KR20140133499A - 기재의 코팅 방법 - Google Patents
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Abstract
기재 (10) 의 표면에 용사에 의해 프로세스 빔 (2) 형태의 출발 재료 (P) 가 분무되는 기재의 코팅 방법으로서, 상기 기재 (10) 의 표면이 재료 퇴적없이 플라즈마 용사 디바이스 (3; 3') 의 플라즈마 화염 (2') 으로 초기에 전처리되고, 이어서, 상기 출발 재료 (P) 를 포함하는 상기 프로세스 빔이 상기 표면 상에 도포되는 기재의 코팅 방법이 제안된다.
Description
본 발명은 독립 청구항의 전제부에 따른 기재의 코팅 방법에 관한 것이다.
오늘날, 예컨대 플라즈마 용사, 고속 화염 용사 (HVOF), 광 아크 용사 및/또는 광 아크 와이어 용사와 같은 용사법은 기재를 코팅하는데 흔히 사용된다.
이들 방법을 이용하여 기재에 층들이 발생되는데, 기재는 예컨대 금속성이며, 코팅은 금속성, 세라믹 또는 이들 양자의 혼합물이다. 흔히, 코팅은 서로 겹쳐서 배열되고 일반적으로 상이한 기능성을 가지는 복수의 개별 층들을 포함한다.
그래서, 예컨대, 열 배리어 코팅 (TBC), 부식 방지층, 침식 방지층 또는 서로에 대한 카운터 작동 보디들의 슬라이딩을 단순화하는 글라이딩층이 알려져 있다. 이러한 맥락에서, 적용의 일예는 양호한 윤활 특성과 양호한 마찰 특성을 가지는 층들을 갖는 연소 엔진에서의 실린더 작동 표면의 코팅이며, 그럼으로써 실린더내의 피스톤의 작동 특성이 개선된다. 또한, 의도적으로 애벌 층 (rough layer) 이 용사에 의해 도포되는 적용예도 있다. 예컨대, 생체적합성 금속 티타늄으로부터 전형적으로 만들어진 엉덩관절 보철과 같은 보철은 따라서 보철에서의 뼈 조직의 성장을 단순화하기 위해 애벌 코팅을 후속하여 구비한다. 이와 연계하여, 일반적으로는 세라믹 물질, 예컨대 수산화인회석이 코팅 재료로서 사용된다.
모든 적용예에 있어서, 용사에 의해 생성된 층이 기재에서 가능한 한 양호하게 그리고 영구적으로 부착되도록 분투하고 있다. 이 목적을 위해, 코팅될 표면은 용사 이전에 일반적으로 전처리되는데, 이러한 전처리는 액티베이션 (activation) 이라고 불리운다. 이 액티베이션은 예컨대 샌드 블라스팅, 코런덤 블라스팅, 회주철에 의한 블라스팅, 고압수 빔, 다이버스 (diverse) 레이저법, 또는 다른 공지의 액티베이션법에 의해 발생한다.
일반적으로 전처리는 장차 수요가 아주 높으며 또한 코런덤, 샌드, 또는 예컨대 고압수 빔과 같은 특정 물질을 필요로 한다. 많은 액티베이션법의 경우에는 예컨대 코런덤 블라스팅에서는 용사의 시작 이전에 추가적인 클리닝 단계 또는 건조 단계가 필요하다는 것으로부터 추가적인 문제가 발생한다. 더욱이, 세심한 클리닝에도 불구하고, 샌드 입자 또는 코런덤 입자가 표면에 남아있고 또한 그 후속 코팅의 층에 남아있는 일이 일어날 수 있다. 이러한 이물은, 예컨대, 코팅된 엉덩관절 보철의 경우에, 심각한 결과를 유발할 수 있는 바람직하지 못한 균열의 형성을 나중에 초래할 수 있다. 그러나, 표면에 코런덤 입자가 남아있지 않다고 하여도, 조화 (roughening) 프로세스에 의해 발생된 특히 고강도 물질의 표면 조도는 피로 균열의 형성을 초래할 수 있다.
따라서, 이러한 종래기술로부터 시작하여, 본 발명의 목적은 코팅될 표면의 전처리 또는 액티베이션이 아주 간단하게 행해지고 또한 코팅될 표면의 오염이 가능한 한 양호하게 회피되는, 용사에 의한 기재의 코팅 방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 만족시키는 본 발명의 주제는 독립 청구항을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명에 따르면, 기재의 표면에 용사에 의해 프로세스 빔 형태의 출발 재료가 분무되고, 기재의 표면이 재료 퇴적 (deposition) 없이 플라즈마 용사 디바이스의 플라즈마 화염으로 초기에 전처리되고, 이어서, 출발 재료를 포함하는 프로세스 빔이 표면 상에 도포 (apply) 되는 기재의 코팅 방법이 제공된다.
