KR20160052839A - 흑연 또는 탄소/탄소 복합재에 산화 저감 용 세라믹 코팅재를 코팅하는 방법 및 이에 따라 세라믹 소재의 코팅재가 코팅된 흑연 또는 탄소/탄소 복합재 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 세라믹 소재의 코팅재를 모재 표면에 코팅하는 단계(단계 1); 상기 단계 1에서 코팅된 세라믹 소재의 코팅재에 균열을 발생시키는 단계(단계 2); 및 상기 단계 2에서 발생된 균열의 틈을 세라믹 소재의 코팅재로 코팅하는 단계(단계 3);을 포함하는 모재 표면에 세라믹 소재의 코팅재를 코팅하는 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 모재 표면에 세라믹 소재의 코팅재를 코팅하는 방법은 세라믹 소재의 코팅재에 균열을 발생시킨 후, 발생된 균열의 틈을 세라믹 소재의 코팅재로 코팅함으로써, 추후 상기 모재를 고온에서 사용하는 경우 세라믹 코팅재의 균열을 억제할 수 있다. 이에 따라, 고온에서 모재와 공기간의 접촉을 최소화하여 산화 억제가 크게 향상된다.
Description
본 발명은 흑연 등의 모재 표면에 세라믹 소재의 코팅재를 코팅하는 방법 및 이에 따라 세라믹 소재의 코팅재가 코팅된 흑연 등의 모재에 관한 것이다.
흑연 또는 탄소/탄소 복합재(C/C composite) 모재는 높은 열전도도, 낮은 탄성계수, 낮은 열팽창계수와 2700 ℃까지 온도가 증가할수록 강도가 더욱 상승하는 특성을 가졌으며, 또한, 낮은 밀도와 가공의 용이함 등으로 고온 구조용 재료로 많은 장점을 가지고 있다. 특히, 흑연은 고온 가스로의 감속재, 반사체, 노심지지구조물 등으로 사용이 고려되고 있다.
그러나, 흑연 등의 탄소 소재를 포함하는 복합재 소재는 고온에서 산소와 반응하여 표면의 산화뿐 아니라, 내부 기공이 커지면서 기계적 강도가 저하하여 초고온 가스로의 노심 지지 구조물로 사용하기엔 부적절해 흑연 및 탄소/탄소 복합재(C/C composite) 등 탄소 원소를 기반으로 하는 소재를 고온에서 사용하기 위해서는 산화 방지 코팅 처리가 필요하다.
코팅 재료는 흑연과 열팽창 계수의 차이가 적고 내산화성이 있으며, 원자력 재료로 이미 검증이 완료된 탄화규소(SiC)와 같은 세라믹 소재의 코팅재가 가장 적합한 것으로 알려져 있다.
그러나, 이 두 소재의 열팽창 계수가 유사하긴 하나 이 열팽창 계수의 차이로 약 800 ℃ 이상의 고온에서는 세라믹 소재인 탄화규소(SiC) 막에 균열(crack)이 발생하여 균열선(crack line)의 틈으로 공기가 유입되어 흑연이 산화되는 문제가 있다.
이에, 본 발명자들은 산화 방지를 위한 방법을 연구하던 중, 세라믹 소재의 코팅재의 균열을 치유 및 방지할 수 있는 방법으로, 탄화규소 등의 세라믹 소재의 코팅재를 모재에 코팅하고 난 후, 800 ℃ 이상의 온도로 가열하는 방법 등으로 세라믹 소재의 코팅재에 균열을 발생시키고, 발생한 균열을 세라믹 소재의 코팅재로 코팅을 다시 수행하여 세라믹 소재의 코팅재의 균열을 메워 균열 치유 및 방지할 수 있는 코팅방법을 개발하고, 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 흑연 또는 탄소/탄소 복합재(C/C composite) 등의 모재 표면에 탄화규소(SiC) 등의 세라믹 코팅재를 코팅하는 방법 및 이에 따라 탄화규소 등의 세라믹 코팅재가 코팅된 흑연 또는 탄소/탄소 복합재를 제공하는 데 있다. 구체적으로, 본 발명의 목적은 탄화규소 코팅막을 고온으로 가열하여 인위적으로 균열을 발생시킨 후 균열을 치유하여 공기와 모재 간의 접촉을 최대한 차단하여 모재의 산화를 저감시키는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
세라믹 소재의 코팅재를 모재 표면에 코팅하는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 코팅된 세라믹 소재의 코팅재에 균열을 발생시키는 단계(단계 2); 및
상기 단계 2에서 발생된 균열의 틈을 세라믹 소재의 코팅재로 코팅하는 단계(단계 3);을 포함하는 모재 표면에 세라믹 소재의 코팅재를 코팅하는 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은
세라믹 소재의 코팅재를 모재 표면에 코팅하는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 코팅된 세라믹 소재의 코팅재의 균열을 발생시키는 단계(단계 2); 및
상기 단계 2에서 발생된 균열의 틈을 세라믹 소재의 코팅재로 코팅하는 단계(단계 3);을 포함하는 세라믹 소재의 코팅재의 균열을 치유하는 방법을 제공한다.
