KR101543891B1 - 초음속 진공유동 적층을 통한 나노구조의 금속 박막 코팅방법 - Google Patents

초음속 진공유동 적층을 통한 나노구조의 금속 박막 코팅방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 직경 0.2 내지 100㎛의 금속 분말을 20 내지 400℃의 온도 및 2 내지 10bar의 압력을 갖는 공정가스와 함께 적층 챔버내로 분사하는 단계; 및 상기 분사된 금속분말이 금속 강판, 세라믹 및 플라스틱을 포함하는 군으로부터 선택된 1종 이상의 피착제 표면에 적층되어 금속 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는 초음속 진공유동 적층을 통한 나노구조의 금속 박막 코팅방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면 적층된 금속입자가 나조구조의 결정립을 이루게 되므로 코팅층이 보다 치밀한 박막으로 형성될 수 있고 기계적 특성이 향상될 수 있다.

Description

초음속 진공유동 적층을 통한 나노구조의 금속 박막 코팅방법{Coating Method For Nano-structured Metallic Thin Films Using Supersonic Vacuum-Flow Deposition}
본 발명은 금속 분말을 분사하여 금속 코팅층을 형성하는 방법에 관한 것으로서 보다 상세하게는 초음속 진공유동 적층을 통하여 형성한 금속 박막 코팅층 및 그 형성방법에 관한 것이다.
일반적으로 금속 분말을 이용한 코팅에는 열용사(thermal spray) 및 저온분사(cold spray)법이 주로 적용된다. 열용사법은 플라즈마와 같은 고온의 가스 유동장 내에 금속 분말을 장입하는 방법이다. 열용사법에 따르면 금속 분말은 가스 비행 중 가스 유동장으로부터 열에너지를 흡수하여 용융 또는 반용융 상태로 상대재에 충돌하게 되고, 이 후 급속 응고를 겪으면서 적층되어 코팅층을 형성하게 된다.
열용사법을 적용하고 있는 종래문헌으로는 대한민국 공개특허 제2012-0092227호 및 제2006-0031136호 등이 존재한다. 열용사법은 빠른 시간에 후막을 형성할 수 있는 장점이 있으나, 고온의 금속 분말이 대기에 노출되면서 극심한 산화가 발생할 수 있다. 또한, 코팅 형성 중 응고수축에 의하여 코팅층 내 잔류응력이 형성되어 피착제와의 열팽창계수 차가 큰 경우 코팅층의 박리가 발생할 수 있다. 그 결과 코팅 품질이 저하될 수 있으며, 성막속도가 빠르기 때문에 박막을 형성에는 한계가 존재한다.
한편, 저온 분사법은 금속 코팅에 최적화되어 있는 공정으로서 금속 분말을 고압의 초음속 공정가스에 장입한 후, 초음속으로 가속하여 상대재에 충돌시키는 방법이다. 초음속 공정가스에 장입된 금속 분말은 극도로 높은 변형속도(strain rate)로 소성 변형하게 되고, 이 후, 충돌 계면에서 단열상태로 승온하여 금속 결합을 형성하게 된다. 저온 분사법은 입자의 가속 속도가 500 내지 1,200ms-1로 상온 진공분사 코팅공정(200 내지 600ms-1)보다 훨씬 빠르므로, 최적화된 공정에서 적층 효율은 80% 이상 나타날 수 있다.
저온분사를 적용하고 있는 종래문헌으로는 미국 공개특허 제2010-0183826호 등이 존재한다. 그러나 저온분사의 경우, 일반적으로 입자 크기가 3㎛ 이하인 분말은 가속이 불가능하므로 20㎛ 정도의 큰 분말을 사용하여야 하고, 성막 속도가 매우 빠르기 때문에 두께 5㎛ 이하의 박막형성이 까다로운 단점이 있다. 또한 고속충돌로 인하여 입자가 고속변형을 하게 되는데, 이 때 응력이 집중되는 부위와 타 부위 사이의 소성변형 정도에 차이가 발생한다. 이에 따라 미세조직이 불균일하게 되고, 가공경화가 입자 전반적으로 발생하여 전위밀도가 높아지며, 결정립계 형상이 일그러지기도 한다. 나아가, 초음속 가속을 위해 직경 1cm 이하의 노즐 사용하기 때문에 대면적 코팅을 단시간에 형성하기 어려운 문제가 존재한다.
