KR102231242B1

KR102231242B1 - 용사 코팅체 및 멀티 레이저 빔 열처리를 이용한 용사 코팅체의 제조 방법

Info

Publication number: KR102231242B1
Application number: KR1020190004009A
Authority: KR
Inventors: 천은준; 이수진; 신동식; 서정
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2019-01-11
Filing date: 2019-01-11
Publication date: 2021-03-23
Also published as: KR20200087563A

Abstract

용사 코팅체는 본체, 상기 본체의 표면에 코팅된 도금층, 및 상기 도금층에 코팅된 용사층을 포함하며, 상기 용사층은 상기 도금층과 접하는 저면 및 외부에 노출된 상면을 포함하며, 상기 용사층의 상기 상면의 경도는 상기 저면의 경도 대비 크다.

Description

용사 코팅체 및 멀티 레이저 빔 열처리를 이용한 용사 코팅체의 제조 방법{THERMAL SPRAY COATED BODY, AND METHOD FOR MANUFACTURING THERMAL SPRAY COATED BODY USING MULTI LASER BEAMS HEAT TREATMENT}

본 기재는 용사 코팅체 및 멀티 레이저 빔 열처리를 이용한 용사 코팅체의 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 용사 코팅체는 제철, 항공 및 우주, 국방 산업 등에서 이용되는 극한 환경에 노출되는 부품 등의 본체 및 본체의 표면에 용사(thermal spraying) 코팅된 용사층을 포함한다.

용사 코팅체의 용사층은 조직적 치밀도가 떨어지고, 기공 및 편석 등의 결함이 존재해, 퓨징(fusing) 열처리가 필요하다.

종래의 용사 코팅체는 노(furnace) 또는 레이저 빔을 이용해 용사층을 퓨징 열처리하였다.

그런데, 종래의 용사 코팅체는, 노를 이용해 용사층을 퓨징 열처리할 경우, 본체와 용사층 간의 서로 다른 열팽창 계수 또는 본체와 용사층 간의 서로 다른 녹는점으로 인해, 본체가 녹거나 또는 본체로부터 용사층이 박리되는 문제점이 있다.

또한, 종래의 용사 코팅체는, 레이저 빔을 이용해 용사층을 퓨징 열처리할 경우, 레이저 빔이 스캔될 때에 용사층에 가해지는 급격한 고온 및 레이저 빔이 스캔된 후에 용사층에 가해지는 급격한 냉각으로 인해, 용사층에 다량의 균열들이 발생하는 문제점이 있다.

일본 공개특허공보 특개2009-142839호

일 실시예는, 각 층 간의 박리가 억제되고, 용사층에 균열이 발생되는 것이 억제되는 동시에, 용사층의 결함 제거 및 고온 내마모성이 향상된 용사 코팅체 및 멀티 레이저 빔 열처리를 이용한 용사 코팅체의 제조 방법을 제공하고자 한다.

일 측면은 본체, 상기 본체의 표면에 코팅된 도금층, 및 상기 도금층에 코팅된 용사층을 포함하며, 상기 용사층은 상기 도금층과 접하는 저면 및 외부에 노출된 상면을 포함하며, 상기 용사층의 상기 상면의 경도는 상기 저면의 경도 대비 큰 용사 코팅체를 제공한다.

상기 용사층의 상기 상면의 비커스 경도(Vickers hardness)는 1000HV 내지 1280HV일 수 있다.

상기 도금층은 제1 니켈 합금을 포함하며, 상기 용사층은 제2 니켈 합금을 포함할 수 있다.

상기 제2 니켈 합금은 니켈, 탄소, 크롬, 붕소, 실리콘, 철, 몰리브덴, 및 구리를 포함할 수 있다.

상기 용사층은 0.4mm 내지 0.6mm의 두께를 가질 수 있다.

또한, 일 측면은 본체의 표면에 도금층을 도금하는 단계, 상기 도금층의 표면에 용사층을 용사하는 단계, 상기 용사층에 예열 레이저 빔을 조사하여 상기 용사층을 예열 열처리 온도로 예열하는 단계, 및 상기 용사층에 상기 예열 레이저 빔과 동시에 중첩하는 확산 레이저 빔을 조사하여 상기 용사층이 녹지 않는 확산 열처리 온도로 상기 용사층을 열처리하는 단계를 포함하는 멀티 레이저 빔 열처리를 이용한 용사 코팅체의 제조 방법을 제공한다.

