1. 서 론
열차폐코팅(Thermal Barrier Coating: TBC)은 가스터빈 엔진 고온부품의 표면에 적용되어 고온의 연소가스에 직접 노출되는 것을 막아주는 역할을 한다. 특히, 열차폐코팅은 일반적으로 세라믹 소재를 동반하고 YSZ 세라믹 소재의 경우 상(phase) 안정 상한 온도가 약 1,300℃로 고온 부품의 주요 구성품인 니켈기 초내열합금 대비 약 300℃이상 높아[1,2] 가스터빈 엔진의 성능과 수명을 향상시키는데 필수적인 기술로 여겨지고 있다. 열차폐코팅은 적용대상의 사용환경과 목적에 따라 적용소재와 제작방식이 다양하지만, 일반적으로 탑코팅 소재의 경우 7-8 wt% YSZ를, 본드코팅의 경우 MCrAlY(M=Ni, Co 등 금속원소) 혹은 도금 및 확산을 이용한 Pt, Al 등의 소재가 널리 사용되고 있다. 또한 제작 방식의 경우 파우더 형태의 코팅소재를 열적으로 용융시켜 기판에 분사하는 Thermal Spraying(TS) 방식과 잉곳을 전자빔으로 용융하여 기판에 증착하는 EB-PVD 방식이 대표적이다.
TS방식의 경우 용융된 파우더 입자(액적)가 기판에 충돌하여 굳는 방식으로, 해당 액적들 간 공기층으로 인한 불연속점과 빠른 응고로 인해 기판과 수평한 방향성을 가지는 미세구조가 형성된다(Fig. 1a 참조). 위와 같이 TS 방법으로 제작된 코팅의 미세구조는 코팅의 표면으로부터 기판까지 열이 전달되는 방향에 수직하기 때문에 열전도율이 1 W/mK[3] 수준으로 매우 낮은 장점이 있다. 반면, 열팽창 방향과 평행한 구조로 급격한 온도변화에 대한 열변형 저항성(strain tolerance)이 취약하다. 한편, EB-PVD 방식의 경우 잉곳 형태의 코팅 소재를 전자 빔으로 용융하여 증기상을 형성하고, 분자 및 원자단위 증기입자가 상대적으로 차가운(1,000℃ 내외) 기판 표면에 결정화를 이루며 증기 농도차, 그림자 효과 등에 의해 방향성을 가지고 성장하기 때문에 주상의 형태의 미세구조를 형성하게 된다(Fig. 1b 참조). TS 코팅과 다르게 EB-PVD 코팅의 주상 미세구조는 열이 전달되는 방향과 평행하여 열전도율이 2 W/mK[3] 수준으로 다소 높다는 단점이 있다. 하지만, 열팽창 방향과는 수직하여 열변형에 대한 저항성이 우수하고 분자 단위의 결합으로 기판과의 접합성이 우수하다는 장점이 있다. 위와 같은 특성으로 인해 EB-PVD 코팅은 항공용 가스터빈 엔진에서 필수기술로 여겨지고 있는데, 산업용 가스터빈 대비 잦은 기동과 정지(기체의 이착륙 및 임무수행으로 인한 열 충격), 터빈의 빠른 회전속도(산업용: 3,600 RPM, 항공용: 20,000 RPM이상) 환경에서 코팅의 수명을 확보하는데 유리하기 때문이다.
EB-PVD관련 연구는 과거 국내 연구기관에서 일부 수행하긴 했으나, 적용 체계의 불확실성과 높은 연구비용으로 지속적인 연구가 이루어지는데 어려움이 있었다. 그러나 현재 5,500 lbf, 10,000 lbf 엔진, 프로펠러 추진엔진, 나아가 첨단엔진에 이르기까지 항공용 엔진 국산화에 대한 관심과 지원이 증가함에 따라 국내 EB-PVD 관련연구가 주목받고 있다. 나아가 EB-PVD 관련 기술은 수출제한 항목으로 선진사에서 기술유출을 꺼려 국내에서 독자적으로 확보해야하므로 그 개발 성패에 대한 중요성이 더욱 부각되고 있는 상황이다.
본 연구에서는 국내 보유한 EB-PVD 코팅 장비를 이용하여 건전한 주상구조를 형성하는 YSZ 탑코팅을 제작하기 위해 다양한 공정변수가 미세구조 형성에 미치는 영향성을 분석하였다. 전자빔의 출력, 기판의 회전속도, 기울임 각도 등 EB-PVD 코팅공정의 주요 변수에 따른 미세구조 특성을 제시하였으며, 최종적으로 블레이드 형상에 대해 코팅을 수행하고 그 결과를 고찰하였다.
