KR102062652B1 - 회전되는 금속 탄화물 코팅방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 진공 플라즈마 용사코팅(Vacuum plasma spray) 공정을 통해 반구 형상 드의 3차원 형상의 모재에 초고온세라믹(UHTCs)인 하프늄 탄화물(HfC), 지르코늄 탄화물(ZrC), 및 탄탈 탄화물(TaC) 중에서 선택되는 어느 하나의 금속 탄화물 분말을 이용하여 균일하게 금속 탄화물 코팅층을 형성시키기 위한 회전되는 금속 탄화물 플라즈마 코팅방법에 관한 것이다.

Description

회전되는 금속 탄화물 코팅방법{Mehtod of Plasma Coating of Metal Carbides in Rotation}

본 발명은 금속 탄화물의 진공 플라즈마 용사코팅(Vacuum plasma spray) 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 진공 플라즈마 용사코팅 공정을 이용하여 보다 신속하게 3차원 형상의 모재에 내구성 및 내열성이 우수한 두꺼운 금속 탄화물 코팅층을 빠르게 형성하기 위한 회전되는 금속 탄화물 코팅방법에 관한 것이다.

초고온 세라믹(Ultra High Temperature Ceramics, UHTCs)는 녹는점이 2,500℃ 이상의 탄화물, 질화물, 붕화물 계열의 내열 소재로써 고온에서 열적, 기계적 안정성이 우수하여 고온, 극한환경에 적용이 가능하다.

이 중 하프늄 탄화물(HfC), 지르코늄 탄화물(ZrC), 탄탈 탄화물(TaC) 등과 같은 금속 탄화물(Metal Carbides)는 3,500℃ 이상의 높은 녹는점과 고강도, 고경도를 가지며, 내열 및 내마모성이 우수하고, 물리적 충격에 대한 저항성이 뛰어나며, 화학적으로 안정할 뿐만 아니라 전기전도성이 우수하여 항공우주나 방위 산업 분야와 같은 다양한 분야에서 코팅소재로 활용되고 있다. 특히 이러한 내마모성은 비행체의 초음속 비행 및 지구 재 진입환경 시 고속 입자와의 충돌에 의한 삭마에 뛰어난 저항성을 보일 수 있다.

금속 탄화물 중에서 하프늄 탄화물(HfC)는 녹는점이 3,900℃로 가장 높으며 화학적 안정성도 고온에서 가장 좋다. 탄탈 탄화물(TaC)의 경우는 녹는점이 3,850℃~3,880℃ 정도로 높으며, 금속 탄화물 중에서 산화 저항성이 가장 우수한 소재이다. 또한 지르코늄 탄화물(ZrC) 역시 녹는점이 3,540℃~3,552℃ 정도로 높으면서도 경도가 금속 탄화물 중에서 가장 높으면서도, 비중이 하프늄 탄화물(HfC)와 탄탈 탄화물(TaC)에 비해 절반 정도 밖에 되지 않아 무게 측면에서 매우 유리한 소재이다.

이러한 금속 탄화물의 우수한 특성을 활용하기 위해서는 소결법 등의 제조 방법을 이용해야 하지만 강한 공유결합으로 소결 시 높은 용융 온도와 낮은 확산계수를 갖기 때문에 고밀도의 소결체 제조가 매우 어렵다. 이러한 이유로, 구조재 표면에 금속 탄화물을 적용하기 위하여 화학기상증착, 물리기상증착, 원자층증착 등의 다양한 증착 방법을 적용하고 있다.

대한민국 공개특허공보 제10-2009-0085654호에서는 금속 탄화물 박막들을 형성하기 위하여 원자층증착(Atomic Layer Deposition, ALD)을 제시하고 있으며, 대한민국 공개특허공보 제10-2010-0134676호에서는 기상 증착 공정들에 의하여 금속 탄화물 막을 증착하는 것에 관하여 방법이 제시되어 있다. 하지만 기상 증착 방법은 공정 조건이 매우 복잡하고, 두꺼운 층을 형성할 수 없으며, 증착층 형성에 장시간이 소요되는 문제점이 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-1591050호 에서는 이종 물질 간의 접합 기술로서, 탄소 함유 소재에 초고온 세라믹을 코팅하여 접합하는 방법이 제시되어 있다. 하지만 이종 재료를 접합하는 경우에는 각 재료들의 열팽창계수로 인해 형성된 금속 탄화물 박막의 내구성 저하 등 문제점이 있다.