상기 예열 레이저 빔은 상기 확산 레이저 빔 대비 큰 면적을 가질 수 있다.

상기 예열 레이저 빔은 300mm(가로)*300mm(세로)의 면적을 가질 수 있다.

상기 확산 레이저 빔은 10mm(가로)*30mm(세로)의 면적을 가질 수 있다.

상기 확산 열처리 온도는 상기 예열 열처리 온도 대비 높을 수 있다.

상기 예열 열처리 온도는 470K 내지 580K일 수 있다.

상기 확산 열처리 온도는 1173K 내지 1473K일 수 있다.

상기 확산 열처리 온도는 1473K일 수 있다.

상기 용사층을 용사하는 단계는 자용성 합금 파우더(self-fluxing alloy powder)를 이용해 수행할 수 있다.

상기 자용성 합금 파우더는 니켈, 탄소, 크롬, 붕소, 실리콘, 철, 몰리브덴, 및 구리를 포함할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 각 층 간의 박리가 억제되고, 용사층에 균열이 발생되는 것이 억제되는 동시에, 용사층의 결함 제거 및 고온 내마모성이 향상된 용사 코팅체 및 멀티 레이저 빔 열처리를 이용한 용사 코팅체의 제조 방법이 제공된다.

도 1은 일 실시예에 따른 용사 코팅체의 일 부분을 나타낸 단면도이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 멀티 레이저 빔 열처리를 이용한 용사 코팅체의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 3 내지 도 5는 다른 실시예에 따른 멀티 레이저 빔 열처리를 이용한 용사 코팅체의 제조 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 6은 다른 실시예에 따른 멀티 레이저 빔 열처리를 이용한 용사 코팅체의 제조 방법을 수행할 수 있는 멀티 레이저 빔 열처리 장치의 일례를 나타낸 도면이다.
도 7은 실험예1을 나타낸 사진들이다.
도 8은 대비예1을 나타낸 사진들이다.
도 9는 대비예2, 실험예2, 실험예3, 실험예4, 실험예5, 실험예6에 따른 용사층의 단면의 미세 구조를 나타낸 사진들이다.
도 10은 실험예2, 실험예3, 실험예5, 실험예7에 따른 용사층의 상면으로부터의 거리에 따른 비커스 경도를 나타낸 그래프이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.

또한, 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 있는 것을 의미한다.

이하, 도 1을 참조하여 일 실시예에 따른 용사 코팅체를 설명한다.

도 1은 일 실시예에 따른 용사 코팅체의 일부를 나타낸 단면도이다.

도 1은 참조하면, 일 실시예에 따른 용사 코팅체는 제철, 항공 및 우주, 국방 산업 등에서 이용되는 극한 환경에 노출되는 부품 등일 수 있으며, 본체(100), 도금층(200), 용사층(300)을 포함한다.

본체(100)는 극한 환경에 노출되는 부품 등일 수 있으며, 공지된 다양한 형태를 가질 수 있다.

본체(100)는 금속 재료를 포함한다. 일례로, 본체(100)는 구리(Cu) 또는 구리 합금을 포함하나, 이에 한정되지 않고 공지된 다양한 금속 재료를 포함할 수 있다.

도금층(200)은 본체(100)의 표면에 코팅되어 있다. 도금층(200)은 다양한 형태를 가질 수 있는 본체(100)의 표면에 코팅된다. 도금층(200)은 전기 도금 공정을 이용해 본체(100)의 표면에 코팅될 수 있으나, 이에 한정되지 않고 공지된 다양한 도금 공정을 이용해 본체(100)의 표면에 코팅될 수 있다.

도금층(200)은 금속 재료를 포함한다. 일례로, 도금층(200)은 제1 니켈 합금을 포함하나, 이에 한정되지 않고 공지된 다양한 금속 재료를 포함할 수 있다. 도금층(200)에 포함된 제1 니켈 합금은 니켈과 공지된 다양한 금속 원소를 포함하는 니켈 합금일 수 있다.

용사층(300)은 도금층(200)의 표면에 코팅되어 있다.

