KR20230065725A - 가스터빈 고온부품에 적용되는 열차폐 코팅의 접합강도 향상을 위한 코팅 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 가스터빈 고온부품에 적용되는 열차폐 코팅의 접합강도 향상을 위한 코팅 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금속재질의 모재의 표면에 접합코팅층을 형성하고, 상기 접합코팅층의 상면에 열차폐 코팅층(Thermal Barrier Coating)을 형성하되, 상기 열차폐 코팅층은 열차폐성 세라믹 물질을 주재료로 포함하며, 접합 코팅층과 열차폐 코팅층 간의 접합강도를 높이기 위해 접합코팅층의 상면에 플래쉬 코팅층을 형성한 후, 상기 플래쉬 코팅층의 상면에 열차폐 코팅층을 형성하는 것이 특징인 가스터빈 고온부품에 적용되는 열차폐 코팅의 접합강도 향상을 위한 코팅 방법에 관한 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명은 열차폐 코팅층에 높은 표면조도를 가지는 플래쉬 코팅을 포함시켜 열차폐 코팅층과 접합 코팅층간의 결합력을 높이고, 열차폐 코팅층이 조기에 박리되는 것을 방지할 수 있으며, 접합 코팅층과 열차폐 코팅층 계면에서의 안정성을 높여주고, 결과적으로 열차폐 코팅의 열적 안정성 및 내구성을 향상시킬 수 있으며, 고온 및 고압의 분위기에서 안정적으로 사용이 가능하다는 등의 현저한 효과가 있다.
상술한 바와 같이 본 발명은 열차폐 코팅층에 높은 표면조도를 가지는 플래쉬 코팅을 포함시켜 열차폐 코팅층과 접합 코팅층간의 결합력을 높이고, 열차폐 코팅층이 조기에 박리되는 것을 방지할 수 있으며, 접합 코팅층과 열차폐 코팅층 계면에서의 안정성을 높여주고, 결과적으로 열차폐 코팅의 열적 안정성 및 내구성을 향상시킬 수 있으며, 고온 및 고압의 분위기에서 안정적으로 사용이 가능하다는 등의 현저한 효과가 있다.
Description
본 발명은 가스터빈 고온부품에 적용되는 열차폐 코팅의 접합강도 향상을 위한 코팅 방법에 관한 것으로 접합 코팅과 열차폐 코팅간 계면에 높은 표면조도를 가지는 코팅층을 형성하여 접합강도를 향상시키고, 열적 내구성 및 안정성을 확보할 수 있는 코팅 방법에 관한 것이다.
최근 국내 발전용 가스터빈의 고효율 및 친환경을 목적으로 활발한 연구가 진행되고 있다.
그러나, 열효율의 향상은 고온부품의 가혹한 열부하의 증대를 강요하는 결과가 된다.
따라서, 가스터빈 고온부품에 사용되는 금속재료는 사용 환경에서 높은 기계적 특성을 가짐과 동시에 우수한 내고온 산화성 및 내고온 부식성이 요구된다.
이때 금속재료에 사용되는 소재로는 Ni, Cr, Cr, W, Ta, Ti, Al 등의 비철금속 원소를 주성분으로 하는 초내열합금이 개발되어 왔다. 그러나 고온 강도 향상에 도움이 되지 않는 Cr, Al Si 등의 첨가가 억제되는 경향이 있다.
이를 감안하여 고온 환경에서 사용되는 초내열합금에 Al, Cr, Si 등의 금속 혹은 합금을 확산 침투법이나 용사법을 사용한 코팅 방식으로 고온 환경에서의 손상을 방지하고 있다.
최근 내산화성 및 내열성을 가지는 산화물이나 MCrAlY 합금류 재료가 개발되어 용사법으로 코팅하는 기술이 보급되었으며, 고온 화염에 노출되는 열차폐 코팅층은 MCrAlY 합금 위에 탑 코팅으로서 내열성이 우수함과 동시에 열전도율이 작은 Yttria Stabilized Zirconia를 사용하여 코팅하게 된다.
이러한 MCrAlY 합금과 Yttria Stabilized Zirconia 조합과 관련된 상기 열차폐 코팅은 가스터빈의 고온 부품에 적용하고 있다. 그러나, 가스터빈의 가혹한 운전 환경에서 주로 접합 코팅층과 열차폐 코팅층 경계에서 열차폐 코팅층이 박리하여 열차폐 성능이 상실되는 문제가 있다.
