KR102106179B1

KR102106179B1 - 현탁액 플라즈마 용사 공정을 위한 반응성 기체 보호대 또는 화염 피복

Info

Publication number: KR102106179B1
Application number: KR1020147018567A
Authority: KR
Inventors: 크리스토퍼 에이 페토락; 돈 제이 레멘; 알버트 포어스타인; 토마스 에프 3세 루이스
Original assignee: 프랙스에어 에스.티. 테크놀로지, 인코포레이티드
Priority date: 2011-12-14
Filing date: 2012-12-14
Publication date: 2020-04-29
Also published as: RU2014128544A; JP6165771B2; WO2013090754A3; SG11201403108RA; TR201819010T4; CN104114738A; WO2013090754A2; EP2791381B1; MX360218B; CA2859040A1; US20130156968A1; MX2014007179A; PL2791381T3; CN104114738B; KR20140106655A; CA2859040C; JP2015507691A; EP2791381A2

Abstract

액체 현탁액으로부터 기판 상에 열 용사 (thermal spray) 코팅을 생성하기 위한 시스템 및 방법을 개시한다. 개시된 시스템 및 방법은 플라즈마 배출물을 생성하기 위한 열 용사 토치 (torch), 및 서브마이크로미터 입자를 갖는 액체 현탁액의 유동을 플라즈마에 전달하여 플라즈마 배출물을 생성하기 위한 액체 현탁액 전달 서브시스템을 포함한다. 액체 현탁액 전달 서브시스템은 플라즈마 배출물을 에워싸는 반응성 보호대 (shroud)를 생성할 수 있는 주입기 또는 노즐을 포함한다. 화염 엔벨로프는 또한 액체 현탁액의 주입을 격리하기 위해 사용될 수 있다. 보호대 또는 화염 엔벨로프는 플라즈마 배출물 내에 비말동반된 서브마이크로미터 입자를 유지하고, 플라즈마 배출물 내로의 주위 기체의 비말동반을 실질적으로 방지할 수 있다. 액체 현탁액 전달 서브시스템은 축선 (axial) 주입 시스템, 방사상 내부 주입 시스템, 또는 외부 방사상 주입 시스템으로서 배열될 수 있다.

Description

현탁액 플라즈마 용사 공정을 위한 반응성 기체 보호대 또는 화염 피복{REACTIVE GAS SHROUD OR FLAME SHEATH FOR SUSPENSION PLASMA SPRAY PROCESSES}

본 발명은 현탁액 플라즈마 용사, 및 보다 특히 배출물 및 현탁액 상호작용을 촉진하고 제어하기 위해 반응성 기체 및/또는 화염 엔벨로프 (flame envelope)를 사용한 현탁액 플라즈마 용사 배출물의 보호 (shrouding) 및/또는 액체 현탁액 주입의 피복 (sheathing)을 방법 및 시스템에 관한 것이다.

통상적인 플라즈마 용사 기술에서는 주로 분말화된 코팅 물질을 플라즈마 용사 건 (gun)의 플라즈마 제트 내로 전달하기 위해 분말 공급기를 이용한다. 그러나, 상기 기술은 대개 적어도 +350 메쉬 (mesh) (즉, 50%의 입자가 중간 크기보다 작고 다른 50%의 입자는 중간 크기보다 큰 약 45 마이크로미터의 중간 입자 크기) 이상의 입자의 사용으로 제한된다. 입자 크기가 +325 메쉬 미만으로 감소할수록, 분말화된 코팅 물질을 직접 플라즈마 제트 내로 도입하는 것이 점차적으로 더 어렵게 된다. 미립자는 빽빽이 들어가고 뭉치는 경향을 보이고, 이것은 통상적인 분말 공급 시스템이 막힐 가능성을 증가시킨다.

막힘 이외에, 통상적인 플라즈마 용사 기술은 또한 다른 이유 때문에 미립자의 사용에 부적합하다. 플라즈마 제트의 극단적인 속도와 함께 미립자의 낮은 질량 때문에, 미립자는 방사상 주입 동안 경계층을 침투하지 않으면서 플라즈마 제트의 경계층으로부터 이탈되는 경향이 있다. 미세한 코팅 입자의 침투에 필요한 속도는 배출물 자체를 방해하지 않으면서 물리적으로 달성하기에는 너무 빠르다. 속도를 상기 정도로 증가시키기 위해서는 실제적인 제한이 존재한다.

보다 미세한 입자의 코팅은 열 장벽 코팅에서 사용하기 위해 요구된다. 보다 미세한 입자는 대개 보다 치밀한 코팅, 및 예를 들어 보다 작은 층상 판자형 (lamellar splat) 및 과립 (grain)을 포함하는 보다 미세한 미세구조 (microstructure) 특징을 생성한다. 보다 미세한 입자는 또한 개선된 미세 구조를 갖는 코팅된 부분을 생성하는 경향이 있다. 또한, 미립자는 그의 작은 질량에 비해 표면적이 크기 때문에 용융이 보다 쉽다.

현탁액 플라즈마 용사 (SPS)가 보다 미세한 입자를 침착시키기 위한 수단으로 부상하였다. SPS는 코팅 매질로서 건조 분말보다 코팅 구성분 또는 미립자 물질의 서브마이크로미터 크기의 입자의 액체 현탁액을 이용하는 플라즈마 용사 기술의 비교적 새로운 진보된 기술이다. 액체는, 그렇지 않으면 응집하여 분말의 토치 (torch)로의 유동을 제한하거나 방지하는 경향이 있는 서브마이크로미터 크기의 입자에 대한 담체로서 기능한다. 또한, 액체는 고체를 침전시키거나 현탁된 입자와 반응하는 열 활성화된 용액으로서 기능하는 것으로 밝혀졌다. 주로, 액체 담체에 현탁된 매우 작은 입자의 사용 때문에, 현탁액 플라즈마 용사 공정은 독특한 특성을 갖는 특유한 코팅 미세구조를 생성하는 능력을 제시하였다. 또한, 액체 소적은 방사상 주입에 의한 비말동반 (entrainment)에 필요한 모멘텀을 부여하기 위한 추가의 질량을 제공한다.

통상적인 플라즈마 용사 기술에 비해 SPS의 개선에도 불구하고, 현재의 SPS 시스템 및 방법은 계속 다양한 결점으로 문제가 되고 있다. 예를 들어, 통상적인 SPS는 전형적으로 제어되지 않는 미세구조 과립 크기 및/또는 지향성 (directional) 배향 성장의 결여를 갖는 코팅을 생성하고, 상기 두 특징은 불량한 코팅 특성을 생성할 수 있다. 미세 구조적 문제를 추가로 해결하기 위해, 유해한 화학 반응이 기판과 침착된 코팅 물질 사이에서 발생할 수 있다.

또한, 노즐 (nozzle) 위치와 침착 지점 사이의 보다 긴 이격 (stand-off) 거리는 복잡한 기하학적 구조, 예컨대 터빈 블레이드를 적합하게 코팅하기 위해 필요할 수 있다. 그러나, 보다 긴 이격 거리는 코팅 구성분의 과도한 존재 또는 체류 시간을 제공하여, 기판 도달 전에 코팅 구성분의 냉각 및 재고화를 야기할 수 있다. 이격 거리의 감소는 불충분한 가열을 야기하여, 미립자가 충분한 열을 흡수하고 충분히 용융되도록 할 수 없다. 두 경우 모두, 최종 결과는 기판에 대한 미립자 부착의 결여이고, 이에 의해 물질의 침착 효율이 감소한다. 코팅 구성분의 보다 미세한 미립자 크기는 표준 플라즈마 기술에서 전형적으로 발생하는 것보다 더 빠른 속도로 신속하게 가열되고 냉각될 수 있는 증가된 표면적을 갖는다. 따라서, 보다 미세한 미립자의 증가된 표면적은 정확한 이격 거리의 최적화에 대한 전례 없는 어려움을 제시한다.

