KR20080068991A - 플라즈마 용사 코팅용 분말을 제조하는 방법 - Google Patents

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Abstract

플라즈마 용사 코팅용 분말을 제조하기 위한 슬러리 조성물 및 상기 플라즈마 용사 코팅용 분말을 제조하는 방법이 제공된다. 구체적으로 50㎚ 내지 100㎚의 입경을 갖는 세라믹 입자들, 상기 세라믹 입자들을 균일하게 분산시키기 위한 분산제, 점성을 제공하는 결합제 및 여분의 용매를 포함하는 플라즈마 용사 코팅용 분말을 제조하기 위한 슬러리 조성물을 제조한다. 여기서, 세라믹 입자들을 사용하여 슬러리 조성물을 형성하기 전에 세라믹 입자들의 비표적을 줄이기 위해서 열처리 공정이 수행될 수 있다. 슬러리 조성물을 형성한 후 슬러리 조성물에 스프레이 건조 공정을 수행하여 코팅용 분말을 제조한다. 따라서 상기 코팅용 분말에는 딤플 현상이 최소화되며, 상기 코팅용 분말을 사용하여 플라즈마 용사 코팅을 수행하여 코팅층을 형성하는 경우 코팅층에 기공율이 줄어들 수 있다.

Description

플라즈마 용사 코팅용 분말을 제조하기 위한 슬러리 조성물 및 상기 플라즈마 용사 코팅용 분말을 제조하는 방법{Slurry Composition For Forming A Plasma Spray Coating Powder, Method Of Forming The Plasma Spray Coating Powder}
도 1은 종래의 코팅용 분말에 형성된 딤플 현상을 촬영한 전자 현미경 사진이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마 용사 코팅 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 실험예 38 내지 43에 의해서 제조된 코팅용 분말을 촬영한 전자 현미경 사진이다.
도 4는 실험예 38 내지 43에 의해서 제조된 코팅용 분말의 입도 분석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5는 종래의 코팅층에 형성되는 기공들을 설명하기 위한 단면도이다.
도 6은 실험예 38 내지 43에 의해서 제조된 코팅용 분말을 사용하여 형성한 코팅층에 형성되는 기공들을 설명하기 위한 단면도이다.
도 7은 종래의 코팅층에 형성되는 크랙을 설명하기 위한 단면도이다.
도 8은 실험예 38 내지 43에 의해서 제조된 코팅용 분말을 사용하여 형성한 코팅층에 형성되는 크랙들을 설명하기 위한 단면도이다.
도 9는 플라즈마 에로션을 비교한 도표이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 기판 10 : 플라즈마 건
11 : 가스 주입구 12 : 음극
13 : 냉각 통로 14 : 양극
15 : 외주부 16 : 지지대
17 : 분말 주입구 18 : 플라즈마 불꽃
19 : 코팅층
본 발명은 플라즈마 용사 코팅용 분말을 제조하기 위한 슬러리 조성물 및 상기 플라즈마 용사 코팅용 분말을 제조하는 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게 본 발명은 기판에 코팅막을 형성할 때 사용되는 플라즈마 용사 코팅에 사용되는 플라즈마 용사 코팅용 분말을 제조하기 위한 슬러리 조성물 및 상기 플라즈마 용사 코팅용 분말을 제조하는 방법에 관한 것이다.
플라즈마 용사에 의한 코팅 기술은 고온의 플라즈마 제트 속에 약 10㎛ 내지 약 100㎛의 입경을 갖는 분말들을 주입시킴으로서 플라즈마 제트 속에서 용융된 상기 분말들을 초고속으로 모재 위에 분사시킴으로서 수행된다.
용융되어 분사된 분말들은 급냉 응고의 방식에 의해서 주로 기계적 결합력으로 모재 표면에 적층되게 된다. 플라즈마 용사 코팅 방법을 사용하는 경우 다른 화염 용사와 같은 방법으로는 도저히 얻을 수 없는 약 1500K에 가까운 초고온을 플라즈마 토치로부터 얻을 수 있기 때문에 고용융점의 텅스텐이나 몰리브덴과 같은 금속과 세라믹의 코팅에는 필수적이며 거의 유일한 용사 기법으로 현재 널리 사용되고 있다.
따라서 피막재의 재료 특성을 살려 내마모, 내부식, 내열 및 열장벽, 초경, 내산화, 절연, 마찰특성, 방열, 생체기능 내방사성의 특성을 나타내는 고기능성 소재를 생산해내는데 유리할 뿐만 아니라 CVD 나 PVD등 다른 코팅 방법에 비해 넓은 면적의 대상물을 빠른 시간 내에 인시츄로 쉽게 코팅할 수 있다는 장점이 있다.
