KR102259348B1 - Environmental shield coating comprising non oxide substrate and method of fabricating thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 환경 차폐 코팅층에 관한 것이고, 이러한 환경 차폐 코팅층이 이용된 비산화물 기판에 관한 것이며, 또한 이러한 환경 차폐 코팅층을 포함한 비산화물 기판의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 환경 차폐 코팅층을 포함한 비산화물 기판은, 비산화물 기판(10); 및 환경 차폐 코팅층(20)을 포함한다.
환경 차폐 코팅층(20)은 3개의 층으로 이루어지며, 본드 코팅층(bond coating; 22); 중간 코팅층(intermediate coating; 24); 및 탑 코팅층(top coating; 26)으로 이루어진다.The present invention relates to an environmental shielding coating layer, to a non-oxide substrate using such an environmental shielding coating layer, and also to a method of manufacturing a non-oxide substrate including such an environmental shielding coating layer.
A non-oxide substrate including an environmental shielding coating layer according to an embodiment of the present invention includes a non-oxide substrate 10; And an environmental shielding coating layer 20.
The environmental shielding coating layer 20 is composed of three layers, and a bond coating layer 22; An intermediate coating (24); And a top coating (26).

Description

환경 차폐 코팅층을 포함한 비산화물 기판 및 이의 제조 방법 {ENVIRONMENTAL SHIELD COATING COMPRISING NON OXIDE SUBSTRATE AND METHOD OF FABRICATING THEREOF}Non-oxide substrate including environmental shielding coating layer and its manufacturing method {ENVIRONMENTAL SHIELD COATING COMPRISING NON OXIDE SUBSTRATE AND METHOD OF FABRICATING THEREOF}

본 발명은 환경 차폐 코팅층에 관한 것이고, 이러한 환경 차폐 코팅층이 이용된 비산화물 기판에 관한 것이며, 또한 이러한 환경 차폐 코팅층을 포함한 비산화물 기판의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an environmental shielding coating layer, to a non-oxide substrate using such an environmental shielding coating layer, and also to a method of manufacturing a non-oxide substrate including such an environmental shielding coating layer.

방위산업, 우주항공 및 첨단 산업에 적용되는 소재들은 극한 사용 환경인 초고온, 고압, 화학적 열화 등에 노출되는 대표적 소재들이다. 따라서 터빈 엔진 및 주변기기 등과 같은 핵심부품 소재에 대한 내열성, 경량화 그리고 내부식성을 갖춘 복합소재 개발과 그 소재를 유지하고 보호할 수 있는 기술이 요구되고 있다. 이러한 복합소재 중 내구성이 높고 고온안정성이 높은 탄화규소(SiC, silicon carbide) 기반의 세라믹 복합체(CMC, ceramic matrix composites) 소재가 초고온 사용환경용 소재로서 가스터빈엔진 및 주변 부품 등 여러 분야에 사용할 수 있는 소재로 주목받고 있다. Materials applied to the defense industry, aerospace and high-tech industries are representative materials that are exposed to extreme use environments such as ultra-high temperature, high pressure, and chemical deterioration. Therefore, development of composite materials with heat resistance, weight reduction, and corrosion resistance for core component materials such as turbine engines and peripheral devices, and technologies to maintain and protect the materials are required. Among these composite materials, ceramic matrix composites (CMC) based on silicon carbide (SiC), which have high durability and high temperature stability, are materials for ultra-high temperature use and can be used in various fields such as gas turbine engines and peripheral parts. It is attracting attention as a material.

하지만 SiC의 경우 1300 ℃ 이상의 고온 환경에서 CMAS (calcium-magnesium aluminosilicate)나 수분 등에 반복적으로 노출되는 환경에서는 침식 및 산화 등의 화학적 열화가 가속화될 수 있는 것으로 알려져 있다. 따라서 고온에서 화학적 열화 현상을 억제하고, Si계 CMC기재를 고온, 수분, 고압의 연료, 등 산화, 침식 환경에서 보호하고자 환경 차폐 코팅 기술(EBC)의 연구가 이루어지고 있다.However, in the case of SiC, it is known that chemical deterioration such as erosion and oxidation may be accelerated in an environment that is repeatedly exposed to CMAS (calcium-magnesium aluminosilicate) or moisture in a high temperature environment of 1300°C or higher. Therefore, studies of environmental shielding coating technology (EBC) are being conducted to suppress chemical degradation at high temperatures and protect Si-based CMC substrates from oxidation and erosion environments such as high temperature, moisture, and high pressure fuels.

항공기 터빈 엔진, 발전기 터빈의 재료는 SiC, Si3N4와 같은 재료가 이용되고, 이러한 재료들은 수분이나 산소에 매우 취약한 문제점이 있고, 고온에서 내화학성이 필요하다. 사용온도가 1200 내지 1800℃이므로 고온에서 내화학성(화학적 열화를 막음)이 필요하다.Materials such as SiC and Si 3 N 4 are used for aircraft turbine engines and generator turbines, and these materials are very vulnerable to moisture or oxygen, and chemical resistance is required at high temperatures. Since the operating temperature is 1200 to 1800°C, chemical resistance (preventing chemical deterioration) at high temperature is required.

