KR101242641B1 - 열차폐 코팅층 미세구조 제어장치 및 이를 이용한 열차폐 코팅층 미세구조 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열차폐 코팅층 미세구조 제어장치 및 이를 이용한 열차폐 코팅층 미세구조 제어방법에 관한 것으로, 그 구성은, 플라즈마 가스흐름이 발생되는 다수개의 노즐이 마련되는 노즐부와, 상기 각각의 노즐에 마련되어 코팅재료를 공급하는 호퍼부; 그리고, 상기 각각의 노즐의 동작을 조절하고, 상기 호퍼의 개폐정도를 조절하는 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

Description

열차폐 코팅층 미세구조 제어장치 및 이를 이용한 열차폐 코팅층 미세구조 제어방법{A Thermal Barrier Coating Microstructual Controlling Apparatus and A Thermal Barrier Coating Microstructure Controlling Method Using thereof}

본 발명은 열차폐 코팅층 미세구조 제어장치 및 이를 이용한 열차폐 코팅층 미세구조 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 여러가지의 코팅 재료를 다양한 방법으로 모재에 코팅할 수 있도록 다중 플라즈마 및 다중 분말공급장치를 이용하는 열차폐 코팅층 미세구조 제어장치 및 이를 이용한 열차폐 코팅층 미세구조 제어방법에 관한 것이다.

용사(Thermal Spray)란 분말 혹은 선형재료를 고온열원에 용융시켜 고속으로 모재에 적층피막을 형성하는 기술이다. 재료의 가열, 용융을 위해 에너지 밀도가 높은 연소화염, Arc 및 플라즈마 등의 열원을 필요로 한다.

용사는 성질이 다른 재료로 기지(substrate)표면에 피막을 형성하는 기술은 기지가 보유하고 있는 특성을 살리고, 결함을 보완할 수 있으며, 재료기능의 다양화 및 고도화를 가능하게 하는 표면처리법의 하나이다.

1980년대 후반 열차폐 코팅기술이 시작, 발전하게 되었으며 열차폐코팅을 이용함으로써 약 150도 이상의 열차폐효과를 나타냄을 확인할 수 있었다.

상기 용사법을 이용하면 고속으로 두꺼운 피막형성이 가능하며, 금속, 세라믹, 유리 및 플라스틱 등의 재료를 사용할 수 있다. 그리고, 재료의 종류 및 용사공정의 독자적 특징을 잘 이용하는 것으로부터 다른 방법을 이용해서 얻을 수 없는 표면층을 만들어 낼 수 있다.

제품의 고급화 및 수명연장을 위하여 용사법, 장치구성, 용사공정특징 및 현상, 사용된 재료와 피막의 성질에 대한 이해가 필요한 과제로 주목되고 있다.

재료의 표면성질에 의해 기능과 성능이 발휘되므로 표면기능 부여를 통한 수명향상에 기여할 수 있는 코팅기술과 가스터빈용 고온부품의 내구성 및 코팅의 내침식성/내마모성 특성 확보를 위한 열차폐 코팅의 성능향상이 필요하다.

그러나, 상기한 바와 같은 종래 기술에서는 다음과 같은 문제점이 있다.

종래에는 하나의 호퍼와 하나의 플라즈마가 발생되는 장치를 이용하여 코팅을 하게 되는데, 여러 층의 층상구조, 층간의 미세구조가 연속적인 경사화 구조, 두개 이상의 출발물질에 의한 복합층을 만들기 위해서는 각각의 층을 형성할 때 호퍼에 각각의 층 형성을 위한 재료를 별도로 투입하여 코팅작업이 진행되게 되어 작업이 번거롭고 복잡해져 비용이 증대되는 문제점이 있었다.