그리고, 부품의 결함, 파열, 마모, 훼손 부위의 재생과 수리, 공차 조정 등에 사용됨으로써 경비 절감과 수명연장 효과도 동시에 얻는데 매우 중요한 기여를 하고 있는 공정이다.
종래의 코팅용 분말을 제조하기 위해 미크론 사이즈인 약 1㎛ 내지 약 5㎛인 1차 입자를 이용하여 슬러리 조성물을 제조한 후, 상기 슬러리 조성물을 건조시켜 평균 입경이 약 20㎛ 내지 약 30㎛인 코팅용 분말을 제조하였다.
코팅용 분말을 제조하기 위해 사용된 세라믹 입자의 크기가 실질적으로 미크론 사이즈를 가졌기 때문에 상기와 같은 코팅용 분말을 사용하여 형성된 코팅층은 실질적으로 큰 기공율을 가졌다. 기공율이 큰 코팅층의 치밀도를 감소시켜 코팅층의 신뢰도를 감소시킨다는 문제점이 있었다. 또한, 상기와 같은 코팅용 분말에는 도넛 혹은 사과 형상의 딤플 현상이 발생하였다.
딤플 현상이 발생하는 요인은 다양하다. 우선 슬러리 조성물을 건조의 온도가 높아서 분무된 액적이 급속히 가열되므로 액적의 표면이 급격히 건조되어 표면에 침투성이 낮은 층이 형성되게 된다. 그리고 순간적으로 과립의 내부에서 수분이 증발하여 증기 기포를 형성하여 과립이 팽창될 수 있으며 이로 인해 과립이 부서지면서 과립 내부의 슬러리가 표면 장력에 의해 밖으로 흘러나오게 되어서 형성되거나, 아니면 부적절한 결합제의 선택이나 결합제와 다른 첨가제와의 반응에 의해 건조시 결합제가 과립 표면으로 이동하여 과립 내부의 입자들이 건조시 쉽게 과립 표면으로 이동하여 두꺼운 표면층을 형성하기 때문에 형성되거나 혹은 결합제나 분산제의 양이 상대적으로 많을 때 또는 슬러리 조성물의 고형율이 비교적 낮을 때 형성되게 된다.
도 1은 종래의 플라즈마 용사 코팅 방법에 사용되는 코팅용 분말에 형성된 딤플 현상을 촬영한 전자 현미경 사진이다.
도 1에 도시된 바와 같이 종래의 코팅용 분말에는 중간 부분이 함몰되는 딤플 현상이 발생하고, 결과적으로 상기 코팅용 분말을 사용하여 코팅층을 형성하는 경우 코팅층의 밀도와 같은 신뢰도를 저하시키는 문제점이 있었다.
본 발명의 제1 목적은 실질적으로 높은 치밀도를 갖는 코팅층을 형성할 수 있는 코팅용 분말을 제조하는데 사용하는 슬러리 조성물이 제공하는 것이다.
본 발명의 제2 목적은 상기 슬러리 조성물을 사용하여 상기 코팅용 분말을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 제1 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 코팅용 분말을 제조하는데 사용되는 슬러리 조성물이 제공된다. 상기 슬러리 조성물은 50㎚ 내지 100㎚의 입경을 갖는 세라믹 입자들 상기 세라믹 입자들을 균일하게 분산시키기 위한 분산제, 점성을 제공하는 결합제 및 여분의 용매를 포함한다.
상기 분산제는 카르복시산계 유기물을 포함할 수 있다. 상기 결합제는 PVB(Polyvinyl Butyral)를 포함할 수 있다. 상기 분산제의 함량은 0.5 % 내지 10 %일 수 있다. 상기 슬러리 조성물의 고형분의 분율은 25 % 내지 55 %일 수 있다.
상기 제2 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 50㎚ 내지 100㎚의 입경을 갖는 세라믹 입자들, 상기 세라믹 입자들을 균일하게 분산시키기 위한 분산제, 점성을 제공하는 결합제 및 여분의 용매를 포함하는 플라즈마 용사 코팅용 분말을 제조하기 위한 슬러리 조성물을 제조한다. 그리고 상기 슬러리 조성물에 스프레이 건조 공정을 수행하여 코팅용 분말을 제조한다. 그 후, 상기 코팅용 분말에 열처리를 수행한다.
상기 분산제는 카르복시산계 유기물을 포함할 수 있다. 상기 결합제는 PVB(Polyvinyl Butyral)를 포함할 수 있다. 상기 분산제의 함량은 0.5 % 내지 10 %일 수 있다. 상기 슬러리 조성물의 고형분의 분율은 25 % 내지 55 %일 수 있다. 상기 코팅용 분말의 평균 입경은 약 20㎛ 내지 약 50㎛일 수 있다. 상기 열처리시의 온도는 500℃ 내지 1400℃일 수 있다.
