KR101007675B1 - 보조 캡 이 부착된 플라즈마 용사 건 및 이를 활용하는 플라즈마 용사 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플라즈마 용사 방식에 속도분사 방식의 보조가스 캡을 부착하여 기존 용사방식으로 적용하기 어려운 비결정금속 같은 신소재를 용사 코팅할 수 있도록 하는 보조 캡이 부착된 플라즈마 용사 코팅 시스템을 개시한다.
본 발명은 플라스마 가스, 전원, 고압 기체, 코팅재 및 냉각수를 공급하는 공급장치와, 상기 공급장치로 부터 플라스마 가스, 전원을 공급받아 플라스마 가스를 플라즈마 화염으로 변화시키고, 상기 플라즈마 화염에 코팅재를 탑재하여 분사하는 플라즈마 용사 건과, 상기 플라즈마 용사 건의 노즐외부에 설치되고, 별도의 보조가스 공급장치로 부터 보조 가스를 공급받아 플라즈마 용사 건으로부터 분사되는 화염을 둘러싸면서 함께 분사되어 플라즈마 화염의 분사압과 분사온도 및 분사 속도를 조절하고, 산소와의 접촉을 조절함으로서 고열에 의한 코팅층의 열화를 방지하면서 저융점 재료보다 융점이 높은 비결정금속과 같은 신소재도 용사가 가능하게 해 주는 보조 캡과, 상기 공급장치와 플라즈마 용사 건을 제어하는 제어장치로 구성되어 다양한 재료를 용사할 수 있는 유용한 효과를 얻을 수 있다.

Description

보조 캡 이 부착된 플라즈마 용사 건 및 이를 활용하는 플라즈마 용사 시스템 {PLASMA SPRAY GUN WITH AUXILIARY CAP AND PLASMA SPRAY SYSTEM USING THE SAME}

본 발명은 보조 캡(CAP) 이 부착된 플라즈마 용사 건(GUN) 및 장치에 관한 것으로 특히 플라즈마 용사 (Plasma Spray) 방식과 속도분사(Kinetic Spray) 방식을 혼합하여 플라즈마 화염의 온도와 속도조절범위를 넓혀 넓은 범위의 코팅재료를 용사 코팅할 수 있도록 하는 보조 캡이 부착된 플라즈마 용사 건 및 이를 활용하는 플라즈마 용사 시스템에 관한 것이다.

주지하는 바와 같이, 용사(Thermal Spray, 溶射)에는 코팅재인 선형재료 또는 금속 분체(Metal Powder)를 고온으로 녹인 후 분사하여 코팅하는 열용사 코팅(Thermal Spray Coating) 방식과 코팅용 분체를 코팅하고자 하는 모재의 표면에 고압, 고속으로 분사하여 충돌 시 발생되는 충격 에너지가열에너지로의 변환에 의해 분체가 용융 부착시키는 속도분사코팅(Kinetic Spray Coating) 방식이 있고, 상기 열용사 코팅 방식은 코팅재료를 가열하는 열원의 종류에 따라 가스식과 전기식으로 나뉘며, 가스식 용사에는 화염용사, 폭발용사, 고속용사(HVOF: High Velocity Oxygen Fuel Spraying)가 있고, 전기식 용사에는 아크용사, 플라즈마 용사, 선폭용사, 레이저(Laser)용사가 있으며, 최근에는 소형화가 가능하고 고열을 발생시킬 수 있어서 각종 세라믹과 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo)과 같은 고융점의 코팅재료를 사용할 수 있는 장점이 있는 플라즈마 용사에 대한 기술 개발이 활발하다. 대표적인 예로 대한민국 공개특허공보 제10-2008-0082283호(발명의 명칭 : 플라즈마 용사 코팅 방법 ; 이하 '인용발명'이라 함)가 있다.

이러한 용사의 공정은 일반적으로 모재에 대한 용착성을 확보하기 위해 코팅하고자 하는 모재의 표면에 불규칙형태의 고경도 입자를 분사하여 표면을 거칠게 하는 전처리 과정을 수행하고, 상기 전처리로 거칠게 된 표면에 코팅재료를 용융시켜 분사하여 모재의 표면에 코팅층을 형성하는 용사과정 및 용사 후 코팅층의 코팅특성을 향상시키는 마감처리 과정으로 이루어 진다.