2. EB-PVD 공정변수
EB-PVD 주상구조 형성에 영향을 미치는 주 변수는 증기상 온도와 입자 밀도, 기판 온도, 공정 압력 등으로 여겨지고 있다. 그러나 위 변수들은 코팅 시스템·장치의 개념에 의해 모든 변수가 독립적인 관계에 있는 것은 아니기 때문에 EB-PVD 코팅구조 형성에 대한 기초원리를 파악하고 공정변수 신중히 조절해야 한다.
Fig. 2는 EB-PVD 공정 특성으로 인해 발생하는 기판 표면의 시간에 따른 상대적 위상과 이에 따른 주상구조 성장을 나타내는 개념도이다. Fig. 2(a)에 나타낸 바와 같이 전자빔을 이용해 증발원의 증기구름을 형성하면, 균일한 코팅층과 주상구조를 획득하기 위해 기판을 회전한다. 이때, 1축 회전을 가정하는 경우 기판 표면은 1에서 5의 과정(1-3-5)으로 회전하며 위상차이가 발생하게 되고 증기의 입사 밀도와 각도 등이 일정한 주기에 따라 반복 된다. 이를 증발원의 상대위치 변화(기판 고정)로 표현하면 Fig. 2(b)와 같다. 다시 말해 기판 대상의 표면은 증발원으로부터 YSZ증기의 입사각이 인 일출(sun rise)부터 인 정오(noon)을 지나 인 일몰(sun set)의 과정을 반복적으로 겪게 된다. 해당 위상구간에서 기판 표면은 2,100℃ 이상의 잉곳 복사열과 전자빔의 복사열에 의해 가열되며, 주상구조의 성장이 가장 활발하게 진행된다. 한편, 5-6-1의 과정에서는 잉곳과 코팅 표면이 서로 반대의 위상으로 주상구조의 성장이 더디게 나타난다. 기판의 회전속도가 미세구조를 형성하는데 미치는 영향은 다음과 같다. 기판의 회전속도가 증가하는 경우 증기입사에 대한 기판표면(코팅면)의 상대속도가 증가하기 때문에 기판 표면에 대한 수직벡터와 증기의 입사벡터가 이루는 상대 각도는 Fig. 2(c) 반시계 방향 화살표와 같이 증가한다. 이는 그림자 효과(shadowing effect)를 야기시켜 주상들 간 성장과 경쟁 거동에 영향을 미치게 된다. 뿐만 아니라 높은 기판의 회전속도는 1-3-5-6-1의 반복 주기를 짧게 하여 코팅표면의 가열과 냉각, 주상구조의 성장과 멈춤을 결정하므로 미세구조 형성에 큰 변수로 작용할 것으로 예상할 수 있다. 이 외에도 전자빔 출력은 잉곳의 증발속도를 변화시켜 증기의 밀도를 변화하게 되고, 증기의 밀도는 주상구조의 성장 속도에 영향을 미친다. 뿐만 아니라 전자빔 출력에 따라 복사열(공정온도)도 함께 변하므로 주상구조에 영향을 미칠 수 있다.
Fig. 3은 EB-PVD 코팅장비에서 일반적으로 관리하고 있는 공정변수들을 모식도로 나타낸 것이며 Fig. 3(a), (b)는 각각 정면도와 측면도를 보여준다. 주 공정변수로는 기판의 온도, 전자빔의 출력, 공정 압력이 있으며 서로 영향을 미치기 때문에 공정개발 시 관리가 필요하다. 또한 본 연구에 사용된 기울임 운동과 회전운동의 자유도를 나타냈으며, 공정가스 투입방식을 나타냈다. 본 연구에서는 전자빔의 출력과 기판의 운동을 주요 변수로 선정하여 공정변수와 코팅의 미세구조 간 상관관계를 연구하였다.
3. 공정변수와 코팅 미세구조
3.1 표면조도
기판의 표면 상태는 이종 재료의 계면에서 코팅물질의 고착 거동에 직접적인 영향을 미치므로 코팅의 접합력 및 내구성능에 큰 영향을 미치는 요소로 예상된다. Fig. 4는 본 연구에서 사용된 코인형 시편의 홀더모습(Fig. 4a; 후면 니켈 플레이트 용접)과 시험편 전처리에 따른 표면 상태(Fig. 4b, c)를 보여준다. Fig. 4(b)의 경우 알루미나 블라스팅을 적용하여 표면조도를 약 Ra 4 ㎛로 형성한 경우로 표면의 조도는 균일하지만 다소 거칠어 무광택을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 한편, Fig. 4(c)의 경우 연마를 통해 표면조도를 약 Ra 0.3 ㎛로 형성하여 공구가 비칠 정도로 매끈한 표면을 확인할 수 있다. 두 시험편에 코팅을 적용한 결과를 Fig. 5에 나타냈다.