이러한 고온에서 내열성 및 내화학성을 나타내는 코팅에 대한 연구가 지속적으로 이루어지고 있는 실정이다.Research on coatings that exhibit heat resistance and chemical resistance at such high temperatures are continuously being conducted.

본 발명은 고온에서 기판(모재)의 내열성 및 내화학성을 확보하기 위한 환경 차폐 코팅층을 제공하고자 하고, 또한 이러한 환경 차폐 코팅층을 포함한 기판의 제조 방법을 제공하고자 한다.The present invention is to provide an environmental shielding coating layer for securing heat resistance and chemical resistance of a substrate (base material) at high temperature, and also to provide a method of manufacturing a substrate including such an environmental shielding coating layer.

본 발명의 일 실시예에 따른 환경 차폐 코팅층을 포함한 비산화물 기판은, 비산화물 기판; 상기 비산화물 기판 상의 실리콘계 본드 코팅층; 상기 본드 코팅층 상의 SiC 입자 또는 금속 입자가 내부에 형성된 A2Si2O7을 포함하는 중간 코팅층; 상기 중간 코팅층 상의 A2SiO5를 포함하는 탑 코팅층을 포함하고, 상기 A는 Y 또는 희토류 원소 중 어느 하나이다.A non-oxide substrate including an environmental shielding coating layer according to an embodiment of the present invention includes a non-oxide substrate; A silicon-based bond coating layer on the non-oxide substrate; An intermediate coating layer including A 2 Si 2 O 7 in which SiC particles or metal particles on the bond coating layer are formed therein; A top coating layer including A 2 SiO 5 on the intermediate coating layer, wherein A is any one of Y or rare earth elements.

상기 비산화물 기판은 실리콘계 비산화물 기판이다.The non-oxide substrate is a silicon-based non-oxide substrate.

상기 금속은 Ti 또는 Mo이다.The metal is Ti or Mo.

상기 중간 코팅층은 열분사형 코팅에 의해 A2Si2O7을 코팅한 이후 포어 또는 크랙을 통해 액상 습식 코팅에 의해 SiC 또는 금속을 주입하여 액상 치밀화를 이룬 형태이다.The intermediate coating layer is in the form of liquid densification by injecting SiC or metal by liquid wet coating through pores or cracks after coating A 2 Si 2 O 7 by thermal spray coating.

상기 SiC는 염 또는 고분자 형태로 주입된다.The SiC is injected in the form of a salt or a polymer.

상기 희토류 원소는 Y 또는 란타넘족 희토류 원소이다.The rare earth element is a Y or lanthanum group rare earth element.

상기 란타넘족 희토류 원소는 La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu 이다.The lanthanum group rare earth elements are La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu.

상기 비산화물 기판은 1400℃ 이상의 온도에서 사용이 가능하다.The non-oxide substrate can be used at a temperature of 1400°C or higher.

본 발명의 일 실시예에 따른 비산화물 기판에 환경 차폐 코팅층을 형성하는 방법은, 비산화물 기판을 준비하는 단계; 상기 기판 상에 실리콘계 본드 코팅층을 형성하는 단계; 상기 본드 코팅층 상에 SiC 입자 또는 금속 입자가 내부에 형성된 A2Si2O7을 포함하는 중간 코팅층을 형성하는 단계; 상기 중간 코팅층 상의 A2SiO5를 포함하는 탑 코팅층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 A는 Y 또는 희토류 원소 중 어느 하나이다.A method of forming an environment shielding coating layer on a non-oxide substrate according to an embodiment of the present invention includes: preparing a non-oxide substrate; Forming a silicon-based bond coating layer on the substrate; Forming an intermediate coating layer including A 2 Si 2 O 7 having SiC particles or metal particles formed therein on the bond coating layer; And forming a top coating layer including A 2 SiO 5 on the intermediate coating layer, wherein A is any one of Y or rare earth elements.

상기 비산화물 기판은 실리콘계 비산화물 기판이다.The non-oxide substrate is a silicon-based non-oxide substrate.

상기 금속은 Ti 또는 Mo이다.The metal is Ti or Mo.

상기 중간 코팅층을 형성하는 단계는, 열분사형 코팅에 의해 A2Si2O7을 코팅하는 단계; 및 포어 또는 크랙을 통해 액상 습식 코팅에 의해 SiC 또는 금속을 주입하여 액상 치밀화를 형성하는 단계를 포함한다.The forming of the intermediate coating layer may include coating A 2 Si 2 O 7 by thermal spray coating; And injecting SiC or metal by liquid wet coating through pores or cracks to form liquid densification.

상기 SiC는 염 또는 고분자 형태로 주입된다.The SiC is injected in the form of a salt or a polymer.

상기 열분사형 코팅은 서스펜션 플라즈마 스프레이(SPS: Suspension Plasma Spray) 또는 대기 플라즈마 스프레이(APS: Air Plasma Spray)로 이루어진다.The thermal spray type coating is made of a suspension plasma spray (SPS) or an air plasma spray (APS).

상기 희토류 원소는 Y 또는 란타넘족 희토류 원소이다.The rare earth element is a Y or lanthanum group rare earth element.