한편, 발전용 가스터빈의 고출력화 및 고효율화를 위해 가스터빈의 입구온도 상승으로 이어지고 있으며, 이에 따른 연소실 내부의 연소온도의 상승으로 이어지고 있다. 국내외 가스터빈의 작동 온도는 점차 상승되고 있으며, 1700℃급 가스터빈 연구 개발이 진행되고 있다.
따라서, 이에 따른 열차폐 코팅의 코팅 기술의 연구, 핵심 부품 적용화 연구가 필요한 실정이다.
본 발명의 목적은 고온 및 고압의 환경에서 사용되는 열차폐 코팅의 열적 내구성 및 안정성을 확보하기 위해 접합강도 향상을 위한 코팅 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 가스터빈 고온부품에 적용되는 열차폐 코팅의 접합강도 향상을 위한 코팅 방법은 금속재질의 모재의 표면에 접합코팅층을 형성하고, 상기 접합코팅층의 상면에 열차폐 코팅층(Thermal Barrier Coating)을 형성하되, 상기 열차폐 코팅층은 열차폐성 세라믹 물질을 주재료로 포함하며, 접합 코팅층과 열차폐 코팅층 간의 접합강도를 높이기 위해 접합코팅층의 상면에 플래쉬 코팅층을 형성한 후, 상기 플래쉬 코팅층의 상면에 열차폐 코팅층을 형성하는 것이 특징이다.
상술한 바와 같이 본 발명은 열차폐 코팅층에 높은 표면조도를 가지는 플래쉬 코팅을 포함시켜 열차폐 코팅층과 접합 코팅층간의 결합력을 높이고, 열차폐 코팅층이 조기에 박리되는 것을 방지할 수 있으며, 접합 코팅층과 열차폐 코팅층 계면에서의 안정성을 높여주고, 결과적으로 열차폐 코팅의 열적 안정성 및 내구성을 향상시킬 수 있으며, 고온 및 고압의 분위기에서 안정적으로 사용이 가능하다는 등의 현저한 효과가 있다.
도 1은 본 발명 가스터빈 고온부품에 적용되는 열차폐 코팅의 접합강도 향상을 위한 코팅 방법에 따른 모재에 코팅층이 형성되는 개요도.
본 발명 가스터빈 고온부품에 적용되는 열차폐 코팅의 접합강도 향상을 위한 코팅 방법은 금속재질의 모재(110)에 표면에 접합코팅층(120)을 형성하고, 상기 접합코팅층(120)의 상면에 열차폐 코팅층(Thermal Barrier Coating)(130)을 형성하되, 상기 열차폐 코팅층(130)은 열차폐성 세라믹 물질을 주재료로 포함하며, 접합 코팅층(120)과 열차폐 코팅층(130) 간의 접합강도를 높이기 위해 접합코팅층(120)의 상면에 플래쉬 코팅층(140)을 형성한 후, 상기 플래쉬 코팅층(140)의 상면에 열차폐 코팅층(140)을 형성하는 것이 특징이다.
상기 세라믹 물질은 La2O3, Gd2O3, Y2O3, CaO, CeO2, MgO 및 SiO2로부터 선택되는 적어도 1종 이상의 산화물을 5~20wt% 포함하는 ZrO2계를 사용하는 것이 특징이다.
그리고 상기 접합 코팅층(120)의 Ni계, Ni-Co계, Co-Ni계 중 어느 하나에 Cr, Al, Y가 포함된 조성식 MCrAlY(M = Ni, Ni-Co, Co-Ni)의 금속 분말을 포함하는 것이 특징이다.
또한, 상기 MCrAlY(M = Ni, Ni-Co, Co-Ni)의 금속 분말에는 Hf, Si, Re 원소가 적어도 1종이상 포함될 수 있는 것이 특징이다.
또한, 상기 플래쉬 코팅층(140)은 Ni계, Ni-Co계, Co-Ni계 중 어느 하나에 Cr, Al, Y가 포함된 조성식 MCrAlY(M = Ni, Ni-Co, Co-Ni)의 금속 분말로 이루어진 금속 분말을 사용하는 것이 특징이다.
또한, 상기 플래쉬 코팅층(140)을 형성하는 금속 분말에는 Hf, Si, Re 원소가 적어도 1종 이상 포함하는 것이 특징이다.
