중형 가스터빈 및 그 열 차단 코팅의 연구 진행 상황 및 개발 동향（4） 대한민국

가스터빈 열 차단 코팅의 주요 특성

지상 중형 가스터빈의 작업은 일반적으로 복잡한 환경에 있고 유지관리 주기가 길기 때문에 50,000시간에 달할 수 있습니다. 따라서 가스터빈 열 차단 코팅 기술을 개선하고 열 차단 코팅의 수명을 연장하기 위해 최근 몇 년 동안 연구자들은 단열, 산화 저항성, 열충격 저항성 및 CMAS 내식성과 같은 열 차단 코팅의 주요 특성에 대한 많은 연구를 수행했습니다. 그 중 단열, 산화 저항성 및 열충격 저항성에 대한 열 차단 코팅의 연구 및 진행은 비교적 충분하지만 CMAS 부식에 대한 저항성은 비교적 부족합니다. 동시에 CMAS 부식은 열 차단 코팅의 주요 고장 모드가 되어 차세대 고성능 가스터빈 개발을 방해하고 있습니다. 따라서 이 섹션에서는 먼저 열 차단 코팅의 열 단열, 산화 저항성 및 열충격 저항성을 간략하게 소개한 다음 4장에서 열 차단 코팅의 CMAS 부식 메커니즘 및 보호 기술에 대한 연구 진행에 초점을 맞춥니다.

단열성

산업의 발전에 따라 고성능 가스터빈은 터빈 입구 온도에 대한 더 높은 요구 사항을 제시했습니다. 따라서 열 차단 코팅의 열 절연을 개선하는 것이 매우 중요합니다. 열 차단 코팅의 열 절연은 코팅의 재료, 구조 및 제조 공정과 관련이 있습니다. 또한 열 차단 코팅의 서비스 환경도 열 절연 성능에 영향을 미칩니다.

열전도도는 일반적으로 열 차단 코팅의 열 절연 성능에 대한 평가 지표로 사용됩니다.Liu Yankuan et al.[48]은 APS로 2 mol.% Eu3+ 도핑된 YSZ 코팅을 제조하고 YSZ 코팅과 비교한 결과 2 mol.% Eu3+ 도핑된 YSZ 코팅의 열전도도가 낮았고, 즉 2 mol.% Eu3+ 도핑된 YSZ 코팅의 열 절연성이 더 우수했습니다.코팅의 기공의 공간적 및 기하학적 특성이 열전도도에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났습니다[49].SUN et al.[50]은 다양한 기공 구조를 가진 열 차단 코팅의 열전도도와 탄성 계수에 대한 비교 연구를 수행했습니다.결과에 따르면 열 차단 코팅의 열전도도와 탄성 계수는 ​​기공 크기가 감소함에 따라 감소하고 기공률이 높을수록 열전도도가 낮아집니다. 많은 연구에서 EB-PVD 코팅과 비교하여 APS 코팅이 더 나은 열 절연성을 가지고 있다는 것이 밝혀졌습니다.그 이유는 APS 코팅이 다공성이 더 높고 열전도도가 낮기 때문입니다[51].RATZER-SCHEIBE 등[52]은 EB-PVD PYSZ의 코팅 두께가 열전도도에 미치는 영향을 연구했으며, 그 결과 EB-PVD PYSZ의 코팅 두께가 열전도도에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났습니다.즉, 코팅 두께도 열 차단 코팅의 열 절연 성능에 영향을 미치는 중요한 요인 중 하나였습니다.Gong Kaisheng 등[53]의 연구 결과도 실제 코팅 적용의 두께 범위에서 코팅의 열 절연 성능은 두께와 환경 온도 차이에 비례한다는 것을 보여줍니다.열 차단 코팅의 열 절연 성능은 두께가 증가함에 따라 향상되지만 코팅 두께가 특정 값까지 계속 증가하면 코팅에 응력 집중이 발생하기 쉬워 조기에 파손됩니다. 따라서 코팅의 열 절연 성능을 높이고 사용 수명을 연장하기 위해서는 코팅 두께를 합리적으로 조절해야 합니다.

내 산화성

고온 산화 조건에서 TGO 층은 열 차단 코팅에 쉽게 형성됩니다. 열 차단 코팅에 대한 TGO의 영향[54]에는 두 가지 측면이 있습니다. 한편으로는 형성된 TGO가 산소가 내부로 계속 확산되는 것을 방지하고 합금 매트릭스의 산화에 대한 외부 영향을 줄일 수 있습니다. 다른 한편으로는 TGO가 지속적으로 두꺼워짐에 따라 큰 탄성 계수와 열 팽창 계수와 접착층 사이의 큰 차이로 인해 냉각 과정에서 큰 응력을 생성하기가 비교적 쉽고 이로 인해 코팅이 빠르게 떨어집니다. 따라서 열 차단 코팅의 수명을 연장하기 위해서는 코팅의 산화 저항성을 개선하는 것이 시급합니다.