상기 란타넘족 희토류 원소는 La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu 이다.The lanthanum group rare earth elements are La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu.

상기 비산화물 기판은 1400℃ 이상의 온도에서 사용이 가능하다.The non-oxide substrate can be used at a temperature of 1400°C or higher.

상기 탑 코팅층은 A2Si2O7을 추가로 포함할 수 있다.The top coating layer may further include A 2 Si 2 O 7 .

본 발명에서는 기판(모재) 상에 환경 차폐 코팅층을 형성함으로써 이를 통해 고온 화학적 안정성이 향상된 차폐 코팅층을 제공한다.In the present invention, an environmental shielding coating layer is formed on a substrate (base material), thereby providing a shielding coating layer having improved high temperature chemical stability.

이러한 환경 차폐 코팅층은 3층으로 이루어진 코팅층을 제공한다.This environmental shielding coating layer provides a coating layer consisting of three layers.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 환경 차폐 코팅층을 포함한 비산화물 기판을 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 비산화물 기판에 환경 차폐 코팅층을 형성하는 방법의 순서도를 도시한다.
다양한 실시예들이 이제 도면을 참조하여 설명되며, 전체 도면에서 걸쳐 유사한 도면번호는 유사한 엘리먼트를 나타내기 위해서 사용된다. 설명을 위해 본 명세서에서, 다양한 설명들이 본 발명의 이해를 제공하기 위해서 제시된다. 그러나 이러한 실시예들은 이러한 특정 설명 없이도 실행될 수 있음이 명백하다. 다른 예들에서, 공지된 구조 및 장치들은 실시예들의 설명을 용이하게 하기 위해서 블록 다이아그램 형태로 제시된다. 1 shows a non-oxide substrate including an environmental shielding coating layer according to an embodiment of the present invention.
2 shows a flow chart of a method of forming an environmental shielding coating layer on a non-oxide substrate according to an embodiment of the present invention.
Various embodiments are now described with reference to the drawings, in which like reference numbers are used to indicate like elements throughout the drawings. In this specification for purposes of explanation, various descriptions are presented to provide an understanding of the invention. However, it is clear that these embodiments may be practiced without this specific description. In other examples, well-known structures and devices are presented in block diagram form to facilitate description of the embodiments.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the present invention, various modifications may be made and various forms may be applied, and specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to a specific form disclosed, it should be understood to include all changes, equivalents, or substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In describing each drawing, similar reference numerals have been used for similar elements.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the present application are only used to describe specific embodiments and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In the present application, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate the presence of features, steps, actions, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but one or more other features or steps. It is to be understood that it does not preclude the possibility of addition or presence of, operations, components, parts, or combinations thereof.

본 발명은 고온에서 기판(모재)의 내열성 및 내화학성을 확보하기 위한 환경 차폐 코팅층 및 환경 차폐 코팅층을 포함한 기판의 제조 방법을 제공한다.The present invention provides a method of manufacturing a substrate including an environmental shielding coating layer and an environmental shielding coating layer for securing heat resistance and chemical resistance of a substrate (base material) at high temperatures.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 환경 차폐 코팅층을 포함한 비산화물 기판을 도시한다. 1 shows a non-oxide substrate including an environmental shielding coating layer according to an embodiment of the present invention.

도 1에서 도시된 것처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 환경 차폐 코팅층을 포함한 비산화물 기판은, 비산화물 기판(10); 및 환경 차폐 코팅층(20)을 포함한다. As shown in FIG. 1, a non-oxide substrate including an environmental shielding coating layer according to an embodiment of the present invention includes a non-oxide substrate 10; And an environmental shielding coating layer 20.

환경 차폐 코팅층(20)은 3개의 층으로 이루어지며, 본드 코팅층(bond coating; 22); 중간 코팅층(intermediate coating; 24); 및 탑 코팅층(top coating; 26)으로 이루어진다.The environmental shielding coating layer 20 is composed of three layers, and a bond coating layer 22; An intermediate coating (24); And a top coating (26).

비산화물 기판(10)은 실리콘계 비산화물 기판이 이용되며, 비산화물계 CMC(Ceramic Matrix Composite) 또는 비산화물계 세라믹 기판이 이용될 수 있으며, 코팅이 이루어지는 기판(모재)은 SiC 또는 Si3N4인 것이 이용될 수 있으며, 이러한 기판은 방위산업, 우주항공 및 첨단 산업에 적용되는 소재들은 극한 사용 환경인 초고온, 고압, 화학적 열화 등의 에 노출되는 대표적 소재들이다. 터빈 엔진 및 주변기기 등과 같은 핵심부품으로 이용된다. Non-oxide substrate 10 is used where the silicon-based non-oxide substrate, a non-oxide-based CMC (Ceramic Matrix Composite) or non-oxide-based ceramic, and the substrate may be used, the SiC or Si 3 N 4 substrate (base material) coating is formed Materials that are applied to the defense industry, aerospace and high-tech industries are representative materials exposed to extreme use environments such as ultra-high temperature, high pressure, and chemical deterioration. It is used as a core component such as a turbine engine and peripheral devices.

