Skip Navigation
Skip to contents

Journal of Powder Materials : Journal of Powder Materials

OPEN ACCESS
SEARCH
Search

Articles

Page Path
HOME > J Powder Mater > Volume 29(6); 2022 > Article
Article
산화물이 Doping된 YSZ의 고온 열처리에 따른 Monoclinic 상변화 및 미세구조 분석
이계원a,b, 최용석a,b, 전창우a, 이인환b, 오윤석a,*
Analysis of Monoclinic Phase Change and Microstructure According to High-temperature Heat Treatment of Oxide-doped YSZ
Gye-Won Leea,b, Yong-Seok Choia,b, Chang-Woo Jeona, In-Hwan Leeb, Yoon-Suk Oha,*
Journal of Korean Powder Metallurgy Institute 2022;29(6):468-476.
DOI: https://doi.org/10.4150/KPMI.2022.29.6.468
Published online: November 30, 2022

a 한국세라믹기술원 이천분원 엔지니어링소재센터

b 고려대학교 신소재공학과

a Engineering Materials Center, Korea Institute of Ceramic Engineering and Technology, Icheon 17303, Republic of Korea

b Department of Materials Science and Engineering, Korea University, Seoul 02841, Republic of Korea

* Corresponding Author: Yoon-Suk Oh, TEL: +82-31-645-1442, FAX: +82-31-645-1492, E-mail: ysoh30@kicet.re.kr
- 이계원·최용석: 학생연구원, 전창우: 선임연구원, 이인환: 교수, 오윤석: 수석연구원
• Received: November 23, 2022   • Revised: December 12, 2022   • Accepted: December 13, 2022

© The Korean Powder Metallurgy Institute. All rights reserved.

