Thermal barrier coating system is one of the important technologies to improve the lifetime and durability of the components operating under the extremely high temperature. TBC system is composed of three main components substrate, bond coat, and top coat. The residual stress is the key to determine the performance of TBC system such as the resistance to spalling, delamination, surface crack, lifetime, and durability of thermal barrier coating system. There are several methods to evaluate the residual stress like high energy X-ray, spectroscopic technique, neutron diffraction method, and FEA(Finite El-ement Analysis). Among these methos, FEA is being generally used due to the low cost and convenience of research access in the extremely high temperature of TBC system.
There are three main topics in this research. The first, the residual stress evaluation by FEA was taken about the total TBC system considering the plasma spraying process. The previous studies by re-searchers were generally focused on the FEA without considering the plasma spraying process. The quenching stress was hard to be evaluated and studied without considering the deposition process be-cause the quenching stress occurs when the each coating layer is deposited. The result with considering the deposition process versus the result without considering the deposition process were compared by the quenching stress and equivalent plastic strain. By this comaprision, the difference and the reason of considering the deposition process were clealy shown. Also, the results of this research was compared with the FEA results and experiement results by other researchers. The second, the characteristics of TBC system were evaluated according to the material characteristics related with the really manufactur-ing process. Pores of top coat, thickness of top coat, cooling time in coating process, preheating of the substrate, the new layer with the mixture of the bond coat and top coat, and the cooling ratio are the main factors related with manufacturing process. The material characteristics are changed by controlling these main factors in the manufacturing process. The thermal conductivity and Elastic modulus of top coat are affected by pores, and the coefficient of thermal expansion is affected by the mixture of the bond coat and top coat. The cooling ratio is related with the convection coefficient. The quenching stress, the final residual stress when the TBC system was cooled down to the room temperature, and the temperature distribution were the methods to evaluate the characteristics of TBC system. Also, the methods to reduce the residual stresss and to improve the characteristics of thermal TBC system were summarized on the basis of the total results of FEA considering the manufacturing process. Finally, the method to evaluate the thermal fatigue analysis was introduced by using the FEA. The thermal fatigue analysis was performed by the change of maximum operating temperature and the change of cooling rate. The operating temperature and cooling rate were the important factors which can affect the thermal fatigue analysis.
The failure of plasma spray coatings due to residual stresses is a serious and recurring problem of TBC. The main three reasons occurring the residual stress of the plasma spraying in TBC system are phase transformation, rapid contraction of sprayed splats, and the mismatch of the coefficient of ther-mal expansion (CTE) of the substrate and coatings. Especially, the difference of thermal expansion co-efficient between the substrate and each coating combined with temperature evolution and temperature gradients during deposition process determine the residual stress for the whole TBC system. The latent heat at the melting temperature is considered to obtain more precise simulation results in this research. The magnitudes and distributions of the residual stresses are affected by deposition process and deposi-tion characteristics. The residual stress are composed of quenching stress occurred in the process of thermal spraying and thermal stress induced by the difference of CTE between the substrate and sprayed coating materials when the substrate and coatings cool down together. Most of FEA has been performed under the assumption that the multilayer coating system is stacked at once without considering the dep-osition process during plasma spraying. In this research, a coupled heat transfer and elastic-plastic thermal stress FEA was performed to obtain the more detailed and reliable result of residual stress con-sidering the quenching stress of the TBC system using the element activation/deactivation technique in the process of plasma spraying. There are 4 reasons why the deposition process needs to be considered in the study of residual stress of TBC system. The first, the repeat of heating and cooling during the coating deposition process can generate the residual stress. The second, the new coating layer can affect the stress of the existing below coating layer. The coating process itself is the complex nonlinear prob-lem realted with time and location. The third, the value of the quenching stress which happens in the depositon process is generally more than yield stresss. This high value stress can affect the final residu-al stress by superposition. Finally, handing the mechanical and physical properties of multi coating lay-ers during the depositoion process is the important factor.
The residual stress variation from the start of plasma spraying to cooling stage with room tem-perature was obtained systematically considering the deposition process in this study. It can be used as reference data to improve the performance of TBC.
Keywords: Thermal Barrier Coating (TBC), Plasma Spraying Process, FEA (Finite Element Analysis), Residual Stress, Quenching Stress, Thermal Fatigue Analysis.
TBC 시스템은 구성품이 극한의 고온에서 작동 시 수명과 내구성을 연장 시키기 위한 중요한 기술 중에 하나이다. TBC 시스템을 이루고 있는 중요 성분으로는 모재, 본드코팅, 그리고 탑코팅이 있다. 잔류응력은 TBC 시스템의 성능을 평가와 함께 TBC 시스템의 폭열방지, 박리, 표면크랙, 수명, 그리고 내구성을 결정하는 중요한 인자이다. 잔류응력을 평가하기 위한 방법으로는 high energy X-ray 방법, 분광기 기술 이용 방법, 중성자 회절 방법, 그리고 유한요소 해석 방법이 있다. 이중에 극한 고온 환경에서 작동되는 TBC 시스템은 연구의 편리성과 낮은 비용으로 널리 활용되어 지고 있다.