본드 코팅층(22)은 실리콘계 물질로 이루어지는 것이 이용될 수 있으며, 기타 본딩 역할을 하는 재료가 이용 가능할 수 있다. 본드 코팅층은 기판과 중간 코팅층 사이에서 서로를 연결시켜주는 역할을 하며 기판 보호 배리어 역할도 한다. 본드 코팅층은 바람직하게는 기판과 중간 코팅층의 재료의 각각의 열팽창 계수의 사이의 값에 있는 재료를 이용하는 것이 바람직하다. 이에 의해 온도 변화에 따른 열팽창에 의한 변화율을 최소화하여 중간 코팅층이 잘 유지되도록 한다.The bond coating layer 22 may be made of a silicon-based material, and other bonding materials may be used. The bond coating layer serves to connect the substrate and the intermediate coating layer to each other, and also serves as a substrate protection barrier. It is preferable that the bond coating layer preferably uses a material that is in a value between the respective coefficients of thermal expansion of the material of the substrate and the intermediate coating layer. This minimizes the rate of change due to thermal expansion according to temperature change so that the intermediate coating layer is well maintained.

중간 코팅층(24)은 본드 코팅층(22) 상에 형성되며, SiC 입자 또는 금속 입자가 내부에 형성된 A2Si2O7을 포함한다. 이러한 중간 코팅층은 A2Si2O7와 산소 트랩퍼(oxygen trapper) 또는 산소 스캐빈저(oxygen scavenger) 역할을 하는 SiC 입자 또는 금속 입자가 A2Si2O7의 내부에 형성된다. The intermediate coating layer 24 is formed on the bond coating layer 22 and includes A 2 Si 2 O 7 having SiC particles or metal particles formed therein. In this intermediate coating layer, A 2 Si 2 O 7 and SiC particles or metal particles serving as an oxygen trapper or oxygen scavenger are formed inside A 2 Si 2 O 7.

중간 코팅층은 열분사형 코팅에 의해 A2Si2O7을 코팅한 이후 입자표면 또는 경계, 포어 또는 크랙을 통해 액상 습식 코팅 방식에 의해 SiC 또는 금속을 주입하여 액상 치밀화를 이룬 형태이다. 중간 코팅층의 형성은 열분사형 코팅에 의해 A2Si2O7을 코팅하는 단계; 및 입자표면 또는 경계, 포어 또는 크랙을 통해 액상 습식 코팅에 의해 SiC 또는 금속을 주입하여 액상 치밀화를 형성하는 단계를 포함한다.The intermediate coating layer is in the form of liquid densification by injecting SiC or metal by liquid wet coating method through the particle surface or boundary, pores or cracks after coating A2Si2O7 by thermal spray coating. The formation of the intermediate coating layer may include coating A2Si2O7 by thermal spray type coating; And injecting SiC or metal by liquid wet coating through particle surfaces or boundaries, pores or cracks to form liquid densification.

본드 코팅층 위에 먼저 열분사형 코팅 방법을 이용하여 A2Si2O7을 코팅한다. 이러한 A2Si2O7층에는 수 나노미터 내지 수 마이크로 미터 크기의 포어(pore) 또는 크랙(crack)이 존재하도록 형성되며, 이러한 포어 또는 기공은 열 분사형 코팅을 이용함에 의해 형성된다. 특히 서스펜션 플라즈마 스프레이(SPS: Suspension Plasma Spray) 또는 대기 플라즈마 스프레이(APS: Air Plasma Spray)를 이용함으로써 수십 나노미터 내지 수백 나노미터 크기의 포어가 형성될 수 있다. First, A 2 Si 2 O 7 is coated on the bond coating layer using a thermal spray coating method. The A 2 Si 2 O 7 layer is formed to have pores or cracks having a size of several nanometers to several micrometers, and these pores or pores are formed by using a thermal spray type coating. In particular, by using a suspension plasma spray (SPS) or an air plasma spray (APS), pores having a size of several tens of nanometers to several hundreds of nanometers may be formed.

이후 이러한 포어 또는 크랙을 메우기 위해 액상 습식 코팅에 의해 SiC 또는 금속을 주입하여 액상 치밀화를 형성한다. Si-C가 될 수 있는 전구체 염 또는 전구체 고분자 또는 금속염을 액상 형태로 A2Si2O7층에 주입한다. 이러한 액상 습식 코팅은 예를 들어 딥 코팅 또는 스크린 프린팅과 같은 방식을 이용할 수 있다. 이후 열처리 및 큐어링(curing)을 통해 입자화시키면 나노 크기의 SiC 또는 금속 입자가 형성되어 포어 또는 크랙을 메우게 된다. 금속염은 Ti 또는 Mo의 염이 이용될 수 있다.Thereafter, in order to fill in these pores or cracks, SiC or metal is injected by liquid wet coating to form liquid densification. A precursor salt, which may be Si-C, or a precursor polymer or metal salt is injected into the A 2 Si 2 O 7 layer in liquid form. Such liquid wet coating may use a method such as dip coating or screen printing, for example. Subsequently, when particles are formed through heat treatment and curing, nano-sized SiC or metal particles are formed to fill pores or cracks. As the metal salt, a salt of Ti or Mo may be used.