본 발명은 기존의 열용사법 또는 저온분사법에 존재하는 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 치밀하고 균일한 나노구조의 미세조직을 갖는 금속 박막코팅층을 형성하여 코팅층의 기계적 특성을 향상시키고자 한다.
본 발명자들은 금속 분말의 분사 공정 중 크기가 큰 입자를 이용하여 쇼트 피닝(shot peening)을 유도하면, 피착제 표면에 적층된 작은 입자는 결정립이 더욱 미세화되어 나노구조를 형성할 수 있다는 점을 발견하고 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 일 구현에는 직경 0.2 내지 100㎛의 금속 분말을 20 내지 400℃의 온도 및 2 내지 10bar의 압력을 갖는 공정가스와 함께 적층 챔버내로 분사하는 단계; 및 분사된 금속분말이 금속 강판, 세라믹 및 플라스틱을 포함하는 군으로부터 선택된 1종 이상의 피착제 표면에 적층되어 금속 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는 초음속 진공유동 적층을 통한 나노구조의 금속 박막 코팅방법이다.
상기 금속분말은 구형, 판상형, 침상형 및 무정형을 포함하는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 형상을 가질 수 있고,
상기 공정가스는 공기, 질소 및 헬륨을 포함하는 군으로부터 선택된 적어도 하나일 수 있다.
한편, 상기 진공 챔버는 금속 분말 및 공정가스의 분사 전에 내부 압력이 0.0005 내지 0.02bar일 수 있고, 금속 분말 및 공정가스의 분사에 의해 내부 압력이 0.1 내지 1.5bar로 상승하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 분사는 노즐을 통해 피착제의 표면으로부터 5 내지 30mm 떨어진 거리에서 수행되고,
상기 피착제 표면에서 분말입자의 수직축 길이대비 수평축 길이 비가 3.15배 이상으로 증가하면서 적층되는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 구현예는 (a) 결정립 크기: 10 내지 30 nm; (b) 기공률: 0.001 내지 0.1%; 및 (c) 미소경도: 100 내지 200Hv의 특성을 갖는 나노구조의 금속 박막 코팅층이다.
상기 코팅층은 초음속 진공유동 적층방법에 의해 형성된 것일 수 있고,
이 때, 상기 코팅층은 두께가 1 내지 5㎛이상인 것이 바람직하다.
적층된 금속입자가 나조구조의 결정립을 이루게 되므로 코팅층이 보다 치밀한 박막으로 형성될 수 있고 이에 따라 코팅층의 기계적 특성이 향상될 수 있다.
도 1은 초음속 진공유동 적층 장치의 내부 구조를 나타낸 개략도이다.
도 2는 초음속 진공유동 적층의 통상적인 조건(400 내지 800℃ 및 10 내지 30bar)에서 금속 분말이 적층되는 과정을 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 양태에 따라 초음속 진공유동 적층하는 경우 나노구조의 금속 박막이 형성되는 과정을 나타내는 모식도이다.
본 발명에서 사용하는 초음속 진공유동 적층 방법은 하기 도 1에 도시한 형태의 초음속 진공유동 적층장치를 통하여 구현가능하다. 초음속 진공유동 적층장치의 분말공급기(106)에 투입된 일정량의 금속 분말은, 분말공급기 내에 구비된 디스크의 회전에 의하여 분말이송관으로 공급된다. 분말공급기 내 디스크에는 직경 5mm의 구멍(미도시)이 있어, 디스크의 회전 중 구멍이 이송관과 교차될 때 구멍을 통해 분말을 분말이송기에 공급하게 된다. 이 때, 분말의 공급량은 디스크의 회전수로 제어하게 되고, 가스공급기(108)에서는 공정가스의 일부가 분말공급기로 공급되어 분말의 이송을 돕는다.