대한민국 공개특허공보 제10-2009-0085654호 대한민국 공개특허공보 제10-2010-0134676호 대한민국 등록특허공보 제10-1591050호

이에 상기와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 진공 플라즈마 용사코팅 공정을 이용하여 다양한 형상으로 곡면을 가진 반구 형상 등과 같은 3차원 형상의 모재에 내열 및 내마성 등이 우수한 금속 탄화물 분말을 고원에 열원에 이송하여 용융 및 스프레이 건을 통해 비산시켜 금속 탄화물 코팅층을 형성하되, 스프레이 건이 일측에 형성된 6축 로봇과 코팅 대상의 모재가 위치하는 턴테이블의 속도 및 위치 제어를 통해 비교적 간단한 공적으로 단시간에 형성할 수 있는 회전되는 금속 탄화물 코팅 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 진공 플라즈마 용사코팅 공정을 이용한 금속 탄화물(Metal Carbides) 코팅방법에 있어서, (a) 모재 및 금속 탄화물 분말을 준비하는 단계, (b) 스프레이 건에서 발생되는 진공 플라즈마를 이용해 상기 모재를 예열하는 단계, (c) 상기 스프레이 건에 금속 탄화물 분말을 주입한 뒤, 진공 플라즈마 용사코팅 공정을 통해 상기 모재를 코팅하여 금속 탄화물 코팅층을 형성하는 단계, (d) 상기 스프레이건에서 발생되는 진공 플라즈마를 이용하여 상기 금속 탄화물 코팅층이 형성된 모재를 후열하는 단계를 포함하며, 상기 (c) 단계는 수평면에 위치한 턴테이블에서 수직축에 대해 상기 모재가 회전되는 동안, 상기 모재의 수직방향 상부로부터 고도를 따라 상기 모재가 위치한 수평면까지 상기 스프레이 건의 궤적을 변화시키면서, 상기 금속 탄화물 분말을 상기 진공 플라즈마 용사코팅 공정에 의해 상기 모재에 코팅하되, 상기 스프레이 건의 전체 경로 구간을 고도에 따라 1점 내지 7점으로 6개의 구간으로 구분하면, 상기 스프레이 건이 1점으로부터 7점으로 이동하면서 고도가 낮아질수록 상기 스프레이 건의 구간별 속도가 감소하고, 상기 스프레이 건이 7점으로부터 1점으로 이동하면서 고도가 높아질수록 상기 스프레이 건의 구간별 속도가 증가하도록 스프레이 건의 이동 구간별 속도를 변화시켜 금속 탄화물을 코팅시킬 수 있다.

상기 (c) 단계는, 상기 진공 플라즈마 용사코팅 방법으로 비활성화 기체 분위기에서 플라즈마 발생기에 300A 내지 1000A의 전류를 인가하여 발생된 플라즈마를 이용하여 금속 탄화물 분말을 용융한 후 상기 예열된 모재의 표면에 분사시켜 금속 탄화물 코팅층을 형성할 수 있다.

구체적으로 상기 (c) 단계는, 상기 챔버 내부 압력을 10 mbar 내지 200 mbar으로 유지하면서 스프레이 건에 의해 발생된 플라즈마 영역에서 상기 금속 탄화물 분말을 0.1 g/분 내지 50 g/분의 유량으로 주입하고, 상기 모재의 표면과 플라즈마 발생기 간의 거리를 100 mm 내지 400 mm로 유지하면서 상기 진공 플라즈마 용사코팅 방법을 수행하여 금속 탄화물 코팅층을 형성할 수 있다.

상기 모재는 수직축 상의 단부가 반구 형상인 것이 가장 바람직하다.

상기 금속 탄화물 코팅층은 두께가 1 ㎛ 내지 200 ㎛ 인 것이 바람직하다.

또한, 상기 금속 탄화물 코팅층은 기공율이 15% 내지 20%인 것이 바람직하다.