용사층(300)은 용사(thermal spray) 공정을 이용해 도금층(200)의 표면에 코팅될 수 있다.

용사층(300)은 용사 공정을 이용해 도금층(200)의 표면에 코팅된 후, 멀티 레이저 빔을 이용해 용사층(300)이 예열되는 예열 열처리 온도로 예열되는 동시에 용사층(300)이 녹지 않는 확산 열처리 온도로 열처리되어 있다.

여기서, 용사층(300)이 예열되는 예열 열처리 온도는 470K 내지 580K이며, 용사층(300)이 녹지 않는 확산 열처리 온도는 1173K 내지 1473K이며, 용사층(300)이 녹지 않는 확산 열처리 온도는 1473K일 수 있다.

용사층(300)이 멀티 레이저 빔을 이용해 예열되는 동시에 열처리됨으로써, 용사층(300)을 구성하는 입자들이 녹지 않고 서로 밀집하여 확산 균질화(homogenization)되고 용사층(300) 내부의 기공이 제거되며 온도에 따라 용사층(300)에 미세한 석출물들이 형성되기 때문에, 용사층(300)의 경도가 향상되는 동시에 용사층(300)에 균열이 발생되는 것이 억제된다.

용사층(300)은 도금층(200)과 접하는 저면(310) 및 외부의 극한 환경 등에 노출되는 상면(320)을 포함한다.

용사층(300)이 멀티 레이저 빔에 의해 예열 열처리 온도로 예열되는 동시에 용사층(300)이 녹지 않는 확산 열처리 온도로 열처리되어 확산 균질화되어 있음으로써, 용사층(300)의 상면(320)의 경도가 용사층(300)의 저면(310)의 경도 대비 큰 동시에 용사층(300)의 상면(320)에 균열이 발생되는 것이 억제된다.

용사층(300)의 상면(320)의 비커스 경도(Vickers hardness)는 1000HV 내지 1280HV이며, 용사층(300)의 상면(320)의 비커스 경도는 1280HV일 수 있다.

용사층(300)은 도금층(200) 대비 얇은 두께를 가질 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.

용사층(300)은 0.4mm 내지 0.6mm의 두께를 가질 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.

용사층(300)은 제2 니켈 합금을 포함한다. 용사층(300)에 포함된 제2 니켈 합금은 니켈, 탄소, 크롬, 붕소, 실리콘, 철, 몰리브덴, 및 구리를 포함한다. 일례로, 용사층(300)에 포함된 제2 니켈 합금은 탄소 0.6중량%, 크롬 17중량%, 붕소 3.7 중량%, 실리콘 4중량%, 철 3중량%, 몰리브덴 2.5중량%, 구리 2.5 중량%, 및 나머지 니켈로 구성된 자용성 합금 파우더(self-fluxing alloy powder)가 용사되어 형성될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.

한편, 다른 실시예에 따른 용사층은 코발트 합금 또는 텅스텐 합금 등을 포함할 수 있다.

이상과 같이, 일 실시예에 따른 용사 코팅체는 용사층(300)의 열처리를 위해 용사 코팅체 전체가 노(furnace) 내부에서 열처리되거나 용사층(300)이 단일 레이저 빔에 의해 열처리되는 것이 아니라, 멀티 레이저 빔에 의해 용사층(300)이 예열되는 예열 열처리 온도로 예열되는 동시에 용사층(300)이 녹지 않는 확산 열처리 온도로 열처리됨으로써, 용사층(300)의 상면(320)의 경도가 용사층(300)의 저면(310)의 경도 대비 크고, 용사층(300)의 상면(320)의 비커스 경도(Vickers hardness)가 1000HV 내지 1280HV를 가지기 때문에, 용사 코팅체에 포함된 본체(100), 도금층(200), 용사층(300) 간의 열팽창 계수 차이에 의한 박리가 억제되고, 용사층(300)에 균열이 발생되는 것이 억제되는 동시에, 용사층(300)의 결함 제거 및 고온 내마모성이 향상된다.

즉, 각 층 간의 박리가 억제되고, 용사층(300)에 균열이 발생되는 것이 억제되는 동시에, 용사층(300)의 결함 제거 및 고온 내마모성이 향상된 용사 코팅체가 제공된다.

