고온산화 및 고온부식 환경에서 사용되는 재료와 부품의 내구성 및 신뢰성은 수명에 절대적인 영향을 준다. 따라서 고온에서의 내열, 내산화, 내부식 등의 한계성을 극복하기 위해 새로운 고온재료의 개발과 함께 표면특성 향상을 위한 코팅기술이 지속적으로 발전되어 왔다.
선진국에서는 재료 표면에 우수한 내식, 내마모, 열차폐 및 내산화성에 견딜수 있는 특성을 갖는 코팅층을 형성시켜 표면에서의 산화, 열응력 및 내산화성 등의 문제점들을 체계적으로 평가하여 최적의 표면층 특성을 갖도록 하는 연구가 진행 중이다.
최근 주로 고온에서 사용되는 항공우주, 에너지 관련 기기 등에 가장 필요한 것은 고온 환경에서 내열성, 내산화성 등에 우수한 초내환경성의 내열재료가 개발되는 것이다.
이러한 초고온 내열재료들이 향후 예상되는 응용분야는 우주항공분야에서는 스페이스셔틀, 에너지 분야에서는 석탄가스, 화력발전, 핵융합 등으로 특히 가스터빈블레이드, 터빈베인과 그외 엔진부품, 핵융합로벽로재 등은 사용온도가 1000℃ ∼2000℃의 고온에 견디는 경량화된 구조재료가 기대되고 있으며 이들 재료에 대하여 우선적으로 해결해야할 과제는 고온에서의 코팅기술이다.
이와 같이 고온에서의 내구성 향상을 위해서는 이들 초고온재료에 대한 코팅기술이 무엇보다도 중요한 기술이다.
재료연구소는 극한환경에 견딜 수 있는 초고온 내열 및 복합재료의 개발과 함께 열차폐 및 내산화성 코팅기술에 대해서 연구개발하고 있다.
복합재료의 종류
복합재료는 성질이 다른 물질을 조합시켜서 각각의 성질을 최대한으로 만드는 것으로써 이종물질간의 반응을 가급적 적게 하는 것이 필요하다.
다음은 복합재료의 종류에 대해 알아보자.
① 섬유강화플라스틱(Fiber Reinforced Plastics, FRP)
FRP는 섬유로 강화된 플라스틱으로 여러 종류의 섬유와 열경화수지를 이용한 복합재료이다.
② 세라믹기 복합재료(Ceramic Matrix Composite, CMC)
고온, 고압 하에서 결합한 새로운 형식의 세라믹 성형체이다. 대단히 치밀하며 공기 중 1400℃까지 높은 강도와 우수한 파괴인성을 가진다. 열전도율이 작아서 엔진 재료의 단열재와 각종 내열재료로의 적용이 기대된다.
③ 금속기 복합재료(Metal Matrix Composite, MMC)
Ti 합금과 Al 합금, Mg합금을 기지로 하는 MMC는 고비강성, 우수한 내열성을 가진 기체, 축력부재, 착륙장치재료 등의 항공 우주용 구조 재료로 사용되고 있다.
④ 탄소섬유 강화 탄소기 복합재료(C/C Composite, C/C)
C/C Composite는 우수한 내열성과 고비강도를 가지는 재료로 스페이스셔틀의 내열타일과 항공기용 브레이크에 사용되고 있다. C/C Composite는 400℃ ∼500℃의 고온산화분위기에서 산화되고 또 2차원 C/C Composite의 경우에는 층간전단강도가 인장강도와 굴곡강도에 비해 낮은 결점이 있다.
이 때문에 C/C Composite에 대한 내산화코팅에 관한 연구가 진행되고 있다.
⑤ 질화규소계 초내열재료
질화규소계 초내열재료는 분해온도가 약 1800℃로 높고 고경도, 저열팽창계수 등을 가지고 있는 것이 장점으로서 우주항공부품에 사용되고 있다.