중간 코팅층은 산소 또는 수분을 트랩하는 화학적 배리어로써 작용을 할 뿐만 아니라 포어 또는 크랙을 메우게 되므로 물리적 배리어로써의 작용도 함께 하게 된다. The intermediate coating layer not only acts as a chemical barrier trapping oxygen or moisture, but also fills up pores or cracks, and thus acts as a physical barrier.

중간 코팅층에서 SiC를 이용하면, 중간 코팅층의 SiC와 Si계 본드 코팅층이 모두 Si계 물질로 유사함이 있고, 이에 의해 열팽창계수의 차이가 적기 때문에 SiC를 이용하여 중간층에 배치하는 것이 바람직하다. 왜냐하면 이후 설명하는 탑 코팅층은 Si계 물질이 아니어서 본드 코팅층과의 열팽창 계수 차이가 크기 때문이다.When SiC is used in the intermediate coating layer, both the SiC and the Si-based bond coating layer of the intermediate coating layer are similar to the Si-based material, whereby the difference in the coefficient of thermal expansion is small, so it is preferable to use SiC to place the intermediate layer. This is because the top coating layer described later is not a Si-based material and thus has a large difference in thermal expansion coefficient with the bond coating layer.

한편, A2Si2O7층에서 A는 Y 또는 희토류 원소 중 어느 하나이며, 이는 뒤에서 자세히 설명하도록 하겠다.Meanwhile, in the A 2 Si 2 O 7 layer, A is either Y or a rare earth element, which will be described in detail later.

탑 코팅층(26)은 중간 코팅층(24) 상에 형성되며 A2SiO5를 포함한다. 또한, 탑 코팅층은 A2SiO5 및 A2Si2O7를 모두 포함할 수 있다.The top coating layer 26 is formed on the intermediate coating layer 24 and includes A 2 SiO 5. In addition, the top coating layer is A 2 SiO 5 and A 2 Si 2 O 7 may include all.

탑 코팅층은 A2SiO5를 포함하는 고온상의 물질이며 이러한 탑 코팅층은 열분사형 코팅에 의해 코팅된다.The top coating layer is a high-temperature material containing A 2 SiO 5 , and this top coating layer is coated by a thermal spray type coating.

A는 Y 또는 희토류 원소 중 어느 하나이며, 희토류 원소는 란타넘족 희토류 원소이고, 란타넘족 희토류 원소는 La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu 이다.A is either Y or a rare earth element, the rare earth element is a lanthanum group rare earth element, and the lanthanum group rare earth element is La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm , Yb, Lu.

탑 코팅층(26)으로 이용되는 고온상 물질인 A2SiO5는 Si 및 산소와 반응하여 A2Si2O7로 변경된다. A 2 SiO 5, which is a high-temperature material used as the top coating layer 26, reacts with Si and oxygen to change to A 2 Si 2 O 7.

본 발명에서는 3중 코팅층으로 이루어지며 탑 코팅층에서 먼저 산소와 A2SiO5가 반응하는 경우 일부가 A2Si2O7로 변경되면서 일차적으로 산소 또는 수분의 내부층으로의 침투를 막아주고, 이후 중간 코팅층에서 SiC 또는 금속 입자가 산소 또는 수분을 트랩하여 이차적으로 산소 또는 수분의 침투를 막아준다. In the present invention, it consists of a triple coating layer, and when oxygen and A 2 SiO 5 react first in the top coating layer, some of them are changed to A 2 Si 2 O 7 to prevent penetration of oxygen or moisture into the inner layer first, and then SiC or metal particles in the intermediate coating layer trap oxygen or moisture to prevent the penetration of oxygen or moisture secondary.

한편, 탑 코팅층과 중간 코팅층에서 A는 동일한 것이 이용되는 것이 바람직하다. 왜냐하면 각 층 간의 열팽창 계수 차이가 적을수록 코팅층으로써 특성이 좋기 때문이다.On the other hand, in the top coating layer and the intermediate coating layer, it is preferable that the same A is used. This is because the smaller the difference in the coefficient of thermal expansion between the layers, the better the properties as a coating layer.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 비산화물 기판에 환경 차폐 코팅층을 형성하는 방법에 대해 설명하도록 하겠다. 위에서 설명한 부분과 중복되는 부분에 대해서는 반복 설명을 생략하도록 하겠다.Hereinafter, a method of forming an environmental shielding coating layer on a non-oxide substrate according to an embodiment of the present invention will be described. Repetitive descriptions of parts that overlap with those described above will be omitted.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 비산화물 기판에 환경 차폐 코팅층을 형성하는 방법의 순서도를 도시한다.2 shows a flow chart of a method of forming an environmental shielding coating layer on a non-oxide substrate according to an embodiment of the present invention.

