항공기와 선박의 추진체 및 발전기에 사용되고 있는 가스 터빈 엔진의 경우, 고온ㆍ고압의 부식 환경 하에서 사용할 수 있는 고내구성 재료 개발은 장치 수명과 안전성 보장과 직결되는 매우 중요한 이슈이다. 특히, 엔진의 터빈 블레이드 (turbine blade)와 같이 고온부에서 작동하는 설비는 극심한 고온 부식 환경과 매우 큰 회전 응력 상태에 노출되어 수 천 시간 동안 작동해야 하므로 우수한 기계적 특성과 표면 물성이 유지되어야 한다.
   가스 터빈 개발 초기에는 고온에서 사용될 수 있는 초합금의 개발로 연료 효율 향상을 꾀할 수 있었으나, 사용 온도 증가에 따른 재료 표면의 열화 문제를 피할 수 없게 되었다.
   1960년대 중반에 이르러 보호 피막의 중요성이 제기되면서 보호 피막이 항공용에 적용되기 시작하였고, 1970년대 초반부터는 지상용 및 해상용 엔진까지 확대 적용됨으로써 사용량이 증가하였다. 이에 따라 보호 코팅의 수명이 엔진의 유효 수명을 결정하게 되었고, 현행 가스 터빈엔진 제조업체는 개별사의 고유 기술을 활용하는 한편 내구성 제고를 위해 새로운 코팅 기술 개발을 모색하고 있다.

   고온 재료의 고온 부식 과정은 분위기 가스의 종류에 따라 여러 가지 형태로 구별된다. 우선 공기 중이거나 산소만이 존재할 때는 주로 산화에 의해 열화가 이루어진다. 그러나 분위기 내에 약간의 황이나 탄소가 존재하면 황화현상(sulfidation)이나 탄화현상(carburization)이 발생한다.
   이러한 현상뿐만 아니라, 각종 열교환기 내에서는 용융염 부식 현상이 일어날 수 있는데, 용융염 부식은 1000℃이하에서 염이 합금의 표면에 부착됨으로써 부식 속도가 현저히 빨라지는 현상을 말한다. 특히, 내부 온도가 650 ~ 750℃범위에 있고, 분위기 환경 중에 SO3가 함유되었을 때는 부식속도가 급격히 증가하게 된다.

   내열합금이 고온에서 산화될 때, 산화에 의해 다음과 같은 현상이 일어날 수 있다.
   1) 피막형성 : 금속이 산화물로 변하는 현상
   2) 내부산화 : 금속 내부에 산화 석출물을 형성함으로써 피로나 응력이 집중되는 현상
   3) 피막박리 : 성장응력이나 열충격 응력에 의해서 피막이 박리되는 현상
   4) 산화물의 증발 : Cr2O3 등의 산화물이 고온에서 CrO3(g)로 증발되고 이로 인하여 Cr의 고갈이 발생하는 현상

   위의 현상 중 고온 산화성 피막 형성에 대해 설명하면 다음과 같다. 고온에서는 금속소재의 표면에 보호 산화 피막을 형성시킴으로써 고온산화에 대해 방식 역할을 한다. 이 피막은 가스 분위기와 모재를 공간적으로 분리시킴으로써 모재 보호 기능을 한다. 보호 피막은 양이온(M2+)의 외부 확산이나 음이온(O2-)의 내부 확산에 의해 형성되는데, 모재 보호 역할을 하기 위해서는 성장속도가 느린 피막을 형성시켜야 한다.
   금속은 고온산화 분위기에 노출되었을 때 산소의 흡착, 산화물 핵 생성, 산화물의 지속적 성장 등의 과정을 거치면서 산화물을 형성하게 된다.
   합금의 경우, 첨가된 합금 원소의 종류와 양에 따라 고온산화반응은 내부 산화와 외부산화의 두 가지 형태로 나타나는데, 고온에서 사용되는 합금은 치밀한 보호 산화 피막을 형성하여 외부의 분위기와모재 금속을 격리시킴으로써 내부로의 산화 진행을 억제하여 내고온 산화 특성을 향상시키게 된다.