  • 548 Views
  • 4 Download
prev next
  • Yttria-stabilized zirconia (YSZ) has a low thermal conductivity, high thermal expansion coefficient, and excellent mechanical properties; thus, it is used as a thermal barrier coating material for gas turbines. However, during long-time exposure of YSZ to temperatures of 1200°C or higher, a phase transformation accompanied by a volume change occurs, causing the YSZ coating layer to peel off. To solve this problem, YSZ has been doped with trivalent and tetravalent oxides to obtain coating materials with low thermal conductivity and suppressed phase transformation of zirconia. In this study, YSZ is doped with trivalent oxides, Nd2O3, Yb2O3, Al2O3, and tetravalent oxide, TiO2, and the thermal conductivity of the obtained materials is analyzed according to the composition; furthermore, the relative density change, microstructure change, and m-phase formation behavior are analyzed during long-time heat treatment at high temperatures.
항공용 가스터빈은 압축기, 팬, 터빈, 연소실, 노즐과 같 은 다양한 부품으로 이루어져 있으며, 이러한 부품들은 고 온의 가스 연소 작동 환경과 상온의 환경에 반복적으로 노출되게 된다. 이러한 가스터빈 부품의 소재로 고온 내구 성과 내산화성과 같은 특성이 우수한 Ni기반 초내열합금 소재가 사용되고 있다[1-4]. 가스터빈 엔진에 사용되는 초 내열합금 소재의 운용 한계 온도는 900°C~1050°C이다. 그 러나 항공용 가스터빈 엔진 효율 향상에 대한 요구가 시 장에서 계속해서 증가하고 있으며, 이러한 시장의 요구를 충족하기 위하여 가스터빈 엔진의 작동 온도 향상, 가스터 빈 부품의 경량화와 같은 연구가 활발하게 이루어지고 있 다[2-4]. 초내열합금 부품의 운용 한계 온도 이상의 온도 에서 가스터빈을 운용하기 위하여 열차폐 코팅(Thermal Barrier Coating)을 초내열 합금부품에 적용하고 있다[1, 2, 5, 13, 14]. 열차폐 코팅은 가스터빈 부품으로 높은 열이 전달 되는 것을 억제하여, 가스터빈의 냉각 구조 및 부품 을 보호하므로, 가스터빈의 작동 온도와 수명을 향상시킨 다[1, 2, 5, 7]. 열차폐 코팅은 열차폐 특성과 산화 저항성 이 우수한 세라믹 소재 기반 Top Coat, 접합성과 내산화 성이 우수하여 모재와 Top Coat 간의 접합력을 올려줄 뿐 만 아니라 산화층의 형성을 억제하는 Bond Coat로 이루 어져 있다. 지르코니아(ZrO2)는 낮은 열전도도, 높은 열팽 창 계수, 우수한 파괴인성과 같은 특성을 가지고 있어 열 차폐 코팅의 Top Coat 소재로 적합하다[1, 2, 6, 7, 13]. 또 한 상온에서 1173°C의 온도 구간에서는 단사정(Monoclinic, m) 구조를 지니며, 1173°C부터 2 3 70°C까지는 정방 정(Tetragonal, t) 구조를, 이후 구간에서는 입방정(Cubic, c) 구조로 변하는 상변태 거동을 보인다. 이러한 상변태 거동으로 인해 가스터빈 작동 환경하에서 Top Coat 소재 로 지르코니아를 사용할 경우, 고온의 환경에서 상온으로 냉각 시 정방정 구조에서 단사정 구조로 상변태(t→ m)가 발생하게 되며, 이때 약 3 ~5%의 부피 변화에 의한 열응력 이 발생하며 이는 코팅층의 수명 저하의 주요 원인이 된 다[6, 9-15].
가스터빈의 수명을 향상시키기 위해서는 냉각시 발생하 는 지르코니아의 상변태에 따른 열응력을 최소화해야 한 다. 이를 위하여 지르코니아에 3가 및 4가 희토류 산화물 을 Dopant로 첨가하여 정방정 구조 안정화시키는 연구들 이 활발하게 이루어져 왔다. 정방정 구조 안정화 지르코니 아(Tetragonal Stabilized Zirconia)의 대표적 소재로 이트리 아(Y2O3)가 약 7~8 wt.% dopant로 첨가된 YSZ(Yttria Stabilized Zirconia)가 있다[1, 2, 7, 9-15]. 이트리아는 정방정 구조의 지르코니아를 상온에서 안정화 시킬 뿐만 아니라 지르코니아의 격자구조 내부에 산소 공공(Oxygen Vacancy) 를 형성하여 소재의 열전도도를 감소시키는 역할을 한다 [9, 10, 12]. 플라즈마 용사를 이용하여 YSZ 소재를 열차 폐 코팅의 Top coat로 제조하면, 급랭에 의하여 정방정 구 조를 가지지만 결정화도가 다른 t'상이 형성된다고 알려져 있다[5, 8, 11-15]. 이러한 t'상은 응력이나 열 순환 사이클 (상온↔고온)에 노출되어도 m상으로 변태하지 않는 특성 을 지니고 있으므로, 상변태에 의한 열응력 생성을 억제할 수 있어 가스터빈 열차폐 코팅의 Top coat 소재로 사용되 고 있다[5, 10, 12-15]. 그러나 t'상 또한 1200도 이상의 고 온에 장시간 노출될 경우 t'상이 t상과 c상으로 분리가 일 어난다고 알려져 있으며, 상온으로의 냉각이 이어질 경우 분해 후 형성된 t상이 m상으로 변태하면서 지르코니아의 부피 팽창이 발생하게 된다[5, 8, 11-15]. 결국, 지르코니아 와 동일한 상변태 거동을 보이게 되므로, t' 상의 고온 소 결에 의한 상분리 현상을 억제할 수 있는 소재 개발에 대 한 연구가 필요하다.
본 연구에서는 YSZ에 이트리아 이외에 추가적으로 Al2O3, Yb2O3, Nd2O3 등 다양한 3가 산화물과 TiO2와 같 은 4가 산화물을 Dopant로 추가하여 고온 소결에 의한 상 분리 현상을 억제하고, 열적, 기계적 특성을 향상시키고자 하였다. 3가 및 4가 산화물이 첨가된 YSZ 소결체 제작 후 상 형성 거동 및 열적, 기계적 특성을 분석하여, 열차폐 코 팅 Top coat 소재로서의 적합성을 판단하였다. 8 wt.%의 이트리아가 첨가된 YSZ에 Nd2O3, Yb2O3, Al2O3, TiO2를 Dopant로 첨가하여 YSZ 보다 고온에서의 상안정성, 낮은 열전도도, 우수한 기계적 특성을 가질 수 있도록 설계를 진행하였다. 분말을 조성 설계에 맞춰 혼합 후 소결하여 소결체 샘플을 제작하였다. 제조된 소결체 샘플을 XRD (X-Ray Diffraction) 분석법, SEM(Scanning Electron Microscopy) 을 이용하여 미세구조 및 상형성 거동을 분석하였으 며, LFA(Laser Flash Analysis)를 이용하여 열전도도를 분 석하였다. 이를 토대로 Dopant 첨가에 따른 상형성 거동 및 열적 기계적 특성 변화를 이해하고자 하였다. 또한, 소 결체를 장시간 열처리하고 열처리 전 후의 미세구조를 비 교함으로써 제조된 소결체의 열처리에 의한 상변화 거동 및 소결에 따른 열화 거동을 비교 분석하였다.
본 연구에서는 지르코니아를 안정화시키고, 고온 소결 에 의한 t'상의 상분리를 억제하기 위하여, 8 wt.%의 이트 리아가 첨가된 YSZ에 3가 산화물인 Yb2O3, Nd2O3, Al2O3 와 4가 산화물인 TiO2를 첨가하였다. 산화물 dopant 첨가 영향을 확인하기 위하여 네 가지 조성을 설계하였으며, 이 를 표 1에 나타내었다.
Table 1