또한, 플라즈마 기체 배출물의 난류 유동이 토치의 노즐에서 발생한다. 플라즈마 배출물의 대기와의 난류 상호작용은 배출물 온도의 빠른 감소 및 신속한 지향성 유동 변화를 제시하고, 이것은 기판을 향하는 유동 경로로부터 코팅 미립자의 분출을 야기한다. 그 결과, 분출된 미립자는 침착 효율을 감소시킨다.

상기 문제는 계속 보다 미세해지는 코팅 매질 구성분을 침착하기 위한 SPS 시스템 및 방법의 이용에 의해 발생하는 새로운 문제의 종류의 일부 예에 불과하다. 계속 진행중인 문제들에 비추어, 현재의 현탁액 플라즈마 용사 공정 및 시스템에 대한 개선 필요성이 존재한다.

발명의 개요

아래에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 본 발명의 제시되는 실시양태는 몇몇 단점을 해결하고, 플라즈마 배출물 스트림 및 그 내부에 함유된 액체 현탁액 (여기서 및 명세서 전체에 걸쳐서 집합적으로 "배출물", "배출물 스트림", 플라즈마" 또는 "플라즈마 배출물" 또는 "플라즈마 배출물"으로 언급됨)을 에워싸는 반응성 기체 보호대 (shroud))의 사용을 통해 상기 언급된 상호작용을 제어하는 기술을 제공한다. 본 발명은 현재의 현탁액 플라즈마 용사 능력을 개선하기 위해 액체 현탁액을 통해 전달되는 서브마이크로미터의 입자를 사용하는 플라즈마 용사 공정과 반응성 기체 보호대를 특유하게 조합하고, 현탁액 주입 및 단편화 (fragmentation) 및 배출물과 현탁액 사이의 상호작용의 제어를 통한 새로운 코팅 미세구조 가능성을 생성한다.

본 발명은 임의의 하기 측면을 다양한 조합으로 포함할 수 있고, 또한 하기 상세한 설명 또는 첨부 도면에서 설명되는 임의의 다른 측면을 포함할 수 있다.

본 발명은 플라즈마를 생성하기 위한 열 용사 토치; 서브마이크로미터 입자 함유 액체 현탁액의 유동을 전달하기 위한 액체 현탁액 전달 서브시스템; 및 플라즈마 배출물을 실질적으로 에워싸는 반응성 기체 보호대를 생성하도록 구성된, 플라즈마 배출물을 생성하기 위해 플라즈마를 열 용사 토치로부터 액체 현탁액으로 전달하기 위한 노즐 어셈블리 (assembly)를 포함하는, 액체 현탁액으로부터 기판 상에 코팅을 생성하기 위한 열 용사 (thermal spray) 시스템으로서 특징지을 수 있고; 반응성 기체 보호대는, 서브마이크로미터 입자의 비말동반을 플라즈마 배출물 내에 실질적으로 유지하고 기체가 도입되어 플라즈마 배출물과 반응하는 것을 실질적으로 억제하도록 형성되고; 여기서 반응성 기체 보호대는 현탁액 소적의 단편화를 향상시키고 플라즈마 배출물 내에 서브마이크로미터 입자의 증발 물질종을 생성하기 위해 플라즈마 배출물과 반응한다.

또한, 본 발명은 플라즈마를 열 용사 토치로부터 생성하고; 플라즈마 배출물 스트림을 생성하기 위해 서브마이크로미터 입자가 그 내에 분산된 액체 현탁액의 유동을 플라즈마에 또는 플라즈마에 매우 근접하게 전달하고; 플라즈마 배출물 내에 비말동반된 서브마이크로미터 입자를 유지시키고 플라즈마 배출물 내로 주위 기체의 비말동반을 실질적으로 방지하기 위해 플라즈마 배출물을 반응성 기체 보호대로 에워싸고; 현탁액 소적의 단편화를 향상시키고 플라즈마 배출물 내에 서브마이크로미터 입자의 증발 물질종을 생성하기 위해 보호 기체를 플라즈마 배출물과 반응시키고; 기판을 코팅하기 위해서 서브마이크로미터 입자 함유 보호 플라즈마 배출물을 기판을 향하도록 유도하는 단계를 포함하는, 서브마이크로미터 입자가 그 내에 분산된 액체 현탁액을 사용하여 기판 상에 코팅을 생성하기 위한 방법으로서 특징지을 수 있다.

본 발명의 상기 및 다른 측면, 특징, 및 이점은 첨부 도면과 함께 제시되는, 다음과 같은 그의 보다 상세한 설명으로부터 보다 명백해질 것이다.
도 1은 액체 현탁액의 축선 (axial) 주입을 이용하는 선행 기술의 현탁액 플라즈마 용사 공정의 개략도이다.
도 2는 액체 현탁액의 내부 방사상 주입을 이용하는 선행 기술의 현탁액 플라즈마 용사 공정의 개략도이다.
도 3은 액체 현탁액의 외부 방사상 주입을 이용하는 선행 기술의 현탁액 플라즈마 용사 공정의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 실시양태에 따라 액체 현탁액의 축선 주입을 이용하는 현탁액 플라즈마 용사 공정의 반응성 기체 보호대의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시양태에 따라 액체 현탁액의 내부 방사상 주입 주입을 이용하는 현탁액 플라즈마 용사 공정의 반응성 기체 보호대의 개략도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시양태에 따라 액체 현탁액의 외부 방사상 주입 주입을 이용하는 현탁액 플라즈마 용사 공정의 반응성 기체 보호대의 개략도이다.
도 7은 현탁액 플라즈마 용사 공정을 에워싸는 내부 반응성 기체층 및 외부 불활성 기체 차폐로 이루어지는 이중 기체 보호대를 이용하는 본 발명의 또 다른 실시양태를 보여준다.
도 8은 현탁액 플라즈마 용사 공정을 에워싸는 제1 반응성 기체층 및 제2 반응성 기체층으로 이루어지는 이중 기체 보호대를 이용하는 본 발명의 또 다른 실시양태를 보여준다.
도 9는 본 발명의 실시양태에 따라 액체 현탁액의 기체 보호된 또는 기체 피복된 축선 주입을 이용하는 현탁액 플라즈마 용사 공정의 개략도이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시양태에 따라 액체 현탁액의 기체 보호된 또는 기체 피복된 내부 방사상 주입을 이용하는 현탁액 플라즈마 용사 공정의 개략도이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시양태에 따라 액체 현탁액의 기체 보호된 또는 기체 피복된 외부 방사상 주입을 이용하는 현탁액 플라즈마 용사 공정의 개략도이다.

상세한 설명

본 개시문은 코팅 물질의 침착을 위한 신규한 SPS 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 SPS 시스템 및 방법은 서브마이크로미터 입자의 침착에 특히 적합하다. 본 개시내용은 다양한 실시양태로 및 본 발명의 다양한 측면 및 특징을 참고로 하여 본원에서 제시된다.

본 발명의 다양한 요소의 관계 및 기능은 하기 상세한 설명에 의해 보다 잘 이해된다. 상세한 설명은 특징, 측면 및 실시양태의 다양한 순열 및 조합을 본원의 범위 내에 포함되는 것으로 고려한다. 본원은 따라서 상기 구체적인 특징, 측면, 및 실시양태의 임의의 상기 조합 및 순열, 또는 이 중에서 선택된 것 또는 것들을 포함하거나, 이로 이루어지거나 또는 본질적으로 이로 이루어지는 것으로 구체화될 수 있다.