그리고, 불연속적인 작업공정에 의한 계면 안정성이 떨어져 작업안정성 및 효율이 떨어지는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 코팅층의 구조 및 조성을 다양하게 제어할 수 있는 열차폐 코팅층 미세구조 제어장치 및 이를 이용한 열차폐 코팅층 미세구조의 제어방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 코팅층의 층간 미세구조 혹은 조성이 연속적으로 이루어지는 열차폐 코팅층 미세구조 제어장치 및 이를 이용한 열차폐 코팅층 미세구조의 제어방법을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명인 열차폐 코팅층 미세구조 제어장치는, 플라즈마 가스흐름이 발생되는 다수개의 노즐이 마련되는 노즐부와, 상기 각각의 노즐에 마련되어 코팅재료를 공급하는 호퍼부; 그리고, 상기 각각의 노즐의 동작을 조절하고, 상기 호퍼의 개폐정도를 조절하는 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 노즐부와 상기 호퍼부는, 플라즈마가 발생되는 제 1노즐과, 상기 제 1노즐과 이격되어, 상기 제 1노즐과 같은 방향으로 플라즈마가 발생되는 제 2노즐과, 상기 제 1노즐 및 상기 제 2노즐과 이격되어, 상기 제 1노즐 및 상기 제 2노즐과 같은 방향으로 플라즈마가 발생되는 제 3노즐과, 상기 제 1노즐에 재료를 공급하는 제 1호퍼와, 상기 제 2노즐에 재료를 공급하는 제 2호퍼; 그리고, 상기 제 3노즐에 재료를 공급하는 제 3호퍼를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 본 발명의 다른 실시예인, 열차폐 코팅층 미세구조 제어방법은, 모재를 블라스팅하는 제 1단계와, 제 1호퍼, 제 2호퍼, 제 3호퍼 중 하나 이상의 호퍼에 코팅할 재료를 투입하는 제 2단계; 그리고, 상기 코팅할 재료가 투입된 상기 제 1호퍼, 제 2호퍼 및 제 3호퍼와 연동하는 제 1노즐, 제 2노즐 및 제 3노즐을 선택적으로 작동시켜, 플라즈마 가스흐름을 발생시켜 상기 재료를 녹여 모재에 코팅시키는 제 3단계를 포함하여 구성되고, 상기 제 3단계에서, 상기 제 1호퍼, 제 2호퍼 및 제 3호퍼의 재료 중 하나 이상으로 코팅하는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 제 2단계에서, 상기 제 1호퍼에 둘 이상의 재료를 혼합하여 투입하는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 제 2단계에서, 상기 제 1호퍼에 둘 이상의 재료를 구분하여 순서대로 투입하는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 제 3단계에서, 모재에 본드층으로 하나의 재료를 이용하여 제 1층을 형성하는 제 3-1단계; 그리고, 제 2층으로 서로 다른 하나의 재료를 이용하여 탑코팅층을 형성하는 제 3-2단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 제 3단계에서, 모재에 본드층으로 하나의 재료를 이용하여 제 1층을 형성하는 제 3-1단계와, 제 2층으로 상기 본드층의 재료의 양을 줄이면서, 상기 본드층의 재료와 서로 다른 하나의 재료의 양을 늘이면서 경사층을 형성하는 제 3-2단계; 그리고, 제 3층으로 상기 다른 하나의 재료만을 이용하여 탑코팅층을 형성하는 제 3-3단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 제 3단계에서, 모재에 본드층으로 서로 다른 두 개의 재료를 이용하여 제 1층을 형성하는 제 3-1단계; 그리고, 제 2층으로 상기 본드층의 재료와 다르고 서로 다른 두 개의 재료를 이용하여 탑코팅층을 형성하는 제 3-2단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 제 3단계에서, 모재에 본드층으로 하나의 재료를 이용하여 제 1층을 형성하는 제 3-1단계와, 제 2층으로 상기 본드층의 재료와 서로 다른 하나의 재료를 혼합하여 버퍼층을 형성하는 제 3-2단계; 그리고, 제 3층으로 상기 다른 하나의 재료만을 이용하여 탑코팅층을 형성하는 제 3-3단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 본드층의 재료는 Ni를 주 원료로 하는 금속분말 또는 Co가 첨가된 Ni계 금속분말 중 어느 하나로 이루어지고, 상기 탑코팅층의 재료는 지르코니아계인 YSZ 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 제 3단계에서, 모재에 본드층으로 하나의 재료를 이용하여 제 1층을 형성하는 제 3-1단계와, 제 2층으로 상기 본드층의 재료의 양을 줄이면서, 상기 본드층의 재료와 서로 다른 하나의 재료의 양을 늘이면서 경사층을 형성하는 제 3-2단계와, 제 3층으로 상기 다른 하나의 재료만을 이용하여 중간층을 형성하는 제 3-3단계와, 제 4층으로 상기 중간층의 재료의 양을 줄이면서, 상기 중간층과 상기 본드층의 재료와 서로 다른 하나의 재료의 양을 늘이면서 경사층을 형성하는 제 3-4단계; 그리고, 제 5층으로 상기 중간층과 상기 본드층의 재료와 서로 다른 하나의 재료의 양을 늘이면서 경사층을 형성하는 제 3-5단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 본드층의 재료는 Ni를 주 원료로 하는 금속분말과 Co가 첨가된 Ni계 금속분말로 이루어지고, 상기 탑코팅층의 재료는 각기 다른 입자크기, 조성, 입도분포의 지르코니아계인 YSZ로 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.

상술한 본 발명인 열차폐 코팅층 미세구조 제어장치로 모재에 코팅하는 열차폐 코팅층 미세구조 제어할 수 있다.

본 발명에 의한 열차폐 코팅층 미세구조 제어장치 및 이를 이용한 열차폐 코팅층 미세구조 제어방법에서는 다음과 같은 효과가 있다.

형성하고자 하는 열차폐 코팅의 구조체에 따라 재료의 종류를 선택하고, 이를 다수개의 분말공급장치에서 각각의 분말공급장치에 대응되는 플라즈마로 분말을 공급하여 다양한 구조체의 열차폐 코팅층을 형성시켜 출발물질 및 제어방법에 따라 미세구조를 다양하게 형성할 수 있는 효과가 있다.