YSZ and Oxide Doping Composition

KPMI-29-6-468_T1.gif
소결체 제작을 위한 YSZ는 한경 TEC(대한민국)로부터 공급받았으며, Nd2O3, Yb2O3, Al2O3, TiO2 분말은Kojundo Chemical Laboratory Co. Ltd(Japan)로부터 공급받았다.
설계한 조성을 토대로 각 분말들을 계량하고 에탄올(대 정화금, 대한민국) 및 직경 5π 지르코니아 볼과 함께 용기 에 투입한 후 100 rpm의 속도로 24시간동안 습식 Ball Milling을 진행하여 투입한 분말들을 혼합하였다. 에탄올 을 제거하고 혼합된 분말만 얻기 위하여 80°C 오븐에서 24시간동안 건조를 진행하였다. 건조가 끝난 분말들을 53 μm체로 체가름하여 53 μm 이하 크기의 분말을 확보하 였다. 분말의 크기가 53 μm보다 더 작을수록 분말의 비표 면이 증가하여 치밀화 된 성형체를 얻기 쉬우나, 분말 준 비 단계에서의 공정 비용 및 시간의 절약을 위하여 53 μm 이하의 크기의 분말을 사용하였다. 체가름 된 분말들을 직 경 25.4 mm 원형 몰드와 일축 유압기를 사용하여 90MPa 의 힘으로 성형하여 성형체를 제조하였다. 성형된 시편들 을 고온 전기로(한테크, 대한민국)에 넣어 5°C/min의 속도 로 1600°C까지 승온 후 10시간 동안 소결 열처리를 진행 하였다. 설계한 조성과 상용 소재의 비교를 위하여 동일 공정으로 YSZ 분말의 소결체 시편 제작을 진행하였다.
설계한 조성과 상용 소재의 열전도도 비교 분석을 위하 여 소결 샘플을 가로,세로 10 mm 및 두께 2 mm로 가공하 였으며, 가공된 샘플들의 열전도도는 LFA를 이용하여 700°C에서 1000°C까지 100°C 간격으로 측정되었다.
설계 조성의 소결 저항성 분석을 위하여 1600°C의 전기 로에서 100시간 열처리하였으며, 아르키메데스법을 활용 하여 열처리 전 후의 시편들의 밀도를 측정하였다. 또한, 열처리 전 후의 미세구조를 비교하기 위하여 SEM (Scanning Electron Microscopy, (JSM-6390, JEOL, Japan)) 을 이용하여 미세구조를 분석하였다.
YSZ 분말 및 설계 조성 분말 소결체의 상형성 거동을 분석하기 위하여 XRD(X-Ray Diffraction, (RINT-2500HF, Rigaku, Japan))를 이용하여 10°~80° 영역을 5°/min의 속 도로 스캔하였다. 이후 고온에서 장시간 열처리에 따른 상 변화 거동을 분석하기 위하여 1600°C에서 100시간동안 열처리된 시편의 XRD 분석을 같이 수행하였다. 분말 소 결 및 소결체 열처리 후 시편에 생성된 Monoclinic 상 분 율은 XRD를 통해 얻어진 X선 회절 패턴의 피크 강도 값 을 아래 식 (1)대입하여 계산 및 측정되었다[15].
(1)
M(mol%)=Im(111)+Im(111)Im(111)+Im(111)+It(101)
3가 및 4가 산화물이 Doping 된 YSZ의 소재에 따른 열 전도도 측정 결과를 그림 1에 나타내었다. 1 mol%의 Nd2O3가 들어간 1번 조성의 경우 YSZ보다 높은 열전도도 를 가지는 것을 확인할 수 있으며, 나머지 2~4번 조성은 YSZ보다 낮은 열전도도를 가지는 것으로 확인된다. 이러 한 결과는 Nd2O3가 1mol% 들어간 1번 조성의 경우 Dopant로 들어간 Nd2O3이 YSZ의 내부에서 열전도도 감 소를 위한 산소공공(Oxygen Vacancy)을 형성하기에는 첨 가량이 부족하여 열전도도 감소를 이끌어 내지 못한 것으 로 추측된다. 이후 YSZ에 Doping된 산화물의 양이 증가 함에 따라 열전도도가 감소하는 경향을 확인할 수 있다. 이를 통해 산화물이 Doping된 복합소재의 열전도도 감소 효과를 위해서는 Doping된 산화물의 양이 일정 수준 이상 이 되어야 할 것으로 추측된다.
Fig. 1