   내부 산화는 산소가 합금의 모재 금속 내부로 확산ㆍ침투함으로써 모재 금속의 표층 하부에 금속 산화물을 석출시키는 반응이다. 내부 산화에 의해 형성된 산화물은 산화 속도가 빠르고 모재 금속의 취성을 유발하므로 매우 유해 한 현상이다.
   따라서, 선택 산화를 이용한 외부 산화 메커니즘으로써 치밀하고 안정한 산화물을 표면에 연속적으로 생성시켜 부식을 유발하는 원소의 내부 확산과 모재 금속 이온의 외부 산화를 억제하고 고온에서 모재 금속의 열화를 감속시켜야 한다.

   확산 코팅
  고온 내식용 코팅 중 Cr, Al, Si의 확산법으로 현재 공업적으로 가장 많이 이용되고 있는 방법은 확산 코팅(pack cementation)이다. 이는 고온 상태에 있는 코팅 금속 halide와 소지 기판 표면의 화학적 반응, 혹은 그 분위기 중에서 환원가스 H2와의 환원 반응에 의해 활성 금속(Al, Cr, Si)을 석출시키는 동시에 기판 내부로 침투, 확산 시키는 공정이다.

   진공 증착법
  진공 용기 중에서 금속을 기화시켜 증기를 기판 표면에 응축시키는 진공 증착법(EB-PVD)은 100um/min 이상의 높은 증착 속도와 낮은 오염도, 공정 제어의 용이성 및 높은 열효율의 장점이 있는 반면, 균일 부착성과 생산성이 낮고 장비가 고가인 단점이 있다. 진공 증착법은 고온 내식용 코팅보다는 단열 코팅 용도로 산업적으로 활발하게 적용되고 있다.

   용사법
  용사법은 고온의 열원인 플라즈마에 의해 금속 분말 및 와이어/로드의 내식용 합금(MCrAlY)을 용해하여 기판 표면에 분사시켜 코팅하는 방법으로, 장비가 간단하고 코팅 속도가 빠르며 형체가 복잡한 제품에도 쉽게 코팅할 수 있고, 코팅 조성도 수월하게 변화시킬 수 있는 방법이다.

   복합 코팅법
  복합 코팅법은 확산 코팅법, 증착법 및 용사법이 가지고 있는 단점을 보완하기 위해 두 가지 이상의 기술을 조합한 기술이다. 확산 코팅법은 견고한 확산층을 형성하지만 처리 금속이 주로 Al, Cr에 한정되어 있고, 고온에서 장시간 처리함으로 인해 모재의 기계적 성질이 열화되는 단점이 있다.

   나노 복합 도금법
  복합 도금은 전기 도금이나 무전해 도금 피막 중에 미립자를 분산시켜서 도금하는 것을 일컫는데, 이 기술은 1960년대에 개발되기 시작하였고 도금 피막의 내마모성, 내열성, 내식성, 윤활성 등을 향상시켜 새로운 공업재료의 용도로 주목받고 있다.
  최근 나노 분말 제조기술의 향상과 더불어, 도금층 내에 나노 크기의 세라믹ㆍ금속 입자를 분산ㆍ혼입시켰을 때 기존의 마이크로 크기의 분말을 도금층 내에 분산ㆍ혼입시킨 것보다 우수한 고온 내산화 특성이 보고됨에 따라 실용적인 기술 개발이 진행되고 있다.
   도금액 내에 나노 입자를 균일 분산시켜 모재에 도금을 시행하는 전기화학적 나노복합 도금 기술 (ENCC, electrodeposited nanocomposite coatings)은 단순한 전착 제조 공정을 활용하여 나노 분말이 갖는 고유 특성을 전착층 내에 반영함으로써 기존의 타 공정으로 제조된 코팅층의 물성의 동등 이상을 확보할 수 있는 경쟁력이 높은 기술로 평가된다.
  고온의 확산 과정이 필요하여 모재의 손상이 야기될 수 있는 확산 코팅법의 경우나, 코팅층의 splat boundary에 산화물 및 기공이 본질적으로 존재할 수밖에 없어서 후처리(열처리 혹은 laser cladding) 공정이 추가적으로 요구되는 HVOF 용사법과 비교해 볼 때, 나노 복합도금법은 상온에서 진행되어 모재의 손상을 최소화시킬 수 있으며 별도의 후처리가 필요없는 저비용 기술이다.
  나노 복합 도금법은 합금층의 결정립 미세화로써 선택적 산화 효과를 극대화시켜 적은 함량의 Cr 혼입으로도 높은 고온 내산화성을 확보하는 것이다.
  도금층 내부에 나노 입자를 혼입함으로써 얻어지는 나노 결정 금속은 결정립이 차지하는 상대 부피분율이 높아지는 것이 특징이다. 따라서 나노 결정립 다결정 금속에서의 금속 확산은 동일 조건의 마이크로 결정립 금속보다 수 십 배로 향상되게 된다.