놀랍게도, 플라즈마 화염에 의한 전처리 또는 액티베이션에 의해 후속 도포 층의 매우 양호한 부착이 얻어질 수 있다는 것이 발견되었다. 플라즈마 화염은 전처리에서 임의의 입자 또는 이물을 포함하지 않기 때문에, 코팅될 표면의 오염이 또한 배제된다. 그러므로, 액티베이션에 따른 요구되는 클리닝 단계 또는 건조 단계가 없어지게 된다. 플라즈마 용사 디바이스는 전처리 동안 플라즈마 용사에 의해 코팅에 전형적으로 사용되는 것과 동일한 파라미터로 실질적으로 작동된다. 단지 플라즈마 화염에는 출발 재료가 도입되지 않는다.
본 발명에 따른 방법은 기재가 금속성인 적용예의 경우에도 특히 적합하다.
출발 재료는 금속성 재료 또는 세라믹 재료 또는 이들 재료의 혼합물인 것이 바람직하며, 그럼으로써 코팅의 소망 특성이 각각의 적용예의 경우에 매우 잘 매칭될 수 있다. 특히, 금속 매트릭스 화합물 재료, 예컨대 MMC 또는 서멧이 그러하다.
바람직한 실시형태에 따르면, 용사는 플라즈마 용사이다.
또한, 본 발명에 따른 방법은 저압 영역에서의 용사에 특히 적합한데, 이는 용사가 대기압보다 낮은 프로세스 압력으로 실행된다는 것을 의미한다. 그러므로, 또한 본 발명은 진공 플라즈마 용사 (VPS) 또는 저압 플라즈마 용사 프로세스, 예컨대 LPPS (Low Pressure Plasma Spraying) 또는 LPPS-TF (LPPS-Thin Film) 에 특히 적합하다.
바람직한 실시형태에서, 프로세스 빔을 발생시키는 용사 장치, 및 플라즈마 용사 디바이스는 시간 또는 공간적으로 서로 분리되어 기재의 표면에 대해 공통으로 이동되어서, 플라즈마 화염이 초기에 표면의 영역을 전처리하고, 이어서 미리 정해진 시간 프레임 후에 프로세스 빔이 후속하여 상기 영역에 도포된다. 이러한 해법은 수고와 비용이 적게 요구되는 특히 간단한 방법 절차를 가능하게 하는데, 이는 상이한 중간 단계 또는 일 장치를 다른 장치로 변경하는 일을 필요로 하지 않고서 전처리 및 용사가 차례로 연이어 발생하기 때문이다. 용사 장치 및 플라즈마 용사 장치는 예컨대 공통 축선에 또는 공통 아암에, 예컨대 처리 로봇의 아암에 장착될 수 있다. 2 개의 장치들은 예컨대 아암에서 미리 정해진 간격을 두고서 서로의 하류에 장착되어서, 아암의 선형 이동 동안에 초기에는 스프레이 장치가 그리고 후속하여 용사 디바이스가 코팅될 표면의 동일 영역을 통과한다.
다른 변형예에서는, 예컨대 레퍼런스 F210 하에 Sulzer Metco AG (Switzerland) 로부터 얻을 수 있는 플라즈마 토치와 같은, 샤프트 축선을 중심으로 회전할 수 있는 플라즈마 용사 디바이스의 경우, 제 2 플라즈마 토치가 배치되어서, 제 2 플라즈마 토치가 제 1 플라즈마 토치와 연이어 (back to back) 위치되며, 즉 원주방향에 대하여 180도 만큼 변위된다. 제 1 플라즈마 토치가 초기에 전처리를 위한 영역을 통과하고 이어서 코팅을 위한 제 2 플라즈마 토치가 회전하여 동일 영역을 통과한다. 이러한 회전가능한 플라즈마 토치들은 예컨대 연소 엔진의 실린더 작동 표면과 같은 만곡된 표면의 코팅에 사용된다.
다른 바람직한 변형예에서, 기재의 표면이 재료 퇴적없이 플라즈마 용사 디바이스에 의해 전처리되고, 이어서, 동일한 플라즈마 용사 디바이스에 의한 코팅을 위해 프로세스 빔이 발생된다. 이 실시형태에서는, 따라서 단지 하나의 플라즈마 용사 디바이스가 요구되며, 이 때문에 이 실시형태는 특히 간단하고 경제적이다. 이러한 플라즈마 용사 디바이스에 의하면, 전처리가 초기에 실시되고, 출발 재료의 공급은 차단 (switch off) 된다. 이어서, 출발 재료의 공급이 개시 (switch on) 되고, 이전에 전처리된 영역이 코팅된다.