본 발명은 현재의 SPS 시스템 및 방법의 단점을 인식하고 있다. 상기 단점은 도 1-3을 참고로 하여 보다 잘 확인될 수 있다. 도 1-3은 각각 액체 현탁액의 축선 주입; 액체 현탁액의 내부 방사상 주입 및 액체 현탁액의 외부 방사상 주입을 이용하는 선행 기술의 현탁액 플라즈마 용사 시스템 및 방법 (100, 200 및 300)의 몇몇의 개략도를 보여준다. 각각의 상기 선행 기술의 시스템에서, 많은 물리적 및 화학적 상호작용이 발생하고, 이중 많은 것이 제어되지 않는다. 예를 들어, 도 1 및 2는 액체 담체의 단편화가 배출물 내의 난류 유동에 의해 바람직하지 않은 무작위 유사 방식으로 영역 (110 및 201)에서 발생함을 보여준다. 단편화는 플라즈마 배출물 및 액체 현탁액이 접촉한 직후에 발생한다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "배출물" 및 "플라즈마 배출물"은 교환가능하게 사용될 것이고, 각각 토치 노즐의 배출구로부터 유동하는 플라즈마 기체, 코팅 구성분 또는 입자 및 액체 담체의 임의의 조합을 지칭하고자 의도된다. 예를 들어, 그 각각의 토치의 각각의 노즐 (105, 205 및 305)의 바로 가까이에 있는 배출구에서, 배출물 (140, 240 및 340)은 플라즈마 (즉, 캐소드 (cathode)와 애노드 (anode) 사이에 생성된 아크 (arc)에 대한 노출에 의해 이온화된 뜨거운 1차 토치 기체) 및 코팅 입자를 함유하는 액체 담체의 소적 (즉, 액체 현탁액 (109, 209 및 309))으로 거의 이루어질 것이다. 그러나, 기판 (108, 208 및 308) 근처에서, 배출물 (140, 240 및 340)은 실질적으로 모든 액체 담체가 SPS 코팅 공정 (100, 200 및 300)의 상기 단계에 의해 증발되기 때문에, 주로 코팅 미립자 및 잠재적으로 유의하게 더 차가운 배출물 (140, 240 및 340)으로 이루어질 것이다.

도 1 및 2는 또한 액체 현탁액 (109 및 209)의 단편화된 소적의 일부가 각각 영역 (110 및 210)에서 배출물 (140 및 240)으로부터 분출됨을 보여준다.

도 1-3은 추가로 토치 노즐 (105, 205 및 305)의 배출구에 매우 가까운 영역에서 플라즈마 배출물 (140, 240 및 340) 내로의 대기 비말동반 (122, 222 및 322)을 보여준다. 산소를 포함하는 대기 기체의 침투는 가연성 액체 담체 (예를 들어, 에탄올)와 비말동반된 대기의 가속화된 연소를 야기한다. 또한, 도 1은 대표적인 영역 (105)로 제시된 바와 같이 액체 담체의 증발이 존재하고, 이에 의해 많은 서브마이크로미터 고체 입자가 유착하고 용융됨을 보여준다. 배출물 (140, 240 및 340) 내에 이상적인 열 조건이 존재할 경우, 일부의 서브마이크로미터 또는 매우 미세한 입자가 증발 물질종으로 변형되어, 기판 (108, 208 및 308)의 저하된 침착 효율 및 부적절한 코팅을 야기한다.

현탁액 (109, 209 및 309)의 상기 단편화된 소적, 용융된 입자 및 증발된 물질종은 대기 비말동반에 의한 연소 부산물과 함께 배출물 스트림 (140, 240 및 340)을 따라 기판 (108, 208 및 308)을 향해 운반되고, 그 동안 영역 (105, 205 및 305)에 도시된 바와 같이 원치 않는 반응, 예컨대 입자 산화를 포함하는 추가의 현탁액-입자 화학 반응이 발생한다. 또한, 배출물 (140, 240 및 340)의 수송 동안, 많은 단편화된 소적 및 입자가 현탁액 (109, 209 및 309)로부터 계속 분출되어 침착 효율을 추가로 저하시킨다.

도 1-3은 배출물 스트림 (140, 240 및 340)이 코팅되는 기판 (108, 208 및 308)에 접근함에 따라 배출물 스트림 (140, 240 및 340) 내의 온도 프로파일이 변하고, 이에 의해 더 차가운 입자의 일부 재고화 및 비말동반된 증발된 물질종의 응축이 발생함을 추가로 보여준다. 기판 (108, 208 및 308)에 도달하면, 다양한 물리적인 상태의 코팅 물질이 기판에 충돌하고, 코팅 물질의 기판에 대한 물리적인 결합을 포함하는 코팅 (106, 206 및 306)을 형성한다. 기판 (108, 208 및 308)과 코팅 물질 사이의 유해한 화학 반응이 발생할 수 있다.

현재의 현탁액 플라즈마 용사 시스템은 현탁액 플라즈마 용사 공정의 3개의 핵심적인 기, 즉 (i) 현탁액 주입 및 단편화; (ii) 배출물 및 현탁액 상호작용; 및 (iii) 배출물 및 코팅 축적물과 기판 상호작용 동안 이들 물리적 및 화학적 상호작용을 적절하게 제어하지 못하는 단점이 문제가 되고 있다.

도 4-11에서 논의되는 바와 같이, 본 발명에서 제시되는 실시양태는 도 1-3에 제시된 상기 언급된 많은 단점을 해결한다. 본 발명은 배출물 스트림 및/또는 액체 현탁액의 주입 위치를 에워싸는 반응성 기체 보호대 및/또는 피복의 사용을 통해 상기 언급된 유해한 상호작용을 제어하기 위한 기술을 제공한다.

이제 도 4 내지 6에서, 본 발명의 상이한 실시양태의 개략도, 즉 각각 현탁액 플라즈마 용사 시스템 및 방법 (400, 500 및 600)의 도면이 제시된다. SPS 시스템 및 방법 (400)은 배출물 (440) (즉, 플라즈마 및 액체 현탁액 (409))을 에워싸는 연장된 반응성 기체 보호대 (401)과 함께 액체 현탁액 (409)의 축선 주입을 이용한다. 임의의 적합한 반응성 기체, 예를 들어, 산소, 수소, 이산화탄소; 탄화수소 연료 및 일부 예에서 질소 또는 이들의 조합이 반응성 기체 보호대 (401)를 생성하기 위해 사용될 수 있다. 반응성 기체 보호대 (401)의 사용을 통해, 배출물 (440) 및 현탁액 (409) 상호작용은 현탁액 (409)와 반응성 기체 보호대 (401) 사이에서 발생하는 화학 반응의 결과로서 새로운 코팅 미세구조의 가능성을 생성하기 위해 보다 정밀하게 제어될 수 있다.

도 4는 그를 통해 액체 현탁액 (409) 및 1차 토치 기체 (416)이 순차적으로 또는 서로에 대해 공동 유동할 수 있는 내부 노즐을 에워싸는 외부 노즐을 통해 반응된 기체를 소정의 유량으로 유동시킴으로써 보호대 (401)이 생성됨을 보여준다. 보호대 (401)은 배출물 (402)의 유동 주위로 배향되어, 배출물 (440)을 에워싸는 반응성 기체의 보호 엔벨로프를 형성한다. 도 4는 보호대 (401)이 토치의 노즐 (405) 내로부터 기판 표면 (408)로 연장되어 그 내에 함유된 배출물 (440)의 완전한 엔벨로프를 생성함을 보여준다.

