KR20140106654A - 현탁액 플라즈마 용사 공정에서 보호된 플라즈마 용사 또는 보호된 액체 현탁액 주입의 활용을 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

액체 현탁액으로부터 기판 상에 열 용사 (thermal spray) 코팅을 생성하기 위한 시스템 및 방법을 개시한다. 개시된 시스템 및 방법은 플라즈마 배출물을 생성하기 위한 열 용사 토치 (torch), 및 서브마이크로미터 입자를 갖는 액체 현탁액의 유동을 플라즈마에 전달하여 플라즈마 배출물을 생성하기 위한 액체 현탁액 전달 서브시스템을 포함한다. 액체 현탁액 전달 서브시스템은 플라즈마 배출물을 부분적으로 또는 완전히 에워싸는 불활성 또는 반응성 기체 피복 (sheath)을 생성할 수 있는 주입기 또는 노즐을 포함한다. 피복은 또한 액체 현탁액의 주입을 격리하기 위해 사용될 수 있다. 현탁액 주입 지점에서 또는 주입 지점 근처에서 기체 지원 (gas assist) 스트림이 또한 사용될 수 있다. 보호대 (shroud), 피복 또는 기체 지원 기술은 플라즈마 배출물 내에 비말동반된 서브마이크로미터 입자를 유지하고, 플라즈마 배출물 내로의 주위 기체의 비말동반을 실질적으로 방지할 수 있다. 액체 현탁액 전달 서브시스템은 축선 (axial) 주입 시스템, 방사상 내부 주입 시스템, 또는 외부 방사상 주입 시스템으로서 배열될 수 있다.

Description

현탁액 플라즈마 용사 공정에서 보호된 플라즈마 용사 또는 보호된 액체 현탁액 주입의 활용을 위한 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR UTILIZATION OF SHROUDED PLASMA SPRAY OR SHROUDED LIQUID SUSPENSION INJECTION IN SUSPENSION PLASMA SPRAY PROCESSES}

본 발명은 현탁액 플라즈마 용사, 및 보다 특히 기체의 불활성 보호대 (shroud), 피복 (sheath) 및/또는 차폐 (shield)에 의한 현탁액 플라즈마 용사 배출물 또는 액체 현탁액의 보호, 피복 및/또는 차폐를 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.

통상적인 플라즈마 용사 기술에서는 주로 분말화된 코팅 물질을 플라즈마 용사 건 (gun)의 플라즈마 제트 내로 전달하기 위해 분말 공급기를 이용한다. 그러나, 상기 기술은 대개 적어도 +350 메쉬 (mesh) (즉, 50%의 입자가 중간 크기보다 작고 다른 50%의 입자는 중간 크기보다 큰 약 45 마이크로미터의 중간 입자 크기)의 입자의 사용으로 제한된다. 입자 크기가 +325 메쉬 미만으로 감소할수록, 분말화된 코팅 물질을 직접 플라즈마 제트 내로 도입하는 것이 점차적으로 더 어렵게 된다. 미립자는 빽빽이 들어가고 뭉치는 경향을 보이고, 이것은 통상적인 분말 공급 시스템이 막힐 가능성을 증가시킨다.

막힘 이외에, 통상적인 플라즈마 용사 기술은 또한 다른 이유 때문에 미립자의 사용에 부적합하다. 플라즈마 제트의 극단적인 속도와 함께 미립자의 낮은 질량 때문에, 미립자는 방사상 주입 동안 경계층을 침투하지 않으면서 플라즈마 제트의 경계층으로부터 이탈되는 경향이 있다. 미세한 코팅 입자의 침투에 필요한 속도는 배출물 자체를 방해하지 않으면서 물리적으로 달성하기에는 너무 빠르다. 속도를 상기 정도로 증가시키기 위해서는 실제적인 제한이 존재한다.

보다 미세한 입자의 코팅은 열 장벽 코팅에서 사용하기 위해 요구된다. 보다 미세한 입자는 대개 보다 치밀한 코팅, 및 예를 들어 보다 작은 층상 판자형 (lamellar splat) 및 과립 (grain)을 포함하는 보다 미세한 미세구조 (microstructure) 특징을 생성한다. 보다 미세한 입자는 또한 개선된 미세 구조를 갖는 코팅된 부분을 생성하는 경향이 있다. 또한, 미립자는 그의 작은 질량에 비해 표면적이 크기 때문에 용융이 보다 쉽다.

현탁액 플라즈마 용사 (SPS)가 보다 미세한 입자를 침착시키기 위한 수단으로 부상하였다. SPS는 코팅 매질로서 건조 분말보다 코팅 구성분 또는 미립자 물질의 서브마이크로미터 크기의 입자의 액체 현탁액을 이용하는 플라즈마 용사 기술의 비교적 새로운 진보된 기술이다. 액체는, 그렇지 않으면 응집하여 분말의 토치 (torch)로의 유동을 제한하거나 방지하는 경향이 있는 서브마이크로미터 크기의 입자에 대한 담체로서 기능한다. 또한, 액체는 고체를 침전시키거나 현탁된 입자와 반응하는 열 활성화된 용액으로서 기능하는 것으로 밝혀졌다. 주로, 액체 담체에 현탁된 매우 작은 입자의 사용 때문에, 현탁액 플라즈마 용사 공정은 독특한 특성을 갖는 특유한 코팅 미세구조를 생성하는 능력을 제시하였다. 또한, 액체 소적은 방사상 주입에 의한 비말동반 (entrainment)에 필요한 모멘텀을 부여하기 위한 추가의 질량을 제공한다.

통상적인 플라즈마 용사 기술에 비해 SPS의 개선에도 불구하고, 현재의 SPS 시스템 및 방법은 계속 다양한 결점으로 문제가 되고 있다. 예를 들어, 통상적인 SPS는 전형적으로 제어되지 않는 미세구조 과립 크기 및/또는 지향성 (directional) 배향 성장의 결여를 갖는 코팅을 생성하고, 상기 두 특징은 불량한 코팅 특성을 생성할 수 있다. 미세 구조적 문제를 추가로 해결하기 위해, 유해한 화학 반응이 기판과 침착된 코팅 물질 사이에서 발생할 수 있다.

또한, 노즐 (nozzle) 위치와 침착 지점 사이의 보다 긴 이격 (stand-off) 거리는 복잡한 기하학적 구조, 예컨대 터빈 블레이드를 적합하게 코팅하기 위해 필요할 수 있다. 그러나, 보다 긴 이격 거리는 코팅 구성분의 과도한 존재 또는 체류 시간을 제공하여, 기판 도달 전에 코팅 구성분의 냉각 및 재고화를 야기할 수 있다. 이격 거리의 감소는 불충분한 가열을 야기하여, 미립자가 충분한 열을 흡수하고 충분히 용융되도록 할 수 없다. 두 경우 모두, 최종 결과는 기판에 대한 미립자 부착의 결여이고, 이에 의해 물질의 침착 효율이 감소한다. 코팅 구성분의 보다 미세한 미립자 크기는 표준 플라즈마 기술에서 전형적으로 발생하는 것보다 더 빠른 속도로 신속하게 가열되고 냉각될 수 있는 증가된 표면적을 갖는다. 따라서, 보다 미세한 미립자의 증가된 표면적은 정확한 이격 거리의 최적화에 대한 전례 없는 어려움을 제시한다.

또한, 플라즈마 기체 배출물의 난류 유동이 토치의 노즐에서 발생한다. 플라즈마 배출물의 대기와의 난류 상호작용은 배출물 온도의 빠른 감소 및 신속한 지향성 유동 변화를 제시하고, 이것은 기판을 향하는 유동 경로로부터 코팅 미립자의 분출을 야기한다. 그 결과, 분출된 미립자는 침착 효율을 감소시킨다.

상기 문제는 계속 보다 미세해지는 코팅 매질 구성분을 침착하기 위한 SPS 시스템 및 방법의 이용에 의해 발생하는 새로운 문제의 종류의 일부 예에 불과하다. 계속 진행중인 문제들에 비추어, 현재의 현탁액 플라즈마 용사 공정 및 시스템에 대한 개선 필요성이 존재한다.