상기 제2 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 코팅용 분말 제조 방법이 제공된다. 구체적으로 50㎚ 내지 100㎚의 입경을 갖는 세라믹 입자들을 준비한다. 그 후, 상기 세라믹 입자들에 1차 열처리를 수행한다. 그리고 상기 1차 열처리가 수행된 상기 세라믹 입자, 상기 세라믹 입자들을 균일하게 분산시키기 위한 분산제 및 점성을 제공하는 결합제를 포함하는 플라즈마 용사 코팅용 분말을 제조하기 위한 슬러리 조성물을 제조한다. 이어서, 상기 슬러리 조성물에 스프레이 건조 공정을 수행하여 코팅용 분말을 제조한다. 상기 코팅용 분말에 2차 열처리를 수행한다.
상기 분산제는 카르복시산계 유기물을 포함할 수 있다. 상기 결합제는 PVB(Polyvinyl Butyral)를 포함할 수 있다. 상기 분산제의 함량은 0.5 % 내지 10 %일 수 있다. 상기 슬러리 조성물의 고형분의 분율은 25 % 내지 55 %일 수 있다. 상기 코팅용 분말의 평균 입경은 약 20㎛ 내지 약 50㎛일 수 있다. 상기 2차 열처리시의 온도는 500℃ 내지 1400℃일 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 나노 사이즈를 갖는 세라믹 입자를 사용하여 형성된 슬러리 조성물을 건조시켜 코팅용 분말을 제조한다. 상기 세라믹 입자를 슬러리 조성물로 형성하기 전에 세라믹 입자의 비표적을 줄이기 위해서 열처리를 수행할 수 있다. 따라서 상기 세라믹 입자를 사용하여 형성된 슬러리 조성물을 열처리하여 획득되는 코팅용 분말에는 딤플 현상이 발생하지 않는다. 결과적으로 상기 코팅용 분말을 사용하여 플라즈마 용사 코팅을 수행하여 코팅층을 형성하는 경우 코팅층에 기공율을 줄여 결함을 현저하게 줄일 수 있다.
이하, 본 발명의 다양한 관점들에 따른 플라즈마 용사 코팅용 분말을 제조하기 위한 슬러리 조성물 및 상기 플라즈마 용사 코팅용 분말을 제조하는 방법에 대해서 첨부된 도면을 참조하여 설명하지만, 본 발명이 하기의 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구현될 수도 있다. 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 보다 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상과 특징이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공된다. 도면들에 있어서, 각 장치 또는 막(층) 및 영역들의 두께는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 과장되게 도시되었으며, 막(층)이 다른 막(층) 또는 기판 상에 위치하는 것으로 언급되는 경우, 다른 막(층) 또는 기판 상에 직접 형성되거나 그들 사이에 추가적인 막(층)이 개재될 수 있다. 또한, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있을 것이다.
실시예 1
도 2는 플라즈마 용사 코팅 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 2를 참조하면, 플라즈마 건(10)은 음극(12), 양극(14), 외주부(15), 지지대(16) 및 분말 주입구(17)를 포함한다. 그리고 플라즈마 건(10)의 내부에 형성되는 가스 주입구(11)를 통해서 플라즈마 가스가 주입된다. 상기 플라즈마 가스는 아르곤 가스, 헬륨 가스 등의 불활성 가스이거나 수소 가스 또는 산소 가스와 같은 비활성 가스일 수 있다. 이들 불활성 가스와 비활성 가스는 단독으로 사용될 수 있 지만 혼합되어 사용될 수도 있다.
구체적으로 가스 주입구는 외주부(15)와 음극(11)사이에 형성되며 최종적으로 양극(14) 사이의 좁은 공간까지 연장된다. 가스 주입구로 주입된 플라즈마 가스는 음극(12)과 양극(14) 사이에 걸리는 고전압 직류 고전력에 의해서 플라즈마 불꽃(18)으로 변화되어 플라즈마 건으로부터 분사된다.
이 때 상기 고전압 직류 고전력은 플라즈마 가스를 플라즈마 불꽃(18)으로 변화시킬 수 있을 만큼 충분한 수치를 가져야 하며 일반적으로 약 30kV 내지 약 100kv의 전압 조건과 약 400A 내지 약 1000A의 전류 조건으로 인가되게 된다.
도 2에 도시된 바와 같이 음극(12)의 끝부분은 플라즈마 불꽃(18)을 용이하게 발생시키기 위하여 첨예한 형상을 갖는다. 또한 음극(12)의 끝부분은 플라즈마 불꽃(18)의 발생으로 인한 침식과 같은 손상을 방지하기 위하여 통상적으로 물리적으로 강한 강도 및 경도를 갖는 텅스텐 또는 텅스텐 강화 금속 등을 포함한다.