실제적으로, 전처리용의 플라즈마 화염이 프로세스 빔을 발생시키는 플라즈마 화염과 실질적으로 동일한 플라즈마 파라미터를 이용하여, 특히 동일 전류, 동일 가스 및 동일 가스 유량을 이용하여 발생되면 유리한 것으로 나타났다.
실제적인 관점에서, 전처리 및 프로세스 빔의 도포를 위해 기재의 표면과 플라즈마 용사 디바이스의 출구 노즐 간의 간격이 동일한 크기이면 유리하다.
또한, 전처리와 프로세스 빔 (2) 에 의한 동일 영역의 도포 사이의 시간 간격이 5 분 이하이면 바람직한 것으로 밝혀졌다.
전처리와 프로세스 빔 (2) 에 의한 동일 영역의 도포 사이의 시간 간격이 1 분 이하이면 특히 유리한 것으로 밝혀졌다.
본 발명의 또 다른 유리한 해법 및 바람직한 구성은 종속 청구항으로부터 얻어진다.
이하, 실시형태와 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명한다.
개략적인 도면에는 부분 단면도가 나타나 있다.
도 1 은 본 발명에 따른 방법의 제 1 실시형태를 실시하기 위한 장치의 개략도이다.
도 2 는 본 발명에 따른 방법의 제 2 실시형태를 실시하기 위한 장치의 개략도이다.
도 1 은 본 발명에 따른 방법의 제 1 실시형태를 실시하기 위한 장치의 개략도이다.
도 2 는 본 발명에 따른 방법의 제 2 실시형태를 실시하기 위한 장치의 개략도이다.
용사에 의해 기재 (10) 를 코팅하기 위한 본 발명에 따른 방법은, 특히, 기재의 표면이 플라즈마 화염에 의해 초기에 전처리되는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 예컨대 모든 플라즈마 용사법, 고속 화염 용사 (HVOF), 광 아크 용사 및/또는 광 아크 와이어 용사와 같은 모든 용사법에 적합하다. 이와 연계하여 용사라는 용어는 또한, 전통적인 플라즈마 용사에 비하여 프로세스 가스가 "냉간" 인, 예컨대 단지 수백 켈빈 (Kelvin) 을 가지는 스프레이 프로세스를 포함한다. 코팅용의 입자들이 그 운동 에너지로 인해 초기에 기재에 부착되는 이들 프로세스는 전형적으로 콜드 가스 스프레잉 (cold gas spraying) 또는 키네틱 가스 스프레잉 (kinetic gas spraying) 으로 불리운다.
이하에서는, 본보기적인 캐릭터를 가지는 프랙티스를 위해 중요한 적용의 경우를 참조로 하며, 용사는 플라즈마 용사이다. 여기서, 이는 통상의 압력 또는 대기압에서의 플라스마 용사 프로세스일 수 있고 (APS: Atmospheric Plasma Spraying) 또한 진공 플라즈마 용사 프로세스 또는 저압 플라즈마 용사 프로세스, 예컨대 이미 언급된 VPS 프로세스, LPPS 프로세스 또는 LPPS-TF 프로세스일 수 있다.
도 1 은 도면부호 1 을 사용하여 일반적으로 언급되고 본 발명에 따른 방법을 실시하는데 적합한 플라즈마 용사 장치를 매우 개략적으로 나타낸 것이다. 더욱이, 기재 (10) 는 도 1 에 개략적으로 나타나 있는데, 도 1 에서는 층 (11) 형태의 코팅이 퇴적되어 있다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 방법은 WO-A-03/087422 또는 US-A-5,853,815 에 개시된 종류의 플라즈마 용사를 포함한다. 이 플라즈마 용사법은 소위 LPPS-박막 (LPPS=Low Pressure Plasma Spraying) 을 제조하는 용사이다.
도 1 에 도시된 플라즈마 용사 장치 (1) 는 상세히 도시되지 않은 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 토치를 가지는 용사 장치로서 그 차체로 알려진 플라즈마 용사 디바이스 (3) 를 포함한다. 이러한 관점에서, 플라즈마 용사 장치는 예컨대 Sulzer Metco AG (Switzerland) 으로부터 얻을 수 있는 타입 F4 의 플라즈마 용사 디바이스일 수 있다. 그 자체로 알려진 방식으로, 프로세스 빔 (2) 은 출발 재료 (P), 프로세스 가스 혼합물 (G) 및 전기 에너지 (E) 로부터 플라즈마 용사 디바이스 (3) 에 의해 발생된다. 이들 성분 E, G 및 P 의 도입은 도 1 에 화살표 4, 5, 6 으로 나타낸다. 발생된 프로세스 빔 (2) 은 출구 노즐 (7) 을 통해 빠져나와, 플라즈마에 재료 입자 (21, 22) 가 분산되어 있는 프로세스 빔 (2) 형태로 출발 재료 (P) 를 수송한다. 이러한 수송은 화살표 24 로 나타낸다. 상이한 재료 입자 (21, 22) 는, 출발 재료 (P) 가 수개의 상이한 재료 입자들을 포함하는 것이 일반적으로 가능하다는 것을 지시하지만, 여기서는 본질적으로 그렇지 않다. 재료 입자 (21, 22) 는 일반적으로 분말 입자이다. 예컨대 PTWA (Plasma Transferred Wire Arc) 와 같은 와이어 기반의 방법의 경우에는, 출발 재료는 와이어로서 존재한다.