발명의 개요

아래에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 본 발명의 제시되는 실시양태는 몇몇 단점을 해결하고, 플라즈마 배출물 스트림 및 그 내부에 담긴 액체 현탁액 (여기서 및 명세서 전체에 걸쳐서 집합적으로 "배출물" 또는 "플라즈마 배출물"으로 언급됨)을 에워싸는 불활성 기체 보호대의 사용을 통해 상기 언급된 상호작용을 제어하는 기술을 제공한다. 본 발명은 현재의 현탁액 플라즈마 용사 능력을 개선하기 위해 액체 현탁액을 통해 전달되는 서브마이크로미터 입자를 사용하는 플라즈마 용사 공정과 불활성 기체 보호대를 특유하게 조합하고, 현탁액 주입 및 단편화 (fragmentation) 및 배출물과 현탁액 사이의 상호작용의 제어를 통한 새로운 코팅 미세구조 가능성을 생성한다.

본 발명은 임의의 하기 측면을 다양한 조합으로 포함할 수 있고, 또한 하기 상세한 설명 또는 첨부 도면에서 설명되는 임의의 다른 측면을 포함할 수 있다.

본 발명은 플라즈마 배출물을 생성하기 위한 열 용사 토치; 서브마이크로미터 입자가 그 내에 분산된 액체 현탁액의 유동을 플라즈마 배출물에 전달하기 위한 액체 현탁액 전달 서브시스템; 및 플라즈마 배출물을 열 용사 토치로부터 전달하고 상기 플라즈마 배출물을 실질적으로 에워싸는 불활성 기체 보호대를 생성하도록 구성된 노즐 어셈블리 (assembly)를 포함하는, 액체 현탁액으로부터 기판 상에 코팅을 생성하기 위한 열 용사 (thermal spray) 시스템으로서 특징지을 수 있고; 여기서 보호대는, 서브마이크로미터 입자의 비말동반을 액체 현탁액 내에 실질적으로 유지하고 기체가 도입되어 플라즈마 배출물과 반응하는 것을 실질적으로 억제하도록 형성된다.

또한, 본 발명은 플라즈마를 열 용사 토치로부터 생성하고; 배출물 스트림을 생성하기 위해 서브마이크로미터 입자가 그 내에 분산된 액체 현탁액의 유동을 플라즈마에 또는 플라즈마에 매우 근접하게 전달하고; 보호된 (shrouded) 배출물을 생성하기 위해 배출물 스트림의 유동을 불활성 기체 보호대로 에워싸고; 보호 배출물 내에 비말동반된 서브마이크로미터 입자를 유지시키고; 기판을 코팅하기 위해서 서브마이크로미터 입자 함유 보호 배출물을 기판을 향하도록 유도하는 단계를 포함하는, 서브마이크로미터 입자가 그 내에 분산된 액체 현탁액을 사용하여 기판 상에 코팅을 생성하기 위한 방법으로서 특징지을 수 있다.

본 발명의 상기 및 다른 측면, 특징, 및 이점은 첨부 도면과 함께 제시되는, 다음과 같은 그의 보다 상세한 설명으로부터 보다 명백해질 것이다.
도 1은 액체 현탁액의 축선 (axial) 주입을 이용하는 선행 기술의 현탁액 플라즈마 용사 공정의 개략도이다.
도 2는 액체 현탁액의 내부 방사상 주입을 이용하는 선행 기술의 현탁액 플라즈마 용사 공정의 개략도이다.
도 3은 액체 현탁액의 외부 방사상 주입을 이용하는 선행 기술의 현탁액 플라즈마 용사 공정의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 실시양태에 따라 액체 현탁액의 축선 주입을 이용하는 연장된 보호 현탁액 플라즈마 용사 공정의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시양태에 따라 액체 현탁액의 내부 방사상 주입 주입을 이용하는 연장된 보호 현탁액 플라즈마 용사 공정의 개략도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시양태에 따라 액체 현탁액의 외부 방사상 주입 주입을 이용하는 연장된 보호 현탁액 플라즈마 용사 공정의 개략도이다.
도 7은 대기 침투 및 현탁액 증발이 배출물 스트림 내에서 발생하는 연소 과정을 최적화하도록 보호대의 유동 특성이 제어되는 부분적인 보호 현탁액 플라즈마 용사 공정의 개략도이다.
도 8은 발산성 불활성 기체 보호대를 이용하는 본 발명의 또 다른 실시양태를 보여준다.
도 9는 수렴성 불활성 기체 보호대를 이용하는 본 발명의 또 다른 실시양태를 보여준다.
도 10은 본 발명의 실시양태에 따라 액체 현탁액의 기체 보호된 또는 기체 피복된 축선 주입을 이용하는 현탁액 플라즈마 용사 공정의 개략도이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시양태에 따라 액체 현탁액의 기체 보호된 또는 기체 피복된 내부 방사상 주입을 이용하는 현탁액 플라즈마 용사 공정의 개략도이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시양태에 따라 액체 현탁액의 기체 보호된 또는 기체 피복된 외부 방사상 주입을 이용하는 현탁액 플라즈마 용사 공정의 개략도이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시양태에 따라 주입 지점에서 또는 주입 지점 근처에서 기체 지원 (gas assist)을 이용하는 액체 현탁액의 외부 방사상 주입을 이용하는 현탁액 플라즈마 용사 공정의 개략도이다.

상세한 설명

본 개시문은 코팅 물질의 침착을 위한 신규한 SPS 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 SPS 시스템 및 방법은 서브마이크로미터 입자의 침착에 특히 적합하다. 본 개시내용은 다양한 실시양태로 및 본 발명의 다양한 측면 및 특징을 참고로 하여 본원에서 제시된다.

본 발명의 다양한 요소의 관계 및 기능은 하기 상세한 설명에 의해 보다 잘 이해된다. 상세한 설명은 특징, 측면 및 실시양태의 다양한 순열 및 조합을 본원의 범위 내에 포함되는 것으로 고려한다. 본원은 따라서 상기 구체적인 특징, 측면, 및 실시양태의 임의의 상기 조합 및 순열, 또는 이 중에서 선택된 것 또는 것들을 포함하거나, 이로 이루어지거나 또는 본질적으로 이로 이루어지는 것으로 구체화될 수 있다.

본 발명은 현재의 SPS 시스템 및 방법의 단점을 인식하고 있다. 상기 단점은 도 1-3을 참고로 하여 보다 잘 확인될 수 있다. 도 1-3은 각각 액체 현탁액의 축선 주입; 액체 현탁액의 내부 방사상 주입 및 액체 현탁액의 외부 방사상 주입을 이용하는 선행 기술의 현탁액 플라즈마 용사 시스템 및 방법 (100, 200 및 300)의 몇몇의 개략도를 보여준다. 각각의 상기 선행 기술의 시스템에서, 많은 물리적 및 화학적 상호작용이 발생하고, 이중 많은 것이 제어되지 않는다. 예를 들어, 도 1 및 2는 액체 담체의 단편화가 배출물 내의 난류 유동에 의해 바람직하지 않은 무작위 유사 방식으로 영역 (110 및 201)에서 발생함을 보여준다. 단편화는 플라즈마 배출물 및 액체 현탁액이 접촉한 직후에 발생한다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "배출물" 및 "플라즈마 배출물"은 교환가능하게 사용될 것이고, 각각 토치 노즐의 배출구로부터 유동하는 플라즈마 기체, 코팅 구성분 또는 입자 및 액체 담체의 임의의 조합을 지칭하고자 의도된다. 예를 들어, 그 각각의 토치의 각각의 노즐 (105, 205 및 305)의 바로 가까이에 있는 배출구에서, 배출물 (140, 240 및 340)은 플라즈마 (즉, 캐소드 (cathode)와 애노드 (anode) 사이에 생성된 아크 (arc)에 대한 노출에 의해 이온화된 뜨거운 담체 기체) 및 코팅 입자를 함유하는 액체 담체의 소적 (즉, 액체 현탁액 (109, 209 및 309))으로 거의 이루어질 것이다. 그러나, 기판 (108, 208 및 308) 근처에서, 배출물 (140, 240 및 340)은 실질적으로 모든 액체 담체가 SPS 코팅 공정 (100, 200 및 300)의 상기 단계에 의해 증발되기 때문에, 주로 코팅 미립자 및 잠재적으로 유의하게 더 차가운 배출물 (140, 240 및 340)으로 이루어질 것이다.