도 2에서 도시된 것처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 비산화물 기판에 환경 차폐 코팅층을 형성하는 방법은, 비산화물 기판을 준비하는 단계(S 210); 상기 기판 상에 실리콘계 본드 코팅층을 형성하는 단계(S 220); 상기 본드 코팅층 상에 SiC 입자 또는 금속 입자가 내부에 형성된 A2Si2O7을 포함하는 중간 코팅층을 형성하는 단계(S 230); 상기 중간 코팅층 상의 A2SiO5를 포함하는 탑 코팅층을 형성하는 단계(S 240)를 포함한다.As shown in FIG. 2, a method of forming an environmental shielding coating layer on a non-oxide substrate according to an embodiment of the present invention includes: preparing a non-oxide substrate (S 210); Forming a silicon-based bond coating layer on the substrate (S 220); Forming an intermediate coating layer including A 2 Si 2 O 7 having SiC particles or metal particles formed therein on the bond coating layer (S 230); And forming a top coating layer including A 2 SiO 5 on the intermediate coating layer (S 240).

S 210 단계에서는 비산화물 기판을 준비한다. 실리콘계 비산화물 기판이 이용되며, 비산화물계 CMC(Ceramic Matrix Composite) 또는 비산화물계 세라믹 기판이 이용될 수 있으며, 코팅이 이루어지는 기판(모재)은 SiC 또는 Si3N4인 것이 이용될 수 있으며, 이러한 기판은 방위산업, 우주항공 및 첨단 산업에 적용되는 소재들은 극한 사용 환경인 초고온, 고압, 화학적 열화 등의 에 노출되는 대표적 소재들이다. 터빈 엔진 및 주변기기 등과 같은 핵심부품으로 이용된다.In step S210, a non-oxide substrate is prepared. A silicon-based non-oxide substrate may be used, a non-oxide-based CMC (Ceramic Matrix Composite) or a non-oxide-based ceramic substrate may be used, and the substrate (base material) on which the coating is formed may be SiC or Si 3 N 4 , These substrates are representative materials that are exposed to extreme use environments such as ultra-high temperature, high pressure, and chemical deterioration. It is used as a core component such as a turbine engine and peripheral devices.

S 220 단계에서는 기판 상에 실리콘계 본드 코팅층을 형성한다. 본드 코팅층(22)은 실리콘계 물질로 이루어지는 것이 이용될 수 있으며, 기타 본딩 역할을 하는 재료가 이용 가능할 수 있다. 본드 코팅층은 기판과 중간 코팅층 사이에서 서로를 연결시켜주는 역할을 하며 기판 보호 배리어 역할도 한다. 본드 코팅층은 바람직하게는 기판과 중간 코팅층의 재료의 각각의 열팽창 계수의 사이의 값에 있는 재료를 이용하는 것이 바람직하다. 이에 의해 온도 변화에 따른 열팽창에 의한 변화율을 최소화하여 중간 코팅층이 잘 유지되도록 한다.In step S220, a silicon-based bond coating layer is formed on the substrate. The bond coating layer 22 may be made of a silicon-based material, and other bonding materials may be used. The bond coating layer serves to connect the substrate and the intermediate coating layer to each other, and also serves as a substrate protection barrier. It is preferable that the bond coating layer preferably uses a material that is in a value between the respective coefficients of thermal expansion of the material of the substrate and the intermediate coating layer. This minimizes the rate of change due to thermal expansion according to temperature change so that the intermediate coating layer is well maintained.

S 230 단계에서는 본드 코팅층 상에 SiC 입자 또는 금속 입자가 내부에 형성된 A2Si2O7을 포함하는 중간 코팅층을 형성한다. In step S 230, an intermediate coating layer including A 2 Si 2 O 7 in which SiC particles or metal particles are formed on the bond coating layer is formed.

중간 코팅층은 열분사형 코팅에 의해 A2Si2O7을 코팅한 이후 입자표면 또는 경계, 포어 또는 크랙을 통해 액상 습식 코팅에 의해 SiC 또는 금속을 주입하여 액상 치밀화를 이룬 형태이다. 중간 코팅층의 형성은 열분사형 코팅에 의해 A2Si2O7을 코팅하는 단계; 및 포어 또는 크랙을 통해 액상 습식 코팅에 의해 SiC 또는 금속을 주입하여 액상 치밀화를 형성하는 단계를 포함한다.The intermediate coating layer is in the form of liquid densification by injecting SiC or metal by liquid wet coating through particle surfaces or boundaries, pores or cracks after coating A 2 Si 2 O 7 by thermal spray coating. The formation of the intermediate coating layer is a step of coating A 2 Si 2 O 7 by thermal spray type coating; And injecting SiC or metal by liquid wet coating through pores or cracks to form liquid densification.

본드 코팅층 위에 먼저 열분사형 코팅 방법을 이용하여 A2Si2O7을 코팅한다. 이러한 A2Si2O7층에는 수 나노미터 내지 수 마이크로 미터 크기의 포어(pore) 또는 크랙(crack)이 존재하도록 형성되며, 이러한 포어 또는 기공은 열 분사형 코팅을 이용함에 의해 형성된다. 특히 서스펜션 플라즈마 스프레이(SPS: Suspension Plasma Spray) 또는 대기 플라즈마 스프레이(APS: Air Plasma Spray)를 이용함으로써 수십 나노미터 내지 수백 나노미터 크기의 포어가 형성될 수 있다. First, A 2 Si 2 O 7 is coated on the bond coating layer using a thermal spray coating method. The A 2 Si 2 O 7 layer is formed to have pores or cracks having a size of several nanometers to several micrometers, and these pores or pores are formed by using a thermal spray type coating. In particular, by using a suspension plasma spray (SPS) or an air plasma spray (APS), pores having a size of several tens of nanometers to several hundreds of nanometers may be formed.

