KR102207933B1 - 서스펜션 플라즈마 용사 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

Abstract

코팅층을 형성하는 용융 미립자의 크기를 작게 하여 코팅층을 치밀하게 제조할 수 있는 서스펜션 플라즈마 용사 장치 및 그 제어 방법을 제공한다. 서스펜션 플라즈마 용사 장치는 i) 음전극, ii) 음전극과 이격되어 위치하는 제1 양전극, iii) 제1 양전극을 통해 가속되면서 플라스마 제트화되도록 적용된 가스의 진행 방향을 따라 제1 양전극과 이격 공간을 형성하고, 제1 양전극을 사이에 두고, 음전극의 반대편에 위치하는 제2 양전극, 및 iv) 제1 양전극, 제2 양전극 및 이격 공간으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 위치에 서스펜션을 공급하도록 적용된 하나 이상의 서스펜션 주입관을 포함한다. 제1 양전극에 인가되는 제1 전압은 제2 양전극에 인가되는 제2 전압보다 작도록 적용된다.

Description

서스펜션 플라즈마 용사 장치 및 그 제어 방법 {SUSPENSION PLASMA SPRAY DEVICE AND METHOD FOR CONTROLLING THE SAME}

본 발명은 서스펜션 플라즈마 용사 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 코팅층을 형성하는 용융 미립자의 크기를 작게 하여 코팅층을 치밀하게 제조할 수 있는 서스펜션 플라즈마 용사 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.

고온용 부품이나 내식용 부품, 예를 들면 가스 터빈 엔진 또는 가스 챔버 내벽에 적용되는 초합금계 소재를 고온 가스로부터 보호하기 위해 고융점 소재로 된 열차폐 코팅이 필요하다. 열차폐 코팅을 위해 대기 플라즈마 용사법(atmospheric plasma spray, APS) 등의 용사법이 사용된다. 대기 플라즈마 용사에서는 혼합 분말을 사용한다. 혼합 분말을 사용하는 경우, 다양한 조성비의 혼합 분말을 사전에 준비해야 하고 용사 공정 중 분말을 계속 교체해야 한다. 또한, 분말을 원료로 사용하므로, 크기 및 밀도 등이 상이한 분말이 공급되어 균일하게 혼합되지 않은 코팅이 형성될 수 있다.

따라서 대기 플라즈마 용사법을 대체하기 위해 서스펜션을 용사하는 서스펜션 플라즈마 용사법(suspension plasma spray, SPS)이 사용된다. 코팅의 소재가 액상인 서스펜션으로 공급되므로, 혼합 분말보다 이종 성분 소재간의 혼합이 균일하고, 액상의 특성상 미세한 부피 조절이 가능하다. 따라서 코팅의 조성이 그 수평 방향으로 균일하고, 그 두께 방향으로도 조성 변화의 연속성을 달성할 수 있어서 경사 기능성을 가지는 코팅층을 제조할 수 있다.

한국등록특허 제1,398,884호

높은 용착률을 가지면서 치밀한 코팅층을 형성할 수 있는 서스펜션 플라즈마 용사 장치를 제공하고자 한다. 또한, 서스펜션 플라즈마 용사 장치의 제어 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 서스펜션 플라즈마 용사 장치는 i) 음전극, ii) 음전극과 이격되어 위치하는 제1 양전극, iii) 제1 양전극을 통해 가속되면서 플라스마 제트화되도록 적용된 가스의 진행 방향을 따라 제1 양전극과 이격 공간을 형성하고, 제1 양전극을 사이에 두고, 음전극의 반대편에 위치하는 제2 양전극, 및 iv) 제1 양전극, 제2 양전극 및 이격 공간으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 위치에 서스펜션을 공급하도록 적용된 하나 이상의 서스펜션 주입관을 포함한다. 제1 양전극에 인가되는 제1 전압은 제2 양전극에 인가되는 제2 전압보다 작도록 적용된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 서스펜션 플라즈마 용사 장치는 제2 양전극과 이격되어 제2 양전극을 둘러싸는 냉각관을 더 포함할 수 있다. 냉각관과 제2 양전극 사이의 공간으로 가스의 진행 방향을 따라 흐르는 냉각 가스가 제2 양전극을 통해 배출되는 플라스마 제트를 둘러싸도록 적용될 수 있다. 제2 전압은 제1 전압의 2배 내지 4배일 수 있다. 제1 양전극 및 제2 양전극은 각각 제1 내경 및 제2 내경을 가지는 관 형상으로 형성될 수 있다. 제1 내경은 제2 내경보다 작을 수 있다.