나아가, 본 발명은
모재; 및
모재 표면에 코팅된 세라믹 소재의 코팅재;를 포함하되,
상기의 모재 표면에 세라믹 소재의 코팅재를 코팅하는 방법으로 세라믹 소재의 코팅재가 코팅된 모재를 제공한다.
더욱 나아가, 본 발명은
모재; 및
모재 표면에 코팅된 세라믹 소재의 코팅재;를 포함하되,
상기의 모재 표면에 세라믹 소재의 코팅재를 코팅하는 방법으로 세라믹 소재의 코팅재가 코팅된 모재를 포함하는 고온가스로를 제공한다.
본 발명에 따른 모재 표면에 세라믹 소재의 코팅재를 코팅하는 방법은 세라믹 소재의 코팅재에 균열을 발생시킨 후, 발생된 균열의 틈을 세라믹 소재의 코팅재로 코팅함으로써, 추후 상기 모재를 고온에서 사용하는 경우 세라믹 코팅재의 균열을 감소시킬 수 있다. 이에 따라, 고온에서 모재와 공기간의 접촉을 최소화하여 산화 억제가 크게 향상된다.
도 1은 흑연 모재 및 비교예 1에서 제조된 시편을 공기 중에서 600 ℃의 온도로 열처리를 수행하고난 후의 사진이고;
도 2는 비교예 1에서 제조된 시편을 공기 중에서 1,000 ℃의 온도로 열처리를 수행하고난 후의 사진이고;
도 3은 본 발명에 따른 실시예 1의 단계 2를 수행하고난 후, 주사 전자 현미경으로 관찰한 사진이고;
도 4는 본 발명에 따른 실시예 1의 단계 3을 수행하고난 후, 주사 전자 현미경으로 관찰한 사진이고;
도 5는 본 발명에 따른 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 시편 및 흑연 모재의 산화 실험을 수행한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 2는 비교예 1에서 제조된 시편을 공기 중에서 1,000 ℃의 온도로 열처리를 수행하고난 후의 사진이고;
도 3은 본 발명에 따른 실시예 1의 단계 2를 수행하고난 후, 주사 전자 현미경으로 관찰한 사진이고;
도 4는 본 발명에 따른 실시예 1의 단계 3을 수행하고난 후, 주사 전자 현미경으로 관찰한 사진이고;
도 5는 본 발명에 따른 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 시편 및 흑연 모재의 산화 실험을 수행한 결과를 나타낸 그래프이다.
본 발명은
세라믹 소재의 코팅재를 모재 표면에 코팅하는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 코팅된 세라믹 소재의 코팅재에 균열을 발생시키는 단계(단계 2); 및
상기 단계 2에서 발생된 균열의 틈을 세라믹 소재의 코팅재로 코팅하는 단계(단계 3);을 포함하는 모재 표면에 세라믹 소재의 코팅재를 코팅하는 방법을 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 모재 표면에 세라믹 소재의 코팅재를 코팅하는 방법에 대하여 각 단계별로 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명에 따른 모재 표면에 세라믹 소재의 코팅재를 코팅하는 방법에 있어서, 단계 1은 세라믹 소재의 코팅재를 모재 표면에 코팅하는 단계이다.
