학술논문
유한요소해석을 이용한 열차폐코팅의 열차폐 성능 및 기계적 특성 평가 / Evaluation on Thermal Barrier Efficiency and Mechanical Characteristic of Thermal Barrier Coating by Using Finite Element Analysis
Document Type
Dissertation/ Thesis
Author
Source
Subject
Language
Korean
Abstract
가스터빈의 고온 부품, 우주항공용 발사체등 고온환경에 노출 되는 부품에 열차폐코팅이 적용되고 있는데, 열차폐코팅은 터빈의 효율을 높이고, 부품의 사용온도를 낮추어 수명을 연장시켜 줄 뿐 만 아니라 고온부식 및 산화에 대한 저항특성을 향상시켜 준다. 이러한 열차폐코팅은 사용 중 박리에 의한 파손이 중요한 문제인데, 주요한 박리 메카니즘으로는 코팅층간의 열팽창계수차이에 의한 열응력발생과 본드코팅 상단부분에 나타나는 Thermally grown oxide(TGO)의 영향이 크다. 따라서 코팅의 박리에 의한 파손을 고려하여 코팅하여야 한다. 여기서 중요한 변수로는 각 층의 재료와 Geometry등이 고려되어야 하는데 탑코팅의 재료로서 YSZ(Yttria Stabilized Zirconia)가 낮은 열전도계수와 비교적 높은 열팽창계수를 가지기 때문에 주로 쓰인다. YSZ의 열전도계수는 대략 2.2~2.6W/mK정도 범위를 갖는다고 알려져 있지만 그 값은 코팅층의 두께와 온도차 그리고 고온 분위기에서 공급되는 열유속에 의하여 바뀔 수 있다. 그렇기 때문에 코팅을 설계 할 때 이런 변수들을 고려한 코팅재료 및 두께를 선정하여야 한다. 이에 대한 연구를 진행하기 위하여 코팅층의 두께 변화에 따른 박리가 주로 발생되는 탑코팅과 본드코팅층 계면에서의 열응력의 변화를 유한요소해석을 통하여 확인하였다. 또한 코팅층의 물성치의 변화에 따른 코팅층 내부의 열응력의 변화를 확인하였다. 코팅층 계면의 열응력 발생에 크게 영향을 미치는 물성치인 열전도계수가 달라지는 원인 중 기공에 초점을 맞춰서, 기공이 열차폐성능과 열응력에 미치는 영향을 확인하고자 한다.열전도해석을 통하여 얻은 탑코팅의 온도차와 열저항을 이용하여 얻은 탑코팅의 온도차를 비교하고 이를 이용하여 얻은 열팽창계수 불일치로 발생하는 열응력과 열응력해석으로 구한 x방향 열응력간의 관계를 비교 분석하였다. 기공이 고려된 탑코팅에서 등가열전도계수를 구하고 이를 이용해서 탑코팅의 온도차를 획득 후 수식에 적용시켜 열응력해석으로 구한 값과 비교하였다.본 논문에서는 열전도 및 열응력해석을 수행하여 얻은 데이터와 수식 계산으로 얻은 데이터 사이의 관계를 분석하여 탑코팅의 물성 및 가동조건 정보가 있을때 보다 간단하게 열차폐성능 및 계면의 열응력을 확인할 수 있음을 보였다.설계 시 열전도 및 열응력해석을 수행하는 것은 시간과 노력이 많이 든다. 따라서 본 논문에서는 열전도 및 열응력해석 수행 결과를 토대로 물성치, 설계하고자 하는 코팅층의 두께, 가동조건에서의 온도 등의 정보가 있다면 보다 쉽게 내부 열응력을 확인할 수 있는 방법에 대한 연구를 수행하였다.
A thermal barrier coating(TBC) was applied to protect a turbine blade from high temperature combustion gas. The TBC system consists of three different layers, which are a top coating, a bond coating, and a substrate. Because it has a low thermal conductivity and a relatively large thermal expansion ratio, the yttria stabilized zirconia(YSZ) is commonly used for a top coating. A bond coating and a substrate are metallic materials. One of main coating spallation cause is mis-match of thermal expansion coefficient between a top coating and a substrate. Many pores are made in a top coating when coating is deposited. It has an effect on thermal stress that occurs in the interface between a top coating and a bond coating. So the research on the effect of pore on thermal stress was conducted by using finite element analysis. It is difficult to conduct thermal conductivity and stress analysis. In this paper try to get thermal barrier efficiency and thermal stress without conducting FEM by using some equations. and Confirmed validity of this process by comparing with analysis result and calculated value.
A thermal barrier coating(TBC) was applied to protect a turbine blade from high temperature combustion gas. The TBC system consists of three different layers, which are a top coating, a bond coating, and a substrate. Because it has a low thermal conductivity and a relatively large thermal expansion ratio, the yttria stabilized zirconia(YSZ) is commonly used for a top coating. A bond coating and a substrate are metallic materials. One of main coating spallation cause is mis-match of thermal expansion coefficient between a top coating and a substrate. Many pores are made in a top coating when coating is deposited. It has an effect on thermal stress that occurs in the interface between a top coating and a bond coating. So the research on the effect of pore on thermal stress was conducted by using finite element analysis. It is difficult to conduct thermal conductivity and stress analysis. In this paper try to get thermal barrier efficiency and thermal stress without conducting FEM by using some equations. and Confirmed validity of this process by comparing with analysis result and calculated value.