대형 가스 터빈 및 그 열장벽 코팅의 연구 진전 및 개발 동향(4)

가스 터빈 열 장벽 코팅의 주요 특성

지상용 중형 가스 터빈의 작업 환경은 일반적으로 복잡하며, 유지 보수 주기는 길어 최대 50,000시간에 달할 수 있습니다. 따라서 최근 몇 년간 연구자들은 열 장벽 코팅(thermal barrier coating) 기술을 개선하고 그 수명을 연장하기 위해 열 장벽 코팅의 주요 특성인 단열성, 산화 저항, 열 충격 저항 및 CMAS 부식 저항 등에 대해 많은 연구를 수행해왔습니다. 이 중 단열성, 산화 저항 및 열 충격 저항에 대한 열 장벽 코팅의 연구와 발전은 비교적 충분하지만, CMAS 부식 저항에 대한 연구는 상대적으로 부족합니다. 동시에 CMAS 부식은 열 장벽 코팅의 주요 고장 모드가 되었으며, 다음 세대 고성능 가스 터빈의 발전을 방해하고 있습니다. 따라서 본 절에서는 먼저 열 장벽 코팅의 단열성, 산화 저항 및 열 충격 저항에 대해 간략히 소개하고, 4절에서는 열 장벽 코팅의 CMAS 부식 메커니즘과 보호 기술에 대한 연구 진전에 중점을 둡니다.

열 절연 특성

산업의 발전에 따라 고성능 가스 터빈은 터빈 입구 온도에 대해 더 높은 요구 사항을 제시하고 있습니다. 따라서 열 장벽 코팅의 열 절연성을 개선하는 것은 매우 중요합니다. 열 장벽 코팅의 절연성은 코팅의 재료, 구조 및 제조 공정과 관련이 있습니다. 또한, 열 장벽 코팅의 운용 환경도 그 열 절연 성능에 영향을 미칠 수 있습니다.

열전도율은 일반적으로 열장벽 코팅의 단열 성능을 평가하기 위한 지표로 사용됩니다. 류얀꾸안(Liu Yankuan) 등 [48]은 APS를 통해 2 mol.% Eu3+ 도핑된 YSZ 코팅을 제조하였으며, YSZ 코팅과 비교했을 때 결과는 2 mol.% Eu3+ 도핑된 YSZ 코팅의 열전도율이 더 낮았음을 보여주었습니다. 즉, 2 mol.% Eu3+ 도핑된 YSZ 코팅의 단열 성능이 더 우수했습니다. 연구를 통해 코팅 내 공극의 공간적 및 기하학적 특성이 열전도율에 큰 영향을 미친다는 것이 밝혀졌습니다 [49]. 선(SUN) 등 [50]은 서로 다른 공극 구조를 가진 열장벽 코팅의 열전도율과 탄성 모듈러스에 대한 비교 연구를 수행했습니다. 그 결과는 열장벽 코팅의 열전도율과 탄성 모듈러스가 공극 크기가 줄어들수록 감소하며, 공극률이 높을수록 열전도율이 낮아짐을 보여줍니다. 많은 연구들은 EB-PVD 코팅에 비해 APS 코팅이 더 나은 단열 성능을 가지며, 이는 APS 코팅이 더 높은 공극률과 낮은 열전도율을 가지고 있기 때문입니다 [51]. 라츠어-샤이브(RATZER-SCHEIBE) 등 [52]은 EB-PVD PYSZ 코팅의 두께가 열전도율에 미치는 영향을 연구하였으며, 결과는 EB-PVD PYSZ 코팅의 두께가 그 열전도율에 크게 영향을 미친다는 것을 보여주었습니다. 즉, 코팅 두께도 열장벽 코팅의 단열 성능을 좌우하는 중요한 요인 중 하나입니다. 공카이생(Gong Kaisheng) 등 [53]의 연구 결과도 실제 코팅 응용 범위 내에서 코팅의 단열 성능이 두께와 환경 온도 차이에 비례한다는 것을 보여줍니다. 열장벽 코팅의 단열 성능은 두께가 증가함에 따라 향상되지만, 코팅 두께가 특정 값까지 계속 증가하면 코팅 내부에서 응력 집중이 발생하여 조기 실패를 초래할 수 있습니다. 따라서 코팅의 단열 성능을 향상시키고 수명을 연장하기 위해 코팅 두께를 적절히 조절해야 합니다.

산화 방지

고온 산화 조건하에서 열 장벽 코팅에는 TGO층이 쉽게 형성됩니다. TGO가 열 장벽 코팅에 미치는 영향 [54]은 두 가지 면이 있습니다: 한편, 형성된 TGO는 산소가 계속 내부로 확산하는 것을 막아 합금 기체의 산화에 대한 외부 영향을 줄일 수 있습니다. 다른 한편으로, TGO가 지속적으로 두꺼워짐에 따라 그 큰 탄성 모듈러스와 접착층과의 열팽창계수 차이 때문에 냉각 과정에서 큰 응력이 발생하기도 쉬워져 이는 코팅이 빠르게 박리되게 만듭니다. 따라서 열 장벽 코팅의 수명을 연장하기 위해서는 코팅의 산화 저항성을 향상시키는 것이 시급합니다.