플라즈마 용사 장치 (1) 는 또한 플라즈마 용사 디바이스 (3) 와 동일한 유형일 수 있는 제 2 플라즈마 용사 디바이스 (3') 를 포함하지만, 반드시 그럴 필요는 없다. 이 제 2 플라즈마 용사 디바이스 (3') 는, 프로세스 가스 혼합물 (G') 및 전기 에너지 (E') 로부터, 출구 노즐 (7') 을 통해 빠져나와 코팅될 기재 (10) 의 표면의 영역 (B) 에 인가될 수 있는 플라즈마 화염 (2') 을 발생시키는 역할을 한다. 성분 E' 및 G' 의 도입은 도 1 에서 화살표 4' 및 5' 로 나타낸다.
2 개의 플라즈마 용사 디바이스 (3, 3') 는 미리 정해진 간격 (A) 으로 서로에 대해 고정되도록 공통 아암 (8) 에 장착된다. 예컨대, 아암 (8) 은 도 1 에 화살표 V 로 나타낸 바와 같이 미도시된 처리 로봇에 의해 이동될 수 있다. 현 실시형태에서, 2 개의 플라즈마 용사 디바이스는 스프레이 거리가 동일하도록 아암 (8) 에 부착되며, 이는 출구 노즐 (7) 과 기재 (10) 간의 간격 (D) 이 제 2 플라즈마 용사 디바이스 (3') 의 출구 노즐 (7') 과 기재 (10) 간의 간격과 동일한 크기인 것을 의미하고, 또한 이는 전처리가 용사와 같이 플라즈마 용사 디바이스 (3') 와 기재 (10) 사이에서 동일한 간격으로 발생한다는 것을 의미한다. 적용예에 따라, 당연히, 전처리 및 플라즈마 용사를 위해 코팅될 표면과 각각의 플라즈마 용사 디바이스 사이에 상이한 간격을 선택하는 것이 더 바람직할 수 있다.
대부분의 적용예의 경우, 플라즈마 화염 (2') 의 발생을 위한 플라즈마 파라미터들이 프로세스 빔 (2) 을 발생시키기 위한 플라즈마 파라미터들과 실질적으로 동일하면 또한 바람직할 수 있다. 플라즈마 파라미터들은, 주로, 플라즈마를 발생시키기 위한 전류, 그리고 프로세스 가스 G 및/또는 G' 의 유량을 의미한다.
기재 (10) 의 코팅을 위해서는 이하와 같이 진행된다. 2 개의 플라즈마 용사 디바이스 (3, 3') 가 작동되어서, 플라즈마 용사 디바이스 (3) 가 프로세스 빔 (2) 을 발생시키고 제 2 플라즈마 용사 디바이스 (3') 가 플라즈마 화염 (2') 을 발생시킨다. 가능하게는, 전처리용의 플라즈마 용사 디바이스 (3') 보다도 약간 나중에 프로세스 빔 (2) 발생용의 플라즈마 용사 디바이스 (3) 를 작동시키는 것이 유리할 수 있는데, 이는 전처리용의 플라즈마 용사 디바이스가 어느 정도 앞서기 때문이다. 이제, 2 개의 플라즈마 용사 디바이스 (3, 3') 는 도 1 에서 화살표 V 로 나타낸 바와 같이 간격 (D) 을 두고서 코팅될 기재 (10) 의 표면을 지나 이동한다. 이제, 기재 (10) 의 표면은 플라즈마 용사 디바이스 (3') 의 플라즈마 화염 (2') 에 의해 영역 B 에서 전처리된다. 이와 연계하여, 어떠한 재료 퇴적이 발생하지 않고, 단지 플라즈마 화염 (2') 이 인가된다. 2 개의 플라즈마 용사 디바이스 (3, 3') 의 공통 이동으로 인해, 프로세스 빔 (2) 을 발생시키는 플라즈마 용사 디바이스 (3) 는 플라즈마 화염 (2') 에 의해 발생되는 전처리보다도 늦은 미리 정해진 시간 간격을 두고서 방금 전처리된 영역 B 에 도달한다. 이러한 시간 간격은, 2 개의 플라즈마 용사 디바이스 (3, 3') 가 이동되는 속도 및 2 개의 플라즈마 용사 디바이스 (3, 3') 의 공간 간격 (A) 에 따른다. 이러한 관점에서, 시간 간격은 전형적으로 수십초 이하의 범위내에 있다.
