KR20080096576A - 저온 분무 기법에 의한 금속 발포체의 형성방법 - Google Patents
저온 분무 기법에 의한 금속 발포체의 형성방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 저온 분무 공정을 사용한 금속 발포체의 형성방법에 관한 것이다. 본 방법은 층으로서 기존의 기판상에 금속 발포체를 형성할 수 있게 한다. 본 방법은 금속 발포체를 코팅하기 위한 기판을 제공하는 단계; 금속 입자 및 발포제의 혼합물을 기판상에 저온 분무하여 비팽창된 금속 층의 코팅물을 형성하는 단계; 팽창된 금속 발포체 층으로 코팅된 가열된 기판을 형성하기에 충분한 시간동안 발포제의 분해 온도를 초과하는 온도에서 기판을 발포 가열 처리 및 코팅하는 단계; 및 코팅된 기판을 약 상온으로 냉각하여 팽창된 금속 발포체 층으로 코팅된 냉각된 기판을 형성하는 단계를 포함한다. 본 방법은 케이싱, 파이프라인, 운송선 및 다른 유동선의 구성요소 부분이 됨으로써 오일, 기체 및 화학적 산업에 적용될 수 있다.
Description
본 발명은 금속 발포체의 형성 분야에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 금속 발포체를 합성하기 위한 개선된 방법에 관한 것이다. 보다 더 상세하게는, 본 발명은 저온 분무 공정을 사용하여 기존의 표면상에 금속 발포체를 형성하는 개선된 방법에 관한 것이다.
셀 구조를 갖는 발포체 및 기타 고도의 다공성 물질은 물리적 및 기계적 성질의 다수의 흥미있는 조합, 예컨대 높은 강성과 매우 낮은 비중의 조합 또는 높은 기체 투과도와 높은 열 전도도의 조합을 갖는 것으로 공지되어 있다. 인공 셀 물질중 중합체 발포체가 거의 모든 기술 부문에서 광범위하게 적용되는 현재 가장 중요한 것이다. 또한, 금속 및 합금이 셀 물질 또는 발포체로서 제조될 수 있다.
셀 금속 물질을 제조하는 다수의 방법이 있다. 일부 방법은 수성 또는 중합체 액체를 형성하는데 사용되는 기법과 유사한 반면, 다른 방법은 소결 활성과 같은 금속의 특성의 이점을 갖거나 전기적으로 침적될 수 있다는 사실로 인해 특이적 으로 고안된다. 금속이 가공되는 상태에 따라 다양한 방법으로 분류될 수 있다. (i) 액체 금속으로부터, (ii) 분말 형태의 고체 금속으로부터, (iii) 금속 증기 또는 기상 금속 화합물로부터 및 (iv) 금속 이온 용액으로부터의 4개 가공 군이 있다.
분말 야금술은 출발 물질이 금속 분말인 경우 및 실제 발포가 액체 상태로 발생하는 경우 통상적인 폐쇄 셀 발포체를 형성하는 방법이다. 제조 공정은 원소 금속 분말로 조성될 수 있는 금속 분말, 합금 분말 또는 금속 분말 배합물을 취입성형제 또는 발포제의 존재하에 혼합함으로써 시작된다. 그 후, 혼합물을 압축하여 조밀한 반-완성 제품을 수득한다. 원칙적으로, 압축은 취입성형제가 임의의 주목할만한 잔존 개방 공극 없이 금속 기질로 파묻히도록 하는 임의의 기법에 의해 수행될 수 있다. 이러한 압축 방법의 예로는 고온 단축 또는 균형 압축, 로드(rod) 압출 또는 분말 압연이 있다. 전구체 물질의 요구되는 형태에 따라 압축 방법이 선택된다. 다양한 단면을 갖는 직사각형 프로필이 제조될 수 있고, 이로부터 압연에 의해 얇은 시트가 형성될 수 있다. 임의의 잔존 공극 또는 다른 결함은 추가의 가공에 불량한 결과를 초래할 수 있기 때문에 전구체의 제조는 조심스럽게 수행되어야 한다.
분말 야금술 공정에서 다음 단계는 기질 물질의 융점 근처의 온도에서의 가열 처리이다. 조밀한 금속 기질내에 균질하게 분포되는 취입성형제 또는 발포제는 상기 온도에서 분해된다. 방출된 기체는 압축된 전구체 물질을 팽창시켜 고도의 다공성 구조를 형성한다.
도 1은 750 ℃에서 발포시 알루미늄/TiH2 분말 압축체의 팽창 곡선을 나타낸다. 팽창 발포체의 부피는 (높이 9 mm 및 직경 32 mm의 비팽창된 전구체를 포함하여) 팽창의 다양한 단계에서 일부 형태와 시간의 함수로 표시된다. 팽창 최대치는 매우 균일한 발포 형태에 상응하는 것으로 나타나고 그 후 발포체가 붕괴한다. 최대 팽창도 및 따라서 고체 금속 발포체의 밀도는 취입성형제의 함량 및 온도 및 가열 속도와 같은 수개의 다른 발포 변수를 조정함으로써 제어될 수 있다.