한편, 노즐(105), 보다 바람직하게는 수렴-발산 노즐로 공급되는 공정가스의 압력과 온도는 각각 공정가스의 유량 및 공정가스 가열기(107)를 통하여 제어된다. 공정가스의 압력과 온도는 분말 비행 속도를 결정할 수 있다. 분말 입자가 공정가스와 만나게되면 공정가스 내에서 가스의 끄는 힘(drag force)에 의해서 가속된다. 상기 끄는 힘은 가스의 속도에 비례하므로 공정가스의 유량과 온도가 높을수록 가스 내부에너지가 높은 운동에너지 변환되어 분말의 속도를 증가시킬 수 있다.
상기 공급된 분말과 공정가스는 수렴-발산 노즐(105)에서 만나게 되어 노즐을 통하여 동시에 적층 챔버(101)로 분사된다. 적층 챔버는 금속분말 및 공정가스가 분사되기전 메카니컬 부스터(102)와 로터리 펌프(103)를 이용하여 1torr미만(약 0.00133bar)의 저압상태를 이루는 것이 바람직하다. 저압을 형성할 경우, 공정가스 및 분말이 분사되면서 공정가스의 압력과 적층챔버 간의 압력 차이로 인하여 분말 비행속도가 상승되고, 그 결과 유동장 내 분말의 분산도가 향상될 수 있다.
분말 비행속도가 향상된 금속분말이 피착제의 표면에 충돌하게되면 금속 분말은 충돌 계면에서부터 높은 변형속도(strain rate, >106s-1)로 변형하게 된다(205). 이 때, 금속 분말입자의 변형속도는 기형적으로 높기 때문에 충돌 계면의 온도를 단열상태로 융점 부근까지 상승시킨다. 그 결과 고온의 입자계면에서는 금속 입자의 전자교환에 의한 기계적 상호결합(mechanical interlocking)이 이루어지게 되고, 상기 공정의 반복으로 코팅이 형성된다.
이 때, 피착제 이송장치(104)를 통하여 피착제를 일정 속도로 이동시킴으로써 코팅의 두께와 면적을 제어할 수 있다.
본 발명은 상기 초음속 진공유동 적층 장치를 이용하여 나노구조의 치밀한 미세조직를 갖는 박막 코팅층을 형성하는 방법에 관한 것으로서 이하, 본 발명에 따른 초음속 진공유동 적층을 통한 나노구조의 금속 박막 코팅방법을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 상기 금속 박막 코팅방법은 직경 0.2 내지 100㎛의 금속 분말을 20 내지 400℃의 온도 및 2 내지 10bar의 압력을 갖는 공정가스(carrier gas)와 함께 적층 챔버내로 분사하는 단계; 및 상기 분사된 금속분말이 금속 강판, 세라믹 및 플라스틱을 포함하는 군으로부터 선택된 1종 이상의 피착제 표면에 적층되어 금속 코팅층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
기존의 초음속 진공유동 적층공정에 따른 공정가스의 경우, 온도가 400 내지 800℃ 및 압력이 10 내지 30bar로 제어되었다. 기존의 초음속 진공유동 적층에 의한 금속 분말의 코팅 형성과정은 하기 도 2에 나타난 바와 같을 수 있다. 즉, 일정 범위내에서 다양한 입도를 가지는 금속 분말(201, 203)을 가속하여 피착제(204)에 충돌시키면 입자간 계면(206)이 존재하는 코팅이 형성된다. 입자간 계면에 존재하는 원자 중 금속결합을 형성하는 비율은 30% 미만으로 일반적인 결정립계 보다 결합도가 떨어지기 때문에, 코팅층은 물리/화학적으로 매우 불안한 상태에 있다. 이 때, 전단응력(shear stress) 또는 부식인자가 주어진다면 입자간 계면에서 변형/파괴 및 부식이 우선적으로 발생할 수 있다.
