comprises the following steps:
(a-1) mixing two or more oxide powders to perform mechanical alloying; And
(a-2) forming a slurry containing the oxide powder for thermal spray coating obtained in the step (a-1).
제6항에 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 3층세라믹 열차폐 코팅층의 제조방법.
The method according to claim 6,
(Ii) at least one oxide selected from the group consisting of Y 2 O 3 , Gd 2 O 3, and La 2 O 3 , and (ii) at least one oxide selected from ZrO 2 and CeO 2 . Layer ceramic thermal barrier coating layer.
제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 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 3층세라믹 열차폐 코팅층의 제조방법.
7. The method according to any one of claims 4 to 6,
The mechanical pulverization or mechanical alloying of the oxide powder in the step (a-1) is carried out by planetary ball milling, attrition milling or shaker milling. Layer ceramic thermal barrier coating layer.
제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 단계 (a-2)에 앞서 상기 단계 (a-1)에서 얻어진 산화물 분말을 하소(calcination)하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 3층세라믹 열차폐 코팅층의 제조방법.
7. The method according to any one of claims 4 to 6,
Further comprising the step of calcining the oxide powder obtained in the step (a-1) prior to the step (a-2).
제1항에 있어서,
상기 단계 (c)에서 제2 코팅층을 형성한 후, 상기 제2 서스펜션 및 상기 제3 서스펜션의 혼합 서스펜션을 이용해 서스펜션 플라즈마 용사로 상기 제2 코팅층 위에, 코팅층 두께 방향으로 제2 산화물 및 제3 산화물의 함량비가 연속적으로 변화하는 완충층을 형성하는 것을 특징으로 하는 3층세라믹 열차폐코팅층의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the second coating layer is formed on the second coating layer by suspension plasma spraying using the mixed suspension of the second suspension and the third suspension in the step (c), and the second and third oxides Wherein a cushioning layer in which the content ratio continuously changes is formed on the surface of the three-layer ceramic thermal barrier coating layer.
제10항에 있어서,
상기 단계 (c)는,
상기 제2 서스펜션이 저장되는 제1 저장탱크;
상기 제3 서스펜션이 저장되는 제2 저장탱크;
상기 제1 저장탱크로부터 제2 서스펜션을 플라즈마 용사 건(gun)으로 공급하는 제1 이송관;
상기 제1 이송관에 구비되어 제2 서스펜션의 플라즈마 용사 건으로의 공급량을 제어하는 제1 개폐밸브;
상기 제1 저장탱크와 제2 저장탱크 사이를 연결하고, 상기 제3 서스펜션을 제1 저장탱크로 이송시키는 제2 이송관;
상기 제2 이송관에 구비되어 제3 서스펜션의 제1 저장탱크로의 유량을 제어하는 제2 개폐밸브;
상기 제2 저장탱크로부터 제3 서스펜션을 플라즈마 용사 건(gun)으로 공급하는 제3 이송관; 및
상기 제3 이송관에 구비되어 제3 서스펜션의 플라즈마 용사 건으로의 공급량을 제어하는 제3 개폐밸브를 포함하는 서스펜션 공급기를 지닌 서스펜션 플라즈마 용사장치를 이용해 실시하는 것을 특징으로 하는 3층세라믹 열차폐코팅층의 제조방법.
11. The method of claim 10,
The step (c)
A first storage tank in which the second suspension is stored;
A second storage tank in which the third suspension is stored;
A first transfer pipe for supplying a second suspension from the first storage tank to a plasma spray gun;
A first opening / closing valve provided in the first transfer pipe for controlling a supply amount of the second suspension to the plasma spray gun;
A second transfer pipe connecting between the first storage tank and the second storage tank and transferring the third suspension to the first storage tank;
A second opening / closing valve provided in the second transfer pipe for controlling a flow rate of the third suspension to the first storage tank;
A third transfer pipe for supplying a third suspension from the second storage tank to a plasma spray gun; And
And a third opening / closing valve provided in the third transfer pipe for controlling a supply amount of the third suspension to the plasma spray gun. The three-layer ceramic thermal spraying coating apparatus according to claim 1, Gt;
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