또한, 상기 플래쉬 코팅층(140)은 대기플라스마용사 (Air Plasma Spray, APS), 진공플라즈마용사 (Vacuum Plasma Spray, VPS), 고속화염용사 (High Velocity Oxygen Fuel, HVOF) 방법중 적어도 1가지 이상의 코팅방법을 사용하여 증착하여 형성하는 것이 특징이다.
또한, 상기 플래쉬 코팅층(140)은 최대 100㎛까지 형성하는 것을 특징이다.
이하, 본 발명 가스터빈 고온부품에 적용되는 열차폐 코팅의 접합강도 향상을 위한 코팅 방법을 첨부한 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 가스터빈 고온부품에 적용되는 열차폐 코팅의 접합강도 향상을 위한 코팅 방법에 따른 모재에 코팅층이 형성되는 개요도이다.
설명에 앞서 본 발명에서 사용되는 모든 기술용어는, 달리 정의되지 않는 이상, 하기의 정의를 가지며, 본 발명의 관련 분야에서 통상의 당업자가 일반적으로 이해하는 바와 같은 의미에 부합된다.
또한, 본 명세서에는 바람직한 방법이나 시료가 기재되나, 이와 유사하거나 동등한 것들도 본 발명의 범주에 포함된다.
본 명세서에 참고문헌으로 기재되는 모든 간행물의 내용은 본 발명에 도입된다.
용어 “약이라는 것은 참조 양, 수준, 값, 수, 빈도, 퍼센트, 치수, 크기, 양, 중량 또는 길이에 대해 30, 25, 20, 25, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2 또는 1% 정도로 변하는 양, 수준, 값, 수, 빈도, 퍼센트, 치수, 크기, 양, 중량, 또는 길이를 의미한다.
본 명세서를 통해, 문맥에서 달리 필요하지 않으면, “포함하다” 및 “포함하는”이란 말은 제시된 단계 또는 구성요소, 또는 단계 또는 구성요소 들의 군을 포함하나, 임의의 다른 단계 또는 구성요소, 또는 단계 또는 구성요소들의 군이 배제되지는 않음을 내포하는 것으로 이해하여야 한다.
먼저 도 1을 참조하면, 본 발명의 높은 접합강도를 갖는 열차폐 코팅은 모재(110)에 접합 코팅층(120)과 열차폐 코팅층(130)의 적층 구조로 형성되어 있다.
상기 모재(110)로는, 주로 Ni계 합금이나, Co계 합금 등의 초내열 합금이 이용되지만 이에 한정되지 않으며, 다양한 내열금속 또는 내열금속 합금재질로 이루어질 수 있다.
상기 접합 코팅층(120)은 코팅의 잔류응력을 최소화하고, 열팽창을 조정하며, 내피로성 및 내충격성 등을 개선하기 위한 모재(110)와 열차폐 코팅층(130) 간의 접합층 역할을 한다.
이러한 접합 코팅층(120)의 소재로는 우수한 내산화성, 내열성을 가지는 산화물이나 합금류로서 조성식 MCrAlY (M = Ni, Ni-Co, Co-Ni)의 금속 분말을 이용할 수 있으며, 특히 이러한 소재는 용사 재료로서 용사법을 적용하여 용이하게 피막화할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 접합 코팅층(120)은 약 100 ~ 300㎛의 두께로 형성되는 것이 바람직하며, 접합 코팅층이 300㎛를 초과하는 두께로 형성되는 경우 접합 코팅층의 특성을 저하시킬 수 있으며, 나아가 제조비용이 높아질 수 있다.
상기 열차폐 코팅층(130)은 외부로부터의 열전달을 차단하여 내열성 및 내산화성 등을 개선하기 위한 역할을 한다.
주로 8wt% Y2O3를 포함하는 ZrO2계 세라믹을 사용하지만 Y2O3대신 La2O3, Gd2O3, CaO, CeO2, MgO 및 SiO2를 적어도 1종의 산화물을 5~20wt% 포함하는 ZrO2계 세라믹을 포함할 수 있다.
본 발명에서는 후술한 실시예 1에서 처럼 YSZ를 사용하는데, YSZ은 이트리아 안정화 지르코니아(Yttria Stabilized Zirconia)를 의미하며, 지르코니아에 이트리아를 첨가하여 상온에서도 안정성을 유지하도록 제조된 세라믹 성분이다.
상기 ZrO2는 열전도성이 낮아 열차폐성이 우수한 화합물이고, Y2O3는 온도 변화에 따른 상기 ZrO2의 상변화를 억제하여 안정화시키는 화합물이다.