도 1 및 2는 또한 액체 현탁액 (109 및 209)의 단편화된 소적의 일부가 각각 영역 (110 및 210)에서 배출물 (140 및 240)으로부터 분출됨을 보여준다.

도 1-3은 추가로 토치 노즐 (105, 205 및 305)의 배출구에 매우 가까운 영역에서 플라즈마 배출물 (140, 240 및 340) 내로의 대기 비말동반 (122, 222 및 322)을 보여준다. 산소를 포함하는 대기 기체의 침투는 가연성 액체 담체 (예를 들어, 에탄올)와 비말동반된 대기의 가속화된 연소를 야기한다. 또한, 도 1은 대표적인 영역 (105)로 제시된 바와 같이 액체 담체의 증발이 존재하고, 이에 의해 많은 서브마이크로미터 고체 입자가 유착하고 용융됨을 보여준다. 배출물 (140, 240 및 340) 내에 이상적인 열 조건이 존재할 경우, 일부의 서브마이크로미터 또는 매우 미세한 입자가 증발 물질종으로 변형되어, 기판 (108, 208 및 308)의 저하된 침착 효율 및 부적절한 코팅을 야기한다.

현탁액 (109, 209 및 309)의 상기 단편화된 소적, 용융된 입자 및 증발된 물질종은 대기 비말동반에 의한 연소 부산물과 함께 배출물 스트림 (140, 240 및 340)을 따라 기판 (108, 208 및 308)을 향해 운반되고, 그 동안 영역 (105, 205 및 305)에 도시된 바와 같이 원치 않는 반응, 예컨대 입자 산화를 포함하는 추가의 현탁액-입자 화학 반응이 발생한다. 또한, 배출물 (140, 240 및 340)의 수송 동안, 많은 단편화된 소적 및 입자가 현탁액 (109, 209 및 309)로부터 계속 분출되어 침착 효율을 추가로 저하시킨다.

도 1-3은 배출물 스트림 (140, 240 및 340)이 코팅되는 기판 (108, 208 및 308)에 접근함에 따라 배출물 스트림 (140, 240 및 340) 내의 온도 프로파일이 변하고, 이에 의해 더 차가운 입자의 일부 재고화 및 비말동반된 증발된 물질종의 응축이 발생함을 추가로 보여준다. 기판 (108, 208 및 308)에 도달하면, 다양한 물리적인 상태의 코팅 물질이 기판에 충돌하고, 코팅 물질의 기판에 대한 물리적인 결합을 포함하는 코팅 (106, 206 및 306)을 형성한다. 기판 (108, 208 및 308)과 코팅 물질 사이의 유해한 화학 반응이 발생할 수 있다.

현재의 현탁액 플라즈마 용사 시스템은 현탁액 플라즈마 용사 공정의 3개의 핵심적인 기, 즉 (i) 현탁액 주입 및 단편화; (ii) 배출물 및 현탁액 상호작용; 및 (iii) 배출물 및 코팅 축적물과 기판 상호작용 동안 이들 물리적 및 화학적 상호작용을 적절하게 제어하지 못하는 단점이 문제가 되고 있다.

도 4-13에서 논의되는 바와 같이, 본 발명에서 제시되는 실시양태는 도 1-3에 제시된 상기 언급된 많은 단점을 해결한다. 본 발명은 배출물 스트림 및/또는 액체 현탁액의 주입 위치를 에워싸는 불활성 기체 보호, 피복 및/또는 기체 지원의 사용을 통해 상기 언급된 유해한 상호작용을 제어하기 위한 기술을 제공한다.

이제 도 4 내지 6에서, 본 발명의 상이한 실시양태의 개략도, 즉 각각 현탁액 플라즈마 용사 시스템 및 방법 (400, 500 및 600)의 도면이 제시된다. SPS 시스템 및 방법 (400)은 배출물 (440) (즉, 플라즈마 및 액체 현탁액 (409))을 에워싸는 연장된 불활성 기체 보호대 (401)과 함께 액체 현탁액 (409)의 축선 주입을 이용한다. 임의의 적합한 불활성 기체, 예를 들어, 아르곤, 질소, 및/또는 헬륨이 보호대 (401)를 생성하기 위해 사용될 수 있다. 도 4는 그를 통해 액체 현탁액 (409) 및 담체 기체 (416)이 순차적으로 또는 서로에 대해 공동 유동할 수 있는 내부 노즐을 에워싸는 외부 노즐을 통해 불활성 기체를 소정의 유량으로 유동시킴으로써 보호대 (401)이 생성됨을 보여준다. 보호대 (401)은 배출물 (402)의 유동 주위로 배향되어, 배출물 (440) 주위에 불활성 기체의 보호 엔벨로프 (envelope)를 형성한다. 도 4는 보호대 (401)이 토치의 노즐 (405) 내로부터 기판 표면 (408)로 연장됨을 보여준다.

노즐 (405)의 배출구로부터 나타나는 액체 현탁액 (409) 앞에서, 플라즈마 (419)는 1차 토치 기체 (416)이 캐소드 (412)와 애노드 (413) 사이에서 아크가 생성되는 영역 내로 유동하면서 생성된다. 담체 기체 (416)은 노즐 (405)의 중앙을 통해 액체 현탁액 (409)와 순차적으로 유동하거나 공동 유동하는 것으로 제시된다. 아크는 캐소드 (412)와 애노드 (413) 사이에서 생성된다. 1차 토치 기체 (416)은 아크 영역을 통과하고, 노즐 (405) 내에서 기상 이온 및/또는 라디칼의 뜨거운 플라즈마 (419)로 이온화된다. 플라즈마 (419)는 액체 담체를 증발시키고 액체 현탁액 (409)의 코팅 구성분 (415)을 용융시키기 위해 필요한 열 에너지원을 제공한다. 플라즈마 (419)는 또한 코팅 구성분 또는 입자 (415)를 기판 표면 (408)을 향해 가속시키기 위해 충분한 모멘텀을 제공하기 위한 에너지원을 제공한다.

플라즈마 (419)가 생성된 후에, 액체 현탁액 (409) (즉, 코팅 구성분 (415)을 함유한 액체 담체 소적) 및 플라즈마 (419)가 노즐 (405)의 배출구로부터 배출물 (440)으로서 나타난다. 보호된 기체 (401)은 노즐 (405)의 목구멍 섹션 내에서 수렴한 후, 노즐 (405)로부터 나타난다. 용어 "보호대" 및 "보호대 기체"는 동일한 의미를 갖고, 본원에서 및 명세서 전체에 걸쳐 교환가능하게 사용될 것임이 이해되어야 한다.

