Degradation Behavior and Thermal Durability in Multilayer-Designed Thermal Barrier Coatings

국문 초록 (Abstract)

발전용 및 항공용 가스터빈 엔진은 화염 온도가 높을수록 효율이 향상되지만, 가스터빈 내 고온 부품이 받는 열적 부하가 증가된다. 약 1,000 ℃ 이상의 고온 환경에서 고온 부품의 주된 구성 요소인 초내열합금의 기계적 강도와 내열 특성이 급격히 저하되므로, 열차폐코팅(Thermal Barrier Coating, TBC)의 적용이 필수적이다. 열차폐코팅 소재로 가장 널리 사용되는 정방정 구조의 YSZ(yttria-stabilized zirconia)는 낮은 열전도도와 적절한 열팽창계수를 가지지만, 1,200 ℃ 이상의 고온에서 단사정으로의 상변태에 따른 부피 팽창과 소결이 급격히 증가하기 때문에 장기적인 내구성에 한계가 있다. 또한, 수소 연료 가스터빈 운전 시 생성되는 수증기 및 고온 환경에서의 CMAS (Calcia-Magnesia-Alumino-Silicate) 침식은 YSZ의 내구성을 저하시키는 주요 요인으로 작용한다. 본 연구에서는 이러한 한계를 극복하기 위해 탑코트 물질로 기공도가 제어된 YSZ와 희토류 도핑 지르코니아를 조합한 다층 구조 TBC를 설계하였다. 시편의 반복되는 열사이클 하에서 박리 내구성을 평가하기 위해 1,100 ℃에서 40 분 가열과 20 분 냉각을 1 cycle로 하는 Furnace Cycle Test(FCT)가 수행되었다. 또한 950 ℃에서 대기 및 수증기 분위기에서의 등온 산화시험과 1,300 ℃에서 4 시간 동안의 CMAS 침식 실험을 통해 시편의 대기 및 수증기 하에서 시편의 산화 저항성 및 내식성이 평가되었다. FCT 평가 결과, 하부 탑코트를 다공성 구조로 설계한 다층 구조 시편이 하부 탑코트가 치밀한 구조보다 우수한 박리 내구성을 나타냈다. 이는 치밀층을 하부로 사용할 경우 탑코트 간의 탄성계수 차이에 의해 조기 박리가 발생하기 때문으로 판단된다. 등온 산화시험에서는 다공성 구조에 따른 TGO 성장 거동의 차이가 확인되었으나, 본드코트 조성이나 분위기에 따른 TGO 성장 및 산화 거동의 차이는 크지 않았다. 또한 수증기 분위기에서는 TGO 성장 거동은 대기 분위기와 유사한 반면, 스피넬 형성은 더욱 두드러지게 나타났다. CMAS 실험에서 대기 분위기 CMAS 평가와 비교했을 때, 수증기 분위기에서의 CMAS 침투 가속화 현상은 관찰되지 않았다. 결과적으로, 다층 구조에서는 조성보다는 층간 기공도 차이와 계면 접합 품질이 내구성에 더 큰 영향을 미치는 것으로 확인되었다. 따라서 TBC의 장기 내구성을 확보하기 위해서는 조성 최적화뿐 아니라 구조 설계와 계면 건전성 향상이 필수적이다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract 5
• List of Figures 7
• List of Tables 12
• Ⅰ. INTRODUCTION 13
• Ⅱ. BACKGROUND 17
• 1. Overview on Thermal Barrier Coating (TBC) 17
• 2. Anatomy of TBC 21
• 1) Substrate 22
• 2) Metallic Bond Coat 24
• 3) Ceramic Top Coat 26
• 4) Thermally Grown Oxide Layer (TGO) 28
• 3. Fabrication Process of TBC 30
• 1) Air Plasma Spraying (APS) Coating 31
• 2) High Velocity Oxy Fuel (HVOF) Coating 34
• 4. Multi-layer Coating 36
• 1) Characteristic and Limitation of Commercial TBC 37
• 2) Comparison Between Single-layer and Multi-layer TBC 39
• 3) Recent Research Trends Multi-layer TBC 41
• 5. Environmental Degradation Factors of TBC 43
• 1) Calcia-Magnesia-Alumino-Silicate (CMAS) Attack 44
• 2) Effect of Water Vapor 47
• Ⅲ. Design and Thermal of Multi-layer TBC 48
• 1. Preparation and Characterization of Specimen 48
• 1) Preparation of TBC samples 48
• 2) Microstructure and Characterization 52
• (1) Particle Size Analysis 52
• (2) Stress-Strain and Young’s Modulus 53
• 2. Performance Evaluation as TBC 54
• 1) Furnace Cyclic Test (FCT) test 54
• 2) Isothermal Oxidation test 56
• 3) CMAS test 58
• Ⅳ. Results and Discussion 60
• 1. Microstructure of Multi-layer TBC 60
• 2. Thermal Property 66
• 1) Stress-Strain and Young’s Modulus 66
• 3. FCT Lifetime 69
• 4. Effect of Wet Gas Atmosphere 76
• 5. Infiltration Behavior of CMAS 86
• Ⅴ. Conclusions 97
• Ⅵ. REFERENCES 100
• Ⅶ. ACKNOWLEDGMENT 112