수증기를 포함한 고온 고압고속의 가스기류 중(GT연소가스환경)에서는 질화규소세라믹스가 산화되는 현상이 확인되어 실용기술에서는 수증기를 포함한 연소가스 환경에서 질화규소를 보호하는 코팅기술에 대한 연구도 행해지고 있다.
코팅의 종류 및 특성
고온에 적용하기 위한 코팅기술은 내열온도의 향상과 내산화성 향상을 도모하며 다른 부품의 장수명화, 열효율의 향상 등을 주목적으로 관련 연구가 진행되고 있다.
연구개발이 진행되고 있는 기술로는 열차폐 코팅기술(Thermal Barrier Coating, TBC)과 내산화성 코팅기술(Environment Barrier Coating, EBC) 등이 있다.
① EQ 코팅(열역학평형코팅)
금속계 코팅(혹은 본드코팅)의 문제 중 코팅층과 모재 Ni 초합금의 상호확산에 의한 부분 노화가 있다. 이러한 코팅기술에 관한 문제를 해결하기 위해 EQ 코팅이라는 기술이 제안되고 있다.
② 확산피복재
확산침투라는 금속의 표면에 Al, Cr, Si, Zn등을 침투확산시켜 금속의 표면층을 확산시킨 원소에 합금층을 변성시키는 방법이다.
③내산화코팅기술(Environment Barrier Coatimg : EBC)
C/C Composite의 가장 큰 단점은 고온산화분위기에서 산화한다는 것이다. 이 때문에 일반적으로 C/C Composite 표면에는 CVD 장치에 의해 SiC 등의 내산화 코팅이 행해진다. 그러나 코팅에 사용된 SiC 등은 기재의 C/C Composite와 열팽창계수가 다르기 때문에 냉각 시에 발생하는 열응력에 의해 균열이 발생되어 산화방지의 역할을 못한다. 이에 최근 각 코팅층에 적절한 선팽창계수를 가지는 것과 같이 다층코팅에 의해 열응력을 완화시켜 균열을 방지하는 연구가 행해지고 있다.
특히 내산화성을 부여하는 기술 중에서 가장 많은 연구되는 것은 CVD법 등에 의해서 C/C표면에 SiC 등의 내산화 코팅을 실시하는 방법이다. 이 외에도 탄소 모재와의 화학반응에 의해 생성한 탄화규소를 피복하는 방법, gel화에 의해 산화물 피막을 생성하는 방법, 금속실리콘과 유기실리콘을 탄소재료에 함침하는 방법 등이 연구되고 있다.
최근 재료개발에 대한 연구는 초고온재료의 개발과 함께 벌크에서 표면코팅으로 전환하는 것이 세계적인 추세이다.
특히 차세대차열, 내환경 코팅분야의 연구는 매우 급속도로 발전을 이루고 있는 상태이며 이러한 기술은 우주·항공, 에너지 및 원자력산업관련과 밀접하게 관련되어 있기 때문에 선진국의 경우 국가적인 차원에서 진행해 자국내에서의 사용에 많은 제한이 따르고 있는 실정이다.
현재 선진국 등에서는 향후 고온환경에서의 사용이 기본 기술로 되어있는 TBC(Thermal Barrier Coating)와 EBC(Environmental Barrier Coating)개발에 대해 많은 투자를 하고 있으며 이러한 개발에는 프로세스, 평가, 해석 및 설계 등에서부터 종합적인 접근이 필요하므로 전 세계적으로 많은 연구가 진행되고 있는 실정이다.
국내의 열차폐코팅(TBC)기술 및 EBC기술은 일부 자체 기술확보를 위하여 노력하고 있으나 현재 시작 단계이며 국내에서의 지원은 부족한 상태이다.
향후 국내에서도 이와 같은 차세대 TBC와 EBC개발 프로세스를 실용화하기 위해서는 산학연을 연계한 국가 프로젝트로 체계적이고 적극적인 지원이 요구된다.
