KR101107905B1 - 열증착 표면 처리 방법, 시스템 및 제품 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가공물(workpiece)의 처리 방법에 관한 것이며, 가공물 처리 방법은 (a) 가공물 표면의 온도를 변경시키는 단계로서, 열처리 속도, 상기 표면과 열처리 수단 사이의 상대 운동, 상기 표면 상에서의 냉매 유량, 상기 표면 상에서의 열유량, 및 열처리 수단과 표면 사이의 상대 속도로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 조건이 제어 가능한 것인 단계, (b) 가공물의 표면에 걸쳐 복수 개의 위치에서 온도를 동시에 측정하는 측정 단계, (c) 단계 (b)에서 측정된 온도의 평균 온도를 결정하는 결정 단계, (d) 가공물에 대해 사전에 선택된 최대 온도 및 사전에 선택된 최소 온도와 평균 온도를 비교하는 단계, 및 (e) 상기 평균 온도가 가공물에 대해 사전에 선택된 최소 온도와 사전에 선택된 최대 온도 사이에 있지 않으면 제어 가능한 조건들 중 적어도 하나를 자동적으로 조절하는 단계를 포함한다. 열처리 공정을 수행하기 위한 시스템 및 이 시스템에 따른 제품이 또한 제공된다. 열코팅 증착 헤드와 가공물 사이의 상대 운동 속도를 제어하고 이를 나타내는 모든 온도의 표준 편차는 가공물 표면에 걸쳐 균일한 온도를 얻는 데 있어서 또 다른 개선점을 제공한다.

Description

열증착 표면 처리 방법, 시스템 및 제품{THERMAL DEPOSITION SURFACE TREATMENT METHOD, SYSTEM AND PRODUCT}
본 출원은 발명의 명칭이 "열증착 표면 처리 방법, 시스템 및 제품(Thermal Deposition Surface Treatment Method, System and Product)"이고 2006년 10월 12일자로 출원된 가특허 출원 제60/851,197호의 우선권을 주장하며, 상기 가특허 출원은 인용함으로써 그 전체 내용이 본 명세서에 포함된다.
본 발명은 열증착 표면 처리 방법, 시스템 및 제품에 관한 것이다.
열증착 코팅 방법을 사용하여 구성요소 제품을 형성하기 위해 다양한 기판에 금속, 합금, 세라믹 및 복합재료와 같은 다양한 코팅을 도포하기 위한 공정이 공지되어 있다. 이러한 공정은 경도, 내식성, 내열성, 표면 다공성 등과 같은 기판의 특성을 개선하기 위해 사용된다. 예시적인 열증착 코팅 작업은, 고속 산소-연료 용사(HVOF) 및 고속 공기-연료 용사(HVAF), 공기 분위기, 진공 챔버 및/또는 불활성 가스 챔버에서의 DC 및 RF 플라즈마 용사, 전기 아크 (트윈 와이어 및 싱글 와이어) 용사, 레이저 분말 코팅 또는 클래딩, 플라즈마 전달식 아크 분말 코팅과 같은 전달식 아크 코팅 작업 및 용접 오버레이 증착 등을 포함한다.
열증착 코팅 작업은 기판의 표면 상에 예열된 코팅 재료 및/또는 용융된 코 팅 재료를 증착시킨다. 코팅 공정에 있어서, 가공물의 표면에 걸쳐 열증착 헤드가 수차례 통과하게 되며, 매번 통과할 때마다 코팅 재료로 된 층을 증착시킨다. 가공물 상에 코팅 재료를 열증착하기 위해서는 보통 열로서 나타나는 상당한 양의 에너지가 요구되며, 이 에너지의 일부는 적어도 부분적으로 가공물에 전달된다. 열증착 도중의 부적절한 온도 제어에 따라 종종 코팅과 기판 표면 사이의 열수축 계수의 불일치로 인한 코팅 및 가공물 오버히트(overheat), 열적인 열화, 및 손상을 유발하는 열응력이 발생하게 된다. 오버히트, 열응력 등을 통한 손상이 나타날 때에는, 결과적인 코팅이 불량하게 부착될 수 있거나 또는 심한 경우 파괴될 수 있다.
표면 처리된 구성요소의 최적화되지 않은 온도 분포 및/또는 불균일한 온도 분포를 수반하는 유사한 문제는, 예컨대 이미 용사 증착 코팅에 대한 통상적인 화염, 레이저, 플라즈마, 또는 유도장(induction field) 융합 또는 글레이징(glazing)을 통해 미세 기공을 차단하고 전술한 증착물을 치밀화하는 코팅 후처리 도중에 발생할 수 있다.
열증착 코팅 도중에 가공물로부터 열을 제거하는 것은 매우 중요하며, 열증착 코팅 작업 도중에 열을 제거하기 위한 가장 널리 보급된 방법 중 하나는, 공정 사이클에 휴지부를 도입하여 축적된 열을 주위로 발산시키는 것이다. 냉각용 공기 제트는 종종 이렇게 실시함에 따른 공정 생산성 손실을 상쇄시키기 위해 사용되지만, (a) 공기 냉각은 일반적으로 불충분하며 (b) 냉각용 공기에 존재하는 잔류 습기 및 탄화수소와 함께 산소는 코팅의 품질을 저하시킨다.
결과적인 구성요소에서의 코팅 품질 및/또는 공정 생산성을 극대화하기 위한 냉매의 관점에서 효과적인 열 제거 방법에 관한 연구에 의해 냉각 및 극저온 가스 냉각법이 개발되었다. 극저온 냉각 방법은, 열을 신속하게 제거하는 능력을 상당히 향상시키지만, 온도 즉 코팅 중에 가공물 내에서의 열 축적 및 열적 균일성을 제어함에 있어서 훨씬 더 어려움을 증가시키거나 또는 오차에 대한 여유가 더 좁아지므로, 열증착 코팅 산업에서는 이 방법을 거의 사용하지 않는다.
산업 조건에서 통상적인 방법을 이용하여 달성하기는 어렵지만, 그럼에도 불구하고 기판 표면 온도의 엄격한 제어는 코팅의 두께 및/또는 기판 표면에 대한 이러한 코팅의 부착을 극대화하는 데 있어서 매우 중요하다.
극저온 냉매의 사용을 포함하는 일부 열증착 코팅 공정을 예시하는 대표적인 문헌 및 특허는 다음과 같다.
누세 제이. 디.(Nuse J. D.), 폴코우스키, 제이. 에이.(Falkowski J. A.)가 2000년 3월 27일자로 미국 오하이오주 신시네티에서 열린 우주항공/항공사 도금 및 금속 마감 포럼에서 발표한 "크롬 대체 용례에 있어서 HVOF에 의해 도포된 텅스텐 카바이드 코발트 코팅의 표면 마감(Surface Finishing of Tungsten Carbide Cobalt Coatings Applied by HVOF for Chrome Replacement Application)"은 크롬 계열의 코팅을 대체하여 항공기용 노우즈 및 랜딩 기어 기판에 텅스텐 카바이드 코팅을 도포하기 위한 HVOF의 사용을 개시하고 있다.
스토크스 제이.(Stokes J.) 및 루니 엘.(Looney, L.)이 1999년 8월 3일부터 6일까지 아일랜드 더블린에서 열린 재료 및 처리 기법에 있어서의 향상에 관한 국 제 학술대회(AMPT '99) 논문집 775 내지 784 쪽에 게재한 "형성되는 기판의 두께를 극대화하기 위한 HVOF 시스템 정의(HVOF System Definition to Maximise the Thickness of Formed Substrates)"는 냉매로서 이산화탄소를 사용하여 알루미나-칼시아로 안정화된 지르코니아 증착물, CoNiCrAlY 증착물, 및 카바이드 증착물을 도포하기 위한 HVOF의 사용을 개시하고 있다. 분사 거리 및 강제 냉각의 효과를 측정하였다.
루체스 피.(Lucchese P.) 등은 1993년 6월 7일부터 11일까지 미국 캘리포니아주 애너하임에서 개최된 1993년도 전국 용사 학술회의의 논문집 231 내지 239 쪽에 개재한 "분위기 및 온도 제어식 플라즈마 용사 공정에 있어서 열류 모델링을 이용한 세라믹 기판 상에서의 로봇 궤적의 최적화(Optimization of Robotic Trajectories in the Atmosphere and Temperature Controlled Plasma Spray Process on Ceramic Substrate Using Heat Flow Modelling)"에서 냉매로서 액체 아르곤을 사용하는 분위기 및 온도 제어식 플라즈마 용사의 사용을 개시하고 있다. 로봇 궤적을 이용하여 회전 가능한 세라믹 가공물 상에 내화성 분말이 분사되었다. 플라즈마 용사 영역에 배치된 기록용 적외선 카메라를 사용하여 시간에 따른 온도를 측정하고 그 결과를 이용하여 열 유속을 감소시키며 기판 및 코팅 파괴를 방지하였다.
US 6,740,624 B1 및 EP 0 960 955 A1은 화염 또는 플라즈마 용사에 의해 대체로 5 mm를 초과하는 두께로 기판 상에 금속 산화물을 코팅하는 방법을 개시하고 있다. 용사 도중에 기판 이면의 극저온 냉각이 행해진다. 단일점 극저온 냉매 소 스와 관련된 단일점 적외선 센서의 사용은, 기판 표면에 걸쳐 이러한 센서-극저온 소스 쌍을 배가시키는 추가적인 선택사항과 함께 제안된다.
US 6,648,053 B2, WO 02/083971 A1, WO 02/083972 A1 및 EP 1 038 987 B1은 단열 세라믹 기판을 사용하여 자동화된 분사 셀에서 전기 아크 용사로 형성되는 두꺼운 증착물(빌렛)을 위한 방법 및 장치로서, 냉매가 없고 감지된 표면 온도에 기초하여 열을 제어하며 왜곡 및 내부 응력의 감소를 특징으로 하는 방법 및 장치의 사용을 개시하고 있다. 개시된 표면 온도 감지는 다점(multi-point) 측정, 온도기록용 카메라 또는 열 화상용[적외선 열온도계용(Thermo-vision)] 카메라를 사용하는 용사 증착 표면의 실시간 2차원 맵핑에 기초한다.
공정 제어 알고리즘은 온도기록용 카메라 좌표와 로봇 분사기 좌표를 동기화시키며, 가공물의 표면 상에 핫 스팟(hot spot)이 발달할 때 로봇 분사 형성 건(gun)의 통과 속도 및 배치를 조작함으로써 이러한 핫 스팟 영역 상에 분사되는 재료의 양을 제어하여 핫 스팟을 제거한다.
본 발명은 가공물의 표면의 열처리를 위한 공정 및 시스템에 관한 것으로서, 이 공정 및 시스템은
(a) 가공물 표면의 온도를 변경시키는 단계로서, 열처리 속도, 상기 표면과 열처리 수단 사이의 상대 운동, 상기 가공물 상에서의 냉매 유량, 상기 가공물 상에서의 열유량, 및 가열 수단 또는 냉각 수단과 표면 사이의 상대 속도로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 조건이 제어 가능한 것인 단계,
(b) 가공물의 표면에 걸쳐 복수 개의 위치에서 온도를 동시에 측정하는 측정 단계,
(c) 단계 (b)에서 측정된 온도의 평균 온도를 결정하는 결정 단계,
(d) 가공물에 대해 사전에 선택된 최고 온도 및 사전에 선택된 최저 온도와 평균 온도를 비교하는 단계, 및
(e) 상기 평균 온도가 가공물에 대해 사전에 선택된 최저 온도와 사전에 선택된 최고 온도 사이에 있지 않으면 전술한 제어 가능한 조건들 중 적어도 하나를 자동적으로 조절하는 조절 단계를 포함한다. 이 단계는 온도를 변경시키는 단계를 지속적으로 행하는 도중에 수행되며, 이후에는 이상의 공정 단계들이 반복된다.
본 발명은 또한 가공물의 처리를 위한 공정을 제공하며, 상기 공정은
(a) 가공물 표면의 온도를 변경시키는 단계로서, 열처리 속도, 상기 표면과 열처리 수단 사이의 상대 운동, 상기 표면 상에서의 냉매 유량, 상기 표면 상에서의 열유량, 및 열처리 수단과 표면 사이의 상대 속도로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 조건은 제어 가능한 것인 단계,
(b) 가공물의 표면을 복수 개의 영역으로 분할하는 단계,
(c) 가공물의 표면에 걸쳐 복수 개의 영역 내의 복수 개의 위치에서 동시에 온도를 측정하는 측정 단계로서, 각각의 영역에서 적어도 하나의 온도를 측정하는 것인 단계,
(d) 단계 (c)에서 측정된 상기 온도를 사용하여 상기 복수 개의 영역 각각에서의 평균 온도를 결정하는 결정 단계,
(e) 상기 영역에 대해 사전에 선택된 최고 온도 및 사전에 선택된 최저 온도와 각각의 평균 온도를 비교하는 단계, 및
(f) 상기 영역들 중 적어도 하나에 대해 상기 평균 온도가 사전에 선택된 최저 온도와 사전에 선택된 최고 온도 사이에 있지 않으면 전술한 제어 가능한 조건들 중 적어도 하나를 자동적으로 조절하는 조절 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 가공물의 기하학적 형상, 최적화되지 않은 냉매 적용, 최적화되지 않은 가열 적용, 최적화되지 않은 가공물의 온도 변경, 가공물의 크기에 비해 작은 가열 수단, 냉각 수단, 또는 열처리 수단, 혹은 최적화되지 않은 열 공정의 다른 파라메타 중 하나 이상에 따라 발생할 수 있는 가공물의 다양한 부분에서의 불균일한 온도에 의해 보통 유발되는 가공물에서의 국지적인 응력은 최소화된다. 이는, 전술한 실시예에 대한 모든 온도 판독값의 표준 편차를 계산하고 열처리 수단과 가공물 사이의 상대 운동 (속도) 및/또는 상기 표준 편차에 대해 사전에 결정된 값에 대응하는 열처리 속도(가열 처리 속도 또는 냉각 처리 속도일 수 있음) 및/또는 냉매 유량 및/또는 열유량을 제어함으로써 달성될 수 있다. 또 다른 실시예는 위 단계 (a) 내지 단계 (e) 또는 단계 (a) 내지 단계 (f)를 포함하며, 추가적인 단계로서,
(f 또는 g) 상기 평균 온도와 측정된 상기 온도의 누적 사이의 표준 편차를 결정하는 결정 단계,
(g 또는 h) 상기 표준 편차를 사전에 선택된 제1 표준 편차(S1)와 비교하는 단계, 및
(h 또는 i) 상기 표준 편차가 사전에 선택된 제1 표준 편차(S1)보다 더 큰 경우 제어 가능한 조건 중 적어도 하나를 자동적으로 조절하는 조절 단계를 포함한다. 이 단계는 가공물의 표면 온도를 지속적으로 변경하는 동안에 행해진다. 이후에 전술한 공정 단계들이 반복된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 있어서는, 추가적인 단계로서,
(i 또는 j) 상기 표준 편차를 사전에 선택된 제2 표준 편차(S2)와 비교하는 단계, 및
(j 또는 k) 상기 표준 편차가 사전에 선택된 제2 표준 편차(S2)보다 더 큰 경우, 가공물의 온도를 변경하는 단계를 자동적으로 중단하거나 또는 제한하는 단계가 포함된다. 단계 (i 또는 j) 및 단계 (j 또는 k)는 단계 (g 또는 h) 혹은 단계 (h 또는 i) 이전에 또는 이후에 행해질 수 있다. 이후에 전술한 공정 단계들이 반복된다. 온도를 변경하는 단계가 중단되면 다음으로 표준 편차가 S2보다 작아질 때까지 단계 (b) 내지 단계 (j 또는 k) 혹은 단계 (b) 내지 단계 (e) 그리고 단계 (i 또는 j) 및 단계 (j 또는 k)를 반복하며, 이후에 열 공정이 완료될 때까지 모든 단계를 반복할 수 있다.