그러나 저융점 금속과 고융점 소재의 중간정도의 융점을 갖는 신소재인 비결정금속이 개발되고 있으나, 기존 열용사를 이용하여 비결정금속을 용사할 경우 화염온도가 너무 높아 비결정분율이 저하되어 바람직하지 않고, 동이나 알루미늄 등 저 융점 금속을 고속으로 분사하여 충돌 시 속도에너지가 열에너지로 변하게 하여 부착시키는 속도분사공정을 적용하기에는 융점이 너무 높아, 종래의 용사 방식으로는 코팅이 잘 되지 않는 문제점이 발생되었다. 앞으로 신소재가 개발될 때 마다 이러한 문제는 지속적으로 발생될 것으로 예상된다.

대한민국 공개특허공보 제10-2008-0082283호

본 발명의 목적은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 열용사 방식의 하나인 플라즈마 용사 방식과 속도분사방식의 장점을 혼합하여 화염의 온도, 압력, 속도를 넓은 범위로 조절함으로서 기존 용사방식으로 코팅하기 곤란한 신소재를 용사할 수 있는 온도, 압력, 속도 범위가 넓은 플라즈마 용사 코팅 시스템을 제공함에 있다.

본 발명은 이러한 목적을 달성하기 위하여 플라스마 가스, 전원, 보조 기체, 코팅재 및 냉각수를 공급하는 공급장치와, 상기 공급장치로 부터 플라스마 가스, 전원, 코팅재 및 냉각수를 공급받아 플라스마 가스를 플라즈마 화염으로 변화시키고, 상기 플라즈마 화염에 공급받은 코팅재를 용융시켜 분사하는 플라즈마 용사 건(Gun)과, 상기 플라즈마 용사 건의 선단에 설치되고, 상기 공급장치로 부터 보조 기체를 공급받아 속도와 압력을 조절하여 플라즈마 화염과 함께 분사시키는 보조 캡(CAP)과, 상기 공급장치 와 플라즈마 용사 건을 제어하는 제어부로 구성되어 화염의 온도, 압력, 속도 범위가 넓은 플라즈마 용사 코팅 시스템을 제공한다.

이와 같이 하여 본 발명은 플라즈마 용사 건의 선단에 플라즈마 화염분사구와 동심형으로 결합되는 보조 캡을 부착하고, 이 보조 캡에 가스를 공급하는 가스 연결부를 부착하여 가스를 분사하면, 이 보조 가스가 플라즈마 용사 건으로부터 분사되는 화염/분체의 혼합체를 둘러싸면서 함께 분사되므로, 분체/화염 혼합체의 온도, 속도, 산화의 조절이 가능하여 기존 용사방식으로 코팅하기 곤란한 신소재를 용사할 수 있게 되며, 캡의 형태에 따라 여러 가지 효과를 도모할 수 있다. 예를 들어 보조 가스로 고압의 불활성가스를 사용하면 불활성 가스가 고속으로 분출되므로 공기와의 차단효과로 산화를 억제하여 용사 부착물의 순도 및 금속의 경우 비정질도를 높이고 증가된 속도에 의해 부착되는 층의 조직을 치밀하게 다지는 효과를 주어 부착층의 순도 및 밀도 품질을 개선하는 하는 유용한 효과가 있다.

또한 보조 캡의 가스통과 공간 단면을 점점 좁아지다가 병목을 지나면서 점점 넓어지는 초음속 노즐 단면으로 하면, 속도와 압력이 함께 증가하여 부착층의 순도가 높아지고 밀도가 더 높아지게 된다.

반대로 플라즈마 가스속에 수소를 혼합시키고 보조가스로 산소를 사용하고, 내부 화염의 속도를 방해하는 형태의 보조캡을 부착하면, 즉 단순 이중관형으로서 갈데기 형으로 하면, 화염의 온도가 올라가는 대신 속도가 줄어들어 스폰지같이 성기면서 산화 세라믹이 많이 형성되는 부착층이 되어 다른 기능을 부여할 수 도 있다.