노즐 (405)의 배출구로부터 나타나는 액체 현탁액 (409) 앞에서, 플라즈마 (419)는 1차 토치 기체 (416)이 캐소드 (412)와 애노드 (413) 사이에서 아크가 생성되는 영역 내로 유동하면서 생성된다. 담체 기체는 액체 현탁액 (409)를 수송하고, 노즐 (405)의 중앙을 통해 액체 현탁액 (409)와 함께 유동하는 것으로 제시된다. 아크는 캐소드 (412)와 애노드 (413) 사이에서 생성된다. 1차 토치 기체 (416)은 아크 영역을 통과하고, 노즐 (405) 내에서 기상 이온 및/또는 라디칼의 뜨거운 플라즈마 (419)로 이온화된다. 플라즈마 (419)는 배출물 (440)이 기판 표면 (408)을 향해 유동할 때 액체 담체를 증발시키고 액체 현탁액 (409)의 코팅 구성분 (415)을 용융시키기 위해 필요한 열 에너지원을 제공한다. 플라즈마 (419)는 또한 코팅 구성분 또는 입자 (415)를 기판 표면 (408)을 향해 가속시키기 위해 충분한 모멘텀을 제공하기 위한 에너지원을 제공한다.

플라즈마 (419)가 생성된 후에, 액체 현탁액 (409) (즉, 그 내에 코팅 구성분 (415)을 함유한 액체 담체 소적) 및 플라즈마 (419)가 노즐 (405)의 배출구로부터 배출물 (440)으로서 나타난다. 보호대 기체 (401)은 노즐 (405)의 목구멍 섹션 내에서 수렴한 후, 노즐 (405)로부터 나타난다. 용어 "보호대" 및 "보호대 기체"는 동일한 의미를 갖고, 본원에서 및 명세서 전체에 걸쳐 교환가능하게 사용될 것임이 이해되어야 한다.

바람직한 실시양태에서, 반응성 기체 보호대 (401)은 산소-함유 기체, 예를 들어, 산소 기체 또는 기체의 산소 희석된 혼합물이다. 산소-함유 반응성 기체 보호대 (401)은 반응성 기체 (401)과 배출물 (440)의 혼합 정도 및 공간적인 혼합 위치를 제어하거나 증가시켜, 배출물 (440)과의 연소 정도 및 위치 및 생성되는 열 에너지 프로파일을 보다 정밀하게 제어하기 위해 사용될 수 있다. 향상된 연소 또는 다른 열 반응은 또한 액체 현탁액 (409)의 소적의 단편화 및 현탁액 (409) 내의 서브마이크로미터 코팅 입자 (415)의 증발을 개선할 수 있다. 산소-함유 반응성 기체 보호대 (401)은 비-보호된 용사 공정 또는 플라즈마 용사 배출물 주위의 전통적인 불활성 기체 보호대에서 발생하는 것보다 플라즈마 공급원 (419)의 생성부의 보다 먼 상류에서 또는 이에 근접하여 개시되거나 수행될 수 있는 보다 완전한 연소를 생성하기 위해 연료 기반 액체 담체와 함께 사용될 수 있다. 도 4의 실시양태는 플라즈마 공급원 (419)를 향한 보다 먼 상류에서 연소 과정을 진행시키면, 플라즈마 스트림의 열 에너지의 보다 효율적인 사용을 통해 액체 담체 내의 서브마이크로미터 입자 (415)를 용융 및 증발시키기 위해 보다 약한 파워의 플라즈마 토치를 사용할 수 있음을 보여준다.

반응성 기체 보호대 (401)은 배출물 (440)에 대한 지속적인 엔벨로프를 형성하기 위해 배출물 (440)의 유량에 비해 충분한 유량으로 유동하도록 형성된다. 배출물 (440)은 적어도 부분적으로 노즐 (405)의 배출구로부터 기판 표면 (408)로 규정된, 이에 의해 유동 경로가 반응성 보호대 (401)에 의해 부분적으로 또는 완전히 감싸이는 액체 현탁액 (409)의 궤적 또는 유동 경로를 갖는 것으로서 특성화된다. 도 4의 실시양태에서 제시되는 바와 같이, 반응성 보호대 (401)의 길이는 배출물 (440)을 완전히 에워싸기 위해 노즐 (405)의 배출구로부터 기판 표면 (408)로 연장된다. 보호대 (401)의 연속적인 엔벨로프는 노즐 (405)의 배출구로부터 기판 (408)의 표면으로의 보다 긴 유동 경로 거리에 걸쳐 배출물 스트림 (440)에 열을 유지시키기 위한 효과적인 절연재로서 작용하는 열 엔벨로프를 생성한다. 토치 (405)의 배출구로부터 기판 (408)까지의 제어된 온도는 액체 현탁액 (409)의 액체 담체의 증발을 가능하게 한다. 액체 담체의 증발 후에, 액체 담체를 증발시키기 위해 사용되는 열은 이제 자유롭게 부유하고 기판 표면 (408)을 향해 이동하는 액체 현탁액 (409)의 소적 내에 일반적으로 함유된 코팅 구성분 (415)에 의해 인식된다. 코팅 구성분 (415)는 기판 (408)의 표면을 향해 유동하면서 유의한 냉각을 겪지 않으면서 부분적으로 또는 실질적으로 용융된다. 용융된 코팅 구성분 (415)는 기판 표면 (408)과 충돌하여 코팅 (403)으로서 침착된다. 상기 방식에서, 개선된 열 엔벨로프는 따라서 침착 효율을 개선한다. 또한, 배출물 (440) 내에서 열의 유지는 온도 분포의 개선된 균일성을 생성할 수 있고, 이것은 이격 작용 감도를 감소시킬 수 있다. 따라서, 도 4의 실시양태에 제시된 본 발명은 기판 표면 (408)과 충돌할 때 코팅 구성분 (415)의 실질적인 고화를 초래하지 않으면서, 이전에 통상적인 SPS에서 달성할 수 있는 것보다 먼 이격 거리에서 복잡한 기하학적 구조를 코팅하기 위한 특유한 SPS 시스템 및 방법 (400)을 허용한다.

산소 함유 기체 및 연료 기반 액체 담체의 사용에 의해 향상된 연소가 본 발명의 시스템 및 방법의 한 실시양태이지만, 다른 화학 반응은 액체 매질 내의 다양한 요소 또는 화합물과 반응하여 자연적으로 발생하거나 플라즈마 배출물의 열 에너지 때문에 발생하는 화학 반응을 야기하는 반응성 보호 기체의 사용에 의해 촉진해질 수 있다. 상기 화학 반응은 예를 들어 입자의 산화물, 탄화물 또는 질화물의 형성을 비롯하여 코팅 화학적 조성, 물리적 특성 또는 미세구조를 개선하도록 설계 및 제어될 수 있다.

유리하게는, 플라즈마 배출물 (440) 주위의 반응성 기체 보호대 (401)의 사용은 배출물 (440) 내에 보다 많은 열을 생성 및/또는 유지하여 코팅 공정을 위한 보다 큰 작동 엔벨로프를 제공하도록 작동한다. 보다 큰 작동 엔벨로프는 토치 노즐 (405)와 기판 (408) 사이의 보다 긴 작업 거리 및 서브마이크로미터 입자 (415)의 보다 양호한 열 처리로 해석된다. 즉, 그의 유동 경로 궤적을 따른 서브마이크로미터 입자 (415)는 보다 긴 체류 시간 동안 규정된 작동 온도에서 유지되어, 개선된 용융 및 플라즈마 배출물 (440) 내의 입자의 증발 물질종의 증가를 유도한다. 반응성 기체 보호대 (401)의 사용은 또한 기판 표면 (408) 근처에서 환경 및 온도의 제어를 용이하게 한다.

현탁액 플라즈마 용사 배출물 (440)을 에워싸는 반응성 기체 보호대 (401)의 사용은 상기 서브마이크로미터 입자 함유 현탁액 (409) 또는 용액에 대한 새로운 액체 담체의 많은 개발 가능성을 제시한다.

본 발명의 각각의 실시양태에서, 반응성 기체 보호대는 제어된 방식으로 형성될 수 있다. 가장 가능한 제어 수단은 기체 보호대의 체적 유량 및/또는 속도 및 반응성 기체 보호대 내의 반응성 요소의 농도를 비롯한 반응성 기체 보호대의 유동 특성의 조정 또는 조작을 수반한다. 또한, 반응성 기체 보호대의 난류 및 분산 특성이 또한 제어될 수 있다. 많은 상기 유동 특성은 반응성 기체 보호대를 형성하기 위해 사용되는 노즐 또는 노즐들의 기하학적 구조 및 입체형태, 및 반응성 기체 공급 압력 및 온도에 의해 좌우된다.