본 발명은 또한
a. 가공물의 표면 온도를 변경시키기 위한 열처리 수단, 및 이 열처리 수단을 위한 컨트롤러,
b. 가공물을 유지시키기 위한 가공물 홀더,
c. 상기 가공물 홀더에 대해 상기 열처리 수단을 이동시키기 위한 운동 컨트롤러,
d. 가공물의 표면에 걸쳐 복수 개의 위치에서 동시에 온도를 측정할 수 있는 적어도 하나의 온도 센서, 및
e. 적어도 하나의 상기 온도 센서로부터 입력값을 수신하고 이러한 온도들의 평균 온도를 결정하며, 가공물에 대해 사전에 선택된 최저 온도 및 사전에 선택된 최고 온도와 상기 평균 온도를 비교하고, 상기 평균 온도가 가공물에 대해 사전에 선택된 최저 온도와 사전에 선택된 최고 온도 사이에 있지 않으면 컨트롤러 중 적어도 하나와 자동적으로 통신하는 컴퓨터를 포함하는 시스템을 제공한다.
본 발명은 또한 가공물을 복수 개의 영역으로 분할하고 각각의 영역에서 적어도 하나의 온도를 측정하는 시스템을 제공한다. 이러한 시스템의 일부 실시예에 있어서, 복수 개의 온도 센서 또는 측정 위치(복수 개의 위치에서 동시에 출력을 측정할 수 있는 단일 온도 센서에 대한 측정 위치)를 각각의 영역에 대해 마련하여 해당 영역에 대한 평균 온도를 계산(결정)한다. 본 발명의 시스템의 다른 실시예에 있어서는, 영역당 적어도 하나의 온도 측정이 행해지며 적어도 부분적으로 이웃한 영역에 있는 구역에서 적어도 하나의 추가적인 온도 측정이 행해진다. 적어도 하나의 추가적인 온도 측정은 평균 온도를 계산하는 영역에 대해 이웃한 영역 내에 완전히 속하는 구역(구역, 점 또는 위치)에서 측정되는 온도일 수 있거나, 또는 적어도 2개 이상의 이웃한 영역들에 속하는 구역에 대한 평균 온도인 온도 측정일 수 있으며, 이때 상기 영역들 중 하나의 영역은 평균 온도를 계산하기 위한 영역이다.
본 발명은 또한 본 명세서에서 설명하는 임의의 공정에 의한 결과적인 가공물을 제공한다.
본 발명에 따른 열처리 공정 및 시스템의 사용에 기초하여 장점을 얻을 수 있으며, 이러한 장점은 다음 중 하나 이상, 즉 가공물 재료의 오버히트 및 열적 손상, 코팅 재료에 대한 언더히트(underheat) 및 열적 손상, 또는 기판 재료에 대해 바람직한 효과를 달성하지 못할 위험을 배제하면서 뛰어난 생산 속도를 달성할 수 있는 능력과, 코팅된 가공물에서 코팅과 표면 사이에 손상을 유발하는 내부 응력을 최소화하는 반면에 가공물 상에 양호하게 부착되는 균일한 코팅을 형성하도록 코팅하는 능력과, 냉매 또는 가열 수단을 선택적으로 수반하는 어려운 제어 작업을 위해 온도 제어를 제공하는 능력으로서, 상기 온도 제어는 또한 생산 환경에서의 실시가 간편하고 다양한 순간적인 공정 변동에도 불구하고 신뢰할만한 열 측정을 제공하며 접촉식 및 비접촉식 센서 측정 양자를 허용하는 것을 포함할 수 있는 능력과, 상이한 온도 감지 장치로부터의 혼합된 입력값을 사용하는 능력 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
도 1은 단일점 온도 측정을 예시하는 단순화된 상호 열증착 코팅 작업에 관한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 열증착 작업에서의 열 사이클을 나타내는 도면으로서, 시간에 따른 가공물과 코팅 사이의 경계의 단일점 온도 측정의 그래프이다.
도 3은 열증착 공정에서 극저온 냉매 분배기의 다양한 구성 및 배치를 도시하는 도면으로서, 본 발명의 공정에서 사용될 수 있는 시스템의 일 실시예를 도시 하고 있다.
도 4는 원통형 가공물을 위한 열증착 코팅, 극저온 냉각 및 제어 시스템의 일 실시예를 나타내는 도면으로서, 본 발명의 공정에서 사용될 수 있는 시스템을 도시하고 있다.
도 5는 본 발명의 공정에서 유용한 온도 입력 기록용 매트릭스의 일 실시예이다.
도 6은 열 제어 및 균일한 온도 제어 양자를 위한 2개의 로직 블록을 나타내는 도면으로서, 본 발명의 냉각 제어 공정의 일 실시예의 흐름도이다.
도 7은 코팅된 표면의 극저온 동시 냉각을 포함하는 HVOF 용사 코팅 공정 도중에 측정되고 계산되는 온도의 그래프이다.
도 8은 가늘고 긴 구성요소의 화염 예열 공정 도중에 측정되고 계산되는 온도의 그래프이다.
도 9는 가늘고 긴 기판 부품을 포함하는 본 발명의 공정에서 사용될 수 있는 열적 영역설정 방법이다.
본 발명의 공정 및 시스템은, 가공물(또는 가공물 상의 코팅)의 언더히트 또는 오버히트 및/또는 불균일한 가열 또는 냉각이 가공물 또는 코팅에 유해한 효과를 갖는 가공물의 열처리를 위한 임의의 공정 또는 시스템에서 유용하다. 열처리 공정은, 가공물의 온도가 변경되고 특성을 변화시키거나 가공물에 코팅을 부가하려고 시도할 때 가공물이 가열되고/가열되거나 냉각되는 공정이며, 소정 범위 내에서 가공물의 온도를 유지하는 것이 바람직하다. 열처리 공정 도중에는 오로지 가공물의 가열 또는 냉각에 의해서만 가공물의 표면에 요구되는 열처리가 가능할 수 있거나, 또는 요구되는 표면 개질을 달성하기 위해 열처리 공정의 일부로서 다른 기체, 유체, 혹은 재료를 가공물의 표면 상에 도입할 수 있다. 본 발명의 열처리 공정의 일부 실시예에 있어서, 가공물의 가열 및/또는 냉각은 가열 처리 수단, 냉각 처리 수단, 가공물의 불균일한 가열 및 냉각을 초래하는 가열 수단 혹은 냉각 수단에 의해 행해진다. 용사 코팅 이외에도, 가공물의 온도 변화를 수반하거나 가공물의 온도 변화를 초래하는 열처리 방법의 예에는, 가열 처리, 화학적 물리적 기상 증착 코팅, 표면의 열처리, 융합, 경화, 질화처리, 침탄, 유도 가열 처리, 레이저 글레이징, 히트페이싱 표면(heatfacing surface) 및 열차단용 표면, 몰딩 및 다른 방법의 주조, 압출 금속 스트립 압연, 단조, 포밍(forming), 유도 가열 처리, 접합, 브레이징, 용접 및 열 절단 작업뿐만 아니라 비금속 재료의 인쇄 및 경화, 냉간 압연, 표면의 극저온 처리, 기계가공 및 금속 절단이 포함된다. 증착 코팅 작업의 예에는 고속 산소-연료 용사(HVOF) 및 고속 공기-연료 용사(HVAF), 공기 분위기, 진공 챔버 및/또는 불활성 가스 챔버에서의 DC 및 RF 플라즈마 용사, 전기 아크 (트윈 와이어 및 싱글 와이어) 용사, 레이저 분말 코팅 또는 클래딩, 플라즈마 전달식 아크 분말 코팅과 같은 전달식 아크 코팅 작업 및 용접 오버레이 증착이 포함된다.
열처리 수단은 가열 처리 수단 또는 냉각 처리 수단 중 어느 하나일 수 있으며, 본 명세서에서 언급되어 있는 방금 설명한 열처리 공정 중 임의의 공정에 필요 한 임의의 장치일 수 있다. 열처리 수단은 다음의 열처리 수단, 즉 열증착 헤드, 용사 건(그리고 HVOF, APS, VPS, 아크 용사, 화염 등을 포함함)뿐만 아니라 MIG 용접 토치, 레이저, 화염, 플라즈마 방전, 전기 아크 용접 토치, 극저온 노즐, 기계가공 장비를 포함한다. 앞서 설명한 열처리 수단 중 다수의 열처리 수단은 가공물의 표면 상에 고온 재료를 증착시킴으로써 가공물의 표면 온도를 변경시킨다.
본 발명은, 가공물이 최고 온도보다 낮고 최저 온도보다 높게 유지되어야만 하며 열처리 공정 도중에 최저 온도보다 높은 온도를 유지하기 위해 가열 수단을 통해 가공물의 표면을 예열하고/예열하거나 가열하는 단계 및/또는 최고 온도보다 낮은 온도를 유지하기 위해 냉각 수단을 통해 가공물의 표면을 예냉각하고/예냉각하거나 냉각하는 단계를 포함할 수 있는 것인 가공물의 열처리 공정에서 유용하다. 본 발명의 열처리 공정은 가공물의 열증착 처리를 참고로 하여 상세하게 설명되어 있지만, 본 발명은 열증착 처리 공정 및 시스템으로 한정되지 않는다. 열증착 처리 공정 및 시스템을 참고로 한 임의의 사항은 임의의 열처리 공정 및 시스템에 적용 가능하다.
본 명세서에서 사용되는 단수명사는 상세한 설명 및 청구 범위에서 설명하는 본 발명의 실시예에서 임의의 특징에 적용될 때 하나 이상을 의미한다. 단수명사의 사용은, 구체적으로 한정됨을 언급하지 않는 한, 단일 특징을 의미하는 것으로 한정하는 것이 아니다. 단수 명사 또는 복수 명사 혹은 명사구 앞의 "상기"라는 용어는 구체적인 특정 특징부(들)를 지칭하며, 사용되는 문맥에 따라 단수 또는 복수를 의미할 수 있다. "임의의"라는 형용사는 어떤 수량이든 가리지 않고 하나, 일부 또는 전부를 의미한다. 제1 항목과 제2 항목 사이에 위치하는 "및/또는"이라는 용어는 (1) 제1 항목, (2) 제2 항목 및 (3) 제1 항목 및 제2 항목 중 하나를 의미한다.
본 발명의 근본이 되는 개념의 이해를 용이하게 하기 위해, 도 1을 참고하라. 도 1은 가공물의 단순화한 열처리, 구체적으로는 고온에서 코팅 재료가 가공물에 부착되는 열증착 코팅 작업을 도시하고 있다. 도 1에 있어서, 가공물(2)은 열처리 수단, 본 경우에는 열증착 헤드(6)로부터 증착된 코팅 재료(4)로 코팅된 가공물 기판 표면(3)을 포함한다. 열증착 헤드(6)는, 가공물(2)의 표면(3) 및 선(ab)를 따라 가공물(2)의 표면(3) 상에 부착된 코팅 재료(4)에 걸쳐 점(a)과 점(b) 사이를 왕복한다. 이는 a로부터 b까지의 행정 시간(t행정)이 전체 코팅 작업을 완료하기 위해 요구되는 시간보다 훨씬 짧다는 것을 의미한다. 따라서, 산업적인 실시에서는 일반적으로 가공물(2)의 전체 표면(3)에 걸쳐 또는 사전에 선택된 가공물의 구역에 걸쳐 사전에 선택된 두께를 갖는 코팅을 형성하기 위해 열증착 헤드(6)의 수차례의 왕복 또는 스캔을 필요로 한다. 극저온 냉매(8)는 냉매 공급부(10)로부터 가공물(2)의 표면(3)에 공급되어 열증착 헤드가 점(a)으로부터 점(b)까지 이동할 때 열을 제거하는 것을 돕는다. 이러한 공정은 열증착 헤드가 점(b)으로부터 점(a)까지 이동할 때에는 반대로 행해진다. 가공물(2)로부터 열을 신속하게 제거하면, 전반적인 온도를 가공물에 대해 사전에 선택된 설계 최고 온도(Tmaxi)보다 낮고 최저 온도(Tmini)보다 높게 유지함으로써 생산 속도를 증가시 킬 수 있도록 한다. 순간적인 온도 판독값은 열전쌍(12)에 의해 기록된다.