플라즈마 용사 디바이스 (3) 가 이전에 전처리된 영역 (B) 을 통과하는 때에, 출발 재료 (P) 를 포함하는 프로세스 빔 (2) 이 그 자체로 알려진 방식으로 이 영역에 도포되며, 그럼으로써 기재 (10) 에 층 (11) 이 발생된다.
플라즈마 화염 (2') 에 의한 이러한 전처리로 인해, 이러한 목적을 위한 코런덤 빔, 샌드 빔, 고압수 빔 등에 의한 사전 처리가 필요없이 기재 (10) 에서의 층 (11) 의 매우 양호한 부착이 실현될 수 있는 것으로 나타났다. 본 발명에 따른 방법에 의해, 적어도 40 MPa 의 접착 강도가 얻어질 수 있다.
본 발명에 따른 방법은, 사실상, 하나 이상의 추가 층들이 후속하여 스프레잉될 수 있는 본 발명에 따른 방법을 이용하는 기재 (10) 에 초기에 도포될 수 있는 접착층 또는 접착증진층과 같은 다층 시스템에 또한 적합하다.
기재 (10) 는 금속성 기재일 수 있거나, 또는 세라믹 또는 플라스틱으로 이루어질 수 있거나, 또는 이들 재료의 혼합물일 수 있다.
모든 재료가 용사 프로세스에 사용될 수 있는 출발 재료 (P) 로서 적합하다. 용사 프로세스로서의 플라즈마 용사의 경우에, 출발 재료 (P) 는 일반적으로 플라즈마 화염에서 서포트 가스에 의해 운송되는 분말 형태로 존재한다.
도 1 에 도시된 장치의 변형예에서, 2 개의 플라즈마 용사 디바이스 (3, 3') 는 공통 아암 (8) 에 배치되는 것이 아니라, 독립된 이동 장치들에 의해 서로 독립적으로 이동될 수 있으며, 예컨대 2 개의 처리 로봇이 제공되어 처리 로봇들의 각각이 2 개의 플라즈마 용사 디바이스 (3, 3') 중의 하나를 이동시킨다. 따라서, 2 개의 이동 장치의 제어를 통해, 전처리용의 플라즈마 화염 (2') 발생용의 플라즈마 용사 디바이스 (3') 의 다음에 미리 정해진 간격을 두고서 프로세스 빔 (2) 발생용의 플라즈마 용사 디바이스 (3) 가 진행하여서, 초기에 전처리가 영역 B 에서 행해지고 이어서 미리 정해진 시간 간격후에 코팅이 행해지는 것을 실현할 수 있다. 이러한 변형예는, 플라즈마 용사 디바이스 (3, 3') 의 더욱 복잡한, 특히 곡선형의 이동이 실시될 수 있다는 이점을 갖는다.
또 다른 변형예에서는, 예컨대 도 1 에 도시된 플라즈마 용사 디바이스 (3) 와 같은 단지 하나의 플라즈마 용사 디바이스가 상기 방법의 실시를 위해 사용된다. 이 목적을 위해, 플라즈마 화염이 초기에 영역 B 에 인가되도록, 영역 B 의 전처리 동안에 출발 재료 (P) 의 도입 (6) 은 차단된다. 이어서 출발 재료 (P) 의 도입 (6) 이 작동되고, 방금 전처리된 영역은 프로세스 빔 (2) 으로 코팅된다. 단지 하나의 플라즈마 용사 디바이스를 갖는 이러한 변형예는 역시, 코팅될 전체 표면이 초기에 플라즈마 화염으로 전처리되고 이어서 코팅될 기재 (10) 의 크기에 따라 전체 표면이 프로세스 빔 (2) 으로 코팅되도록 실시될 수 있다. 그러나, 영역, 예컨대 코팅될 표면의 스트립을 플라즈마 화염으로 초기에 단지 전처리하고, 이어서 이 영역을 프로세스 빔 (2) 으로 코팅하고, 이어서 다음 영역을 전처리하고, 이어서 이 다음 영역을 코팅하고, 이러한 수순을 기재 (10) 의 전체 표면에 층 (11) 이 제공될 때까지 오래 계속하는 것도 가능하다.