열차폐 코팅층의 두께는 최소 150㎛에서 최대 2000㎛까지 형성하며, 특히 150 ~ 600㎛가 바람직하다.
열차폐 코팅층(130)은 기본적으로 화염으로부터의 열전달에 의한 모재의 고온화를 방지하는 역할을 하고 있다.
그러나 이 열차폐 코팅층(130)은 급격한 온도 변화를 받으면 하부의 접합 코팅층(120)과의 경계면으로부터 박리되어 그 기능을 상실하게 된다.
즉, 급격한 온도 변화를 받으면 접합 코팅층(120)과 열차폐 코팅층(130)이 보유하는 각각의 열팽창계수 차이가 극단적인 형태로 양 코팅층의 경계면에 집중해 발생하고, 피막 경계면으로부터의 박리가 일어난다.
본 발명에서는, 접합 코팅층(120)과 열차폐 코팅층(130)의 사이 계면에 높은 표면조도를 가지는 접합 코팅층인 플래쉬 코팅(140)을 추가로 형성하여 급격한 온도변화에서 접합력을 향상시키고, 높은 열적 내구성 및 안정성을 제공한다.
구체적인 예에서, 상기 플래쉬 코팅층(140)은 접합 코팅층(120)과 유사한 MCrAlY (M = Ni, Ni-Co, Co-Ni) 물질이거나 Hf, Si, Re 원소 중 적어도 1종 이상이 포함된 물질이 적용될 수 있다.
더욱 상세하게는 상기 플래쉬 코팅층(140)은 Ni계, Ni-Co계, Co-Ni계 중 어느 하나에 Cr, Al, Y가 포함된 조성식 MCrAlY(M = Ni, Ni-Co, Co-Ni)의 금속 분말로 이루어진 금속 분말을 사용하도록 한다.
특히, 상기 플래쉬 코팅층(140)을 형성하는 금속 분말에는 Hf, Si, Re 원소가 적어도 1종 이상 포함할 수도 있다.
따라서, 플래쉬 코팅(140)은 가장 박리가 많이 발생하는 접합 코팅층(120) 과 열차폐 코팅층(130) 사이 계면에 포함되어야 하고, 100㎛이내의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.
[실시예 1]
직경 25mm, 두게 5mm를 갖는 Ni계 혹은 Co계 초내열합금을 코인형태로 가공하여 모재층으로 사용하였으며, 코팅 전 블라스팅 공정을 실시하였다.
블라스팅 공정 후 유분, 먼지 등이 남아 있을 경우에는 접합 코팅층이 잘 형성되지 않아 박리가 일어나거나 계면에서의 미세구조가 나빠질 수 있으므로 부드러운 솔이나 압축공기를 이용하여 모재 표면의 이물질을 제거하여 전처리 하였다.
상기 모재 표면에 접합 코팅층을 형성하기 위하여 Ni 혹은 Co를 주원료로 하는 상용화 분말을 사용하여 고속화염용사 (High Velocity Oxygen Fuel, HVOF) 방법으로 접합 코팅층을 형성하였으며, 두께는 약 200 ㎛ 내외로 하였다.
접합 코팅층 형성 후 확산 열처리를 하였으며, 열처리 완료 후 접합 코팅층와 유사한 성분의 금속 분말을 사용하여 대기플라즈마 용사 (Air Plasma Spray, APS) 방법으로 플래쉬 코팅을 최대 100 ㎛까지 형성하였다.
이후, YSZ 사용화 분말을 사용하여 대기플라즈마 용사 (Air Plasma Spray, APS) 방법으로 열차폐 코팅층을 약 600 ㎛의 두께로 형성하였다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다.
본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다.
본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명은 열차폐 코팅층에 높은 표면조도를 가지는 플래쉬 코팅을 포함시켜 열차폐 코팅층과 접합 코팅층간의 결합력을 높이고, 열차폐 코팅층이 조기에 박리되는 것을 방지할 수 있으며, 접합 코팅층과 열차폐 코팅층 계면에서의 안정성을 높여주고, 결과적으로 열차폐 코팅의 열적 안정성 및 내구성을 향상시킬 수 있으며, 고온 및 고압의 분위기에서 안정적으로 사용이 가능하다는 등의 현저한 효과가 있다.
