열피로하중 상태의 알루미나 코팅 엔진 피스톤부의 열차폐 성능에 관한 연구

Abstract

열차폐 코팅은 항공기 또는 가스터빈 엔진과 같이 고온환경에 노출되는 부품에 적용되는 방법으로써 부품의 표면온도를 낮추어 엔진 효율을 향상시키는 역할을 한다. 특히, 자동차 산업계에서는 피스톤 링에 얇은 알루미나 층을 코팅함으로써 2 % 이상의 연비향상을 가져왔다. 하지만 알루미나 코팅층은 알루미늄(Al6061) 하부층에 비해 상당히 취성적이며, 알루미늄과의 열팽창계수 차이로 인해 열피로하중에 취약하게 된다. 또한 열차폐 코팅층 내부에 생성된 산화물의 성장은 열차폐 코팅층의 지배적인 파손 메커니즘이다. 본 연구에서는 열피로하중에 의해 열화된 알루미나 코팅층의 열차폐 성능을 확인하기 위하여 두께 약 300 ㎛로 알루미나 코팅된 알루미늄 시편을 준비하였다. 엔진부의 가혹 온도조건을 고려하여 알루미늄 시편을 400 ℃까지 4분동안 가열한 다음 120 ℃까지 6분동안 냉각시켰다. 열피로에 의해 알루미나 코팅층과 알루미늄 하부층 사이에서 층간분리가 발생하였으며 또한 알루미나 코팅층 내부에서도 균열이 발생함을 확인하였다. 시편에 가해진 열피로 사이클 수가 증가함에 따라 균열 밀도(균열의 수/코팅층의 면적)가 증가하였고, 이로 인해 열차폐 성능이 감소하였다. 실험 결과에 기반하여 열피로 사이클 수와 열차폐 성능간의 경험식을 도출하였다. Thermal barrier coating is a method applied to the components which are exposed to a high temperature environment such as aircraft engines or gas turbines, and it plays an enhancing role in the engine efficiency by lowering the surface temperature of components. Particularly, in the motor industry, an improvement in the fuel efficiency over 2 % was achieved by coating a thin alumina layer to a piston ring. However, compared to the aluminum (Al6061) substrate layer, the alumina coating layer is significantly brittle, and it is vulnerable to thermal fatigue loads due to the large differences in the coefficient of thermal expansion between the alumina coating layer and the aluminum substrate layer. Also, the growth of oxide formed within the thermal barrier coating layer is a dominant failure mechanism in the thermal barrier coating layer. In this study, Al alloy specimen coated with the alumina layer with a thickness of 300 ㎛ was prepared in order to study on the thermal barrier performance of the alumina coating layer degraded by thermal fatigue loads. Considering the severe temperature condition of an engine part, the Al alloy specimen was heated up to 400 ℃ for four minutes and then cooled down to 120 ℃ for six minutes. It was confirmed that delamination fracture between the alumina coating layer and the aluminum substrate layer was induced by thermal fatigue, and also cracks were observed within the alumina coating layer. The crack density (the number of cracks/area of alumina coating layer) increased with increasing the number of thermal cycles, thereby inducing the decrease in the performance of thermal barrier. Based on the experimental results, an empirical equation between the number of thermal cycles and the performance of thermal barrier was drawn.