상기 방법은 알루미늄 및 그의 합금으로 제한되지 않는다. 적절한 취입성형제 및 공정 변수를 선택함으로써 주석, 아연, 황동, 납, 금 및 일부 다른 금속 및 합금이 발포될 수도 있다. 발포에 가장 통상적인 합금은 순수한 알루미늄 또는 단련한 합금이다. 또한, AlSi7Mg(A356) 및 AlSi12와 같은 주조 합금이 낮은 융점 및 양호한 발포성 때문에 종종 사용된다.
전체적으로 본원에 참고로 혼입된 알키모브(Alkhimov) 등의 미국 특허 제5,302,414호는 기체에 금속, 합금, 중합체 또는 금속 및 합금의 기계적 혼합물의 분말 입자를 도입함으로써 제품에 코팅을 적용하는 저온 기체-동력 분무 방법을 개시하고 있다. 기체 및 입자는 분말 물질의 융합 온도보다 상당히 낮은 온도 및 약 300 내지 약 1200 m/초의 속력을 갖는 초음파 제트내로 성형된다. 이어서, 상기 제트는 금속, 합금 또는 유전체의 물품에 대해 배향되어 상기 물품을 입자로 코팅한다.
전체적으로 본원에 참고로 혼입된 헤인리치(Heinrich) 등의 미국 특허 제 6,408,928호는 (1) 하나 이상의 금속 분말 및 분말 형태의 하나 이상의 취입성형제를 함유하는 분말 혼합물을 공급하기 위한 수단, (2) 분말 혼합물로부터 압축체를 제조하기 위한 수단 및 (3) 취입성형제의 파괴 온도 이상의 온도로 압축체를 가열하기 위한 수단을 포함하는 팽창성 금속의 제조장치를 개시하고 있다. 저온 기체 분무 장치는 발포성 금속체로부터 수득된 금속 발포체를 형성하는데 사용될 수 있다.
전체적으로 본원에 참고로 혼입된 포풀라(Popoola) 등의 미국 특허 제6,464,933호는 금속 입자의 공급을 이용한 발포된 금속 구조체의 제작방법을 개시하고 있다. 이 방법은 (a) 분말 금속 입자 및 발포제 입자의 공급을 추진 기체에 도입하여 기체/입자 혼합물을 형성하는 단계, (b) 상기 혼합물을 적어도 음파 속력의 임계 속력 이상에서 금속 기판상에 발사하여 혼합된 발포제를 함유하는 가압-압축 금속 입자의 침적을 만드는 단계 및 (c) 적어도 상기 기판상의 코팅물을 발포제의 팽창을 활성화시키는데 유효한 열 편위시키는 한편 팽창 기체의 영향하에 금속 입자를 연화시켜 소성 변형시키는 단계를 포함한다.
혼합 및 압축의 분말 야금술 단계들이 제거된, 금속 발포체를 형성하기 위한 개선된 방법이 요구된다. 또한, 기존의 표면상에 금속 발포체 구조의 표면 층을 형성하는 방법이 요구된다.
발명의 요약
기판상에 금속 발포체 층을 침적시키는 저온 분무 기법을 사용함으로써 기존 구조상에 상기 층을 형성할 수 있음이 발견되었다.
본 발명에 따라, 금속 발포체를 코팅하기 위한 기판을 제공하는 단계; 금속 입자 및 발포제의 혼합물을 기판상에 저온 분무하여 비팽창된 금속 층으로 코팅된 기판을 형성하는 단계; 팽창된 금속 발포체 층으로 코팅된 가열된 기판을 형성하기에 충분한 시간동안 발포제의 분해 온도를 초과하는 온도에서 비팽창된 금속 층으로 코팅된 기판을 발포 가열 처리하는 단계; 및 팽창된 금속 발포체 층으로 코팅된 가열된 기판을 약 상온으로 냉각하여 팽창된 금속 발포체 층으로 코팅된 냉각된 기판을 형성하는 단계를 포함하는, 기판 표면상에 금속 발포체 층을 형성하는 유리한 방법이 개시된다.
또한, 본 발명에 따라, 금속 발포체를 코팅하기 위한 제 1 철 기판을 제공하는 단계; 제 1 철 입자 및 발포제의 혼합물을 기판상에 저온 분무하여 비팽창된 제 1 철 층으로 코팅된 기판을 형성하는 단계; 팽창된 제 1 철 발포체 층으로 코팅된 가열된 기판을 형성하기에 충분한 시간동안 발포제의 분해 온도를 초과하는 온도에서 비팽창된 제 1 철 층으로 코팅된 제 1 철 기판을 발포 가열 처리하는 단계; 및 팽창된 제 1 철 발포체 층으로 코팅된 가열된 제 1 철 기판을 약 상온으로 냉각하여 팽창된 제 1 철 발포체 층으로 코팅된 냉각된 제 1 철 기판을 형성하는 단계를 포함하는, 기판 표면상에 금속 발포체 층을 형성하는 유리한 방법이 개시된다.
본원에 개시된 기판 표면상에 금속 발포체 층을 형성하는 유리한 방법 및 그의 용도/적용으로부터 수많은 이점이 초래된다.
