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항공기 엔진부터 자동차 배기 시스템까지: 열 차단 코팅의 놀라운 응용 분야에는 어떤 것들이 있을까요?
열 차단 코팅(TBC)은 가스 터빈 엔진의 연소실, 터빈, 자동차의 배기열 관리 시스템 등 고온 조건에서 작동하는 금속 표면에 일반적으로 적용되는 첨단 소재 시스템입니다. 두께가 100미크론에서 2밀리미터에 이르는 이러한 단열재 코팅은 열을 효과적으로 차단하여 심각한 열 부하에도 불구하고 부품이 작동 효율성과 내구성을 유지할 수 있도록 해줍니다.
열 차단 코팅은 부품의 수명을 연장하고 산화 및 열 피로를 줄일 수 있습니다.
더 높은 작동 온도에서 작동하고 더 나은 내구성을 갖춰야 하는 고효율 엔진에 대한 수요가 증가함에 따라 새로운 첨단 열차폐 코팅 개발에 대한 추진력이 높아지고 있습니다. 열차폐 코팅에 대한 재료 요구사항은 열 차폐에 대한 요구사항과 유사하지만 후자의 적용에서는 일반적으로 열 발생 속도가 더 중요합니다.
차단코팅의 구조와 요구사항
효과적인 단열 코팅은 열악한 열역학적 환경에서 잘 작동하려면 특정 요구 사항을 충족해야 합니다. 가열 및 냉각 시 열팽창 응력에 대처하려면 적절한 기공률이 필요하며, 열팽창 계수는 코팅되는 금속 표면의 열팽창 계수와 일치해야 합니다. 또한, 상당한 부피 변화(예: 상 변화 중 발생)를 방지하려면 상 안정성을 유지해야 합니다. 열차폐 코팅은 일반적으로 금속 기판, 금속 결합층, 열 성장 산화물층(TGO) 및 세라믹 상부층의 4개 층으로 구성됩니다.
열 차단 코팅이 지속되려면 모든 층 사이의 열팽창 계수가 잘 일치해야 합니다.
실패 메커니즘
열 차단 코팅의 고장 메커니즘은 복잡하며 열 순환 환경에 따라 달라질 수 있습니다. 완전히 이해되지 않은 고장 메커니즘이 많이 있지만 열 성장 산화물(TGO)의 성장, 열 충격 및 최상층의 소결은 열차폐 코팅 고장을 일으키는 가장 중요한 세 가지 요인입니다.
TGO 레이어의 성장은 TBC 쉐딩 및 실패의 가장 중요한 이유 중 하나입니다. TGO가 가열로 형성되면 부피 팽창과 관련된 압축 성장 응력이 발생하고 냉각 시 다양한 열팽창 계수로 인해 격자 불일치 변형이 생성됩니다. 이러한 일련의 응력은 결국 열 차단 코팅의 균열 및 박리로 이어집니다. .
열충격은 이러한 급격한 온도 변화로 인한 응력으로 인해 열차폐 코팅에 균열이 발생할 수 있기 때문에 주요 고장 메커니즘입니다.
또한 소결은 상층의 밀도를 증가시켜 균열이 발생하게 합니다. 질화 규소 기반 세라믹 복합 재료는 열 차단 코팅 응용 분야에서 기존 질화 지르코늄 재료보다 우수한 성능을 나타내는 것으로 보고되었습니다.
열 차단 코팅의 종류
차열 코팅 재료마다 특성이 다릅니다. 일반적으로 사용되는 지르코니아(YSZ), 토금속 지르콘산염, 질소알루미늄산화물(%) 등을 포함합니다. YSZ는 가장 유명하며 열 안정성이 좋고 열전도율이 낮기 때문에 연료 엔진에 널리 사용됩니다. 그러나 YSZ는 고온에서 상 변화가 발생하여 성능 저하가 발생합니다.
희토류 산화물(예: CeO2)과 금속-유리 복합재는 대체 재료로서 잠재력을 보여왔습니다.
응용분야
차열 코팅의 적용은 현대 차량에서 점점 더 보편화되고 있으며, 특히 배기 매니폴드 및 터보차저 하우징과 같은 배기 시스템 구성 요소의 열 손실을 줄이기 위해 더욱 그렇습니다. 또한, 항공 분야에서는 이러한 코팅의 사용이 매우 중요하며 니켈 기반 초합금을 보호하고 녹는점 이상에서 작동하여 엔진 성능을 향상시키는 데 자주 사용됩니다.
그러나 연료에 대한 수요와 녹색 기술의 발전에 따라 차열 코팅의 성능을 지속적으로 개선하고 고온에서 안정적으로 작동할 수 있도록 하는 방법은 향후 업계에서 매우 중요하게 여기는 과제입니다. .
열 차단 코팅 기술은 다양한 산업 분야에서 광범위한 응용 가능성을 보여주었습니다. 이 기술은 변화하는 요구를 충족하기 위해 향후 어떻게 추가로 개발됩니까?