하나 이상의 서스펜션 주입관은 상호 이격된 복수의 서스펜션 주입관들을 포함하고, 복수의 서스펜션 주입관들은 서스펜션 플라스마 용사 장치의 원주 방향을 따라 나란히 위치할 수 있다. 제2 양전극은 원주 방향을 따라 상호 이격된 복수의 양전극부들을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 서스펜션 플라즈마 용사 장치의 제어 방법에서 서스펜션 플라즈마 용사 장치는 i) 음전극, ii) 음전극과 이격되어 위치하는 제1 양전극, iii) 제1 양전극을 통해 가속되면서 플라스마 제트화되도록 적용된 가스의 진행 방향을 따라 제1 양전극과 이격 공간을 형성하고, 제1 양전극을 사이에 두고, 음전극의 반대편에 위치하는 제2 양전극, 및 iv) 제1 양전극, 제2 양전극 및 이격 공간으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 위치에 서스펜션을 공급하도록 적용된 하나 이상의 서스펜션 주입관을 포함한다. 서스펜션 플라즈마 용사 장치의 제어 방법은 i) 전술한 서스펜션 플라스마 용사 장치를 제공하는 단계, ii) 음전극과 제1 양전극에 제1 전압을 인가하는 단계, iii) 제2 양전극에 제1 전압보다 큰 제2 전압을 인가하는 단계, 및 iv) 서스펜션 주입관을 통하여 서스펜션을 주입하는 단계를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 서스펜션 플라즈마 용사 장치의 제어 방법은 제2 전압을 차단한 후 제1 전압을 차단하는 단계를 더 포함할 수 있다. 서스펜션 플라스마 용사 장치를 제공하는 단계에서 서스펜션이 제1 양전극 또는 이격 공간에 공급되는 경우, 서스펜션은 물을 포함할 수 있다. 서스펜션 플라스마 용사 장치를 제공하는 단계에서 서스펜션이 제2 양전극에 공급되는 경우, 서스펜션은 알코올을 포함할 수 있다.

서스펜션 플라즈마 용사 장치를 사용하여 코팅층을 형성하는 용융 미립자의 크기를 작게 만들 수 있다. 따라서 서스펜션 플라즈마 용사 장치를 사용하여 내식성 분위기에서도 안정적으로 유지되는 코팅층을 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 서스펜션 플라즈마 용사 장치의 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1의 서스펜션 플라즈마 용사 장치의 작동 개념도이다.
도 3a는 일반적인 직류 아크 플라스마의 전압 변이 그래프이다.
도 3b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 서스펜션 플라즈마 용사 장치의 작동시의 직류 아크 플라스마의 전압 변이 그래프이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 서스펜션 플라즈마 용사 장치의 개략적인 사시도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 서스펜션 플라즈마 용사 장치의 개략적인 사시도이다.

여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 서스펜션 플라스마 용사 장치(100)의 구조를 개략적으로 나타낸다. 도 1의 서스펜션 플라스마 용사 장치(100)의 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 서스펜션 플라스마 용사 장치의 구조를 다른 형태로도 변형할 수 있다.

