고온 항공용 열 차폐 코팅층의 계면 특성 평가 연구 = Evaluation Study of Interfacial Characteristics of Thermal Barrier Coatings for High-Temperature Aerospace Applications

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The growing demand for higher operating temperature of aerospace engine components have intensified concerns over thermal degradation and shortened component lifetime. Thermal barrier coatings (TBCs) have therefore become indispensable in high-temperature applications. Since ceramic top-coating can mitigate heat transfer to the metal substrate, thermal barrier coatings (TBCs) have therefore become indispensable in materials for high-temperature applications. Because the durability of TBCs is largely governed by interfacial adhesion, cracking, and delamination resistance, traditional evaluation methods are insufficient for accurately comparing interfacial characteristics.
The purpose of the present study is to compare the interfacial behavior of TBCs with YSZ topcoat ceramic processed by three different techniques(i.e. APS, SPS, and EB-PVD). Hertzian and Vickers indentation tests enabled assessing elastic-plastic deformation, hardness, and crack resistance. Interfacial adhesion strength was evaluated through an adhesion test under tensile loading. In-situ observation of coating cracks and quantification of interfacial delamination resistance were made using modified four-point bending test.
Overall, in the APS coatings, lower porosity generally showed in better mechanical performance.
However, some high-porosity specimens exhibited improved behavior due to their distinct microstructural features. Because higher porosity can be advantageous for thermal insulation by reducing thermal conductivity, these findings suggest that it may be possible to design coatings that simultaneously achieve superior thermal barrier performance and adequate mechanical properties. The delamination resistance test further revealed that EB-PVD coatings possess the highest bending strength and interfacial delamination resistance, with crack initiation consistently with occurring within the substrate rather than the coating, indicating excellent fracture tolerance. In contrast, SPS coatings showed inferior mechanical and interfacial properties and appear unsuitable for aerospace applications.
The proposed delamination resistance test overcomes the limitations of existing methods by switching from displacement control to load control precisely at the onset of vertical cracking, enabling the transition from tensile to combined tensile-shear loading at the coating-substrate interface. The resulting load-drop behavior and calculated mechanical energy release rate G allow quantitative comparison of interfacial delamination resistance across coating types. Taken together, this study provides an improved methodology for evaluating TBC durability and offers insight into microstructural design strategies that may contribute to enhanced lifetime of high-temperature aerospace components.

국문 초록 (Abstract)