그리고, 다수개의 호퍼와 각각의 호퍼에 마련되는 플라즈마에 의해 연속적으로 층상구조를 제어할 수 있어, 작업공정이 단순해지고, 작업효율이 높아져 비용이 절감되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 의한 열차폐 코팅층 미세구조 제어장치의 구성을 간략하게 보인 블럭도.
도 2는 본 발명에 의한 열차폐 코팅층 미세구조 제어장치의 구성을 보인 구성도.
도 3은 도 1의 열차페 코팅층 미세구조 제어장치에 의해 모재에 단일층으로 코팅한 것을 보인 측단면도
도 4는 도 2의 열차폐 코팅층 미세구조 제어장치에 의해 모재에 경사층의 코팅층이 형성된 것을 보인 측단면도.
도 5는 도 2의 열차폐 코팅층 미세구조 제어장치에 의해 모재에 복합층의 코팅층이 형성된 것을 보인 측단면도.
도 6은 도 2의 열차폐 코팅층 미세구조 제어장치에 의해 모재에 버퍼층의 코팅층이 형성된 것을 보인 측단면도.
도 7은 도 3의 코팅층을 200 내지 500배 확대하여 보인 측단면도.
도 8은 도 4의 코팅층을 200 내지 500배 확대하여 보인 측단면도.
도 9는 도 5의 코팅층을 200 내지 500배 확대하여 보인 측단면도.
도 10은 도 6의 코팅층을 200 내지 500배 확대하여 보인 측단면도.
도 11 및 도 12는 단일층과 경사층의 미세구조를 갖는 코팅층의 미세구조사진을 이용한 이미지 분석을 한 이미지 및 결과데이터를 나타낸 도면.
도 13은 10N 및 50N의 하중으로 비커스 인덴테이션 실험 후 각각의 코팅층에 대한 경도 및 인성값을 나타낸 도면.
도 14는 구형의 압입자를 이용한 인덴테이션 실험 후 응력변형 곡선을 나타낸 그래프.
도 15는 접합강도를 측정한 값 및 미세구조를 나타낸 도면.

이하 본 발명에 의한 열차폐 코팅층 미세구조 제어장치 및 이를 이용한 열차폐 코팅층 미세구조 제어방법의 바람직한 실시예가 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

본 발명에 의한 열차폐 코팅층 미세구조 제어장치는 도 2에 도시된 바와 같이, 플라즈마의 가스흐름이 발생되는 다수개의 노즐(10a, 10b, 10c)이 마련되는 노즐부(10)와, 상기 각각의 노즐(10a, 10b, 10c)에 각각의 코팅재료를 공급하도록 다수개 마련되는 호퍼부(20)를 포함하여 구성될 수 있다.

먼저, 본 발명에 의한 열차폐 코팅층 미세구조 제어장치에는 노즐부(10)가 마련된다. 상기 노즐부(10)는, 전방에 플라즈마 가스흐름을 발생시키는 역할을 한다.

상기 노즐부(10)는 상술한 기능을 위해 여러가지 방식으로 구성될 수 있으며, 예를 들면, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 노즐부(10)에 양극(12)과 음극(14)으로 구성되는 플라즈마건(16)과, 상기 플라즈마건(16)에 아크가스를 공급하는 아크가스토출구(18)를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 플라즈마건(16)의 양극과 음극 사이에 전기아크(19)가 발생될 때, 그 사이로 아르곤 또는 헬륨 등과 같은 아크 가스를 방사시켜 아크 가스가 이온화되면서 플라즈마 가스흐름을 발생시키게 된다. 상기 노즐부(10)에서 발생된 가스흐름은 고온으로 형성되고, 아래에서 설명될 호퍼부(20)에서 제공되는 재료를 녹여 모재(S)로 분사시키는 역할을 한다.

그리고, 상기 노즐부(10)에는 호퍼부(20)가 마련된다. 상기 호퍼부(20)는 상기 노즐부(10)에서 발생되는 플라즈마 가스흐름에 모재(S)에 코팅시킬 재료를 공급하는 역할을 한다.

이상과 같은 본 발명에 의한 열차폐 코팅층 미세구조 제어장치에는, 상기 노즐부(10)와 호퍼부(20)가 다수개 마련될 수 있다. 이는, 상기 노즐부(10)와 상기 호퍼부(20)에 다양한 조건의 코팅재료를 공급하여 다양한 조건의 코팅층을 형성하기 위함이다.

상술한 기능을 위해, 상기 노즐부(10)와 상기 호퍼부(20)에는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 여러개의 노즐(10a, 10b, 10c)과 호퍼(20a, 20b, 20c)가 마련될 수 있으며, 예를 들면, 3개의 노즐과 3개의 호퍼를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 노즐부(10)는, 플라즈마의 가스흐름이 발생되는 제 1노즐(10a)과, 상기 제 1노즐(10a)과 이격되어 상기 제 1노즐(10a)과 같은 방향으로 플라즈마 가스흐름이 발생되는 제 2노즐(10b)과, 상기 제 1노즐(10a)과 상기 제 2노즐(10b)과 이격되어 상기 제 1노즐(10a) 및 상기 제 2노즐(10b)과 같은 방향으로 플라즈마 가스흐름이 발생되는 제 3노즐(10c)을 포함하여 구성될 수 있다.