Tmaxi 및 Tmini는 구성요소의 기하학적 형상 및 재료 고려사항에 기초하여 용사 코팅 시스템의 조작자에 의해 "임의로" 설정된다. 연소 가열, 예컨대 H2 화염 또는 탄화수소 화염을 수반하는 HVOF(고속 산소-연료) 용사에 기초하는 용사 공정에서는, 예를 들어 Tmini를 보통 물의 비등점보다 약간 높게 설정한다. 진공 챔버에서의 플라즈마 용사 코팅의 경우에는 Tmini를 설정하기 위해 다른 고려사항을 사용할 수 있다. Tmaxi는 보통 기판 재료의 열기계적 열화를 방지하는 수준으로 설정될 수 있다. 열처리되고 저온 불림처리된 강철 구성요소를 용사 코팅하는 경우, Tmaxi는 원하지 않는 가공물 재료의 연화를 방지하기 위해 200 또는 300 ℃ 수준으로 설정된다. 손상을 유발하는 열응력이 집중되는 경향이 있는 복잡한 기하학적 형상의 구성요소, 폴리머 복합체 구성요소, 및 시효된 알루미늄 합금에 대한 Tmaxi를 사전에 설정하기 위해 유사한 방법을 사용할 수 있다. 다른 열처리 공정에 있어서, 코팅은 코팅의 온도가 특정 온도, 즉 Tmini인 온도보다 높게 유지되지 않는 경우 유해한 영향을 받을 수 있으며, Tmaxi는 더 높은 온도로 설정될 수 있는데, 가공물의 온도가 낮아지지 않는다면 Tmaxi보다 높은 온도에서는 가공물이 유해한 영향을 받기 시작한다.
"열증착 헤드"라는 용어를 사용하는 것은 열처리 수단의 하위집합을 나타내며 열증착 헤드는 열코팅 장치의 일부로서 정의되고 이 열코팅 장치로부터 가공물 표면 상에 코팅되는 재료는 열코팅 장치를 빠져나와 가공물의 표면에 코팅된다. 열증착 헤드는 용사 건(그리고 HVOF, APS, VPS, 아크 용사, 화염 등을 포함함)뿐만 아니라 용접 오버레이 코팅에 사용될 수 있는 MIG 용접 토치, 레이저 분말 용사 코팅 시스템, PTA 분말 코팅 시스템 및 와이어 코팅 시스템(플라즈마 및 용접의 혼용) 등을 포함한다.
도 2는, 냉매가 없는 경우 도 1에 도시된 열증착 헤드(6)가 점(a)과 점(b) 사이에 코팅 재료(4)를 증착시킬 때 시간에 따라 열전쌍(12)에 의해 측정되는 순간 온도의 그래프이다. 열증착 코팅 작업에 있어서, 온도점(T정점; 20)에 표시된 정점 온도는 각각 열전쌍을 지날 때 생성된다. 열증착 헤드가 열전쌍으로부터 멀리 이동할 때, 더 낮은 최저 온도(22)를 유발하는 대류에 의해, 복사에 의해, 전도를 매개로 가공물(2)에서 열을 발산시킨 결과로서 열전쌍에서의 가공물의 온도는 낮아진다. 선(Taver; 24)은 계산된 평균 온도이다. (본 발명과 관련하여 이 평균 온도의 중요성은 이후의 단락에서 설명한다.) 평균 및 중간값이라는 용어는 달리 지시하지 않는 한 본 명세서에서 상호 교환 가능하게 사용될 것이다. 가공물에 대해 사전에 선택된 설계 최고 온도는 Tmaxi(25)로 설정되며, 가공물에 대해 사전에 선택된 설계 최저 온도는 Tmini(27)로 설정된다. Tmaxi는 코팅 시스템에서 가공물에 대해 바람직한 최고 온도이며, Tmini는 코팅 시스템에서 가공물에 대해 바람직한 최저 온도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 시스템의 온도는 급격하게 Tmaxi를 넘어 증가하며, 이에 따라 코팅은 원하는 대로 형성되지 않고/않거나 결함이 있을 수 있다.
도 1에 도시된 증착 방법은 단일 소스 온도 측정을 사용하며, 이는 가공 물(2)로부터의 열 제거의 문제 및 Tmaxi보다 높거나 Tmini보다 낮을 수 있는 가공물의 다양한 위치에서의 불균일한 온도의 문제를 적절히 해결할 수 없다. 또한, 고정점 온도 센서의 사용은, 열 센서 위치(온도를 측정하는 시점에서의 열증착 헤드에 대한 위치) 및 과도하게 반응하는 온도 센서를 비롯하여 다양한 순간적인 공정 측정 변동을 해소하지 못한다. 과도하게 반응하는 온도 감지는 용사 플럼(plume), 먼지, 극저온 증기, 또는 얼음 구름, 통과하는 열증착 헤드 자체, 그리고 고온의 재료 플럼에 의해 온도 센서가 지나치게 덮이고 가려지기 때문에 발생할 수 있다. 과도하게 반응하는 온도 감지는 또한 가공물 표면의 방사율 및 온도장의 국지적인 이동에 의해 유발될 수 있는데, 이때 방사율 및 온도장의 국지적인 이동은 가공물 표면에서의 위치 및 측정 시간의 함수이다.
출원인은 보통 위의 도 2에 나타낸 단일 소스 온도 방법을 사용하여 생성되는 열에 관한 입력 데이터로부터, 제어 목적을 위해 사용할 수 있으려면 코팅 작업 중에 가공물의 온도가 이전보다 더 균일한 방식으로 나타나야만 하고, 열코팅 도중에 가공물의 표면 상에서 발생되는 국지적인 열구배를 평평하게 하기 위해서는 열전도성 기판 표면, 즉 열전도성 가공물 또는 가공물의 열전도성 표면 및/또는 열전도성 코팅 재료를 사용하는 것이 필요하며, 복수 개의 구역에서의 표면 온도를 실질적으로 동시에 읽어들이고 이들을 평균하는 것은 열처리 공정을 제어하는 데 도움이 된다는 것을 알게 되었다. 또한, 일부 실시예에 있어서, 더욱 신뢰할 수 있게 온도를 측정하고 평균 온도를 결정하기 위해서는 복수 개의 온도 측정 장치를 사용하는 것이 바람직하다. 열코팅 도중에 가공물의 표면 상에서 발생되는 국지적 이고 일시적인 온도 구배에 의해 영향을 받는 열코팅의 무결성 및 접착은, 가공물과 코팅 재료의 열팽창 계수 사이의 불일치 때문에 전체 가공물 및/또는 코팅의 대규모 팽창 또는 수축을 제한하는 것에 의해 크게 좌우된다. 대규모의 팽창 및 수축을 최소화하기 위해서는 Tmini와 Tmaxi 사이에서 가공물의 평균 온도를 유지하는 것이 필요하다.
본 발명은 열전도성 기판 또는 코팅 재료 또는 양자 모두를 사용하는 경우에 대한 것이다. 일부 실시예에 있어서, 기판(가공물의 표면) 및/또는 코팅(공정 중에 부착되는 경우)은 적어도 5 W/mK의 전도도를 갖는다. 기판은 코팅 대상인 가공물과 마찬가지로 금속일 수 있으며, 일부 실시예에 있어서 가공물 기판의 표면에 걸쳐 여러 번 지나면서 증착될 수 있는 전체 코팅 두께는 가장 얇은 단면에서 기판의 두께의 절반보다 작게 된다. 다른 방식으로 설명하면, 열전도성 기판은 가장 얇은 단면에서 결과적으로 증착된 코팅의 두께보다 적어도 2배 더 두꺼울 수 있다. 본 발명의 일 양태는, 하나 또는 2개 또는 그 이상(복수 개)의 접촉식 및/또는 비접촉식 온도 측정 장치로부터 얻을 수 있는 공정 제어를 위한 복수 개의 온도 입력값을 실질적으로 동시에 사용하고, 이렇게 복수 개의 온도 입력값을 사용하는 중에 사전에 결정된 시간 간격 및 사전에 결정된 표면 구역에 대해 순간적인 가공물의 표면 온도 판독값을 평균하는 것이다. 본 명세서에 나타낸 일 실시예에 있어서는, 가공물의 표면 온도를 측정하기 위해 복수 개의 비접촉식 온도 측정 장치를 사용하지만, 하나 이상의 접촉식 온도 측정 장치와 하나 이상의 비접촉식 온도 측정 장치를 혼합하는 것도 본 발명에서는 또한 유용할 수 있다. 또한, 하나 또는 2개 또는 그 이상의 영역에 속할 수 있는 위치 또는 구역 내에서 평균 온도를 측정하는 온도 측정 장치는, 단독으로 또는 단일 영역에 속할 수 있는 구역, 지점 또는 위치에서 측정하는 온도 센서와 조합할 때 본 발명에서 유용할 수 있다. 또한, 단일 시스템에서 상이한 유형의 비접촉식 온도 측정 장치를 혼용하는 것도 유용할 수 있다.
출원인은, 열처리 방법, 예컨대 열전도성 기판 상에서의 코팅 재료의 열증착을 위한 제어 공정의 개발에 있어서, 가공물의 상당한 면적에 걸쳐 실질적으로 동시에 표면 온도를 측정하고 이 온도를 평균하며 온도 판독값의 평균(Taver)을 그래프로 나타내는 경우에 가공물의 평균 표면 온도는 빠르게 상승하지만 도 2에 선(24)으로 나타낸 바와 같이 증착 공정 도중에 균일하게 되는 것을 확인하였다. 본 발명에 있어서, 가공물의 평균 온도가 사전에 선택된 최고 온도(Tmaxi; 25)와 사전에 선택된 최저 온도(Tmini) 사이에 있도록 Tavg를 제어할 수 있다. 이로부터, 가공물 상의 냉매의 유량, 공정에 따라 좌우되는 가열 처리 속도 또는 냉각 처리 속도일 수 있는 열처리 속도, 열처리 수단과 표면 사이의 상대 속도, 가열 수단 또는 냉각 수단과 표면 사이의 상대 속도, 및/또는 표면 상에서의 열유량 중 적어도 하나를 제어하기 위해, 복수의 위치에서 간단하지만 효과적으로 가공물 온도를 측정하고 가공물의 평균 온도(Tavg)의 계산을 이용할 수 있다는 결론에 도달하였다. 본 발명의 모든 시스템 및 공정이 앞서 나열한 제어 가능한 각각의 조건을 제어하기 위한 선택사항을 제공하는 것은 아니다. 예를 들면, 일부 실시예에 있어서, 열처리 속도는 조정 가능하지 않고/않거나 냉매 유량은 조정 가능하지 않고/않거나 상대 속도는 조정 가능하지 않다.
특정 최저 온도보다 높은 온도를 유지하기 위해 추가적인 가열을 공정에 추가할 필요가 있는 실시예에 있어서는, 가열 수단 컨트롤러(가열 처리 수단에 추가될 수 있음)를 구비한 가열 수단에 의해 열유량이 주어지게 된다. 본 명세서의 도면에 도시된 열증착 공정에 있어서는, 별도의 제어 가능한 가열 수단이 마련되지 않는다. 도면에 도시된 열증착 공정에 있어서는, 냉매 속도, 가공물의 표면 상에서의 코팅 증착 속도, 및/또는 표면과 증착 헤드 사이의 상대 속도를 제어하기 위해 가공물의 평균 온도 계산을 이용할 수 있다. 증착 속도는 열증착 공정에서 단위 시간당 증착 헤드로부터 분출되는 재료의 양이다.
하나 이상의 가열 수단이 요구되는 실시예에 있어서, 가열 수단(들)은 강제 공기 히터, 버너, 화염, 레이저, 토치, 핫 플레이트, 전기 히터 등에 의해 마련될 수 있다. 가열 수단은 가열 수단의 제어를 위한 하나 이상의 가열 수단 컨트롤러를 추가함으로써 공정에 의해 제어 가능해야 한다. 컨트롤러(들)는 하나 이상의 가열 수단을 조정하여 가공물의 표면 또는 가공물의 표면의 특정 영역에 가해지는 열을 증가시킨다. 컨트롤러는 또한 가공물의 표면 이동에 대한 가열 수단의 이동을 제어하기 위해 마련될 수 있다. 평균 온도가 최저 온도보다 높은 온도로 유지되어야만 하고 열처리 공정 또는 시스템에 의해 가해지는 열이 전혀 없거나 불충분할 때에는 본 발명의 열처리 공정 또는 시스템에 가열 수단이 추가되어야만 한다. 시스템 또는 공정에 하나 이상의 가열 수단이 추가되는 시스템 및 공정의 예에는 보다 균일한 온도가 요구되는 용접 용례가 포함된다.
기판보다 온도가 낮은 임의의 냉매는 본 발명에서 냉매 또는 냉각처리 수단 으로서 유용할 수 있다. 냉각 처리 수단 또는 냉매는 액체, 기체, 고체 또는 2 이상의 상(phase)의 혼합물 혹은 상이한 상의 냉매일 수 있다. 본 발명에서 유용한 냉매 및 냉각 처리 수단(또는 냉각 수단)의 예에는 강제 공기, 물, 불활성 기체, 극저온 냉매, 또는 열처리 공정에서 유용하다고 알려진 임의의 다른 냉매가 포함된다. 극저온 냉매(-70 ℃ 미만 또는 -100 ℃ 미만의 냉매)는 냉각 처리 수단 또는 냉각 수단으로서 본 발명의 열처리 공정에서 사용될 수 있다. 열증착 공정에 있어서는, 코팅된 가공물 표면, 부분적으로 코팅된 가공물 표면 및/또는 아직 코팅되지 않은 가공물 표면 상에 냉매의 적어도 일부(냉매 수단)를 분사함으로써 극저온 냉매를 냉매로서 사용할 수 있다. 극저온 냉매는 불활성 냉매를 포함하는데, 예컨대 모든 유형의 코팅 재료에 대해 아르곤 또는 헬륨과 같이 기체일 수 있거나, 액화되었거나 또는 부분적으로 액화된 희가스를 포함하며, 대부분의 금속, 탄화물, 질화물 및 붕소화물 코팅의 경우에는 질소를 포함하고, 알루미나, 지르코니아, 티타니아, 히드록시아파타이트, 페로브스카이트 등과 같이 산화하지 않는 보통의 산화물 함유 코팅의 경우에는 선택적으로 이산화탄소나 공기를 포함한다. 극저온 냉매라고 하더라도 질소가 아닌 희가스 냉매를 금속과 함께 사용해야만 하는 희귀한 상황에서는 티타늄, 탄탈륨, 마그네슘 및 신속하게 질화물을 형성하는 유사한 반응성 금속 코팅의 용사를 수반한다. 본 발명의 실시에 적절하도록 특수하게 열증착되는 코팅 재료는 금속, 합금, 금속간 화합물, 산화물 세라믹, 탄화물 세라믹, 붕소화물 세라믹, 복합체, 및 이들의 임의의 조합의 군으로부터 선택된다.