보호대 (401)은 배출물 (440)에 대한 지속적인 엔벨로프를 형성하기 위해 배출물 (440)의 유량에 비해 충분한 유량으로 유동하도록 형성된다. 배출물 (440)은 적어도 부분적으로 노즐 (405)의 배출구로부터 기판 표면 (408)로 규정된, 이에 의해 유동 경로가 보호대 (401)에 의해 부분적으로 또는 완전히 감싸이는 액체 현탁액 (409)의 궤적 또는 유동 경로를 갖는 것으로서 특성화된다. 도 4의 실시양태에서 제시되는 바와 같이, 보호대 (401)의 길이는 노즐 (405)의 배출구로부터 기판 표면 (408)로 연장된다. 보호대 (401)의 연속적인 엔벨로프는 노즐 (405)의 배출구로부터 기판 (408)의 표면으로의 보다 긴 유동 경로 거리에 걸쳐 배출물 스트림 (440)에 열을 유지시키기 위한 효과적인 절연재로서 작용하는 열 엔벨로프를 생성한다. 토치 (405)의 배출구로부터 기판 (408)까지의 제어된 온도는 액체 현탁액 (409)의 액체 담체의 증발을 가능하게 한다. 액체 담체의 증발 후에, 액체 담체를 증발시키기 위해 사용되는 열은 이제 자유롭게 부유하고 기판 표면 (408)을 향해 이동하는 액체 현탁액 (409)의 소적 내에 일반적으로 담긴 코팅 구성분 (415)에 의해 인식된다. 코팅 구성분 (415)는 기판 (408)의 표면을 향해 유동하면서 유의한 냉각을 겪지 않으면서 부분적으로 또는 실질적으로 용융된다. 용융된 코팅 구성분 (415)는 기판 표면 (408)과 충돌하여 코팅 (403)으로서 침착된다. 상기 방식에서, 개선된 열 엔벨로프는 따라서 침착 효율을 개선한다. 또한, 배출물 (440) 내에서 열의 유지는 온도 분포의 개선된 균일성을 생성할 수 있고, 이것은 이격 작용 감도를 감소시킬 수 있다. 따라서, 도 4의 실시양태에 제시된 본 발명은 기판 표면 (408)과 충돌할 때 코팅 구성분 (415)의 실질적인 고화를 초래하지 않으면서, 이전에 통상적인 SPS에서 달성할 수 있는 것보다 먼 이격 거리에서 복잡한 기하학적 구조를 코팅하기 위한 특유한 SPS 시스템 및 방법 (400)을 허용한다.

또한, 보호대 (401)은 그의 차폐-유사 특성 때문에 배출물 (402) 내에 현탁된 코팅 입자의 산화를 최소화하거나 실질적으로 제거하는 추가의 이점을 제공할 수 있다. 보호대 (401)은 에워싸는 대기와 배출물 (402) 상호작용을 억제하거나 저해한다. 상기 방식에서, 도 1-3에서 유동 경로를 따라 관찰된 유해한 반응이 제거된다.

보호대 (401)은 또한 액체 현탁액 (409)의 소적이 배출물 (440)으로부터 분출하는 임의의 경향을 상쇄한다. 일반적으로 말하면, 보호대 (401)의 부재 하에, 배출물 (440)은 액체 소적을 더 작은 소적으로 파괴하기에 충분할 수 있는 난류 유동 방식으로 존재하고, 이를 수행하는 과정에서 소적을 배출물 스트림 (440)으로부터 분출시키기 위해 과도한 모멘텀을 적어도 일부의 소적에 바람직하지 않게 부여한다. 보호대 (401) 이용은 액체 현탁액 (409)의 소적 및 코팅 구성분 (415)의 배출물 (440) 내의 체류를 용이하게 할 수 있다. 그 결과, 코팅 구성분 (415)의 이용 증가가 달성된다.

상기 언급된 공정 이점의 조합은 과립 배향 및 충분히 작은 입자 크기 분포를 갖는 미세 구조를 갖는 기판 표면 (408) 상에 침착된 코팅 (403)을 생성할 수 있다. 유리한 미세 구조적 가능성은 혁신적인 SPS 시스템 및 방법 (400)에 의해 제어되고 재현될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시양태에 따라, 도 5는 액체 현탁액 (509)가 토치 노즐 (505) 내에 내부 주입되는 SPS 시스템 및 방법 (500)을 보여준다. 액체 현탁액 (509)의 내부 주입은 노즐 (505) 내에 생성된 플라즈마 (519)의 축에 대해 직교 배향으로 실질적으로 방사상 방향으로 발생할 수 있다. 플라즈마 (519)에 대한 액체 현탁액 (509)의 주입 각도는 상이할 수 있음을 이해해야 한다.

도 5는 1차 또는 담체 기체 (516)이 아크 영역을 통과하고 노즐 (505) 내에서 기상 이온의 뜨거운 플라즈마 상태 (519)로 이온화됨을 보여준다. 현탁액 (509)의 주입은 토치 기체 (516)이 플라즈마 상태로부터 과열된 기체로 냉각되는 영역을 나타내는, 애노드 내의 플라즈마 (519)의 하류에서 발생할 수 있음을 이해해야 한다. 플라즈마 (519)의 난류 유동은 노즐 (505) 내에서 및 또한 노즐 (505)의 배출구에서 현탁액 (509)의 액체 담체 소적을 단편화 및/또는 원자화 (atomization)한다.

도 5의 실시양태에서 제시되는 바와 같이, 보호대 (501)의 길이는 노즐 (505)의 배출구로부터 기판 표면 (508)로 연장된다. 보호대 (501)은 연속적인 열 엔벨로프를 생성하기 위해 열 유지를 제공하고, 또한 배출물 (540)으로부터 현탁액 (509)의 소적의 분출을 억제한다. 도 5의 실시양태는 보호된 기체 (501)이 층류 유동 방식으로 유동하도록 형성됨을 보여준다. 층류 유동 보호대 (501)의 제어되고 저하된 속도는 보호대 (501)을 가로지른 액체 현탁액 (509)의 소적의 단편화 현상이 도 1-3의 통상적인 SPS 시스템 및 방법 (100, 200 및 300)에 비해 보다 제어된 방식으로 발생하도록 만들 수 있다. 따라서, 액체 현탁액 (509)의 단편화된 소적은 크기 분포의 개선된 균일성을 얻는다. 그 결과, 코팅 구성분 (515)는 기판 표면 (508) 상에 침착되어 보다 제어된 입자 크기 분포를 갖는 코팅 (503)을 형성한다. 특정 코팅 용도는 액체 현탁액 (509)의 소적의 실질적인 단편화를 필요로 하지 않을 수 있음을 이해해야 한다. 따라서, 본 발명의 또 다른 실시양태에서, 보호대 (501)은 소적을 단편화하지 않도록 형성되지만, 상기 언급된 보호대 (501) 이용시의 다른 이점을 계속 달성할 수 있다.

액체 현탁액의 다른 주입 위치가 본 발명의 원리에 따라 고려된다. 예를 들어, 도 6은 액체 현탁액 (609)가 토치 노즐 (605)에 외부에서 주입되는 SPS 시스템 및 방법 (600)을 보여준다. 액체 현탁액 (609)의 외부 주입은 플라즈마 배출물 (640)의 축에 대해 직교 배향으로 실질적으로 방사상 방향으로 발생할 수 있다. 플라즈마 배출물 (640)에 대한 액체 현탁액 (609)의 주입 각도는 상이할 수 있음을 이해해야 한다. 도 5와 유사하게, 보호된 기체 (601)은 액체 현탁액 (609)의 소적의 보다 균일한 단편화를 생성하기 위해 층류 유동 방식으로 유동하도록 형성된다.

도 4, 5 및 6의 각각의 실시양태는 특유한 공정 이점을 제공한다. 예를 들어, 도 4, 5 및 6의 실시양태에서 설명되는 다양한 불활성 기체 보호대 (401, 501 및 601)의 사용을 통해, 플라즈마 및 액체 현탁액 상호작용은 보다 정밀하게 제어될 수 있다. 특히, 불활성 기체 보호대 (401, 501 및 601)은 배출물 스트림 (440, 540 및 640) 내에 열 유지 및 입자 비말동반 유지를 제어하고, 따라서 배출물 (440, 540 및 640)의 유동 경로를 따라 액체 담체 증발의 보다 우수한 제어를 비롯하여 플라즈마 배출물-액체 담체와 코팅 구성분 (415, 515 및 615) 사이에 발생하는 화학적 및 물리적 반응을 보다 정밀하게 제어하기 위해 사용될 수 있다. 연소 반응은 보호대 (401, 501 및 601)이 배출물 (440, 540 및 640) 주위에 실질적으로 화학적으로 불활성인 블랭킷 (blanket) 또는 엔벨로프를 제공하여 대기 비말동반을 억제하기 때문에 제거된다. 추가로, 기체 보호대 (401, 501 및 601)의 이용은 또한 배출물 (440, 540 및 640) 내의 난류 유동 때문에 배출물 (440, 540 및 640)으로부터 분출될 수 있는 코팅 입자 (415, 515 및 615)의 재-비말동반을 돕기 위해 배출물 (440, 540 및 640)의 경계에 운동 에너지를 제공할 수 있다.