이하, 도 2 내지 도 6을 참조하여 다른 실시예에 따른 멀티 레이저 빔 열처리를 이용한 용사 코팅체의 제조 방법을 설명한다.

다른 실시예에 따른 멀티 레이저 빔 열처리를 이용한 용사 코팅체의 제조 방법을 이용해 상술한 일 실시예에 따른 용사 코팅체를 제조할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.

도 2는 다른 실시예에 따른 멀티 레이저 빔 열처리를 이용한 용사 코팅체의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.

도 3 내지 도 5는 다른 실시예에 따른 멀티 레이저 빔 열처리를 이용한 용사 코팅체의 제조 방법을 설명하기 위한 도면들이다.

우선, 도 2 및 도 3을 참조하면, 본체(100) 표면에 도금층(200)을 도금한다(S100).

구체적으로, 극한 환경에 노출되는 부품 등일 수 있는 공지된 다양한 형태를 가질 수 있는 본체(100)의 표면에 도금층(200)을 도금한다.

본체(100)는 구리(Cu)를 포함하나, 이에 한정되지 않고 공지된 다양한 금속 재료를 포함할 수 있다.

도금층(200)은 전기 도금 공정을 이용해 본체(100)의 표면에 코팅될 수 있으나, 이에 한정되지 않고 공지된 다양한 도금 공정을 이용해 본체(100)의 표면에 코팅될 수 있다. 도금층(200)은 니켈 등의 금속 재료를 포함한다. 일례로, 도금층(200)은 제1 니켈 합금을 포함하나, 이에 한정되지 않고 공지된 다양한 금속 재료를 포함할 수 있다. 도금층(200)에 포함된 제1 니켈 합금은 공지된 다양한 니켈을 포함하는 합금일 수 있다.

다음, 도금층(200)의 표면에 용사층(300)을 용사한다(S200).

구체적으로, 도금층(200)의 표면에 용사층(300)을 용사(thermal spray)한다. 용사층(300)은 니켈, 탄소, 크롬, 붕소, 실리콘, 철, 몰리브덴, 및 구리를 포함하는 자용성 합금 파우더(self-fluxing alloy powder)를 이용해 도금층(200)의 표면에 용사될 수 있다.

자용성 합금 파우더는 탄소 0.6중량%, 크롬 17중량%, 붕소 3.7 중량%, 실리콘 4중량%, 철 3중량%, 몰리브덴 2.5중량%, 구리 2.5 중량%, 및 나머지 니켈로 구성된 제2 니켈 합금일 수 있다.

한편, 다른 실시예에서, 용사층은 니켈 합금 파우더 또는 코발트 합금 파우더 또는 텅스텐 합금 파우더를 이용해 도금층의 표면에 용사될 수 있다.

용사층(300) 형성 시 용사 수단을 이용해 자용성 합금 파우더, 산소, 가솔린을 동시에 도금층(200)에 용사할 수 있다. 이때, 자용성 합금 파우더의 플로우 레이트(flow rate)는 70g/m 내지 100g/m일 수 있으며, 산소의 플로우 레이트는 1000L/m 내지 1200L/m일 수 있으며, 가솔린의 플로우 레이트는 3L/m 내지 5L/m일 수 있다. 여기서 용사 수단은 공지된 다양한 용사 장치일 수 있다.

용사층(300)은 0.4mm 내지 0.6mm의 두께로 형성될 수 있다.

용사층(300)이 형성되면서 용사층(300)의 내부에는 기공 및 편석 등의 결함(50)들이 위치한다.

다음, 도 4 및 도 5를 참조하면, 용사층(300)에 예열 레이저 빔(LB1)을 조사하여 용사층(300)을 예열 열처리 온도로 예열한다(S300).

구체적으로, 멀티 레이저 빔 중 하나인 예열 레이저 빔(LB1)을 용사층(300)에 조사하여 용사층(300)을 470K 내지 580K의 예열 열처리 온도로 예열한다.

멀티 레이저 빔은 예열 레이저 빔(LB1) 및 후술할 확산 레이저 빔(LB2)을 포함하며, 예열 레이저 빔(LB1)은 확산 레이저 빔(LB2) 대비 큰 면적을 가진다.