도 1에 도시한 바와 같이, 서스펜션 플라스마 용사 장치(100)는, 음전극(10), 제1 양전극(12), 절연체(13), 제2 양전극(14), 서스펜션 주입관(16), 냉각관(18) 및 출사관(24)을 포함한다. 이외에, 서스펜션 플라스마 용사 장치(100)는 전원 연결선들(101, 121, 141) 및 가스관(11)을 포함하고, 기타 필요한 부품들을 더 포함할 수 있다. 제1 양전극(12) 및 제2 양전극(14)은 관 형상으로 형성된다. 따라서 그 내부를 통하여 가스와 플라스마 제트가 +x축 방향을 따라 흐를 수 있다.

음전극(10)과 제1 양전극(12)은 상호 이격되어 위치한다. 가스관(10)이 그 사이에 삽입되어 아르곤 또는 헬륨 등의 플라스마 제트용 가스를 주입한다. 이 가스들은 아크 플라즈마 제트를 형성한다. 플라스마 제트화되는 가스의 진행 방향, 즉 x축 방향을 따라 제2 전극(14)은 제1 전극(12)과 이격 공간을 형성한다.

도 1에 도시한 바와 같이, 이격 공간에 절연체(13)가 위치할 수도 있고, 빈 공간으로 남겨질 수도 있다. 이격 공간에는 서스펜션 주입관(16)이 위치하여 서스펜션을 플라스마 제트 흐름에 주입한다. 서스펜션 주입관(16)을 통해 발화 열량을 가진 알코올을 포함하는 서스펜션을 공급할 수 있다.

서스펜션 주입관(16)은 서스펜션 플라스마 용사 장치(100)의 원주 방향을 따라 나란히 이격되어 위치한다. 도 1에는 서스펜션 주입관(16)이 상호 마주하는 것으로 도시되었지만, 이와는 달리 다양한 형태로 배치될 수 있으며, 그 수도 한정되지 않는다. 서스펜션 주입관(16)의 설치 각도도 바꿀 수 있다.

도 1에는 도시하지 않았지만, 냉각관(18)은 제2 양전극(14)과 이격되어 제2 양전극(14)을 둘러싸면서 위치한다. 그리고 냉각관(18)은 연장되어 출사관(24) 내부에 위치한다. 먼저, 냉각 가스는 서스펜션 플라스마 용사 장치(100)의 원주 방향으로 주입되어 제2 양전극(14)과 충돌해 제2 양전극(14)을 냉각시킨다. 그리고 냉각 가스는 냉각관(18)과 제2 양전극(14) 사이의 공간으로 x축 방향을 따라 흐른 후 플라스마 제트를 둘러싸서 여기에 포함된 용융 미립자의 외부 이탈을 막고 타겟을 향하도록 가이드한다. 그 결과, 코팅 용착률을 70% 이상 100% 미만으로 제어하여 기공률 1% 이하의 치밀한 코팅층을 형성할 수 있다.

도 1에는 제2 양전극(14)을 하나로 도시하였지만 이와는 달리 복수의 양전극부들을 포함하는 형태로 제조할 수도 있다. 이 경우, 복수의 양전극부들은 서스펜션 플라스마 용사 장치(100)의 원주 방향을 따라 상호 이격되어 위치할 수 있다. 제2 양전극(14)은 제1 양전극(12)의 플라스마가 도선 역할을 하도록 하여 전류가 인가되게 할 수 있다.

제1 양전극(12)은 용접용 아크 스타크 등의 점화기를 이용하여 최초 점화한다. 제1 양전극(12)이 안정화되는 경우, 제2 양전극(14)에 전압을 인가하여 정전류 모드에서 적정 전류값에 도달시킨다. 제2 양전극(14)에서는 제1 양전극(12)에서 생성된 아크에 추가적으로 아크 부하가 형성되어 정전류 모드에서 조절된다.

본 발명의 제1 실시예에 따른 서스펜션 플라스마 용사 장치(100)와는 대조적으로, 음전극 또는 양전극을 그 폭방향으로 다중 배치하여 단전극의 아크 변이를 다중으로 발생시키는 서스펜션 플라즈마 용사 장치가 존재한다. 그러나 이 서스펜션 플라즈마 용사 장치는 각 전극마다 파워가 독립적으로 운영되므로, 고가이다. 또한, 공용 전극으로 사용하는 음극의 손상 정도가 커서 음극도 각 파워마다 분리하여 통상 3개의 건을 하나로 만들어야 한다. 이는 단전극 용사건에 비해 5배 이상, 예를 들면 6억 정도이므로, 사용하기가 어렵다.

