Special 고기능성 코팅소재 개발 및 공정기술 동향(2)

발전용 가스터빈 고온부품의 열차폐 코팅 기술

명상원_두산중공업 선임연구원
양병일_두산중공업 수석연구원
정연길_창원대학교 신소재공학부 교수

 1. 개요

1.1 발전용 가스터빈의 개요

발전용 가스터빈은 높은 배기가스 온도를 이용하여 복합화력 또는 열병합 발전 시스템을 구성할 수 있어 발전설비 중 가장 높은 에너지 효율 구현이 가능하며, 관련 산업은 발전설비의 핵심으로 고효율성, 경제성 및 친환경성으로 시장이 계속해서 성장하고 있어 블루오션(Blue ocean) 산업이다. 이러한 발전용 가스터빈은 1970년대부터 공급되기 시작하여 각 제작사별로 독자모델 개발 및 고효율화와 내구성 향상을 위해 기술개발을 수행하고 있으며, 독자적 기술이 접목된 새로운 모델의 지속적인 출시로 다양한 설비가 세계시장에 공급되고 있다1). 국내 발전용 가스터빈은 2018년 기준 147대(약 22,095MW)가 설치/운영되고 있으며, 가스터빈 부품 관련된 시장규모는 연간 2,800억 원 이상(정비비용이 연간 약 1,500억 원 이상, 고온부품 구매비용이 1,300억 원)으로, 높은 시장성에도 불구하고 가스터빈의 주요부품에 대한 수입의존도는 매우 크다2). 전 세계적으로 환경오염 억제를 위한 원자력 및 석탄기반의 화력발전을 지양하고 에너지 효율 및 이산화탄소 배출 측면에서도 가장 유리한 발전용 가스터빈 기반 발전량이 매년 증가되고 있는 것을 감안할 때 발전용 가스터빈에 대한 장기적인 체재 구축과 이를 뒷받침할 수 있는 기술개발이 필요하다고 하겠다. 이에 두산중공업은 발전설비 산업을 차세대 성장 동력 사업으로 성장시키기 위해 산업통상자원부와 한국에너지기술평가원의 지원을 받아 2013년부터 국책과제를 수행 중에 있으며, 개발 중인 발전용 가스터빈을 그림1에 나타내었다.

그림 1. 국산화 가스터빈 : DGT6-300H(두산중공업)

  가스터빈 엔진은 크게 압축기, 연소실 및 터빈으로 나누어지며, 발전용, 선박 및 항공기 등에 널리 이용되고 있다. 가스터빈은 압축기에서 압축된 공기가 연소실에서 연료와 연소반응을 거처 터빈부에서 팽창하면서 동력을 얻는 동력발생 장치로, 가스터빈 엔진의 성능은 터빈 입구온도 상승에 따라 향상되어 왔으며, 일반적으로 터빈 입구온도가 55℃ 상승하면 출력 10~12%, 효율 2~4% 정도 향상시키는 것으로 알려져 있다3). 가스터빈 엔진은 초기 냉각을 하지 않은 단계에서 내열재료의 고온강도 개선과 냉각기술의 발전 및 열차폐 코팅(Thermal Barrier Coating, TBC) 기술의 발달에 따라 진보되어 왔으며, 가스터빈 엔지의 연소온도 향상에 따른 기술개발 방향을 그림 2에 나타내었다.

1.2 열차폐 코팅의 개요
열차폐 코팅은 고온의 연소가스로부터 전달되는 열을 차단하기 위해 열전도도가 낮은 재료를 연소기나 터빈 등의 각종 부품의 표면에 증착시킨 것이다. 고온부품에 대한 열차폐 코팅의 적용은 표면온도를 증가시키지 않으면서도 가스터빈의 운전 온도를 증가시킬 수 있어 효율 향상을 가져왔으며, 가스터빈 운전에 따른 급격한 열구배(Thermal gradient)로부터 고온부품을 보호하고 국부적인 열구배를 완화시키는 부가적인 역할도 수행한다. 따라서 열차폐 코팅을 적용하는 궁극적인 목적은 가스터빈 고온부품의 표면온도를 낮추어 제품(고온부품)의 신뢰성을 확보하는 것과 수명을 향상시키는 것이라고 할 수 있다.
  열차폐 코팅 시스템은 초내열합금인 모재금속과 모재의 산화방지와 열팽창계수 차이에 따른 열응력 완화의 목적으로 행해지는 금속계 본드 코팅 (Metallic bond coating), 그리고 저 열전도성 소재를 적용하여 고온의 화염으로부터의 열을 차단하고 부품의 표면온도를 낮추는 탑 코팅 (Top coating)으로 이루어져 있다. 특히, 열차폐 코팅 시스템이 고온의 화염에 노출될 경우 본드 코팅의 구성 성분중 하나인 알루미늄의 확산에 의해 열성장 산화물층(TGO, Thermally grown oxide)이 형성됨으로 열역학적인 친화성을 필요로 하며, 모재가 견딜 수 없는 용융온도 이상의 온도를 넘지 않도록 열차폐성을 갖는 탑 코팅용 소재가 적용되어야 한다. 본드 코팅용 소재로는 주로 MCrAlY (M=Ni, Co)가 사용되나 Hf, Si 등 첨가되는 원소에 따라 본드 코팅의 특성을 달리 적용 할 수 있다5). 그림 3에서 일반적인 열차폐 코팅 시스템의 모식도를 나타내었다.

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