Special 고기능성 코팅소재 개발 및 공정기술 동향(2)

항공 가스터빈 엔진용 저열전도 EB-PVD 열차폐코팅 기술

이성훈_재료연구소 책임연구원
변응선_재료연구소 책임연구원
유연우_재료연구소 연구원

1. 서론

제트 엔진을 장착한 비행기를 타고 여행을 즐기는 우리에게 비행기는 더 이상 특별한 운송수단이 아니다. 오늘날 대륙을 오고가는 편리한 장거리 여행을 가능하게 한 것은 제트 엔진 기술 덕분이라 할 수 있겠다.
  1940년 최초로 제트 엔진의 가능성이 실험실에서 구현되었을 당시만 해도 많은 사람들은 단지 실험으로 그칠 것이라 생각하였다. 제트 엔진이란 엔진 내부에서 연소시킨 고온의 가스를 분출할 분출함으로써 뉴턴의 세 번째 운동 법칙인 작용-반작용 원리에 의해 추력을 얻는 기관이다. 제트 엔진은 넓은 의미로써 터보제트, 터보팬, 스크램제트, 등을 포함하며 좁은 의미로는 가스터빈 엔진, 즉 터보젯만을 의미한다. 제트 엔진은 가스터빈과 동일한 의미로도 쓰이는데 이는 제트 엔진 대부분이 가스터빈 엔진으로 만들어지기 때문이다.
  사실 제트 엔진의 구현을 위해서는 금속으로 만들어진 엔진의 일부 부품들은 금속이 견딜 수 없는 고온에서 수백시간 이상의 긴 시간동안 그 역할을 하여야 하였기에 그 당시에는 실용화하기는 불가능에 가까운 일이었을 것이다. 그러나 1950년대 한국전쟁 당시 개발된 제트 엔진을 장착한 전투기의 시험 운용은 성공적 이었고, 1980년대 말에 와서는 상업용 항공시장이 군사용 시장을 추월하기에 이르렀다. 이처럼 제트 엔진을 장착한 여객기가 상업용으로 활용되기에 충분한 효율성을 보일 수 있었던 주요 요인이야기 하자면 소재 개발의 중요성을 빼 놓을 수 없다. 아니 소재 연구에 종사하는 사람으로서 소재가 가장 중요한 요소이었다고 주장하고 싶다.
  자동차에서 연비가 중요한 성능 지표이듯이 항공기에서 엔진의 효율은 상당히 중요한 요소이다. 항공기 제트 엔진의 효율은 연소실 후단에서의 온도, 즉 터빈 입구온도(turbine inlet temperature, TIT)에 의해 큰 영향을 받게 되는 데, 터빈 입구 온도 상승 가부는 소재의 내열 한계와 직결된다. 최초의 제트 엔진이 개발된 1940년 이후, 엔진 핵심 소재인 내열 합금의 제조기술은 꾸준히 발전해 왔다. 합금 내부의 미세조직 제어 기술개발을 통한 소재의 내열한계 상승과 함께 엔진의 운전 온도도 800℃에서 1100℃수준으로 상승하게 되었다(그림 1). 60여년에 걸친 내열합금 연구를 통해 소재 사용한계를 200~300℃ 상승시킨 것은 대단한 성과이지만 세라믹 열차폐코팅의 출현으로 단숨에 100℃의 터빈 입구온도 상승시킨 것은 가히 혁신적이었다. 오늘날 초고온 환경에서 소재부품의 열적 내구성 향상을 위한 소재기술로서 열차폐코팅의 적용은 필수적이라 할 수 있다. 이러한 이유로 보다 우수한 열차폐 성능을 가지면서 신뢰성 높은 열차폐코팅을 구현하기 위한 연구의 중요성은 점차 커지고 있다.
  그림 2에서 보였듯이 열차폐코팅은 실제적인 열차단 기능을 구현하는 세라믹 탑코트, 기지 금속을 산화로부터 보호하는 금속 본드코트, 그리고 고온환경 노출시 자연 생성되는 열산화층(thermally grown oxide, TGO)으로 구성되는 복합적 구조를 가진다. 세라믹 탑코트 부분에서는 세라믹의 낮은 열전도 특성으로 인해 외부로부터 전달되는 열을 차단하여 급격한 열 구배를 이루게 되어 하부의 내열 금속 기지로 전달되는 열을 감소시킨다. 내열 금속 기지와 세라믹 탑코트 사이에 삽입되는 금속 본드코트는 내열 금속과 단열 세라믹 층의 밀착성을 높여 주며 동시에 고온 산화 분위기로부터 내열 금속의 열화를 방지해 주는 기능을 갖는다. 열차폐코팅이 적용된 부품이 고온 작동환경에 노출되면 세라믹 탑코트와 금속 본드코트 경계에서 열산화층(thermally grown oxide, TGO)이 형성되는 데, 이 산화물중에서 치밀한 알루미나(α-Al2O3)는 외부 환경으로부터 공급되는 산소의 침입을 막아주는 역할(diffusion barrier)을 하여 고온에서 금속 본드코트의 산화 진행을 지연시키면서 동시에 세라믹 탑코트와의 접합을 향상 시킨다.
  이 글에서는 항공용 가스터빈 고온부품위 열화를 방지하기 위해 적용하는 세라믹 열차폐코팅을 전자빔 증발 물리기상증착법(Electron beam physical vapor deposition, EB-PVD)에 의해 제조함에 있어서 코팅 성능 향상을 위한 기술 개발 현황에 대해 설명하고자 한다.

그림 2. 항공엔진 고온부품의 열차폐코팅 모식

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<본 사이트에는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2019년 12월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF를 다운로드 하실 수 있습니다.>