KR20060063639A

KR20060063639A - 진공 콜드 스프레이 방법

Info

Publication number: KR20060063639A
Application number: KR1020050093651A
Authority: KR
Inventors: 제프리 디. 헤이니스; 더글라스 앨런 홉스
Original assignee: 유나이티드 테크놀로지스 코포레이션
Priority date: 2004-12-03
Filing date: 2005-10-06
Publication date: 2006-06-12
Also published as: SG122923A1; MXPA05013017A; EP1666636A1; US20060121187A1; CN1782127A; JP2006161161A

Abstract

기판 상에 금속 재료를 증착시키기 위한 방법이며, 진공 챔버 내에 기판을 위치시키는 단계와, 상기 진공 챔버의 포트에 스프레이 건 노즐을 삽입하는 단계와, 분말 금속 재료를 용융시키지 않고 상기 기판의 표면 상에 분말 금속 재료를 증착시키는 단계를 포함한다. 상기 증착 단계는 상기 분말 금속 재료의 입자를 소정 속도로 가속시키기 위한 수단을 더 포함하여, 충격 시 입자가 가소성 변형되고 상기 기판의 표면에 접착된다.

콜드 스프레이, 스프레이 건 노즐, 진공 챔버, 기판

Description

진공 콜드 스프레이 방법{VACUUM COLD SPRAY PROCESS}

도1은 본 발명에 따른 기판 상에 금속 재료를 증착시키기 위한 시스템의 도면.

본 발명은 기판 상에 금속 합금을 증착시키는 방법에 관한 것이다.

콜드 가스 다이나믹 스프레이 또는 "콜드 스프레이"는 최근 신규 금속화 스프레이 기술로 도입되었다. 도입된 콜드 가스 스프레이 방법은 금속 입자를 가속시키기 위해 헬륨과 같은 가스를 사용하는 공기 개방식(open-air) 방법이다. 콜드 스프레이의 장점의 일부는 입자가 용융되지 않고 헬륨 가스 스트림 내에 함유되므로, 공기 개방식에서도 증착 중에 산소가 픽업되지 않는 것이다.

다중 패스 코팅에서는, 선행 패스와 후행 패스 사이에 접착 불량 구역(debonded region)이 있을 수 있는 우려가 있다. 선행 패스가 일단 증착되고, 스프레이 건이 그 위치를 떠나면, 증착 재료의 외부층이 산화되고, 후행 패스가 충분히 분사(blast)되지 않거나 또는 산화가 제거되어, 접착 불량 경계면이 발생된다.

상기 접착 불량 문제는 콜드 스프레이가 낮은 "바이 투 플라이(buy-to-fly)" 비 기술 또는 레이저 처리 그물 형태화(laser engineered net shape)와 같은 추가 기술에 대한 다른 방법과 경쟁하는 경우, 극복될 필요가 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 증착 중에 최외부 증착층의 산화가 회피되는 콜드 스프레이를 사용하여 기판 상의 하나 이상의 증착층을 형성하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 다중층이 증착되는 경우, 접촉 불량을 회피하는 상술된 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 기판 상에 금속 재료를 증착하는 개선된 시스템을 제공하는 것이다.

상술된 목적들은 본 발명의 방법에 의해 달성된다.

본 발명에 따르면, 기판 상에 금속 재료를 넓게 증착하는 방법은 진공 챔버 내에 기판을 위치시키는 단계와, 상기 진공 챔버의 포트에 스프레이 건 노즐을 삽입하는 단계와, 분말 금속 재료를 용융시키지 않고 기판 표면 상에 분말 금속 재료를 증착시키는 단계를 포함한다. 증착 단계는 진공 챔버 내의 분말 금속 재료의 입자를 소정 속도로 가속시켜서 충격 시 입자가 가소성 변형되고 기판의 표면에 접착된다.

또한 본 발명에 따르면, 기판 상에 금속 재료를 넓게 증착시키기 위한 시스템은 기판이 위치된 진공 챔버와, 분말 금속 재료를 용융시키지 않고 기판의 표면 상에 분말 금속 재료를 증착시키는 수단을 포함한다. 증착 수단은 진공 챔버의 포 트 내에 위치된 스프레이 건 노즐을 포함한다.