상기 금속 탄화물 분말은 하프늄 탄화물(HfC), 지르코늄 탄화물(ZrC), 및 탄탈 탄화물(TaC) 중에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.

상기 (c) 단계에서 상기 턴테이블은 0 rpm 초과 50 rpm 이하의 속도로 회전하고, 상기 스프레이 건은 이동 구간별 속도가 1 mm/s 내지 50mm/s로 제어될 수 있다.

본 발명은 진공 플라즈마 용사코팅 공정을 이용하여 본 발명의 금속 탄화물 코팅 방법을 이용하여 곡면을 갖는 반구 형상 등의 다양한 3차원 형상의 모재에 비교적 간단한 공정으로 짧은 시간 내에 두꺼운 금속 탄화물 코팅층을 형성이 가능하여 공정 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 금속 탄화물 코팅 방법 이용함으로써 3차원 형상을 갖는 모재에 금속 탄화물 코팅을 형성함으로써, 내열성 및 내마모성 등이 필요로 하는 항공 우주 분야 및 방위 산업 분야의 극한환경용 열 보호시스템의 소재 등과 같은 다양한 형상의 소재에 적용될 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 진공 플라즈마 용사코팅 공정을 이용한 금속 탄화물 코팅층 형성 방법의 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 3차원 모재에 금속 탄화물 코팅층을 형성하기 위한 로봇과 턴테이블의 경로 및 속도 제어 방법이다.
도 3는 본 발명의 실시예 1에 따라 지르코늄 탄화물 코팅층이 형성된 시편을 전계방출형 주자전자현미경(Field emission scanning electron microscope, FE-SEM)으로 촬영한 이미지이다.
도 4은 본 발명의 실시예 1에 따라 지르코늄 탄화물 코팅층이 형성된 시편을 에너지 분산형 X-선 분광법(Energy Dispersive X-Ray Spectrometer, EDS) 분석 결과이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1에 따라 형성된 지르코늄 탄화물 코팅층의 기공도 측정 결과이다.
도 6은 본 발명의 실시예 2에서 따라 반구형 모재에 금속 탄화물 코팅층을 형성한 시편의 단면을 각 위치별로 측정한 이미지이다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 진공 플라즈마 용사코팅 공정을 이용한 Metal Carbides 코팅층의 형성방법을 나타내는 흐름도로서, (a) 모재 및 금속 탄화물 분말 준비 단계(S100), (b) 모재 예열 단계(S200), (c) 금속 탄화물 코팅 단계(S300), 및 (d) 후열 처리 단계(S400)로 이루어지며, 이하에서 상세히 설명한다.

상기 모재 및 금속 탄화물 분말 준비 단계(S100)에서 모재는 코팅층과 모재와의 접착력 향상을 위하여 초음파 세척하여 표면의 이물질을 제거한 후 건조하여 진공 플라즈마 용사코팅 장비의 챔버 내부에 장착한다.

또한, 본 명세서에서 사용되는 “모재”란 표면에 본 발명에 따른 금속 탄화물 코팅층이 형성되는 코팅 대상물을 의미하며, 그 형상이 반구 형상을 갖는 것이 바람직하며, 이에 한정되지 않고, 곡면을 갖는 다양한 3차원의 입체 형상을 갖는 것이 바람직하다.

그리고 상기 모재의 소재는 특별히 한정되지 않으나, 탄소(C)를 함유하는 재질로 구성된 것을 사용할 수 있으며, 보다 더 바람직하게는 표면에 탄화규소(SiC)층이 형성된 탄소 복합재를 사용할 수 있다

금속 탄화물은 초고속 세라믹(UHTC)으로서, 하프늄 탄화물(HfC), 지르코늄 탄화물(ZrC), 및 탄탈 탄화물(TaC) 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 사용할 수 있고, 이와 같은 금속 탄화물은 고온 플라즈마를 이용한 용사 코팅 공정을 수행하기 위해 분말상으로 사용된다. 상기 금속 탄화물의 분말의 크기는 고온 플라즈마를 통한 용융성, 코팅정도, 코팅층 두께, 코팅층의 치밀성 및 코팅 시간 등을 고려하여 나노미터(nm) 내지 마이크로미터(㎛)의 크기를 가질 수 있으나, 이에 분말의 크기를 한정하지 않는다. 그러나 진공 플라즈마 용사코팅에 사용되는 금속 탄화물 분말의 크기가 지나치게 작은 나노미터(nm)의 크기의 경우, 분말 입자 간의 뭉침 현상의 문제가 발생할 수 있으므로, 분말 입자의 입도가 3 ㎛ 정도 이상의 크기를 갖는 것이 코팅 장치의 스프레이 건의 주입 및 분사가 용이할 수 있다.