예를 들면, 본 발명의 예시적인 양태에서, 기판 표면상에 금속 발포체 층을 형성하는 본 방법은 붕괴/버클링(buckling) 저항, 열 관리 및 기계적 및 방음 감폭 저항을 제공한다.
본 발명의 추가의 예시적인 양태에서, 기판 표면상에 금속 발포체 층을 형성하는 본 방법은 탐사, 정련 및 화학적 가공 장비의 구성요소 부분이 됨으로써 오일, 기체 및 화학적 산업에 금속 발포체가 사용될 수 있게 한다. 보다 상세하게는, 상기 탐사, 정련 및 화학적 가공 장비는 케이싱, 파이프라인, 운송선 및 기타 유동선을 포함하나 이들로 한정되지 않는다.
본 발명의 추가의 예시적인 양태에서, 기판 표면상에 금속 발포체 층을 형성하는 본 방법은 저온 분무 기법에 의해 수행된다.
기판 표면상에 금속 발포체 층을 형성하는 본 방법 및 그의 유리한 적용 및/또는 용도의 상기 및 기타 이점, 특징 및 특성은 하기 상세한 설명을 특히 첨부된 도면과 함께 읽을 때 명백해진다.
당업자가 본 발명의 청구대상을 만들고 사용하는데 도움을 주기 위해 첨부된 도면을 참고한다.
도 1은 종래의 분말 야금술 방법을 사용하여 750 ℃에서 발포시 알루미늄/TiH2 압축체의 팽창 거동의 그래프를 나타낸다.
도 2는 기존의 구조적 요소의 부분으로서 금속 발포체를 혼입하는 저온 분무 공정을 사용한 공정의 예시적인 개략도를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 금속 발포체를 형성하는데 사용된 저온 분무 공정 기법의 예시적인 개략도를 나타낸다.
도 4는 Al-2% TiH2 코팅을 갖는 알루미늄 기판의 상면도의 예시적인 사진을 나타낸다.
도 5는 강화 및 발포 열 순환의 예시적인 그래프를 나타낸다.
도 6은 가열 처리 전후의 Al-2% TiH2 코팅된 샘플의 예시적인 사진을 나타낸다.
도 7은 3개의 상이한 확대율(10배, 100배 및 500배)에서 샘플 1의 Al-2% TiH2의 예시적인 광학 현미경 사진을 나타낸다.
도 8은 250배 확대율에서 코팅의 계면 근처의 비팽창된 Al-2% TiH2 저온-분무된 코팅된 샘플의 예시적인 주사 전자 현미경 사진이다.
도 9는 500배 확대율에서 코팅의 계면 근처의 비팽창된 Al-2% TiH2 저온-분무된 코팅된 샘플의 예시적인 주사 전자 현미경 사진이다.
도 10은 10배 확대율에서 팽창된 Al-2% TiH2 저온-분무된 코팅된 샘플(샘플 1)의 단면의 예시적인 주사 전자 현미경 사진이다.
도 11은 20배 확대율에서 팽창된 Al-2% TiH2 저온-분무된 코팅된 샘플(샘플 1)의 단면의 예시적인 주사 전자 현미경 사진이다.
도 12는 50배 확대율에서 팽창된 Al-2% TiH2 저온-분무된 코팅된 샘플(샘플 1)의 단면의 예시적인 주사 전자 현미경 사진이다.
도 13은 100배 확대율에서 팽창된 Al-2% TiH2 저온-분무된 코팅된 샘플(샘플 1)의 단면의 예시적인 주사 전자 현미경 사진이다.
도 14는 500배 확대율에서 팽창된 Al-2% TiH2 저온-분무된 코팅된 샘플(샘플 1)의 단면의 예시적인 주사 전자 현미경 사진이다.
도 15는 1000배 확대율에서 팽창된 Al-2% TiH2 저온-분무된 코팅된 샘플(샘플 1)의 단면의 예시적인 주사 전자 현미경 사진이다.
본 발명은 기판 표면상에 금속 발포체 층을 형성하는 방법에 관한 것이다. "발포체"는 액체 또는 고체중의 기상의 균일한 분산액으로서 정의된다. 단일 기체 포유물은 각각 액체 또는 고체 부분에 의해 서로 분리된다. 따라서, 셀은 액체 또는 고체에 의해 완전 밀봉될 수 있고 상호연결되지 않으며, 이는 폐쇄 셀 발포체로 지칭된다. 다르게는, 셀은 액체 또는 고체에 의해 완전 밀봉되지 않을 수 있고 상호연결되며, 이는 개방 셀 발포체로 지칭된다. 본래의 의미로 용어 "발포체"는 액체중 기포의 분산액에 대해 지정된다. 그러나, 이러한 발포체의 형태는 액체를 고화시킴으로써 보존될 수 있으므로 소위 "고체 발포체"가 수득된다. "금속 발포체"는 일반적으로 고체 발포체로서 지칭된다. 액체 금속 발포체는 단지 물질의 제작동안 일어나는 단계이다. 고체 발포체는 보다 통상적으로 "셀 고체"로 불리는 특정 경우이다. 액체중에서는 표면 에너지의 최소화만이 특정 발포체 형태, 즉 액체 대응물의 이미지일 뿐인 고체 발포체가 동일한 방식으로 제한될 수 있다. 대조적으로, 셀 고체는 반드시 액체 상태로부터 제조되는 것이 아니며 따라서 거의 임의의 형태, 예컨대 소결된 분말의 전형적인 개방 구조를 가질 수 있다. 종종 이러한 다공성 구조가 "발포체"로 명명되지만 용어 "스폰지"가 더 적절한 것 같다. 금속 발포체는 개방 셀 또는 폐쇄 셀 형태의 구조를 가질 수 있다.