이후 이러한 포어 또는 크랙을 메우기 위해 액상 습식 코팅에 의해 SiC 또는 금속을 주입하여 액상 치밀화를 형성한다. Si-C가 될 수 있는 전구체 염 또는 전구체 고분자 또는 금속염을 액상 형태로 A2Si2O7층에 주입한다. 이러한 액상 습식 코팅은 예를 들어 딥 코팅 또는 스크린 프린팅과 같은 방식을 이용할 수 있다. 이후 열처리 및 큐어링(curing)을 통해 입자화시키면 나노 크기의 SiC 또는 금속 입자가 포어 또는 크랙을 메우게 된다. 금속염은 Ti 또는 Mo의 염이 이용될 수 있다.Thereafter, in order to fill in these pores or cracks, SiC or metal is injected by liquid wet coating to form liquid densification. A precursor salt, which may be Si-C, or a precursor polymer or metal salt is injected into the A 2 Si 2 O 7 layer in liquid form. Such liquid wet coating may use a method such as dip coating or screen printing, for example. Subsequently, when particles are formed through heat treatment and curing, nano-sized SiC or metal particles fill the pores or cracks. As the metal salt, a salt of Ti or Mo may be used.

S 240 단계에서는 중간 코팅층 상에 A2SiO5를 포함하는 탑 코팅층을 형성한다. 탑 코팅층은 A2SiO5를 포함하는 고온상의 물질이며 이러한 탑 코팅층은 열분사형 코팅에 의해 코팅된다.In step S 240, a top coating layer including A 2 SiO 5 is formed on the intermediate coating layer. The top coating layer is a high-temperature material containing A 2 SiO 5 , and this top coating layer is coated by a thermal spray type coating.

A는 Y 또는 희토류 원소 중 어느 하나이며, 희토류 원소는 란타넘족 희토류 원소이고, 란타넘족 희토류 원소는 La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu 이다.A is either Y or a rare earth element, the rare earth element is a lanthanum group rare earth element, and the lanthanum group rare earth element is La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm , Yb, Lu.

탑 코팅층으로 이용되는 고온상 물질인 A2SiO5는 Si 및 산소와 반응하여 A2Si2O7로 변경된다. A 2 SiO 5 , a high-temperature material used as the top coating layer, reacts with Si and oxygen to change to A 2 Si 2 O 7.

지금까지 설명한 본 발명의 방법에 따라 제조된 환경 차폐 코팅층을 포함한 비산화물 기판은, 고온 내열성 및 고온에서 내화학성을 나타낸다. 따라서, 이러한 비산화물 기판은 화학 플랜트, 항공기 엔진, 원자력 발전소, 우주 항공 재료로 이용 가능하다.The non-oxide substrate including the environmental shielding coating layer manufactured according to the method of the present invention described so far exhibits high temperature heat resistance and chemical resistance at high temperature. Therefore, these non-oxide substrates can be used in chemical plants, aircraft engines, nuclear power plants, and aerospace materials.

제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다. The description of the presented embodiments is provided to enable any person skilled in the art to use or practice the present invention. Various modifications to these embodiments will be apparent to those of ordinary skill in the art, and general principles defined herein can be applied to other embodiments without departing from the scope of the present invention. Thus, the present invention is not to be limited to the embodiments presented herein, but is to be construed in the widest scope consistent with the principles and novel features presented herein.

Claims (19)