가공물의 표면 상에 앞서 나열한 냉매를 도포하거나 또는 지향시키기 위한 냉각 수단은 팬, 압축기, 펌프, 제트, 노즐, 분배기 등을 포함한다. 냉각 수단에는 냉각 수단으로부터의 냉매의 유량을 제어하기 위한 하나 이상의 컨트롤러가 마련될 수 있다. 냉각 수단으로부터 가공물의 표면 또는 가공물의 표면 중 특정 구역 혹은 영역까지의 유량을 별도로 제어하기 위해 하나 이상의 냉각 수단에 대해 개별적인 컨트롤러가 마련될 수 있다. 또한, 컨트롤러는 가공물의 표면에 대해 냉각 수단이 이동하도록 할 수 있다.
온도를 평균하고(중간값을 결정함), 코팅과 가공물 기판 표면 사이에서 열에 의해 유발되는 국지적인 응력을 최소화하기 위해 Taver(다중 구역 온도 판독값의 평균)가 사전에 선택된 최저 온도(Tmini)보다 높고 사전에 선택된 최고 온도(Tmaxi)보다는 낮게 유지되는 경우에 냉매 유량(또는 가공물 표면 상으로의 코팅 증착 속도, 또는 가공물 표면과 상기 열처리 수단, 예컨대 증착 헤드 사이의 상대 속도)을 선택적으로 조정하며, 국지적인 열 손상으로부터 가공물을 보호하는 것으로 귀결되는 기본 개념에 따른 개선점은 기판 및 코팅 표면 내에서 온도를 균일하게 형성한다는 점이다. 가공물 표면에서 온도의 지속적인 불균일성은, 가공물의 기하학적 형상, 최적화되지 않은 냉매 적용, 및 최적화되지 않은 열증착 공정의 다른 파라메타와 같은 변수들에 의해 유발될 수 있다. 따라서, 본 발명의 공정의 또 다른 실시예에 있어서, 다중 구역 온도 판독값의 중간값만으로는 가공물 표면 및 코팅 내에서의 과도한 온도 섭동 및/또는 코팅 공정 중의 온도 변화의 장기적인 경향성을 발견할 수 없기 때문에, 다중 구역 온도 판독값의 누적 평균으로부터의 표준 편차를 결정하며, 이는 제어를 개선할 수 있도록 해준다. 표준 편차의 결정은 또한 유사한 이유로 다른 열처리 공정에도 적용 가능하다.
도 3 내지 도 6에 도시된 본 발명의 개선된 공정 제어 방법에서 기계적인 부분은, 제1 단계로서 에지 및 중심점 구역을 비롯하여 가공물(2)의 표면의 길이, 폭, 지름 또는 다른 치수에 걸쳐 실질적으로 다중 센서 단일 온도 구역 판독값(SAR; single temperature area readings)을 취하는 것을 수반한다(본 발명의 공정이 임의의 형상을 갖는 가공물에 대해 사용될 수 있으며 치수를 나타내는 다른 용어로 길이 및 폭이라는 용어를 대체할 수 있음을 이해할 것이기 때문에, 가공물의 치수를 설명하기 위해 길이 및 폭이라는 용어를 사용하는 것은 한정하는 것이 아님). 예를 들면, 에지 온도 측정 위치는 도 3에서 점(c 내지 i 및 k)으로서 표시되거나 또는 도 4에서의 점(A 내지 F)에서 원통의 길이를 가로질러 표시된다. 이러한 온도 측정은 각각의 시간 간격에서 실질적으로 동시에 이루어지며, 수집되어 다중 구역 판독값(MRR)을 형성하고, 이후에 평균된다. 시간 간격은 코팅 대상인 가공물의 표면을 가로질러 실질적으로 동시에 이루어지는 온도 측정 사이의 시간 간격이다. 시간 간격은 본 발명의 공정을 사용하여 가공물을 열처리하기 위해 요구되는 전체 시간, 가공물 및/또는 코팅의 열전도도, 및 열처리 공정의 다른 특징에 따라 좌우되며, 경험적으로 설정될 수 있지만 예컨대 0.1 내지 5 초 또는 0.5 내지 1.0 초일 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이 중간값(MRR)이라 하며 하나의 시간 간격으로 취한 다중 구역 온도 판독값의 평균, 보다 정확하게는 중간값은, 냉매 유량, 열처리 속도, 예컨대 가공물의 표면 상으로의 코팅 증착 속도, 및/또는 표면과 열처리 수단, 예컨대 증착 헤드 사이의 상대 속도 중 하나 이상을 제어하기 위 해 사용되어 Taver를 Tmaxi와 Tmini 사이의 온도로 유지한다. 개선된 공정 제어 방법의 제2 단계에 있어서는, 온도 제어를 위한 메커니즘으로서 표준 편차를 사용한다. 이 단계에 있어서, 특정 기준 시각(threshold time; ts)을 설정하는데, 이 시각 이후에는 단지 각각의 MRR(도 5에서의 각각의 행에 따름)의 계산뿐만 아니라 CMRR(도 5에 도시된 바와 같이 2차원 내에 있음)이라 하는 누적 다중 구역 판독 매트릭스의 계산을 위해 (각각의) 시간 간격에서 측정된 단일 구역 판독값을 사용하기 시작한다. 모든 누적 다중 구역 판독 매트릭스값(CMRR)과 함께 전체 누적 다중 구역 판독 매트릭스 모집단은 지속적으로 업데이트되며(수직방향으로 확장됨), 이를 이용하여 기준 시각 이후의 모든 새로운 시간 간격과 함께 표준 편차를 계산한다. 이러한 2차원 데이터 매트릭스를 이용하면, 코팅 증착 사이클에 걸쳐 측정된 모든 온도 판독값의 표준 편차, 즉 S(CMRR)로 표시되는 표준 편차를 계산할 수 있다. 일단 표준 편차[S(CMRR)]를 계산하고 나면, 이 표준 편차를 사용하여 이미 결정되고 확정된 제어 표준 편차와 비교할 수 있다. 예를 들면, S2가 S1보다 클 때 S1 및 S2로 표현되는 2개의 확정된 제어 표준 편차가 있을 수 있지만, 다른 실시예에서는 하나 또는 임의의 개수의 제어 표준 편차가 있을 수 있다. 2개의 제어 표준 편차를 이용하는 예에 있어서, 계산된 표준 편차는 S1 및 S2와 비교되고, S(CMRR)의 값이 사전에 선택된 값보다 크다면 다음 중 적어도 하나의 작동을 행할 수 있다. [1] 열처리 수단, 예컨대 열증착 헤드와 가공물의 표면 사이의 상대 운동(속도)이 가속화될 수 있고/있거나 열처리 속도, 예컨대 상기 표면 상으로의 코팅 증착 속도가 감소할 수 있고/있거나 상기 가공물 상에서의 냉매 유량이 증가할 수 있고/있거나 상기 가공물 상으로의 열유량이 줄어들 수 있고/있거나 가열 수단 또는 냉각 수단과 표면 사이의 상대 속도가 증가할 수 있도록 하거나, 혹은 [2] 열처리 수단, 예컨대 코팅 재료의 증착을 일시적으로 중단하거나 또는 제한할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 선택사항[1]은 S(CMRR)가 S1보다는 크지만 S2보다는 작을 때 사용될 수 있으며, 선택사항[2]은 S(CMRR)가 S1 및 S2양자 모두보다 클 때 사용될 수 있다. 일부 공정에 있어서, 열처리 수단의 작동을 중단시키거나 재가동하는 것이 과도하게 복잡하거나 오랜 지연(가열 또는 냉각을 위한 지연)을 유발할 때에는, 일부 열처리 수단의 작동은 "제한"될 수 있는데, 이는 완전히 중단되는 것에 가깝고/가깝거나 표면 상에서 제한된 영향 혹은 효과를 갖는 것을 의미한다.
누적 다중 구역 판독값의 작은 표준 편차값[S(CMRR)], 즉 S1보다 작은 값이 바람직한데, 이는 저속 촬영으로 확인된 기판의 열적 균일성(양호한 열 확산)을 나타내기 때문이며, 이로써 허용 가능한 코팅 품질을 보장하고 가공물 및/또는 코팅 표면이 국지적으로 오버히트되고(또는 과냉각되고) 응력을 받을 위험을 최소화하도록 보장된다. 그러나, 누적 다중 구역 판독값의 실제 표준 편차값 및 공정 제어에 있어서의 이들 표준 편차값의 중요성은 다수의 변수뿐만 아니라 기준 시간값의 선택에 따라 좌우된다. 따라서, 예컨대 코팅 공정에 있어서 가공물 표면에 걸쳐 열증착 헤드가 5회 완전히 통과할 필요가 있다면, 가공물 표면의 적어도 50 %, 적어도 70 % 또는 적어도 90 %에 해당하는 부분이 제1 통과층으로 코팅된 이후에만, 누적 다중 구역 판독값의 표준 편차값이 계산되고 공정 제어를 위해 사용되도록 하는 방식으로 기준 시간(ts)을 설정하는 것이 바람직할 수 있다. 대안으로, 누적 다중 구역 판독 매트릭스(CMRR) 및 표준 편차[S(CMRR)]를 사용하여 가공물에 걸쳐 열증착 헤드가 최초로 이동한 이후에만 열처리 공정, 예컨대 열증착 공정을 제어할 수 있으며, 이는 완전한 제1 층을 증착시키기 위해 소요되는 시간 또는 가공물에 걸쳐 열증착 헤드가 최초 이동을 완료하는 시간으로 기준 시간을 설정함을 의미한다.
추가적으로, 가공물의 표면 구역 상의 온도는 해당 공정 중에 이제 막 처리되거나 처리될 가공물의 표면에 걸쳐 상기 구역에서 최소한으로 또는 실질적으로 균일하게 측정되어야 한다. 예를 들면, 가공물의 표면 구역에 걸쳐 대표 온도 측정이 행해지는 열코팅 공정에서의 가공물의 표면 구역은 증착 헤드에 의해 열적으로 코팅될 가공물의 전체 표면 구역을 포함해야 한다. 온도 측정은 가공물의 표면 상의 위치에서 또는 구역 내에서 혹은 지점에서 행해진다. 위치 및 구역이라는 용어는 상호 교환적으로 사용될 것이며, 집중된 구역으로서 더 크거나 더 작은 구역 및 지점들을 의미한다. 넓은 구역에 걸쳐 온도 측정이 이루어진다면, 온도 측정은 보통 온도 센서에 의해 측정된 해당 구역에 걸친 평균 온도이다(도 9에 도시된 바와 같이 IR5에 의해 측정되는 바와 같음). 대안으로, 온도 센서는 가공물의 표면 구역(도 4에 도시된 바와 같음)에 걸쳐 복수 개의 더 작은 위치에서 복수 개의 개별 온도를 측정할 수 있다.
이상을 요약하면, 하나의 샘플링 시간에서의 다중 구역 판독값의 순간 중간값 또는 중간값, 즉 냉각 매질의 유동 또는 다른 제어 가능한 조건을 제어하기 위해 사용되는 중간값(MRR)은 아래와 같은 제1 등식에 나타낸 바와 같이 계산될 수 있다.
Figure 112009019477663-pct00001
이때 중간값(MRR)은 하나의 시간에서의 다중 구역 판독값의 중간값이며, Tij는 하나의 시간 및 하나의 구역에서의 단일 온도 판독값이고, i = A, B, C, …, M (온도 제어 구역의 개수)이며, j = 1, 2, 3, …, n (측정 시간 간격의 개수)이다.
중간값(MRR)은 코팅 대상인 가공물의 표면의 순간적인 면적 평균된 온도 측정을 제공한다. 이 결과는 가공물의 표면 상의 다양한 지점에서 큰 비율의 온도 변화를 양호하게 평가하도록 한다. 일 실시예에 있어서, 가공물 표면에 대한 냉매 유동을 제어하여 다중 구역 온도의 평균(중간값)을 사전에 선택된 Tmaxi와 Tmini 사이로 유지함으로써 가공물에 대한 가열 제어를 제공한다.
또 다른 실시예에 있어서, 일단 기준 시간이 경과하면, 누적 중간값(CMRR)으로부터 표준 편차를 결정하기 위한 메커니즘은 다음의 등식에 의해 표현된다.
Figure 112009019477663-pct00002
이때, S(CMRR)은 개시 시점으로부터 실제 측정 시간까지 축적된 누적 다중 구역 판독값의 표준 편차이며, Tij는 하나의 시간 및 하나의 구역에서의 단일 온도 판독값이고, i = A, B, C, …, M (온도 제어 구역의 개수)이며, j = 1, 2, 3, …, n (측정 시간 간격의 개수)이다.
앞서 언급한 바와 같이, S(CMRR)를 S1 및 S2와 비교할 수 있다. S1보다 크 다는 것은, 열증착 예에 있어서 가공물 표면의 열적 균일성이 한계에 가까워지며 가공물 표면에 걸친 열 확산을 개선해야만 하거나 또는 증착된 코팅의 품질이 불량할 수 있음을 의미한다. 일 실시예에 있어서, 냉각 수단 또는 분배기가 고정되어 있지 않다면 냉각 수단 또는 분배기가 대응하여 함께 가속되는 상황에서는 열증착 헤드와 표면 사이의 상대 속도를 가속함으로써, 즉 열증착 헤드 및/또는 가공물의 운동을 가속함으로써, 보다 균일한 열 확산을 달성할 수 있다. 증착 헤드와 가공물의 상대 운동을 가속화함에 따라 열증착 헤드가 이동할 때마다 증착되는 코팅층이 더욱 얇아지며, 이에 따라 각각의 가속은 목표 두께의 코팅을 증착하기 위한 이동 횟수가 상응하게 증가하는 것과 관련된다. 대안으로 또는 추가적으로, 보다 균일한 열 확산을 달성하기 위해, 증착 헤드로부터의 재료의 증착 속도를 감소시킴으로써 상기 표면 상으로의 코팅 증착 속도를 감소시키고/감소시키거나 S1보다 큰 S(CMRR)에 응답하여 상기 표면 상으로의 냉매 도포 속도를 증가시킬 수 있다. 이러한 공정은 가공물의 속력 또는 증착 헤드의 속력 또는 양자 모두를 증가시킬 수 있으므로 가공물 및 증착 헤드의 상대 운동을 증가시킨다. 가열 수단이 마련되는 변형례에 있어서, 가열 수단을 작동시키고, 더 빠르게 또는 더 느리게 이동시킬 수 있으며/있거나 열유량을 증가시키거나 또는 감소시킬 수 있다.