도 4의 실시양태는 보호대 기체 (401)이 층류 유동 방식으로 유동하도록 형성됨을 보여준다. 층류 유동 보호대 (401)의 제어되고 저하된 속도는 보호대 (401)을 가로지른 액체 현탁액 (409)의 소적의 단편화 현상이 도 1-3의 통상적인 SPS 시스템 및 방법 (100, 200 및 300)에 비해 보다 제어된 방식으로 발생하도록 만들 수 있다. 따라서, 액체 현탁액 (409)의 단편화된 소적은 크기 분포의 개선된 균일성을 얻는다. 그 결과, 코팅 구성분 (415)는 기판 표면 (408) 상에 침착되어 보다 제어된 입자 크기 분포를 갖는 코팅 (403)을 형성한다.

보호대 (401)은 또한 액체 현탁액 (409)의 소적이 배출물 (440)으로부터 분출하는 임의의 경향을 상쇄한다. 일반적으로 말하면, 보호대 (401)의 부재 하에, 배출물 (440)은 액체 소적을 더 작은 소적으로 파괴하기에 충분할 수 있는 난류 유동 방식으로 존재하고, 이를 수행하는 과정에서 소적을 배출물 스트림 (440)으로부터 분출시키기 위해 과도한 모멘텀을 적어도 일부의 소적에 바람직하지 않게 부여한다. 보호대 (401) 이용은 액체 현탁액 (409)의 소적 및 코팅 구성분 (415)의 배출물 (440) 내의 체류를 용이하게 할 수 있다. 그 결과, 코팅 구성분 (415)의 이용 증가가 달성된다.

상기 언급된 공정 이점의 조합은 과립 배향 및 충분히 작은 입자 크기 분포를 갖는 미세 구조를 갖는 기판 표면 (408) 상에 침착된 코팅 (403)을 생성할 수 있다. 유리한 미세 구조적 가능성은 혁신적인 SPS 시스템 및 방법 (400)에 의해 제어되고 재현될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시양태에 따라, 도 5는 액체 현탁액 (509)가 토치 노즐 (505) 내에 내부 주입되는 SPS 시스템 및 방법 (500)을 보여준다. 액체 현탁액 (509)의 내부 주입은 캐소드 (512)와 애노드 (513) 사이에서 노즐 (505) 내에 생성된 플라즈마 (519)의 축에 대해 직교 배향으로 실질적으로 방사상 방향으로 발생할 수 있다. 플라즈마 (519)에 대한 액체 현탁액 (509)의 주입 각도는 상이할 수 있음을 이해해야 한다.

도 5는 1차 토치 기체 (516)이 아크 영역을 통과하고 노즐 (505) 내에서 기상 이온의 뜨거운 플라즈마 상태 (519)로 이온화됨을 보여준다. 액체 현탁액 (509)는 플라즈마 영역 (519) 내에 내부 주입된다. 현탁액 (509)의 주입은 토치 기체 (516)이 플라즈마 상태로부터 과열된 기체로 냉각되는 영역을 나타내는, 애노드 내의 플라즈마 (519)의 하류에서 발생할 수 있음을 이해해야 한다. 플라즈마 (519)의 난류 유동은 노즐 (505) 내에서 및 또한 노즐 (505)의 배출구에서 현탁액 (509)의 액체 담체 소적을 단편화 및/또는 원자화 (atomization)한다.

도 5의 실시양태에서 제시되는 바와 같이, 반응성 보호대 (501)의 길이는 노즐 (505)의 배출구로부터 기판 표면 (508)로 연속 방식으로 연장된다. 보호대 (501)은 연속적인 열 엔벨로프를 생성하기 위해 열 유지를 제공하고, 또한 배출물 (540)으로부터 현탁액 (509)의 소적의 분출을 억제한다. 도 5의 실시양태는 보호된 반응성 기체 (501)이 층류 유동 방식으로 유동하도록 형성됨을 보여준다. 층류 유동 보호대 (501)의 제어되고 저하된 속도는 보호대 (501)을 가로지른 액체 현탁액 (509)의 소적의 단편화 현상이 도 1-3의 통상적인 SPS 시스템 및 방법 (100, 200 및 300)에 비해 보다 제어된 방식으로 발생하도록 만들 수 있다. 따라서, 액체 현탁액 (509)의 단편화된 소적은 크기 분포의 개선된 균일성을 얻는다. 그 결과, 코팅 구성분 (515)은 기판 표면 (508) 상에 침착되어 보다 제어된 입자 크기 분포를 갖는 코팅 (503)을 형성한다. 특정 코팅 용도는 액체 현탁액 (509)의 소적의 실질적인 단편화를 필요로 하지 않을 수 있음을 이해해야 한다. 따라서, 본 발명의 또 다른 실시양태에서, 보호대 (501)은 소적을 단편화하지 않도록 형성되지만, 상기 언급된 보호대 (501) 이용시의 다른 이점을 계속 달성할 수 있다.

액체 현탁액의 다른 주입 위치가 본 발명의 원리에 따라 고려된다. 예를 들어, 도 6은 액체 현탁액 (609)가 토치 노즐 (605)에 외부에서 주입되는 SPS 시스템 및 방법 (600)을 보여준다. 액체 현탁액 (609)의 외부 주입은 플라즈마 배출물 (640)의 축에 대해 직교 배향으로 실질적으로 방사상 방향으로 발생할 수 있다. 플라즈마 배출물 (640)에 대한 액체 현탁액 (609)의 주입 각도는 상이할 수 있음을 이해해야 한다. 도 5와 유사하게, 반응성 보호된 기체 (601)은 액체 현탁액 (609)의 소적의 보다 균일한 단편화를 생성하기 위해 층류 유동 방식으로 유동하도록 형성된다.

반응성 기체 보호대의 다른 변형이 본 발명에 의해 고려된다. 예를 들어, 도 7은 현탁액 플라즈마 용사 공정 (700)을 에워싸는 내부 반응성 기체 보호대 층 (701) 및 외부 불활성 기체 차폐 (702)로 이루어지는 이중 기체 보호대를 이용하는 본 발명의 또 다른 실시양태의 개략도이다. 내부 반응성 기체 보호대 층 (701)은 바람직하게는 도 7에 도시된 바와 같이 층류 유동이다. 상기 특정 배열에서 이중 보호대의 사용은 배출물 (740)이 그 내에서 유동하는 영역 내의 열 유지, 소적의 입자 단편화 및 기판 (708)을 따른 온도 균일성을 추가로 개선할 수 있다. 이중 보호는 또한 유동 경로를 따라 배출물 (740) 내의 코팅 미립자 (715)의 가둠 (confinement)을 개선하여, 배출물 (740)으로부터 코팅 미립자 (715)의 분출을 실질적으로 감소시키거나 제거할 수 있다. 그 결과, 기판 (708) 상의 증가된 침착 효율이 달성된다.