현재 산업은 금속 발포체를 자가 직립식 발포체로서 제조하는 것에 초점을 맞추고 있지만, 기존 구조의 부분으로서 혼입되거나 결합될 수 있는 경우에 더욱 많이 사용될 수 있다. 상세하게는, 금속 발포체 층을 갖는 구조는 탐사, 정련 및 화학적 가공 장비의 구성요소 부분이 됨으로써 오일, 기체 및 화학적 산업에 사용될 수 있다. 보다 상세하게는, 상기 탐사, 정련 및 화학적 가공 장비는 케이싱, 파이프라인, 운송선 및 기타 유동선을 포함하나 이들로 한정되지 않는다. 본 발명의 금속 발포체 공정의 비제한적인 하나의 예시적 양태가 도 2에 도시되어 있다. 도 2는 기존 구조상에 분말 야금술 전구체 혼합물을 침적한 후 가열 처리하여 발포제를 분해하여 기상을 제조하고 기질을 연화시켜 발포하는 개념을 나타낸다. 가열 처리는 구조적 요소의 전부 또는 일부를 노(furnace)에 두거나 적절한 레이저 기술을 사용하여 금속 발포체 전구체 층만을 가열함으로써 수행될 수 있다. 이는, 혼합물을 침적시키기 위하여, 발포제를 조급하게 분해하는 것을 피하고 가능하게는 입자 또는 침적된 층의 임의의 산화를 피하도록 비교적 저온에서 수행될 필요가 있다. 저온 분무 공정은 분말 야금술 혼합물을 기판상에 침적시키기 위한 공정의 예로서 공정을 제한하는 것이 아니다.
저온 분무는 다양한 기판상에 분말 물질을 침적시키기 위한 코팅 방법으로서 정의된다. 저온 분무는 기판으로의 수송중 입자의 가속화 및 기판으로의 입자의 충돌이 중요하다는 점에서 다른 열 분무 공정과 유사하다. 한편, 저온 분무는 공정 기체로부터 분말로의 열 전달이 부차적으로 중요하다는 점에서 표준 열 분무 공정과 상이하다. 저온 분무 공정을 사용함으로써, 주변 공기 환경에서 실온 또는 그 부근의 온도에서 다수의 금속 및 다른 복합물을 침적용 기판으로서 사용할 수 있다. 저온 분무는 그레인 크기, 물질 화학 또는 상 조성의 변화를 일반적으로 피하는 고상 공정이다. 생성 침적물은 전형적으로 낮은 다공율, 거의 또는 전혀 없는 부가적인 산화물 및 압축 잔존 응력을 갖는다. 또한, 기판 가열이 최소화되고 차폐에 대한 요구가 크게 감소한다.
본 발명의 저온 분무 공정의 비제한적인 하나의 예시적인 양태는 도 3에 도시되어 있다. 저온 분무는 초음파 속력(300 내지 1200 m/초)으로의 미립자의 기체-동력 가속화 및 따라서 높은 운동 에너지에 기초하므로, 고상 소성 변형 및 융합이 충돌시 발생하여 공급원료 물질이 유의하게 가열되지 않고서 조밀한 코팅을 생성한다. 이는 수렴-발산, 레이벌(Laval) 노즐, 고압(약 500 psi 또는 약 3.5 MPa 이하) 및 유속(약 90 m3/시간 이하)의 기체, 예컨대 헬륨, 질소 및 이들의 혼합물을 사용하여 달성된다. 기체는 약 1200 ℉까지 예열되어 그 속력을 증가시킬 수 있다. 예열은 또한 입자 변형에 도움을 준다. 분무 패턴은 약 20 내지 약 60 mm2(0.031 내지 0.093 in2) 폭의 범위일 수 있고, 분무 속력은 약 3 내지 약 5 kg/시간(6.5 내지 11 파운드/시간), 빌드업은 회당 약 250 μm(10 밀), 침적율은 약 70 중량%일 수 있다.
본 발명의 금속 발포체와 기판 사이의 결합은 충분한 에너지를 가짐으로써 입자 및 기판의 유의한 소성 변형을 일으킨다. 고 충돌 응력 및 스테인 하에, 입자 및 기판 표면의 상호작용은 화학적으로 깨끗한 표면의 산화 필름 촉진 접촉 및 마찰 또는 폭발 용접과 유사한 매우 고도로 편재된 가열 촉진 결합을 생성하는 높은 마찰의 파괴를 유발할 수 있다.