  위 그림은 도금층 내부에 균일 분산된 금속 입자의 크기에 따른 고온 내산화물 층 형성 과정을 도식화한 것으로써, Ni 도금층 내부에 동일한 wt % Al이 혼입되었을 때 혼입된 Al 입자 크기가 나노 크기인 경우와 마이크로 크기인 경우를 비교한 것이다.
  나노 입자 크기가 분산된 경우 많은 핵 형성 자리가 유발되어(a-1), 핵간거리 짧아져 short-circuit grain boundary가 형성된다(a-2). 따라서 short-circuit grain boundary를 따라
  Al 입자의 확산이 손쉽게 일어날 수 있고 그 결과 Al 핵의 병합으로 연속적인 Al 산화물 층이 형성되며 (a-3), Al 산화물층의 성장은 지속되는 반면, Ni 산화물 층의 성장은 억제된다. 반면, 마이크로 크기의 Al 입자가 혼입되면 위의 과정이 속도론적으로 느리게 진행됨으로써 연속적인 Al 산화물 층이 형성되기 전에 Ni 산화물층의 성장이 크게 이루어져 고온 내산화성이 열위해진다.

  현재 나노 복합 도금법을 이용한 고온 내산화 코팅 기술은 중국의 Chinese Academy of Science 산하의 Instituteof Metal Research(IMR)에서 강점을 가지고 연구하고 있으며, 최근 나노 복합 도금기술의 상용화를 위해 인근 도금업체와 긴밀한 협력 관계 하에서 연구를 추진하고 있는 것으로 알려졌다.

  고온ㆍ고압의 부식 환경 하에서 사용할 수 있는 고내구성 재료 개발은 장치 수명과 안전성 보장과 직결되는 매우 중요한 이슈로써 관련 산업계의 지속적인 연구 개발이 요구되는 분야이다.
  본 기술의 성공적인 산업적 적용을 위해서는 도금액 내 나노 입자의 분산 제어, 전착 과정 중 나노 입자의 매트릭스 내 혼입 속도 제어, 코팅층 조성 제어기술 등에 대한 연구가 지속적으로 수행되어야 한다. 나노 복합 도금 기술을 활용한 고온 산화용 코팅 기술은 현재 실험실적으로 시도되고 있는 신개념 공정으로써, 향후 본 공정의 국산화를 통해 상기 산업 영역에서의 기술 선점뿐만 아니라, 현행 코팅 공정이 안고 있는 원자재 수입에 따른 고비용 제조 원가 문제를 탈피할 수 있어 유망한 기술로 각광받을 것으로 기대된다. 또한, 발전소 등과 같은 고온 산화 환경에 실적용하기 위해서는 코팅공정, 코팅 물질 구조 및 부식 거동간 상관 관계에 대해 심도있는 연구가 필요하다.