양극(14)은 일반적으로 구리 도는 구리 합금과 같은 도전성 물질을 사용하여 형성한다. 또한 양극(14)의 내부에는 냉각 통로(13)가 형성되며 냉각 통로(13)를 통해서 양극(14)에 가해지는 열이 외부로 방출하도록 구성된다. 냉각 통로(13)가 구성되므로서 양극(14)에 가해지는 열적 손상을 최소화 시킬 수 있으며 결과적으로 양극(14)의 수명을 연장시킬 수 있다.
외주부(15)는 플라즈마 건(10)의 외각에 위치하는 부분으로서 그 내부에는 음극(12)이 위치하며 양극(14)을 지지하는 기능을 한다. 외주부(15) 역시 플라즈마 불꽃(18)의 발생으로 인한 열적 손상을 최소화 할 수 있는 물질로 구성되는 것이 바람직하다.
외주부의 일측에는 지지대(16)가 결합되어 있으며 지지대(16)에는 분말 주입구(17)가 위치한다. 분말 주입구(17)를 통해서 플라즈마 불꽃(18)에 코팅용 분말을 제공할 수 있다. 분말 주입구(17)를 통해서 플라즈마 불꽃(18)에 제공된 코팅용 분말은 플라즈마 건(10)과 대향하는 기판(1)에 분사된다.
플라즈마 불꽃에 포함된 코팅용 분말은 기판(1)에 접착되어 코팅층(19)을 형성하게 된다. 일반적으로 코팅용 분말로서 코팅층을 형성할 수 있는 모든 비금속 무기질 고체들이 사용될 수 있다. 그러나 본 발명은 이에 제한되는 것이 아니고 세라믹 입자뿐만 아니라 금속 분말의 코팅에도 사용될 수 있음은 물론이다.
예를 들어, 코팅용 분말은 주기율표 상 3A족에 속하는 원소의 산화물과 같은 내플라즈마성을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 여기서 주기율표 상 3A족에 속하는 원소는 이트리아(yttria)일 수 있다. 코팅용 분말이 이트리아 산화물과 같은 3A족 원소의 산화물을 포함하는 경우, 플라즈마 에칭을 억제하여 코팅된 부품으로부터 파티클들이 발생하여 기판(1)을 오염시키는 것을 최소화할 수 있다.
플라즈마 불꽃에 포함된 코팅용 분말은 기판(1)에 접착되면서 코팅층(19)을 형성한다. 이 때 코팅용 분말을 제조하기 위한 전 단계로서 슬러리 조성물을 제조하게 된다.
본발명의 제1 실시예에서 슬러리 조성물은 세라믹 입자를 사용하여 형성한다. 세라믹 입자의 입경은 나노 사이즈를 갖는다. 구체적으로 세라믹 입자의 입경은 약 50nm 내지 약 150nm일 수 있다. 그리고 세라믹 입자로서 플라즈마 에칭을 억 제하여 코팅된 부품으로부터 파티클들이 발생하여 기판을 오염시키는 것을 최소화할 수 있는 이트리아 산화물을 사용할 수 있다.
세라믹 입자와 더불어 슬러리 조성물을 제조하기 위하여 분산제, 결합제 및 여분의 용제가 사용된다. 구체적으로 분산제는 세라믹 입자들을 서로 고르게 분산시키는 역할을 하며 분산제로서 사용될 수 있는 물질의 예로서는 카르복시산계 유기물을 들 수 있다. 또한, 결합제는 슬러리 조성물에 점성을 부여하기 위하여 사용되며 결합제로 사용될 수 있는 물질의 예로서는 PVB(Polyvinyl Butyral)를 들 수 있다. 그리고 슬러리 조성물을 형성할 때 사용되는 여분의 용매의 예로서는 에탄올을 들 수 있다.
여기서 슬러리 조성물 내의 분산제의 함량은 약 0.5 % 내지 약 10 % 일 수 있다. 만약 슬러리 조성물 내의 결합제의 함량이 약 0.5 % 내지 약 10 %를 초과하는 경우에는 코팅용 분말의 경도가 높아지게 되며 이 경우 플라즈마 불꽃에 의해서 코팅용 분말이 충분히 녹지 않는 문제점이 있다. 따라서 슬러리 조성물 내의 분산제의 함량은 약 0.5 % 내지 약 10 %인 것이 바람직하다.