도 1은 플라즈마 용사 시스템의 구성도.
도 2는 본 발명의 보조 캡이 부착된 플라즈마 용사 건 및 이를 활용하는 플라즈마 용사시스템의 간략 구성도.
도 3은 본 발명에 의한 보조 캡이 부착된 플라즈마 용사 건의 단면도.
도 4는 본 발명에 의한 보조 캡의 사시도.
도 5는 본 발명에 의한 공급장치의 구성을 예시하는 구성도.
도 6은 본 발명에 의한 보조가스 공급부의 구성을 예시하는 구성도.

이러한 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

플라즈마 시스템의 설명을 위해 일반적인 플라즈마 용사 코팅 시스템의 구성을 도 1로 도시하였고, 본 발명에 의한 보조 캡이 부착된 플라즈마 용사 건 및 이를 활용하는 플라즈마 용사 시스템의 구체적인 실시예를 도 2로 도시하였다.

이에서 볼 수 있는 바와 같이, 플라스마 용사 시스템은 불활성가스, 전원, 코팅재 및 냉각수를 공급하는 공급장치와, 상기 공급장치로부터 플라스마 가스, 전원을 공급받아 상기 플라스마 가스를 플라즈마 화염으로 변화시키고, 상기 플라즈마 화염에 공급받은 코팅재를 탑재, 용융시켜 분사하는 플라즈마 용사 건과, 상기 공급장치와 플라즈마 용사 건을 제어하는 제어장치로 구성된다. 플라즈마 용사 건 내부에서는 아르곤, 질소와 같은 불활성가스가 흐르고 음극과 양극사이에서 발생되는 아크에 의해 불활성가스의 최외곽 전자가 분리되어 전자와 이온으로 나누어진 플라즈마체가 되었다가 방출되면서 다시 본래의 가스로 되돌아가면서 높은 열을 방출하게 되고, 그 화염흐름에 용사분말을 주입하면 화염에 실려 비행하면서 용융되며, 피사체에 충돌하면서 부착하게 된다. 이와 같은 플라즈마는 일정한 조건하에서만 발생되므로 온도와 속도, 산화를 조절하기가 곤란하였다.

이를 해결하기 위해 본 발명은 도 2에서 보는 바와 같이, 플라스마 가스(31), 전원, 코팅재 및 냉각수 등을 공급하는 종래의 공급장치에 가스의 온도, 압력, 속도를 독립적으로 제어할 수 있는 보조가스(21)를 별도로 공급할 수 있는 보조가스 공급부(250)가 구성된 공급장치(200)와, 상기 공급장치(200)로부터 플라스마 가스(31), 전원, 및 냉각수를 공급받아 상기 플라스마 가스(31)를 플라즈마 화염(138)으로 변화시켜 팽창시키면서 고속의 화염이 분사되게 하고, 상기 플라즈마 화염(138)에 코팅재를 주입하여 같이 비행하게 하면서 용융시켜 피사체에 충돌시켜 부착시키는 플라즈마 용사 건(10)과, 상기 플라즈마 용사 건(10)의 노즐외부에 설치되고, 상기 공급장치(200)로부터 보조가스(21)를 공급받아 압력 및 속도, 온도를 조절하여 플라즈마 용사 건(10)의 화염을 동심형으로 둘러싸면서 함께 분사시켜 분사체의 속도와 압력, 외부 산소와의 접촉을 조절하는 보조 캡(400)과, 상기 공급장치(200)와 플라즈마 용사 건(10)을 제어하는 제어장치(300)로 구성하여 화염의 온도, 속도, 압력, 산화를 조절하기 용이한 플라즈마 용사 시스템이다.