기판 표면상에 금속 발포체 층을 형성하는 본 방법은 발포된 금속을 다수의 기판에 적용하는 능력을 제공한다. 기판 물질은 저온 분무 공정으로부터 분무 입자의 공격적인 작용을 견딜 수 있는 것으로 제한된다. 연질 또는 무른 기판은 코팅된다기 보다 침식된다. 본 발명의 예시적인 기판으로는 강철, 스테인레스 강철, 다른 제 1 철 합금, 알루미늄, 마그네슘, 구리, 티탄 및 이들의 합금이 포함되나 이들로 한정되지 않는다. 또한, 세라믹 기재 물질이 적당한 기판으로서 작용될 수 있다.
공급원료 금속 입자는 약 1 내지 약 50 마이크론의 범위일 수 있다. 본 발명의 코팅물로서 사용하기 위한 예시적인 금속 입자로는 강철, 스테인레스 강철, 다른 제 1 철 합금, 알루미늄, 마그네슘, 구리, 티탄 및 이들의 합금과 같은 연성 물질이 포함되나 이로써 한정되지 않는다. 세라믹과 같은 경질 및 부서지기 쉬운 물질은 순수한 형태로 분무될 수 없지만 연성 기질 상과의 복합물로서 적용될 수도 있다.
아연, 알루미늄 및 이들의 합금의 금속 입자용 발포제로는 수소화 티탄(TiH2) 및 수소화 지르코늄(ZrH2)이 포함되나 이들로 한정되지 않는다. 강철은 탄산 스트론튬(SrCO3)과 같은 알칼리 토금속 탄산염으로 발포될 수 있으나 이로써 한정되지 않는다. 금속 수소화물이 취입성형제로서 사용되는 경우에는, 대부분의 경우 금속 입자의 함량이 10 중량% 미만, 보다 바람직하게는 3 중량% 미만, 보다 더 바람직하게는 1 중량% 미만이 충분하다.
금속 기질내에 균질하게 분산된 발포제가 그의 분해 온도 초과이지만 금속 물질의 융점 미만의 온도에서 충분한 시간동안 가열되는 경우, 기체는 비팽창된 금속 층이 팽창되게 하여 고도의 다공성 팽창된 금속 발포체 층을 형성하게 된다. 금속 발포체 층의 팽창은 발포제의 유형, 발포제의 부하 수준, 발포체 가열 처리 단계 온도 및 발포체 가열 처리 단계에의 노출 시간에 의해 제어될 수 있다. 완전한 팽창에 필요한 시간은 온도 및 전구체의 크기에 좌우되고 수초 내지 수분의 범위일 수 있다.
본 발명의 발포 방법은 저온 분무 단계 후에 및 발포 가열 처리 단계 전에 비팽창된 금속 층으로 코팅된 기판을 비팽창된 금속 층의 소결 온도 초과 및 발포제의 분해 온도 미만의 온도로 강화 가열 처리하는 추가적인 단계를 포함할 수도 있다. 강화 가열 처리 단계는 비팽창된 금속 층을 소결하기에 충분한 시간동안 수행되어, 소결된 금속 층이 후속 발포체 가열 처리 단계동안 팽창되어 소결된 팽창된 금속 층을 형성하도록 한다.
기판상에 금속 층을 형성하는 방법에 있어서 다음 단계는 발포체 가열 처리 단계로부터의 팽창된 금속 발포체 함유 기판을 약 상온으로 냉각하는 것이다. 주위 공기에의 노출, 강제된 공기 대류, 및 수냉을 포함하나 이들로 한정되지 않는 임의의 적당한 냉각 수단이 사용될 수 있다. 본 방법에 의해 형성된 기판상의 생성 금속 발포체 층은 발포제의 양을 포함하나 이로써 한정되지 않는 다양한 인자에 따라 구조체의 개방 셀 또는 폐쇄 셀 유형을 가질 수 있다. 또한, 금속 발포체 층은 특정 용도에 따라 기판의 표면 층으로서 또는 기판의 내부 층으로서 형성될 수 있다.
본 금속 발포체 층 형성 방법은 붕괴/버클링 저항, 열 관리 및 기계적 및 방음 감폭 저항 및 기타 이점을 제공한다. 본 발명의 금속 발포체 층의 형성방법은 케이싱, 파이프라인, 운송선 및 유동선의 구성요소 부분으로서 적용될 수 있다. 이러한 적용에 있어서, 금속 발포체 층은 표면 층 또는 내부 층일 수 있다. 내부 층으로서, 금속 발포체 층은 구조체의 외부 표면과 내부 표면 사이에 있다. 표면 층으로서, 금속 발포체 층은 구조체의 내부 표면, 외부 표면 또는 이들 내부 표면과 외부 표면 양면일 수 있다. 또한, 본 발명의 금속 발포체 층의 형성방법은 샌드 스크린, 방화벽, 및 발포체-코어 구조 부재에 적용될 수 있다. 또한, 본 방법은 샌드 스크린, (다운홀 케이싱) 각 팽창, 해저( 및 기타) 유동선용 열 전도/절연, 오프쇼어 플랫폼 리빙 쿼터용 방화벽 및 경량의 "발포체-코어" 구조 부재를 포함하나 이들로 한정되지 않는 다양한 온쇼어, 오프쇼어 및 관련 구조체의 구성요소 부분이 됨으로써 오일, 기체 및 화학적 산업에 특히 적용될 수 있다. 또한, 본 발명의 폐쇄 셀 금속 발포체 층의 형성방법은 붕괴/버클링 저항, 열 관리 및 기계적 및 방음 감폭 저항이 요구되는 기타 산업에도 적용된다.