또한, 도 4, 5 및 6에 제시된 각각의 실시양태는 배출물에 보다 많은 열을 유지하고 보다 큰 작동 엔벨로프를 제공하기 위해 작동하는 불활성 기체 보호대를 플라즈마 배출물 주위에 생성한다. 보다 큰 작동 엔벨로프는 토치와 기판 사이의 보다 긴 작업 거리 및 서브마이크로미터 입자의 보다 우수한 처리로 해석된다. 즉, 서브마이크로미터 입자는 규정된 온도에서 보다 긴 체류 시간 동안 존재하여, 개선된 용융 및 플라즈마 배출물 내의 입자의 증발 물질종의 증가를 유도한다. 이것은 이격 거리에 대한 민감도를 감소시킬 수 있다. 추가로, 불활성 기체 보호대의 사용은 또한 보다 균일한 소적 단편화 및 기판 표면 근처에서 및 기판 표면에서 환경 및 온도의 보다 우수한 제어에 기여할 수 있다.

그 일부가 상기 언급된 공정상 이점은 침착된 코팅 (403, 503 및 603)의 보다 제어된 미세구조로 해석될 수 있다. 본 발명은 코팅의 미세 구조 및 특성을 결정하는 파라미터가 코팅 구성분 또는 입자의 온도, 크기 및 속도, 및 입자가 침착 동안 에워싸는 환경과 반응하거나 환경에 노출된 정도를 포함함을 인식하고 있다. 본 발명에서, 보호대 (401, 501 및 601)은 열을 유지하고 코팅 입자가 기판 표면에 충돌하면서 보다 균일한 온도 및 제어된 온도 분포를 생성할 수 있다. 추가로, 도 5 및 6에서 제시되고 설명되는 층류 유동 기체 보호대 (501 및 601)은 보다 균일하게 단편화된 코팅 입자 (515 및 615)의 생성을 도울 수 있다. 또한, 보호대 (401, 501 및 601)은 코팅 입자의 산화를 억제하는 화학적으로 불활성인 장벽을 생성한다. 보호 배출물은 따라서 개선된 미세구조를 생성한다.

침착된 코팅의 미세구조 및 특성에 영향을 주는 추가의 인자는 침착 속도, 충돌 각도, 및 기판 특성을 포함하고, 이들은 각각 보호에 의해 코다 큰 정도로 제어될 수 있다. 코팅 구성분 또는 입자가 플라즈마의 기상 배출물에 의해 가열되고 가속되기 때문에, 코팅 입자의 온도 및 속도는 배출물 스트림의 물리적 및 열 특성 및 플라즈마 용사 장치의 출구와 기판 사이의 이격 거리의 함수이다. 보호대의 사용에 의해 배출물 스트림의 특성을 제어함으로써, 코팅 입자의 온도 및 속도는 코팅 부착 및 코팅 미세 구조를 개선하기 위해 보다 정밀하게 제어될 수 있다.

본 발명은 본원에서 사용되는 불활성 보호의 다양한 다른 설계 변형을 고려한다. 예를 들어, 도 7은 본 발명의 또 다른 실시양태, 즉 배출물 (770)을 에워싸는 부분적으로 연장된 불활성 기체 보호대 (701)를 이용하는 현탁액 플라즈마 용사 시스템 및 공정 (700)의 개략도이다. 특히, 도 7은 보호된 기체 (701)이 배출물 (770)을 노즐 (705)의 배출구로부터 거의 영역 (760)까지 감싸는 것을 보여준다. 영역 (760) 및 영역 (761)에 의해 표시되는 그의 하류는 대기 기체를 배출물 (770) 내로 의도적으로 비말동반시키기 위한 보호대 (701)의 부재를 나타낸다. 영역 (760)에서 시작하는 보호대의 부재는 침투 및 대기 공기로부터의 산소와의 반응 때문에 용매의 연소를 가능하게 한다. 상기 공정 설계는 산소 농축을 필요로 하는 코팅의 침착시에 바람직할 수 있다. 보호대 (701)이 배출물 (770)의 유동 경로를 따라 단지 부분적으로 연장될 수 있는 방식은 여러 방식으로 실시될 수 있다. 한 예에서, 불활성 기체 보호대 (701)의 유량은 기판 표면 (708)을 향한 배출물 (770)의 보호 효과를 감소시키기 위해 배출물 (770) (즉, 액체 현탁액과 조합한 플라즈마)의 유량에 비해 감소될 수 있다. 상기 방식에서, 생성되는 코팅 (703)은 적어도 부분적으로 산화될 것이다.

도 8은 부분적으로 연장된 불활성 기체 보호대 (801)를 이용하는 현탁액 플라즈마 용사 시스템 및 공정 (800)의 또 다른 변형을 보여준다. 도 8은 발산성 불활성 기체 보호대 (801)를 이용한다. 도 8의 보호 효과는 노즐 (805)의 배출구로부터 소정의 축 방향 거리에서 발산 방식으로 점진적으로 줄어들거나 약해지는 것으로 밝혀졌다. 도 7의 불활성 기체 보호대 (701)에 비해, 발산성 불활성 기체 보호대 (801)은 배출물 스트림 (870) 내로의 추가의 대기 침투를 용이하게 하기 위해 구성된다. 영역 (860) 및 하류 영역 (861)은 배출물 스트림 (870)의 완전한 대기 비말동반을 허용하기 위해 보호대 (801)의 완전한 부재를 나타낸다. 상기 방식에서, 코팅 미립자 (815) 및 생성되는 코팅 (803)은 산화될 것이다.

도 9는 코팅 입자 (915)의 배출물 (970)으로부터의 손실 또는 분출을 억제하면서 노즐 (905)에 근접한 배출물 (970)의 액체 담체의 가연성 물질종의 충분한 연소를 용이하게 하기 위해 구성된 수렴성 불활성 기체 보호대 (901)를 이용하는 또 다른 실시양태를 보여준다. 보호 효과는 영역 (960) 및 영역 (961)에 의해 표시된 그의 하류에서 실질적으로 또는 완전히 제거되는 것이 의도된다.

도 7에 도시된 부분적인 불활성 기체 보호대 (701)의 사용, 및 도 8 및 9에 도시된 그 각각의 배출물 스트림 (870 및 970)을 에워싸는 발산성 또는 수렴성 불활성 기체 보호대 (801 및 901)는 내부 방사상 주입 입체형태 (configuration), 외부 방사상 주입 입체형태 및 축선 주입 입체형태를 이용하는 현탁액 플라즈마 용사 시스템에 동등하게 적용될 수 있음을 이해해야 한다.

현탁액 플라즈마 용사에 적용될 때, 불활성 기체 보호대의 사용, 및 보다 특히 배출물을 에워싸는 불활성 기체 보호대의 유동 특성의 제어는 배출물 스트림과 대기 혼합의 정도 및/또는 위치를 억제하거나 제어하고 배출물 스트림 내에서 발생하는 연소 과정의 정도 또는 위치를 제어하기 위해 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 공정 변수를 제어하여 보다 제어된 코팅 미세 구조를 얻기 위한 특유한 수단을 제시한다.

보호를 위해 사용되는 전형적인 불활성 기체는 질소, 아르곤, 및 헬륨을 포함하거나 또는 이들의 조합이 사용될 수 있다. 제어되는 불활성 기체 보호대의 가장 가능성 있는 유동 특성은 불활성 기체의 체적 유량 및 속도 및 불활성 기체 보호대의 난류 및 분산 특성을 포함한다. 많은 상기 유동 특성은 불활성 기체 보호대를 형성하기 위해 사용되는 노즐의 기하학적 구조 및 입체형태, 및 불활성 기체 공급 압력 및 온도에 의해 좌우된다.