또한 슬러리 조성물을 사용할 때 볼 밀을 이용하여 고형분의 분율(solid loading)이 조절된다. 이 때 슬러리 조성물 내의 고형분의 분율이 약 25 % 이하이어도 코팅용 분말의 생산에는 큰 영향이 없으나 코팅용 분말을 생산하는데 까지 걸리는 시간이 길어진다는 문제점이 있다. 따라서 슬러리 조성물 내의 고형분의 분율은 약 25 % 내지 약 55 %인 것이 바람직하다.
이와 더불어, 슬러리 조성물 내의 고형분의 분율이 약 25 % 이상인 경우, 슬 러리 조성물 내의 분산제의 함량은 약 0.5 % 내지 약 10 %인 것이 바람직하다. 그 이유는 슬러리 조성물 내의 분산제의 함량이 약 0.5 % 내지 약 10 %를 초과하는 경우에는 코팅용 분말 제조시 딤플(Dimple) 현상이 일어나서 코팅층의 기공율을 현저하게 높이는 결과를 가져오기 때문이다.
세라믹 입자, 결합제, 분산제 및 여분의 용매를 혼합하여 슬러리 조성물을 제조한다. 그 후에 제조된 슬러리 조성물에 스프레이 건조 공정(spray drying)을 수행한다. 스프레이 건조 공정을 통해서 슬러리 조성물은 코팅용 분말이 된다. 이 때, 코팅용 분말의 평균 입경은 약 20㎛ 내지 약 50㎛이다. 스프레이 건조 공정은 슬러리 조성물 내에 포함된 용매 등을 제거하여 밀도를 높여 코팅용 분말로 변화시키는 일반적인 공정이기 때문에 이에 대한 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
실시예 2
본 발명의 제2 실시예에서 사용되는 플라즈마 건은 도 2에 도시된 플라즈마 건(10)과 실질적으로 동일하다. 따라서 플라즈마 건(10)을 구성하는 음극, 양극, 외주부, 지지대 및 분말 주입구에 대한 설명은 생략한다.
본 발명의 제2 실시예에서 슬러리 조성물을 제조하기 위하여 우선 나노 사이즈를 갖는 세라믹 입자를 준비한다. 구체적으로 세라믹 입자의 입경은 약 50nm 내지 약 150nm일 수 있다. 그리고 세라믹 입자로서 플라즈마 에칭을 억제하여 코팅된 부품으로부터 파티클들이 발생하여 기판을 오염시키는 것을 최소화할 수 있는 이트 리아 산화물을 사용할 수 있다.
이어서 상기 세라믹 입자에 1차 열처리를 수행한다. 상기 1차 열처리를 수행하는 목적은 세라믹 입자의 응집을 억제하며 세라믹 입자의 표면적에 작용하는 힘인 비표적을 줄이기 위함이다.
구체적으로 세라믹 입자, 분산제, 결합제 및 여분의 용매를 혼합하여 슬러리 조성물을 제조하기 전에, 세라믹 입자에 1차 열처리를 수행한다. 상기 1차 열처리를 수행하는 공정은 본 발명에서 필수적인 공정으로서 나노 사이즈를 갖는 세라믹 입자들 간에 재 응집을 방지하여 표면 장력을 줄이고자 하는 목적으로 수행된다. 즉, 나노 입자의 응집이 딤플 현상의 일 요인인바 나노 입자의 분산 후 재 응집을 막아 나노 입자들의 미립자(granule)화를 통해 딤플 현상을 최소화하기 위한 목적으로 상기 1차 열처리를 수행하는 것이다.
구체적으로 상기 1차 열처리가 약 500℃ 미만의 온도에서 진행되는 경우에는 입자들 간에 응집이 과도하게 심하다는 문제점이 있다. 반면에 상기 1차 열처리가 약 1400℃를 초과하는 온도에서 진행되는 경우에는 입자들 간에 응집이 감소된다는 문제점이 있다. 따라서 상기 1차 열처리시의 온도는 약 500℃ 내지 약 1400℃인 것이 바람직하다.
상기 1차 열처리된 세라믹 입자와 더불어 슬러리 조성물을 제조하기 위하여 분산제, 결합제 및 여분의 용제가 사용된다. 구체적으로 분산제는 세라믹 입자들을 서로 고르게 분산시키는 역할을 하며 분산제로서 사용될 수 있는 물질의 예로서는 카르복시산계 유기물을 들 수 있다. 또한, 결합제는 슬러리 조성물에 점성을 부여 하기 위하여 사용되며 결합제로 사용될 수 있는 물질의 예로서는 PVB(Polyvinyl Butyral)를 들 수 있다. 그리고 슬러리 조성물을 형성할 때 사용되는 여분의 용매의 예로서는 에탄올을 들 수 있다.