시험 방법
금속 발포체 층의 부피 변화를, 샘플을 수중에 침지시키고 배수 중량을 측정함으로써 측정하였다. 이어서, 배수 중량을 물의 밀도로 나누어 부피로 전환시켰다. 최종적으로, 발포된 층의 부피를 배수 부피로부터 기판의 측정된 치수를 뺌으로써 산출하였다.
광학 현미경 및 주사 전자 현미경을 사용하여 발포된 금속 층을 분석하였다.
본 연구에서, 알루미늄 및 TiH2 분말을 알루미늄 표면상의 코팅물로서 저온 분무 기법을 사용하여 공동 분무하였다. 이어서, 코팅물을 가열하여 TiH2 입자를 원소 티탄 및 기상 수소로 분해하였다. 수소 기체는 공극을 생성하여 발포체를 형성한다. 한 실험에서, 저온 분무 공정을 사용하여 도 4에 도시한 바와 같이 5 mm 알루미늄 기판상에 발포체 전구체 층(TiH2)을 적용하였다. 발포체 전구체 층에 사용된 분말은 직경이 약 25 μm이었다. 이들을 적절한 비로 혼합하고 상이한 온도 에서 담체 기체로서 질소를 사용하여 수송하여 하기 2개 시료를 제조하였다:
시료 1: 5 mm Al 기판상에 600 ℉로 분무된 Al-2.0% TiH2 및
시료 2: 5 mm Al 기판상에 700 ℉로 분무된 Al-0.2% TiH2.
이어서, 상기 시료들을 절단하여 샘플이 절단되는 위치에 따라 달라지는 발포체 전구체 층 높이를 갖는 7 mm x 7 mm의 샘플을 제조하였다.
초기의 관심사는 발포 공정의 단락을 최소화하기 위해 저온 분무 전구체 층이 강화 가열 처리를 필요로 하는지의 여부였다. 강화 가열 처리는 소결하기에 충분히 높지만 수소화 분해 온도 미만이다. 발포 가열 처리 이전에 강화 가열 처리를 한 경우 및 하지 않은 경우 둘다에 대해 실험하였다. 상자 로를 사용하여 열 순환을 수행하였다. 각 샘플을 커버가 있는 세라믹 도가니에 위치시키고 아르곤을 약 100 ml/분의 속도로 세라믹 하우징내에 펌핑하였다.
2.0% 및 0.2% Al-TiH2 발포체 전구체 샘플에 대한 열 처리의 완전한 목록은 각각 하기 표 1 및 표 2에 제시되어 있다. 이들 두 열 순환을 별도로 수행하였고, 이들 순환의 그래프를 도 5에 도시하였다.
또한, 표 1 및 표 2에서의 샘플을 발포도 또는 코팅물의 다공율을 결정하기 위해 코팅물의 부피 변화에 대해 측정하였다. 하기 표 3은 열 처리 함수로서 알루미늄 기판상의 Al-2% TiH2 코팅물의 부피 변화(%)를 제시한다. 그 데이터는 2% TiH2로 팽창된 알루미늄 코팅물의 경우 본 발명의 발포 방법에 따라 약 345% 까지의 부피 변화율이 달성될 수 있음을 시사한다.
하기 표 4는 열 처리 함수로서 알루미늄 기판상의 Al-0.2% TiH2 코팅물의 부피 변화(%)를 제시한다. 그 데이터는 0.2% TiH2로 팽창된 알루미늄 코팅물의 경우 본 발명의 발포 방법에 따라 약 120% 까지의 부피 변화율이 달성될 수 있음을 시사한다. 따라서, 발포제(TiH2)의 부하가 낮으면 발포 가열 처리 단계동안 알루미늄 코팅물의 팽창이 덜 일어난다.
광학 현미경 및 주사 전자 현미경(SEM)을 사용하여 2% TiH2로 코팅된 알루미늄의 비팽창된 및 팽창된 샘플의 형태를 특성화하였다. 도 7은 3개의 상이한 확대율(10배, 100배 및 500배)에서 샘플 1의 Al-2% TiH2의 예시적인 광학 현미경 사진을 나타내고, 알루미늄 코팅물의 폐쇄 셀 발포체 유형 형태의 존재를 확인시켜 준다. 도 8 및 9는 각각 250배 및 500배 확대율에서 코팅의 계면 근처의 비팽창된 Al-2% TiH2 저온-분무된 코팅된 샘플의 예시적인 주사 전자 현미경 사진이다. 이들 도로부터 발포 처리 단계 이전의 발포의 결손이 확인된다. 도 10, 11, 12, 13, 14 및 15는 각각 10배, 20배, 50배, 100배, 500배 및 1000배 확대율에서 팽창된 Al-2% TiH2 저온-분무된 코팅된 샘플(샘플 1)의 단면의 예시적인 주사 전자 현미경 사진이다. 이들 도로부터 본 발명의 코팅 방법에 의해 제조된 폐쇄 셀 알루미늄 발포된 구조체가 확인된다. 본 연구 결과는 금속 발포체가 저온 분무 방법에 의해 고체 금속 표면상에 형성될 수 있다는 것 및 공극의 크기 및 분포가 가공 조건의 함수로서 변화될 수 있다는 것이 입증된다.