상기 설명된 보호된 플라즈마 배출물은 다수의 공정상 이점을 제공하는 특유한 SPS 시스템 및 방법의 일부이다. 임의의 방식으로 제한함을 의도하지 않으면서, 예를 들어, 보호된 플라즈마 배출물은 큰 작동 열 엔벨로프 생성의 결과로서, 보다 미세한 서브마이크로미터 입자에서 관찰된 신속한 가열 및 냉각 속도와 연관된 이격 변화에 대한 코팅 민감도를 감소시킬 수 있다. 또한, 보호된 플라즈마 배출물은 침착 전에 코팅 구성분을 신속하게 냉각시키는 기능을 수행할 수 있는 대기 공기의 도입을 지연시키는 능력을 제공한다. 보호대는 또한 배출물 내의 입자가 배출물 스트림의 난류에 의한 분출로부터 저항하도록 만들 수 있다. 또한, 보호대는 액체 현탁액이 배출물 내로 침투하는 것을 도와서 액체 현탁액의 보다 미세한 소적이 보다 높은 온도 처리에 노출될 수 있또록 하고, 이에 의해 개선된 열 처리를 실시할 수 있다. 도 7-9에 도시된 부분적인 보호된 플라즈마 배출물은 용매의 연소를 통해 배출물 내로 에너지를 보출하기 위해 코팅 입자의 유동 경로 궤적을 따라 소정의 위치에서 산소를 도입하기 위해 사용될 수 있다. 이것은 배출물 내의 큰 비율의 에너지가 액체 담체를 증발시키기 위해 이용된 결과로서 침착 속도 및 효율이 50%보다 훨씬 더 작을 때 실행가능한 방안일 수 있다.

도 1-9와 관련하여 설명한 바와 같은 배출물의 부분적 또는 완전한 보호에 대한 대안으로서 또는 이에 추가로, 보호의 개념은 또한 액체 현탁액의 주입을 피복으로 격리하는 것으로 연장될 수 있다. 이제 도 10-13을 참고로 하면, 현탁액 플라즈마 용사 시스템 및 공정 (10000, 1100 및 1200)의 상이한 실시양태의 개략도가 제시되고, 이들은 각각 액체 현탁액의 기체 보호된 또는 피복된 축선 주입 (도 10); 액체 현탁액의 기체 보호된 또는 피복된 내부 방사상 주입 (도 11); 및 액체 현탁액의 기체 보호된 또는 피복된 외부 방사상 주입 (도 12)을 이용한다.

도 10은 기체 피복 (1010)이 노즐 (1080) 내의 담체 기체를 액체 현탁액 (1030)과 함께 감싸는 현탁액 플라즈마 시스템 및 공정 (1000)을 보여준다. 기체 피복 (1030)은 액체 현탁액 (1030) 주위에서 축방향으로 연장된다. 기체 피복 (1030)은 바람직하게는 층류 유동을 갖는다. 피복 (1030)은 거의 플라즈마 (1019)가 형성되는 지점 (즉, 1차 토치 기체가 캐소드 (1081) 및 애노드 (1082)에 의해 생성된 아크를 통과할 때 이온화되는 위치)까지 연장된다. 임의의 특정 이론에 매이기를 원하지 않지만, 현탁액 (1030)의 축선 주입을 따른 층류 유동 기체 보호대 또는 기체 피복 (1010)의 이용이, 특히 플라즈마 (1019)가 생성되는 지점에서 현탁액 주입 유동의 국소 난류를 감소시킴으로써 서브마이크로미터 분말의 플라즈마 배출물 (1040) 내로의 주입 및 비말동반을 개선하는 것으로 생각된다. 또한, 액체 현탁액 (1030) 내의 서브마이크로미터 입자는, 배출물 (1040)이 도 10에 도시된 바와 같이 대기 공기를 만날 때 그의 감소된 질량이 외부 힘으로부터의 모멘텀의 변화에 대한 보다 작은 저항을 제공하기 때문에 유동 방향 변화에 민감하다. 기체 피복 또는 기체 보호대 (1010) 유형 장비는 현탁액 (1030)이 노즐 (1080)의 배출구로부터 나타날 때 현탁액 주입에 대한 대기 간섭을 충분히 감소시키거나 억제할 수 있는, 주입 지점을 따라 또는 주입 지점 근처에 보다 많은 층류 유형의 유동을 제공할 수 있다. 이것은 플라즈마 배출물 (1040) 내로의 보다 효과적이고 일관된 현탁액 주입을 보장할 수 있다. 입자 분출에 민감하지 않음으로써, 배출물 (1040)은 노즐 (1080)의 배출구로부터 나타날 때 코팅 (1060)으로서 침착되는 기판 (1050)의 표면을 향한 유동 경로 궤적을 유지할 수 있다. 또한, 기체 피복 (1010)은 기판 (1050)을 향해 유동할 때 플라즈마 배출물 (1040)의 충분한 열 유지를 제공할 수 있다.

다른 기체 피복 실시양태에서, 도 11은 기체 피복 (1110)이 액체 현탁액 (1130)을 감싸는 SPS 시스템 및 방법 (1100)을 보여준다. 기체 피복 (1110)은 노즐 (1180) 내의 위치에서 액체 현탁액 (1130)의 주입 위치 주위로 연장된다. 1차 토치 기체 (1120)은 노즐 (1180) 내에서 축방향으로 유동하고 캐소드 (1182) 및 애노드 (1181)에 의해 생성된 아크와 접촉할 때 플라즈마 (1119)로 이온화된다. 도 11은 액체 현탁액 (1130)이 노즐 (1180) 내에서 플라즈마 내로 방사상으로 주입됨을 보여준다. 주입은 플라즈마 (1119)의 축에 대해 직교 배향으로 발생한다. 그러나, 플라즈마 (1119)에 대한 액체 현탁액 (1130)의 주입 각도는 본 발명에서 고려되는 바와 같이 상이할 수 있음을 이해해야 한다.

본 발명은 입자의 서브마이크로미터 크기가 일반적으로 고난류 영역을 나타내는 플라즈마 내로 침투하기에 충분한 모멘텀을 갖기에는 너무 작을 수 있음을 인식한다. 기체 피복 (1110)은 액체 현탁액 (1130)에게 플라즈마 내로 주입되기 위해 필요한 모멘텀을 제공한다. 따라서, 피복 (1110)은 예를 들어 액체 현탁액 (1130)의 속도를 증가시킬 필요 없이 방사상 주입의 독립적인 제어를 허용할 수 있다. 즉, 피복 (1110)의 부재는 주입 위치에서 현탁액 (1130)의 속도를 증가시킬 것을 필요로 할 것으로 보인다. 주입 속도의 증가는 너무 많은 질량 유량을 야기할 수 있고, 이것은 입자의 열 처리에 유해한 영향을 줄 수 있다 (즉, 코팅 입자는 감소된 체류 시간 때문에 기판 (1150)의 표면 상의 침착 전에 충분히 가열될 수 없다). 상기 방식에서, 기체 피복 (1110)은 액체 현탁액 (1130)의 목적하는 감소된 질량 유량으로 플라즈마 (1119) 내로의 충분한 침투를 허용할 수 있다.

도 12는 액체 현탁액의 주입 지점 주위에 피복을 제공하기 위한 또 다른 변형을 보여준다. 특히, 도 12는 기체 피복 (1210)이 액체 현탁액 (1230)을 그의 주입 위치에서 감싸는 SPS 시스템 및 방법 (1200)을 보여준다. 기체 피복 (1210)은 노즐 (1280)의 외부 위치에서 액체 현탁액 (1230) 주위에 방사상으로 연장된다. 1차 토치 기체 (1220)은 노즐 (1180) 내에서 축방향으로 유동하고, 캐소드 (1282) 및 애노드 (1281)에 의해 생성된 아크와 접촉시에 플라즈마 (1219)로 이온화된다. 액체 현탁액 (1230)은 노즐 (1280)의 배출구로부터 나타날 때 플라즈마 배출물 (1240)으로 주입된다. 주입은 플라즈마 배출물 (1240)의 축에 대해 직교 배향으로 이루어진다. 그러나, 플라즈마 배출물 (1240)에 대한 액체 현탁액 (1230)의 주입 각도는 본 발명에서 고려되는 바와 같이 상이할 수 있음을 이해해야 한다. 도 11과 유사하게, 기체 피복 (1210)은 주입 위치에서 액체 현탁액 (1230)의 속도를 증가시킬 필요 없이 난류 유동 플라즈마 배출물 내로의 그의 주입이 가능하도록 하기 위해 필요한 모멘텀을 액체 현탁액 (1230)에게 부여할 수 있다. 입자 분출에 민감하지 않음으로써, 배출물 (1240)은 노즐 (1080)의 배출구로부터 나타날 때 코팅 입자가 코팅 (1260)으로서 침착되는 기판 (1250)의 표면을 향한 유동 경로 궤적을 유지할 수 있다.

