다층 구조를 가진 내환경 코팅층의 최적설계와 자가치유 거동 연구 및 기계적 특성 평가 = The Optimal Design of Multi-Layer Environmental Barrier Coatings and the study of Self-healing Behavior and Mechanical Properties|RISS 상세보기

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

As the aerospace industry advances, various methods are being researched to achieve higher energyefficiency. Currently, the industry demands gas turbine components to perform optimally attemperatures exceeding 1500℃ while also requiring enhanced durability. In particular, the applicationof environmental barrier coatings (EBCs) on gas turbine engines has become increasingly significant.These coatings not only improve the thermal efficiency of gas turbine engines but also protect themfrom external environments, preventing corrosion and wear. Gas turbine engines are subjected toextreme thermal cycles involving high temperatures and cooling, which induce thermal stress, leadingto repeated thermal expansion and contraction. This often results in cracking or delamination, reducingthe service life and mechanical properties of the components. Therefore, the use of advancedenvironmental barrier coatings is essential. Furthermore, integrating crack self-healing agents andoptimizing the composition and design of the coating layers are crucial for advancing this technology.
This study focuses on developing a buffer layer with an optimal thickness ratio by incorporating Ti2AlC,a crack self-healing agent, into rare-earth-based oxides, which are widely regarded as promisingenvironmental barrier coating materials. Specifically, the upper layer was composed of Yb2Si2O7, whilethe lower buffer layer consisted of a composite of Yb2Si2O7 and 10 vol% Ti2AlC. Buffer layers werefabricated with thickness ratios of 2:1 and 4:1. The thermal shock behavior, thermomechanicalproperties, and crack-healing effects of these layers were analyzed and compared before and afterthermal shock testing to identify the optimal thickness ratio. Additionally, the composition of thecoating layers was adjusted to fabricate EBC specimens with disilicate and monosilicate top coats, andthe thermal shock behavior of these compositions was evaluated. monosilicate top coat specimensexhibited cracking, leading to further investigation by varying the Ti2AlC content in the coating. Theresults demonstrated that the oxidation of Ti2AlC during heat treatment caused volume expansion,effectively sealing the cracks. This crack-healing behavior, coupled with repeated thermal shock cycles,resulted in improved elastic performance and superior mechanical properties compared to the initialstate.
Finally, the study determined the optimal composite ratio and set the top coat composition accordingly,followed by a comparative analysis based on the bond coat. By controlling the proportion and placementof Ti2AlC, the limitations of crack healing, corrosion resistance, and durability were addressed. Thefindings of this study have significant implications for extending the lifespan of components andadvancing thermal efficiency technologies in the aerospace industry, highlighting the substantialresearch value of this work.

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국문 초록 (Abstract)

항공산업이 발전함에 따라 더 높은 에너지 효율을 얻기 위해 다양한 방법들이 연구되 고 있다. 오늘날 산업의 발전으로 인하여 가스터빈 부품 성능은 1500℃급 이상의 온도 에서 발휘되야 하기때문에 내구성 향상에 많은 관심을 받고 있다. 특히 가스터빈 엔진에 내환경 코팅재를 적용하는 기술이 매우 중요하게 떠오르고 있다. 내환경 코팅은 가스터 빈 엔진의 열효율을 상승시킬뿐더러 외부 환경으로부터 보호하고 부식과 마모를 방지한 다. 가스터빈 엔진은 극한의 고온과 냉각이 반복적으로 노출되어 열적 스트레스로 인하 여 박리가 일어난다. 이러한 이유로 부품의 수명이 단축되고 기계적 특성이 낮아지게 된다. 때문에 내환경 코팅재의 기술이 사용해야만 하 며, 추가로 균열 자가치유제를 적용하고 더 나아가 내환경 코팅층의 최적비율을 연구하 고 최적 설계할 필요가 있다. 본 논문에서는 내환경 코팅소재로 각광받고 있는 회토류계 산화물에 균열 치유재인 Ti2AlC를 첨가하여 균열자가치유 기술을 가진 복합재와 Yb2Si2O7의 두께 비를 제어하여 열적 내구성 관점에서 최적의 두께 비를 가지는 buffer layer를 제작하였다. 상부층에는 Yb2Si2O7를 사용하였고 buffer layer역할을 하는 하부 층에는 Yb2Si2O7+Ti2AlC 10vol% 복합재를 넣어 각각 두께 비 2:1비율과 4:1비율로 제 작하여 열 충격 거동과 열적 기계적특성, 그리고 균열 치유의 효과를 열 충격 전과 후로 비교하여 최적의 두께 비를 연구하였다. 그 후 코팅층의 조성을 조절하여 top coat를 disilicate와 monosilicate로 EBC시험편을 제작하여 조성에 따른 열 충격 거동을 확인 해 보았다. top coat monosilicate의 시험편은 균열이 발생하게 되므로 균열 치유재인 Ti2AlC의 비율을 제어하여 비교를 진행하였으며, 시험편에서의 균열 치유재가 열처리됨 에 따라 산화물이 생성되고 산화물이 균열을 메꾼 후 부피팽창 하여 균열 치유거동과 열 충격 환경이 반복되어도 탄성적인 거동과 기존의 특성보다 뛰어난 기계적 특성을 확인하 였다. 마지막으로 최적의 복합재 비율을 찾아내고 top coat를 최적의 복합재로 설정하여 bond coat에 따른 비교도 진행하였다. Ti2AlC의 비율과 설계 위치를 제어함에 따라 균열 치유와 코팅의 내식성,내구성 향상이라는 한계를 보완할 수 있으며 항공산업에 적용될 시 부품의 수명을 늘리고 열효율 기술발전에 이바지할 수 있기에 연구 가치가 크게 기대 된다.

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항공산업이 발전함에 따라 더 높은 에너지 효율을 얻기 위해 다양한 방법들이 연구되 고 있다. 오늘날 산업의 발전으로 인하여 가스터빈 부품 성능은 1500℃급 이상의 온도 에서 발휘되야 하...

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