열차폐 코팅의 뜻
고온 부품의 표면에 입히는, 열전도율이 낮은 세라믹스 피막. 지르코니아 톱 코트와 본드 코트로 이루어지며, 금속의 온도를 크게 낮춘다.
일본어 명칭: 遮熱コーティング
‘열차폐 코팅’ 관련 연습 문제는 1개 분야에 3문제가 있습니다(고온 재료와 크리프 등).
이 용어의 분야: 고온 재료와 크리프
열차폐 코팅 연습 문제에 도전
가스 터빈의 블레이드에 입히는 열차폐 코팅(TBC)의 구성에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?
- A열전도율이 낮은 YSZ 톱 코트 아래에 MCrAlY 등의 본드 코트를 두고, 그 계면의 얇은 Al₂O₃ 열성장 산화물(TGO)이 모재의 산화를 막는다
- B톱 코트에는 열전도율이 높은 치밀한 알루미나를 사용하여 블레이드의 열을 빠르게 밖으로 내보내 금속의 온도를 낮추고, 그 아래의 본드 코트로 모재와의 열팽창 차이를 흡수한다
- C톱 코트의 YSZ가 산소를 전혀 통과시키지 않으므로 본드 코트는 필요 없으며, YSZ를 모재에 직접 분사하기만 하면 모재의 산화와 열을 동시에 막을 수 있다
정답과 해설 보기
정답: A. 열전도율이 낮은 YSZ 톱 코트 아래에 MCrAlY 등의 본드 코트를 두고, 그 계면의 얇은 Al₂O₃ 열성장 산화물(TGO)이 모재의 산화를 막는다
TBC는 블레이드 내부를 냉각 공기로 식히면서 표면의 단열층으로 금속의 온도를 낮추는 피막입니다. 톱 코트의 YSZ(이트리아 부분 안정화 지르코니아)는 열전도율이 약 1~2 W/(m·K)로 낮고, 세라믹스로서는 열팽창 계수가 큰 재료입니다. 다공질의 용사 피막이나 주상의 증착막으로 만들어 모재와의 열팽창 차이에 의한 변형을 흡수합니다. YSZ는 산화물 이온을 잘 통과시키므로 산소를 막을 수 없으며, 본드 코트의 Al이 산화하여 얇은 Al₂O₃의 TGO가 생기고, 이것이 모재의 산화를 막습니다. TGO가 두꺼워지거나 열 사이클을 받으면 그 부근에서 톱 코트가 박리되는 것이 수명을 결정하는 주된 원인입니다. 열전도율이 높은 재료로는 단열의 역할을 할 수 없습니다.
열차폐 코팅의 톱 코트(두께 250 µm, 열전도율 1.2 W/(m·K))를 1.0 MW/m²의 열유속이 두께 방향으로 균일하게 통과하고 있다. 정상 상태의 1차원 열전도로 볼 때, 톱 코트의 앞면과 뒷면의 온도차에 가장 가까운 것은 무엇인가?
- A약 300 K
- B약 21 K
- C약 208 K
정답과 해설 보기
정답: C. 약 208 K
푸리에 법칙 q = kΔT/L로부터 ΔT = qL/k = (1.0×10⁶ × 250×10⁻⁶)/1.2 ≈ 208 K입니다. 두께 0.25 mm 정도의 막으로 약 200 K나 금속의 온도를 낮출 수 있는 것이 열차폐 코팅의 효과입니다. Ni기 초내열합금의 크리프 강도는 온도에 민감하므로, 이 온도차는 수명이나 허용되는 가스 온도를 크게 좌우합니다. 약 300 K는 열전도율로 나누는 대신 곱한 값이고, 약 21 K는 두께를 25 µm로 한 자릿수 작게 환산한 값입니다. 열전도율이 낮을수록, 또 막이 두꺼울수록 온도차는 커지지만, 막을 두껍게 하면 열응력으로 박리되기 쉬워지므로 두께에는 한계가 있습니다.
해설 속의 ‘열차폐 코팅’
TBC는 블레이드 내부를 냉각 공기로 식히면서 표면의 단열층으로 금속의 온도를 낮추는 피막입니다.
가스 터빈의 블레이드에 입히는 열차폐 코팅(TBC)의 구성에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?두께 0.25 mm 정도의 막으로 약 200 K나 금속의 온도를 낮출 수 있는 것이 열차폐 코팅의 효과입니다.
열차폐 코팅의 톱 코트(두께 250 µm, 열전도율 1.2 W/(m·K))를 1.0 MW/m²의 열유속이 …Al₂O₃는 성장이 더욱 느리고 고온까지 안정하므로, Ni기 초내열합금, 열차폐 코팅의 본드 코트, Fe-Cr-Al 전열선 등에서는 Al₂O₃를 만들게 합니다.
1000℃를 넘는 고온의 공기 중에서 사용하는 내열 합금의 보호 피막에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?
‘열차폐 코팅’ 관련 문제(3문제)
관련 용어
Ni기 초내열합금 선팽창 계수 크리프 열응력 라슨-밀러 파라미터 멱법칙 크리프 변형 기구 지도 산화의 포물선 법칙 필링-베드워스 비 확산 크리프