반면, 본 발명은 공정가스의 압력과 온도를 각각 20 내지 400℃ 및 2 내지 10bar로 제어함으로써, 분말의 비행 속도 및 충돌 속도를 기존의 초음속 진공 유동 적층(400 내지 800℃의 온도 및 10 내지 30bar의 압력 조건)에 따른 속도보다 떨어지도록 유도한다. 본 발명의 일 양태에 따른 적층과정은 하기 도 3과 같다. 공정가스의 온도와 압력을 상기범위로 제어되면 입도가 상대적으로 큰 입자(301)의 가속도는 더욱 떨어져서 작은 입도의 분말(302)의 속도와 비교하여 낮아진다. 이 경우, 입도가 작은 분말은 충돌 시 소성변형을 통하여 초기 결정립 크기를 유지하며 적층되지만 입도가 큰 분말은 충돌 시 충분한 소성변형을 일으키지 못하고 탄성회복력(elatic recovery force)에 의해 튕겨져나가게 된다.
상기 큰 입자는 충돌 후 튕겨져나가는 과정에서 미리 적층된 입자에 쇼트 피닝(shot peening)을 가하게 된다. 또한 적층된 입자는 큰 입자들의 지속적인 쇼트피닝에 의하여 계속해서 소성 변형을 일으킨다. 소성변형에 의해 전위밀도가 극심히 높아지면 전위 간 상쇄(anihilation)가 발생되고 결정립계 내에서 내부 결정립계(sub-grain boundary)를 형성한다. 지속적인 소성변형을 통해 연속적 동정 재결정(continuous dynmic recrystallizaiton)을 이루게 되고, 나노구조의 결정립을 가지는 미세구조를 형성하게된다. 이로써, 적층된 코팅층은 더욱 치밀하면서 얇은 박막으로 형성될 수 있다.
본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 상기 공정가스는 가압(108) 및 가열장치(107)에서 제어되며 금속 분말의 임계속도, 크기 및 밀도를 고려하여 구체적인 온도 및 압력이 결정될 수 있다. 다만, 공정가스의 온도를 높이면, 공정 비용 증가를 야기하므로 가급적 낮은 온도(상온)와 압력의 공정을 사용하는 것이 바람직하다. 보다 바람직한 공정가스의 온도 및 압력은 20 내지 200℃ 및 2 내지 8bar일 수 있고, 가장 바람직한 공정가스의 온도 및 압력은 20 내지 100℃ 및 2 내지 5bar일 수 있다.
또한, 상기 공정가스는 종류에 따라 코팅성에 영향을 끼치지 않는 것으로서, 그 종류는 특별히 한정하지 않으며, 예를 들면, 공기, 질소 및 헬륨을 사용할 수 있다. 다만, 공정가스의 가격에 따른 생산 단가를 고려하면, 공기 또는 질소를 공정가스로 사용하는 것이 보다 바람직하다.
한편, 본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 상기 적층되어 코팅층을 형성하는 금속분말은 피착제 표면에 대한 분말입자의 수평축 길이가 수직축 길이의 3.15배 이상일 수 있다. 즉, 적층된 금속분말의 경우 충돌에너지와 쇼트 피닝의 영향으로 계속되는 소성변형을 일으키는데, 그 결과 장축(피착제 표면에 대한 분말입자의 수평축 길이)이 단축(피착제 표면에 대한 분말입자의 수직축 길이)에 비해서 길어지게 된다. 이 때, 장축이 단축의 길이에 비해 3.15배 이상일 경우 나노구조를 갖는 박막의 코팅층이 형성될 수 있다. 계속적인 소성변형에 의해 장축의 길이가 단축의 길이에 비해 측정이 불가할 정도로 증가할 수도 있으므로 상기 비율의 상한선은 한정하지 않는 것이 바람직하다.