예열 레이저 빔(LB1)은 300mm(가로)*300mm(세로)의 면적을 가지고 용사층(300) 상에서 일 방향으로 스캔(scan)될 수 있다. 예열 레이저 빔(LB1)은 평면적으로 사각 형태일 수 있으나, 이에 한정되지 않고 다각 형태, 원 형태, 또는 타원 형태일 수 있다.

여기서, 예열 레이저 빔(LB1)을 이용한 예열 열처리 온도는 용사층(300)의 표면 온도를 측정하는 파이로미터(pyrometer) 및 파이로미터가 측정한 용사층(300)의 표면 온도에 근거하여 예열 레이저 빔(LB1)을 발진하는 일 발진기를 자동 제어하는 제어부에 의해 수행될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.

다음, 용사층(300)에 예열 레이저 빔(LB1)과 중첩하는 확산 레이저 빔(LB2)을 조사하여 확산 열처리 온도로 용사층(300)을 열처리한다(S400).

구체적으로, 용사층(300)이 예열 레이저 빔(LB1)에 의해 470K 내지 580K의 예열 온도로 예열된 상태에서, 용사층(300)에 예열 레이저 빔(LB1)과 동시에 중첩하는 확산 레이저 빔(LB2)을 조사하여 용사층(300)이 녹지 않는 확산 열처리 온도로 용사층(300)을 열처리한다.

용사층(300)이 녹지 않는 확산 열처리 온도는 1173K 내지 1473K일 수 있으며, 이 중 1473K일 수 있다.

즉, 확산 열처리 온도는 예열 열처리 온도 대비 높으며, 일례로 2배 내지 4배일 수 있다.

확산 레이저 빔(LB2)은 예열 레이저 빔(LB1) 대비 작은 면적을 가진다.

확산 레이저 빔(LB2)은 10mm(가로)*30mm(세로)의 면적을 가지고 용사층(300) 상에서 일 방향으로 스캔(scan)될 수 있다. 확산 레이저 빔(LB2)의 스캔 시간 및 스캔 거리는, 예열 레이저 빔(LB1)과 동시에 중첩될 수 있다면, 예열 레이저 빔(LB1)의 스캔 시간 및 스캔 거리와 동일하거나 다를 수 있다.

확산 레이저 빔(LB2)은 평면적으로 사각 형태일 수 있으나, 이에 한정되지 않고 다각 형태, 원 형태, 또는 타원 형태일 수 있다.

여기서, 확산 레이저 빔(LB2)을 이용한 확산 열처리 온도는 용사층(300)의 표면 온도를 측정하는 파이로미터(pyrometer) 및 파이로미터가 측정한 용사층(300)의 표면 온도에 근거하여 확산 레이저 빔(LB2)을 발진하는 타 발진기를 자동 제어하는 제어부에 의해 수행될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.

용사층(300)이 확산 레이저 빔(LB2)에 의해 용사층(300)이 녹지 않는 확산 열처리 온도로 열처리됨으로써, 용사층(300)을 구성하는 입자들이 녹지 않고 서로 밀집하여 확산 균질화(homogenization)되기 때문에, 용사층(300) 내부의 기공 및 편석 등의 결함(50)들이 제거되어 용사층(300)의 경도가 향상된다. 이때, 용사층(300)이 예열 레이저 빔(LB1)에 의해 예열된 상태로 확산 레이저 빔(LB2)에 의해 열처리됨으로써, 확산 레이저 빔(LB2)에 의한 열 충격 및 급냉에 의해 용사층(300)에 균열이 발생되는 것이 억제된다.

용사층(300)이 확산 레이저 빔(LB2)에 의해 용사층(300)이 녹지 않는 확산 열처리 온도로 열처리되어 확산 균질화되어 있음으로써, 용사층(300)의 상면(320)의 경도는 용사층(300)의 저면(310)의 경도 대비 크다.

용사층(300)의 상면(320)의 비커스 경도(Vickers hardness)는 1000HV 내지 1280HV이며, 이 중 1280HV일 수 있다.

일례로, 용사층(300)은 열처리에 의해 결함(50)들이 제거되면서 0.4mm 내지 0.6mm의 두께를 가질 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.