여기서 슬러리 조성물 내의 분산제의 함량은 약 0.5 % 내지 약 10 % 일 수 있다. 만약 슬러리 조성물 내의 결합제의 함량이 약 0.5 % 내지 약 10 %를 초과하는 경우에는 코팅용 분말의 경도가 높아지게 되며 이 경우 플라즈마 불꽃에 의해서 코팅용 분말이 충분히 녹지 않는 문제점이 있다. 따라서 슬러리 조성물 내의 분산제의 함량은 약 0.5 % 내지 약 10 %인 것이 바람직하다.
또한 슬러리 조성물을 사용할 때 볼 밀을 이용하여 고형분의 분율(solid loading)이 조절된다. 이 때 슬러리 조성물 내의 고형분의 분율이 약 25 % 이하이어도 코팅용 분말의 생산에는 큰 영향이 없으나 코팅용 분말을 생산하는데 까지 걸리는 시간이 길어진다는 문제점이 있다. 따라서 슬러리 조성물 내의 고형분의 분율은 약 25 % 내지 약 55 %인 것이 바람직하다.
이와 더불어, 슬러리 조성물 내의 고형분의 분율이 약 25 % 이상인 경우, 슬러리 조성물 내의 분산제의 함량은 약 0.5 % 내지 약 10 %인 것이 바람직하다. 그 이유는 슬러리 조성물 내의 분산제의 함량이 약 0.5 % 내지 약 10 %를 초과하는 경우에는 코팅용 분말 제조시 딤플(Dimple) 현상이 일어나서 코팅층의 기공율을 현저하게 높이는 결과를 가져오기 때문이다.
1차 열처리된 세라믹 입자, 결합제, 분산제 및 여분의 용매를 혼합하여 슬러리 조성물을 제조한다. 그 후에 제조된 슬러리 조성물에 스프레이 건조 공정(spray drying)인 2차 열처리 공정을 수행한다. 2차 열처리 공정을 통하여 슬러리 조성물은 코팅용 분말이 된다. 이 때, 코팅용 분말의 평균 입경은 약 20㎛ 내지 약 50㎛이다. 2차 열처리 공정은 슬러리 조성물 내에 포함된 용매 등을 제거하여 밀도를 높여 코팅용 분말로 변화시키는 일반적인 공정이기 때문에 이에 대한 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
따라서 본 발명의 제2 실시예와 같이 1차 열처리된 세라믹 입자를 사용하여 형성된 슬러리 조성물에 2차 열처리를 수행하여 획득된 코팅용 분말을 사용하여 코팅층을 형성하는 경우, 코팅용 분말에 딤플 현상이 최소화되기 때문에 코팅층의 밀도 등 신뢰도에 영향을 미치는 요건들을 개선할 수 있다.
딤플 현상 관련 실험
세라믹 입자, 분산제, 결합제 및 용매를 사용하여 슬러리 조성물을 형성한 후 열처리하여 용사용 분말을 제조하였다. 그 후 딤플 현상의 유무를 관찰하였다. 구체적으로 실험예 1 내지 24를 제조하기 위하여 60nm ± 10nm와 140nm ± 10nm의 사이즈를 갖는 이트리아 산화물 입자를 세라믹 입자로 사용하였다. 그리고 분산제, 결합제 및 용매는 각각 카르복시산계 물질, 폴리 비닐계 물질 및 에탄올을 사용하였다.
세라믹 입자 용매 유기물 고체 함량
실험예 1 100 80 10.2 55.6
실험예 2 100 80 14.2 55.6
실험예 3 100 80 16.2 55.6
실험예 4 100 80 10.2 55.6
실험예 5 100 80 14 55.6
실험예 6 100 80 14 55.6
실험예 7 100 80 14 55.6
실험예 8 100 80 12 55.6
실험예 9 100 80 8 55.6
실험예 10 100 80 12 55.6
실험예 11 100 100 8 50
실험예 12 100 100 12 50
실험예 13 100 120 8 45
실험예 14 100 120 12 45
실험예 15 100 150 8 40
실험예 16 100 150 12 40
실험예 17 100 88 7 53
실험예 18 100 88 8 53
실험예 19 100 88 9 53
실험예 20 100 88 10 53
실험예 21 100 112 5 47
실험예 22 100 112 6 47
실험예 23 100 112 7 47
실험예 24 100 112 8 47
[표 1]에 기재된 실험예 1 내지 24에 따라서 슬러리 조성물을 형성한 후 열처리하여 형성된 코팅용 분말에 딤플 현상의 발생 유무를 측적하였고, 그 결과 실험예 1 내지 24 모두 딤플 현상이 발생하였다.