본 출원인은 합리적으로 예견될 수 있는 청구대상의 모든 양태 및 적용을 개시하려 하였다. 그러나, 등가물로서 유지되는 예견될 수 없는 실체가 없는 변형이 존재할 수도 있다. 본 발명은 특정의 예시적인 양태와 함께 기술되었지만, 본 발명의 정신 또는 범주를 벗어나지 않는 범위내에서 상기 기술내용에 비추어 당업자가 다수의 변형, 수식 및 변화를 줄 수 있음은 명백하다. 따라서, 본 개시내용은 상기한 상세한 설명의 모든 변형, 수식 및 변화를 포함하고자 한다.
Claims (35)
- 금속 발포체를 코팅하기 위한 기판을 제공하는 단계;금속 입자 및 발포제의 혼합물을 기판상에 저온 분무하여 비팽창된 금속 층으로 코팅된 기판을 형성하는 단계;팽창된 금속 발포체 층으로 코팅된 가열된 기판을 형성하기에 충분한 시간동안 발포제의 분해 온도를 초과하는 온도에서 비팽창된 금속 층으로 코팅된 기판을 발포 가열 처리하는 단계; 및팽창된 금속 발포체 층으로 코팅된 가열된 기판을 약 상온으로 냉각하여 팽창된 금속 발포체 층으로 코팅된 냉각된 기판을 형성하는 단계를 포함하는, 기판상에 금속 발포체 층을 형성하는 방법.
- 제 1 항에 있어서,팽창된 금속 발포체 층이 폐쇄 셀 또는 개방 셀 구조인 방법.
- 제 1 항에 있어서,기판이 알루미늄, 강철, 스테인레스 강철, 구리, 티탄, 마그네슘 및 이들의 합금으로 구성된 군으로부터 선택되는 방법.
- 제 1 항에 있어서,기판이 세라믹 기재 물질인 방법.
- 제 1 항에 있어서,금속 입자가 알루미늄, 강철, 스테인레스 강철, 구리, 티탄, 마그네슘 및 이들의 합금으로 구성된 군으로부터 선택되는 방법.
- 제 5 항에 있어서,금속 입자가 약 1 내지 약 50 마이크론의 입자 크기를 갖는 방법.
- 제 1 항에 있어서,발포제가 금속 수소화물 또는 알칼리 토금속 탄산염인 방법.
- 제 7 항에 있어서,발포제가 수소화 티탄 또는 수소화 지르코늄인 방법.
- 제 1 항에 있어서,발포제가 금속 입자 및 발포제의 혼합물의 약 10 % 미만을 차지하는 방법.
- 제 9 항에 있어서,발포제가 금속 입자 및 발포제의 혼합물의 약 3 % 미만을 차지하는 방법.
- 제 1 항에 있어서,저온 분무 단계가초음파 노즐을 갖는 저온 분무 총에 i) 금속 입자 및 발포제의 혼합물 및 ii) 헬륨, 질소 및 이들의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택된 예열된 작업 기체를 제공하여 기체 혼합물을 형성하는 단계;상기 저온 분무 총을 사용하여 초음파 노즐을 통해 기체 혼합물을 가속화시켜 속력이 약 300 내지 약 1200 m/초의 범위인 가속화된 기체 혼합물의 분무 패턴을 형성하는 단계; 및상기 가속화된 기체 혼합물의 금속 입자 및 발포제를 기판상에 침적시켜 금속 입자 및 발포제의 혼합물의 비팽창된 층을 형성하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
- 제 11 항에 있어서,초음파 노즐이 수렴-발산 유형인 방법.
- 제 11 항에 있어서,예열된 작업 기체가 약 200 내지 약 1200 ℉의 온도인 방법.
- 제 11 항에 있어서,저온 분무 단계가 약 상온에서 수행되는 방법.
- 제 11 항에 있어서,분무 패턴이 약 0.031 내지 약 0.093 in2 폭의 범위이고, 분무 속력이 약 6.5 내지 약 11.0 파운드/시간의 범위이고, 빌드업 속도가 회당 약 10 밀인 방법.
- 제 1 항에 있어서,발포 가열 처리 단계가 노(furnace)중에서 또는 레이저에 의해 수행되는 방법.