이상과 같이, 다른 실시예에 따른 멀티 레이저 빔 열처리를 이용한 용사 코팅체의 제조 방법은 용사층(300)의 열처리를 위해 용사 코팅체 전체가 노(furnace) 내부에서 열처리되거나 용사층(300)을 단일 레이저 빔에 의해 열처리하는 것이 아니라, 멀티 레이저 빔 중 하나인 예열 레이저 빔(LB1)을 이용해 용사층(300)을 예열 열처리 온도로 예열하는 동시에 멀티 레이저 빔 중 다른 하나인 확산 레이저 빔(LB2)을 이용해 용사층(300)이 녹지 않는 확산 열처리 온도로 열처리함으로써, 용사층(300)의 상면(320)의 경도가 용사층(300)의 저면(310)의 경도 대비 크고, 용사층(300)의 상면(320)의 비커스 경도(Vickers hardness)가 1000HV 내지 1280HV를 가지기 때문에, 용사 코팅체에 포함된 본체(100), 도금층(200), 용사층(300) 간의 열팽창 계수 차이에 의한 박리를 억제하고, 용사층(300)에 균열이 발생되는 것을 억제하는 동시에, 용사층(300)의 결함 제거 및 고온 내마모성을 향상한다.

즉, 각 층 간의 박리를 억제하고, 용사층(300)에 균열이 발생되는 것이 억제하는 동시에, 용사층(300)의 결함 제거 및 고온 내마모성을 향상하는 멀티 레이저 빔 열처리를 이용한 용사 코팅체의 제조 방법이 제공된다.

또한, 다른 실시예에 따른 멀티 레이저 빔 열처리를 이용한 용사 코팅체의 제조 방법은 용사층(300)을 확산 레이저 빔(LB2)을 이용해 1173K 내지 1473K의 확산 열처리 온도로 열처리할 때, 용사층(300)을 예열 레이저 빔(LB1)을 이용해 470K 내지 580K로 예열함으로써, 확산 레이저 빔(LB2)에 의한 열 충격 및 급냉에 의해 용사층(300)에 균열이 발생하는 것을 억제한다.

즉, 용사층(300)의 확산 균질화 처리를 위한 확산 레이저 빔(LB2)의 열처리 시 확산 레이저 빔(LB2)과 완전히 중첩하는 예열 레이저 빔(LB1)을 이용해 용사층(300)을 우선 예열함으로써, 확산 레이저 빔(LB2)에 의한 열 충격 및 급냉에 의해 용사층(300)에 균열이 발생하는 것을 억제한 멀티 레이저 빔 열처리를 이용한 용사 코팅체의 제조 방법이 제공된다.

도 6은 다른 실시예에 따른 멀티 레이저 빔 열처리를 이용한 용사 코팅체의 제조 방법을 수행할 수 있는 멀티 레이저 빔 열처리 장치의 일례를 나타낸 도면이다.

도 6을 참조하면, 다른 실시예에 따른 멀티 레이저 빔 열처리를 이용한 용사 코팅체의 제조 방법을 수행할 수 있는 멀티 레이저 빔 열처리 장치의 일례는 용사층(Thermal spray coating)에 예열 레이저 빔(Pre-heating beam)을 조사하는 예열 헤드(Pre-heating head) 및 확산 레이저 빔(Main fusing beam)을 조사하는 메인 헤드(Main fusing head)를 포함한다.

예열 레이저 빔의 빔 프로파일(Beam profile of Pre-heating beam)은 평면적으로 사각 형태이다.

용사층(Thermal spray coating)에 조사되는 확산 레이저 빔(Main fusing beam)은 용사층에 조사되는 예열 레이저 빔(Pre-heating beam)과 동시에 중첩된다.

이하, 도 7 및 도 8을 참조하여, 상술한 일 실시예에 따른 용사 코팅체의 효과 및 다른 실시예에 따른 멀티 레이저 빔 열처리를 이용한 용사 코팅체의 제조 방법의 효과를 확인한 실험예1과 대비예1을 설명한다.

도 7은 실험예1을 나타낸 사진들이다. 도 8은 대비예1을 나타낸 사진들이다.

도 7 및 도 8을 참조하면, 실험예1은 용사층에 예열 레이저 빔을 조사하는 동시에 예열 레이저 빔과 중첩하는 확산 레이저 빔을 조사하였다.

대비예1은 용사층에 확산 레이저 빔만을 조사하였다.