S1보다 값이 큰 표준 편차 한계 S2에 가까워지고 이 표준 편차 한계보다 커지는 것은, 가공물 표면의 열적 균일성이 점차로 허용 불가능하게 되며, 보다 균일한 온도를 달성하도록 가공물에 더 많은 시간을 제공하기 위해 열처리 수단, 예컨대 열증착 헤드의 작동이 열처리 공정 사이클 동안 다시 시작하기 이전에 일시적으 로 중단되거나 또는 제한되어야 함을 의미한다. 열증착 공정에 있어서, 코팅 재료와 함께 이미 축적되어 있는 열을 확산시키기 위해서는 시간이 필요하다. 코팅 작업 중에 열처리 수단, 예컨대 열증착 헤드의 빈번한 또는 연장된 조업중단은 사전에 결정된 S2 값에 가까워지거나 또는 S2를 초과함에 따른 것으로서, 생산 속도의 손실을 방지하기 위해서는 냉매 분배기(들)의 셋업, 열처리 수단의 유량, 또는 아마도 전체 시스템의 구성상의 변화가 요구된다. 본 명세서에서 이미 설명된 바에 기초하여 명확한 바와 같이, 필요한 경우에는 대안적인 공정 제어 단계를 제공하는 추가적인 표준 편차 한계가 마련될 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 열증착 코팅 공정 실시예에서 가공물의 열적 균일성 및 평균 온도를 제어하기 위한 한 가지 방법을 예시하고 설명한다. 이러한 공정에 있어서, 극저온 냉각 시스템의 작동 및 증착 헤드와 가공물의 상대 운동은 2가지 로직 함수 블록, 즉 [1] 순간적인 가공물 표면 온도 보정 및 [2] 누적 또는 시간 지연된 온도 보정에 기초하여 제어된다.
블록 1은 다중 구역 온도 판독값의 실제 중간값, 즉 중간값(MRR)에 기초한 냉매의 유동 제어를 설명하는 반면, 블록 2는 열증착 헤드와 가공물의 상대 속도, 필요한 경우 누적 다중 구역 온도 판독값의 표준 편차[S(CMRR)]의 업데이트된 값에 기초하여 열증착 헤드로부터 방출되는 코팅 재료의 턴-오프 또는 턴-어웨이(turn away)를 제어하는 것을 설명한다(코팅 재료 방출의 턴-어웨이란 가공물의 표면으로부터 코팅 재료 방출 방향을 돌려버리는 것을 의미한다. 코팅 재료는 계속적으로 방출 헤드를 빠져 나오게 되며 보통 용기에 수집된다). 추가적으로, 블록 1은 S1 및 S2의 제한값을 결정하기 위해 요구되는 시험 운전에서 냉매 유동 및 온도 제어를 위해 사용된다. Tmini 및 Tmaxi 값은 "외부" 재료 및 공정 고려사항에 기초하여 코팅 및 냉각 공정에 앞서 코팅 공정 조작자에 의해 결정되며, 블록 1에 선행하는 단계에서 제어 프로그램에 입력된다는 점에 주의하라.
시험 운전 동안의 작동 과정은 다음과 같다.
(a) 개인용 컴퓨터/데이터 획득(PC/DAC) 시스템은 Tmini, Tmaxi 및 기준 시간(ts) 설정점을 받아들인다.
(b) 온도 제어 시스템 외부에서 운동 프로그램 및 열증착 헤드 프로그램을 각각의 컨트롤러(예를 들면, TCDC, MC 및 CFC, 도 4 참조)에 로딩하는 루틴을 수반하는 작업을 위해 열증착 헤드(TCD)가 준비된다.
(c) 코팅 공정의 개시와 함께, 제1 시간 간격(tj=1)에서는, 예컨대 다중 구역 광 센서(MTOS)가 각각의 제어 구역 또는 제어 지점으로부터 개별적인 단일 구역 판독값(SAR)을 읽어들이는 한편, PC/DAC는 이 값들을 다중 구역 온도 판독값(MRR)의 형태로 도 5에 도시된 바와 같은 시간-온도 매트릭스의 제1 행에 저장하고 이 값들의 중간값, 즉 중간값(MRR)을 계산한다. 각각의 SAR은 온도 단위가 섭씨이며, 행과 열의 위치를 정하는 2개의 하첨자에 의해 온도 판독값의 매트릭스 내에서 정의되는데, TD7은 도 5에 도시된 바와 같이 시간 간격(7)에서 측정된 것으로서 도 4에 도시된 표면 구역(D)에서의 온도 판독값이라는 점에 주의하라.
(d) 도 6에 도시된 블록 1에서의 제1 로직 박스에서는, 다중 구역 온도 판독 값의 중간값을 Tmaxi와 비교한다. 중간값이 Tmaxi보다 크면, 이 경우에는 냉매 유동이 개시되고(또는 이 단계가 공정에서 반복되는 경우에는 냉매 유동이 증가될 수도 있음) 공정은 다음 시간 간격(tj=2) 동안 단계 (c)를 반복하며, 중간값이 Tmaxi보다 작지 않으면 이 경우에는 공정이 단계 (e)로 계속된다.
(e) 블록 1에서의 제2 로직 박스는 이러한 중간값을 Tmini와 비교한다. 중간값이 Tmini보다 작으면, 이 경우에는 냉매 유동이 중단되거나, 또는 냉매 밸브가 폐쇄 위치에서 유지되며(이전에 냉매 밸브가 열리지 않은 경우), 공정은 다음 시간 간격(tj=2) 동안 단계 (c)를 반복하지만(코팅 공정의 개시 시점에 발생할 수도 있는 바와 같이 가공물은 과도하게 저온이며, 다음 시간 간격에서 가공물의 온도가 증가한다는 예상에 따라 세팅은 전혀 변하지 않음), 가공물이 예상 시간 내에 가열되지 않으면, 공정은 가동중단될 수 있고/있거나 조작자에게 오류 메시지를 표시할 수 있다.
(f) 중간값이 Tmini보다 큰 경우, 이때는 냉매 유동 상태에는 아무런 변화가 없고, 즉 이전에 개방되어 있었다면 냉매가 계속적으로 유동하게 하거나 또는 이전에 중단되어 있었으면 냉매가 계속적으로 중단된 상태로 있게 하며, 공정은 다음 시간 간격(tj=2)에서 단계(c)를 반복한다.
(g) 온도 제어 시스템의 '외부'에 있는 운동 컨트롤러(MC) 및 열증착 헤드 컨트롤러(TCDC)에 의해 결정된 바와 같이 전체 코팅 공정 사이클이 종료할 때까지, 단계 (c) 내지 단계 (f)는 각각의 새로운 시간 간격(tj = 2, 3, 4, 5, …) 또는 루프와 함께 반복된다. S(CMRR)의 값을 계산하고, 이 값은 S1 및 S2를 결정하기 위 한 시험 운전 이후의 점검을 위해 기준 시각(ts)에서부터 개시되는 PC/DAC 시스템에 의해 저장된다.
(h) 이때, 필요하다면 수차례의 추가적인 시험 운전 이후에, 조작자는 코팅 품질을 검사하고, 이를 저장된 S(CMRR)의 값과 상관시키며, 후속하는 생산 운전을 위해 S1 및 S2 값을 선택한다.
가공물의 코팅을 위한 공정은, 시험 운전을 완료한 이후에 S1 및 S2를 설정값(예컨대, ts, Tmini 및 Tmaxi)에 추가하는 것과 함께 개시된다. 시험 운전과 대조적으로, 블록 1 및 블록 2는 이제 동시에 작동한다. 블록 1의 기능은 시험 운전과 관련하여 전술한 바와 동일하다. 실제 시간 간격, 즉 tj가 기준 시간(ts)보다 작거나 또는 큰 경우에, 블록 2는 로직 박스 체크와 함께 개시된다. tj가 ts보다 작으면, 진행 중인 시간 간격 중에는 블록 2 전체를 건너뛰게 되지만, 다음 루프에서는 tj 및 ts를 다시 비교한다. 반면에, 블록 1은 시험 운전에서와 정확히 동일하게 작동한다. 그러나, tj가 ts보다 크면, 블록 2의 다음 로직 박스는 실제 S(CMRR) 값이 S2의 값을 초과하는지 여부를 점검한다. S(CMRR)가 S2보다 크면, 열증착 헤드는 턴-오프되거나 또는 변형례에서는 가공물로부터 턴-어웨이되며, 이에 따라 이미 가공물 표면에 전달된 열이 확산되고 표면 온도가 보다 균일하게 될 때까지 코팅의 증착이 중단되거나 또는 제한된다. 열증착 헤드를 턴-오프하거나 또는 턴-어웨이하는 것은, 필요한 경우 냉매 유동을 개시하거나 또는 중단시킴으로써 중간값(MRR)의 독립적인 제어를 지속시키는 블록 1이 작동하지 못하도록 하지 않는다는 점에 주의하라. S(CMRR) 값이 S2보다 작으면, 블록 2에서의 다음 로직 박스 는 S(CMRR)을 S1과 비교한다. S(CMRR)이 S1보다 작다면, 프로그램은 선택적으로 열증착 헤드가 스캔 모드에서 온(on) 상태인지를 확인하고, 보통 속도로 운동이 이루어지는지를 확인하는데, 이후에 루프는 다음 시간 간격에서 재개된다. 중간값이 S1보다 크면, 선택적으로 열증착 헤드가 온 상태인지 확인한 후에, 프로그램은 MC에 신호를 보내서 열증착 헤드와 가공물 사이의 상대 운동을 가속화한다. 이후에는, 다음 시간 간격에서 루프를 재개시킨다.
도 3 내지 도 6에 상세하게 나타낸 본 발명의 실시예의 열 제어 공정의 장점은, 블록 1에 의한 가공물 냉각 및 블록 2에 의한 가공물 표면에 걸친 열 확산의 독립적인 제어 덕분에 공정이 단순하고 융통성이 있다는 점이다. 공정 알고리즘은 가공물 표면의 열 화상 상의 특정 지점과 열증착 헤드의 실제 위치를 연관시키는 프로그래밍 및 자동화의 복잡성 및/또는 완전한 실시간 온도기록용 화상 상에서 확인되는 열 구배에 따른 운동 및 냉매 컨트롤러의 적합한 조작을 배제한다. 또한, S(CMRR)의 계산을 통해 공정 조작자에게 초기 공정 파라메타 및 냉각 시스템 구조를 개선하기 위한 통찰력 및 기회를 제공함으로써 시간의 경과 및 이후의 수차례의 시험 운전을 이용하여 보정을 행할 수 있으며 운동 속도의 변화를 초래하지 않고도 단지 블록 1에서 냉매 유동을 제어하여 완전히 안정화된 코팅 생산 공정을 S(CMRR)의 최소값에서 행할 수 있다.
본 발명의 공정 및 시스템은, 온도 측정 장치 및 컴퓨터가 중간값(MRR) 및 S(CMRR)을 결정하기 위해 사용되는 열처리 공정의 실시간 제어를 위해 사용될 수 있으며, 중간값(MRR) 및 S(CMRR)은 가공물의 열처리를 제어하기 위해 연속적인 피 드백 루프에서 사용된다.
다음의 예는 본 발명의 다양한 실시예를 예시하기 위해 제공되며 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 의도가 아니다.
예 1
예 1의 목적은 도 6에 나타낸 공정 단계의 설명에 있어서 열거된 제어 파라메타를 보다 충분하게 설명하려는 것이다. 도 4 내지 도 6은 이러한 설명을 용이하게 하기 위해 사용된다.
도 4는, 원통형 형상이며 열증착 코팅 공정 중에 회전하는 가공물 기판 표면(41)을 포함하는 가공물(40)을 이용하는 열증착 공정을 도시한 것이다. 가공물 기판 표면(41)을 포함하는 가공물(RW)은 원격으로 작동되는 회전 홀더(RWA; 42)에 장착되며 열증착 헤드(TCD; 44)로부터의 고온 코팅 증착 재료(46)에 노출되며, 열증착 헤드는 회전시에 별개로 작동되는 홀더(TCDA)에 의해 가공물 표면에 걸쳐 통과한다. 단지 기판(41)의 코팅된 부분에 또는 가공물 표면의 코팅되지 않은 부분과 코팅된 부분에 냉각 효과를 제공하는 가늘고 긴 극저온 냉매 분배기(SCMD; 48)가 열증착 헤드(44)와 함께 동시에 통과한다. CNC 또는 로봇형 운동 컨트롤러(MC; 50)는 가공물(40)의 회전 운동, 열증착 헤드(44)의 운동 및 선택적으로 냉매 분배기(48)를 조정한다.
가공물(40)의 회전에 의해, 비접촉식 광학 다점 시스템(MTOS)이 온도 감지를 위해 사용된다. 다점 광학 센서(52)는 별개의 단일점 센서의 어레이일 수 있거나, 또는 검사하는 표면 상의 열에너지 장을 상세히 나타내며 센서의 시야 내의 선택된 구역에서의 온도 출력을 디지털화할 수 있는 온도 기록용(열화상용 또는 적외선 열온도계용) 카메라일 수 있다. 다중 구역 온도 측정을 위해 정렬될 수 있는 적절한 단일점 센서의 예로는, 미크론 인프라레드사, 레이텍사, 오메가사 및 다른 공급자로부터 입수 가능한 단일 적외선 트랜스미터 또는 2파장(2색) 적외선 트랜스미터가 포함된다. 소정 용례에서의 편의에 따라, 이들 센서 중 일부는 레이저 조준 장치를 갖출 수 있거나, 또는 가요성 광섬유를 매개로 획득한 광 신호를 전달할 수 있다. 비교적 고온 범위 내에서 작동하는 대부분의 까다로운 용례들은, 초기에 가정한 방사율 계수를 보정하기 위해 레이저 비임을 이용하여 목표 표면을 조명하는 미크론사의 자기 보정식 퀀텀 적외선 온도계의 어레이를 사용할 수 있다.