Results of thermal conductivity analysis of YSZ and oxide-doped compositions.

KPMI-29-6-468_F1.gif
YSZ와 1~4번 조성 분말 성형체를 1600°C에서 10시간 소결하여 얻어진 소결체의 SEM 사진을 그림 2와 같이 나 타내었다.
Fig. 2

SEM image of YSZ and design composition powder sintered body (a) : YSZ, (b) : Nd YSZ, (c) : Nd Yb YSZ, (d) : Al Ti YSZ, (e) : Nd Al Ti YSZ.

KPMI-29-6-468_F2.gif
그림 2 (a)는 소결 후 YSZ 샘플의 표면을 관찰한 사진 이며, 표면에 기공이 일부 형성 되어있다. YSZ 소결체 샘 플 표면에 존재하는 결정립들의 크기는 3 ~5 μm 수준이다. 그림 2 (b)는 1mol%의 Nd2O3이 첨가된 1번 조성의 미세 조직 사진으로 표면에서 다수의 기공이 관찰되며, 결정립 의 크기는 3 ~5 μm로 YSZ와 유사한 수준이다. 그림 2 (c) 는 1mol%의 Nd2O3와 Yb2O3가 각각 첨가된 2번 조성으로 소결 후 결정립 크기는 1~5 μm 수준으로 확인되었으며, 표면에 다수의 기공이 존재함을 관찰 할 수 있었다. 그림 2 (d)는 1mol%의 Al2O3와 TiO2가 첨가된 3번 조성으로 소결 후 결정립 크기는 1번과 2번 조성과 유사하나, 표면 에 존재하는 기공의 수는 상대적으로 적다. 그림 2 (e)는 Nd2O3, Al2O3, TiO2가 Doping 된 4번 조성으로 결정립의 크기가 1~8 mm으로 확인되었으며, 표면에서 기공의 존재 를 확인할 수 있다.
YSZ 및 설계 조성 분말 소결체를 1600°C에서 100시간 열처리 한 후 각 샘플들의 SEM 미세조직 사진을 위의 그 림 3과 같이 나타내었다. 그림 3 ( a)는 상용 YSZ 소재를 100시간 열처리 후 표면을 관찰한 것으로 표면의 결정립 의 크기가 3~13 μm으로 확인되었으며, 100시간 열처리 후 입성장이 발생한 것을 확인할 수 있었다. 그림 3 ( b)는 1 번 조성의 100시간 열처리 후 표면 SEM 사진으로 100시 간 열처리 전 존재하였던 기공들이 대부분 사라진 것을 확인할 수 있었으며, 이때 결정립의 크기는 9~15 μm으로 확인 되었다. 그림 3 ( c)는 2번 조성의 100시간 열처리 후 표면 SEM 사진으로 YSZ 및 1번과 동일하게 입성장이 발 생하여 그 결정립 크기는 3 ~12 μm이다. 3번과 4번 조성 소결체는 나머지 샘플과 마찬가지로 입성장을 하였으나 열처리 후 결정립 크기는 각각 10~35 μm와 6~20 μm로 YSZ, 1번 및 2번 샘플에 비해 입성장이 활발히 일어났다 (그림 3 (d), (e)).
Fig. 3