실제적으로, 전처리 및 플라즈마 화염과 용사 사이의 시간적인 분리는 수초에서 수분에 이를 수 있다. 이는 당연히 코팅될 기재에 좌우된다. 이러한 시간적인 분리가 5분, 바람직하게는 1분을 초과하지 않으면 일반적으로 유리하다.
본 발명에 따른 방법을 위한 특정한 적용예의 경우로서, 연소 엔진의 실린더의 보어에서의 알루미늄 또는 회주철의 코팅이 이러한 맥락에서 언급되고, 그럼으로써 매우 양호한 윤활 특성, 마찰 특성 및 작동 특성을 가지는 실린더 작동 표면이 형성될 수 있다.
다른 적용예는 티타늄으로 제조되는 보철을 수산화인회석으로 코팅하는 것이다. 이와 연계하여, 특히 코런덤 또는 샌드에 의한 사전 빔을 생략할 수 있다는 것이 매우 본질적인 이점이다.
도 2 는 본 발명에 따른 방법의 제 2 실시형태를 실시하기 위한 장치의 개략도이다. 이와 연계하여, 이는 회전가능한 플라즈마 용사 디바이스이며, 예컨대 레퍼런스 F 210 하에 Sulzer Metco AG (Switzerland) 에 의해 배포된 플라즈마 토치와 동일 회사에 의해 배포된 로타플라즈마 (RotaPlasma) 유닛이 조합된 장치이다.
이하에서는, 도 1 과 관련하여 설명된 실시형태와의 차이에 대해서만 상세히 설명한다. 도 1 과 연계하여 또는 도 1 과 관련하여 행해진 설명은 도 2 에 의해 설명되는 실시형태에 대해서도 마찬가지로 적용된다. 특히, 도면부호는 동일한 의미를 갖는다.
도 2 에 도시된 플라즈마 용사 장치 (1) 는 하나의 플라즈마 용사 디바이스 (3) 를 단지 포함한다. 이 예에서의 기재 (10) 는 실린더 보어이며, 이 실린더 보어의 만곡된 내부 표면에는 코팅으로서 층 (11) 이 제공된다. 그 자체로 공지된 방식에서, 프로세스 빔 (2) 또는 프로세스 화염 (2') 을 발생시키기 위한 플라즈마 용사 디바이스 (3: 토치) 는 플라즈마 용사 장치 (1) 의 토치 샤프트 (30) 에 제공된다. 기재 (10) 의 만곡된 내부 표면을 코팅하기 위한 플라즈마 용사 디바이스 (3) 는 샤프트 축선 (C) 을 중심으로 회전가능하게 배치된다. 이와 연계하여, 토치 샤프트 (30) 그 자체는 도 2 의 예에서 화살표 U 에 의해 나타낸 바와 같이 회전된다. 더욱이, 토치 샤프트 (30) 는 샤프트 축선 (C) 의 방향으로 선형으로 이동할 수 있어서, 즉 도시예에 따라 상하로 이동할 수 있어서, 실린더 보어의 전체 내부 표면은 플라즈마 용사 디바이스 (3) 의 샤프트 축선 (C) 을 중심으로 하는 회전 및 상하 이동에 의해 코팅될 수 있다.
이 실시형태의 본 발명에 따른 방법을 실시하기 위해서는 다음과 같이 진행된다. 초기에 플라즈마 용사 디바이스 (3) 가 작동되는데, 출발 재료 (P) 의 도입 (6) 은 아직 개시되지 않으며, 따라서 플라즈마 용사 디바이스 (3) 는 코팅 재료를 포함하지 않는 플라즈마 화염을 발생시킨다. 이제 기재 (10) 로서 역할하는 실린더 보어의 전체 내부 표면은 도시예에 따른 플라즈마 용사 디바이스 (3) 의 샤프트 축선 (C) 을 중심으로 하는 회전 (U) 그리고 상방 이동 및/또는 하방 이동으로 인해 플라즈마 화염으로 전처리된다. 이와 연계하여 플라즈마 용사 디바이스 (3) 의 상방 및 하방 이동은 실린더 보어 내에서 복수회, 예컨대 3 회 발생될 수 있다. 이어서, 플라즈마 용사 디바이스는 실린더 보어 밖으로 또는 도시예에 따라 그 상단부가 이동되고 출발 재료 (P) 의 도입 (6) 이 작동되며, 따라서 이제 플라즈마 용사 디바이스 (3) 가 프로세스 빔 (2) 을 발생시킨다. 이제, 이에 의해, 샤프트 축선 (C) 을 중심으로 하는 회전과 동시에 플라즈마 용사 디바이스 (3) 의 1 회 또는 다수회의 상하 이동으로 인해 기재 (10) 에 층 (11) 이 도포된다.