진공 콜드 스프레이 방법의 다른 상세한 설명 및 그 다른 목적 및 장점은 첨부된 도면 및 이하의 상세한 설명에 기술되고, 상기 도면에서 유사한 참조 번호는 유사한 요소를 나타낸다.

상술된 바와 같이, 과거 몇년 동안 콜드 가스 다이나믹 스프레이("콜드 스프레이")로 알려진 기술이 발전되었다. 상기 기술은 비교적 고밀도의 코팅 또는 구조적 증착을 형성하기 위해, 충격 시 입자가 가소성 변형되고 증착된 구성 요소의 표면에 접착되도록 충분히 높은 속도로 입자를 가속시키는 충분한 에너지를 제공하는 장점을 가진다. 콜드 스프레이는 입자가 고체 상태로부터 금속 변형(matellurgically transform)지 않는다. 따라서 콜드 스프레이 방법은 기판 상에 금속 재료가 증착될 필요가 있는 다양한 방법에 널리 사용된다.

도면을 참조하면, 기판 상에 금속 재료 증착을 형성하기 위한 시스템이 도시된다. 시스템은 보상 재료가 기판(10) 상의 표면(24) 상에 스프레이되는 수렴/확산 노즐(20)을 갖는 스프레이 건(22)을 포함한다. 기판(10)은 고정 유지되거나 또는 분야에 공지된 적절한 수단(미도시)에 의해 회전될 수 있다.

스프레이 건 노즐(20)은 잠재적인 산화로부터 실링하기 위해 기판(10)이 위치된 진공 챔버(52)의 포트(50)에 삽입된다. 노즐(20)을 통해 챔버(52)로 분사된 가스가 초기 진공압을 극복한다 해도, 가스가 헬륨, 질소 또는 그 혼합물과 같은 불활성 가스이면, 이는 중요하지 않다. 본 발명의 시스템을 사용하여, 증착 패스 사이에 발생된 산화없이 다중 패스에서 재료가 기판(10)에 제공될 수 있다.

본 발명의 시스템의 일 장점은 사용된 가스가 진공 시스템에 의해 용이하게 회수되고 가압되어 재생될 수 있는 것이다. 이는 특히 질소의 비용에 비해 12배의 비용이 드는 헬륨에 바람직하다.

진공 챔버(52) 사용에 의한 또 다른 장점은 입자 속도가 공기 개방식 시스템에서 얻을 수 있는 속도 이상으로 증가될 수 있는 것이다. 입자 속도가 증가되면, 그 개선된 밀도 및 점착력에 의해 코팅 품질이 증가된다.

본 발명의 방법에서, 금속 재료 공급 원료는 분말 금속 합금과 같은 분말 금속 재료일 수 있다. 분말 금속 재료는 기판 형성 재료와 동일한 합금 재료일 수 있거나 또는 기판(10) 형성 재료와 융화할 수 있는 합금 재료일 수 있다. 예를 들어, 분말 금속 재료가 IN718, IN625, IN100, WASPALOY, IN939 및 GATORIZED WASPALOY과 같은 분말 니켈계 초합금 또는 GRCop-84와 같은 분말 구리계 합금일 수 있다. 기판(10)의 표면(24) 상의 증착 형성에 사용되는 분말 금속 재료 입자는 바람직하게는 5 미크론 내지 50 미크론 범위의 직경을 가진다. 상술된 크기보다 작은 입자 크기는 더 높은 입자 속도를 달성시킨다. 5 미크론 이하 직경의 입자는 표면(24) 상부의 이탈 충격층(bow shock layer)에 의해 표면(24)으로부터 멀리 일소되는 위험이 있다. 이는 이탈 충격을 통해 추진되는 불충분한 질량에 의한 것이다. 입자 크기 분포가 협소할수록, 속도는 더 개선된다. 큰 입자 및 작은 입자(두가지 종류)의 경우, 작은 입자가 더 천천히 큰 입자와 충돌되고, 둘 모두의 속도가 효과적으로 감소된다.