SEM image of YSZ and design composition powder sintered body after heat treatment for 100 hours (a) : YSZ, (b) : Nd YSZ, (c) : Nd Yb YSZ, (d) : Al Ti YSZ, (e) : Nd Al Ti YSZ.

KPMI-29-6-468_F3.gif
1600°C 100시간 열처리 시험 전, 후의 결정립 크기 변 화를 위의 그림 4와 같이 정리하였다. 모든 샘플에서 결정 립 성장이 발생하였으나 성장 정도에 차이를 보였다. 1 mol%씩 Nd2O3와 Yb2O3가 Doping된 2번 조성의 경우 상용 YSZ와 유사한 입성장 정도를 보였으나, 1 mol% 씩 Al2O3와 TiO2가 Doping된 3번과 Nd2O3, Al2O3, TiO2가 각 각 1mol% 씩 Doping 된 4번 조성의 경우 다른 조성 대 비 높은 입성장을 보였다. 이를 통해 YSZ에 첨가되는 Dopant는 입성장 거동에 영향을 미침을 알 수 있다. 특히, Al2O3는 다른 첨가 산화물들과 달리 지르코니아의 치밀화 를 유도하는 특성을 지닌다[16]. 이러한 특성으로 인하여 3번과 4번 조성 소결체가 나머지 샘플에 비해 입성장이 활발하게 발생한 것으로 사료된다.
Fig. 4

Grain size change before and after long-term heat treatment by composition.

KPMI-29-6-468_F4.gif
1600°C 100시간 열처리 전 후 샘플들의 상변화 거동을 분석하기 위하여, YSZ 및 1~4번 조성 소결체의 열처리 전 후 XRD 회절 패턴을 얻었다. 그 중 YSZ의 1600°C 100시 간 열처리 전 후 XRD 분석 결과를 아래 그림 5와 같이 나타내었다. 그림 5 (a)에서 보듯이 YSZ 소결체 샘플에 m 상이 형성 되어 있는 것을 확인할 수 있으며, 이때 m상 분 율은 약 17.2 mol%이다. 1600°C 100시간 열처리 후 YSZ 소결체의 XRD 회절 패턴에서는 m상의 피크 강도가 열처 리 전 보다 높아진 것을 확인할 수 있으며, m상 분율은 약 33.36 mol%로 열처리 후 m상 분율이 약 16.16% 증가하였 다(그림 5 (b)). 1600°C의 고온에서 YSZ 소재가 장시간 노 출 될 경우 지르코니아의 t 상이 m상과 c상으로 상분리가 일어나며, 이로 인해 m상이 증가한 것으로 보여진다[5, 8, 11-15].
Fig. 5

XRD results of YSZ (a) : after sintered, (b) : after heat treatment for 100 hours.

