대형 가스 터빈 및 그 열장벽 코팅의 연구 진전 및 개발 동향(3)

2.1 열 장벽 코팅 준비

일정 수준까지, 열 장벽 코팅의 미세 구조는 단순히 코팅의 열 절연, 산화 저항 및 기타 특성에 영향을 미칠 뿐만 아니라 코팅의 수명도 결정합니다. 열 장벽 코팅의 미세 구조는 사용된 재료뿐만 아니라 그 제조 공정에도 의존합니다. 따라서 다양한 제조 요구 사항에 따라 적절한 제조 공정을 선택하는 것이 중요합니다. 열 장벽 코팅을 제작하는 방법은 여러 가지가 있지만 주로 두 가지 범주로 나뉩니다: 하나는 열 분무법이고 다른 하나는 물리적 기상 증착법입니다. 그중 열 분무법에는 초음속 분무법, 플라즈마 분무법, 폭발 분무법 등이 주로 포함됩니다. 열 분무로 제작된 코팅은 판 형식입니다. 물리적 기상 증착법은 주로 전자빔 물리적 기상 증착(EB-PVD)이며, 이때 만들어지는 코팅은 기둥 형식입니다. 열 장벽 코팅의 세라믹층은 종종 전자빔 물리적 기상 증착, 대기 플라즈마 분무와 같은 방법으로 사용됩니다. 금속 결합층은 주로 대기 플라즈마 분무(APS), 저압 플라즈마 분무(LPPS), 초음속 화염 분무(HVOF)와 같은 열 분무 기술을 채택합니다[40]. 지금까지 APS와 EB-PVD는 가스 터빈 열 장벽 코팅을 제작하는 주요 방법입니다.

2.1.1 대기압 플라즈마 분사

APS는 스프레이 건에 의해 생성된 직류 전기アー크를 이용하여 Ar, He, N2 등과 같은 가스를 플라즈마 제트로 변환하고, 운반 가스에 의해 운반되는 세라믹 분말 및 금속 분말을 빠르게 가열하여 용융 또는 반용융 입자로 만드는 기술입니다. 이는 대형 동력 에너지(80 ~ 300 m/s)와 전기장의 작용 하에 초합금 기판 표면에 코팅을 형성하기 위해 충격합니다 [42]. APS 기술로 준비된 열 장벽 코팅은 많은 입자들이 서로 겹쳐져 이루어져 있으며, 주로 다층 미세 구조에 기계적으로 결합되어 있습니다. 이는 합금 기질과 평행한 공극 및 미세 균열과 같은 많은 결함을 포함합니다(그림 2 참조). 이러한 형성 원인은 다음과 같습니다: 고온 조건에서 세라믹 또는 금속이 용융되어 용융 입자를 형성하며, 일부 환경 가스가 포함될 수 있지만, 코팅의 냉각 속도가 매우 빨라 침착 과정 중 용융 입자에 녹아 있던 가스가 적시에 분리되지 못해 공극이 형성됩니다. 동시에 용융 입자 간의 부족한 결합도 코팅 내 공극 및 균열 형성의 원인이 됩니다. 따라서 APS를 사용하여 열 장벽 코팅을 준비할 경우, 그 공극률이 높고 우수한 단열 성능을 가지지만, 단점으로는 변형 용량이 부족하고 열 충격 저항이 낮습니다 [43], 그리고 주로 작업 환경이 비교적 양호한 부품에 사용됩니다. 또한 APS는 제조 비용이 저렴하므로 더 큰 부품에도 적용할 수 있습니다.

2.1.2 전자빔 물리기상증착

EB-PVD는 고에너지 밀도의 전자빔을 이용하여 진공 챔버 내의 코팅 분말을 가열하고 분말 표면에 용융 풀을 형성하여 세라믹 분말을 증발시켜 원자 상태로 기판 표면에 증착하여 열 장벽 코팅을 형성하는 기술입니다 [45], 그림 3에서 보여지는 바와 같습니다. EB-PVD 코팅의 구조는 합금 매트릭스에 수직인 주상結晶 구조이며, 코팅과 매트릭스는 주로 금속학적 결합으로 연결됩니다. 표면은 매끄럽고 밀도가 좋아 높은 결합 강도, 변형 용량 및 열 충격 저항성을 가지고 있습니다. 이는 주로 가스 터빈 로터 날개와 같은 작업 환경이 혹독한 부품에 주로 적용됩니다. 그러나 EB-PVD 코팅의 제조 비용이 비싸고 얇은 코팅만 준비할 수 있으며 부품의 구조 크기에 특정 요구 사항이 있어 가스 터빈에서는 거의 사용되지 않습니다.

위의 두 가지 준비 공정은 이미 매우 성숙되었지만, 여전히 고유한 문제가 존재합니다. 표 2에 나타나 있습니다. 최근 몇 년간 관련 연구자들은 끊임없이 이를 개선하고 새로운 열 장벽 코팅 준비 방법을 창출하고 있습니다. 현재 일반적으로 사용되는 새로운 열 장벽 코팅 준비 방법 중에서 가장 주목받는 것은 플라즈마 분무 물리적 기상 증착 기술(PS-PVD)입니다. 이는 가장 유망하고 효과적인 열 장벽 코팅 준비 방법 중 하나로 인정되고 있습니다.

2.1.3 Plasma spraying physical vapor deposition

PS-PVD 기술은 저압 플라즈마 분사 기술을 기반으로 개발되었습니다. 이 방법으로 준비된 코팅 구조는 깃털과 기둥 형태로, 코팅 내의 공극이 많고 간격이 크며, 이는 그림 4에 나타나 있습니다. 따라서 PS-PVD 기술은 EB-PVD 코팅의 열 절연 부족 문제와 APS 코팅의 열 충격 저항 부족 문제를 개선했으며, PS-PVD 기술로 준비된 열 장벽 코팅은 높은 결합 강도, 좋은 열 절연 성능 및 우수한 열 충격 저항을 가지고 있지만, CMAS에 대한 부식 저항과 산화 저항은 낮습니다. 이에 기초하여 ZHANG 등 [41]은 Al2O3을 사용하여 PS-PVD 7YSZ 열 장벽 코팅을 수정하는 방법을 제안했습니다. 실험 결과에 따르면 알루미늄 처리를 통해 PS-PVD 기술로 준비된 7YSZ 열 장벽 코팅의 산화 저항과 CMAS 부식 저항을 향상시킬 수 있음이 밝혀졌습니다.