Special 우주항공 등 극한환경 대응 고내열 코팅 및 복합재 기술개발 동향(1)

SiC 복합체를 위한 내환경 코팅 기술 개발 현황

문흥수_(주)세원하드페이싱 연구소장

김지유_(주)세원하드페이싱 책임연구원

1. 서론

가스터빈의 원리는 그림 1과 같이 차가운 공기를 연료와 혼합한 후 연소시켜 고온·고압의 기체를 생성하고, 이 고온·고압의 기체를 이용하여 터빈의 날개를 회전시켜 에너지를 얻는 것이다. 대표적으로 사용되는 분야는 항공기 가스터빈과 발전용 가스터빈이다..

그림 1. 가스터빈 작동 모식도 (1)

그림 2와 같이 소재 기술이 발전함에 따라 가스터빈 작동 온도도 향상되어 왔다. 발전용 가스터빈의 작동온도는 1,100(E-Class), 1300도(F class)가 가장 널리 사용되고 있으며, 가스터빈 작동온도가 높을수록 에너지 효율화가 높아지기 때문에 1,500도(G Class), 1600도급(J Class)도 적용이 확대되고 있다. 연소기 고온부품의 복잡한 형상 및 고온·기계적 안정성이 확보 되어야 하기 때문에 고온에서의 기계적 특성이 우수한 니켈을 주원소로 하는 초내열합금을 사용하고, 초내열합금이 적용될 수 없는 보다 높은 온도에서는 그림 3과 같이 초내열합금 부품에 열차폐(Thermal Barrier Coating, TBC)코팅을 적용하여 사용하고 있다.

그림 2. 가스터빈 적용시기 및 작동 온도에 따른 고온 부품 개발 현황(2,3)

그림 3. 가스터빈 블레이드 열차폐 코팅 구조(4)

그림 4와 같이 에너지 효율을 높이고, 출력 증대를 위해 초고온에서의 가스터빈 적용을 위해 2010년대 이후 초내열합금 대신 SiC 복합체를 가스터빈 고온부품에 적용하기 위해 연구개발이 시작되었으며, 2020년대 미국 GE사는 항공용 터빈부품 일부 부품을 SiC 복합체(Ceramic Matrix Composite, CMC)로 대체하여 적용하고 있다(5). 

2. 내환경 코팅(Environmental Barrier Coating, EBC) 기술 동향

탄화규소(SiC)는 매우 높은 녹는점과, 고온에서의 구조적 안정성 및 열충격에도 강한 특성을 가지고 있다. 이를 활용하여 SiC 섬유강화 복합체 형태로 부품 제조시 세라믹의 단점인 낮은 취성과 파괴인성이 보완된다. 또한 SiC 복합체는 금속 대비 밀도가 1/3 수준으로 특히, 우주·항공 분야에서는 초고온 적용성 뿐만 아니라 부품 경량화 목적으로 적용이 확대되고 있다. 그러나 SiC 복합체를 항공 엔진 부품으로 적용시 고온의 연소환경에서 수증기 부식이 발생하며, 수증기 부식 메커니즘은 아래와 같다.

이하 생략...

<본 기사는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2025년 10월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF 전체를 열람하실 수 있습니다.>