그리고, 상기 호퍼부(20)는, 상기 제 1노즐(10a)에 재료를 공급하는 제 1호퍼(20a)와, 상기 제 2노즐(10b)에 재료를 공급하는 제 2호퍼(20b)와, 상기 제 3노즐(10c)에 재료를 공급하는 제 3호퍼(20c)를 포함하여 구성될 수 있다.

이와 같은 구성에 의해, 상기 각각의 호퍼(20a, 20b, 20c)에 각기 다른 코팅재료를 적재하여 공급할 수 있고, 상기 각각의 노즐(10a, 10b, 10c)을 동작시켜, 모재(S)에 다양한 조건의 코팅층을 형성할 수 있게 된다.

또한, 상기 각각의 호퍼(20a, 20b, 20c)에는 도어(미도시)가 마련된다. 상기 도어는 선택적으로 차폐되면서, 상기 각각의 노즐(10a, 10b, 10c)로 공급되는 재료의 양을 조절하는 역할을 한다.

그리고, 상술한 각각의 노즐(10a, 10b, 10c)과 호퍼(20a, 20b, 20c)의 동작을 조절하는 제어부(미도시)가 더 마련될 수 있다.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 열차폐 코팅층 미세구조 제어장치를 이용한 열차폐 코팅층 미세구조 제어방법의 작용을 상세하게 설명한다.

먼저, 열차폐 코팅층을 형성할 모재(S)에 표면전처리공정을 한다. 상기 표면전처리공정은 블라스팅공정에 의해 이루어지는 것이 바람직하다. 이는, 모재(S)에 유분 등이 남아 있는 경우 본드층과 모재사이에서 코팅층이 잘 형성되지 않아 박리가 일어나거나 계면에서의 미세구조가 나빠질 수 있기 때문에 이를 방지하기 위함이다.

예를 들면, 직경 25mm, 두께 5.2mm를 갖는 Nimonic 263을 코인시편으로 제작하여 모재(S)로 사용하여 표면전처리공정을 한다. 상기 표면전처리공정은 블라스팅공정에 의한다. 블라스팅 공정 후 유분 등이 남아있을 경우에는 본드코팅과 모재사이에서 코팅층이 잘 형성되지 않으므로 시편은 손으로 절대만지지 않는 것이 바람직하다.

그리고, 각각의 호퍼(20a, 20b, 20c)에 모재에 코팅할 재료를 투입한다. 예를 들면, 도 2에 도시된 바와 같이, 제 1호퍼(20a)에는 Ni을 주원료로하는 상용화 분말인 AMDRY 9625를, 제 2호퍼(20b)에는 Co가 첨가된 METCO 461NS를, 제 3호퍼(20c)에는 지르코니아계인 YSZ(Yttria-stabilized zirconia) 상용화 분말 중 METCO 204C-NS를 투입한다.

상기 제 1호퍼(20a)와 상기 제 2호퍼(20b)에 주입된 Ni, Co를 주원료로 하는 금속분말들은 모재의 산화와 부식을 차단하고 코팅층과의 접합강도를 향상시키기 위해 이루어진다.

상기 각각의 호퍼(20a, 20b, 20c)에 재료를 투입한 후, 제어부를 조작하여, 각각의 노즐(10a, 10b, 10c)을 선택적으로 구동시켜 플라즈마를 발생시켜 모재(S)에 코팅층이 형성되도록 한다.

먼저, 도 3에 도시된 바와 같은 열차폐 코팅층을 형성하려면, 제 1호퍼(20a)에 461NS 또는 AMDRY 9625 중 어느 하나를 투입하고, 제 2호퍼(20b)에 204C-NS 또는 204NS 중 어느 하나를 투입한 후 제 1호퍼(20a)와 제 1노즐(10a)을 구동시켜 모재에 제 1호퍼(20a)의 461NS 또는 AMDRY 9625 중 어느 하나를 코팅시킨다.

그리고, 상기 제 1호퍼(20a)와 상기 제 1노즐(10a)을 정지시키고, 상기 제 2호퍼(20b)와 상기 제 2노즐(10b)을 구송시켜, 상기 204C-NS 또는 204NS 중 어느 하나가 코팅되도록 한다.

그러면, 도 3에 도시된 바와 같이, 모재(S)에 461NS 또는 AMDRY 9625 중 어느 하나의 재료가 1층으로 본드층으로 코팅되고, 상기 204C-NS 또는 204NS 중 어느 하나가 2층으로 탑코팅층으로 코팅되어 2층의 단일층이 형성된다.

이때, 상기 본드층을 형성할 때, 상기 노즐부(10)와 모재(S)의 거리는 180mm를 유지하면서, 200μm 내지 300μm로 코팅한다. 그리고, 상기 탑코팅층을 형성할 때, 상기 노즐부(10)와 모재(S)의 거리는 150mm를 유지하면서, 탑코팅층은 600μm 내지 2000μm두께로 하여 구성되며, 본드층과 탑코팅층을 형성할 때 노즐부와의 거리와 층의 두께는 이하의 실시예에서도 모두 동일하다.