XIE et al. [55]은 TGO의 형성 및 성장 행동을 연구했으며 이는 주로 두 단계로 나뉩니다. 첫째, 밀도가 높은 α-Al2O3 필름을 본딩층 위에 형성한 후 세라믹층과 그 사이에 다공성 혼합산화물을 형성하였다. α-Al2O3. 결과에 따르면 열 차단 코팅에 균열을 일으키는 주요 물질은 TGO의 다공성 혼합 산화물이 아니라 α-Al2O3. LIU 등[56]은 두 단계에서 응력 진화의 수치 분석을 통해 TGO의 성장 속도를 시뮬레이션하는 개선된 방법을 제안하여 열 차단 코팅의 수명을 정확하게 예측했습니다. 따라서 다공성 유해 혼합 산화물의 성장 속도를 제어하여 TGO의 두께를 효과적으로 제어하여 열 차단 코팅의 조기 파손을 피할 수 있습니다. 결과에 따르면 이중 세라믹 열 차단 코팅을 사용하고 코팅 표면에 보호층을 증착하고 코팅 표면의 밀도를 개선하면 TGO의 성장을 지연시킬 수 있으며 코팅의 산화 저항성을 어느 정도 개선할 수 있습니다. AN 등[57]은 APS 기술을 사용하여 두 가지 종류의 열 차단 코팅을 제조했습니다. TGO의 형성 및 성장 거동은 1 100에서 등온 산화 시험을 통해 연구되었습니다.℃. 첫 번째는 YAG/YSZ 이중 세라믹 배리어 코팅(DCL TBC)이고 두 번째는 YSZ 단일 세라믹 배리어 코팅(SCL TBC)입니다. 연구 결과에 따르면 TGO의 형성 및 성장 과정은 그림 5와 같이 열역학 법칙을 따릅니다. 공식 (1) ~ (8)에 따르면 먼저 Al2O3가 형성되고 Y 이온 산화가 Al2O3 TGO 표면에 매우 얇은 Y2O3 층을 형성하고 두 가지가 서로 반응하여 Y3Al5O12를 형성합니다. Al 이온이 특정 값으로 환원되면 결합층의 다른 금속 원소가 혼합 산화물(Cr2O3, CoO, NiO 및 스피넬 산화물 등)을 형성하기 전후에 산화되어 먼저 Cr2O3, CoO, NiO를 형성한 다음 (Ni, Co) O 및 Al2O3와 반응하여 (Ni, Co)Al2O4를 형성합니다. (Ni, Co)O는 Cr2O3와 반응하여 (Ni, Co)Al2O4를 형성합니다. SCL TBC와 비교할 때 DCL TBC에서 TGO의 형성 및 성장 속도가 더 느리므로 고온 항산화 특성이 더 좋습니다. Xu Shiming et al. [58]은 마그네트론 스퍼터링을 사용하여 7YSZ 코팅 표면에 필름을 증착했습니다. 열처리 후, α-Al2O3 층은 현장 반응에 의해 생성되었습니다. 이 연구는 α코팅 표면에 형성된 -Al2O3 층은 산소 이온 확산을 방지하여 코팅의 산화 저항성을 향상시킬 수 있습니다. FENG et al. [59]은 APS YSZ 코팅 표면의 레이저 재용융이 코팅의 산화 저항성을 향상시킬 수 있음을 보여주었습니다. 이는 주로 레이저 재용융이 코팅의 밀도를 향상시켜 TGO의 성장을 지연시킬 수 있기 때문입니다.

내열 충격성

중장비 가스터빈의 핫엔드 구성품이 고온 환경에서 작동할 때, 급격한 온도 변화로 인해 열 충격을 받는 경우가 많습니다. 따라서 합금 부품은 열 차단 코팅의 열 충격 저항성을 개선하여 보호할 수 있습니다. 열 차단 코팅의 열 충격 저항성은 일반적으로 열 사이클링(열 충격) 테스트로 테스트하며, 먼저 일정 시간 동안 고온에서 유지한 다음 공기/물 냉각을 위해 제거하는 열 사이클입니다. 열 차단 코팅의 열 충격 저항성은 코팅이 파손될 때 경험한 열 사이클 수를 비교하여 평가합니다. 연구에 따르면 경사 구조 열 차단 코팅의 열 충격 저항성이 더 우수한 것으로 나타났는데, 주로 경사 구조 열 차단 코팅의 두께가 얇아 코팅의 열 응력을 지연시킬 수 있기 때문입니다[60]. ZHANG et al.[61]은 1에서 열 사이클 테스트를 수행했습니다.℃ NiCrAlY/7YSZ 열 차단 코팅을 레이저 재용융하여 얻은 스팟, 스트리크 및 그리드 열 차단 코팅의 세 가지 형태에 대해 연구하고, 레이저 처리 후 분무 시편과 다른 모양을 가진 세 가지 샘플의 열 충격 저항성을 연구했습니다. 결과에 따르면 도트 샘플이 가장 좋은 열 충격 저항성을 가지고 있으며 열 사이클 수명은 분무 샘플의 두 배입니다. 그러나 그림 6에서 볼 수 있듯이 스트라이프 및 그리드 샘플의 열 충격 저항성은 분무 샘플보다 나쁩니다. 또한 많은 연구에서 일부 새로운 코팅 재료가 우수한 열 충격 저항성을 가지고 있음을 보여주었습니다. 예를 들어 ZHOU 등이 제안한 SrAl12O19 [62], LIU 등이 제안한 LaMgAl11O19 [63], HUO 등이 제안한 Sm2(Zr0.7Ce0.3)2O7 [64]이 있습니다. 따라서 열 차단 코팅의 열충격 저항성을 향상시키기 위해서는 코팅의 구조적 설계 및 최적화 외에도 열충격 저항성이 좋은 새로운 소재를 찾고 개발하는 것이 가능합니다.