반응성 기체 보호대의 또 다른 설계 변형에서, 도 8은 현탁액 플라즈마 용사 공정 (800)을 에워싸는 제1 내부 반응성 기체 보호대 층 (802) 및 제2 외부 반응성 기체 보호대 층 (801)로 이루어지는 이중 반응성 기체 보호대를 보여준다. 제1 내부 반응성 기체 보호대 층 (802)는 바람직하게는 도 8에 도시된 바와 같이 층류 유동이다. 도 7과 달리, 이중 반응성 기체 보호대는 2개의 반응성 보호대를 갖는다. 각각의 반응성 기체 보호대 (801 및 802)은 독립적으로 제어된다 (예를 들어, 유량은 독립적으로 제어된다). 반응성 기체 보호대 (801 및 802)에 사용되는 기체는 동일하거나 상이할 수 있다. 독립적으로 제어되는 2개의 반응성 보호대 또는 차폐의 존재는 배출물 (840)의 유동 경로를 따른 연소 반응의 개선을 도울 수 있다. 이중 반응성 기체 보호대 시스템 및 공정 (800)의 사용에 의한 향상된 연소 이외에, 다른 화학 반응은 각각의 반응성 기체 보호대 (801 및 802)가 액체 현탁액 (809) 내의 특정 요소 또는 화합물과 우선적으로 반응하여 자연적으로 발생하거나 플라즈마 배출물 (840)의 열 에너지 때문에 발생하는 화학 반응을 야기하는 이중 반응성 보호대 기체의 사용에 의해 촉진해질 수 있다. 상기 화학 반응은 예를 들어 침착된 코팅 (803)의 화학적 조성, 물리적 특성 또는 미세구조를 개선하도록 설계 및 제어될 수 있다.

반응성 기체 및 불활성 기체 둘 모두를 사용하는 이중 층 보호대 또는 혼합 보호대가 이용될 경우, 불활성 기체는 전형적으로 아르곤, 질소, 및 헬륨 또는 이들의 조합을 포함한다.

반응성 기체 보호대의 다른 변형이 사용될 수 있다. 한 예에서, 2 또는 그 초과의 반응성 기체 보호대가 배출물을 에워싸기 위해, 바람직하게는 서로 독립적으로 형성될 수 있다. 또 다른 예에서, 2 또는 그 초과의 반응성 기체 보호대가 불활성 기체 보호대와 조합하여 사용될 수 있다. 불활성 기체 보호대는 반응성 기체 보호대 사이에 형성될 수 있다. 별법으로, 불활성 기체 보호대는 모든 반응성 기체 보호대를 에워싸기 위해 배열될 수 있다. 또한, 추가의 설계 변형으로서, 불활성 기체 보호대 또는 차폐는 각각의 반응성 기체 보호대 내에 위치할 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 반응성 기체 보호대는 또한 기판을 향한 그의 유동 경로를 따라 단지 배출물의 일부만을 에워싸도록 선택적으로 형성될 수 있다.

그 일부가 상기 언급된 공정상 이점은 침착된 코팅의 보다 제어된 미세구조로 해석될 수 있다. 본 발명은 코팅의 미세 구조 및 특성을 결정하는 파라미터가 코팅 구성분 또는 입자의 온도, 크기 및 속도, 및 입자가 침착 동안 에워싸는 환경과 반응하거나 환경에 노출된 정도를 포함함을 인식하고 있다. 본 발명에서, 반응성 기체 보호대는 열을 유지하고 코팅 입자가 기판 표면에 충돌하면서 보다 균일한 온도 및 제어된 온도 분포를 생성할 수 있다. 추가로, 층류 유동 반응성 기체 보호대는 보다 균일하게 단편화된 코팅 입자의 생성을 도울 수 있다. 보호 배출물은 따라서 개선된 미세구조를 생성한다.

침착된 코팅의 미세구조 및 특성에 영향을 주는 추가의 인자는 침착 속도, 충돌 각도, 및 기판 특성을 포함하고, 이들은 각각 보호에 의해 코다 큰 정도로 제어될 수 있다. 코팅 구성분 또는 입자가 플라즈마의 기상 배출물에 의해 가열되고 가속되기 때문에, 코팅 입자의 온도 및 속도는 배출물 스트림의 물리적 및 열 특성 및 플라즈마 용사 장치의 출구와 기판 사이의 이격 거리의 함수이다. 보호대의 사용에 의해 배출물 스트림의 특성을 제어함으로써, 코팅 입자의 온도 및 속도는 코팅 부착 및 코팅 미세 구조를 개선하기 위해 보다 정밀하게 제어될 수 있다.

본 발명에서 사용될 수 있는 반응성 기체 보호대의 특정 유형은 주입 지점에서 또는 주입 지점 근처에서 액체 현탁액을 에워싸는 화염 엔벨로프이다. 이제 도 9 내지 11에, 화염 엔벨로프의 입체형태의 상이한 실시양태의 개략도, 즉 액체 현탁액의 축선 주입을 보호하는 화염 엔벨로프; 액체 현탁액의 내부 방사상 주입을 보호하는 화염 엔벨로프; 및 액체 현탁액의 외부 방사상 주입을 보호하는 화염 엔벨로프를 각각 이용하는 현탁액 플라즈마 용사 시스템 및 공정의 도면이 제시된다. 용어 "화염 엔벨로프"는 본원에서 및 명세서 전체에 걸쳐 사용되는 바와 같이 주입된 현탁액 스트림의 축을 따라 이어지는 연료 및 산화제의 연소에 의해 형성되는 연소 유동을 의미한다.

도 9는 액체 현탁액 (909)의 축선 주입을 보호하는 화염 엔벨로프 (910)을 이용하는 현탁액 플라즈마 용사 시스템 및 공정 (900)을 보여준다. 화염 엔벨로프 (910)은 주입 노즐 (905)의 원위 말단 또는 노즐 페이스 (face)로부터 플라즈마 (919)가 캐소드 (912)와 애노드 (913) 사이에서 생성되는 지점까지 연장된다. 화염 엔벨로프 (910)은 노즐 (905)로부터 주입되는 현탁액 스트림의 전체 길이를 연장할 수 있음 (즉, 노즐 페이스로부터 플라즈마 배출물 내의 도입 지점으로 연장할 수 있음)을 이해해야 한다. 화염 엔벨로프 (910)은 노즐 (905)로부터 빠져나오기 전에 액체 소적을 증발시키기 위해 충분한 열 에너지를 제공할 수 있다. 따라서, 건조한 서브마이크로미터 코팅 미립자 (915)는 응집과 주입기 내의 막힘이 없이 배출물 (940)으로서 도입될 수 있다. 화염 엔벨로프 (910)은 또한 현탁액 (909)의 소적의 단편화 및 코팅 입자 (915) 크기 분포를 개선하기에 충분한 운동 에너지를 제공할 수 있다.

도 10은 액체 현탁액 (1009)의 방사상 주입을 보호하는 화염 엔벨로프 (1010)을 이용하는 다른 현탁액 플라즈마 용사 시스템 및 공정 (1000)을 보여준다. 화염 엔벨로프 (1010)은 액체 현탁액 (1009)의 주입기를 따라 연장되고, 배출물 (1040) 내로 도입되기 전에 액체 소적을 증발시킬 수 있다. 화염 엔벨로프 (1010)은 또한 충분한 운동 에너지를 현탁액 (1009)의 소적에 부여하여, 단편화 및 코팅 입자 (1015) 크기 분포를 개선할 수 있다.

화염 엔벨로프는 또한 도 11에 도시된 바와 같이 노즐의 외부에 형성될 수 있다. 도 11은 액체 현탁액 (1109)의 방사상 주입을 보호하는 화염 엔벨로프 (1110)을 이용하는 현탁액 플라즈마 용사 시스템 및 공정 (1100)을 보여준다. 화염 엔벨로프 (1110)은 액체 현탁액 (1109)의 주입기를 따라 연장되고, 플라즈마 배출물 (1119) 내로 도입되기 전에 액체 소적을 증발시킬 수 있다. 화염 엔벨로프 (1110)은 또한 충분한 운동 에너지를 현탁액 (1109)의 소적에 부여하여, 단편화 및 코팅 입자 (1015) 크기 분포를 개선할 수 있다.