한편, 원료로서 투입되는 분말을 미세화하여 저전압 아크 변이 상태애서도 정전류 방식의 전력이 제공되는 고정 전류로 분말을 용융시키는 방법이 존재한다. 그러나 분말이 너무 미세화되는 경우, 미세 분말의 자유 운동으로 이송이 어려워진다. 따라서 본 발명의 일 실시예처럼 액체에 분말을 혼합한 서스펜션을 이용하여 플라스마 용사하는 것이 바람직하다.

도 2는 도 1의 서스펜션 플라스마 용사 장치(100)의 작동 개념을 개략적으로 나타낸다. 도 2의 서스펜션 플라스마 용사 장치(100)의 작동 개념은 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 그 작동 개념을 다르게 변형할 수도 있다.

먼저, 서스펜션 플라스마 용사 장치(100)가 열화되지 않도록 냉각관(18)을 통해 냉각수를 순환시킨다. 그리고 제2 양전극(14)과 냉각관(18)의 사이로 냉각 가스를 분사한다.

도 2에 도시한 바와 같이, 제1 전원(20)은 음전극(10)과 제1 양전극(12)에 전기적으로 연결되고, 제2 전원(22)은 제2 양전극(14)에 전기적으로 연결된다. 제1 전원(20)은 1차 저전압 직류 파워를 형성하고, 제2 전원(22)은 2차 고전압 직류 파워를 형성한다. 따라서 제2 양전극(14)에는 제1 양전극(12)보다 높은 전압이 인가되어 고전압 구간을 형성한다. 서스펜션 플라스마 용사 장치(100)의 기동시에는 제1 전압을 제1 양전극(12)에 인가한 후 제2 전압을 제2 양전극(14)에 인가할 수 있다.

제1 양전극(12)은 아크 스타트로 점화되고, 전류가 상승한다. 반대로, 서스펜션 플라스마 용사 장치(100)의 정지시에는 제2 전압을 차단한 후 제1 전압을 차단할 수 있다.

다음으로, 음전극(10)과 제1 양전극(12) 사이로 헬륨 가스가 주입되면 음전극(10)과 제1 양전극(12)에 인가되는 전압이 상승하면서 헬륨 가스가 플라스마 제트화되어 화살표 방향, 즉 +축 방향으로 흐름이 형성된다. 이 흐름은 서브소닉에서 마하까지의 유속을 가진다. 서스펜션 주입관(16)을 통해 주입된 서스펜션은 미세 액적을 형성하면서 아토마이징된다. 용매를 함유한 미세 액적은 제2 양전극(14)을 통과하면서 고온 플라즈마 제트에 투입된다. 용매는 기화되고 용질인 고형분은 남아 뭉치면서 용융된다.

남은 미분이 용융되어 비행하면서 서로 충돌해 입도가 증가된 용융 입자로 된다. 따라서 용융 입자들의 자유 운동의 기회는 줄어들고 플라스마 제트의 유속에 의해서만 비행하므로, 용융 입자들이 손실없이 타겟에 정확히 안착해 양호한 품질의 코팅층을 형성할 수 있다. 타겟에 충돌하는 용융 입자들의 입도는 1㎛ 내지 10㎛일 수 있다.

한편, 냉각관(18)은 제2 양전극(14)과 이격되어 제2 양전극(14)을 둘러싸고 위치한다. 냉각관(18)과 제2 양전극(14)의 사이에는 냉각 가스가 주입되어 제2 양전극(14)을 통해 배출되는 용융 입자들이 플라스마 제트를 벗어나지 못하도록 차단한다. 즉, 냉각 가스는 에어 커튼으로서 기능하여 자유 운동하려는 용융 입자들을 냉각 가스내에 가둔다. 냉각 가스로는 질소 또는 압축 공기를 사용할 수 있다. 용융 입자들은 비행하여 타겟의 표면에 충동 접착되며 열확산되어 소결된다. 그 결과, 타겟에 양호한 품질의 코팅층을 형성할 수 있다. 한편, 서스펜션 플라스마 용사 장치(100)는 위와 반대의 순서로 그 공정을 종료할 수 있다.