본 발명의 초음속 진공유동 적층을 통해 금속 박막 코팅을 형성하기 위해서는 상기 공정가스 이외에도 몇몇의 공정변수를 하기와 같이 제어할 필요가 있다. 이하에서 열거하지 않는 나머지 공정변수는 통상의 초음속 진공유동 적층공정을 적용하여 실시할 수 있다.
금속 분말
상기 금속 분말은 공정가스와의 접촉으로 인해 발생하는 끄는힘(항력, drag force)에 의해 가속되며, 이때 끄는힘의 크기는 분말 입자의 밀도, 크기, 면적 및 형상에 큰 영향을 받는다. 본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 상기 금속 분말은 직경이 0.2 내지 100㎛일 수 있다. 분말의 입도가 0.2㎛ 이하인 경우 분말 제조자체 어려워 분말확보가 불가능하거나 공정가스에 의한 끄는 힘(drag force)이 제대로 작용하지 않아 충돌에 의한 적층이 불가능하고, 100㎛ 초과일 경우 분말의 중량이 높아 공정가스 끄는 힘에 의한 가속이 낮아 충돌에너지를 충분히 얻지 못하여 쇼트 피닝의 목적을 달성하지 못할 가능성이 크다.
또한, 상기 금속분말은 구형, 판상형, 침상형 및 무정형을 포함하는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 형상을 가질 수 있다. 다만, 보다 바람직하게는 구형 또는 무정형 형상의 분말이 공정 중 가속 및 충돌에 유리하여 적층 효율을 높일 수 있다.
본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 상기 금속분말은 전위의 이동 및 발생을 통하여 소성 변형을 발생시키는 통상적인 금속 소재라면 모두 가능하다. 이에 한정되는 것은 아니지만, 상기 금속 분말은 알루미늄, 구리, 철, 니켈, 티타늄, 탄탈륨 및 이들의 2이상으로 이루어진 합금을 포함하는 군으로부터 선택된 1종의 금속 또는 2종 이상의 혼합금속일 수 있다.
한편, 본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 수분에 의한 분말 응집을 해소하고 분말 유동성을 향상시키기 위하여 상기 금속분말은 주입 전에 100 내지 200℃의 온도에서 5 내지 20 시간 건조되는 것이 바람직하다.
적층챔버의 압력
본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 상기 적층 챔버는 금속 분말 및 공정가스의 주입 전에 내부 압력이 0.000005 내지 0.02bar일 수 있고, 금속 분말 및 공정가스의 주입으로 인해 내부 압력이 0.1 내지 1.5bar로 상승하는 것이 바람직하다.
분말 분사 전 적층 챔버는 메카니컬 부스터(102)와 로터리 펌프(103)를 가동하여 압력을 진공에 가까운 상태로 만들어 놓는 것이 바람직하다. 즉, 적층챔버 내의 압력이 저압(0.000005 내지 0.02bar)으로 형성되면 노즐부로 나오는 공정가스와의 압력 차가 발생되어 공정가스가 일정 시간 동안 감속되지 않고 분말을 피착제 표면까지 가속하여 충돌시킬 수 있다. 적층챔버가 저압으로 설정되지 않으면 노즐을 통해 분사된 공정가스는 대기와의 마찰에 의하여 감속률이 높아진다. 공정가스의 감속으로 인하여 기류 중 일부가 와류로 변형되어 적층 효율을 저하되고 가스 유동장 내 입자의 분산 균일성이 저하될 수 있다.
상술한 조건 이외에도 코팅성을 보다 향상시키기 위해서는 다음과 같은 공정변수를 추가적으로 제어하는 것이 보다 바람직하다.