그리고, 제 4에 도시된 바와 같은 열차폐 코팅층을 형성하려면, 먼저, 제어부를 조작하여 제 1노즐(10a)과 제 1호퍼(10a)를 구동시켜, 모재(S)에 제 1호퍼(20a)의 AMDRY 9625를 코팅시킨다.

그리고, 상기 제 1노즐(10a)을 구동시킨 후, 일정시간 경과 후 상기 제 2노즐(10b)을 구동시켜, 모재(S)에 제 2호퍼(20b)의 METCO 461NS를 코팅시킨다. 특히 이때, 도 4에 도시된 바와 같이 경사층으로 형성할려면, 상기 제 1호퍼(20a)의 공급량을 서서히 줄이고, 상기 제 2호퍼(20b)의 공급량을 서서히 늘여가는 경사층이 나타나게 된다.

그리고, 제 1노즐(10a)을 정지시키고, 제 2노즐(10b)을 구동시켜 모재(S)에 METCO 461NS만을 코팅시킨다.

그러면, 도 4에 도시된 바와 같이, 모재(S)에 제 1층이 AMDRY 9625층으로, 제 2층이 AMDRY 9625와 METCO 461NS 의 혼합층으로, 제 3층이 METCO 461NS층으로 모재에 본드층이 형성된다.

한편, 제어부를 통하여 상기 제 1노즐(10a)과 상기 제 2노즐(10b)의 동작을 정지시키고, 이때, 상기 제 1호퍼(20a)의 AMDRY 9625를 제거하고, METCO 204NS를 투입한다.

그리고, 상기 제 3노즐(10c)을 구동시켜 제 3호퍼(20c)의 METCO 204C-NS를 모재(S)에 코팅시킨다. 다음으로, 상기 제 3노즐(10c)을 구동시킨 후, 상기 제 1노즐(10a)을 구동시켜, 모재(S)에 제 1호퍼(20a)의 METCO 204NS를 코팅시킨다. 그리고, 상기 제 3노즐(10c)을 정지시키고, 상기 제 1노즐(10a)만 구동시켜 모재(S)에 제 1호퍼(20a)의 METCO 204NS만을 코팅시킨다.

이때, 상기 제 3노즐(10c)과 상기 제 1노즐(10a)을 구동시키면서, 노즐(10a, 10c)과 모재(S)의 거리는 150mm를 유지하면서, 코팅층은 600μm 내지 2000μm두께로 하여 도 4에 도시된 바와 같은 단면도를 나타내게 된다.

그러면, 도 4에 도시된 바와 같이, 모재(S)에 제 4층이 METCO 204C-NS층으로, 제 5층이 METCO 204C-NS와 METCO 204NS의 혼합층으로, 제 6층이 METCO 204NS으로 탑코팅층이 형성된다.

상술한 방법과 달리, 상기 제 1호퍼(20a)에 두가지 종류의 재료를 각각 별도로 적층시켜 상술한 코팅층과 동일한 코팅층을 형성시킬 수 있다.

예를 들면, 상기 제 1호퍼(20a)에 AMDRY 9625와 METCO 204NS를 순서대로 투입시켜 놓을 수 있다. 즉, 상기 1호퍼(20a)의 AMDRY 9625가 모재(S)에 적층되는 동안 상기 제 2호퍼(20b)의 METCO 461NS가 투입하는데, 상기 AMDRY 9625의 양을 줄이면서, 상기 METCO 461NS의 양을 늘이면서 경사층을 형성한다.

그리고, 상기 제 1호퍼(20a) 및 제 1노즐(10a)은 정지하고, 제 2호퍼(20b)와 제 2노즐(20b)만 작동한다.

그러면, 도 4에 도시된 바와 같이, 모재(S)에 제 1층이 AMDRY 9625로, 제 2층이 AMDRY 9625와 METCO 461NS의 경사층으로, 제 3층이 METCO 461NS로 형성된다. 이와 같은 방법으로 모재(S)에 본드층이 형성된다.

그리고, 상기 제 3노즐(10c)을 구동시켜 제 3호퍼(20c)의 METCO 204C-NS를 모재(S)에 코팅시킨다. 다음으로, 상기 제 3노즐(10c)을 구동시킨 후, 상기 제 1노즐(10a)을 구동시켜, 모재(S)에 제 1호퍼(20a)의 METCO 204NS를 코팅시킨다. 그리고, 상기 제 3노즐(10c)을 정지시키고, 상기 제 1노즐(10a)만 구동시켜 모재(S)에 제 1호퍼(20a)의 METCO 204NS만을 코팅시킨다.

이때, 상기 제 3노즐(10c)과 상기 제 1노즐(10a)을 구동시키면서, 노즐(10a, 10c)과 모재(S)의 거리는 150mm를 유지하면서, 코팅층은 600μm 내지 2000μm두께로 하여 도 4에 도시된 바와 같은 단면도를 나타내게 된다.