표면이 거친 시험편의 경우(Fig. 5a) 주상구조의 뿌리에서 부터 머리 방향으로 점차 두꺼워지는 원뿔 형태의 조직이 형성 된 반면, 매끈한 시험편의 경우(Fig. 5c) 길이 방향으로 두께가 균일한 주상구조가 형성된 것을 확인할 수 있다. 이러한 특징은 Fig. 5(b)의 코팅 표면에서도 확연히 나타나는데 원뿔 형태로 성장한 주상구조로 인해 기존 기판의 표면상태보다 코팅 표면에서 요철이 더욱 두드러지게 나타나는 것으로 확인된다. 한편, Fig. 5(d)의 경우 상대적으로 균일한 표면을 확인할 수 있다. 이는 높은 마루의 위치에서 성장하는 주상구조는 낮은 골의 위치보다 상대적으로 YSZ 입자와 충돌 가능성이 높아 성장속도가 빠르며, 기존 선점한 높은 위치(마루)로 인해 인접한 주상구조와의 성장 경쟁에서 우위를 차지하여 폭 방향(원뿔 형태)으로도 성장이 가능하기 때문이다. 한편, 불균일한 주상구조는 열응력의 집중을 발생시킬 수 있으므로, 기판의 표면이 매끄러울 수록 우수한 내구성능을 나타내는데 유리할 것으로 판단된다. 본 연구에서는 이를 바탕으로 표면 거칠기를 Ra 0.3 ㎛이하로 관리하여 공정연구를 수행하였다.
3.2 전자빔 출력
전자빔의 출력이 EB-PVD 코팅의 미세구조 형성에 미치는 영향을 파악하기 위해 Fig. 6과 같이 공정 시간에 따라 전자빔의 출력을 변화하는 시험을 수행하였다. 공정시간 37분까지 10 kW의 낮은 출력으로 공정 분위기를 형성하였으며, A구간에서 각 전자빔의 출력을 50 kW까지 점차 증가시켜 약 5분 유지한 뒤 B 구간에서 40 kW로 유지하였다. 이때, 기판의 회전속도는 18°/s로 일정하게 유지하였다.
전자빔 출력을 변화시키며 형성한 EB-PVD 코팅의 박리된 미세구조를 Fig. 7에 나타냈다. 전자빔 출력이 낮은 A구간 전반부에서는 충분한 공정조건이 형성되지 못하여 코팅 층이 유실되었고, 공정 이력에 따라 B구간은 마지막 공정인 40 kW 구간, A구간은 이전 공정인 50kW 구간으로 유추할 수 있다. 전체적인 코팅층에서 물결무늬가 관찰되는데 이는 Fig. 2에서 묘사한 EB-PVD 공정의 일출, 일몰 특성으로 인해 각 위상에서 주상구조의 성장속도에 차이가 발생하기 때문이다. 에너지와 증기상의 입자가 풍부한 1-3-5 위상에서는 주상구조의 성장이 빠르며 직진성을 나타내고, 이와 반대의 위상에서는 성장이 더디기 때문에 위와 같이 물결무늬가 반복되는 구조를 나타낸다. 한편, A 구간에 비해 B 구간에서 물결무늬의 파장이 짧은 것을 확인할 수 있는데, 이는 전자빔의 출력이 50 kW에서 40 kW로 낮아져 전체적인 주상구조의 성장속도가 낮아졌기 때문에 발생하는 현상으로 추정할 수 있다. 각 구간에서 3개 주기의 파장을 비교하면 A 구간과, B 구간 각각 13.8 ㎛와 6.4 ㎛로 출력 감소율(20%) 대비 증착률의 감소율(50%)이 더욱 크게 나타났다. 이는 전자빔 출력 감소에 의한 기판 온도감소, 전자빔의 잉곳 에너지 전달효율 변화, 융융 풀(pool) 낮아짐에 의한 도가니로의 열손실율 증가 등 다양한 변수가 존재하여 보다 명확한 현상 분석을 위해선 추가적인 시험이 필요한 것으로 판단된다. 이외에 Fig. 7의 박리된 탑코팅층 최하단부인 파단면에서 유의미한 현상을 관찰할 수 있는데, 어두운 영역을 따라 코팅이 박리된 것을 확인할 수 있다. 이는 주상구조의 극명한 성장속도 차이로 인한 불연속 구조는 코팅 구조상의 취약지점으로 작용한다는 것을 의미한다. 따라서 일출, 일몰 현상을 완화하여 연속적인 주상구조를 형성하는 것이 코팅의 우수한 구조특성을 확보하는 데에 유리할 것으로 예측할 수 있다.