도 12는 주입 지점에 또는 주입 지점 근처에 액체 현탁액 (1230)에 인접하거나 이를 에워싸는 기체 보호대 또는 기체 피복 (1210)을 이용하는 것은 현탁액 (1230)의 플라즈마 배출물 (1240) 내로의 도입 전에 액체 현탁액 소적 (1230)을 단편화하는 경향이 있음을 보여준다. 상기 단편화는 영역 (1231)에서 제시된다. 플라즈마 배출물 (1240) 내로의 주입 전에 소적을 단편화함으로써, 기체 피복 (1210)은 플라즈마 배출물 (1240) 내로 주입되는 액체 현탁액 (1230)의 소적 크기 및 소적 크기 분포의 제어를 도울 수 있다. 상기 방식에서, 플라즈마 배출물 (1240) 내에서 단편화가 덜 발생할 수 있고, 소적 크기 및 소적 크기 분포는 일반적으로 플라즈마 배출물 (1240)이 코팅되는 기판 표면 (1250)을 향해 이동할 때 발생하는 공간적 및 시간적 변화와 무관할 것이다. 즉, 평균 소적 크기 및 소적 크기 분포는 보다 정밀하고 재현가능하게 제어되고, 개선된 플라즈마 용사 공정 제어 및 개선된 코팅 미세구조를 유발한다.

도 4-9에서 설명된 바와 같은 보호 배출물의 이점은 또한 도 10-12에서 제시되는 바와 같은 액체 현탁액의 주입 지점에 또는 주입 지점 근처에 기체 피복의 사용의 결과로서 발생할 수 있다. 또한, 현탁액 주입부에 근접한 기체 피복의 제공은 배출물 내의 난류 유동 때문에 배출물으로부터 분출되는 입자의 재-비말동반을 돕기 위해 배출물 경계에서 운동 에너지를 제공할 수 있다.

일부 용도에서, 기체 피복은 플라즈마 배출물 내로 주입된 액체 현탁액 소적의 소적 단편화 및 평균 소적 크기를 추가로 제어하기 위해 액체 담체를 증발시키거나 부분적으로 증발시키는 가열된 기체일 수 있다. 액체 담체의 유의한 증발이 가열된 기체 피복의 결과로서 발생하는 용도에서, 액체 담체는 증발되고, 남는 고체 입자는 직접 플라즈마 배출물 내로 주입될 것이다.

이제 도 13을 참고로 하면, 현탁액 (1330)의 주입 지점에서 또는 주입 지점 근처에서 기체 지원 스트림 (1331)과 함께 액체 현탁액 (1330)의 외부 방사상 주입을 이용하는 본 발명의 현탁액 플라즈마 용사 시스템 및 방법 (1300)의 또 다른 실시양태의 개략도가 제시된다. 기체 지원 스트림 (1331)은 현탁액 (1330)을 에워싸는 전체 기체 보호대 또는 기체 피복에 대한 대안이거나 보완적인 것이다. 기체 지원 스트림 (1331)은 바람직하게는 현탁액 주입과 근접하여 이와 동시에 및 바람직하게는 액체 현탁액 주입 (1330)으로부터 규정된 분지 (offset) 각도로 주입된 기체의 단일 또는 이중 스트림이다. 기체 지원 스트림 (1331)은 액체 현탁액 (1330)의 소적의 플라즈마 배출물 (1340) 내로의 도입 전에 소적 단편화 및 평균 소적 크기의 제어를 돕는 기능을 수행할 수 있거나, 또는 기체 지원 스트림 (1331)이 반응성 기체인 경우, 스트림 (1331)은 플라즈마 배출물 또는 둘 모두에서 발생하는 연소 및/또는 화학 반응을 보충한다. 예를 들어, 기체 지원 스트림 (1331)은 플라즈마 배출물 내로의 주입 지점에서 입자의 탄화물, 질화물 또는 산화물의 형성을 돕기 위해 사용될 수 있다.

상기 설명된 기체 지원 특징 (1331)은 도 13에 도시된 기체 피복 (1310)과 함께, 또는 기체 피복 (1310) 대신에 사용될 수 있음을 이해해야 한다. 또한, 기체 지원 특징 (1331)은 내부 방사상 주입 입체형태, 외부 방사상 주입 입체형태 및 축선 주입 입체형태를 이용하는 현탁액 플라즈마 용사 시스템에 동등하게 적용될 수 있다.

현탁액 플라즈마 용사 공정 동안 기체 보호대, 기체 피복 또는 기체 지원 스트림의 이용은 기체 유동의 제어를 필요로 한다. 제어되는 기체 보호대, 기체 피복 또는 기체 지원 스트림의 가장 가능성 있는 유동 특성은 액체 현탁액의 주입에 대한 체적 유량, 속도, 및 기체 배향을 포함한다. 액체 현탁액의 주입에 대한 정확한 또는 바람직한 배향, 유량, 속도는 기체 또는 기체 혼합물의 종류, 및 기체 보호대, 기체 피복 또는 기체 지원 스트림의 목적하는 효과에 따라 결정된다. 예를 들어, 기체 보호대의 목적이 단지 소적 단편화를 촉진하는 것일 경우, 고속 불활성 보호 기체를 사용하는 것이 유리할 수 있다. 다른 한편으로, 기체 보호대 또는 기체 피복의 의도된 효과가 입자 비말동반을 향상시키고 플라즈마 배출물 내의 연소 또는 화학 반응을 강력하게 촉진하는 것일 경우, 산소 또는 다른 반응성 기체의 층류 유동이 기체 보호대를 위해 사용될 수 있다. 상기 기체 보호대 유동 특성의 조정 및 제어는 종종 노즐 또는 주입 장치 및 기체 공급 압력 및 온도의 기하학적 구조 및 입체형태에 의해 좌우된다.

현탁액의 담체 액체가 가연성 연료, 예컨대 에탄올인, 본 발명의 적절한 SPS 시스템 및 방법의 선택을 예시하기 위한 또 다른 예에서, 불활성 기체 보호대는 바람직하게는 도 7-9에서 설명되고 예시된 바와 같이 이용된다. 불활성 기체 보호대는 직접 대기 혼합의 정도 및 위치를 제어하도록 배열된다. 상기 경우에, 불활성 기체 보호대의 목적은 에워싸는 대기와의 배출물 상호작용을 억제하거나 저해하는 것이 아니고, 플라즈마 배출물 내로의 대기 혼합을 선택적으로 및 제어가능하게 도입하고, 에워싸는 대기와의 배출물 상호작용의 정도를 정밀하게 제어하는 것이다. 불활성 기체 보호대의 유량 및 배향은 가연성 담체 매질의 연소를 최적화하기 위한 적절한 위치 및 목적하는 농도에서 대기 침투, 및 특히 산소 침투를 허용하도록 구성된다. 한 예에서, 상기 제어들 달성하거나 영향을 주기 위한 바람직한 수단은 도 7에 도시된 바와 같은 부분적인 불활성 기체 보호대의 사용이다. 배출물과의 선택적인 대기 상호작용을 달성하기 위해 배출물과의 보호 상호작용의 거리를 선택하기 위해 보호대의 수렴 또는 발산 각도를 조정할 수 있다.

에워싸는 대기와의 배출물 상호작용을 억제하거나 저해하기 위해 불활성 기체 보호대를 사용하는 것이 바람직한 상황에서, 불활성 기체 보호대와 연관된 추가의 상승효과적 이점이 존재한다. 특히, 불활성 기체 보호대의 유동 특성은 연소 전에 배출물 스트림으로부터 액체 담체의 증발 정도를 제어를 수행하여 배출물 스트림 내에서 발생하는 연소 과정을 지연시키거나 달리 최적화하기 위해 제어된다. 또한, 액체 증발의 제어가, 산소의 존재가 침착된 코팅에서 요구되지 않는 코팅에서 또는 과도한 연소가 예를 들어 액체 소적을 바람직하지 않은 크기로 추가로 단편화하거나 또는 연소의 발열 반응에 의해 추가의 열을 기판 내로 도입하는 기능을 수행하는 SPS 코팅 용도에서 유용한 것으로 입증될 수 있다.