분포가 다소간 균일하고 온도 변동에 가장 민감할 것으로 예상되는 가공물의 구역에 적어도 일부 면적이 위치하는 한, 도 4에 기호로서 나타낸 온도 제어점(A 내지 F)은 소정 상황에서 편리한 임의의 방식으로 가공물(40)의 표면에 걸쳐 코팅 공정 조작자에 의해 분포될 수 있다. 도 5에 나타낸 온도 제어점 또는 구역, 예컨대 A, B, …, F의 크기는 중요하지 않으며, 사용되는 열 센서의 유형에 따라 달라질 수 있지만, 온도 제어점 또는 구역의 개수는 가공물의 표면에 걸친 시간에 따른 온도 분포 및 코팅된 가공물 표면과 코팅되지 않은 가공물 표면에 걸친 온도 분포를 반영하기에 충분해야 한다. 따라서, 적어도 4개의 제어점이 소형 가공물의 코팅을 위해 사용되어야만 하며, 이때 소형 가공물은 길이 또는 폭이 수 인치, 즉 적어도 6 인치이고, 바람직하게는 보다 큰 가공물의 코팅에 있어서는 더 많은 제어점이 사용되어야만 한다.
열 및 온도 균일성의 제어를 더 설명하기 위해, 가공물에 걸쳐 열 코팅 증착 헤드(TCD; 44)가 한 번 통과하면 0.002 인치(51 ㎛) 두께의 코팅이 생성되는 반면 목표 코팅 두께는 0.010 인치(254 ㎛)인 극저온으로 냉각되는 열증착 공정을 가정하자. 사용되는 TCD의 정규 통과 속도로 목표를 달성하기 위해서는 5 회만큼 통과할 필요가 있다. 온도 샘플링 시간 간격은 0.5 초이고 TCD는 정규 속도 또는 2배의 속도로 통과할 수 있다고 가정하자. 기판 및 코팅 재료의 특성, 그리고 특정 TCD 시스템을 이용하는 시험 운전에서 가공물의 코팅을 수반하는 사전 시험은, 생산 운전 중에 다음의 한계값을 사용할 필요가 있음을 알게 되었다. 즉, Tmini = 80 ℃, Tmaxi = 140 ℃, S1 = 10 ℃, S2 = 40 ℃ 그리고 최초 통과를 완료하기 위해 요구되는 바와 같이 기준 시간 ts = 20 회의 반복 시간 간격 = 10 초이다. 극저온 분배기(SMCD)의 위치를 비롯한 초기 공정 파라메타가 올바른 것이라면, 생산 운전 중에 다음을 관찰할 수 있다.
ㆍ Taver 또는 중간값(MRR)은 실온보다 약간 높은 초기 온도로부터 시작하며 이후에 코팅 작업 중에 80 ℃ 내지 140 ℃ 사이에서 천천히 오르내리고, 극저온 냉매 유동 제어 밸브(CFC)에 의해 이 범위에서 유지된다.
ㆍ 코팅 작업 중에 누적된 누적 다중 구역 판독값의 중간값, 중간값(CMRR), 표준 편차[S(CMRR)]를 계산하기 위해 PC/DAC에 의해 사용되는 이산 공정값은 순간적인 Taver보다는 훨씬 덜 오르내리며 아마도 100 ℃ 내지 110 ℃의 범위에 있게 된다.
ㆍ S(CMRR) 또는 표준 편차는 코팅 작업 중에 축적된 모든 다중 구역 판독 값(CMRR)의 모집단에 대해 21번째 반복 시간 간격부터 매 시간 간격마다 계산되고 업데이트되며, 이 값은 8 ℃ 미만이고 약 1 ℃ 정도 오르내린다.
극저온 냉매에 대한 분배기의 위치를 비롯한 초기 공정 파라메타가 최적화되지 않은 경우, 관찰되는 Taver 및 중간값(CMRR)은 여전히 이전과 동일하게 유지될 수 있지만, 표준 편차[S(CMRR)]는 코팅 작업 중에 80번째 반복 시간 간격 이후에 소정값, 말하자면 20 ℃에 도달하도록 변할 수 있다. 이러한 값은 S1 한계값보다 크기 때문에, 프로세서는 가공물 표면에 대한 TCD의 상대 속도를 2배로 하고 나머지 반복 시간 간격의 개수를 20 초과에서 40 초과로 2배로 할 뿐만 아니라 나머지 TCD 코팅 통과 회수도 1 초과에서 2 초과로 2배로 한다.
TCD 및 가공물(40)의 상대 통과 속도의 증가는 S(CMRR)의 실제 값을 S1 미만으로 떨어뜨린다. 반대의 상황이 발생하면, 컨트롤러는 TCD를 턴-오프하고 극저온 냉매 유동을 매개로 Taver를 계속적으로 제어한다. 따라서, 90회의 반복 시간 간격 이후에 S(CMRR)의 실제값이 50 ℃까지, 즉 S2 한계를 초과하여 상승하면, 열 코팅 장치 컨트롤러(TCDC)는 열증착 헤드(TCD)를 셧다운시키게 되는데, 이는 증착 헤드로부터의 코팅 재료의 유동을 중단시키거나 또는 코팅 대상인 표면으로부터 TCD를 턴-어웨이시킴으로써 달성될 수 있으며, 컨트롤러는 후속하는 반복 시간 간격에서 S(CMRR)의 변화를 모니터링하게 된다. 실제 S(CMRR)이 S2(S2 = 40 ℃) 미만으로 낮아지자마자, 코팅 작업은 전술한 상황에 따라 2배의 통과 속도로 환원되는데, 이때 누락되는 반복 시간 간격의 수는 2배가 되고 또한 2배가 된 통과 속도에 대해 보정된 나머지 시간 간격의 회수에 추가된다.
예 2
도 3은 선택적으로 가공물에 대해 통과하거나 정적인 극저온 냉매 전달 시스템을 사용하는 열증착 공정의 도면이다. 도 1에 나타낸 바와 공통적인 설비 요소에는 유사하게 도면부호가 할당되어 있다. 극저온 가스 냉매 매체를 사용하는 열증착 코팅 작업에서 냉각을 구현하기 위한 방법을 나타냄에 있어서, 하나 이상의 냉매 수단(10A, 10A', 10B 및 10C)이 냉매(8)를 제공한다. 10A, 10A'와 같은 이들 냉매 수단은 열증착 헤드(4)와 함께 이동할 수 있으며, 도 4에 나타낸 분배기(48)가 움직이거나 정적인 상태로 남아있을 때 이동한다. 코팅 재료와 함께 열이 축적되어 있는 경우에 코팅 대상인 가공물의 표면인 가공물의 상면을 냉각하는 것은, 결과적인 응력 분포 때문에 가공물의 이면을 냉각하는 것보다는 더 바람직하다. 물론, 표면 중 냉각된 부분이 이미 코팅되어 있든지 코팅되어 있지 않은 상태이든지 가공물 표면의 상면을 냉각하는 것은 더 어렵다. 일 실시예에 있어서는, 증착 노즐이 점(c, d 및 e)으로부터 점(i, h 및 g)을 향해 각각 이동하고 노즐(10A')이 반대 방향으로 사용되는 경우에 냉매 수단, 즉 노즐(10A)을 사용하여 가공물의 표면 상에 냉매를 분사한다. 이들 실시예에 있어서, 냉매는 표면 상에서 재료의 증착부를 따라가게 된다.
도시되어 있지는 않지만 변형예에 있어서는, 공기를 가공물의 표면 상에 취입하는 압축기 또는 팬을 추가함으로써 강제 공기 냉매 스트림을 시스템에 추가할 수 있다. 공기 냉각은 극저온 냉각 대신에 또는 극저온 냉각에 추가하여 마련될 수 있다. 압축기 또는 팬을 제어하기 위한 강제 공기 컨트롤러를 추가함으로써, 압축기 또는 팬은 설정된 유량을 가질 수 있거나 또는 공정에 의해 제어 가능하게 된다. 컨트롤러는, 열처리 공정에 의해 추가적인 냉각이 요구될 때 압축기 또는 팬의 속력을 조절하여 공기 유량(냉매)을 증가시키고 냉매가 덜 필요할 때에는 공기 유량을 감소시킨다. 전술한 바와 같이, 대안적인 냉매는 필요에 따라 유사하게 추가될 수 있다.
예 3
본 발명의 시스템 및 방법의 산업상 시험은 WC-Co 코팅 재료를 수반하는 HVOF 용사 코팅 작업 중에 행해졌다. HVOF 건(gun)에 의해, 고강도 강으로 제작되며 가늘고 길며 회전하는 항공기 랜딩 기어 요소에 WC-Co 분말이 분당 45 그램만큼 분사되었다. 회전하는 구성요소의 표면 속도는 150 ft/분이었으며, 회전하는 구성요소를 따르는 상기 건의 통과 속도는 매 회전당 1/8 인치이었고, 건 노즐과 구성요소 표면 사이의 거리는 약 9 인치이었다. HVOF 화염은 수소-산소 화염이었으며, 수소 유량은 150 psig의 공급 압력에서 시간당 1525 표준 세제곱 피트이었고 산소 유량은 165 psig 공급 압력에서 시간당 475 표준 세제곱 피트이었다. 4개의 극저온 유체 노즐은 표면으로부터 약 4 인치 거리에서 회전하는 구성요소의 축을 따라 다소간 균일하게 배치되었다. 노즐은 냉각을 위해 표면을 향해 극저온 질소 증기와 안개 크기의 액적 분무의 2상 혼합물을 방출하였다. 극저온 유체 공급 압력은 약 120 psig이었으며, 순간 냉각 요건에 의해 요구되는 극저온 유체 공급의 정점(최대) 유량은 분당 약 22 lbs 수준에 이르렀다. 4개의 적외선(IR) 센서를 사용하여 HVOF 코팅 작업 동안 구성요소 표면의 온도 변화를 모니터링하였으며, 극저온 냉각 매질을 방출하는 밸브를 제어하였다. 센서 배치는 달라질 수 있으나, 편의상 HVOF 용사 건 및 극저온 분사 노즐과 같은 구성요소와 동일한 면에 4개의 센서 모두를 배치하였다. 이러한 센서 위치로 인해, 센서는 결과적으로 코팅 대상인 구성요소의 표면 이외에도 통과하는 HVOF 건 및 냉매 투여용 극저온 노즐 양자를 "관측할 수 있었다". 따라서, 온도 제어 시스템은 바람직한 세팅에 비해 훨씬 높은 수준의 "신호 잡음"을 가지고 작동되어야만 한다. 4개의 IR 센서 중 세 개는 단일점 레이테크-TX 모델이었으며, 여기서는 이를 T1_1D-IR, T2_1D-IR 및 T3_1D-IR이라고 부른다. 네 번째 센서, T5_2D-IR은 Flir사로부터 입수 가능한 2차원 열화상 카메라인 A20 모델이었으며, 이는 구성요소 표면의 중앙 부분에 걸쳐 배치된 직사각형의 화상으로부터 평균 온도 판독값을 얻도록 세팅된다. 4개의 센서 모두는 2 Hz의 주파수로 도 4에 도시된 바와 같은 컴퓨터로 처리되는 제어 유닛 PC/DAC에 온도 판독값을 보내는데, 2 Hz는 도 6에 도시된 제어 루프(j)를 실행시키는 주파수에 대응된다. 도 5에 나타낸 기준 시간(ts)은 200으로 설정되어 있으며, 이는 온도 판독값의 CMRR 표에서 유지되는 정보의 양이 2 Hz 주파수를 가정할 때 항상 현재 순간 및 이전의 100 초를 망라하고 있음을 의미한다. 따라서, 표준 편차[S(CMRR)]는 각각의 센서에 대해 하나씩 4열 및 200 행을 이용하여 도 5에 나타낸 바와 같이 온도 데이터 표로부터 1초에 2회 계산되었다. HVOF 용사 및 극저온 냉각 운전 중에 온도를 그래프로 나타내기 위해 다음의 변형된 명명법 및 소정 값들을 사용하였다. [1] 중간값(MRR)은 단순화를 위해 "T순간평균"이라 명명하였고, 앞서와 같은 동일한 과정을 사용하며 사용된 4개의 IR 센서에 대해 화씨 단위로 계산하였다. 이 값을 초당 2회씩 조작자가 선택한 Tmini 및 Tmaxi 값과 비교하였고, 냉매 유동 밸브의 개방 또는 폐쇄를 제어하기 위해 사용하였다.
Figure 112009019477663-pct00003
4 × 200 크기의 CMRR 표로부터 초당 2회 계산된 제2 온도값은 "T시간평균"이거나 또는 HVOF 용사 및 극저온 냉각의 최근 100 초 동안 구성요소 표면에 걸친 평균 온도이었다.
Figure 112009019477663-pct00004
표준 편차를 계산하였으며 2가지 형태로, 즉 화씨 단위의 절대값으로 그리고 T시간평균의 비율로 PC/DAC 모니터에 표시하였다.
Figure 112009019477663-pct00005
Figure 112009019477663-pct00006
설명한 분사 및 자동화된 냉각 작업은, Tmini를 150 ℉로 설정하고 Tmaxi를 300 ℉로 설정하며 상기 구성요소를 150 ℉까지 예열한 이후에 비로소 시작된다. 도 7은 전술한 조건 하에서 행해진 21 분의 긴 요소 코팅 공정 중에 측정되고 계산된 값 모두를 나타내고 있다. IR 센서는 HVOF 건 통과 및 극저온 노즐의 작업의 효과에 따라 광범위한 온도를 나타내며 흥미롭게도 일부 센서는 정점의 온도를 나타내는 반면 다른 센서는 해당 시간에 동일한 스냅샷에서 낮은 온도를 나타내는 것을 알 수 있다. 그러나, 냉매에 의해 제어되는 순간 온도 평균, 즉 중간값(MRR)은 일관되게 폭이 좁고 보통 50 ℉ 미만으로 변동하며, 시간 평균 온도는 건 통과 및 냉매 온/오프 유동 덕분에 거의 온도 변화를 나타내지 않는다. 이러한 시간 평균 온도를 사용하여 코팅 재료 및 기판 온도 양자의 변화, 즉 새롭게 증착된 코팅 아래의 구성요소 재료의 온도를 추적할 수 있다는 점은 주목할 만하다. 이러한 코팅 공정 중에 계산된 표준 편차는 50 ℉ 수준이거나 시간 평균된 온도값의 약 20 %이었다. 이러한 수준의 표준 편차는, HVOF 건 및 극저온 냉각 노즐에 의해 코팅 및 기판에 열적으로 유발되는 응력이 상당히 적절하며, 즉 미세 균열 혹은 대형 균열을 초래하지 않는다는 것을 의미한다. 본 발명의 시스템에 의해 제어되는 극저온 냉각 밸브의 개방 및 폐쇄의 증거는 온도 그래프에서 순간 온도값의 단시간의 감소로부터 알 수 있다.
