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한국표면공학회지J. Kor. Inst. Surf. Eng.Vol. 45, No. 2, 2012.

http://dx.doi.org/10.5695/JKISE.2012.45.2.070<연구논문>

열차폐 코팅에서 열산화물층 억제에 관한 연구

김현지a, 김민태

b, 박해웅a*

a한국기술교육대학교,

b한전 전력연구원 수화력발전연구소

Thermally Grown Oxide (TGO) Growth Inhibition in a

Thermal Barrier Coating

Hyun Ji Kima, Min Tae Kimb, Hai Woong Parka*

aKorea University of Technology and Education, Cheonan, KoreabKEPCO Power Generation Laboratory, Daejeon, Korea

(Received February 29, 2012 ; revised April 19, 2012 ; accepted April 30, 2012)

Abstract

In thermal barrier coating (TBC) systems, the life of the coating depends on thermally grown oxide (TGO)layer because most of the failure of TBCs occurs when TGO growth increases. In order to inhibit TGOgrowth, process was additionally carried out before the heat treatment of the TBC coating layer at 1200oCin air. In the additional process, heat treatment in vacuum furnace of <10−5 torr was conducted for 7 h and14 h before the heat treatment. The area and length of TGO, as well as the crack length in the TBC werecharacterized using a scanning electron microscope (SEM). The TGO thickness and crack of specimens pre-heat treated in vacuum furnace were reduced by 45% compare to those heat treated in furnace. Consequently,pre-heat treatment in a vacuum furnace process lead to effective inhibition of growth of the TGO.

Keywords: TBC, TGO, Vacuum heat treatment, TGO inhibition

1. 서 론

항공용이나 발전용 가스터빈은 시스템의 높은 열

효율을 얻기 위해 터빈입구 온도(Turbine Inlet

temperature, TIT) 또는 연소온도를 대부분 1,000oC

이상으로 운전하고 있다. 이러한 운전환경에서 고

온의 연소가스와 직접 접촉하는 부품은 대부분 내

열성이 강한 니켈계 초합금으로 제작되고 있다. 열

차폐 코팅은 일반적으로 플라즈마 열 용사법(APS)

혹은 전자빔 진공 증착법에(EB-PVD) 의하여 만들

어진다. 플라즈마 열 용사법은 보통 값이 싸고 열

전도도가 좋지만, 전자빔 진공 증착법에 비하여 내

구 수명이 떨어진다1,2). 또한, 1000oC 이상의 고온

환경에서 장시간 운전하기 위해서는 추가적으로 본

드코팅(MCrAlY, M=Mi, Co) 또는 본드코팅+지르코

니아(Zirconia, ZrO2) 계통의 열차폐 코팅(Thermal

Barrier Coating, TBC)을 200 µm 이상 코팅한다. 이

러한 금속간 본드코팅은 대개 기판(substrate)으로부

터 세라믹 열 차폐층의 융착을 도와주고 기판 물질

(substrate material)로부터 산화와 부식을 방지해준

다3). 또한 열화 과정 중 초기 TGO(Thermally

glown oxide)의 Al2O3층 형성은 또 다른 유해한 산

화층 형성을 억제하고, 추후 산화로부터 기판을 보

호해준다. 하지만 YSZ의 세라믹 코팅층의 열 팽창

율이 본드코팅 및 모재금속의 1/3정도에 불과하여

냉각 시 매우 높은 잔류 응력을 발생한다. 몇몇 보

고에 따르면 고온에서 장기간 가스터빈을 구동시킬

경우, comia((Cr,Al)2O3), spinel((Ni(Cr,Al)2O4) 그리

고 Nickel oxide(Nio) 등의 다른 산화물층은 YSZ

세라믹 코팅층을 따라 생성되며 모재금속 으로부터*Corresponding author. E-mail : hwpark@kut.ac.kr

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변형, 박리를 야기시킨다4,5). 또한 지르코니아 계통

의 열차폐 코팅은 연소가스 중의 산소를 효율적으

로 차단하지 못하기 때문에 세라믹 열차폐 층을 통

하여 산소가 침투하여 본드코팅의 산화 및 열화가

진행되어 결국은 박리로 이어진다. 본 연구에서는

열차폐 코팅 또는 본드 코팅의 내구성을 향상시키

고자 기존의 부품공정을 개선하였다8). 추가적인 공

정으로, 진공로에서 감압 조건 열처리를 수행한 뒤,

운전조건과 비슷한 상압 조건 열처리를 수행하였

다. 기존의 공정방법을 변화시킴으로써 열차폐 코

팅과 본드 코팅 간에 생성되는 TGO 산화물 층의

성장을 억제 시키는 방법을 연구하고자 한다.