그러면, 도 4에 도시된 바와 같이, 모재(S)에 제 4층이 METCO 204C-NS로, 제 5층이 METCO 204C-NS와 METCO 204NS의 경사층으로, 제 6층이 METCO 204NS로 탑코팅층이 형성된다.

한편, 도 5에 도시된 바와 같은 열차폐 코팅층을 형성하기 위해서는, 제 1호퍼(20a)에 AMDRY 9625와 METCO 204NS를 순서대로 적재하고, 제 2호퍼(20b)에 METCO 461NS와 METCO 204C-NS를 순서대로 적재한 후 코팅작업이 이루어질 수 있다.

즉, 상기 제 1노즐(10a)과 상기 제 1호퍼(20a)가 동작하고, 상기 제 2노즐(10b)과 상기 제 2호퍼(20b)가 서로 동일한 양을 재료를 상기 모재(S)에 분출하면서 코팅작업이 이루어지면, 도 5에 도시된 바와 같이, 본드층으로 AMDRY 9625와 METCO 461NS의 혼합층으로 구성되고, 탑코팅층은 204NS와 204C-NS의 혼합층으로 구성된다.

그리고, 도 6에 도시된 바와 같은 열차폐 코팅층을 형성하기 위해서는, 제 1호퍼(20a)에 AMDRY 9625를, 제 2호퍼(20b)에 204C-NS를 적재하고, 상기 제 1호퍼(20a)와 제 1노즐(10a)을 구동시켜, 모재(S)에 AMDRY 9625의 본드층을 1층으로 형성한다.

상기 제 1호퍼(20a)와 상기 제 1노즐(10a)의 동작 중에, 제 2호퍼(20a)와 제 2노즐(20a)을 구동시킨다. 그러면, 2층으로 AMDRY 9625와 204C-NS의 혼합에 의해 이루어진 버퍼층이 형성된다.

그리고, 상기 제 1호퍼(20a)와 상기 제 1노즐(10a)의 동작을 중단시키면, 상기 제 2호퍼(20b)와 상기 제 2노즐(10b)만 동작하여, 3층으로 204C-NS만에 의해 탑코팅층이 형성된다.

이상과 같은 방식으로 모재에 열차폐 코팅층을 형성하게 된다. 그리고, 상기 코팅 공정 후 각 코팅층간의 계면 접합성 및 미세구조를 확인하고자 코팅시편을 절단하여 연마한 후 주사전자 현미경 등을 이용하여 기공과 균열의 이미지 분석을 실시하였다. 또한, 코팅층 사이의 결합력 시험, 비커스 인덴테이션 등을 통해 코팅층의 기계적 특성평가를 수행하였으며 그 결과는 아래와 같다.

도 3은 단일층으로 코팅하였을 때의 미세구조를 나타낸 것이다. 입자 사이즈가 작고 입자분포의 영향으로 METCO 204NS의 경우에서 좀더 치밀한 미세구조를 나타내는 것을 관찰할 수 있다.

그리고, 도 4는 경사화 미세구조를 갖는 코팅층의 미세구조 사진으로, 본 발명에 의한 열차폐 코팅층 미세구조 제어장치에서 각각의 노즐 및 호퍼를 조절함으로써 그림과 같은 결과를 얻을 수 있다. 미세구조상에서 경사화 코팅층이 잘 형성된 것을 볼 수 있다.

그리고, 도 5는 복합층으로 코팅하였을 때의 미세구조를 나타낸 것이다. METCO 204NS 와 METCO 204C-NS 파우더를 각각의 호퍼에서 공급하여 코팅한 것이다. 복합층의 경우에서 METCO 204NS와 METCO 204C-NS의 중간적 미세구조를 나타내는 것을 알 수 있다.

도 6은 단일층에 본드코팅 파우더와 탑코팅 파우더가 적재된 각각의 호퍼를 조절함으로써 그림과 같은 중간 버퍼층을 형성하였을 때의 미세구조를 나타낸 것이다. 미세구조상에서 버퍼코팅층이 잘 형성된 것을 볼 수 있다.

도 7은 본 발명에 따라 제조된 열차폐 코팅층의 200내 내지 500배 확대 미세구조 사진이다. METCO 204NS 코팅층이 기공형성이 덜 되어 스플랫 바운더리가 잘 발달되어 있으며 METCO 204C-NS 코팅층의 경우 덜 용융된 입자들과 많은 기공이 발생함을 알 수 있다.

그리고, 도 8은 경사화된 코팅층의 200배 내지 500배 확대 미세구조를 나타낸 것이다. 도 6에 나타난 바와 같이 경사화된 코팅층을 관찰할 수 있으며 기공이 많은 부분부터 차례로 치밀화 되는 미세구조를 관찰할 수 있다.

도 9는 본 발명에 따라 제조된 열차폐 복합 코팅층의 200 내지 500배 확대 미세구조 사진이다. METCO 204NS와 METCO 204C-NS의 단일 코팅층에 비해 중간적 미세구조를 나타내며 스플랫 바운더리가 발달되어 있으며 덜 용융된 입자들과 기공이 적음을 알 수 있다.