코팅을 검사함에 따라 통상적인 강제 공기 냉각을 사용하여 생성된 코팅보다 검사대상 코팅이 더 가볍다는 것, 즉 덜 산화되었다는 것이 밝혀졌다. 따라서, 냉각 매체로서 비산화성 극저온 질소를 사용하면 추가적으로 코팅 품질을 개선하게 된다.
매우 대형이거나 긴 물체는 예 3에서 설명한 유닛에 의해 제공되는 것보다 균일한 표면 온도를 보장하기 위해 더 많은 IR 감지 유닛 및 더 많은 냉매 방출 노즐을 필요로 할 수 있다. 공정 중에 전술한 대형 물체 또는 긴 물체의 멀리 떨어진 구역들 사이의 온도차를 최소화하기 위해서는, 다수의 온도 제어 및 냉각 유닛을 동시에 사용하고 각각은 독립적으로 작동되는 것이 가장 바람직한 과정이다.
예 4
도 4에 도시된 시스템과 유사한 열처리 시스템은 회전하는 구성요소의 화염 예열 도중에 온도 변동을 추적하기 위해 냉매 및 냉매 유동 컨트롤러 없이 사용되었다. IR 온도 센서 및 계산된 온도와 표준 편차값은 예 3에서와 동일하였다. 이러한 작업의 목적은 구성요소 또는 기판 재료 온도를 약 150 ℉까지 올리는 것이 있다. 앞서와 같이, 임의의 주어진 시점에서 화염 가열 장치에 대한 센서들의 상이한 위치 때문에 개별 센서로부터의 판독값들 사이의 차이는 상당하였지만, 평균 온도, 즉 순간 평균 온도 및 시간 평균 온도는 예열된 구성요소의 실제 표면 및 대체적인 온도를 잘 반영하는 논리적인 경향성을 나타내었다. 이러한 예의 결과는 도 8에 도시되어 있다. 흥미롭게도, 이러한 예열 작업 도중에 온도의 표준 편차는 예 3에서 상세하게 언급된 극저온 냉각 작업 및 HVOF 용사 코팅에서보다 더 크다, 즉 덜 바람직하다. 이러한 실험 중에 드러난 높은 표준 편차값은, 예열 장치가 구성요소 표면에 걸쳐 통과하는 횟수를 증가시키면서 보다 빠른 회전 속도를 이용하여(즉, 열처리 수단 또는 처리 대상 표면 중 적어도 하나가 다른 것에 대해 더 빠르게 이동해야 함), 예컨대 150 ft/분 대신 300 ft/분으로 및/또는 더 빠른 화염 장치의 통과 속도를 이용하여, 예컨대 1/8 인치/회전 대신에 1/4 인치/회전으로 더욱 완벽하게 최적화된 구성요소 예열 작업을 수행해야 함을 보여준다. 계산된 표준 편차값에 기초한 예열 과정에서 요구되는 변화는, 화염 장치를 이동시키는 로봇을 다시 프로그래밍함으로써 수동으로 행해질 수 있거나, 또는 로봇 컨트롤러에 더 빠른 새로운 속도값을 입력하여 원하는 정도 미만으로 표준 편차를 유지하도록 함으로써 자동적으로 행해질 수 있다. 본 예에 있어서, 요구되는 표준 편차는 20 ℉(± 20 ℉) 미만이거나 또는 20 ℉(± 20 ℉)와 동일하였다.
예 5
예 3의 코팅 및 냉각 공정을 도 9에 도시된 기판 부품과 유사한 가늘고 긴 기판 부품에 적용하였다. 가늘고 긴 부품의 전형적인 예는 엑추에이터 피스톤 로드, 여객기 랜딩 기어, 또는 긴 인쇄 롤이며, 모든 경우에 있어서, 이들 부품의 주요 특성 길이는 이들 부품의 주요 특성 직경보다 몇 배 더 크다. 4개의 고정된 냉매 분출용 헤더(C1 내지 C4)는 전술한 공정 중에 사용될 수 있으며, 각각 부품 표면에 냉매 제트(cj)를 충돌시키고, 도시된 바와 같이 각각의 냉매 제트는 제트가 지향된 영역에서 또는 2개의 이웃한 영역(도시 생략)에서 가공물의 표면에 충돌하도록 구성될 수 있다. 부품의 길이는 냉매 헤더의 개수에 대응하여 4개의 영역(z1 내지 z4)으로 분할되었다. 이러한 영역은 온도 측정 및 온도 제어 목적을 위해 결정된 가공물의 표면 상의 구역이다. 통과하는 HVOF 건, 즉 가열 소스는 굵고 길이가 짧은 부품의 경우만큼 먼 구역에서 부품 온도에 영향을 미치지 못하기 때문에, 이러한 분할이 필요하다. 결과적으로, 냉매 헤더를 이용한 부품의 균일한 냉각은, 각각의 헤더가 개별적으로 제어 가능할 것을 요구하며, 즉 각각의 영역은 독립적으로 제어 및 냉각 가능하다. 각각의 영역의 온도는 적어도 하나의 비접촉식 적외선(IR) 센서 또는 복수 개의 온도 센서에 의해 모니터링될 수 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 영역 1은 단지 영역 1 내의 구역에서만 온도를 측정하는 적외선 센서(IR1)에 의해서만 모니터링되는 반면, 영역 2는 IR2에 의해 모니터링되고 부분적으로는 2차원 적외선 열온도계용 카메라(IR5)에 의해 모니터링된다. 영역 3은 IR5 및 IR3에 의해 모니터링되며, 영역 4는 IR5 및 IR4에 의해 모니터링된다. 전술한 바와 같이, 각각의 영역에서의 다중 표면 측정 구역(f1 내지 f5) 및/또는 오버랩되는 구역, 그리고 또한 적어도 부분적으로 복수의 영역 내에 있는 온도 측정 구역은 신뢰할만한 측정을 제공하며, 이에 따라 HVOF 건과, 건, 증기 및 먼지를 처리하는 로봇 아암(rm)에 의해 개별 IR 센서가 일시적으로 가려지는 것과 관련된 문제를 방지한다. 표현을 달리하면, 소정 영역 내에서 복수의 온도 측정이 요구되며, 이에 따라 영역 2 내지 영역 4에 대해 나타낸 바와 같이 온도를 측정하기 위해 복수 개의 온도 측정 수단이 요구된다. 또한, 적어도 부분적으로 이웃한 영역에 속하는 구역에서의 온도 측정은, 온도 측정이 이루어지는 영역(들)에 이웃한 적어도 하나의 영역에 대한 평균 온도의 결정에 사용될 수 있거나, 또는 IR5에 의한 온도 측정의 경우에서와 같이 온도 측정이 이루어지는 영역에서의 평균 온도 계산에 사용될 수 있다. 도 9에 제시된 가늘고 긴 부품의 코팅 및 냉각 중의 공정 제어는 표 1에서와 같이 설정될 수 있으며, 아래에서 표 1은 도 9에 나타낸 각각의 영역에 대한 T순간 평균을 계산하기 위해 사용되는 온도 입력값을 보이고 있다. IR5가 복수의 영역에 속하는 구역에서의 온도를 측정하지만, IR5에 의해 측정된 평균 온도는 표 1에 나타낸 바와 같이 각각의 영역(영역 2, 영역 3 및 영역 4)에 대한 T순간 평균 계산에서 사용될 수 있다. 각각의 영역에 대해 계산된 온도(T순간 평균)는 각각의 냉매 수단, 예컨대 조절 가능한 냉매 유동 밸브(도시 생략) 및 각각의 냉매 헤더에 대한 개별 컨트롤러(도시 생략)를 갖춘 냉매 헤더(C1 내지 C4)에서의 냉매 유량을 제어하기 위해 사용된다. 냉매 유량은 소정 영역에서 측정된 T순간 평균과 가공물 또는 상기 영역에 대한 T min 및 Tmax의 비교에 기초하여 제어된다. T순간 평균이 Tmin과 Tmax의 범위에 속하지 않으면, 전술한 바와 같은 적어도 하나의 제어 가능한 조건이 공정 및 시스템에 의해 변경된다. T순간 평균 온도가 Tmin 내지 Tmax 사이에 속하는 영역에 대하여, 이 영역에 대해 대응하는 냉매 수단으로부터의 냉매의 유량은 변하지 않는다. 각각의 영역에 대해 T순간 평균을 계산하는 것 이외에도, T시간 평균(또는 모든 영역에서 측정된 온도 전부를 평균한 전체 평균 온도) 및 표준 편차는 앞서와 같이, 즉 영역설정과 무관하게 모든 IR 센서의 입력값을 사용하여 계속 계산된다. 이는 기판 부품 온도 및 전체 표면의 열적 균일성이 영역설정과 무관하게 모니터링되도록 보장하며, 이들 값이 사전에 설정된 한계 밖에 있는 경우 예방적인 조치를 취할 수 있는데, 예컨대 가공물 표면 및 열처리 수단의 상대 속도를 증가시키는 건 통과 속도(V통과)의 가속 및/또는 회전 표면 속도(V회전)의 증가, 및/또는 도시된 냉매 제트 중 한 개, 두 개, 세 개, 또는 네 개 모두에서의 냉매 유량 증가 등의 조치를 취할 수 있다. 각각의 냉매 제트 또는 헤더를 통한 유량은 개별적으로 제어 가능하다.
Figure 112009019477663-pct00007
표 1에 제시되지 않은 변형예에 있어서, 영역 3, 영역 4 및 영역 5에서 IR5에 의해 측정되는 평균 온도는 IR5에 의해 측정된 온도로부터 도출할 수 있거나, 또는 각각의 영역에 대해 개별적으로 집중되어 있는 추가적인 온도 센서는 각각의 영역에서의 온도를 측정하기 위해 그리고 각각의 영역에 대한 T순간 평균을 계산하기 위해 사용되었다. 또한, 변형예에 있어서, 이웃한 영역에서 측정된 하나 이상의 온도는 소정 영역에 대한 T순간 평균의 계산에 사용될 수 있다. 예를 들면, 각각의 영역에서 온도를 2회 측정하는 경우에는, 영역 2에 대한 2회의 온도 측정과 함께 영역 1 및 영역 3에서 측정한 온도 중 하나를 영역 2에 대한 평균 온도 계산에서 사용할 수 있다. 소정 영역의 평균 온도 계산에 있어서 이웃한 영역으로부터의 온도 측정을 이용하는 이유는, 가공물 및/또는 코팅의 전도도 때문에 결과적으로 하나의 영역으로부터 이웃한 영역에 이르는 가열 또는 냉각이 유발되기 때문이다.
요약하면, 본 발명의 공정은 전체 가공물의 길이/폭 스케일에 걸쳐 발달하는 가공물의 기판과 코팅 사이의 응력을 최소화하고, 또한 다중 센서 온도 판독값들을 평균함으로써 그리고 이러한 평균값을 이용하여 선택적인 냉매 유량, 및/또는 열유량 및/또는 가공물과 열처리 수단 사이의 상대 운동(속도), 및/또는 냉각 수단 혹은 가열 수단을 제어함으로써 열 손상으로부터 기판을 보호한다. 또한, 이러한 공정은, 모든 온도 판독값의 표준 편차를 계산하고 열처리 수단과 가공물 사이의 상대 운동 속도를 증가시키고/증가시키거나 냉매 유량 및/또는 열유량을 조절하고/조절하거나 열 공정을 중단시키거나 제한하여 상기 표준 편차값을 사전에 결정된 어떤 값 미만으로 유지함으로써 기판의 기하학적 형상, 최적화되지 않은 냉매 혹은 가열 적용 및 최적화되지 않은 열 공정의 다른 파라메타에 의해 가공물 표면의 다양한 부분들 사이에서 발달하는 국지적인 응력을 최소화한다. 본 발명의 공정 및 시스템은 접촉식 온도 센서 입력 및 비접촉식 온도 센서 입력 양자를 사용할 수 있다. 이들 온도 센서의 구역 또는 지점은 가열 대상 또는 냉각 대상 가공물의 전체 표면에 걸쳐 분포되어야만 한다. 일부 실시예에 있어서는, 가공물의 동일한 영역 내에서 여러 번의 온도 측정을 행하는 복수의 온도 센서 또는 오버랩되는 온도 센서를 제공하는 것이 유용하다. 이러한 공정은 산업 생산에서 실시하기에 간단하며, 심지어 냉각된 냉매 매질 및/또는 극저온 냉매 매질을 수반하는 가장 까다로운 용례의 경우에도 열처리 작업의 특징인 다양한 순간적인 변동에도 불구하고 신뢰할만한 냉각 제어를 보장한다. 이러한 공정은 극저온 유체 혹은 비극저온 유체를 이용한 강제 냉각을 필요로 하지 않으면서도 단지 가열을 수반하는 처리 중에 목표 표면의 온도를 모니터링하고 제어하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 공정은 열증착 코팅, 화학적 및 물리적 기상 증착 코팅, 표면의 열처리, 융합, 경화, 질화처리, 침탄, 기계가공, 유도 열처리, 또는 레이저 글레이징의 작업에 적용 가능하다. 이러한 공정을 사용하면 코팅 및 코팅된 기판에서의 잔류 응력을 최소화함으로써 기판에 대한 코팅의 부착 및 증착 코팅의 두께를 극대화할 수 있다. 바람직한 공정 용례 중 일부는 랜딩 기어, 터빈 구성요소 및 다른 항공기 구성요소, 지상용 터빈 및 엔진 구성요소, 엑추에이터 실린더, 마모 표면, 히트페이싱 표면 및 열차단용 표면의 코팅을 포함한다. 이러한 공정은 코팅 조작자로 하여금 통상적인 실시예서는 허용 불가능하였던 열적으로 민감한 마스킹 구성요소를 사용할 수 있도록 한다.