제2 양전극(14)의 길이는 입자가 충분히 용융될 수 있는 고온 노출 시간과 직접 관련된다. 충분한 냉각이 일어날 수 있는 구간 길이면 충분하다. 그리고 제2 양전극(14)의 내경(d14)은 제1 양전극(12)의 내경(d12)보다 크다. 즉, 제2 양전극(14)에서는 플라스마 제트를 형성하면서 미분을 용융하고 상호 충돌시킨 용융 입자들을 형성하기 위해 비교적 넓은 공간이 필요하다. 따라서 제2 양전극(14)의 내경(d14)을 제1 양전극(12)의 내경(d12)보다 크게 형성하는 것이 바람직하다. 제1 양전극(12)의 내경(d12)은 6mm 내지 10mm일 수 있다. 제2 양전극(14)의 내경(d14)은 제1 양전극(12)의 내경(d12)보다 크게 형성하는 것이 바람직하다. 좀더 구체적으로, 제2 양전극(14)의 내경(d14)은 10mm보다 크고 25mm 이하일 수 있다. 이하에서는 도 3a 및 도 3b를 통하여 본 발명의 일 실시예에 따른 서스펜션 플라스마 용사 장치(100)의 기본 작동 원리를 좀더 상세하게 설명한다.

도 3a는 일반적인 직류 아크 플라스마의 전압 변이 그래프이다.

도 3a에 도시한 바와 같이, 단전극 상태에서 직류 아크 플라즈마는 크게 3가지 전압 변이 현상이 나타난다. 이를 양전극과 아크가 접하는 상태로 나타내는 경우, 리스트라이크(restrike), 테이크 오버(takeover), 스테디(steady)로 정의된다. 이 아크 형상은 옴의 법칙(V=IR)에서 I가 정전류 방식의 파워에서 공급되고, 아크 부하가 가스의 흐름, 플라즈마화 정도, 전극의 건강 상태에 따라 주기적으로 변화해 전압 변이가 일어나는 것으로 관찰된다.

용사 용도로 사용 가능한 전압 변이의 형상은 리스트라이크와 테이크 오버의 혼합 범위에서 일어난다. 이 전압 변이는 플라즈마 용사 코팅의 박리 등 품질 저하에 영향을 미친다. 이러한 전압 변이를 회피하기 위해 철판 절단용 플라즈마 절단 장치 등에 사용되는 200V 이상의 고전압을 인가하는 방법과 80V 이하의 저전압을 인가하는 방법이 알려져 있다. 또한, 용융할 재료를 미분화하는 방법도 가능하지만, 이송상의 어려움으로 인해 서스펜션화가 필요하다.

도 3b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 서스펜션 플라즈마 용사 장치의 작동시의 직류 아크 플라스마의 전압 변이 그래프를 나타낸다.

도 3b에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 서스펜션 플라즈마 용사 장치에서는 저전압 전극과 고전압 전극이 직렬화되어 전압 변이폭을 넓혀 용융 구간을 안정적으로 형성한다. 저전압 전극과 고전압 전극 모두 정전류 모드에서 전압 변이를 제거하지 못하더라도 언멜팅 현상은 제거된 플라즈마 제트를 얻을 수 있다. 본 발명의 제1 실시예에 따른 서스펜션 플라스마 용사 장치에서는 30kW 이상의 전력을 사용하여 높은 용융점을 가진 세라믹을 용융시키되 고엔탈피 방식이 아닌 저엔탈피 방식의 체류 시간 연장을 통해 치밀한 코팅층을 얻는다. 이러한 세라믹은 고융점을 가진다는 점에서 상대적으로 저융점인 알루미늄, 아연 등의 금속과는 구별된다.