2. 실험방법

2.1 모재 시편의 준비

본 연구에서 모재금속은 니켈계 IN738LC 초합금

(superalloy)이며, 25 mm(직경)×5 mm(두께) 크기의

원판형으로 준비하였다. IN738LC의 일반적인 화학

적 조성은 Ni = 61.7%, Cr = 15.5%, Co = 8.5%,

Al = 3.5%, Ti= 3.5%, W= 2.6%, Mo= 1.8%, Ta=

1.6%, Zr= 0.06%, B= 0.01%, C= 0.1%, Si= 0.01%,

Fe= 0.06%이다.

2.2 코팅 공정

시편은 대형가스터빈의 1단 블레이드에 적용되는

본드코팅-TBC코팅과 동일한 공정 조건으로 준비하

였다. 본드 코팅층의 화학적 조성은 Co-Ni-Cr-Al-Y

합금을 사용하여 약 40 µm를 APS 코팅방법으로 용

사하였다. TBC 코팅은 APS 공정을 이용하여

150 µm의 두께로 본드코팅층 위에 YSZ를 도포하

였다. 그림 1은 실제 APS공정사진을 나타내었다.

2.3 열처리 공정

(a) 시편을 사용 환경과 유사한 조건으로 제작하

기 위하여 가스터빈 운전 시 모재부품 온도보다 높

은 온도인, 1200oC로 각각 7, 14시간 상압조건의 전

기로에서 열처리를 수행하였다.

(b) 감압조건에서 열처리가 TGO층 형성에 미치

는 영향을 평가하기 위하여 <10−5 torr, 1200oC로 각

각 7, 14시간 진공로에서 감압조건 열처리를 수행

하였다.

(c) 상압조건 전기로 열처리 이전의 추가적인 공

정으로, 감압조건에서의 열처리가 TGO 층 성장 억

제에 미치는 영향을 평가하기 위하여 (b)의 열처

리를 수행한 뒤 사용 환경과 유사한 조건인 전기

로에서 1200oC로 7시 상압 조건 열처리를 수행하

였다.

2.4 TGO층의 분석

코팅층 계면에서의 TGO 성장 거동을 분석하기

위하여 열처리 된 시편들을 절단한 후 코팅층 단면

을 관찰할 수 있도록 준비하였다. 본드 코팅층과

superalloy계면에 생기는 TGO층의 두께 및 형상은

주사전자 현미경(JSM-5610LV, JEOL)을 이용하여

관찰하였다. 두께 측정의 신뢰성을 위하여 그림 2

와 같이 시편의 단면을 세 부분(외곽부, 중앙부, 외

곽부)으로 나누어 평균 두께를 계산하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 상압조건과 감압조건 열처리 후 생성된 TGO층

의 미세조직

공기 중에서 열에 노출되었을 때, ceramic topcoat

와 본드코트의 경계면을 따라 많은 (Cr,Al)2O3+

(Co,Ni)(Cr,Al)2O4의 산화층이 형성된다(CS). 이러한

CS layer는 열응력을 가할수록 Al2O3층 아래에서 서

서히 형성되기 시작한다. 그와 동시에 ceramic/bond

coat 사이에서 Chromia, spinel 그리고 Nickel 산화

물 층이 함께 형성된다(CSN cluster)3,4,6,7). 그림 3의

(a),(b),(c),(d)에서 TBC 와 본드코트 사이에 산화물

층인 Al2O3층과 CNS층이 관찰되었다. TBC 내의

TGO층은 이러한 Al2O3층과 CSN cluster로 구성된

다. 그림 3의 (a), (c)는 상압조건에서 TGO층의 단

면 미세 구조를 관찰하였다. (a)와 (c)는 상압조건

에서 1200oC로 고정시킨 뒤 7, 14시간 전기로에서

열처리하였다. TGO층의 두께는 시편의 단면을 세

부분으로 나누어 측정한 평균 두께이다. (a)시편의Fig. 1. Schematic of Air Plasma Spray (APS) ceramic

onto substrate.

Fig. 2. Configuration of TBC system coating layer.

72 김현지 외/한국표면공학회 45 (2012) 70-74

TGO층 평균두께는 5.125 µm이고, (c) 시편의 TGO

층 평균두께는 6.586 µm로 열처리 시간이 길어질

수록 TGO층의 두께가 증가하였다. 그림 3의 (b),(d)