증착될 재료의 미세 입자는 헬륨, 질소, 다른 불활성 가스 및 그 혼합물과 같은 압축 가스를 사용하여 초음속으로 가속될 수 있다. 헬륨은 낮은 분자 중량으로 인해 바람직한데, 이는 가스를 많이 희생하여 높은 속도를 발생시키기 때문이다.

분말 재료를 증착물로 변형시키기 위한 본 발명의 방법에 의해 채용된 접착 메카니즘은 엄밀히 고체 상태이며, 이는 입자가 가소성 변형되는 것을 의미한다. 입자 상에 형성된 산소층이 파괴되고 매우 높은 압력 하에서 새로운 금속 대 금속 접촉이 구성된다.

증착물을 형성하는데 사용되는 분말 금속 재료는 개조된 열 스프레이 공급기와 같은 분야에 공지된 적절한 수단을 사용하여 스프레이 건(22)에 공급될 수 있다. 사용될 수 있는 주문 제작 설계 공급기는 미국 오하이오주 클리블랜드 소재, 파우더 피드 다이나믹스(Powder Feed Dynamics)에 의해 제조된다. 상기 공급기는 오거형(auger type) 공급 메카니즘을 가진다. 각도 슬릿을 갖는 배럴 롤 공급기(barrel roll feeder) 및 유체화된 배드 공급기(bed feeder)도 사용될 수 있다.

본 발명의 방법에서, 공급기는 헬륨, 질소, 다른 불활성 가스 및 그 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택된 가스에 의해 가압될 수 있다. 공급기 압력은 분말 재료 조성에 따라 통상적으로 250 psi 내지 500 psi 범위에 있는 메인 가스 또는 헤드 압력 이상이다. 메인 가스는 바람직하게는 가스 온도가 315.55℃(600℉) 내지 648.88℃(1200℉) 범위에 있도록 가열된다. 필요한 경우, 메인 가스는 증착된 재료에 따라 약 676.66℃(1250℉)로 가열될 수 있다. 가스가 노즐(20)의 스로트를 통과하여 팽창하는 경우, 신속하게 냉각 또는 동결되는 것을 방지하도록 가열될 수 있다. 그 실효과는 부품의 표면 온도가 증착 중에 약 46.11℃(115℉)로 보상되는 것이다. 분야에 공지된 다른 적절한 수단이 가스를 가열하는데 사용될 수 있다.

금속 재료를 증착시키기 위해, 노즐(20)은 한번 이상 보상된 부품(10)의 표면(24)에 걸쳐 패스될 수 있다. 요구되는 패스 수는 표면(24)에 제공된 금속 재료의 두께에 비례한다. 본 발명의 방법은 소정 두께를 갖는 증착 형성이 가능하다. 두꺼운 층이 형성되어야 하는 경우, 스프레이 건(22)이 고정 유지되어, 수 cm 높이인 표면(24) 상의 증착을 형성하는데 사용된다. 금속 재료의 증착층을 형성하는 경우, 증착층들 사이의 원치않는 불량 접촉 및 잔류 응력의 신속한 형성을 회피하기 위해 패스 당 두께를 한정하는 것이 바람직하다.

표면(24) 상의 금속 재료의 입자 증착에 사용되는 메인 가스는 0.001 SCFM 내지 50 SCFM, 바람직하게는 15 SCFM 내지 35 SCFM 범위의 유량으로 입구(30) 및/또는 입구(32)를 거쳐 노즐(20)을 통과할 수 있다. 상술된 압력은 메인 가스로서 헬륨이 사용되는 경우 바람직하다. 질소가 그 자체 또는 메인 가스로서의 헬륨과의 조합에 의해 사용되는 경우, 질소 가스는 0.001 SCFM 내지 30 SCFM, 바람직하게는 4 SCFM 내지 30 SCFM의 유량으로 노즐(20)을 통과할 수 있다.

메인 가스 온도는 315.55℃(600℉) 내지 648.88℃(1200℉), 바람직하게는 317.11℃(700℉) 내지 426.66℃(800℉), 가장 바람직하게는 385.00℃(725℉) 내지 412.77℃(775℉) 범위일 수 있다.