본 발명의 제1 실시예에 따른 서스펜션 플라즈마 용사 장치에서는 제1 양전극에 낮은 제1 전압이 인가된다. 그리고 제2 양전극에는 상대적으로 높은 제2 전압이 인가된다. 좀더 구체적으로, 제2 전압은 제1 전압의 2배 내지 4배일 수 있다. 이 비가 너무 작은 경우, 제2 전압과 제1 전압의 차이가 미미하여 제2 양전극의 설치 효과가 적다. 또한, 이 비가 너무 큰 경우, 제2 양전극의 고전압에 의한 손상이 쉽게 일어나고 이를 방지하기 위해 냉각 장치를 추가해야 하므로 설비비가 많이 든다. 따라서 전술한 비로 제1 전압 및 제2 전압을 조절한다.

그 결과, 도 3b에 도시한 바와 같이, 시간이 흐르면서 지속적으로 고전압 변이가 형성되므로, 서스펜션에 포함된 입자가 용융되어 미세 입자화될 가능성이 높아진다. 따라서 특정 시간에서는 인가 전압이 낮아 해당 미세 입자가 용융되지 않을 수도 있지만, 시간 경과에 따라 고전압 변이에 의해 점선 화살표로 나타낸 바와 같이 용융되어 미립자화된다.

이와는 대조적으로, 도 3a에 도시한 바와 같이, 일반적인 서스펜션 플라스마 용사 장치에서는 시간이 흐르면서 드문드문 고전압 변이가 형성된다. 따라서 서스펜션에 포함된 입자가 양전극을 통과시 고전압 변이가 인가되지 않는 경우 용융될 가능성이 낮다.

따라서 본 발명의 제1 실시예에 따른 서스펜션 플라즈마 용사 장치에서는 지속적인 고전압 변이, 즉 아크 변이가 다수 중첩되어 발생하므로 코팅층이 미세 입자들로 형성될 수 있다. 이와는 대조적으로, 종래 기술에서는 큰 입자들이 혼합되어 코팅층으로부터 낙하할 수 있다.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 서스펜션 플라스마 용사 장치(200)의 구조를 개략적으로 나타낸다. 도 4의 서스펜션 플라스마 용사 장치(200)의 구조는 도 1의 서스펜션 플라스마 용사 장치(100)와 유사하므로, 동일한 부분에는 동일한 도면 부호를 사용하여 나타낸다.

도 4에 도시한 바와 같이, 서스펜션 주입관(16)을 제1 양전극(12)에 설치한다. 예를 들면, 탄소 성분이 없고 물을 포함하는 서스펜션은 단순 이송제로서 기능하므로, 제1 양전극(12)에 주입한다. 그 결과, 가스가 플라스마 제트화되는 가까운 위치부터 이송되기 시작하여 충분한 용융 에너지, 즉, 엔탈피와 플라즈마내 입자 용융이 가능한 정체 시간의 곱을 가지므로 타겟에 코팅층을 잘 용착할 수 있다.

도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 서스펜션 플라스마 용사 장치(300)의 구조를 개략적으로 나타낸다. 도 5의 서스펜션 플라스마 용사 장치(300)의 구조는 도 1의 서스펜션 플라스마 용사 장치(100)와 유사하므로, 동일한 부분에는 동일한 도면 부호를 사용하여 나타낸다.

도 5에 도시한 바와 같이, 서스펜션 주입관(16)을 제2 양전극(14)에 설치할 수 있다. 예를 들면, 발화 열량을 가진 알코올을 포함하는 서스펜션은 제2 양전극(14)에 주입할 수 있다. 서스펜션이 발화 열량을 가지므로, 제2 양전극(14) 위치에서도 충분한 이송 에너지를 가져서 타겟에 코팅층을 잘 용착할 수 있다.

이하에서는 실험예를 통하여 본 발명을 좀더 상세하게 설명한다. 이러한 실험예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며. 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.