상기 금속 탄화물 분말은 이송장비 내에 투입 후 코팅 시와 동일한 조건으로 이송시켜 g/분의 단위로 측정하여 이송률(feeding rate)로 나타낸다.

예열 공정 단계(S200)는 모재를 약 500℃ 내지 700℃로 예열하여 금속 탄화물 코팅층과 모재 사이의 계면 접합력을 향상시키는 것을 목적으로, 상기 준비된 모재를 진공 플라즈마 용사코팅 장비의 챔버 내 장입한 후, 스프레이 건에서 발생되는 고온 플라즈마를 이용하여 예열하게 된다.

금속 탄화물 코팅 단계(S300)는 스프레이 건에 불활성 가스로 아르곤 및 수소의 공정가스 투입 후 아크 방전을 통하여 6,000℃ 이상의 고온 플라즈마가 발생하게 되고, 이송 가스에 의해 준비된 금속 탄화물 분말이 플라즈마 유동 내로 이송된다. 금속 탄화물 분말 입자는 용융하게 되고, 플라즈마 유동에 따라 가속되어, 모재에 연속적으로 충돌하여 코팅층을 형성하게 된다. 진공 플라즈마 용사코팅 장비의 진공 챔버 내에서 용사코팅이 이루어지므로 공기 중 산소에 의한 산화물 생성이 억제되어 고순도, 고품질의 금속 탄화물 코팅층을 형성할 수 있다.

구체적으로 상기 금속 탄화물 코팅 단계(S300)는 상기 진공 플라즈마 용사코팅 방법으로 비활성화 기체 분위기에서 플라즈마 발생기에 300A 내지 1000A의 전류를 인가하여 발생된 플라즈마를 이용하여 금속 탄화물 분말을 용융한 후 상기 예열된 모재의 표면에 분사시켜 금속 탄화물 코팅층을 형성하되, 상기 챔버 내부 압력을 10 mbar 내지 200 mbar으로 유지하면서 스프레이 건에 의해 발생된 플라즈마 영역에서 상기 금속 탄화물 분말을 0.1 g/분 내지 50 g/분의 유량으로 주입하며, 상기 모재의 표면과 스프레이 건 간의 거리를 100 mm 내지 400 mm로 유지하면서 금속 탄화물 코팅층을 형성할 수 있다.

본 명세서에서 진공 플라즈마 용사코팅 장치에 대해 별도의 도면으로 도시되지 않았으나, 방전 가스가 주입되고, 플라즈마 발생기에 전원을 인가하면 플라즈마 발생기로부터 고온의 플라즈마가 발생되어 스프레이 건을 통해 방사된다. 그리고 코팅 물질로서 금속 탄화물 분말을 이 스프레이 건의 토출구 쪽으로 주입하게 되면 주입된 금속 탄화물 분말이 스프레이 건의 토출구를 통해 토출되면서 고온 플라즈마에 의해 용융되고, 용융된 금속 탄화물 분말을 모재 표면을 향하여 비산시켜 코팅될 수 있다.

후열 처리 단계(S400)는, 코팅 공정 후 냉각 시 모재와 금속 탄화물 코팅층 간의 열팽창 차이로 인한 코팅층의 박리를 방지하기 위하여 수행한다. 스프레이 건에서 발생된 고온 플라즈마를 이용하여 모재에 직접 열을 가하여 후열 공정 처리를 수행하며, 이때 모재의 온도는 코팅 시 온도보다 상대적으로 낮은 온도를 유지한다.