도 9-11의 예시된 실시양태에 제시된 바와 같이, 화염 엔벨로프 (910, 1010 및 1110)은 여러 기능을 수행한다. 예를 들어, 화염 엔벨로프 (910, 1010 및 1110)은 주입된 현탁액 스트림 (909, 1009 및 1109) 내로의 주위 기체의 비말동반을 방지하여, 현탁액 (909, 1009 및 1109) 내에 함유된 서브마이크로미터 입자의 원치 않는 물리적 및 화학적 반응, 예컨대 산화를 억제하는, 액체 현탁액 (909, 1009 및 1109)에 대한 보호대로서 기능할 수 있다. 주위 기체의 비말동반을 방지하는 것은 또한 현탁액 주입 속도 감소를 억제하고, 그 내부에 서브마이크로미터 입자 함유 액체 현탁액 (909, 1009 및 1109)가 주입 속도를 실질적으로 유지하면서 플라즈마 (919, 1019 및 1119) 내로 침투하도록 허용한다.

또한, 화염 엔벨로프 (910, 1010 및 1110)은 또한 적절하게 제어될 때 그 각각의 액체 현탁액 (909, 1009 및 1109) 내에서 또는 현탁액 (909, 1009 및 1109)와 주입 지점의 또는 주입 지점 근처의 보호대 기체 사이에서 요구되는 반응을 개시시킬 수 있는 반응성 보호대 또는 부분적으로 반응성인 보호대로서 기능한다. 예를 들어, 액체 담체가 연료, 예컨대 에탄올인 경우에, 화염 엔벨로프는 플라즈마 배출물의 도입부와 근접하여 주입 이벤트의 열 및 운동 에너지 둘 모두를 증가시키는 액체 담체의 연소 반응을 개시시킨다. 상기 추가의 열 및 운동 에너지는 플라즈마 배출물에 도달하기 전에 소적의 개선된 단편화 및 현탁액 내의 서브마이크로미터 입자의 향상된 용융 또는 증발을 유도한다. 액체 담체가 연료가 아닌 적용시에, 화염 엔벨로프는 액체 담체를 증발시키고 플라즈마 배출물 내로의 비말동반 전에 현탁된 입자를 용융, 부분적으로 용융 또는 심지어 증발시키기 위한 에너지원을 제공한다.

일반적으로 말하면, 플라즈마 배출물을 향해 유도될 때 액체 현탁액을 화염 엔벨로프 내에 보호함으로써, 전체적인 현탁액 플라즈마 용사 (SPS) 시스템의 공정 특성은 급격하게 변경된다. 간단히 설명하면, 주입 스트림을 에워싸는 화염 엔벨로프 또는 유사한 반응성 보호대의 사용은 공급 용기로부터의 현탁액을 통해 달성되는 서브마이크로미터 코팅 입자의 SPS 시스템으로의 전달 제어를, 현탁액 또는 비-현탁액 형태로 존재할 수 있는 서브마이크로미터 코팅 입자의 플라즈마 내로의 비말동반의 제어로부터 효과적으로 분리한다.

예를 들어, 현탁액 주입 스트림을 에워싸는 개시된 화염 엔벨로프를 사용하면, 현탁액의 전달을 이용하되, APS 분말 주입과 유사하지만 서브마이크로미터 입자 크기에서 건조한 서브마이크로미터의 입자의 플라즈마 배출물 내로의 비말동반 또는 주입을 이용하는 SPS 시스템을 실행할 수 있다. 별법으로, 현탁액 주입 스트림을 에워싸는 화염 엔벨로프는 현탁액의 전달을 이용하되, 용융된 서브마이크로미터 입자의 플라즈마 배출물 내로의 비말동반 또는 주입, 서브마이크로미터 입자의 증발된 물질종의 플라즈마 배출물 내로의 주입을 이용하는 SPS 시스템을 실행할 수 있게 한다. 또한, 현탁액 주입 스트림을 에워싸는 개시된 화염 엔벨로프는 고도로 단편화된 현탁액 소적의 플라즈마 배출물 내로의 비말동반 또는 주입과 함께 액체 현탁액의 전달을 이용하는 SPS 시스템을 실행할 수 있게 한다. 마지막으로, 적절하게 설계되고 제어될 경우, 주입 스트림을 에워싸는 개시된 화염 엔벨로프 또는 반응성 보호대는 액체 현탁액의 전달을 실행할 수 있게 하고, 여기서 서브마이크로미터 입자는 계내 (in-situ) 반응하여 플라즈마 배출물 내로 비말동반되는 목적하는 세라믹 또는 서멧 (cermet) 코팅 물질을 형성한다.

또한, 각각의 상기한 전달, 주입 및 비말동반 기술은 목적하는 코팅 미세구조를 제공하기 위해 배출물 내로 주입 또는 비말동반된 후 기판에 충돌하는 평균 입자 크기 및 입자 크기 분포의 보다 정밀한 제어를 허용한다. 현탁액 주입을 에워싸는 화염 엔벨로프 또는 반응성 보호대의 사용은 액체 담체의 구성 및 입자 특성을 비롯하여 SPS 액체 현탁액의 조성에 대한 새로운 선택 또는 설계 옵션을 가능하게 한다.

마지막으로, 도면을 참고로 하여 액체 현탁액 주입을 에워싸는 화염 엔벨로프 또는 반응성 피복/보호대는 추가의 열 및 운동 에너지를 SPS 용사 공정에 제공할 잠재력을 갖기 때문에, 본 발명의 시스템 및 방법은 SPS 공정에서 보다 약한 파워의 플라즈마 토치의 사용 및 플라즈마 스트림에서 열 에너지의 보다 효율적인 사용을 가능하게 할 것이다. 또한, 액체 현탁액 주입을 에워싸는 현재 개시된 화염 엔벨로프 또는 반응성 피복/보호대의 사용은 현탁액의 전달 또는 취급; 플라즈마 제트의 생성; 코팅 물질의 플라즈마 제트 내로의 주입 또는 비말동반; 및 코팅되는 기판 상의 코팅 물질의 전달/충돌을 비롯하여 전체 SPS 공정을 추가로 제어하고 향상시킬 기회를 제공한다.

본 발명의 화염 엔벨로프 또는 반응성 피복/보호대 및 이와 연관된 추가의 운동 에너지의 사용을 통해, 코팅 물질의 플라즈마 제트 내로의 주입은 바람직하게는 배출물 내의 최적화된 위치에 및 주입 지점에서 배출물 유동에 의한 상호작용이 감소된 상태로 도달하도록 제어된다. 예를 들어, 현탁액 주입 지점에서 또는 주입 지점 근처에서 배출물의 일부는 건조 분말 형태, 부분적으로 용융된 형태, 용융된 형태 및/또는 증발 형태의 서브마이크로미터 입자가 제어되고 균일한 방식으로 배출물 스트림 내로 추가로 연장될 수 있도록 이탈될 수 있다.

별법으로, 화염 엔벨로프 또는 피복/보호대가 단지 주입된 현탁액 내로 주위 기체의 비말동반을 억제하기 위해 및 액체 현탁액의 플라즈마 배출물 스트림 내로의 깊은 침투를 허용하기 위해 SPS 공정의 일부로서 사용되는 경우에, 피복/보호대는 제어된 방식으로 및 위치에서 현탁액의 소적 내로의 추가의 단편화를 촉진할 것으로 보인다. 소적을 단편화함으로써, 화염 엔벨로프 또는 반응성 기체 보호대는 플라즈마 배출물 내로 주입되는 현탁액의 소적 크기 및 소적 크기 분포의 제어를 돕는다. 상기 방식에서, 단편화는 플라즈마 배출물에서 적게 발생하고, 소적 크기 및 소적 크기 분포는 플라즈마 배출물이 코팅되는 기판을 향해 이동하기 때문에 일반적으로 공간적 및 시간적인 변화와 무관할 것이다. 즉, 소적 크기 및 소적 크기 분포는 보다 정밀하게 제어되고, 개선된 플라즈마 용사 공정 제어 및 개선된 코팅 미세구조를 유도한다. 도 9는 현탁액 플라즈마 용사 공정을 에워싸는 연소 화염 보호대를 이용하는 본 발명의 또 다른 실시양태를 보여준다.