스프레이 건(22)의 압력은 200psi 내지 350psi, 바람직하게는 200psi 내지 250psi 범위에 있을 수 있다. 분말 금속 재료는 바람직하게는 호퍼로부터 200psi 내지 300psi,바람직하게는 225psi 내지 275psi 범위에 압력 하에서 스프레이 건(22)으로 도관(34)을 거쳐 10 grams/min 내지 100 grams/min, 바람직하게는 15 grams/min 내지 50 grams/min의 속도로 공급된다.

분말 금속 재료는 바람직하게는 운반 가스(carrier gas)를 사용하여 스프레이 건(22)에 공급된다. 운반 가스는 0.001 SCFM 내지 50 SCFM, 바람직하게는 8 SCFM 내지 15 SCFM의 유량으로 입구(30) 및/또는 입구(32)를 거쳐 안내될 수 있다. 상술된 유속은 운반 가스로서 헬륨이 사용되는 경우 유용하다. 질소 그 자체 또는 헬륨과의 혼합물이 운반 가스로서 사용되면, 0.001 SCFM 내지 30 SCFM, 바람직하게는 4 SCFM 내지 10 SCFM의 유량이 사용될 수 있다.

스프레이 건(22)은 바람직하게는 표면(24)으로부터 소정 거리로 유지된다. 상기 거리는 스프레이 거리로 알려져 있다. 바람직하게는, 스프레이 거리는 10 mm 내지 50 mm의 범위에 있다.

스프레이 노즐(20)을 떠나는 분말 금속 재료 입자의 속도는 825 m/s 내지 1400 m/s, 바람직하게는 850 m/s 내지 1200 m/s의 범위에 있을 수 있다.

패스 당 증착 두께는 0.0254 mm(0.001 inch) 내지 0.762mm(0.030 inch)의 범위에 있을 수 있다.

콜드 스프레이는 다른 금속화 방법 이상의 많은 장점을 제공한다. 금속 재료에 사용되는 금속 분말은 고온으로 가열되지 않으므로, 산화, 분해 또는 공급 원료 재료의 다른 분해(degradation)가 발생되지 않는다. 입자가 가속 가스 스트림 내에 함유되므로 증착 중의 분말 산화가 또한 제어된다. 콜드 스프레이는 또한 공급 원료의 미세 구조를 유지한다. 또한 공급 원료가 용융되지 않으므로, 콜드 스프레이는 증착 재료가 냉각 시 또는 연속적인 가열 처리 중에 크랙 경향 또는 금속간 취성의 형성에 의해 통상적으로 스프레이되지 않는 능력을 제공한다.

콜드 스프레이는 고체 상태 처리이므로, 기판을 상당히 가열시키지 않는다. 이로써, 발생될 변형이 최소화된다. 콜드 스프레이는 압축 표면에 잔류 응력을 발생시켜, 응력 노화 크랙에 대한 구동력이 제거된다.

본 발명에 따르면, 증착 중에 최외부 증착층의 산화가 회피되는 콜드 스프레이를 사용하여 기판 상의 하나 이상의 증착층을 형성하는 방법 및 기판 상에 금속 재료를 증착하는 개선된 시스템이 제공된다.