도 2는 본 발명의 3차원 모재에 금속 탄화물 코팅층을 형성하기 위한 로봇과 턴테이블의 경로 및 속도 제어 방법의 모식도로, 3차원 모재에 코팅층을 형성하기 위한 로봇과 턴테이블의 경로 및 속도 제어 방법으로 모재가 장착된 턴테이블은 연속 회전하고, 스프레이 건이 장착된 6축 로봇은 로봇 경로를 따라 왕복하는데, 이때 각 위치 구간의 이동속도를 변경하여 균일한 코팅층 두께를 형성하도록 한다.

본 발명은 이와 같은 진공 플라즈마 용사코팅 공정을 이용하여 고순도, 고품질의 금속 탄화물 코팅층을 비교적 간단한 공정으로 단시간 내에 형성할 수 있으며, 또한 로봇과 턴테이블의 위치 및 속도 제어로 3차원 형상의 모재에 코팅층을 형성할 수 있다.

이하, 본 발명은 실시예를 들어 상세하게 설명한다. 다만 하기의 실시예는 본 발명의 내용을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.

<실시예 1>

진공 플라즈마 용사코팅 공정을 이용한 지르코늄 탄화물(ZrC) 코팅층 형성

지르코늄 탄화물(ZrC) 코팅용 모재는 화학기상반응(Chemical Vapor Reaction, CVR) 공정으로 표면에 약 30 ㎛의 SiC층을 형성시킨 탄소복합재를 사용하였다.

모재를 초음파 세척 후 건조하여 진공 플라즈마 용사코팅 장비의 챔버 내부에 장착하였다. 이후 진공 챔버 내부의 산소를 최대한 제거하기 위하여 0.5 mbar 까지 진공상태를 유지한 후 30 mbar의 아르곤 분위기에서 예열 공정을 시작하였다.

약 700℃의 예열 온도를 유지하기 위하여 전류는 600A를 인가하였고, 불활성화 공정가스로 아르곤 30LPM과 수소 2LPM의 혼합가스를 주입하였으며, 챔버 압력 100mbar에서 모재와 스프레이 건 사이의 거리는 210mm를 유지하여 공정을 수행하였다.

예열 공정 후 연속적으로 지르코늄 탄화물(ZrC) 코팅 공정이 수행되며, 3,500℃ 이상의 녹는점을 가지는 지르코늄 탄화물(ZrC) 분말을 용융시키기 위하여 아르곤 50LPM, 수소 10LPM의 혼합가스와 전류 600A를 인가하여 플라즈마를 유지시켰다.

분말 이송량은 8g/min이고, 진공 챔버의 압력은 50mbar에서 용사거리 350mm 조건으로 코팅을 수행하였다. 코팅 완료 후 모재와 지르코늄 탄화물(ZrC)의 열팽창 계수 차이로 인한 박리를 방지하여, 접착력을 향상시키기 위해 전류 500A, 아르곤 50LPM과 수소 2LPM, 챔버 압력 100mbar, 용사거리 210mm 조건에서 후열 공정을 수행하였다.

도 3은 본 실시예 1에서 진공 플라즈마 용사코팅 공정으로 형성된 ZrC 코팅층 단면의 전계방출형 주자전자현미경(Field emission scanning electron microscope, FE-SEM)으로 관찰한 이미지이다. 코팅두께는 약 110㎛이고, 탄소복합재 표면의 SiC층과 ZrC 층의 접합 상태가 매우 양호한 것을 확인할 수 있다.

도 4는 본 실시예 1에서 형성된 지르코늄 탄화물(ZrC) 코팅층 단면의 EDS 성분 분석 결과로서 코팅층에서 지르코늄(Zr)을 확인하였으며, 표면에 산화물을 포함한 이물질은 관찰되지 않았다.

도 5는 본 실시예 1에서 형성된 지르코늄 탄화물(ZrC) 코팅층의 기공도 측정 결과이다. 기공도는 ASTM E2109 - 01의 규격에 따라 현미경 이미지 분석으로 측정하였으며, 약 18.7 %의 기공율을 확인하였다.

<실시예 2>

3차원 형상의 모재에 코팅층 형성

반구를 비롯한 3차원 형상의 모재에 균일한 코팅층 두께를 형성하기 위해서는 턴테이블 속도 및 로봇의 경로, 이동속도 등을 제어해야 한다.