실험예

100mm x 100mm 크기의 정사각형 형상의 Al₂O₃ 시편에 도 1의 서스펜션 플라스마 용사 장치를 사용하여 코팅층을 제조하였다. 서스펜션 플라스마 용사 장치는 저 엔탈피하에서 체류시간을 연장시킬 수 있었다. 서스펜션 플라스마 용사 장치에 1차 가스로 아르곤, 2차 가스로 헬륨을 상온에서 입력 가스로서 사용하였다.

그리고 Al₂O₃ 및 Y₂O₃를 에탄올과 혼합하여 볼밀링해 제조한 서스펜션을 사용하였다. 서스펜션 플라스마 용사 장치를 사용하여 코팅층을 제조하면서 시편의 온도 변화를 관찰하였다. 시편의 온도는 플라스마 용사 후 각각 0, 10초, 20초, 30초, 40초, 50초, 60초에 측정하였다.

비교예

전술한 실험예와 서스펜션 플라스마 용사 장치를 제외하고는 동일하게 실험하였다. 서스펜션 플라스마 용사 장치로는 상용건인 Progressive 100HG를 사용하였다. 이 상용건은 고전압 단전극건으로서, 용융 조건을 양호하게 제어하기 위해서는 상용건의 출력 전압을 200KW 급으로 하고, 사용하는 플라스마 가스량도 4배로 하여 엔탈피를 높여야 했다. 따라서 모재에 대한 열충격이 예상되었다.

실험 결과

아래의 표 1에 플라스마 용사 후 각각 0, 10초, 20초, 30초, 40초, 50초, 60초인 경우에 측정된 시편의 온도를 나타낸다. 표 1에 기재한 바와 같이, 시간 경과에 따라 실험예의 시편의 온도가 비교예의 시편의 온도에 비해 훨씬 낮은 것을 볼 수 있다. 따라서 비교예의 시편은 고온으로 인해 코팅층에 부착된 액적이 용융되어 낙하할 수 있을 뿐만 아니라 기공이 형성될 가능성이 높다. 따라서 고품질의 코팅층을 얻기가 어렵다. 이와는 대조적으로, 실험예에서는 시편의 온도가 상대적으로 낮게 유지되므로, 코팅층이 치밀하게 형성될 가능성이 높다. 따라서 실험예에서는 비교예에 비해 훨씬 고품질의 코팅층을 얻을 수 있다.

시간(초)	0	10초	20초	30초	40초	50초	60초
실험예	25℃	30℃	40℃	50℃	60℃	70℃	80℃
비교예	25℃	30℃	50℃	70℃	110℃	150℃	200℃

본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 설명하였지만, 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.

10. 음전극
11. 가스관
12. 제1 양전극
13. 절연체
14. 제2 양전극
16. 서스펜션 주입관
18. 냉각관
20. 제1 전원부
22. 제2 전원부
24. 출사관
100. 서스펜션 플라스마 용사 장치
101, 121, 141. 전원 연결선
P. 플라스마 제트

Claims (10)