Claims

기판 상에 금속 재료를 증착시키기 위한 방법이며,

진공 챔버 내에 기판을 위치시키는 단계와,

상기 진공 챔버의 포트에 스프레이 건 노즐을 삽입하는 단계와,

분말 금속 재료를 용융시키지 않고 상기 기판의 표면 상에 분말 금속 재료를 증착시키는 단계를 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 증착 단계는 상기 진공 챔버 내에서 상기 분말 금속 재료의 입자를 소정 속도로 가속시키는 단계를 포함하고, 이로써 충격 시 입자가 가소성 변형되고 상기 기판의 표면에 접착되는 방법.
제1항에 있어서, 상기 증착 단계는 5 미크론 내지 50 미크론 범위의 입자 크기를 갖는 입자 형태의 상기 분말 금속 재료를 제공하는 단계를 포함하고, 헬륨, 질소 및 그 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택된 운반 가스를 사용하여 200 psi 내지 300 psi 범위의 압력하에서 10 grams/min 내지 100 grams/min의 공급 속도로 상기 스프레이 건 노즐에 상기 금속 재료 분말을 제공하는 단계를 더 포함하는 방법.
제3항에 있어서, 상기 공급 단계는 15 grams/min 내지 50 grams/min의 공급 속도로 상기 스프레이 건 노즐에 상기 금속 분말을 공급하는 단계를 포함하는 방법.
제3항에 있어서, 상기 운반 가스는 헬륨을 포함하고, 상기 공급 단계는 0.001 SCFM 내지 50 SCFM의 유량으로 상기 스프레이 건 노즐에 상기 헬륨을 공급하는 단계를 포함하는 방법.
제5항에 있어서, 상기 공급 단계는 8 SCFM 내지 15 SCFM의 유량으로 상기 스프레이 건 노즐에 상기 헬륨을 공급하는 단계를 포함하는 방법.
제3항에 있어서, 상기 운반 가스는 질소를 포함하고, 상기 공급 단계는 0.001 SCFM 내지 30 SCFM의 유량으로 상기 스프레이 건 노즐에 상기 질소를 공급하는 단계를 포함하는 방법.
제7항에 있어서, 상기 공급 단계는 4 SCFM 내지 10 SCFM의 유량으로 상기 스프레이 건 노즐에 상기 질소를 공급하는 단계를 포함하는 방법.
제3항에 있어서, 상기 증착 단계는 200 psi 내지 350 psi의 범위의 스프레이 압력 하에서 315.55℃(600℉) 내지 648.88℃(1200℉)의 온도 범위에 있는 헬륨, 질소 및 그 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택된 메인 가스를 사용하여 상기 스프레 이 건 노즐을 통해 상기 금속 재료 분말 입자를 패스시키는 단계를 더 포함하는 방법.
제9항에 있어서, 상기 패스 단계는 250 psi 내지 350 psi 범위의 스프레이 압력 하에서 317.11℃(700℉) 내지 426.66℃(800℉)의 범위에 있는 메인 가스 온도로 상기 스프레이 건 노즐을 통해 상기 금속 분말 입자를 패스시키는 단계를 포함하는 방법.
제9항에 있어서, 상기 메인 가스 온도는 385.00℃(725℉) 내지 412.77℃(775℉)의 범위에 있는 방법.
제9항에 있어서, 상기 메인 가스는 헬륨을 포함하고, 상기 패스 단계는 0.001 SCFM 내지 50 SCFM 범위의 유량으로 상기 스프레이 건 노즐에 상기 헬륨을 공급하는 단계를 포함하는 방법.
제12항에 있어서, 상기 헬륨 공급 단계는 15 SCFM 내지 35 SCFM의 유량으로 상기 헬륨을 공급하는 단계를 포함하는 방법.
제9항에 있어서, 상기 메인 가스는 질소를 포함하고, 상기 패스 단계는 0.001 SCFM 내지 30 SCFM의 범위의 유량으로 상기 스프레이 건 노즐에 상기 질소를 공급하는 단계를 포함하는 방법.
제14항에 있어서, 상기 질소 공급 단계는 4 SCFM 내지 8 SCFM의 범위의 유량으로 상기 스프레이 건 노즐에 상기 질소를 공급하는 단계를 포함하는 방법.
제3항에 있어서, 상기 스프레이 건 노즐을 상기 기판으로부터 10 mm 내지 50 mm 거리로 유지하는 단계를 더 포함하는 방법.
기판 상에 금속 재료를 증착시키는 시스템이며,

상기 기판이 위치된 진공 챔버와,

분말 금속 재료를 용융시키지 않고, 상기 기판의 표면 상에 분말 금속 재료를 증착시키는 수단을 포함하고,

상기 증착 수단은 진공 챔버의 포트 내에 위치된 스프레이 건 노즐을 포함하는 시스템.
제17항에 있어서, 상기 증착 수단은 상기 분말 금속 재료의 입자를 소정 속도로 가속시키기 위한 수단을 더 포함하고, 이로써 충격 시 입자가 가소성 변형되고 상기 기판의 상기 표면에 접착되는 시스템.
제18항에 있어서, 상기 금속 재료의 입자를 가속시키기 위해 상기 스프레이 건 노즐에 질소, 헬륨 및 그 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택된 가스를 제공하는 수단을 더 포함하는 시스템.