향상된 유대감

Dec 12, 2023

루이스 연구 센터, 오하이오주 클리블랜드

현재 생산되는 열 차단 코팅(TBC)은 금속 부품의 평균 온도를 50~80°C까지 낮추고 핫스팟 온도를 최대 140°C까지 낮출 수 있는 것으로 나타났습니다. 이러한 상당한 온도 감소는 항공기 터빈의 금속 부품 수명을 연장하는 데 사용되었습니다. 그러나 훨씬 더 높은 온도와 관련된 엔진 성능 개선을 목표로 하는 중요한 응용 분야의 경우 더 높은 내구성의 TBC가 필요합니다. 금속층과 서멧층을 통합한 개선된 본드 코팅은 플라즈마 분사 열 차단 코팅(TBC)의 열 피로 수명을 2배 이상 증가시키는 것으로 입증되었습니다. 이러한 TBC는 가스 터빈 및 디젤 엔진의 구성 요소에 적용될 수 있습니다.

일반적인 TBC는 0.005~0.008인치(약 0.13~0.020mm) 두께의 단일 금속 본드 코팅층과 0.005~0.020인치(약 0.13~0.50mm) 두께의 단일 세라믹 탑코트층으로 코팅되어 있습니다. 본드 코팅 층은 일반적으로 MCrAlX입니다. 여기서 M은 Ni, Co 또는 Fe를 나타내고 X는 Y, Zr, Hf, Yb 또는 다른 반응성 원소를 나타냅니다. 세라믹 탑코트 층은 일반적으로 6~8 중량%의 이트리아로 부분적으로 안정화된 지르코니아입니다. 본드 코팅은 일반적으로 플라즈마 스프레이로 처리되는 반면, 탑 코트는 플라즈마 스프레이 또는 전자빔 물리적 기상 증착으로 처리될 수 있습니다. 플라즈마 스프레이 탑 코트를 사용하는 TBC의 경우, 본드 코트는 접착력을 향상시키기 위해 거친 표면으로 준비됩니다.

접착력을 향상시키기 위해 본드 코팅 거칠기가 필요함에도 불구하고 거칠기는 세라믹과 본드 코팅 사이의 경계면에서 발생하는 응력을 강화하는 경향이 있습니다. 최근 연구에 따르면 거친 본드 코팅의 피크 부근에서 높은 응력이 특히 중요하다는 것이 밝혀졌습니다(그림 1 참조). 자세한 조사를 통해 본드 코팅 피크의 열팽창을 세라믹 탑 코팅과 일치시킴으로써 응력을 최소화할 수 있음이 추가로 나타났습니다.

그림 2는 2층 본드 코팅을 사용하여 이러한 문제를 해결하는 TBC 설계를 보여줍니다. 결합 코팅의 첫 번째 층은 위의 기존 TBC에 대해 설명한 대로 일반적인 MCrAlX입니다. 결합 코팅의 두 번째 층은 MCrAlX 매트릭스에 미립자 두 번째 상의 미세한 분산액을 포함합니다. 두 번째 상은 이트리아 안정화 지르코니아 세라믹 층만큼 낮거나 바람직하게는 그보다 낮은 열팽창 계수를 가져야 하며, 의도된 사용 온도까지 안정해야 하고 MCrAlX 매트릭스에 대해 화학적으로 불활성이어야 하며, 열적으로 성장한 알루미나 스케일과 화학적으로 호환 가능해야 합니다. 후보 2상 재료에는 알루미나, 크로미아, 이트륨-알루미늄 가넷, 니켈-알루미늄 스피넬, 이트리아, 멀라이트 및 기타 산화물이 포함됩니다.

목표는 이트리아 안정화 지르코니아에 대한 두 번째 층 피크의 팽창 일치를 달성하는 것이므로 미립자 두 번째 상은 피크의 치수보다 작은 치수(일반적으로 5μm 미만)를 가져야 하며 MCrAlX 매트릭스에 잘 분산되어야 합니다. 미립자의 부피 분율은 피크 팽창과 세라믹 층의 팽창의 실질적인 일치를 달성할 수 있을 만큼 충분히 높아야 합니다. MCrAlX에 알루미나를 첨가하는 경우, 거의 0에 가까운 열팽창 불일치를 달성하려면 0.71의 알루미나 부피 비율이 필요합니다. 실제로 두 번째 층의 열팽창은 연성과 내산화성 같은 층의 다른 요구사항과 균형을 이루어야 합니다.

현재까지 코팅은 기계적 합금화로 생성된 시작 분말을 사용하여 플라즈마 분사되었습니다. 개발된 기계적 합금 공정은 서브미크론 알루미나 입자의 미세 분산이 최대 20부피%인 플라즈마 스프레이 시작 분말을 생산했습니다. 알루미나를 5%만 첨가한 본드 코팅을 사용하여 TBC의 경우 세라믹 층 수명이 두 배로 늘어났습니다. 기술적으로 중요하고 반복 가능한 이러한 수명 증가는 TBC를 더 높은 작동 온도로 끌어올리는 데 사용될 수 있습니다.