상기 단계 1에서는 모재의 산화를 방지하기 위한 세라믹 소재의 코팅재를 코팅한다.
구체적으로, 상기 단계 1의 세라믹 소재의 코팅재는 탄화규소(SiC)와 같이 원자력 재료로 승인된 재료 중에서 사용할 수 있다.
또한, 상기 단계 1의 모재는 흑연 또는 탄소/탄소 복합재(C/C composite) 등의 탄소 소재로 이루어진 것을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
이때, 상기 단계 1에서는 모재와 세라믹 소재의 코팅재를 혼합하여 코팅재로 사용할 수 있다. 구체적인 일례로써, 모재로 흑연을 사용하고, 세라믹 소재의 코팅재로 탄화규소를 사용하는 경우 흑연과 탄화규소의 비율이 중량비로 흑연만 100, 80/20, 50/50, 40/60, 30/70, 20/80, 10/90 및 탄화규소만 100이 되도록 계면을 코팅함으로써 경사구조를 형성할 수 있다.
나아가, 상기 단계 1의 세라믹 소재의 코팅재를 모재 표면에 코팅하는 단계는, 구체적인 일례로써,
전자빔을 세라믹 소재의 코팅재에 조사하여 세라믹 소재의 코팅재를 용융 및 기화시키는 단계(단계 a);
상기 단계 a에서 용융 및 기화된 세라믹 소재의 코팅재를 모재 표면에 코팅하는 단계(단계 b); 및
상기 단계 b에서 코팅된 모재와 세라믹 코팅층 간의 계면을 혼합하기 위해 이온빔을 조사하는 단계(단계 c);를 포함할 수 있다.
먼저, 상기 단계 a는 전자빔을 세라믹 소재의 코팅재에 조사하여 세라믹 소재의 코팅재를 용융 및 기화시키는 단계이다.
상기 단계 a에서는 세라믹 소재의 코팅재를 모재 표면에 코팅하기 위해 세라믹 소재의 코팅재에 전자빔을 조사하여 세라믹 소재의 코팅재를 용융 및 기화시킨다.
다음으로, 상기 단계 b는 상기 단계 a에서 용융 및 기화된 세라믹 소재의 코팅재를 모재 표면에 코팅하는 단계이다.
구체적으로, 상기 단계 b의 코팅은 물리기상 증착법(Physical vapor deposition;PVD), 화학기상 증착법(Chemical vapor deposition;CVD) 등을 사용할 수 있다. 물리기상 증착법은 공정온도가 수백 ℃ 이하로 비교적 낮은 온도조건하에서 코팅을 수행할 수 있는 코팅방법이며, 화학기상 증착법은 약 1000 ℃ 전후의 높은 공정온도에서 수행되는 코팅방법이다.
상기 물리기상 증착법은 스퍼터링법(Sputtering), 전자빔증착법(E-beam evaporation), 열증착법(Thermal evaporation), 레이저 분자 빔 증착법(Laser Molecular Beam Epitaxy), 펄스레이저 증착법(Pulsed Laser Deposition) 등이 있으며, 구체적인 일례로써, 상기 단계 b의 코팅은 스퍼터링법(sputtering) 또는 전자빔 증착법(E-beam evaporation)에 의해 수행될 수 있다.
상기 스퍼터링법은 플라즈마를 이용하여 표적재를 작은 나노입자로 만들어서 그것을 이용하여 코팅이나 기타공정을 수행하는 물리기상 증착법으로서, 주로 코팅 분야에 사용된다. 상기 스퍼터링법은 넓은 면적에서 균일한 박막두께 증착가능, 박막두께조절이 용이하고 진공증착에 비하여 보다 정확한 합금 성분 조절이 가능하고 스텝 커버리지, 입자구조, 응력 등의 조절이 가능한 특징을 갖고 있다. 또한, 상기 전자빔 증착법(E-beam evaporation)은 잘 알려진 필름증착 방법으로서, 공정이 단순하고 증착 속도가 빠르며 장비의 가격이 저렴한 특징을 갖고 있다. 상기 방법은 증착 재료에 전자선을 조사하여 가열 및 증발시킴으로서, 고순도의 박막 형성이 가능하고, 고융점 금속을 포함한 모든 재료에 적용할 수 있다.