도 7과 같이, 예열 레이저 빔 및 확산 레이저 빔을 포함하는 멀티 레이저 빔 열처리를 이용한 실험예1의 용사층의 표면에는 균열이 발생되지 않았다.

도 8과 같이, 단일 레이저 빔 열처리를 이용한 대비예1의 용사층의 표면에는 열 충격 및 급냉에 의해 복수의 균열들이 발생되었다.

즉, 대비예1 대비 용사층의 균열 발생이 억제된 실험예1을 확인하였다.

이하, 도 9 및 도 10을 참조하여, 상술한 일 실시예에 따른 용사 코팅체의 효과 및 다른 실시예에 따른 멀티 레이저 빔 열처리를 이용한 용사 코팅체의 제조 방법의 효과를 확인한 대비예2 및 실험예들을 설명한다.

도 9는 대비예2, 실험예2, 실험예3, 실험예4, 실험예5, 실험예6에 따른 용사층의 단면의 미세 구조를 나타낸 사진들이다.

도 9를 참조하면, 대비예2 및 실험예들은, 우선 본체에 도금층인 순수 니켈층(Pure Ni layer)을 도금하고, 순수 니켈층(Pure Ni layer) 표면에 탄소 0.6중량%, 크롬 17중량%, 붕소 3.7 중량%, 실리콘 4중량%, 철 3중량%, 몰리브덴 2.5중량%, 구리 2.5 중량%, 및 나머지 니켈로 구성된 자용성 합금 파우더, 산소, 가솔린을 동시에 용사하여 0.5mm 두께의 용사층(Sprayed layer)을 형성하였다.

다음, 실험예들은 예열 레이저 빔을 이용해 용사층(Sprayed layer)을 470K 내지 580K의 예열 열처리 온도로 예열하고, 예열 레이저 빔과 중첩하는 확산 레이저 빔을 이용해 용사층을 1173K 내지 1473K의 확산 열처리 온도로 열처리하였다.

도 9에 도시된 실험예들은 실험예2, 실험예3, 실험예4, 실험예5, 실험예6이다.

대비예2(As-sprayed)는 용사층(Sprayed layer)을 열처리 하지 않았다.

열처리하지 않은 대비예2(As-sprayed)는 도금층인 순수 니켈층(Pure Ni layer)에 코팅된 용사층(Sprayed layer)의 내부에 결함인 공동들(Voids)이 위치함을 확인하였다.

실험예2(1173K)는 용사층(Sprayed layer)을 예열 레이저 빔을 이용해 470K 내지 580K의 예열 열처리 온도로 예열하고, 예열 레이저 빔과 동시에 중첩하는 확산 레이저 빔을 이용해 용사층을 1173K의 확산 열처리 온도로 열처리하였다.

실험예3(1223K)은 용사층(Sprayed layer)을 예열 레이저 빔을 이용해 470K 내지 580K의 예열 열처리 온도로 예열하고, 예열 레이저 빔과 동시에 중첩하는 확산 레이저 빔을 이용해 용사층을 1223K의 확산 열처리 온도로 열처리하였다.

실험예4(1273K)는 용사층(Sprayed layer)을 예열 레이저 빔을 이용해 470K 내지 580K의 예열 열처리 온도로 예열하고, 예열 레이저 빔과 동시에 중첩하는 확산 레이저 빔을 이용해 용사층을 1273K의 확산 열처리 온도로 열처리하였다.

실험예5(1323K)는 용사층(Sprayed layer)을 예열 레이저 빔을 이용해 470K 내지 580K의 예열 열처리 온도로 예열하고, 예열 레이저 빔과 동시에 중첩하는 확산 레이저 빔을 이용해 용사층을 1323K의 확산 열처리 온도로 열처리하였다.

실험예6(1373K)은 용사층(Sprayed layer)을 예열 레이저 빔을 이용해 470K 내지 580K의 예열 열처리 온도로 예열하고, 예열 레이저 빔과 동시에 중첩하는 확산 레이저 빔을 이용해 용사층을 1373K의 확산 열처리 온도로 열처리하였다.

실험예2(1173K)로부터 실험예3(1223K), 실험예4(1273K), 및 실험예5(1323K)를 거쳐 실험예6(1373K)까지 확산 열처리 온도가 높아질수록 용사층(Sprayed layer)이 상면으로부터 더 깊게 열처리되어 확산 균질화된 것을 확인하였다.