비산화물 기판;
상기 비산화물 기판 상의 실리콘계 본드 코팅층;
상기 본드 코팅층 상의 SiC 입자가 내부에 형성된 A2Si2O7을 포함하는 중간 코팅층;
상기 중간 코팅층 상의 A2SiO5를 포함하는 탑 코팅층을 포함하고,
상기 A는 Y 또는 희토류 원소 중 어느 하나이며,
상기 중간 코팅층은 열분사형 코팅에 의해 A2Si2O7을 코팅한 이후 포어 또는 크랙을 통해 액상 습식 코팅에 의해 SiC를 주입하여 액상 치밀화를 이룬 형태이고, 상기 SiC는 염 또는 고분자 형태로 주입되는,
환경 차폐 코팅층을 포함한 비산화물 기판.
Non-oxide substrate;
A silicon-based bond coating layer on the non-oxide substrate;
An intermediate coating layer including A 2 Si 2 O 7 having SiC particles on the bond coating layer formed therein;
Including a top coating layer comprising A 2 SiO 5 on the intermediate coating layer,
A is any one of Y or rare earth elements,
The intermediate coating layer is in the form of liquid densification by injecting SiC by liquid wet coating through pores or cracks after coating A 2 Si 2 O 7 by thermal spray coating, and the SiC is injected in the form of salt or polymer. ,
Non-oxide substrate with environmental shielding coating layer.
 제 1 항에 있어서,
상기 비산화물 기판은 실리콘계 비산화물 기판인,
환경 차폐 코팅층을 포함한 비산화물 기판.
The method of claim 1,
The non-oxide substrate is a silicon-based non-oxide substrate,
Non-oxide substrate with environmental shielding coating layer.
 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 희토류 원소는 Y 또는 란타넘족 희토류 원소인,
환경 차폐 코팅층을 포함한 비산화물 기판.
The method of claim 1,
The rare earth element is Y or a lanthanum group rare earth element,
Non-oxide substrate with environmental shielding coating layer.
 제 6 항에 있어서,
상기 란타넘족 희토류 원소는 La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu 인,
환경 차폐 코팅층을 포함한 비산화물 기판.
The method of claim 6,
The lanthanum group rare earth elements are La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu phosphorus,
Non-oxide substrate with environmental shielding coating layer.
 제 1 항에 있어서,
상기 비산화물 기판은 1400℃ 이상의 온도에서 사용이 가능한,
환경 차폐 코팅층을 포함한 비산화물 기판.
The method of claim 1,
The non-oxide substrate can be used at a temperature of 1400 °C or higher,
Non-oxide substrate with environmental shielding coating layer.
 비산화물 기판을 준비하는 단계;
상기 기판 상에 실리콘계 본드 코팅층을 형성하는 단계;
상기 본드 코팅층 상에 SiC 입자가 내부에 형성된 A2Si2O7을 포함하는 중간 코팅층을 형성하는 단계;
상기 중간 코팅층 상의 A2SiO5를 포함하는 탑 코팅층을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 A는 Y 또는 희토류 원소 중 어느 하나이며,
상기 중간 코팅층을 형성하는 단계는,
열분사형 코팅에 의해 A2Si2O7을 코팅하는 단계; 및
포어 또는 크랙을 통해 액상 습식 코팅에 의해 SiC 또는 금속을 주입하여 액상 치밀화를 형성하는 단계를 포함하고,
상기 SiC는 염 또는 고분자 형태로 주입되는,
비산화물 기판에 환경 차폐 코팅층을 형성하는 방법.
Preparing a non-oxide substrate;
Forming a silicon-based bond coating layer on the substrate;
Forming an intermediate coating layer including A 2 Si 2 O 7 having SiC particles formed therein on the bond coating layer;
Including the step of forming a top coating layer comprising A 2 SiO 5 on the intermediate coating layer,
A is any one of Y or rare earth elements,
The step of forming the intermediate coating layer,
Coating A 2 Si 2 O 7 by thermal spray coating; And
Injecting SiC or metal by liquid wet coating through pores or cracks to form liquid densification,
The SiC is injected in the form of a salt or a polymer,
A method of forming an environmental shielding coating layer on a non-oxide substrate.
 제 9 항에 있어서,
상기 비산화물 기판은 실리콘계 비산화물 기판인,
비산화물 기판에 환경 차폐 코팅층을 형성하는 방법.
The method of claim 9,
The non-oxide substrate is a silicon-based non-oxide substrate,
A method of forming an environmental shielding coating layer on a non-oxide substrate.
 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제 9 항에 있어서,
상기 열분사형 코팅은 서스펜션 플라즈마 스프레이(SPS: Suspension Plasma Spray) 또는 대기 플라즈마 스프레이(APS: Air Plasma Spray)로 이루어지는,
비산화물 기판에 환경 차폐 코팅층을 형성하는 방법.
The method of claim 9,
The thermal spray type coating is made of a suspension plasma spray (SPS) or an atmospheric plasma spray (APS),
A method of forming an environmental shielding coating layer on a non-oxide substrate.
 제 9 항에 있어서,
상기 희토류 원소는 Y 또는 란타넘족 희토류 원소인,
비산화물 기판에 환경 차폐 코팅층을 형성하는 방법.
The method of claim 9,
The rare earth element is Y or a lanthanum group rare earth element,
A method of forming an environmental shielding coating layer on a non-oxide substrate.
 제 15 항에 있어서,
상기 란타넘족 희토류 원소는 La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu 인,
비산화물 기판에 환경 차폐 코팅층을 형성하는 방법.
The method of claim 15,
The lanthanum group rare earth elements are La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu phosphorus,
A method of forming an environmental shielding coating layer on a non-oxide substrate.
 제 9 항에 있어서,
상기 비산화물 기판은 1400℃ 이상의 온도에서 사용이 가능한,
비산화물 기판에 환경 차폐 코팅층을 형성하는 방법.
The method of claim 9,
The non-oxide substrate can be used at a temperature of 1400 °C or higher,
A method of forming an environmental shielding coating layer on a non-oxide substrate.
 제 1 항에 있어서,
상기 탑 코팅층은 A2Si2O7을 추가로 포함하는,
환경 차폐 코팅층을 포함한 비산화물 기판.
The method of claim 1,
The top coating layer further comprises A 2 Si 2 O 7 ,
Non-oxide substrate with environmental shielding coating layer.
 제 9 항에 있어서,
상기 탑 코팅층은 A2Si2O7을 추가로 포함하는,
비산화물 기판에 환경 차폐 코팅층을 형성하는 방법.The method of claim 9,
The top coating layer further comprises A 2 Si 2 O 7 ,
A method of forming an environmental shielding coating layer on a non-oxide substrate.
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