분사 거리
본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 상기 분사는 노즐을 통해 피착제의 표면으로부터 5 내지 30mm 떨어진 거리에서 수행될 수 있다. 분사 거리가 5mm 미만일 경우는 분말이 가속되는 시간이 짧아져 분말의 속도를 극대화할 수 없으며, 분사 거리가 30mm 초과할 경우는 공정가스의 유동장이 마찰에 의해 감소되는 바 분말의 속도 또한 감속되어 분말의 속도를 극대화하지 못하여 코팅 공정의 효율을 저하시킨다. 이에 한정되지는 않으나 상기 노즐은 가운데 부분이 오목하게 들어가 있는 수렴-발산형의 노즐이 바람직할 수 있다. 수렴-발산형의 노즐을 통해 분사할 경우 공정가스 및 금속 분말의 가속을 극대화할 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 양태에 따르면, (a) 결정립 크기: 10 내지 30 nm; (b) 기공률: 0.001 내지 0.1%; 및 (c) 미소경도: 100 내지 200Hv의 특성을 갖는 나노구조의 금속 박막 코팅층을 제공할 수 있다. 코팅층의 결정립 크기 및 기공률이 상기 범위를 벗어날 경우 치밀한 조직을 이루지 못하므로 박막으로 존재할 수 없고, 경도가 상기 범위를 벗어나므로 기계적 물성이 취약해 질 수 있다.
상기 특성은 본 발명의 초음속 진공유동 적층방법에 의해서만 나타날 수 있는 특징이다. 즉, 동일하게 분말을 이용하더라도 저온분사공정에 따른 코팅 구조는 후막(두께가 100 마이크로미터에서 수 밀리미터에 해당)이고, 분말의 조직이 그대로 나타나거나 입자 계면에서 일부 변형되는 정도이다. 또한. 열용사코팅은 기공률이 높고 산화물이 존재할 수 있으며 나노조직의 형성은 가능하나 입자의 융융 정도에 따라 미세조직이 상이하여 균일하지 못하다.
본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 상기 코팅층은 초음속 진공유동 적층방법에 의해 형성될 수 있고, 보다 바람직하게는 직경 0.2 내지 100㎛의 금속 분말을 20 내지 400℃의 온도 및 2 내지 10bar의 압력을 갖는 공정가스와 함께 적층 챔버내로 분사하는 단계를 포함하는 초음속 진공유동 적층방법에 의해 형성될 수 있다. 이 때, 상기 코팅층의 두께는 1 내지 5㎛인 것이 바람직하다. 다만, 박막으로 형성하지 않는 경우라면 이에 한정되지 않고, 자유자재로 원하는 두께의 재현이 가능하다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 이에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
실시예
본 실시예에서 사용된 초음속 진공유동 적층장치는 하기 도 1에 나타난 구성과 동일한 것으로서 자체 제작하여 사용되었다. 이 때, 장치의 노즐은 텅스턴카바이드(WC)재질로써 출구의 폭이 100mm인 직사각형의 슬릿(slit)형태로 제작하였고, 가스 및 분말의 가속을 최대화하기 위하여 내부 형태는 수렴-발산(converge-diverge)형으로 제작하였다.
또한, 초음속 진공 유동 적층시 주입 가스는 대기 중 공기를 이용하였고, 금속 분말로는 수중 무화법(water atomization)을 통하여 제조된 페라이트계 저탄소강 철합금 분말을 이용하였다. 이 때, 분말의 형상은 구형에 가까웠고, 1 내지 20㎛의 입도범위에서 평균입도가 약 5㎛였으며 결정립 크기는 1.5 내지 2.0㎛였다.
상기 금속 분말은 분말 공급기에 장입하기 전에 150℃의 드라이 오븐에서 10시간이상 건조하여 수분에 의한 분말 응집을 해소하고 분말 유동성을 향상시켰다. 코팅시 분말 송급률은 노즐 출구 면적을 고려하여 코팅 형성에 필요한 충분양으로 도출된 5g/min으로 고정하였다.
한편, 코팅대상 피착제로는 두께가 0.5mm이고, C: 0.08 내지 0.13중량%, Mn: 0.03 내지 0.05중량%, P: 0.04중량%, S: 0.05중량% 및 잔부 철로 구성된 화학조성을 갖는 저탄소강(AISI1010) 합금박판을 사용하였다. 저탄소강 강재는 조질압연을 통하여 표면 조도를 일정하게 제어하였고, 탈지처리를 통하여 표면에 존재하는 오염물질 및 불순물을 제거하였다. 상기 피착제는 이송속도를 10mm/s로 설정하여 300mm이동시켰다.