출발 재료 (P) 는 재료 빔을 디포커싱 (defocusing) 하는 플라즈마로 주입되어 거기서 본 명세서에 기재된 LPPS-TF 프로세스에서 10,000 Pa 이하, 바람직하게는 1,000 Pa 이하에 달하는 낮은 프로세스 압력에서 부분적으로 용해 또는 완전하게 용해되거나 적어도 플라스틱으로 된다. 출발 재료의 적어도 일부는 특히 LPPS-TF 프로세스 동안에 이와 연계하여 프로세스 절차에 따라 또한 증기 상으로 증발되거나 전달된다. 이러한 목적으로, 충분히 높은 특정 엔탈피를 가지는 플라즈마가 발생되어서, 매우 조밀하고 얇은 층 (11) 이 기재에 발생된다. 조직의 변화는 코팅 조건에 의해, 특히 프로세스 엔탈피, 코팅 챔버의 작동 압력 및 프로세스 빔에 의해 실질적으로 영향을 받고 제어될 수 있다. 그러므로, 프로세스 빔 (2) 은 제어가능한 프로세스 파라미터에 의해 결정된 특성을 갖는다.
이 방법의 변형예는 토치 샤프트 (30) 의 원주방향에 관하여 제 2 플라즈마 용사 디바이스 (3) 에 대해 변위되어, 예컨대 180°만큼 변위되어 배치된 토치 샤프트 (30) 에 제 2 플라즈마 용사 디바이스를 제공하여서 2 개의 플라즈마 용사 디바이스가 연이어 배치되도록 이루어진다. 따라서, 플라즈마 화염을 발생시키는 제 2 플라즈마 용사 디바이스는 전처리에 이용되고, 프로세스 빔 (2) 을 발생시키는 다른 플라즈마 용사 디바이스는 도 1 과 관련하여 설명된 바와 동일한 방식에 대응하는 방식으로 이용된다. 토치 샤프트 (30) 의 회전 (U) 시에, 플라즈마 빔은 초기에 전처리를 위한 영역을 통과하고, 반회전한 이후에 프로세스 빔 (2) 이 이 전처리된 영역을 통과한다. 이와 연계하여, 2 개의 플라즈마 용사 디바이스가 축방향에 관하여 부가적으로 변위되면, 즉 상이한 높이로 배치되면, 실제적으로 특히 유리하다.
이하, 실린더 보어가 각각 코팅되는, 플라즈마 화염에 의한 전처리를 위한 예들이 제공된다. 코팅, 즉 플라즈마 화염에 의한 전처리 및 후속의 용사는 도 2 에 따라 설명된 바와 같은 대기압 플라즈마 용사 프로세스로서 Sulzer Metco AG (Switzerland) 의 타입 F210 의 플라즈마 용사 디바이스로 실시된다.
이와 연계하여, 다수의 반복은 각각 플라즈마 용사 디바이스 (3) 가 실린더 보어 내에서 어떻게 상방 및 하방으로 이동하는지를 나타내고, 이와 연계하여 반복은 완전한 하방 및 상방 이동이다.
예 1:
전처리는 이하의 플라즈마 파라미터들로 수행되었다:
전류: 400 A
프로세스 가스: 아르곤 60 SLPM (standard liters per minute), 수소 5 SPLM, 질소 4 SPLM
플라즈마 용사 디바이스 (3) 와 코팅될 표면간의 간격 (D): 30 mm
반복 횟수: 3
이후, Sulzer Metco AG (Switzerland) 의 니켈계 합금 Diamalloy 4008NS 의 접착층이 30 mm 간격 (D) 으로 초기에 도포되고, 30 중량% 몰리브덴이 혼합된 저합금강의 층이 그 자체로 알려진 방식으로 45 mm 의 간격으로 커버층으로서 그 위에 도포된다. 이와 연계하여, 강 및 몰리브덴은 분말 혼합물로서 출발 재료에서 합금으로서 존재하지 않는다. 그럼으로써 발생된 코팅은 매우 양호한 접착성을 나타낸다.
예 2:
전처리는 이하의 플라즈마 파라미터들로 수행되었다:
전류: 410 A
프로세스 가스: 아르곤 60 SLPM (standard liters per minute), 수소 5 SPLM, 질소 4 SPLM
부가적으로 16 SLPM 으로 플라즈마 화염을 커버링하기 위한 커버 가스가 사용된다.
플라즈마 용사 디바이스 (3) 와 코팅될 표면간의 간격 (D): 45 mm
반복 횟수: 3
이 예에서, 접착층은 도포되지 않고, Sulzer Metco AG (Switzerland) 의 재료 F4301 의 층이 플라즈마 화염으로 전처리된 표면상에 그 자체로 알려진 방식으로 커버층으로서 45 mm 의 간격으로 직접 도포된다.
