Study on Degradation Mechanism and Lifetime Improvement of Thermal Barrier Coatings for Ammonia-Fueled Gas Turbines = 암모니아 연료 가스터빈용 열차폐코팅의 열화 메커니즘 및 수명 향상에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

암모니아는 연소 과정에서 이산화탄소를 배출하지 않는 탄소중립 연료로 주목받고 있으며, 액화가 비교적 용이하여 저장 및 운송 측면에서 유리하다는 장점으로 인해 차세대 가스터빈 연료로서 활용 가능성이 활발히 연구되고 있다. 그러나 암모니아 연소 환경에서는 기존 탄화수소계 연료와는 상이한 고온 반응 환경이 형성되며, 특히 질소 반응종에 의한 재료 열화 가능성이 제기되고 있다. 가스터빈 고온부에 적용되는 열차폐코팅（Thermal Barrier Coating, TBC） 시스템은 극한 고온 환경에서 부품을 보호하는 핵심 기술로 사용되고 있으나, 암모니아 연소 분위기에서의 열화 거동 및 내구성에 대한 연구는 아직 충분히 이루어지지 않았다. 따라서 암모니아 분위기에서 TBC 시스템의 미세조직 변화와 열화 메커니즘을 규명하고, 내구성 향상 방안을 제시하는 것이 필요하다.
본 연구에서는 HVOF（High Velocity Oxygen Fuel） 공정을 이용하여 MCrAlY 계열 본드코트를 형성하고, APS（Air Plasma Spray） 공정을 이용하여 플래시 코트（flash coat） 및 세라믹 탑코트를 적층한 열차폐코팅 시편을 제작하였다. 이후 일부 시편에 대하여 예비산화（pre-oxidation） 처리를 수행하였으며, 암모니아 분위기 노출 시험을 통해 암모니아 환경이 열차폐코팅 시스템에 미치는 영향을 평가하였다. 또한 열사이클 시험（Furnace Cycle Test, FCT）을 수행하여 열사이클 환경에서의 내구성 변화를 분석하였다. 시편의 미세조직 변화는 주사전자현미경（SEM） 및 에너지분산형 분광분석（EDS）을 통해 관찰하였으며, 상 분석 및 기계적 특성 변화를 함께 평가하여 암모니아 노출과 예비산화 처리에 따른 열화 거동을 종합적으로 분석하였다.
암모니아 분위기에 노출된 시편에서는 본드코트 내부에서 질화 반응이 발생하였으며, 질소의 확산에 의해 내부 미세조직 변화가 관찰되었다. 열사이클 시험 결과 초기 코팅 상태 시편과 예비산화 시편과 비교하여 암모니아 노출 시편은 상대적으로 낮은 열사이클 수명을 나타내었다. 이러한 결과는 암모니아 분위기에서 생성된 질소 반응종이 본드코트 내부로 침투하여 질화 반응을 유도하고, 결과적으로 TBC 시스템의 내구성 저하를 초래하였음을 의미한다.
반면 예비산화 처리 시편에서는 본드코트와 탑코트 계면에 연속적이고 치밀한 열성장산화물（Thermally Grown Oxide, TGO） 층이 형성되었으며, 본드코트 내부에는 미세 산화물이 다수 생성되었다. 형성된 TGO 층은 암모니아 분위기에서 질소 반응종의 확산을 억제하는 barrier layer 역할을 수행하였으며, 이에 따라 본드코트 내부 질화 반응이 감소하는 경향을 나타내었다. 또한 pre-oxidation 처리 시편은 암모니아 노출 시편 대비 상대적으로 우수한 열사이클 내구성을 유지하였다.
종합적으로, 암모니아 분위기는 TBC 시스템의 본드코트 내부 질화를 유발하여 기계적 특성 변화 및 열사이클 내구성 저하를 초래할 수 있음을 확인하였다. 반면 pre-oxidation을 통해 형성된 안정적인 TGO 층은 질소 반응종의 침투를 억제함으로써 질화 저항성과 열사이클 내구성을 향상시키는 데 효과적인 역할을 수행하였다. 본 연구 결과는 향후 암모니아 연소 기반 가스터빈 환경에서 적용 가능한 TBC 시스템 설계 및 표면처리 기술 개발을 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• List of Figures 1
• List of Tables 5
• Ⅰ. Introduction 6
• Ⅱ. Background 10
• 1. Overview on Thermal Barrier Coating （TBC） 10
• 2. Anatomy of TBC 15
• 1） Substrate 15
• 2） Metallic Bond Coat 17
• 3） Ceramic Top Coat 20
• 3. Fabrication Process of TBC 22
• 1） Air Plasma Spraying （APS） Coating 22
• 2） High Velocity Oxy Fuel （HVOF） Coating 25
• 4. Degradation Behavior of Bond Coat 28
• 1） Oxidation Behavior 28
• 2） Nitridation Behavior 34
• Ⅲ. Experimental Procedure 39
• 1. Specimen Preparation and Heat Treatment 39
• 1） Types of Specimens and Coating Structure 39
• 2） Deposition of Bond Coat and Top Coat 43
• 3） Vacuum Heat Treatment 49
• 4） Adhesion Strength Test 51
• 2. High-Temperature Exposure Test and Lifetime Evaluation 53
• 1） Preparation of As-coated and Pre-oxidized Specimens 53
• 2） Effect of Pre-oxidation on Nitridation during Ammonia Exposure 55
• 3） Furnace Cyclic Test （FCT） after Ammonia Exposure 58
• 3. Nanoindentation 61
• Ⅳ. Results and Discussion 65
• 1. Microstructure of TBC System 65
• 2. Effect of Pre-oxidation and Ammonia Exposure 69
• 1） Effect of Pre-oxidation 69
• 2） Effect of Ammonia Exposure 73
• 3. FCT Lifetime 83
• 4. Nanoindentation Behavior of Bond Coat 94
• Ⅴ. Conclusions 102
• Ⅵ. References 107
• Ⅶ. Abstract in korean 118
• Ⅷ. Acknowledgment 121