실험예7은 용사층(Sprayed layer)을 예열 레이저 빔을 이용해 470K 내지 580K의 예열 열처리 온도로 예열하고, 예열 레이저 빔과 동시에 중첩하는 확산 레이저 빔을 이용해 용사층을 1473K의 확산 열처리 온도로 열처리하였다.

도 10은 실험예2, 실험예3, 실험예5, 실험예7에 따른 용사층의 상면으로부터의 거리에 따른 비커스 경도를 나타낸 그래프이다.

도 10의 x축은 도금층인 순수 니켈층(Pure Ni layer)에 코팅된 용사층(Thermal-sprayed layer)의 상면으로부터의 거리{Distance from top surface(mm)}를 나타내며, y축은 비커스 경도{Hardness(HV)}를 나타낸다.

도 10을 참조하면, 실험예2(1173K), 실험예3(1223K), 실험예5(1323K), 실험예7(1473K) 각각의 용사층(Thermal-sprayed layer)의 상면의 비커스 경도가 대비예2의 비커스 경도(Hardness of as-sprayed)인 용사층의 하면의 비커스 경도 대비 큰 1000HV 내지 1280HV인 것을 확인하였다.

즉, 대비예2 대비 용사층의 결함 제거 및 고온 내마모성이 향상된 실험예2 내지 실험예7을 확인하였다.

본 이상에서 본 발명의 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

본체(100), 도금층(200), 용사층(300), 저면(310), 상면(320)

Claims

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본체의 표면에 도금층을 도금하는 단계;
상기 도금층의 표면에 탄소 0.6중량%, 크롬 17중량%, 붕소 3.7 중량%, 실리콘 4중량%, 철 3중량%, 몰리브덴 2.5중량%, 구리 2.5 중량%, 및 나머지 니켈로 구성된 자용성 합금 파우더(self-fluxing alloy powder)를 이용해 용사층을 용사하는 단계;
상기 용사층에 예열 레이저 빔을 조사하여 상기 용사층을 예열 열처리 온도인 470K 내지 580K로 예열하는 단계; 및
상기 용사층에 상기 예열 레이저 빔과 동시에 중첩하는 확산 레이저 빔을 조사하여 상기 용사층이 녹지 않는 확산 열처리 온도인 1473K로 상기 용사층을 열처리하는 단계
를 포함하는 멀티 레이저 빔 열처리를 이용한 용사 코팅체의 제조 방법.
제6항에서,
상기 예열 레이저 빔은 상기 확산 레이저 빔 대비 큰 면적을 가지는 멀티 레이저 빔 열처리를 이용한 용사 코팅체의 제조 방법.
제7항에서,
상기 예열 레이저 빔은 300mm(가로)*300mm(세로)의 면적을 가지는 멀티 레이저 빔 열처리를 이용한 용사 코팅체의 제조 방법.
제8항에서,
상기 확산 레이저 빔은 10mm(가로)*30mm(세로)의 면적을 가지는 멀티 레이저 빔 열처리를 이용한 용사 코팅 체의 제조 방법.
제6항에서,
상기 용사층에 예열 레이저 빔을 조사하여 상기 용사층을 예열 열처리 온도인 470K 내지 580K로 예열하는 단계는, 파이로미터를 이용해 상기 용사층의 표면 온도를 측정하고 상기 파이로미터가 측정한 상기 용사층의 표면 온도에 근거하여 상기 예열 레이저 빔을 발진하는 일 발진기를 자동 제어하여 수행하는 용사 코팅체의 제조 방법.
제10항에서,
상기 용사층에 상기 예열 레이저 빔과 동시에 중첩하는 확산 레이저 빔을 조사하여 상기 용사층이 녹지 않는 확산 열처리 온도인 1473K로 상기 용사층을 열처리하는 단계는, 상기 파이로미터를 이용해 상기 용사층의 표면 온도를 측정하고 상기 파이로미터가 측정한 용사층의 표면 온도에 근거하여 상기 확산 레이저 빔을 발진하는 타 발진기를 자동 제어하는 수행하는 용사 코팅체의 제조 방법.
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