3.3 기판 회전
본 연구에서 사용된 장비의 특성 상 일출과 일몰 현상을 보상하기 어렵기 때문에 해당 주기를 짧게 하여 보상하기 위해 기판의 회전속도를 증가시켰다. 기판 회전속를 60°/s부터 360°/s까지 변화시킴에 따라 획득한 탑코팅의 미세구조를 Fig. 8에 나타냈다. 공정에 사용된 출력은 두 전자빔 각각 36 kW 이며, 시험편 표면조도는 별도의 본드코팅 없이 Ra 0.1 ㎛ 이하로 형성하였다. 그 결과 기판의 회전 속도가 60°/s 이상의 경우, 18°/s 경우 대비 더욱 높은 배율임에도 모두 물결무늬가 발견되지 않았다. 그러나 60°/s의 경우도 기존과 마찬가지로 미세한 주상구조들이 묶음 상태로 또 다시 주상구조를 형성하여 코팅층의 밀도가 높아 미세조직적으로 큰 차를 나타내진 않았다. 한편, 180°/s 이상의 공정에서는 주상구조 간 구분이 보다 명확해졌으며, 직진성 또한 잘 나타나는 것을 확인할 수 있다. 그러나 주상구조의 지름은 점차 작아지는 것으로 나타나, 지나치게 빠른 회전 속도는 조직성장을 저해하는 요소임을 추정할 수 있다. 이를 바탕으로 EB-PVD 코터 운용 방법, 표면처리 방법(Ra 0.1 ㎛), 전자빔 출력(36 kW), 공정압력(), 기판 회전속도(300°/s), 기판 가열온도(950℃) 등 공정변수를 종합하여 도출한 코팅의 결과물을 Fig. 9에 나타냈다. 이때 획득한 코팅의 두께는 150 ㎛이며 깃털 형태의 주상구조가 성장한 것을 확인할 수 있다.
4. EB-PVD 실품모사 코팅
개발한 공정의 실현 가능성을 확인하기 위해 터빈 블레이드 유사 형상의 시험편을 적층제조(Additive Manifacturing: AM) 방법을 통해 제작하여 EB-PVD 코팅 시제품을 제작하였다. 코팅 공정 중 블레이드를 고정하고 비코팅 영역에 대한 마스킹을 위해 Fig. 10(a)와 같이 홀더를 제작하였으며, 플랫폼까지 코팅을 증착하기 위해 Fig. 3(a)의 개념도와 같이 매니퓰레이터를 30° 기울여 공정을 진행하였다. 이후, 에어포일 높이의 20, 50, 80%를 절단하여 외부 윤곽에 수직하도록 증착된 코팅의 길이를 측정하였다. 그 결과 20%에서 80%의 순서로 각 평균 156, 159, 162 ㎛ 증착되었으며, 블레이드 팁에 가까울수록 두껍게 증착되는 경향을 나타냈다. 이는 코팅 공정 중 블레이드 경사각을 30°로 유지하였기 때문에 블레이드 팁이 YSZ 잉곳과 가까워졌기 때문이다. 한편, 플랫폼의 코팅 두께는 평균 212 ㎛로 에어포일의 코팅 두께와 다소 차이가 발생했는데 이 또한 경사각에 의한 현상으로 플랫폼 면은 잉곳과 거리가 가장 멀지만 에어포일 높이 축과 수직하여 항상 잉곳을 마주하기 때문이다.
Fig. 10(b)~(d)는 블레이드 각 부위에 증착된 코팅의 미세구조를 보여준다. 에어포일의 경우 절단면과 주상구조의 성장방향이 평행하지 않아 대각 단면의 모습이 나타나기 때문에 흔히 관찰하던 주상구조의 형태가 바로 나타나지는 않지만, 플랫폼의 경우 깃털 형태의 주상구조를 직접 확인할 수 있다.
5. 결 론
본 연구에서는 국내 최초의 준 양산형 EB-PVD 코터를 개발하고 이를 활용하여 표면조도, 전자빔의 출력, 기판의 회전속도 등 다양한 공정변수가 YSZ 코팅 미세구조에 미치는 영향을 분석하였다. 그 결과 기판의 표면조도는 낮을수록, 기판의 회전속도는 빠를수록 주상구조의 직진성 형성에 유리한 것을 확인할 수 있었고 기울임 각은 성장각도에 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다. 이외에도 전자빔 출력 상승은 코팅의 증착속도를 증가시켰으며, 증착율과 미세구조 영향성을 파악하기 위해선 추가 연구가 필요할 것으로 결론지었다. 이를 바탕으로 개발한 공정(표면조도 Ra 0.1 ㎛, 기판 회전속도 300°/s, 전자빔 출력 36 kW)을 적용하여 코인형 시험편에 깃털 주상구조를 나타내는 EB-PVD 코팅을 획득하는데 성공하였다. 또한, 위 공정을 터빈 블레이드 모사품에 적용하여 본 연구 결과의 타당성을 확인하였다.