열 효율에 대한 연구가 지속됨에 따라 항공 부품의 작동 온도는 점진적으로 증가하는 추세이며 이에 따른 부품의 수명 저하를 완화하기 위한 방법으로 열 차폐 코팅 기술이 필수적인 요소로 적용되고 있다. 이 기술은 세라믹 탑코트와 금속 본드코트로 코팅하여 기판에 도달하는 열 노출을 완화하여 부품 수명을 연장하고 전체 시스템의 효율 향상에 기여한다. TBC 의 다층 구조 특성상 코팅과 기판 간의 접착력과 균열 및 박리 저항성이 코팅의 내구성을 좌우함에도 불구하고 단일 구조에 국한된 현재 시점의 시험 방법은 계면 특성을 효과적으로 비교하기에 어려움이 따른다. 본 연구는 다양한 코팅 공정과 기공률에 기인한 미세구조 차이에 따른 TBC 의 기계적 특성을 비교하고, 계면 특성을 정량적으로 평가하는 방법을 제시하여 코팅 균열 박리 거동에 대한 체계적인 이해를 바탕으로 코팅의 내구성 및 부품 수명을 향상시키는데 기여하기 위해 수행되었다. 따라서 본 논문에서는 YSZ 을 사용하여 APS, SPS 및 EB-PVD 의 세 가지 공정으로 열 차폐 코팅을 제작하고, 각 시편의 기계적 특성과 계면 특성을 평가하였다. 기계적 특성 평가로 구형 압입과 비커스 압입 시험을 수행하였고 압축 하중에 의한 탄성 소성 변형 거동 및 경도와 균열 저항성을 분석하였다. 계면 특성은 인장 하중을 통한 접합 시험으로 코팅-모재 간 접착력을 확인하였고, 4 점 굽힘 시험을 변형한 ‘박리 저항성 시험법’을 제안하여 계면에서의 박리 저항성을 평가하고 시험의 유효성 및 신뢰성에 대해 고찰하였다. 본 연구에서는 코팅 공정과 기공률이 기계적 및 계면 특성에 미치는 영향을 확인하였다. 결과적으로 APS 코팅에서는 기공률이 낮을수록 전반적으로 우수한 특성을 나타냈고 일부 높은 기공률을 가진 코팅에서도 미세 구조의 영향으로 인해 좋은 특성이 나타나는 것을 확인했다. TBC 의 높은 기공률은 열 전도도 감소 등 열적 특성에 유리한 영향을 미치기 때문에 해당 결과는 우수한 단열성과 기계적 특성을 모두 보유한 코팅 제작의 가능성을 시사한다. 박리 저항성 시험을 통해 EB-PVD 코팅이 가장 우수한 굽힘 강도 및 계면 박리 저항성을 갖는 것을 확인하였다. 특히 코팅층보다 모재 내부에서부터 시작되는 균열 거동으로 보아 균열 저항성 또한 우수한 것으로 판단된다. 본 연구에서 평가한 SPS 코팅은 기계적 특성과 계면 특성이 낮은 특성을 보여, 고기공률의 SPS 코팅을 항공용으로써 최적화하기엔 아직 어려울 것으로 보인다. 기존 시험의 한계를 보완하기 위해 제안된 ‘박리 저항성 시험’은 시험 중 코팅층을 실시간으로 관찰하여 수직 균열 관찰 시점에서 변위 제어를 하중 제어로 전환하는 과정을 통해 인장 응력을 전단 응력으로 일부 전환하여 계면에 가하는 방법이다. 변위 제어 중에 생성된 수직 균열이 하중 제어를 통해 계면 방향을 따라 박리로 성장하면서 하중-변위 곡선에서 하중 감소 지점이 나타나게 되고, 이를 통해 복합 응력 하에서 작용하는 계면 박리 거동을 관찰하고 분석할 수 있다. 또한 기계적 에너지 방출률 G 산출을 통해 계면 박리 저항성을 정량화 하여 코팅 간 객관적인 비교가 가능하다. 본 연구는 TBC 의 특성 평가 방법의 발전에 기여하여 코팅의 미세 구조 설계에 대한 방향을 제시하고 향후 항공 부품의 내구성 향상에 대한 기초 자료로 활용할 수 있을 것이다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서 론 1
• 2. 이론 배경 3
• 2.1 열 차폐 코팅 3
• 2.2 기계적 특성 평가 6
• 2.2.1 구형 압입 시험 6
• 2.2.2 비커스 압입 시험 8
• 2.2.3 인장력에 대한 계면 접착 강도 평가 10
• 2.2.4 전단력에 대한 계면 잔류 응력에 의한 박리 저항성 평가 12
• 3. 실험 절차 16
• 3.1 시편 제작 방법 16
• 3.1.1 APS 및 SPS 코팅 16
• 3.1.2 EB-PVD 코팅 16
• 3.2 기계적 특성 평가 19
• 3.2.1 APS 및 SPS 코팅 구형 압입 시험 19
• 3.2.2 APS 및 SPS 코팅 비커스 압입 시험 20
• 3.2.3 APS 및 SPS 코팅 접합 시험 20
• 3.2.4 APS 및 SPS 코팅 굽힘 시험 21
• 3.2.5 EB-PVD 코팅의 기계적 및 계면 특성 평가 22
• 4. 결과 및 분석 23
• 4.1 APS 및 SPS 코팅 특성 분석 23
• 4.1.1 압축 응력에 의한 변형 저항성 23
• 4.1.2 국부 접촉 응력에 의한 경도 및 균열 저항성 26
• 4.1.3 인장 응력에 의한 계면 접착력 28
• 4.1.4 전단 응력에 의한 계면 박리 저항성 33
• 4.2 EB-PVD 코팅 특성 분석 52
• 4.2.1 압축 응력에 의한 변형 저항성 52
• 4.2.2 국부 접촉 응력에 의한 경도 및 균열 저항성 56
• 4.2.3 인장 응력에 의한 계면 접착력 59
• 4.2.4 전단 응력에 의한 계면 박리 저항성 61
• 5. 결 론 69
• 참고 문헌. 72
• ABSTRACT 75