상기 단계 b에서 모재에 코팅되는 세라믹 코팅층 두께는 100 Å 내지 200 Å인 것이 바람직하다. 만약, 세라믹 코팅층 두께가 200 Å을 초과하면 주입 이온이 박막 내에 머물러 계면에서의 혼합이 용이하지 않은 문제가 있고, 세라믹 코팅층 두께가 100 Å 미만이면 주입 이온이 대부분 모재 내에서 멈추게 되어 계에서의 혼합이 용이하지 않은 문제가 있다.
다음으로, 상기 단계 c는 상기 단계 b에서 코팅된 모재와 세라믹 코팅층 간의 계면을 혼합하기 위해 이온빔을 조사하는 단계이다.
이온빔 믹싱은 높은 에너지를 갖는 이온화된 원소를 표적재료 표면에 충돌시켜 이온을 재료 내부에 침입시켜 계면 원자들간의 혼합을 시키며, 코팅층의 접합을 향상시키는 효과가 있다. 상기 이온빔의 이온원으로는 자연계에 존재하는 모든 원소를 포함할 수 있다. 다만, 세라믹 재료는 두 가지 이상의 원소로 구성되는 것이 일반적이므로, 상술한 증착방법들을 사용하여 코팅을 수행할 때 코팅층의 조성이 원래의 세라믹 재료의 조성과 다를 수 있다. 이 때문에 아르곤, 헬륨, 네온 등이 바람직하나 아르곤이 가장 많이 사용되고 무난하다.
또한, 상기 단계 c에서 조사되는 이온빔의 에너지의 크기는 50 KeV 내지 500 KeV인 것이 바람직하고, 조사되는 이온빔의 주입량은 5×1016 이온/cm2 내지 1×1017 이온/cm2인 것이 바람직하다. 만약, 조사되는 이온빔의 주입량이 1×1017 이온/cm2를 초과하면 불필요하게 공정시간이 소요되는 문제가 있고, 조사되는 이온빔의 주입량이 5×1016 이온/cm2 미만이면 이온빔 믹싱이 충분하지 못해 우수한 접착력을 얻는데 문제가 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 모재 표면에 세라믹 소재의 코팅재를 코팅하는 방법에 있어서, 단계 2는 상기 단계 1에서 코팅된 세라믹 소재의 코팅재에 균열을 발생시키는 단계이다.
모재로 사용되는 흑연 등의 탄소 소재와 탄화규소와 같은 세라믹 소재의 열팽창 계수가 달라 약 800 ℃ 이상의 고온에서는 세라믹 소재의 코팅재로 형성된 막에 균열(crack)이 발생하여 균열선(crack line)의 틈으로 공기가 유입되어 흑연이 산화되는 문제가 있다.
이를 해결하기 위해, 상기 단계 2에서는 코팅된 세라믹 소재의 코팅재에 진공 중 가열을 하여 미리 균열을 발생시킨다. 만약, 진공 중이 아니라 공기 중에서 가열을 수행하면 산화로 인해 모재가 유실될 수 있다.
구체적으로, 상기 단계 2에서 코팅재의 균열을 발생시키는 방법은, 일례로써,
세라믹 소재의 코팅재가 코팅된 모재를 500 ℃ 내지 2,000 ℃의 온도, 바람직하게는 700 ℃ 내지 1,500 ℃의 온도로 가열하여 수행될 수 있다. 세라믹 소재의 코팅재가 코팅된 모재를 상기 온도 범위로 가열함으로써, 미리 균열을 발생시킬 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 모재 표면에 세라믹 소재의 코팅재를 코팅하는 방법에 있어서, 단계 3은 상기 단계 2에서 발생된 균열의 틈을 세라믹 소재의 코팅재로 코팅하는 단계이다.
상기 단계 3은 상기 단계 2에서 코팅된 세라믹 소재의 코팅재에 미리 균열을 발생시킨 후, 발생된 균열의 틈을 동일한 소재의 코팅재로 코팅하여 균열의 틈을 메우는 단계이다.