이를 각 구성요소별로 더욱 상세하게 설명하면, 전술한 공급장치(200)는 도 5로 도시한 바와 같이, 상기 플라즈마 용사 건(10)에 아르곤 가스, 헬륨 가스 등의 불활성 가스 또는 수소 가스, 산소 가스와 같은 기체를 혼합한 플라즈마 가스(31)를 직접 공급하는 플라즈마 가스 공급부(210)와, 전압을 50KV 내지 200KV, 전류를 500A 내지 2000A 범위로 제어할 수 있으며, 고전압의 직류 전원을 공급하는 전원 공급부(220)와, 분말 형태의 코팅재를 공급하는 코팅재 공급부(230)와, 플라즈마 용사 건(10)을 냉각시키기 위한 냉각수 공급부(240)와, 상기 보조 캡(400)에 불활성 가스, 수소 가스, 산소 가스 등과 같은 보조가스(21)를 공급하는 보조가스 공급부(250)와, 상기 플라즈마 가스 공급부(210), 전원 공급부(220), 코팅재 공급부(230), 냉각수 공급부(240), 보조가스 공급부(250)의 공급량, 회수량, 작동 온도 등을 표시하는 디스플레이부(260)로 구성될 수 있으며, 이러한 공급장치(200)의 일면에 각 공급부들(210, 220, 230, 240, 250)의 작동과 공급량, 회수량, 작동 온도 등을 제어할 수 있는 버튼, 스위치 등으로 구성된 제어장치(300)가 구성될 수 있고, 상기 제어장치(300)는 공급장치(200)와 유, 무선으로 연결된 리모콘일 수 있다.

여기에서 전술한 보조가스 공급부(250)는 도 6에서 보는 바와 같이, 공급되는 가스를 가압하는 압력 부스터(Pressure) 등으로 된 가스가압기와, 보조 가스를 가온시킬 수 있는 가스히터(Gas Heater) 등으로 된 가스가온기와, 상기 가스가압기와 가스가온기를 조절할 수 있는 조절판넬(Control Panel) 등으로 된 조절기로 구성될 수 있다.

또한 전술한 제어부(300)는 상기 플라즈마 용사 건(10)과 연결되어 플라즈마 용사 건(10)의 작동 온도를 감지하고 설정 온도 이상으로 작동 온도가 상승하면 공급장치(200)의 플라즈마 가스 공급부(210), 전원 공급부(220), 코팅재 공급부(230)를 차단시키고 냉각수 공급부(240)를 제어하여 냉각수의 공급을 증가시켜 안전성을 높이도록 제어할 수 있다.

아울러 전술한 플라즈마 용사 건(10)은 도 2와 도 3에서 보는 바와 같이, 선단 내부에 중앙 홀(Hole)이 형성된 튜브형의 양극(134)과 상기 양극(134)의 중앙 홀에 선단이 뾰족한 음극(132)이 형성되며, 이러한 음극(132)과 양극(134)을 감싸고 지지하기 위한 플라즈마 화염(138)에 의한 손상이 적은 텅스텐으로 된 외주부(135)와, 상기 공급장치(200)로부터 공급되는 플라즈마 가스(31)가 상기 음극(132)의 주위를 따라 음극(132)과 양극(134) 사이의 중앙 홀까지 공급되도록 하는 가스 주입구(131)와, 상기 가스 주입구(131)를 통해 공급되는 플라즈마 가스(31)를 상기 음극(132)과 양극(134) 사이에서 고전압으로 방전시켜 플라즈마 화염(138)으로 변화시키는 플라즈마 발생장치와, 상기 분출되는 플라즈마 화염(138)속에 분말 형태의 코팅재를 투입시키는 코팅재 주입구(137)로 구성될 수 있다.

여기에서 상기 양극(134) 내부에는 공급장치(200)로부터 공급되는 냉각수가 통과하는 냉각 통로(133)가 구성되어 양극(134)에 가해지는 열을 식힐 수 있고, 상기 음극(132)은 플라즈마 불꽃(138)의 발생이 용이하도록 선단이 뾰족하도록 구성되며, 강도와 경도가 높은 텅스텐 합금 등으로 구성할 수 있다.