도 10은 버퍼코팅층을 포함하는 단일층의 200배 내지 500배 확대 미세구조 사진이다. 버퍼코팅층이 금속성과 세라믹성의 두 분말이 잘 용융되어 있으며, 적층 미세구조가 잘 형성되어 있는 것을 알 수 있다.

도 11 및 도 12는 단일층과 경사화 미세구조를 갖는 코팅층의 미세구조사진을 이용하여 이미지 분석을 한 이미지 및 결과이다. 입자분포와 크기에 따른 영향이 기공도나 기공 사이즈에 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 이미지 분석결과에서도 알 수 있듯이 단일 코팅층과 경사화 코팅층 간의 결과 값은 출발재료가 동일한 경우 큰 차이를 보이지 않고 유사한 값을 나타냄을 알 수 있고 결과값이 점차적으로 증가 혹은 감소함을 알 수 있다.

도 13은 10N 및 50N의 하중으로 비커스 인덴테이션 실험 후 각각의 코팅층에 대한 경도 및 인성값을 나타낸 결과이다. 결과 값은 경사화된 코팅층에서 10N의 하중으로 비커스 인덴테이션을 한 결과 값이며 점차적으로 증가하는 경향을 나타내었으며 100g/min으로 분말을 공급하였을 경우 METCO 204C-NS 코팅층의 경우 3.2GPa의 경도값을 나타내었으며 METCO 204NS 코팅층에는 4.5GPa를 타나내는 것으로 보아 치밀한 미세구조의 영향으로 판단된다. 분말 공급량이 75g/min으로 적어질 경우 경도값이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 인성값 역시 마찬가지로 0.3에서 1.1정도의 값으로 점차 증가하는 것을 볼 수 있으며 종래의 방법을 이용한 기존의 0.25값 보다는 높은 것을 확인할 수 있다.

도 14는 구형의 압입자를 이용한 인덴테이션 실험 후 응력변형 곡선을 나타낸 그림이다. 상기와 마찬가지로 도표상에서 METCO 204NS 코팅층의 경우에서 METCO 461 본드코팅보다 AMDRY 9625 분말을 이용한 코팅층이 상대적으로 손상내구성이 우수함을 확인할 수 있으며, 본드코팅보다는 탑 코팅층의 영향이 더 큰 것을 알 수 있다. 경사화 코팅층의 경우 단일 코팅층인 METCO 204C-NS와 METCO 204NS 코팅층 사이에 존재하는 응력변형 곡선을 확인할 수 있다.

도 15는 접합강도를 측정한 값 및 미세구조 사진이다. METCO 204NS 단일층의 접합강도는 약 14MPa의 높은 값을 나타내었으며, 이는 보통의 APS 코팅의 접합강도인 6~8MPa 보다 훨씬 높은 접합력을 나타낸다.

오른쪽 사진은 접합력 테스트 후의 이미지를 나타낸 것이며 본드코팅층과 탑코팅층 사이에서의 박리된 이미지를 확인하고자 하였으며 METCO 204C-NS 분말의 경우 각각의 코팅층 계면에서 떨어져 나간 것을 확인하였으며 METCO 204NS 코팅층의 경우는 단일 코팅의 경우 탑코팅층이 남아있는 것을 확인하였으나 경사화 코팅의 경우 치밀한 METCO 204NS 분말의 영향으로 상대적으로 기공도가 높은 METCO 204C-NS/METCO 204NS 복합 코팅층에서 박리가 일어난 것을 알 수 있다.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

10: 노즐부 20: 호퍼부

Claims (13)