본 발명은, 열코팅 작업을 위해 사용될 때 냉각을 중단할 필요가 없도록 하거나 냉각을 중단할 필요성을 줄임으로써 가공물의 코팅을 빠르게 할 수 있으며, 이때 열 코팅 건은 가공물이 냉각되도록 하기 위해 가공물을 조준하지 않는다(보통 열 코팅 건은 가공물 상에 그대로 있으며 코팅은 낭비됨). 추가적으로, 본 발명의 일부 열 코팅 작업에 있어서, 보다 양호한 온도 제어에 따라 가공물 변형은 줄어들게 된다. 일부 가공물의 경우, 변형이 덜 된다는 것은 덜 변형된 가공물의 축성(axility)을 바로잡기 위한 후처리 삭마 또는 기계가공이 덜 필요하기 때문에 보다 더 적은 코팅 재료가 가공물에 도포됨을 의미한다. 코팅 재료가 낭비되는 통상적인 냉각 중단을 없애고/없애거나, 가공물이 덜 변형됨에 따라 증착되도록 요구되는 코팅 두께가 감소하는 것은 증착 효율을 개선시킬 수 있다.
열 코팅 공정에서 불활성 비산화 가스, 예컨대 질소, 아르곤, 또는 헬륨이 냉각 매질로서 사용되면, 결과적인 코팅은 덜 산화된다. WC-Co 유형의 경질 금속을 입힌 코팅이 용사되는 경우, 이는 보통 보다 경도가 높은 코팅을 의미하거나, 또는 Ni계열 코팅 재료의 경우에는 취성이 적고 내식성이 더 큰 코팅을 의미한다.
코팅 산화를 최소화하기 위해 불활성 유체 및/또는 불활성 극저온 냉각 유체를 필요로 하지 않는 실시예에 있어서는, 특히 비용이 중요한 공정에서 공기를 냉매로서 사용할 수 있다. 대안으로, 극저온 냉매와 통상적인 강제 공기 냉각의 조합이 공정에서 사용될 수 있으며, 단지 정점의 온도에서만 극저온 유체에 의해 냉각되고 열의 상당 부분은 비용이 보다 저렴한 압축 공기 스트림에 의해 제거되도록 상기 공정을 구성할 수 있다.
설명의 대부분은 증착 코팅 공정 및 시스템에 대한 예와 관련되어 있지만, 본 발명에 따른 공정 및 시스템은, 표면의 온도 변동 및 적어도 하나의 다양한 유형의 냉매 유체 또는 가열 장치를 이용한 선택적인 강제 냉각 혹은 가열과 관련된 열적 가열 공정 및 냉각 공정에 대해 제어면에서 장점을 제공한다. 예에는 비금속 재료의 인쇄 및 경화뿐만 아니라 몰딩 및 다른 방법의 주조, 사출 금속 스트립 압연, 단조, 포밍, 유도 가열 처리, 결합, 브레이징, 용접 및 열 절단 작업이 포함된다.

Claims (25)

  1. (a) 가공물 표면의 온도를 변경시키는 단계로서, 열처리 속도, 상기 가공물 표면과 열처리 수단 사이의 상대 운동, 상기 가공물 표면 상에서의 냉매 유량, 상기 가공물 표면 상에서의 열유량, 및 열처리 수단과 가공물 표면 사이의 상대 속도로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 조건이 제어 가능한 것인 단계,
    (b) 가공물의 표면에 걸쳐 복수 개의 위치에서 온도를 동시에 측정하는 측정 단계,
    (c) 단계 (b)에서 측정된 온도의 평균 온도를 결정하는 결정 단계,
    (d) 가공물에 대해 사전에 선택된 최고 온도 및 사전에 선택된 최저 온도와 평균 온도를 비교하는 단계,
    (e) 상기 평균 온도가 가공물에 대해 사전에 선택된 최저 온도와 사전에 선택된 최고 온도 사이에 있지 않으면 상기 제어 가능한 조건들 중 적어도 하나를 자동적으로 조절하는 조절 단계,
    (f) 상기 평균 온도와 측정된 상기 온도의 누적 사이의 표준 편차를 결정하는 결정 단계,
    (g) 상기 표준 편차를 사전에 선택된 제2 표준 편차(S2)와 비교하는 단계,
    (h) 상기 표준 편차가 사전에 선택된 제2 표준 편차(S2)보다 더 큰 경우 상기 가공물의 표면 온도를 변경시키는 단계를 중단하거나 또는 제한하고, 상기 표준 편차가 상기 사전에 선택된 제2 표준 편차(S2)보다 작아질 때까지 단계 (b) 내지 단계 (g)를 반복하는 단계,
    (i) 상기 표준 편차를 사전에 선택된 제1 표준 편차(S1)와 비교하는 단계,
    (j) 상기 표준 편차가 사전에 선택된 제1 표준 편차(S1)보다 더 크다면 제어 가능한 조건 중 적어도 하나를 조절하는 단계, 및
    (k) 상기 가공물에 대한 처리를 위한 공정이 완료될 때까지 또는 적어도 한 번 단계 (a) 내지 단계 (j)를 반복하는 단계
    를 포함하는 가공물 처리 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 가공물 표면의 온도를 변경시키는 단계는,
    가공물 표면의 용사 코팅, 화학적 기상 증착 코팅, 물리적 기상 증착 코팅, 열처리, 융합, 경화, 질화처리, 침탄, 유도 열처리, 레이저 글레이징, 히트페이싱, 열차단, 냉간 압연 및 극저온 처리로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 가공물 처리 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 가공물 표면의 온도를 변경시키는 단계는,
    랜딩 기어의 열증착 코팅, 터빈 구성요소의 열증착 코팅, 항공기 구성요소의 열증착 코팅, 지상용 터빈의 열증착 코팅, 엔진 구성요소의 열증착 코팅, 엑추에이터 실린더의 열증착 코팅, 마모표면의 열증착 코팅, 및 열적으로 민감한 마스킹 재료로 부분적으로 덮여있는 구성요소의 열증착 코팅으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 가공물 처리 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 조절 단계는 극저온 냉매 유량을 조절하는 단계를 포함하는 것인 가공물 처리 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 조절 단계는 강제 공기 냉매 유량을 조절하는 단계를 포함하는 것인 가공물 처리 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 조절 단계는 극저온 냉매 유량을 조절하는 단계를 더 포함하는 것인 가공물 처리 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 조절 단계는 열유량을 조절하는 단계를 더 포함하는 것인 가공물 처리 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 조절 단계는,
    몰딩, 주조, 사출 금속 스트립 압연, 단조, 포밍, 유도 가열 처리, 결합, 브레이징, 용접, 열 절단 작업, 그리고 비금속 재료의 인쇄 및 경화로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 가공물 처리 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 조절 단계는 복수 개의 별도로 제어 가능한 냉매 유동 장치 중 적어도 하나로부터의 냉매 유량을 조절하는 단계를 포함하는 것인 가공물 처리 방법.
  10. (a) 가공물 표면의 온도를 변경시키는 단계로서, 열처리 속도, 상기 가공물 표면과 열처리 수단 사이의 상대 운동, 상기 가공물 표면 상에서의 냉매 유량, 상기 가공물 표면 상에서의 열유량, 및 열처리 수단과 가공물 표면 사이의 상대 속도로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 조건이 제어 가능한 것인 단계,
    (b) 가공물의 표면을 복수 개의 영역으로 분할하는 단계,
    (c) 가공물의 표면에 걸쳐 복수 개의 영역 내의 복수 개의 위치에서 동시에 온도를 측정하는 측정 단계로서, 각각의 영역에서 적어도 하나의 온도를 측정하는 것인 측정 단계,
    (d) 단계 (c)에서 측정된 상기 온도를 사용하여 상기 복수 개의 영역 각각에서의 평균 온도를 결정하는 결정 단계,
    (e) 상기 영역에 대해 사전에 선택된 최고 온도 및 사전에 선택된 최저 온도와 각각의 평균 온도를 비교하는 단계,
    (f) 상기 영역들 중 적어도 하나에 대해, 상기 평균 온도가 사전에 선택된 최저 온도와 사전에 선택된 최고 온도 사이에 있지 않으면 상기 제어 가능한 조건들 중 적어도 하나를 자동적으로 조절하는 조절 단계
    (g) 상기 영역들에 대한 평균 온도를 사용하여 전체적인 평균 온도를 결정하는 결정 단계,
    (h) 상기 전체적인 평균 온도와 상기 측정된 온도의 누적 사이의 표준 편차를 결정하는 결정 단계,
    (i) 상기 표준 편차를 사전에 선택된 제2 표준 편차(S2)와 비교하는 단계,
    (j) 상기 표준 편차가 상기 사전에 선택된 제2 표준 편차(S2)보다 더 크다면 상기 가공물의 온도를 변경시키는 단계를 중단하거나 제한하고, 상기 표준 편차가 상기 사전에 선택된 제2 표준 편차(S2)보다 작아질 때까지 단계 (b) 내지 단계 (i)를 반복하는 단계,
    (k) 상기 표준 편차를 사전에 선택된 제1 표준 편차(S1)와 비교하는 단계,
    (l) 상기 표준 편차가 사전에 선택된 제1 표준 편차(S1)보다 더 크면 제어 가능한 조건 중 적어도 하나를 조절하는 단계, 및
    (m) 상기 가공물에 대한 처리를 위한 공정이 완료될 때까지 또는 적어도 한 번 단계 (a) 내지 단계 (l)을 반복하는 단계
    를 포함하는 가공물 처리 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 영역들 중 적어도 하나에 대해, 상기 평균 온도가 사전에 선택된 최저 온도와 사전에 선택된 최고 온도 사이에 있지 않으면 임의의 해당 영역에서 냉매 유량을 개별적으로 조절하는 단계를 더 포함하는 것인 가공물 처리 방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 측정 단계는 적어도 2개의 영역 내의 복수의 위치에서 온도를 측정하는 적어도 하나의 온도 센서에 의해 행해지는 것인 가공물 처리 방법.
  13. 제10항에 있어서, 상기 측정 단계는 상기 영역 중 하나에서 온도를 측정하는 적어도 2개의 온도 센서에 의해 행해지는 것인 가공물 처리 방법.
  14. 제10항에 있어서, 적어도 하나의 영역에 대한 상기 결정 단계는 상기 영역 내에 속하는 구역에서 측정된 적어도 하나의 온도와 적어도 부분적으로 이웃한 영 역에 속하는 구역에서 측정된 적어도 하나의 온도를 평균하는 것인 가공물 처리 방법.
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  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. a. 가공물의 표면 온도를 변경시키기 위한 열처리 수단, 및 이 열처리 수단을 위한 컨트롤러,
    b. 가공물을 유지시키기 위한 가공물 홀더,
    c. 상기 열처리 수단에 대해 상기 가공물 홀더를 이동시키기 위한 운동 컨트롤러,
    d. 가공물의 표면에 걸쳐 복수 개의 위치에서 동시에 온도를 측정할 수 있는 적어도 하나의 온도 센서, 및
    e. 가공물 처리 방법을 실시하는 컴퓨터
    를 포함하고,
    상기 가공물 처리 방법은
    (a) 상기 컨트롤러 중 적어도 하나에 의해 가공물 표면의 온도를 변경시키는 단계로서, 열처리 속도, 상기 가공물 표면과 열처리 수단 사이의 상대 운동, 상기 가공물 표면 상에서의 냉매 유량, 상기 가공물 표면 상에서의 열유량, 및 열처리 수단과 가공물 표면 사이의 상대 속도로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 조건이 제어 가능한 것인 단계,
    (b) 상기 적어도 하나의 온도 센서로부터 입력값을 수신하여, 가공물의 표면에 걸쳐 복수 개의 위치에서 온도를 동시에 측정하는 측정 단계,
    (c) 단계 (b)에서 측정된 온도의 평균 온도를 결정하는 결정 단계,
    (d) 가공물에 대해 사전에 선택된 최고 온도 및 사전에 선택된 최저 온도와 평균 온도를 비교하는 단계,
    (e) 상기 평균 온도가 가공물에 대해 사전에 선택된 최저 온도와 사전에 선택된 최고 온도 사이에 있지 않으면 컨트롤러 중 적어도 하나와 통신하여 상기 제어 가능한 조건들 중 적어도 하나를 자동적으로 조절하는 조절 단계,
    (f) 상기 평균 온도와 측정된 상기 온도의 누적 사이의 표준 편차를 결정하는 결정 단계,
    (g) 상기 표준 편차를 사전에 선택된 제2 표준 편차(S2)와 비교하는 단계,
    (h) 상기 표준 편차가 사전에 선택된 제2 표준 편차(S2)보다 더 큰 경우 상기 가공물의 표면 온도를 변경시키는 단계를 중단하거나 또는 제한하고, 상기 표준 편차가 상기 사전에 선택된 제2 표준 편차(S2)보다 작아질 때까지 단계 (b) 내지 단계 (g)를 반복하는 단계,
    (i) 상기 표준 편차를 사전에 선택된 제1 표준 편차(S1)와 비교하는 단계,
    (j) 상기 표준 편차가 사전에 선택된 제1 표준 편차(S1)보다 더 크다면 제어 가능한 조건 중 적어도 하나를 조절하는 단계, 및
    (k) 상기 가공물에 대한 처리를 위한 공정이 완료될 때까지 또는 적어도 한 번 단계 (a) 내지 단계 (j)를 반복하는 단계
    를 포함하는 것인 시스템.
  21. 제20항에 있어서, 적어도 하나의 공기 냉각 수단 및 적어도 하나의 극저온 유체 냉각 수단을 더 포함하는 것인 시스템.
  22. 제20항에 있어서, 복수 개의 냉각 수단 및 이 냉각 수단을 위한 복수 개의 개별 컨트롤러를 더 포함하며, 상기 냉각 수단 중 적어도 하나는 가공물의 표면의 대응하는 영역으로 냉매를 지향시키는 것인 시스템.
  23. 제20항에 있어서, 복수 개의 온도 센서를 더 포함하는 것인 시스템.
  24. 제23항에 있어서, 가공물의 표면 상의 복수 개의 영역에서 온도를 측정하는 상기 복수 개의 온도 센서에 기초하여 상기 컴퓨터에 의해 제어되는 개별적으로 제어 가능한 냉각 수단을 더 포함하는 것인 시스템.
  25. 삭제
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