1. 음전극,
   상기 음전극과 이격되어 위치하고, 그 내부에 통로가 형성된 제1 양전극,
   상기 제1 양전극을 통해 가속되면서 플라스마 제트화되도록 적용된 가스의 진행 방향을 따라 상기 제1 양전극과 이격 공간을 형성하고, 상기 제1 양전극을 사이에 두고, 상기 음전극의 반대편에 위치하고, 그 내부에 상기 통로가 형성된 제2 양전극, 및
   상기 이격 공간을 통하여 상기 통로에 서스펜션을 공급하며, 상기 통로에 상기 서스펜션을 상기 가스의 흐름 방향과 직각을 이루도록 주입하여 상기 가스에 의해 상기 서스펜션에 포함된 액적을 아토마이징하도록 적용된 하나 이상의 서스펜션 주입관,
   상기 제1 양전극과 전기적으로 연결되고, 상기 제1 양전극에 제1 전압을 인가하는 제1 전원, 및
   상기 제1 전원과 별도로 제공되고, 상기 제2 양전극과 전기적으로 연결되어 상기 제2 양전극에 제2 전압을 인가하는 제2 전원
   을 포함하고,
   상기 제1 전압은 상기 제2 전압보다 작도록 적용된 서스펜션 플라스마 용사 장치.
2. 제1항에서,
   상기 제2 양전극과 이격되어 상기 제2 양전극을 둘러싸는 냉각관을 더 포함하고, 상기 냉각관과 상기 제2 양전극 사이의 공간으로 상기 가스의 진행 방향을 따라 흐르는 냉각 가스가 상기 제2 양전극을 통해 배출되는 플라스마 제트를 둘러싸도록 적용된 서스펜션 플라스마 용사 장치.
3. 제1항에서,
   상기 제2 전압은 상기 제1 전압의 2배 내지 4배인 서스펜션 플라스마 용사 장치.
4. 제1항에서,
   상기 제1 양전극 및 상기 제2 양전극은 각각 제1 내경 및 제2 내경을 가지는 관 형상으로 형성되고, 상기 제1 내경은 상기 제2 내경보다 작은 서스펜션 플라스마 용사 장치.
5. 제4항에서,
   상기 하나 이상의 서스펜션 주입관은 상호 이격된 복수의 서스펜션 주입관들을 포함하고, 상기 복수의 서스펜션 주입관들은 상기 서스펜션 플라스마 용사 장치의 원주 방향을 따라 나란히 위치하는 서스펜션 플라스마 용사 장치.
6. 제5항에서,
   상기 제2 양전극은 상기 원주 방향을 따라 상호 이격된 복수의 양전극부들을 포함하는 서스펜션 플라스마 용사 장치.
7. i) 음전극,
   ii) 상기 음전극과 이격되어 위치하고 그 내부에 통로가 형성된 제1 양전극,
   iii) 상기 제1 양전극을 통해 가속되면서 플라스마 제트화되도록 적용된 가스의 진행 방향을 따라 상기 제1 양전극과 이격 공간을 형성하고, 상기 제1 양전극을 사이에 두고, 상기 음전극의 반대편에 위치하고, 그 내부에 상기 통로가 형성된 제2 양전극, 및
   iv) 상기 이격 공간을 통하여 상기 통로에 서스펜션을 공급하도록 적용된 하나 이상의 서스펜션 주입관
   v) 상기 제1 양전극과 전기적으로 연결된 제1 전원, 및
   vi) 상기 제1 전원과 별도로 제공되고, 상기 제2 양전극과 전기적으로 연결된 제2 전원
   을 포함하는 서스펜션 플라스마 용사 장치를 제공하는 단계,
   상기 제1 전원이 상기 제1 양전극에 제1 전압을 인가하는 단계,
   상기 제2 전원이 상기 제2 양전극에 상기 제1 전압보다 큰 제2 전압을 인가하는 단계, 및
   상기 서스펜션 주입관을 통하여 상기 통로에 상기 서스펜션을 상기 가스의 흐름 방향과 직각을 이루도록 주입하여 상기 가스에 의해 상기 서스펜션에 포함된 액적을 아토마이징하는 단계
   를 포함하는 서스펜션 플라스마 용사 장치의 제어 방법.
8. 제7항에서,
   상기 제2 전압을 차단한 후 상기 제1 전압을 차단하는 단계를 더 포함하는 서스펜션 플라스마 용사 장치의 제어 방법.
9. 제7항에서,
   상기 서스펜션 플라스마 용사 장치를 제공하는 단계에서 상기 서스펜션이 상기 제1 양전극 또는 상기 이격 공간에 공급되는 경우, 상기 서스펜션은 물을 포함하는 서스펜션 플라스마 용사 장치의 제어 방법.
10. 제7항에서,
    상기 서스펜션 플라스마 용사 장치를 제공하는 단계에서 상기 서스펜션이 상기 제2 양전극에 공급되는 경우, 상기 서스펜션은 알코올을 포함하는 서스펜션 플라스마 용사 장치의 제어 방법.

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