발간 현황

해외에서 내산화 코팅에 적용하고 있는 러시아 및 미국 내산화 코팅 분말을 입수하여 분말의 특성을 분석하고 내산화 조합분말을 개발하였다. 해외에서 사용하는 내산화 코팅분말로서, 러시아 VIAM에서 제작한 EV-300-60M 분말이 있으며 600∼900℃에서 모재의 부식을 방지하는 용도이다[3]. 또한 미국 Wessex Inc사에서 제작한 Emisshield 분말이 있고 NASA에서 개발되어 X-33, X-34 발사체에 적용되었으며 현재는 spin-off 되어 분말과 액체가 혼합된 Gel 상태로 판매되고 있다[4]. 본 연구에서는 이 분말들을 분석하였다. 분말 성분은 Inductively Coupled Plasma (ICP)와 Energy Dispersive Spectroscope (EDS)으로 분석하였고 미세조직은 Scanning Electron Microscope (SEM)으로 관찰하였다. Table 1은 이번 연구에서 수행한 성분분석 결과이며 Fig. 2는 미세조직을 관찰한 결과이다.

Fig. 2 
SEM images of powders: (a) EV-300-60M (b) Emisshield.

위 두 물질은 다량의 Si를 함유하고 있는 Frit Enamel이며 EV-300-60M은 약 10㎛의 조대한 입자가 대부분을 차지하고 일부 미세한 분말이 판상 형태를 이루고 있는 것으로 보아 Frit(유리질분말)상태인 것으로 판단된다. Emisshield는 판상의 1-5㎛ 크기의 입자가 주류를 이루고 있는 분말과 액체가 혼합되어 Slip(분말과 물의 혼합물) 제조 없이 바로 사용 가능한 상태로 보인다.

EV-300-60M 및 Emisshield 분말의 성분과 소성온도를 바탕으로 분말 조합 모델링과 코팅 품질분석을 통해 분말 조합 개발을 하였다. Fig.3은 Al₂O₃와 SiO₂의 비율에 따른 유약의 표면상태를 나타낸 것으로 점선안의 조성은 유광 유약을 형성한다. 내산화 코팅이 적용 되는 부위는 산화제가 통과하는 부위이다.

Fig. 3 
Modeling of Unity Molecular Formula[5].

무광보다 유광이 유체의 흐름성 측면에서 유리하며 본 연구에서는 Fig.3의 별표를 목표조성으로 아래와 같은 수식과 같이, 염기성 산화물 R₂O(Na₂O)와 RO(CaCO₃,, ZnO) 비율을 0.3:0.7, Al₂O₃와 SiO₂의 비율을 1:10으로 한 것을 기본 조성으로 분말 개발을 하였다. 알루미나 함량, 산화물 함량에 따라 여러 분말 조합을 구성하고, 코팅 품질(표면상태, 균일성)을 비교평가 하여 기본모델(AM-1으로 임의 명칭)을 선정하였고, AM-1의 성분을 미세 조정하여 개선 분말 조합을 개발하였다. 코팅의 경도를 증가시키기 위해 알루미나 함량을 증가시킨 분말 조합을 AM-2로 명칭 하였으며, 각각의 코팅특성을 분석하였다. Table 2는 AM-1, AM-2의 분말조합의 성분비이다.

본 연구에서 내산화 코팅은 크게 Slip 제조, 교반, 유약 도포, 건조, 소성 공정으로 수행하였다. Table 3은 내산화 코팅 공정이다. Slip 제조하기 위해 알루미나 용기에 알루미나 볼, 분말, 물을 넣고 교반기를 사용하여 100 r.p.m으로 72시간 교반 하였다. Fig. 4는 Slip을 제조하는 모습이며 Fig. 5는 Slip을 교반하는 모습이다. 코팅을 위한 금속 시편은 초음파 세정 및 Blasting 전처리을 하고 교반된 Slip을 금속표면에 도포하였다. 이후 120분 이상 대기 건조를 수행하였고 120℃에서 60분 오븐건조를 수행하였다. 마지막으로 유약이 건조된 시편을 가지고 소성을 하였다. Fig. 6은 유약도포 및 소성한 모습이다.

Fig. 4 
Process of slip preparation.

Fig. 5 
Stirring of slip.

Fig. 6 
Slip apply to specimen, firing.

소성 후 육안관찰을 통해 표면의 광택 정도와 코팅박리 유무를 확인하였다. 그리고 열에 대한 코팅 특성을 확인하기 위해 고온 조건에서 열충격 시험을 수행하였다. 금속 시편을 온도 1200℃인 로에 장입을 하고 10분 유지 후 금속시편을 로 밖으로 취출 하였다.