1. 플라즈마 가스흐름이 발생되는 다수개의 노즐이 마련되는 노즐부;
   각각의 노즐에 마련되어 코팅재료를 공급하는 호퍼부; 그리고,
   상기 각각의 노즐의 동작을 조절하고, 상기 호퍼의 개폐정도를 조절하는 제어부;를 포함하여 구성되고,
   상기 노즐부는,
   플라즈마가 발생되는 제 1노즐;
   상기 제 1노즐과 이격되어, 상기 제 1노즐과 같은 방향으로 플라즈마가 발생되는 제 2노즐;
   상기 제 1노즐 및 상기 제 2노즐과 이격되어, 상기 제 1노즐 및 상기 제 2노즐과 같은 방향으로 플라즈마가 발생되는 제 3노즐;을 포함하여 구성되고,
   상기 호퍼부는,
   상기 제 1노즐에 재료를 공급하는 제 1호퍼;
   상기 제 2노즐에 재료를 공급하는 제 2호퍼; 그리고,
   상기 제 3노즐에 재료를 공급하는 제 3호퍼;를 포함하여 구성되고,
   모재에 본드층으로 하나의 재료를 이용하여 제 1층을 형성하고, 제 2층으로 상기 본드층의 재료의 양을 줄이면서, 상기 본드층의 재료와 서로 다른 하나의 재료의 양을 늘이면서 경사층을 형성하는 것 또는 제 2층으로 상기 본드층의 재료와 서로 다른 하나의 재료를 혼합하여 버퍼층을 형성하고, 3층으로 상기 다른 하나의 재료만을 이용하여 탑코팅층을 형성하는 것을 특징으로 하는 열차폐 코팅층 미세구조 제어장치.
2. 삭제
3. 모재를 블라스팅하는 제 1단계;
   제 1호퍼, 제 2호퍼, 제 3호퍼 중 하나 이상의 호퍼에 코팅할 재료를 투입하는 제 2단계; 그리고,
   상기 코팅할 재료가 투입된 상기 제 1호퍼, 제 2호퍼 및 제 3호퍼와 연동하는 제 1노즐, 제 2노즐 및 제 3노즐을 선택적으로 작동시켜, 플라즈마 가스흐름을 발생시켜 상기 재료를 녹여 모재에 코팅시키는 제 3단계; 를 포함하여 구성되고,
   상기 제 3단계에서, 상기 제 1호퍼, 제 2호퍼 및 제 3호퍼의 재료 중 하나 이상으로 코팅하고,
   상기 제 3단계에서,
   모재에 본드층으로 하나의 재료를 이용하여 제 1층을 형성하는 제 3-1단계;
   제 2층으로 상기 본드층의 재료의 양을 줄이면서, 상기 본드층의 재료와 서로 다른 하나의 재료의 양을 늘이면서 경사층을 형성하는 것 또는 제 2층으로 상기 본드층의 재료와 서로 다른 하나의 재료를 혼합하여 버퍼층을 형성하는 제 3-2단계; 그리고,
   제 3층으로 상기 다른 하나의 재료만을 이용하여 탑코팅층을 형성하는 제 3-3단계;를 포함하여 구성되는 열차폐 코팅층 미세구조 제어방법.
4. 제 3항에 있어서,
   상기 제 2단계에서,
   상기 제 1호퍼에 둘 이상의 재료를 혼합하여 투입하는 것을 특징으로 하는 열차폐 코팅층 미세구조 제어방법.
5. 제 3항에 있어서,
   상기 제 2단계에서,
   상기 제 1호퍼에 둘 이상의 재료를 구분하여 순서대로 투입하는 것을 특징으로 하는 열차폐 코팅층 미세구조 제어방법.
6. 제 3항에 있어서,
   상기 제 3단계에서,
   모재에 본드층으로 하나의 재료를 이용하여 제 1층을 형성하는 제 3-1단계; 그리고,
   제 2층으로 상기 제 1층의 재료와 서로 다른 하나의 재료를 이용하여 탑코팅층을 형성하는 제 3-2단계;를 포함하여 구성되는 열차폐 코팅층 미세구조 제어방법.
7. 삭제
8. 제 3항에 있어서,
   상기 제 3단계에서,
   모재에 본드층으로 서로 다른 두 개의 재료를 이용하여 제 1층을 형성하는 제 3-1단계; 그리고,
   제 2층으로 상기 본드층의 재료와 다르고 서로 다른 두 개의 재료를 이용하여 탑코팅층을 형성하는 제 3-2단계;를 포함하여 구성되는 열차폐 코팅층 미세구조 제어방법.
9. 삭제
10. 제 6항에 있어서,
    상기 본드층의 재료는 Ni 금속분말 또는 Co가 첨가된 Ni 합금분말 중 어느 하나로 이루어지고, 상기 탑코팅층의 재료는 지르코니아계인 YSZ 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열차폐 코팅층 미세구조 제어방법.
11. 제 3항에 있어서,
    상기 제 3단계에서,
    모재에 본드층으로 하나의 재료를 이용하여 제 1층을 형성하는 제 3-1단계;
    제 2층으로 상기 본드층의 재료의 양을 줄이면서, 상기 본드층의 재료와 서로 다른 하나의 재료의 양을 늘이면서 경사층을 형성하는 제 3-2단계;
    제 3층으로 상기 다른 하나의 재료만을 이용하여 중간층을 형성하는 제 3-3단계;
    제 4층으로 상기 중간층의 재료의 양을 줄이면서, 상기 중간층과 상기 본드층의 재료와 서로 다른 하나의 재료의 양을 늘이면서 경사층을 형성하는 제 3-4단계; 그리고,
    제 5층으로 상기 중간층과 상기 본드층의 재료와 서로 다른 하나의 재료의 양을 늘이면서 경사층을 형성하는 제 3-5단계;를 포함하여 구성되는 열차폐 코팅층 미세구조 제어방법.
12. 제 8항에 있어서,
    상기 본드층의 재료는 Ni 또는 Co가 첨가된 Ni로 이루어지고, 상기 탑코팅층의 재료는 각기 다른 입자크기, 조성, 입도분포의 지르코니아계인 YSZ로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열차폐 코팅층 미세구조 제어방법.
13. 제 1항의 열차폐 코팅층 미세구조 제어장치로 모재에 코팅하는 열차폐 코팅층 미세구조 제어방법.

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