이와 반대로, 불활성 기체 보호대의 유동 특성 및 프로파일의 제어를 통한 액체 담체의 가연성 물질종의 즉각적인 완전 연소의 제어도, 침착된 코팅이 표적화된 산화물을 포함하고/하거나 액체 소적의 추가의 단편화가 바람직한 경우에 유용한 것으로 입증될 수 있다.

본 발명은 통상적인 플라즈마 용사를 포함하는 코팅 기술에 의해 이전에 가능하지 않은 서브마이크로미터 범위의 다양한 미세한 미립자 크기를 침착할 수 있음을 유의해야 한다. 예를 들어, 한 실시양태에서, 본 발명의 SPS 시스템 및 방법은 크기 범위가 100 nm 내지 1 ㎛인 코팅 미립자를 침착할 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 본 발명은 통상적인 용사 시스템 및 방법에서 전형적으로 발생하는 미세한 미립자의 바람직하지 않은 응집을 발생시키기 않으면서 1 ㎛ 이하의 코팅 미립자를 침착할 수 있다.

상기 나타낸 바와 같이, 반응성 기체 보호대를 위해 사용되는 전형적인 반응성 기체는 산소, 수소, 이산화탄소; 탄화수소 연료, 및 질소 또는 조합물 또는 이들의 조합물을 포함하고 이로 제한되지 않는다.

유리하게는, 본원에 설명된 SPS 시스템은 상업적으로 이용가능한 적합한 토치 및 노즐 어셈블리를 이용하여 제조할 수 있고, 따라서 전체 제작 공정을 실행가능하게 하고 단순화할 수 있다. 플라즈마 생성의 측면은 표준 기술 또는 장비를 이용하여 수행할 수 있다.

임의의 적합한 액체 현탁액 전달 서브시스템이, 서브마이크로미터 입자가 그 내에 분산된 액체 현탁액의 유동을 플라즈마로 전달하기 위해 사용될 수 있다. 액체 현탁액 공급원은 액체 현탁액 분배기이다. 공급원은 대개 저장기, 수송관 (예를 들어, 배관, 밸브 장치 등), 및 주입 부품 (예를 들어, 노즐, 원자화기 (atomizer) 등)을 포함한다. 또한, 액체 현탁액 전달 서브시스템은 공정 (예를 들어, 유량, 밀도, 온도)의 측정 피드백 및 제어 방법, 예를 들어, 서로 함께 또는 독립적으로 작용할 수 있는 펌프 및 작동기 (actuator)를 포함할 수 있다. 시스템은 또한 당업계에 공지된 추가의 플러싱 (flushing) 또는 세정 시스템, 혼합 및 교반 시스템, 가열 또는 냉각 시스템을 포함할 수 있다.

상기한 내용으로부터, 본 발명이 보호된 현탁액 플라즈마 용사를 위한 시스템 및 방법을 제공함을 이해해야 한다. 본원에 개시된 본 발명은 그와 관련된 구체적인 실시양태 및 공정에 의해 설명되었지만, 청구항에 기재된 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않으면서 또는 모든 그의 특징 및 이점을 희생하지 않으면서 당업자에 의해 많은 변형 및 변동이 이루어질 수 있다.

Claims (21)

1. 플라즈마를 생성하기 위한 열 용사 (thermal spray) 토치;
   서브마이크로미터 입자 함유 액체 현탁액의 유동을 전달하기 위한 액체 현탁액 전달 서브시스템; 및
   플라즈마 배출물을 실질적으로 에워싸는 불활성 기체 보호대 (shroud)를 생성하도록 구성되며, 플라즈마 배출물을 생성하기 위해 플라즈마를 열 용사 토치로부터 액체 현탁액으로 전달하기 위한 노즐 어셈블리 (assembly)
   를 포함하고; 여기서 불활성 보호대는, 서브마이크로미터 입자의 비말동반을 플라즈마 배출물 내에 실질적으로 유지하고 기체가 도입되어 플라즈마 배출물과 반응하는 것을 실질적으로 억제하도록 구성되는 것인, 액체 현탁액으로부터 기판 상에 코팅을 생성하기 위한 열 용사 시스템.
2. 제1항에 있어서, 보호대가 노즐 어셈블리로부터 기판 표면으로 연장되는 것인 열 용사 시스템.
3. 제1항에 있어서, 보호대가 층류 유동 차폐 (shield)인 열 용사 시스템.
4. 제1항에 있어서, 보호대가 노즐로부터 기판 표면까지의 거리보다 작은 축 방향 거리를 갖는 것인 열 용사 시스템.
5. 제4항에 있어서, 보호대가 기판을 향한 방향으로 발산하는 것인 열 용사 시스템.
6. 제4항에 있어서, 보호대가 기판을 향한 방향으로 수렴하는 것인 열 용사 시스템.
7. 제1항에 있어서, 액체 현탁액 전달 서브시스템이 액체 현탁액의 유동을 에워싸는 불활성 또는 반응성 기체 피복 (sheath)을 생성하도록 구성된 주입기를 포함하는 것인 열 용사 시스템.
8. 제1항에 있어서, 액체 현탁액 시스템이 노즐의 외부에 형성되는 것인 열 용사 시스템.
9. 제1항에 있어서, 액체 현탁액 시스템이 노즐의 내부에 형성되는 것인 열 용사 시스템.
10. 제1항에 있어서, 액체 현탁액 시스템이 액체 현탁액의 축 방향 유동을 전달하기 위해 노즐의 내부에 형성되는 것인 열 용사 시스템.
11. 제8항에 있어서, 액체 현탁액 시스템이 액체 현탁액 시스템과 근접하여 이와 동시에 기체 지원 (gas assist) 스트림을 추가로 포함하는 것인 열 용사 시스템.
12. 플라즈마를 열 용사 토치로부터 생성하고;
    플라즈마 배출물 스트림을 생성하기 위해 서브마이크로미터 입자가 그 내에 분산된 액체 현탁액의 유동을 플라즈마에 또는 플라즈마에 매우 근접하게 전달하고;
    보호 배출물을 생성하기 위해 배출물 스트림의 유동을 불활성 기체 보호대로 에워싸고;
    보호 배출물 내에 비말동반된 서브마이크로미터 입자를 유지시키고;
    기판을 코팅하기 위해서 서브마이크로미터 입자 함유 보호 배출물을 기판을 향하도록 유도하는 단계
    를 포함하는, 서브마이크로미터 입자가 그 내에 분산된 액체 현탁액을 사용하여 기판 상에 코팅을 생성하는 방법.
13. 제12항에 있어서, 보호 배출물 내로 기체의 비말동반을 실질적으로 방지하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
14. 제12항에 있어서, 보호대를 가로질러 액체 현탁액의 소적을 단편화하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
15. 제12항에 있어서,
    보호대를 기판 표면으로부터 소정의 축 방향 거리에서 선택적으로 제거하고;
    주위 기체를 소정의 축 방향 거리 및 그의 하류에서 도입하고;
    서브마이크로미터 입자의 일부를 산화시키는 단계
    를 추가로 포함하는 방법.
16. 제15항에 있어서, 보호대를 소정의 축 방향 거리에서 수렴시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
17. 제15항에 있어서, 소정의 축 방향 거리에서 주위 기체의 도입을 허용하기 위해 보호대를 배출물 스트림으로부터 발산시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
18. 제12항에 있어서, 액체 현탁액을 기체 피복으로 에워싸는 단계를 추가로 포함하는 방법.
19. 제18항에 있어서, 주입된 기체의 스트림을 현탁액 주입과 근접하여 이와 동시에 도입하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
20. 제18항에 있어서, 서브마이크로미터 입자의 평균 입자 크기가 10 마이크로미터 미만인 방법.
21. 제12항의 방법에 따라 제조된, 기판 상에 침착된 코팅.

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