본격적인 코팅에 있어, 로터리 펌프를 가동하여 디포지션 챔버의 압력을 0.013bar까지 하강시킨 후, 메커니컬 부스터를 가동하여 압력을 7.8X10-6bar 내지 1.1X10-5bar까지의 진공 분위기로 조성하였다. 진공 분위기가 조성된 것을 확인 한 후, 공정가스를 공급하기 시작하였고, 가스가 일정 유량으로 안정되게 공급되는 시점에서 분말공급기를 가동하여 분말을 공급하였다. 이와 동시에 피착제 이송 장치를 가동하여 피착제 상에 코팅을 형성하였다.
본 실시예에서 코팅은 피착제 7개를 대상으로 실시하였고 하기와 같은 조건으로 비교예 2종과 발명예 5종을 각각 제조하였다. 우선 비교예로서, 공정가스 가열기를 사용하여 공정가스 온도를 500℃로 상승시키고, 압력을 각각 15bar 및 20bar로 변화시켜가며 코팅층을 형성하였다.
또한 발명예로서, 피착제 4개에는 공정가스의 온도는 가열 없이 상온으로 고정하였으며, 공정가스 유량을 제어하여 압력은 2bar에서 5bar까지 1bar단위로 변화시키며 코팅을 실시하였다. 또한 나머지 피착제 1개에는 공정가스 온도 및 압력을 각각 25℃의 상온 및 0.5MPa로 설정하고 스캔 횟수를 5회로 늘려 코팅을 실시하였다. 보다 자세한 공정변수는 표2에 나타난 바와 같다.
구분 공정가스종류 공정가스온도 스캔횟수 공정가스압력
비교예1 공기 500oC 1 15 bar
비교예2 공기 500oC 1 20 bar
발명예1 공기 25℃ 1 2 bar
발명예2 공기 25℃ 1 3 bar
발명예3 공기 25℃ 1 4 bar
발명예4 공기 25℃ 1 5 bar
발명예5 공기 25℃ 5 5 bar
상기 모든 코팅실험 조건에서 코팅면적은 10X300mm2로 동일하게 고정되었다. 코팅 결과는 하기와 같이 코팅두께, 기공률, 결정립 크기, 미소경도 및 테이핑 테스트를 통해 분석하였고, 그 결과는 하기 표 2에 나타내었다.
-코팅두께 및 기공률: 코팅구조 분석으로 코팅을 절단하여 단면을 연마처리하여 주사전자현미경으로 측정하였다.
-결정립크기: 투과전자 현미경을 이용하여 코팅미세조직을 분석하였다.
-미소경도: 코팅 표면을 비커스 미소경도계를 이용하여 0.01 Hv의 하중으로 10 초간 압입하여 측정하였다.
-테이핑 테스트: 코팅표면에 Nichiba 사(社)의 투명테이프를 부착한 후 제거하여 테이프에 붙어 떨어지는 코팅의 흔적 또는 양을 관찰하여 내파우더링성을 평가하였다.
구분 코팅두께(㎛) 기공률(%) 결정립 크기 미소경도(Hv) 테이핑
테스트
비교예1 30.2±0.5 3.1 1.7±0.2 ㎛ 97±2.1 양호
비교예2 45.1±0.4 2.1 1.8±0.1 ㎛ 110±3.5 양호
발명예1 1.2±0.1 0.013 15.2±1.2 nm 146±2.1 양호
발명예2 1.3±0.1 0.011 17.4±1.3 nm 153±1.7 양호
발명예3 1.4±0.3 0.012 23.1±1.1 nm 164±1.5 양호
발명예4 1.6±0.1 0.017 19.2±0.8 nm 157±3.4 양호
발명예5 4.7±0.7 0.009 14.2±2.7 nm 151±2.1 양호
상기 표 2를 통해 확인할 수 있듯이, 모든 시편의 테이핑 테스트를 통한 내파우더링성은 양호하였다. 그러나 발명예의 경우 코팅 두께가 모두 5㎛이하로 형성되어 비교예 대비 박막의 코팅층이 형성되었음을 알 수 있었다. 또한 발명예 1 내지 5는 기공율이 0.01%에 가까운 값으로 유사하게 나타나 매우 치밀한 구조를 갖는 것으로 파악되었다. 반면, 비교예 1 및 2의 경우는 코팅의 두께는 두껍지만, 입자 간 계면에서 기공이 발생하여 발명예에 비하여 코팅 구조가 상대적으로 치밀하지 않은 것으로 측정되었다.