또한 전술한 보조 캡(400)은 도 3 내지 도 4로 도시한 바와 같이, 중앙에 상기 플라즈마 용사 건(10)의 선단이 삽입되는 건 삽입공(41)이 형성된 콘(Cone) 형상의 내측 노즐(Nozzle; 40)과, 상기 내측 노즐(40)의 둘레를 감싸며, 외경이 넓은 내측 노즐(40)의 일측과 나사 결합되도록 나사산(51)이 형성된 콘 형상의 외측 노즐(50)로 구성되고, 상기 내측 노즐(40)과 외측 노즐(50) 중 어느 하나의 일면에 상기 공급장치(200)로부터 보조가스(21)를 공급받는 가스 연결부(42)가 형성되며, 상기 내측 노즐(40)과 외측 노즐(50) 사이에는 상기 가스 연결부(42)를 통해 유입된 보조가스(21)를 고르게 분포시키는 가스 수집부(60)와, 상기 가스 수집부(60)에 채워진 보조가스(21)를 조절하여 가압, 유입시키는 병목부(70)와, 상기 병목부(70)에서 유입된 보조가스(21)를 상기 용사 건(10)의 분사체와 함께 분사되도록 하는 가스 분사구(80)가 순차적으로 형성되도록 구성된 것이다.

여기에서 전술한 병목부(70)는 도3으로 도시한 바와 같이, 상기 가스 수집부(60) 내 보조가스(21)를 노즐로 유입하는 제1병목부(71)와 상기 제1병목부(71)를 통과하며 승압되어 유입된 보조가스(21)를 초음속으로 분사하기 위해 제1병목부(71)로부터 점점 좁아지다가 제2병목부(72)를 지나면서 가스 분사구(80)까지 다시 점점 넓어지는 환형단면형상의 공간으로 구성되어, 가스 연결부(42)를 통해 노즐의 내부로 고압으로 주입된 보조가스(21)가 가스 수집부(60)를 채우고도 지속적으로 주입되면 가스 수집부(60)의 일측에 형성된 제1병목부(71)로 진행하게 되며, 이 때 일제히 좁아지는 제1병목부(71)에 의해 고압의 보조가스(21)는 단면적이 작아지면서 속도가 빨라지다가 제2병목부(72)를 지나면서 초음속이 되고 압축성 유체의 초음속성질을 따라 통과단면적이 점차적으로 커짐에 따라 가스 속도와 압력이 함께 증가하는 초음속 현상이 발생되어 함께 분사되는 화염/분체 혼합체가 더욱 승압되면서 가속되어 초고속으로 진행하게 된다. 이 보조 캡(400)의 보조가스(21)가 통과하는 통로는 항상 직선일 필요는 없으며, 필요에 따라 플라즈마 화염(138)과의 접촉각을 변화시키기 위해 가스 연결부(42)를 곡선으로 하거나 제2병목부(72)를 전후하여 꺾임도를 변화시켜줄 수 있다.

또한 이러한 제2병목부(72)의 끝에 형성된 전술한 가스 분사구(80)는 도 3과 도 5에서 보는 바와 같이, 외경이 좁은 내측 노즐(40)의 타단 둘레 전체에 링 형태로 형성되어 있어서, 가스 분사구(80)에서 분사되는 전술한 보조가스(21)는 용사 코팅을 위해 용사 건(10)에서 분사되는 화염(138)을 감싸며 분사되고, 일정한 방향성을 가지며, 화염의 분사 속도와 동등이상의 속도로도 분사될 수 있으므로 밖으로 퍼져나가려는 분사체를 분사 방향으로 모아주면서 외부공기와 차단하는 동시에 플라즈마 화염(138)을 고속으로 가속시켜 분사 압과 분사 속도가 향상되어 기존 용사장비로는 코팅이 어려운 신코팅소재의 용사 코팅이 가능하게 되는 것이다.

아울러, 이와는 반대로 플라즈마 가스에 수소를 혼합시키고 보조가스(21)로 산소를 사용하며, 보조가스 공급부(250)에서 보조 가스(21)의 압력과 속도를 제어하여 플라즈마 화염(138)보다 낮은 속도로 상기 화염(138)을 감싸며 분사되도록 하면 화염(138)의 온도는 올라가는 대신 속도가 줄어들어 스폰지 같이 성기면서 산화 세라믹이 많이 형성되는 부착층으로 코팅되므로 보조 가스(21)의 조절을 통해 신소재 용사뿐만 아니라 다양한 용사 코팅층 형성이 가능해 진다.