110. 모재
120. 접합 코팅층
130. 열차폐 고팅층
140. 플래쉬 코팅층
120. 접합 코팅층
130. 열차폐 고팅층
140. 플래쉬 코팅층
Claims (8)
- 금속재질의 모재(110)에 표면에 접합코팅층(120)을 형성하고, 상기 접합코팅층(120)의 상면에 열차폐 코팅층(Thermal Barrier Coating)(130)을 형성하되, 상기 열차폐 코팅층(130)은 열차폐성 세라믹 물질을 주재료로 포함하며, 접합 코팅층(120)과 열차폐 코팅층(130) 간의 접합강도를 높이기 위해 접합코팅층(120)의 상면에 플래쉬 코팅층(140)을 형성한 후, 상기 플래쉬 코팅층(140)의 상면에 열차폐 코팅층(140)을 형성하는 것이 특징인 가스터빈 고온부품에 적용되는 열차폐 코팅의 접합강도 향상을 위한 코팅 방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 세라믹 물질은 La2O3, Gd2O3, Y2O3, CaO, CeO2, MgO 및 SiO2로부터 선택되는 적어도 1종 이상의 산화물을 5~20wt% 포함하는 ZrO2계를 사용하는 것이 특징인 가스터빈 고온부품에 적용되는 열차폐 코팅의 접합강도 향상을 위한 코팅 방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 접합 코팅층(120)의 Ni계, Ni-Co계, Co-Ni계 중 어느 하나에 Cr, Al, Y가 포함된 조성식 MCrAlY(M = Ni, Ni-Co, Co-Ni)의 금속 분말을 포함하는 것이 특징인 가스터빈 고온부품에 적용되는 열차폐 코팅의 접합강도 향상을 위한 코팅 방법.
- 제 3항에 있어서,
상기 MCrAlY(M = Ni, Ni-Co, Co-Ni)의 금속 분말에는 Hf, Si, Re 원소가 적어도 1종이상 포함될 수 있는 것이 특징인 가스터빈 고온부품에 적용되는 열차폐 코팅의 접합강도 향상을 위한 코팅 방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 플래쉬 코팅층(140)은 Ni계, Ni-Co계, Co-Ni계 중 어느 하나에 Cr, Al, Y가 포함된 조성식 MCrAlY(M = Ni, Ni-Co, Co-Ni)의 금속 분말로 이루어진 금속 분말을 사용하는 것이 특징인 가스터빈 고온부품에 적용되는 열차폐 코팅의 접합강도 향상을 위한 코팅 방법.
- 제 5항에 있어서,
상기 플래쉬 코팅층(140)을 형성하는 금속 분말에는 Hf, Si, Re 원소가 적어도 1종 이상 포함하는 것이 특징인 가스터빈 고온부품에 적용되는 열차폐 코팅의 접합강도 향상을 위한 코팅 방법.
- 제 5항에 있어서,
상기 플래쉬 코팅층(140)은 대기플라스마용사 (Air Plasma Spray, APS), 진공플라즈마용사 (Vacuum Plasma Spray, VPS), 고속화염용사 (High Velocity Oxygen Fuel, HVOF) 방법중 적어도 1가지 이상의 코팅방법을 사용하여 증착하여 형성하는 것이 특징인 가스터빈 고온부품에 적용되는 열차폐 코팅의 접합강도 향상을 위한 코팅 방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 플래쉬 코팅층(140)은 최대 100㎛까지 형성하는 것을 특징으로 가스터빈 고온부품에 적용되는 열차폐 코팅의 접합강도 향상을 위한 코팅 방법.
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Citations (4)
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|---|---|---|---|---|
| KR101125329B1 (ko) | 2009-06-29 | 2012-03-27 | 한국전력공사 | 가스터빈의 운전 중 열차폐 코팅층 형성방법 |
| KR101681195B1 (ko) | 2015-07-29 | 2016-12-12 | 창원대학교 산학협력단 | 자가치유능을 갖는 열차폐 코팅 시스템 |
| KR101920565B1 (ko) | 2017-07-04 | 2018-11-20 | 두산중공업 주식회사 | 우수한 열적 내구성을 가지는 열차폐 코팅층 및 이의 제조방법 |
| KR102200841B1 (ko) | 2018-12-19 | 2021-01-08 | 한국세라믹기술원 | 열차폐 코팅용 란타늄 지르코네이트계 분말의 제조방법 |
-
2021
- 2021-11-05 KR KR1020210151593A patent/KR20230065725A/ko not_active Application Discontinuation
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