반구형 모재의 경우, 모재는 회전하는 상태이므로 표면에서 각 위치에 따라 원주가 다르며, 그에 따라 코팅율도 달라진다. 따라서 코팅 두께 균일도를 위하여 위치에 따라 로봇 이동 속도의 제어가 필요하다.

로봇의 경우 일 측에 스프레이 건(100)과 연결되어 있으며, 상기 스퍼레이 건(100)이 적어도 한방향 이상으로 이동하여 이동 방향이 제한되지 않는다. 구체적으로 로봇은 챔버 내의 바닥에 고정되어 설치될 수 있으며, 이 로봇은 다수개의 축이 포함되어 입체 공간 상에 자유롭게 이동될 수 있으며, 바람직하게는 6축 로봇이다.

도 2에 도시된 바와 같이 턴테이블(200)은 30 RPM으로 연속 회전하며, 스프레이 건(100)이 포함된 로봇의 경로는 시편 단면의 형상과 유사하게 작성하였다. 다만, 로봇이 경로를 따라 모재 중심에서 아래 방향으로 이동 시 각 위치 구간에서 이동 속도를 감소시키고, 아래에서 모재 중심으로 이동 시 증가할 수 있도록 속도를 다르게 프로그래밍 하였다.

진공 플라즈마 용사코팅(vacuum plasma spray, VPS) 공정 시 로봇과 턴테이블은 사전에 작성된 경로와 속도에 따라 반복하며 금속 탄화물 코팅층을 형성하게 된다. 스프레이 건(100)에서 플라즈마가 방전되고, 챔버 내 공정 조건이 설정값에 도달하면 분말 이송이 시작된다. 이후 턴테이블(200)은 일정한 속도로 공정 종료 시까지 회전하며, 로봇은 시작점-중간점-시작점으로 왕복한다. 이러한 로봇과 턴테이블의 움직임을 제어하면, 반구 형상과 같은 3차원 형상의 모재(10)에 균일한 코팅층을 형성할 수 있게 된다.

이에 실시예 2는 3차원 형상인 반구형 모재(10)에 균일한 코팅층을 형성하기 위하여 6축 로봇의 이동 속도와 턴테이블의 회전 속도를 제어하여 실험하였다.

6축 로봇의 경로는 반지름이 약 350mm인 반구 형상 단면을 따라 시계방향으로 90°부터 180°까지의 범위의 호를 따라 이동한다.

전체 경로는 총 7 점(point)으로 구성되어 있으며, 1점-2점 구간은 16 mm/s, 2점-3점 구간은 14 mm/s, 3점-4점 구간은 11 mm/s, 4점-5점 구간은 7 mm/s, 5점-6점 구간은 5 mm/s, 6-7 구간은 3 mm/s의 속도로 이동된다. 상기 1점으로부터 7점으로 고도가 낮아질수록 구간별 이동속도가 감소하고, 반대로 7점으로부터 1점으로 고도가 높아질수록 구간별 이동속도가 증가한다.

1회 왕복은 1점 - 2점 - 3점 - 4점 - 5점 - 6점 - 7점 - 6점 - 5점 - 4점 - 3점 - 2점 - 1점을 지나는 경로이다. 로봇이 1회 왕복 시 턴테이블은 30 RPM으로 일정하게 회전한다. 1점이 90°으로 시작점이고, 7점이 180°으로 중간점에 해당된다.

위와 같은 각 구간의 속도가 다른 경로를 갖는 로봇 움직임과 일정한 속도를 갖는 턴테이블의 회전을 조합하면 3차원 형상인 반구형상의 표면에 균일한 두께를 갖는 코팅층을 형성할 수 있다.

도 6은 본 실시예 2에서 반구형상의 모재에 코팅층을 형성한 시편의 단면을 각 위치별로 측정한 이미지이다. 코팅층 두께는 약 30㎛로 전체적으로 균일한 코팅층을 형성하였다.