도 7 및 도 8에 도시된 이중 기체 보호대의 사용 및 도 9에 도시된 배출물을 에워싸는 연소 화염 보호대의 사용은 내부 방사상 주입 입체형태, 외부 방사상 주입 입체형태 및 축선 주입 입체형태를 이용하는 현탁액 플라즈마 용사 시스템에 동등하게 적용될 수 있음이 이해되어야 한다.

상기 나타낸 바와 같이, 반응성 기체 보호대에 대해 사용되는 전형적인 반응성 기체는 산소, 수소, 이산화탄소; 탄화수소 연료, 및 질소 또는 조합물 또는 이들의 조합물을 포함한다.

본 발명은 통상적인 플라즈마 용사를 포함하는 코팅 기술에 의해 이전에 가능하지 않은 서브마이크로미터 범위의 다양한 미세한 미립자 크기를 침착할 수 있음을 유의해야 한다. 예를 들어, 한 실시양태에서, 본 발명의 SPS 시스템 및 방법은 크기 범위가 100 nm 미만인 코팅 미립자를 침착할 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 본 발명은 통상적인 용사 시스템 및 방법에서 전형적으로 발생하는 미세한 미립자의 바람직하지 않은 응집을 발생시키기 않으면서 10 ㎛ 이하의 코팅 미립자를 침착할 수 있다.

유리하게는, 본원에 설명된 SPS 시스템은 상업적으로 이용가능한 적합한 토치 및 노즐 어셈블리를 이용하여 제조할 수 있고, 따라서 전체 제작 공정을 실행가능하게 하고 단순화할 수 있다. 플라즈마 생성의 측면은 표준 기술 또는 장비를 이용하여 수행할 수 있다.

임의의 적합한 액체 현탁액 전달 서브시스템이, 서브마이크로미터 입자가 그 내에 분산된 액체 현탁액의 유동을 플라즈마로 전달하기 위해 사용될 수 있다. 액체 현탁액 공급원은 액체 현탁액 분배기이다. 공급원은 대개 저장기, 수송관 (예를 들어, 배관, 밸브 장치 등), 및 주입 부품 (예를 들어, 노즐, 원자화기 (atomizer) 등)을 포함한다. 또한, 액체 현탁액 전달 서브시스템은 공정 (예를 들어, 유량, 밀도, 온도)의 측정 피드백 및 제어 방법, 예를 들어, 서로 함께 또는 독립적으로 작용할 수 있는 펌프 및 작동기 (actuator)를 포함할 수 있다. 시스템은 또한 당업계에 공지된 추가의 플러싱 (flushing) 또는 세정 시스템, 혼합 및 교반 시스템, 가열 또는 냉각 시스템을 포함할 수 있다.

상기한 내용으로부터, 본 발명이 현탁액 플라즈마 용사의 반응성 기체 보호대 및/또는 액체 현탁액의 화염 피복을 위한 시스템 및 방법을 제공함을 이해해야 한다. 본원에 개시된 본 발명은 그와 관련된 구체적인 실시양태 및 공정에 의해 설명되었지만, 청구항에 기재된 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않으면서 또는 모든 그의 특징 및 이점을 희생하지 않으면서 당업자에 의해 많은 변형 및 변동이 이루어질 수 있다.

Claims

플라즈마를 생성하기 위한 열 용사 (thermal spray) 토치;
서브마이크로미터 입자 함유 액체 현탁액의 유동을 전달하기 위한 액체 현탁액 전달 서브시스템; 및
플라즈마 배출물을 실질적으로 에워싸는 반응성 기체 보호대 (shroud)를 생성하도록 구성되며, 플라즈마 배출물을 생성하기 위해 플라즈마를 열 용사 토치로부터 액체 현탁액으로 전달하기 위한 노즐 어셈블리 (assembly)
를 포함하고; 여기서 반응성 기체 보호대는, 서브마이크로미터 입자의 비말동반을 플라즈마 배출물 내에 실질적으로 유지하고 기체가 도입되어 플라즈마 배출물과 반응하는 것을 실질적으로 억제하도록 구성되고; 반응성 기체 보호대는 현탁액 소적의 단편화를 향상시키고 플라즈마 배출물 내에 서브마이크로미터 입자의 증발 물질종을 생성하기 위해 플라즈마 배출물과 반응하는 것인, 액체 현탁액으로부터 기판 상에 코팅을 생성하기 위한 열 용사 시스템.
제1항에 있어서, 반응성 기체 보호대가 기판 표면으로부터 노즐 어셈블리로 연장되는 것인 열 용사 시스템.
제1항에 있어서, 반응성 기체 보호대가 층류 유동 차폐 (shield)인 열 용사 시스템.
제1항에 있어서, 반응성 기체 보호대가 노즐로부터 기판 표면까지의 거리보다 작은 축 방향 거리를 갖는 것인 열 용사 시스템.
제1항에 있어서, 반응성 기체 보호대 주위에 배치된 불활성 기체 보호대를 추가로 포함하는 열 용사 시스템.
제1항에 있어서, 반응성 기체 보호대는 제1 반응성 기체 보호대 및 제2 반응성 기체 보호대로 이루어지는 이중 기체 보호대인 열 용사 시스템.
제1항에 있어서, 액체 현탁액의 유동을 에워싸는 화염 엔벨로프 (flame envelope)를 생성하도록 구성된 주입기를 추가로 포함하는 열 용사 시스템.
제1항에 있어서, 액체 현탁액 시스템이 노즐의 내부에 형성되는 것인 열 용사 시스템.
제1항에 있어서, 액체 현탁액 시스템이 액체 현탁액의 축 방향 유동을 전달하기 위해 노즐의 내부에 형성되는 것인 열 용사 시스템.
제1항에 있어서, 액체 현탁액 시스템이 노즐의 외부에 형성되는 것인 열 용사 시스템.
플라즈마를 열 용사 토치로부터 생성하고;
플라즈마 배출물 스트림을 생성하기 위해 서브마이크로미터 입자가 그 내에 분산된 액체 현탁액의 유동을 플라즈마에 또는 플라즈마에 근접하게 전달하고;
플라즈마 배출물 내에 비말동반된 서브마이크로미터 입자를 유지시키고 플라즈마 배출물 내로 주위 기체의 비말동반을 실질적으로 방지하기 위해 플라즈마 배출물을 반응성 기체 보호대로 에워싸고;
현탁액 소적의 단편화를 향상시키고 플라즈마 배출물 내에 서브마이크로미터 입자의 증발 물질종을 생성하기 위해 보호 기체를 플라즈마 배출물과 반응시키고;
기판을 코팅하기 위해서 서브마이크로미터 입자 함유 보호 플라즈마 배출물을 기판을 향하도록 유도하는 단계
를 포함하는, 서브마이크로미터 입자가 그 내에 분산된 액체 현탁액을 사용하여 기판 상에 코팅을 생성하는 방법.
제11항에 있어서, 보호 배출물 내로 기체의 비말동반을 실질적으로 방지하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제11항에 있어서, 반응성 기체 보호대를 가로질러 액체 현탁액의 소적을 단편화하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제11항에 있어서, 배출물을 실질적으로 에워싸는 불활성 기체 보호대를 도입하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제11항에 있어서, 배출물을 실질적으로 에워싸는 제2 반응성 보호대 기체를 도입하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제11항에 있어서, 액체 현탁액을 에워싸는 화염 엔벨로프를 도입하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제11항에 있어서, 액체 현탁액을 노즐의 외부에 주입하는 것을 추가로 포함하는 방법.
제11항에 있어서, 액체 현탁액을 노즐의 내부에 주입하는 것을 추가로 포함하는 방법.
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