는 감압조건의 진공로에서 위와 같은 조건으로 열

처리 한 단면 미세구조를 관찰하였다. 7시간 동안

진공로에서 열처리한 (b)시편의 TGO층 평균두께는

1.707 µm이고 14시간 동안 열처리한 (d)시편의

TGO층 평균두께는 1.11 7µm였다. 상압조건 열처리

는 시간에 따라 1 µm 이상의 TGO층 두께의 변화

가 나타난 반면 감압 조건의 열처리에서는 TGO층

의 두께가 크게 변화하지 않았다. 각각의 조건에서

시편들의 TGO층 두께를 평균하여 계산한 결과 감

압 조건에서의 TGO층이 상압조건에서 열처리한 시

편의 TGO층 두께보다 75% 감소하였다. 크랙은 혼

합된 산화물 층과 함께 본드코트와 TBC계면에서

관찰된다. 감압조건에서 열처리한 시편 (a), (c) 가

Fig. 3. Microstructures of heat treated (a) in furnace for 7 h, (b) in vacuum furnace for 7 h, (c) in furnace for 14 h,

(d) in vacuum furnace for 14 h.

Fig. 4. Element mapping images of bond/top coating layers after thermal heat treatments. (a) heat treated in furnace

for 14 h, (b) heat treated in vacuum furnace for 14 h.

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상압조건에서 열처리한 시편 (b), (d) 보다 크랙의

크기나 개수가 적게 관찰되었다. 금속을 대기 중에

서 가열하면, 공기 중의 산소, 수증기 등에 의해 표

면이 산화작용을 하여 산화물을 만드는데 비하여

진공 열처리는 불순물이 거의 잔존해 있지 않기 때

문에 TGO의 성장을 위한 산소의 침투를 억제했으

리라 판단된다. 그림 4의 (a)와 (b)는 각각 상압조

건과 감압조건으로 14시간 열처리한 시편 EDS 분

석 결과이다. 두 시편 모두 TGO층에서 알루미늄의

분포가 두드러지게 나타났으며, 이러한 알루미늄이

산소와 반응하여 Al2O3층이 생성 되었으리라 판단

된다9).

3.2 감압 조건 열처리 후 상압 조건 열처리 시편에

생성된 TGO층 미세조직

그림 5의 (a)와 (c)는 1200oC로 고정시킨 후 각각

7, 14시간 상압조건으로 열처리를 수행하였다. 그림

5의 (b),(d)는 TGO 층의 추가적인 형성을 억제시키

기 위하여 1200oC에서 각각 7, 14시간 감압 조건의

진공로에서 추가공정을 실시한 후 상압조건의 전기

로에서 7시간 열처리 하였다. 감압조건의 공정을 추

가한 시편 (b), (d)의 TGO층 두께가 각각 2.970,

3.611 µm로 진공열처리 공정을 추가하지 않은 시편

(a), (c) 보다 TGO층 두께가 감소하였다. 이러한 감

압조건 공정의 두께를 평균한 결과 7시간 동안 유

지 한 시편 (b)의 TGO층 평균 두께는 3.158 µm,

14시간 동안 열처리한 시편 (d)의 TGO층 평균두께

는 3.159 µm였다. 추가적인 공정을 거치지 않고 상

압 조건에 시편을 노출시켰을 때보다 TGO층이 45%

이상 감소하였다. 또한 (a), (c)의 시편보다 본드코

트와 TBC 계면 사이의 크랙의 수와 크기가 감소

하였다. 운전환경과 비슷한 상압조건의 열처리 공

정 이전에 추가적으로 감압조건의 열처리 공정을

수행함으로써 TBC 코팅이 더욱 치밀해져 TGO의

성장을 위한 산소의 침투를 억제 했으리라 사료된다.

4. 결 론

고온 환경 노출 시, TBC 코팅층에 형성되는 TGO

층을 억제하기 위하여 본 연구에서는 진공에서의

열처리 공정이 TGO층 성장 거동에 미치는 영향을

평가하였다. 운전환경과 비슷한 상압 조건 열처리

Fig. 5. Microstructures of heat treated (a) in furnace for 7 h (b) in furnace for 7 h after pre-heat treated in vacuum

furnace for 7 h, (c) in furnace for 14 h, (d) in furnace for 7 h after pre-heat treated in vacuum furnace for 14 h.

Fig. 6. The variation of the TGO thicknesses with

different heat treatment conditions.

74 김현지 외/한국표면공학회 45 (2012) 70-74

이전에 추가적인 공정으로 감압조건으로 열처리를

수행하였다. 기존에 수행되지 않았던 추가적인 감

압 조건 열처리를 수행함으로써 상압 조건 열처리

의 TGO층 두께보다 45% 감소하였다. 또한 미세조

직의 크랙의 크기와 개수가 감소하였다. 따라서 추

가적인 진공열처리를 통하여 TGO층의 밀도 증가

로, TBC코팅 층의 TGO층 성장을 효과적으로 억제

할 수 있는 열처리 공정이 확립되었다.

후 기

본 연구는 한국기술교육대학교 교육 연구 진흥비

를 지원받아 수행되었습니다.

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