즉, 진공 플라즈마 용사코팅 공정을 이용한 금속 탄화물(Metal Carbides) 코팅방법으로 모재 및 금속 탄화물 분말을 준비하는 단계, 스프레이 건에서 발생되는 진공 플라즈마를 이용해 모재를 예열하는 단계, 진공 플라즈마 용사코팅 공정을 이용하여 금속 탄화물 분말을 코팅하는 단계, 진공 플라즈마를 이용하여 금속 탄화물 코팅층이 형성된 모재를 후열하는 단계를 포함하고, 모재를 수평면 상의 수직축에 대해 회전시키면서 금속 탄화물 분말을 코팅에 의해 수평면으로부터 시작점 90°이고, 중간점은 180°의 고도를 따라 코팅층이 형성된다. 시작점 90°이고, 중간점은 180°을 따라 시작점-중간점-시작점으로 진공 플라즈마 용사코팅 공정이 이동하되, 전체 구간을 고도를 따라 6개 구간으로 구분된다.

3차원 형상의 위치별 두께 제어를 위해 진공 플라즈마 용사코팅 공정은 구간별 이동 속도를 0 mm/s 초과부터 50 mm/s 이하 내에서 동일하게 이동하며, 진공 플라즈마 용사코팅 공정은 아르곤의 주입량이 0 LPM 초과부터 100 LPM 이하, 수소의 주입량은 0 LPM 초과부터 20 LPM이하로 하며, 챔버 내 압력을 10 mbar 내지 200 mbar를 유지하며 금속 탄화물 분말을 0.1 g/분 내지 50 g/분으로 주입하며 코팅한다. 모재는 반구형상의 표면을 형성하되, 진공 플라즈마 용사코팅 공정에 의해 수평면에 평행한 7지점으로부터 수평면에 수직인 1저점에 이르기까지 이동된 궤적에 의해 코팅 부위도 모재를 따라 변화한다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

10 : 반구형 모재
100 : 스프레이 건
200 : 턴테이블

Claims (6)

1. 진공 플라즈마 용사코팅 공정을 이용한 금속 탄화물 플라즈마 코팅방법에 있어서,
   (a) 수직축 상의 단부가 반구 형상인 모재 및 금속 탄화물 분말을 준비하는 단계;
   (b) 스프레이 건에서 발생되는 진공 플라즈마를 이용해 상기 모재를 예열하는 단계;
   (c) 상기 스프레이 건에 금속 탄화물 분말을 주입한 뒤, 진공 플라즈마 용사코팅 공정을 통해 상기 모재를 코팅하여 금속 탄화물 코팅층을 형성하는 단계;
   (d) 상기 스프레이 건에서 발생되는 진공 플라즈마를 이용하여 상기 금속 탄화물 코팅층이 형성된 모재를 후열하는 단계를 포함하며,
   상기 (c) 단계는 수평면에 위치한 턴테이블에서 수직축에 대해 상기 모재가 회전되는 동안, 상기 모재의 수직방향 상부로부터 고도를 따라 상기 모재가 위치한 수평면까지 상기 스프레이 건의 궤적을 변화시키면서, 상기 금속 탄화물 분말을 상기 진공 플라즈마 용사코팅 공정에 의해 상기 모재에 코팅하되,
   상기 스프레이 건의 전체 경로 구간을 고도에 따라 1점 내지 7점으로 6개의 구간으로 구분하고, 상기 스프레이 건이 1점으로부터 7점으로 이동하면서 고도가 낮아질수록 상기 스프레이 건의 구간별 속도가 감소하고, 상기 스프레이 건이 7점으로부터 1점으로 이동하면서 고도가 높아질수록 상기 스프레이 건의 구간별 속도가 증가하는 것을 특징으로 하는 회전되는 금속 탄화물 플라즈마 코팅방법.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 금속 탄화물 코팅층은 두께가 1 ㎛ 내지 200 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 회전되는 금속 탄화물 플라즈마 코팅방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 금속 탄화물 분말은 하프늄 탄화물(HfC), 지르코늄 탄화물(ZrC), 및 탄탈 탄화물(TaC) 중에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 회전되는 금속 탄화물 플라즈마 코팅방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 턴테이블은 0 rpm 초과 50 rpm 이하의 속도로 회전하는 것을 특징으로 하는 회전되는 금속 탄화물 플라즈마 코팅방법.
6. 제1항에 있어서,
   상기 (c) 단계에서 상기 스프레이 건은 상기 1점 내지 상기 7점 사이의 이동 구간별 속도가 1 mm/s 내지 50mm/s인 것을 특징으로 하는 회전되는 금속 탄화물 플라즈마 코팅방법.

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