KPMI-29-6-468_F5.gif
1번 조성과 2번 조성 소결체의 1600°C 열처리 전 후 XRD 분석 결과를 아래 그림 6 (a)에서 (d)에 나타내었다. 그림 6 (a)(b)에 보이는 것과 같이 열처리 전에는 두 조 성에서 모두 m상은 확인 되지 않았으며, t상과 c 상이 확 인되었다. 1600°C 100시간 열처리 후 1번 조성 소결체는 m상 피크가 확인되었으며, 생성된 m상 분율은 약 13.43% 이나, 2번 조성 소결체는 m상 피크가 확인되지 않았다. 2 번 조성과 3번 조성의 열처리 전 후 XRD 분석 결과를 통 해 1mol%의 Nd2O3와 Yb2O3 첨가는 고온의 환경에서 YSZ에 발생하는 t상의 상분리 현상을 억제할 수 있음을 확인하였다.
Fig. 6

XRD analysis results of YSZ doped with Nd2O3, Yb2O3 (a), (b) : after sintered, (c), (d) : after heat treatment for 100 hours.

KPMI-29-6-468_F6.gif
3번과 4번 조성 소결체의 열처리 전 후 XRD 회절 패턴 을 분석하여 그림 7 (a)에서 (d)에 나타내었다. 그림6 (a)(b)의 1번과 2번 조성 소결체의 열처리 전 XRD 회절 패턴과 달리 3번과 4번 조성 소결체에서 모두 m상 피크 가 관찰되었으며, 이때 m상 분율은 각각 32.47%와 18.61%로 확인되었다(그림 7(a)(b)). N2O3와 Yb2O3가 지르코니아를 안정화시켜 m상의 형성을 억제하는 것과 달리 Al2O3와 TiO2는 지르코니아 안정화 역할을 하지 않 는 것으로 보인다. 3번과 4번 조성의 1600°C 100시간 열 처리 후 XRD 분석 결과를 그림 7(c)(d)에 각각 나타내 었다. 100시간 열처리 후 3번 조성 소결체의 XRD 회절 패턴에서 Al2O3피크가 관찰되었다. 이는 Al2O3가 첨가된 YSZ 소재가 1600°C의 고온에서 장시간 노출될 경우 Al2O3가 석출것을 의미한다. 이러한 결과는 Al2O3가 ZrO2 와 반응하며, ZrO2 내부에 형성되는 산소 공공(Oxygen Vacancy)이 Al2O3가 석출됨에 따라 사라지게 되며, 산소 공공의 존재에 따른 열전도도 감소 효과가 낮아지고 Al2O3에 의한 ZrO2의 상분리 억제 효과가 줄어듦을 의미 한다. 이와 달리 4번 조성 소결체는 Al2O3가 동일하게 1mol% 첨가되었음에도 불구하고 1600°C 100시간 열처리 후에도 Al2O3 피크가 관찰되지 않으며, m상 분율 변화 역 시 약 0.82%만 증가하였다. 이를 통해 약 1mol%의 Nd2O3 첨가는 Al2O3의 석출거동을 억제할 수 있음을 확인하였다.
Fig. 7

XRD analysis results of YSZ doped with Nd2O3, Al2O3, TiO2 (a), (b) : after sintered, (c), (d) : after heat treatment for 100 hours.