본 연구는 세계의 주요 주제로 구성되어 있다. 첫번째 주제는 플라즈마 스프레이 프로세스를 고려하 잔류응력을 유한요서 해석으로 평가한 것이다. 이전 연구자들의 유한요소 해석 연구를 보면 적층 과정을 고려하지 않고 연구를 진행하였었다. 이러한 이유로, 적층 과정에서 발생하는 중요한 응력 성분인 Quenching 응력을 고려하기가 힘들었다. 본 연구에서는 동일한 모델에 대하여 적층과정을 고려한 해석 결과와 적층 과정을 고려하지 않은 해석 결과를 비교하였다. 이 연구 결과를 통하여 적층 과정을 고려한 연구의 차별성과 필요성이 자명하게 밝혀졌다. 또한 유한요소 해석 결과를 기존의 적층과정을 고려하지 않았을 경우의 유한요소 해석 결과와 실험결과와 비교하여 해석결과의 타당성을 비교하였다. 두번째 주제는 열차폐 코팅의 실제 공정과 소재 특성에 따른 열차폐 특성 평가를 한 것이다. 시스템 코팅 공정에서 물성치 변화에 영향을 끼칠 수 있는 중요한 공정들을 조사하고 이 공정의 변화와 물성치와의 연관성을 찾은 후 유한요소 해석을 실행하였다. 기공률, 코팅의 두께, 용사 시 냉각시간, 모재의 예열, 그리고 탑코팅과 본드코팅의 혼합비율, 그리고 냉각비율과 관련된 내용들을 공정 변수로 놓고, 물성치를 변화시켜 가며 온도, Quenching 응력, 그리고 잔류응력 평가를 통하여 TBC 시스템의 열차폐 특성을 평가하였다. 열전도계수와 탄성계수는 기공률과 연관이 있었으며, 열팽창계수는 탑코팅과 본드코팅의 혼합 비율에 의하여 영향을 받았다. 냉각비율은 대류계수 수치의 변경에 의하여 영향을 받았다. 최종적으로 유한요소 해석을 한 데이터들을 기반으로 잔류응력을 줄이기 위한 방법을 요약하고 최종적으로 개선방향에 대하여 연구해 보았다. 세번째 주제는 TBC 시스템의 열피로 평가이다. TBC 시스템의 열피로 해석 기법을 정립하기 위하여 기준이 되는 작동 사이클 구간을 정한 후 열피로 해석을 수행 후 실제 가동조건인 최대 가열 온도와 열대류계수 변화를 통한 냉각 속도를 변경하여 열피로 해석을 수행하고 이에 대한 결과를 얻었다. 최대 가열온도가 증가할수록 응력도 증가하는 경향을 나타내었다. 마찬가지로 열대류계수 변화에 의한 냉각속도가 증가함에 따라 응력도 증가하는 경향을 나타내었다. 최대 가열온도와 냉각속도의 차이는 TBC 시스템의 열피로 해석에 영향을 주는 인자임을 확인하였다. 본 연구에서 사용한 열피로 해석 기법은 참고 문헌과 해석 결과를 바탕으로 응력과 수명과의 연관 관계를 찾아 TBC 시스템의 수명을 평가할 수 있는 하나의 방안이 되리라 생각된다.
플라즈마 스프레이 과정에서 잔류응력을 발생시키는 세가지의 주요 요인으로는 상변화, 용사된 층의 급격한 수축, 그리고 모재와 코팅의 열팽창계수의 불일치가 있다. 상변화는 플라즈마 용사에서 본드코팅과 탑코팅에서 발생하며, 액체 입자의 응고와 고체 상태로의 변환은 잔류응력을 발생시킨다. 본 연구에서는 플라즈마 용사에서 좀 더 자세한 해석 결과를 얻기 위하여 상변화를 고려하여 융점에 있어서 잠열이 고려되었다. 적층 과정을 고려해야 하는 이유를 아래의 네가지 이유로 정리해 보았다. 첫번째, 높은 열로 가열되었다가 냉각되는 코팅 프로세스 자체가 잔류응력을 발생시킬 수 있다. 두번째, 적층 과정에서 새롭게 적층 되는 층은 그 아래에 있는 층의 응력에 영향을 끼칠 수 있다. 스프레이 코팅 프로세스 자체가 시간과 위치를 고려해야 하는 비선형 문제이다. 세번째, 적층 과정에서 발생되는 응력은 대부분 항복 응력을 넘는 값이어서 적층 과정에서의 잔류응력인 Quenching 응력에 대한 연구가 필요하다. 적층과정에서 발생되는 응력은 중첩이 되어 최종 잔류응력에 영향을 끼칠 수 있다. 네번째, 다층이기 때문에 각 층 재질의 mechanical 또는 physical property를 얼마나 잘 다루냐가 중요한 인자이다.
플라즈마 코팅의 코팅층 적층 과정부터 출발하여, 적층이 완료된 후 상온으로 냉각될때까지의 잔류응력 결과를 본 연구에서 얻게 되었다. 차후 TBC 시스템의 성능을 평가하는데 유용한 데이터가 되리라 판단된다.
핵심어: 열차폐 코팅, 플라즈마 스프레이 프로세스, 유한요소 해석, 잔류응력, Quenching 응력, 열피로 해석