상기 딤플 현상이 발생된 원인에 대해서 나노 분말의 응집으로 판단하였고, 따라서 나노 분말들의 응집을 막기 해서 슬러리 조성물을 형성하기 전에, 세라믹 입자에 열처리를 수행하는 실험예 25 내지 36을 하였으며 구체적인 조건 및 결과는 하기의 [표 2]에 기재하였다.
분말 종류 열처리 온도 BET(m2/g)
실험예 25 60±10nm X 11-13
실험예 26 60±10nm 500 11-13
실험예 27 60±10nm 800 12-15
실험예 28 60±10nm 1100 15-18
실험예 29 60±10nm 1400 18-20
실험예 30 60±10nm 1500 18-20
실험예 31 120±10nm X 3-5
실험예 32 120±10nm 500 3-5
실험예 33 120±10nm 800 4-6
실험예 34 120±10nm 1100 5-8
실험예 35 120±10nm 1400 7-9
실험예 36 120±10nm 1500 7-9
[표 2]를 참조하면, 열처리 온도에 따른 분말 입자 크기를 측정하였으나 온도가 500℃ 미만이거나 열처리를 하지 않은 경우는 변화가 없었으며 또한 분말-분말 간 응집이 심한 결과를 보였다. 그리고 1400℃ 이상에서는 분말간 응집이 감소되었다.
이어서, 열처리된 세라믹 입자를 사용하여 슬러리 조성물을 형성한 후, 슬러지 조성물을 건조시켜 코팅용 분말을 형성하였다. 그리고 딤플 현상의 유뮤에 대한 실험예 37 내지 46을 수행하였다. 구체적인 조건은 하기의 [표 3]에 기재된 바와 같다.
세라믹 입자 용매 유기물 고체 함량
실험예 37 100 66 4 60
실험예 38 100 82 4 55
실험예 39 100 100 2 50
실험예 40 100 110 4 48
실험예 41 100 120 2 45
실험예 42 100 130 4 43
실험예 43 100 148 2 40
도 3은 실험예 38 내지 43에 따라서 제조된 코팅용 분말을 촬영한 전자 현미경 사진이다.
실험예 37의 경우를 제외한 실험예 38 내지 43에서는 모두 딤플 현상이 없는 도 3과 같은 둥근 원형의 분말이 제조되었다. 구체적으로 도 3은 제조된 코팅용 분말의 파단면 사진으로 코팅용 분말의 충진도가 높음을 알 수 있다.
실험예 37의 경우도 분말의 형상이 딤플이 없는 상태였으나 슬러리 조성물의 점도가 높아 작업성이 떨어지는 단점으로 인하여 장기적인 스프레이 작업에는 문제점이 발생할 가능성이 높았다.
도한 고체 함량이 40% 이하일 경우도 딤플 현상이 발생하지 않았으나 분당 분말 생산성이 낮아지는 단점으로 인하여 고체 함량이 40% 이상인 경우가 바람직하였다.
도 4는 실험예 38 내지 43에 의해서 제조된 코팅용 분말의 입도 분석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4를 참조하면, 실험예 38 내지 43에서 제조된 코팅용 분말의 평균 입경이 32 미크론 정도임을 알 수 있다.
도 5는 종래의 코팅층에 형성되는 기공들을 설명하기 위한 단면도이고, 도 6은 실험예 38 내지 43에 의해서 제조된 코팅용 분말을 사용하여 형성한 코팅층에 형성되는 기공들을 설명하기 위한 단면도이다.
도 5 및 6을 참조하면, 도 5에서 나타난 기공율 보다 도 6에서 나타난 기공율이 실질적으로 적음을 알 수 있다.
도 7은 종래의 코팅층에 형성되는 크랙을 설명하기 위한 단면도이고, 도 8은 실험예 38 내지 43에 의해서 제조된 코팅용 분말을 사용하여 형성한 코팅층에 형성되는 크랙들을 설명하기 위한 단면도이다.
도 7 미 8을 참조하면, 도 7에서 나타난 크랙들 보다 도 8에서 나타난 크랙들이 실질적으로 적음을 알 수 있다.
크랙의 개수 감소에 따른 내 플라즈마성 특성 변화를 측정하기 위하여 [표 4]에 기재된 조건에 따라 내 플라즈마성 관련 실험을 하였다.
파라미터(parameter) 조건(condition)
플라즈마 타입(plasma type) RIE
CF4 유량(CF4 flow rate) 50 sccm
O2 유량(O2 flow rate) 10 sccm
챔버 압력(chamber pressure) 0.05 Torr
플라즈마 파워(plasma power) 800W
노출 면적(exposure area) 200mm
도 9는 플라즈마 에로션(erosion)을 비교한 도표이다.