KPMI-29-6-468_F7.gif
모든 조성의 고온 열처리 전 후 m상 분석 결과를 아래 표 2과 같이 정리하였다.
Table 2

Change in m-phase fraction before and after heat treatment by composition

KPMI-29-6-468_T2.gif
1600도 100시간 열처리 후 2번 조성을 제외하고 모든 조성에서 m상 분율의 증가를 확인할 수 있었다. 상용 소 재인 YSZ의 경우 장시간 열처리 결과 m상이 16.16% 증 가한 것을 확인할 수 있으나, 2번 조성의 경우 1% 미만의 m상 분율 증가를 확인할 수 있었다. 이는 Nd2O3와 Yb2O3 를 YSZ에 Doping하게 될 경우 고온 환경에서 m상 형성 이 억제되어 m상 형성에 따른 지르코니아의 부피 팽창을 억제하여 부피 팽창에 의한 코팅층 수명 감소를 억제할 수 있을 것으로 예상 할 수 있다. 1번 조성의 경우 3가 원 소인 Nd2O3의 양이 1 mol%로 2번 조성 대비 적게 Doping 되어 소결 후 m상 형성이 억제되었으나, 장시간 열처리 시 m상 형성 억제에 큰 기여를 못한 것으로 보여진다. 3 번 조성의 경우 소결 후 m상이 32.47% 형성 된 것을 확 인할 수 있으며 이를 통해 Al2O3와 TiO2를 YSZ에 Doping 하게 될 경우 m상 형성 억제에 효과가 없으며, m상 형성 을 촉진 하는 역할을 함을 알 수 있다. 또한 장시간 열처 리 시에도 m상이 증가함을 확인할 수 있으며, 이는 코팅 층에 3번 조성을 사용할 경우 고온의 환경에서 m상 형성 으로 인한 부피 팽창을 인하여 코팅층의 파괴가 발생할 것으로 예상 할 수 있다. 4번 조성의 경우 Al2O3, TiO2에 Nd2O3가 추가적으로 Doping 됨에 따라 m상 형성이 3번 조성 대비 적어진 것을 확인할 수 있으나, 상용 YSZ보다 높은 m상 형성을 확인할 수 있다. 4번 조성의 100시간 열 처리 후 m상 형성 분석 결과 m상이 0.82% 증가한 것을 확인할 수 있으며, YSZ 대비 낮은 m상 형성 분율을 확인 할 수 있었다. 이러한 결과를 토대로 고온의 환경에서 사 용시 m상 형성에 따른 부피 팽창에 의한 코팅층 파괴가 YSZ 보다 적을 것으로 예상된다.
항공용 가스터빈 엔진에 적용되어 있는 열차폐 코팅 소 재인 YSZ에 Nd2O3, Yb2O3, Al2O3 와 같은 3가 산화물과 4가 산화물인 TiO2를 Doping 후 설계 조성에 따른 열전도 도 분석 및 고온 장시간 열처리 후 상대 밀도 비교 분석, 미세구조 비교 분석, 상형성 거동 분석을 진행하였다.
  1. 3가 및 4가 산화물을 YSZ에 Dopant로 첨가한 조성 을 바탕으로 열전도도 측정을 진행하였으며, 측정 결 과 3가 및 4가 산화물 Dopant의 양이 늘어남에 따라 소재의 열전도도가 감소하는 경향성을 확인할 수 있 었다.

  2. 미세구조 분석 결과 고온 장시간 열처리 시 모든 조 성에서 입성장이 일어난 것을 확인할 수 있었다. 이 중 AlTi YSZ조성의 경우 열처리 전 3 ~5 μm 수준에 서 열처리 후 10~35 μm 수준으로 입성장이 급격하게 일어난 것을 확인할 수 있으며, 이러한 결과는 입성 장이 상변이에 의한 영향보다 첨가 산화물의 소결 촉 진 정도에 영향을 받는 것으로 예측 된다.

  3. XRD 분석 결과 소결 후 YSZ, AlTi YSZ, NdAlTi YSZ 조성에서는 m상이 검출 되었으나, Nd YSZ 및 NdYb 조성에서는 m상이 검출되지 않았다. 고온 장시 간 열처리 후 YSZ, Nd YSZ, AlTi YSZ, NdAlTi YSZ 조성에서는 m상이 증가하였으나, NdYb YSZ 조성의 경우 m상이 거의 증가하지 않은 것을 확인할 수 있다.