다단연소 사이클 엔진에서 터빈 출구부는 압력 120 bar 이상 온도 600 K 이상의 환경이다. 이 환경을 모사한 내산화 시험장치를 제작하였으며 산소 압력 120 bar의 환경은 모사하기 힘들므로 산소 압력 1 bar, 온도 700 K의 고온 환경에서 내산화 시험을 수행할 수 있는 시험장치를 제작하였다. Fig. 7은 내산화 시험 장치 모습이다. 장치는 온도를 올리는 히터와 산소 분위기를 적용할 수 있는 챔버, 산소압을 제어 할 수 있는 레귤레이터로 구성되어 있다. 본 연구에서는 소재 UNS S31603, 외경 Φ50 mm, 두께 2.5 mm, 5 mm, 10 mm 3종류의 시편에 EV-300-60M과 개발유약 AM-1, AM-2의 내산화 코팅한 시편을 온도 700 K 산소 압력 1 bar의 환경에서 30분 노출 후 질량 변화량을 측정하였다. 내산화 코팅층이 잘 형성되어 있지 않으면 산소가 금속 모재에 침투해서 모재를 산화시킬 수 있다. 산소가 금속 모재에 침투하는 시간은 단시간이나 본 시험에서는 확실한 성능평가를 위해 30분 노출후 질량 변화량을 측정하였다. 노출 질량 변화량은 아래 식과 같다. 본 연구의 질량 변화량의 목표 범위는 –0.3% ~ +0.5%이다.

Fig. 7 
Anti-oxidation test equipment.

시편 단위 내산화 코팅 공정과 동일한 방법으로 UNS S31603 재질의 65A SCH 80S 규격의 직선관과 곡선관에 개발 분말 AM-2를 코팅하고 육안관찰을 통해 표면상태와 코팅층 박리유무를 확인하였다.

개발 분말 AM-1, AM-2와 EV-300-60M, Emisshield 분말을 금속시편에 코팅하여 코팅특성을 확인하였다. Fig. 8은 코팅 후 모습이며 각각의 유약에 대해 소성온도는 Emisshield 800℃, EV-300-60M 1250℃, 개발 분말 AM-1과 AM-2는 1170℃이다. 육안 관찰 결과 개발 분말 AM-1, AM-2와 EV-300-60M 코팅시편 표면상태는 광택이 있었고 Emisshield는 소성 후 박리 되었다.

Fig. 8 
Coated Specimen : (a) Emisshield (b) EV-300-60M (c) AM-1 (d) AM-2.

Fig. 9는 EV-300-60M과 개발 분말 AM-1의 열충격 시험 후 결과이다. 그 결과 EV-300-60M의 시편에서는 표면에 부분 전체 박리가 일어났고, AM-1은 잔류응력에 의한 표면 미세 박리가 발생하였다. 이 결과를 통해 개발 분말의 열충격 특성이 EV-300-60M 보다 우수하다고 판단되며 이후 표면 분석 및 내산화 시험을 통해 내산화 코팅 특성을 확인하였다.

Fig. 9 
Coated Specimen after thermal shock (a) EV-300-60M (b) AM-1.

EV-300-60M과 개발 분말 AM-1, AM-2 표면분석을 하였으며 광학 현미경으로 관찰하였다. Fig. 10은 그 결과이다. EV-300-60M과 AM-1의 표면에서는 일부 결정이 있으나 전반적으로 유광인 표면이었으며, AM-2의 표면에서는 결정이 거의 없는 유광인 상태이었다. 내산화 코팅 시험 결과 개발 분말 AM-2가 실물형 연소기 적용하는데 적합하다고 판단된다.

Fig. 10 
Surface of coated Specimen : (a) EV-300-60M (b) AM-1 (c) AM-2.

Fig. 11은 내산화 시험 후 코팅시편 모습이며 Fig. 11과 Table 3은 내산화 시험 전 후 질량 변화량이다. 전반적으로 질량변화량이 거의 없으며 EV-300-60M, AM-2의 질량 감소는 양면 코팅을 하기 위한 시편 홈에서 코팅의 미세박리의 영향을 때문이고 AM-1의 질량증가는 AM-1 코팅 시편의 edge에 코팅 박리가 있고 코팅박리 부분에 산화가 된 것으로 판단된다. EV-300-60M과 개발 분말 AM-1, AM-2 모두 목표 질량 변화량을 만족하였으며 연소기 적용이 가능할 것으로 판단된다.

Fig. 11 
Coated specimen after anti-oxidization test (a) EV-300-60M (b) AM-1 (c) AM-2.

Fig. 12 
Result of anti-oxidization test.

Fig. 13는 내산화 코팅된 직선관과 곡선관 모습이며 직선과 곡선관 모두 박리 없이 코팅이 잘 되었다. 이 결과로부터 개발 분말 AM-2를 이용한 내산화 코팅은 실물형 엔진에 적용이 가능할 것으로. 판단되며, 향후 연소시험을 통해 개발 기술의 검증을 진행할 계획이다.

Fig. 13 
Coated specimen (straight pipe, elbow).