도 9를 참조하면, 실험예 38 내지 43에 따른 본 발명에 의해서 형성된 코팅층의 내플라즈마성이 종래의 코팅층에 비해서 우수함을 알 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 코팅용 분말을 제조할 때 나노 사이즈를 갖는 세라믹 입자를 사용하며 세라믹 입자는 1차 열처리될 수 있다. 상기 세라믹 입자를 이용하여 획득된 코팅용 분말을 사용하여 코팅층을 형성하는 경우, 코팅용 분말에 딤플 현상이 최소화되기 때문에 코팅층의 밀도 등 신뢰도에 영향을 미치는 요건들을 개선할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (19)

  1. 50㎚ 내지 100㎚의 입경을 갖는 세라믹 입자들;
    상기 세라믹 입자들을 균일하게 분산시키기 위한 분산제; 및
    점성을 제공하는 결합제; 및
    여분의 용매를 포함하는 플라즈마 용사 코팅용 분말을 제조하기 위한 슬러리 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 분산제는 카르복시산계 유기물을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 용사 코팅용 분말을 제조하기 위한 슬러리 조성물.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 결합제는 PVB(Polyvinyl Butyral)를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 용사 코팅용 분말을 제조하기 위한 슬러리 조성물.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 분산제의 함량은 0.5 % 내지 10 %인 것을 특징으로 하는 플라즈마 용사 코팅용 분말을 제조하기 위한 슬러리 조성물.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 슬러리 조성물의 고형분의 분율은 25 % 내지 55 %인 것을 특징으로 하는 플라즈마 용사 코팅용 분말을 제조하기 위한 슬러리 조성물.
  6. 50㎚ 내지 100㎚의 입경을 갖는 세라믹 입자들, 상기 세라믹 입자들을 균일하게 분산시키기 위한 분산제, 점성을 제공하는 결합제 및 여분의 용매를 포함하는 플라즈마 용사 코팅용 분말을 제조하기 위한 슬러리 조성물을 제조하는 단계;
    상기 슬러리 조성물에 스프레이 건조 공정을 수행하여 코팅용 분말을 제조하는 단계; 및
    상기 코팅용 분말에 열처리를 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅용 분말 제조 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 분산제는 카르복시산계 유기물을 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅용 분말 제조 방법.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 결합제는 PVB(Polyvinyl Butyral)를 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅용 분말 제조 방법.
  9. 제 6 항에 있어서, 상기 분산제의 함량은 0.5 % 내지 10 %인 것을 특징으로 하는 코팅용 분말 제조 방법.
  10. 제 6 항에 있어서, 상기 슬러리 조성물의 고형분의 분율은 25 % 내지 55 %인 것을 특징으로 하는 코팅용 분말 제조 방법.
  11. 제 6 항에 있어서, 상기 코팅용 분말의 평균 입경은 20㎛ 내지 50㎛인 것을 특징으로 하는 코팅용 분말 제조 방법.
  12. 제 6 항에 있어서, 상기 열처리시의 온도는 500℃ 내지 1400℃인 것을 특징으로 하는 코팅용 분말 제조 방법.
  13. 50㎚ 내지 100㎚의 입경을 갖는 세라믹 입자들을 준비하는 단계;
    상기 세라믹 입자들에 1차 열처리를 수행하는 단계;
    상기 1차 열처리가 수행된 상기 세라믹 입자, 상기 세라믹 입자들을 균일하게 분산시키기 위한 분산제, 점성을 제공하는 결합제 및 여분의 용매를 포함하는 플라즈마 용사 코팅용 분말을 제조하기 위한 슬러리 조성물을 제조하는 단계;
    상기 슬러리 조성물에 스프레이 건조 공정을 수행하여 코팅용 분말을 제조하는 단계; 및
    상기 코팅용 분말에 2차 열처리를 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅용 분말 제조 방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 분산제는 카르복시산계 유기물을 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅용 분말 제조 방법.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 결합제는 PVB(Polyvinyl Butyral)를 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅용 분말 제조 방법.
  16. 제 13 항에 있어서, 상기 분산제의 함량은 0.5 % 내지 10 %인 것을 특징으로 하는 코팅용 분말 제조 방법.
  17. 제 13 항에 있어서, 상기 슬러리 조성물의 고형분의 분율은 25 % 내지 55 %인 것을 특징으로 하는 코팅용 분말 제조 방법.
  18. 제 13 항에 있어서, 상기 코팅용 분말의 평균 입경은 20㎛ 내지 50㎛인 것을 특징으로 하는 코팅용 분말 제조 방법.
  19. 제 13 항에 있어서, 상기 2차 열처리시의 온도는 500℃ 내지 1400℃인 것을 특징으로 하는 코팅용 분말 제조 방법.
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