그럼으로써 발생된 코팅은 매우 양호한 접착성을 나타낸다.
예 3:
전처리는 이하의 플라즈마 파라미터들로 수행되었다:
전류: 550 A
프로세스 가스: 아르곤 60 SLPM (standard liters per minute), 수소 6 SPLM, 질소 4 SPLM
부가적으로 16 SLPM 으로 플라즈마 화염을 커버링하기 위한 커버 가스가 사용된다.
플라즈마 용사 디바이스 (3) 와 코팅될 표면간의 간격 (D): 45 mm
반복 횟수: 3
이 예에서, 접착층은 도포되지 않고, Sulzer Metco AG (Switzerland) 의 재료 F2071 의 층이 플라즈마 화염으로 전처리된 표면상에 45 mm 의 간격으로 커버층으로서 그 자체로 알려진 방식으로 후속하여 직접 도포된다. 이 재료는 65 중량% 의 내식성강과 35 중량% 의 세라믹, 예컨대 80 대 20 의 비율로 Al2O3/ZrO2 를 갖는 금속 매트릭스 화합물 재료이다.
그럼으로써 발생된 층은 매우 양호한 접착성을 나타낸다.
Claims (11)
- 기재 (10) 의 표면에 용사 (thermal spraying) 에 의해 프로세스 빔 (2) 형태의 출발 재료 (P) 가 분무되는 기재의 코팅 방법에 있어서,
상기 기재 (10) 의 표면이 재료 퇴적 (deposition) 없이 플라즈마 용사 디바이스 (plasma spray device: 3; 3') 의 플라즈마 화염 (2') 으로 초기에 전처리되고, 이어서, 상기 출발 재료 (P) 를 포함하는 상기 프로세스 빔이 상기 표면 상에 도포 (apply) 되는 기재의 코팅 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 기재 (10) 는 금속성인 것을 특징으로 하는 기재의 코팅 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 출발 재료 (P) 는 금속성 재료 또는 세라믹 재료인 것을 특징으로 하는 기재의 코팅 방법. - 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 용사는 플라즈마 용사 (plasma spraying) 인 것을 특징으로 하는 기재의 코팅 방법. - 제 1 항 내지 제 4 항 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 방법은 대기압보다 낮은 프로세스 압력으로 실행되는 것을 특징으로 하는 기재의 코팅 방법. - 제 1 항 내지 제 5 항 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 프로세스 빔 (2) 을 발생시키는 용사 장치 (3), 및 상기 플라즈마 용사 디바이스 (3') 는 시간 또는 공간적으로 서로 분리되어 상기 기재 (10) 의 표면에 대해 공통으로 이동되어서, 상기 플라즈마 화염 (2') 이 초기에 상기 표면의 영역 (B) 을 전처리하고, 이어서 미리 정해진 시간 프레임 후에 상기 프로세스 빔 (2) 이 후속하여 동일한 상기 영역 (B) 에 도포되는 것을 특징으로 하는 기재의 코팅 방법. - 제 1 항 내지 제 6 항 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 기재 (10) 의 표면이 재료 퇴적없이 상기 플라즈마 용사 디바이스 (3) 에 의해 전처리되고, 이어서, 동일한 상기 플라즈마 용사 디바이스 (3) 에 의한 코팅을 위해 상기 프로세스 빔 (2) 이 발생되는 것을 특징으로 하는 기재의 코팅 방법. - 제 7 항에 있어서,
전처리용의 상기 플라즈마 화염 (2') 은 상기 프로세스 빔 (2) 을 발생시키는 플라즈마 화염과 실질적으로 동일한 플라즈마 파라미터를 이용하여, 특히 동일 전류, 동일 가스 및 동일 가스 유량을 이용하여 발생되는 것을 특징으로 하는 기재의 코팅 방법. - 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
상기 플라즈마 용사 디바이스 (3, 3') 의 출구 노즐 (7, 7') 과 상기 전처리 및 상기 프로세스 빔 (2) 의 도포를 위한 상기 기재 (10) 의 표면 간의 간격 (D) 은 동일한 크기인 것을 특징으로 하는 기재의 코팅 방법. - 제 1 항 내지 제 9 항 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 전처리와 상기 프로세스 빔에 의한 동일 영역 (B) 의 도포 사이의 시간 간격은 5 분 이하인 것을 특징으로 하는 기재의 코팅 방법. - 제 1 항 내지 제 10 항 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 전처리와 상기 프로세스 빔 (2) 에 의한 동일 영역 (B) 의 도포 사이의 시간 간격은 1 분 이하인 것을 특징으로 하는 기재의 코팅 방법.
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