YSZ보다 낮은 열전도도, m상 형성이 억제되는 NdYb YSZ 조성이 항공용 가스터빈 열 차폐 코팅 소재로 적합 할 것으로 보여진다.
Acknowledgements
본 논문은 민군협력진흥원 민군겸용기술개발사업(20- CM-CE-14)의 연구지원으로 수행되었습니다.
  • 1. N. P. Padture, M. Gell and E. H. Jordan: Science, 296 (2002) 280. .ArticlePubMed
  • 2. D. R. Clarke, M. Oechsner and N. P. Padture: MRS Bull., 37 (2012) 891. .Article
  • 3. W. Beele, G. Marijnissen and A. V. Lieshout: Surf. Coat. Technol., 120 (1999) 61. .Article
  • 4. R. A. Miller: J. Therm. Spray Technol., 6 (1997) 35. .Article
  • 5. R. Darolia: Int Mater Rev., 58 (2013) 315. .Article
  • 6. J. Chevalier, L. Gremillard, A. V. Virkar and D. R. Clarke: J. Am. Ceram. Soc., 92 (2009) 1901. .Article
  • 7. X. Q. Cao, R. Vassen and D. Stoever: J. Eur. Ceram. Soc., 24 (2004) 1. .Article
  • 8. K. Muraleedharan, J. Subrahmanyam and S. B. Bhaduri: J. Am. Ceram. Soc., 71 (1988) C-226. .Article
  • 9. E. H. Kisi and C. J. Howard: Key Eng. Mater., 153 (1998) 1. .Article
  • 10. B. Basu, J. Vleugels and O. V. D. Biest: J. Mater. Sci. Eng., A, 366 (2004) 338. .Article
  • 11. C. Viazzi, J.-P. Bonino, F. Ansart and A. Barnabé: J. Alloys Compd., 452 (2008) 377. .Article
  • 12. M. H. Oghaz, R. S. Razavi and M. R. L. Estarki: J. Sol- Gel Sci. Technol., 70 (2014) 6. .Article
  • 13. M. Bahamirian, S. M. M. Hadavi, M. Farvizi, M. R. Rahimipour and A. Keyvani: Ceram. Int., 45 (2019) 7344. .Article
  • 14. R. L. Jones, R. F. Reidy and D. Mess: Surf. Coat. Technol., 82 (1996) 70. .Article
  • 15. P. Zhang and K.-L. Choy: IJOER, 1 (2015) 18. .
  • 16. D. Hotza, A. Leo, J. Sunarso and J. C. D. Costa: Nano Res., 6 (2009) 115..Article

Figure & Data

References

    Citations

    Citations to this article as recorded by  

      • ePub LinkePub Link
      • Cite this Article
        Cite this Article
        export Copy Download
        Close
        Download Citation
        Download a citation file in RIS format that can be imported by all major citation management software, including EndNote, ProCite, RefWorks, and Reference Manager.

        Format:
        • RIS — For EndNote, ProCite, RefWorks, and most other reference management software
        • BibTeX — For JabRef, BibDesk, and other BibTeX-specific software
        Include:
        • Citation for the content below
        Analysis of Monoclinic Phase Change and Microstructure According to High-temperature Heat Treatment of Oxide-doped YSZ
        J Powder Mater. 2022;29(6):468-476.   Published online December 1, 2022
        Close
      • XML DownloadXML Download
      Figure
      • 0
      • 1
      • 2
      • 3
      • 4
      • 5
      • 6
      Related articles
      Analysis of Monoclinic Phase Change and Microstructure According to High-temperature Heat Treatment of Oxide-doped YSZ
      Image Image Image Image Image Image Image
      Fig. 1 Results of thermal conductivity analysis of YSZ and oxide-doped compositions.
      Fig. 2 SEM image of YSZ and design composition powder sintered body (a) : YSZ, (b) : Nd YSZ, (c) : Nd Yb YSZ, (d) : Al Ti YSZ, (e) : Nd Al Ti YSZ.
      Fig. 3 SEM image of YSZ and design composition powder sintered body after heat treatment for 100 hours (a) : YSZ, (b) : Nd YSZ, (c) : Nd Yb YSZ, (d) : Al Ti YSZ, (e) : Nd Al Ti YSZ.
      Fig. 4 Grain size change before and after long-term heat treatment by composition.
      Fig. 5 XRD results of YSZ (a) : after sintered, (b) : after heat treatment for 100 hours.
      Fig. 6 XRD analysis results of YSZ doped with Nd2O3, Yb2O3 (a), (b) : after sintered, (c), (d) : after heat treatment for 100 hours.
      Fig. 7 XRD analysis results of YSZ doped with Nd2O3, Al2O3, TiO2 (a), (b) : after sintered, (c), (d) : after heat treatment for 100 hours.
      Analysis of Monoclinic Phase Change and Microstructure According to High-temperature Heat Treatment of Oxide-doped YSZ
      Table 1 YSZ and Oxide Doping Composition

      Table 2 Change in m-phase fraction before and after heat treatment by composition


      Journal of Powder Materials : Journal of Powder Materials
      TOP