이상과 같이, 본 발명은 전술한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명이 의도하는 요지 및 개념 내에서 다양하게 변화시켜 실시하는 것이 가능하다.

10:플라즈마 용사 건 20:가스 니플 21:보조 가스
30:금속 분체 31:플라즈마 가스 40:내측 노즐
41:건 삽입공 42:가스 연결부 50:외측 노즐
51:나사산 60:가스 수집부 70:병목부
71:제1병목부 72:제2병목부 80:가스 분사구
131:가스 주입구 132:음극 133:냉각 통로
134:양극 135:외주부 136:지지대
137:코팅재 주입구 138:플라즈마 화염 200:공급장치
210:플라즈마 가스 공급부 220:전원 공급부
230:코팅재 공급부 240:냉각수 공급부 250:보조가스 공급부
260:디스플레이부 300:제어장치 400:보조 캡

Claims (4)

1. 플라스마 가스, 전원, 코팅재 및 냉각수를 공급하고, 독립적으로 속도와 압력이 조절되는 보조 가스를 공급하는 공급장치와,
   상기 공급장치로부터 플라스마 가스, 전원, 코팅재 및 냉각수를 공급받아 플라스마 가스를 플라즈마 화염으로 변화시키고, 상기 플라즈마 화염에 공급받은 코팅재를 탑재, 용융시켜 분사하는 플라즈마 용사 건과,
   상기 플라즈마 용사 건의 선단에 설치되어 보조가스를 공급받아 가압 및 초음속으로 가속시키는 가스 수집부와 병목부가 내부에 순차적으로 구비되고, 상기 가속된 보조가스를 상기 플라즈마 화염의 원주 주위로 분사시켜 플라즈마 화염의 압력, 속도를 조절하고 외부 공기와의 접촉을 조절해주는 가스 분사구가 구비된 보조 캡으로 구성됨을 특징으로 하는 보조 캡이 부착된 플라즈마 용사 건 및 이를 활용하는 플라즈마 용사 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,
   전술한 공급장치는 보조가스를 가압하는 가스가압기와, 가스를 가온하는 가스가온기와 상기 가스가압기 및 가스가온기를 제어하고 조절하는 조절기가 구성됨을 특징으로 하는 보조 캡이 부착된 플라즈마 용사 건 및 이를 활용하는 플라즈마 용사 시스템.
3. 제 1 항에 있어서,
   전술한 보조 캡은 중앙에 상기 플라즈마 용사 건의 선단이 삽입되는 건 삽입공이 형성된 콘 형상의 내측 노즐과,
   상기 내측 노즐의 둘레를 감싸며 내측 노즐과 결합되는 외측 노즐로 구성되되,
   상기 내측 노즐과 외측 노즐 중 어느 하나의 일면에 상기 공급장치로 부터 보조 가스를 공급받는 연결부가 형성되며,
   상기 내측 노즐과 외측 노즐 사이에는 상기 연결부를 통해 유입된 고압의 보조 가스를 고르게 분포시키는 가스 수집부와, 상기 가스 수집부에 채워진 고압의 보조 가스를 유입하는 병목부와, 상기 병목부에서 유입된 보조 가스를 상기 플라즈마 화염과 함께 분사되도록 하는 가스 분사구가 순차적으로 형성됨을 특징으로 하는 보조 캡이 부착된 플라즈마 용사 건 및 이를 활용하는 플라즈마 용사 시스템.
4. 제 3 항에 있어서,
   전술한 병목부는 상기 가스 수집부 내 기체 압력을 높이도록 가스 수집부의 일측에서 일제히 좁아지는 제1병목부와, 상기 제1병목부로부터 점점 좁아지다가 제2병목부를 지나면서 가스 분사구까지 다시 점점 넓어지는 환형단면형상의 공간으로 구성됨을 특징으로 하는 보조 캡이 부착된 플라즈마 용사 건 및 이를 활용하는 플라즈마 용사 시스템.

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