XIE 등 [55]은 TGO의 형성 및 성장 행동을 연구했는데, 이는 주로 두 단계로 나뉘었습니다: 먼저, 밀집된 α -Al2O3 막이 결합층 위에 형성되었으며, 그 후 세라믹 층과 사이에는 다공성 혼합 산화물이 형성되었습니다. α -Al2O3. 연구 결과 열 장벽 코팅에서 균열을 일으키는 주요 물질은 TGO 내의 다공성 혼합 산화물임이 밝혀졌습니다, 아닙니다 α -Al2O3. 류 et al. [56]은 두 단계의 응력 진화에 대한 수치 분석을 통해 TGO(열 성장 산화물)의 성장 속도를 시뮬레이션하는 개선된 방법을 제안하여 열 장벽 코팅의 수명을 정확히 예측할 수 있도록 하였다. 따라서 유해한 다공성 혼합 산화물의 성장 속도를 제어함으로써 TGO의 두께를 효과적으로 관리할 수 있으며, 이는 열 장벽 코팅의 조기 실패를 방지할 수 있다. 연구 결과에 따르면 이중 세라믹 열 장벽 코팅 사용, 코팅 표면에 보호층을 침착시키고 코팅 표면의 밀도를 향상시키는 방법으로 TGO의 성장을 지연시킬 수 있으며, 코팅의 산화 저항성을 일정 수준 향상시킬 수 있다. 안 et al. [57]은 APS 기술을 사용하여 두 가지 종류의 열 장벽 코팅을 제조하였으며, 1,100℃에서 등온 산화 시험을 통해 TGO의 형성 및 성장 행동을 연구하였다. °C . 첫 번째는 YAG/YSZ 이중 세라믹 장벽 코팅(DCL TBC)이고 두 번째는 YSZ 단일 세라믹 장벽 코팅(SCL TBC)입니다. 연구 결과는 TGO의 형성 및 성장 과정이 열역학 법칙에 따라 이루어진다는 것을 보여줍니다(그림 5 참조): 식 (1) ~ (8)에 따르면, 먼저 Al2O3가 형성되고 그 다음 Y 이온 산화로 인해 Al2O3 TGO 표면 위에 극히 얇은 Y2O3 층이 형성되며, 둘은 서로 반응하여 Y3Al5O12를 형성합니다. Al 이온이 특정 값까지 감소하면 본드 레이어 내의 다른 금속 요소들이 산화되어 혼합 산화물(Cr2O3, CoO, NiO 및 스피넬 산화물 등)을 형성합니다. 처음에는 Cr2O3, CoO, NiO가 형성되고 이후 (Ni, Co) O와 Al2O3과 반응하여 (Ni, Co) Al2O4를 형성합니다. 또한 (Ni, Co) O는 Cr2O3과 반응하여 (Ni, Co) Al2O4를 형성합니다. SCL TBC와 비교했을 때 DCL TBC의 TGO 형성 및 성장 속도는 더 느리기 때문에 더 우수한 고온 항산화 특성을 가지고 있습니다. Xu Shiming 등 [58]은 자석 스퍼터링 기법을 사용하여 7YSZ 코팅 표면에 필름을 침착시켰으며, 열처리 후 α -Al2O3 층은 현지 반응에 의해 생성되었습니다. 연구는 이 층이 산화물 저항성을 향상시키기 위해 산소 이온 확산을 방지할 수 있음을 보여주었습니다. α -Al2O3 층이 코팅 표면에 형성되어 산소 이온 확산을 방지함으로써 코팅의 산화 저항성을 향상시킬 수 있습니다. FENG 등 [59]은 레이저 재용융이 APS YSZ 코팅 표면의 산화 저항성을 향상시킬 수 있음을 보여주었는데, 주된 이유는 레이저 재용융이 코팅의 밀도를 향상시켜 TGO 성장을 지연시키기 때문입니다.

열 충격 저항성

중형 가스 터빈의 핫 엔드 구성 요소가 고온 환경에서 작동할 때, 빠른 온도 변화로 인해 열 충격을 자주 겪습니다. 따라서 열 장벽 코팅의 열 충격 저항을 개선하면 합금 부품을 보호할 수 있습니다. 열 장벽 코팅의 열 충격 저항은 일반적으로 열 사이클링(열 충격) 테스트를 통해 평가되며, 이는 먼저 일정 시간 동안 고온 상태를 유지한 후 공기/물 냉각으로 제거하는 것을 하나의 열 사이클로 간주합니다. 열 장벽 코팅의 열 충격 저항은 코팅이 실패했을 때 겪은 열 사이클 횟수를 비교하여 평가됩니다. 연구에 따르면 그래디언트 구조의 열 장벽 코팅이 더 나은 열 충격 저항을 가지는 것으로 나타났으며, 주된 이유는 그래디언트 구조의 열 장벽 코팅 두께가 작아 코팅 내의 열 응력을 지연시킬 수 있기 때문입니다 [60]. ZHANG 등 [61]은 1,000°C에서 열 사이클 테스트를 수행했습니다. °C 레이저 용융을 통해 얻은 점, 줄무늬 및 격자형 열 장벽 코팅의 세 가지 형태에 대해 연구하였으며, 레이저 처리 전후의 분사체 표본과 세 가지 다른 형태의 샘플들의 열 충격 저항을 조사하였다. 결과는 점 샘플이 가장 우수한 열 충격 저항을 보이며, 분사 샘플보다 열 사이클 수명이 두 배라는 것을 나타낸다. 그러나 줄무늬와 격자형 샘플의 열 충격 저항은 분사 샘플보다 나쁘며, 이는 그림 6에서 보여진다. 또한 많은 연구들은 일부 새로운 코팅 재료가 우수한 열 충격 저항을 가지고 있음을 보여주었다. 예를 들어, ZHOU 등이 제안한 SrAl12O19 [62], LIU 등이 제안한 LaMgAl11O19 [63], 그리고 HUO 등이 제안한 Sm2(Zr0.7Ce0.3)2O7 [64] 등이다. 따라서 열 장벽 코팅의 열 충격 저항을 향상시키기 위해 코팅의 구조 설계 및 최적화 외에도, 우수한 열 충격 저항을 가진 새로운 재료를 찾고 개발할 가능성이 있다.