- 제 1 항에 있어서,저온 분무 단계 후에 및 발포 가열 처리 단계 전에비팽창된 금속 층으로 코팅된 기판을 비팽창된 금속 층의 소결 온도 초과 및 발포제의 분해 온도 미만의 온도로 비팽창된 금속 층을 소결하기에 충분한 시간동안 강화 가열 처리하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
- 제 1 항에 있어서,팽창된 금속 발포체 층으로 코팅된 냉각된 기판이 오일 및 기체 탐사, 정련 및 화학적 가공 장비의 구성요소 부분을 차지하는 방법.
- 제 1 항에 있어서,팽창된 금속 발포체 층으로 코팅된 냉각된 기판이 케이싱, 파이프라인, 운송선 및 유동선의 구성요소 부분을 차지하는 방법.
- 제 19 항에 있어서,팽창된 금속 발포체 층으로 코팅된 냉각된 기판이 하나 이상의 표면 층을 포함하는 방법.
- 제 1 항에 있어서,팽창된 금속 발포체 층으로 코팅된 냉각된 기판이 샌드 스크린, 방화벽 및 발포체-코어 구조 부재의 구성요소 부분을 차지하는 방법.
- 제 21 항에 있어서,팽창된 금속 발포체 층으로 코팅된 냉각된 기판이 하나 이상의 표면 층을 포함하는 방법.
- 금속 발포체를 코팅하기 위한 제 1 철 기판을 제공하는 단계;제 1 철 입자 및 알칼리 토금속 탄산염 발포제의 혼합물을 기판상에 저온 분무하여 비팽창된 제 1 철 층으로 코팅된 기판을 형성하는 단계;팽창된 제 1 철 발포체 층으로 코팅된 가열된 제 1 철 기판을 형성하기에 충분한 시간동안 알칼리 토금속 탄산염 발포제의 분해 온도를 초과하는 온도에서 비팽창된 제 1 철 층으로 코팅된 제 1 철 기판을 발포 가열 처리하는 단계; 및팽창된 제 1 철 발포체 층으로 코팅된 가열된 제 1 철 기판을 약 상온으로 냉각하여 팽창된 제 1 철 발포체 층으로 코팅된 냉각된 제 1 철 기판을 형성하는 단계를 포함하는, 기판상에 금속 발포체 층을 형성하는 방법.
- 제 23 항에 있어서,팽창된 제 1 철 발포체 층이 폐쇄 셀 또는 개방 셀 구조인 방법.
- 제 23 항에 있어서,제 1 철 기판이 강철 또는 스테인레스 강철인 방법.
- 제 23 항에 있어서,제 1 철 입자가 강철 또는 스테인레스 강철인 방법.
- 제 23 항에 있어서,알칼리 토금속 탄산염 발포제가 탄산 스트론튬인 방법.
- 제 23 항에 있어서,알칼리 토금속 탄산염 발포제가 제 1 철 입자 및 알칼리 토금속 탄산염 발포제의 혼합물의 약 10% 미만을 차지하는 방법.
- 제 28 항에 있어서,알칼리 토금속 탄산염 발포제가 제 1 철 입자 및 알칼리 토금속 탄산염 발포제의 혼합물의 약 3.0% 미만을 차지하는 방법.
- 제 23 항에 있어서,저온 분무 단계가초음파 노즐을 갖는 저온 분무 총에 i) 제 1 철 입자 및 알칼리 토금속 탄산염 발포제의 혼합물 및 ii) 헬륨 또는 질소인 예열된 작업 기체를 제공하여 기체 혼합물을 형성하는 단계;상기 저온 분무 총을 사용하여 초음파 노즐을 통해 기체 혼합물을 가속화시켜 속력이 약 300 내지 약 1200 m/초의 범위인 가속화된 기체 혼합물의 분무 패턴을 형성하는 단계; 및상기 가속화된 기체 혼합물의 제 1 철 입자 및 알칼리 토금속 탄산염 발포제를 제 1 철 기판상에 침적시켜 제 1 철 입자 및 알칼리 토금속 탄산염 발포제의 혼합물의 비팽창된 층을 형성하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
- 제 30 항에 있어서,저온 분무 단계 후에 및 발포 가열 처리 단계 전에비팽창된 제 1 철 층으로 코팅된 제 1 철 기판을 비팽창된 제 1 철 층의 소결 온도 초과 및 발포제의 분해 온도 미만의 온도로 비팽창된 제 1 철 층을 소결하기에 충분한 시간동안 강화 가열 처리하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
- 제 23 항에 있어서,팽창된 제 1 철 발포체 층으로 코팅된 냉각된 제 1 철 기판이 케이싱, 파이프라인, 운송선 및 유동선의 구성요소 부분을 차지하는 방법.
- 제 32 항에 있어서,팽창된 제 1 철 발포체 층으로 코팅된 냉각된 기판이 하나 이상의 표면 층을 포함하는 방법.
- 제 23 항에 있어서,팽창된 제 1 철 발포체 층으로 코팅된 냉각된 기판이 샌드 스크린, 방화벽 및 발포체-코어 구조 부재의 구성요소 부분을 차지하는 방법.
- 제 34 항에 있어서,팽창된 제 1 철 발포체 층으로 코팅된 냉각된 기판이 하나 이상의 표면 층을 포함하는 방법.
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