한편, 발명예 5에서는 스캔횟수 증가에 따라 코팅두께가 4.7㎛로 발명예 1 내지 4보다는 두껍게 나타났으나, 기공률, 결정립 크기, 미소경도의 결과는 발명예 1 내지 4와 유사하였다. 즉, 스캔 횟수에 상관없이 발명예는 모두 결정립 크기가 15 내지 25nm로 초기 결정립크기(1.5 내지 2.0㎛)를 유지한 비교예에 비하여 그 크기가 현저히 감소하였다. 또한 발명예의 경우 결정립 크기 감소로 인하여 경도가 홀-패치 관계에 따라 증가하였고, 그 결과 비교예의 경도보다 현저히 우수한 것으로 나타났다.
101: 적층 챔버(deposition chamber)
102: 메카니컬 부스터(mechanical booster)
103: 로터리 펌프(rotary pump)
104: 피착제 이송장치 및 피착제
105: 수렴-발산(converge-diverge) 노즐
106: 분말 공급기
107: 공정가스 가열기
108: 공정가스 공급기
201: 큰 입도의 비행 금속 분말
202: 금속 입자 내 결정립 또는 결정립계
203: 작은 입도의 비행 금속 분말
204, 303: 피착제 표면
205: 기존의 공정가스에 의해 적층된 입자
206: 코팅 내 입자 간 계면
301: 미적층되는 큰 입도의 금속분말
302: 적층을 이루는 작은 입도의 금속분말
304: 나노구조 금속 박막 코팅

Claims (10)

  1. 직경 0.2 내지 100㎛의 금속 분말을 20 내지 100℃의 온도 및 2 내지 5bar의 압력을 갖는 공정가스와 함께 적층 챔버내로 분사하는 단계; 및
    상기 분사된 금속분말이 금속 강판, 세라믹 및 플라스틱을 포함하는 군으로부터 선택된 1종 이상의 피착제 표면에 적층되어 금속 코팅층을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 적층 챔버는 금속 분말 및 공정가스의 분사 전에 내부 압력이 0.000005 내지 0.02bar인 초음속 진공유동 적층을 통한 나노구조의 금속 박막 코팅방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 금속분말은 구형, 판상형, 침상형 및 무정형을 포함하는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 형상을 갖는 초음속 진공유동 적층을 통한 나노구조의 금속 박막 코팅방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 공정가스는 공기, 질소 및 헬륨을 포함하는 군으로부터 선택된 적어도 하나인 초음속 진공유동 적층을 통한 나노구조의 금속 박막 코팅방법.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 적층 챔버는 금속 분말 및 공정가스의 분사에 의해 내부 압력이 0.1 내지 1.5bar로 상승하는 초음속 진공유동 적층을 통한 나노구조의 금속 박막 코팅방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 분사는 노즐을 통해 피착제의 표면으로부터 5 내지 30mm 떨어진 거리에서 수행되는 초음속 진공유동 적층을 통한 나노구조의 금속 박막 코팅방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 금속분말은 피착제 표면에서 분말입자의 수직축 길이대비 수평축 길이 비가 3.15배 이상으로 증가하면서 적층되는 초음속 진공유동 적층을 통한 나노구조의 금속 박막 코팅방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
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