상기와 같이, 세라믹 소재의 코팅재에 미리 균열을 발생시킨 후, 발생된 균열의 틈을 세라믹 소재의 코팅재로 코팅함으로써, 균열이 발생하기 쉬운 지점에서 균열이 발생하지 않도록 미리 예방할 수 있다. 이에 따라, 추후 상기 모재를 고온에서 사용하는 경우 세라믹 코팅재의 균열을 억제할 수 있다. 따라서, 고온에서 모재와 공기간의 접촉을 최소화하여 산화 억제가 크게 향상된다.
나아가, 상기 단계 3을 수행하고 난 후, 상기 단계 2 및 상기 단계 3을 1 회 내지 5 회 반복하여 수행하는 것이 바람직하다. 상기 단계 2 및 상기 단계 3을 반복 수행하여 세라믹 소재의 코팅재에 미리 균열을 발생시키고, 동일 소재의 코팅재로 균열을 메움으로써 고온에서 모재와 공기간의 접촉을 최소화시킬 수 있다.
또한, 본 발명은
세라믹 소재의 코팅재를 모재 표면에 코팅하는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 코팅된 세라믹 소재의 코팅재에 균열을 발생시키는 단계(단계 2); 및
상기 단계 2에서 발생된 균열의 틈을 세라믹 소재의 코팅재로 코팅하는 단계(단계 3);을 포함하는 세라믹 소재의 코팅재의 균열을 치유하는 방법을 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 세라믹 소재의 코팅재의 균열을 치유하는 방법에 대하여 각 단계별로 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명에 따른 세라믹 소재의 코팅재의 균열을 치유하는 방법에 있어서, 단계 1은 세라믹 소재의 코팅재를 모재 표면에 코팅하는 단계이다.
상기 단계 1에서는 모재의 산화를 방지하기 위한 세라믹 소재의 코팅재를 코팅한다.
구체적으로, 상기 단계 1의 세라믹 소재의 코팅재는 탄화규소(SiC)와 같이 원자력 재료로 승인된 재료 중에서 사용할 수 있다.
또한, 상기 단계 1의 모재는 흑연 또는 탄소/탄소 복합재(C/C composite) 등의 탄소 소재로 이루어진 것을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
이때, 상기 단계 1에서는 모재와 세라믹 소재의 코팅재를 혼합하여 코팅재로 사용할 수 있다. 구체적인 일례로써, 모재로 흑연을 사용하고, 세라믹 소재의 코팅재로 탄화규소를 사용하는 경우 흑연과 탄화규소의 비율이 중량비로 흑연만 100, 80/20, 50/50, 40/60, 30/70, 20/80, 10/90 및 탄화규소만 100이 되도록 계면을 코팅함으로써 경사구조를 형성할 수 있다.
나아가, 상기 단계 1의 세라믹 소재의 코팅재를 모재 표면에 코팅하는 단계는, 구체적인 일례로써,
전자빔을 세라믹 소재의 코팅재에 조사하여 세라믹 소재의 코팅재를 용융 및 기화시키는 단계(단계 a);
상기 단계 a에서 용융 및 기화된 세라믹 소재의 코팅재를 모재 표면에 코팅하는 단계(단계 b); 및
상기 단계 b에서 코팅된 모재와 세라믹 코팅층 간의 계면을 혼합하기 위해 이온빔을 조사하는 단계(단계 c);를 포함할 수 있다.
먼저, 상기 단계 a는 전자빔을 세라믹 소재의 코팅재에 조사하여 세라믹 소재의 코팅재를 용융 및 기화시키는 단계이다.
상기 단계 a에서는 세라믹 소재의 코팅재를 모재 표면에 코팅하기 위해 세라믹 소재의 코팅재에 전자빔을 조사하여 세라믹 소재의 코팅재를 용융 및 기화시킨다.
다음으로, 상기 단계 b는 상기 단계 a에서 용융 및 기화된 세라믹 소재의 코팅재를 모재 표면에 코팅하는 단계이다.
구체적으로, 상기 단계 b의 코팅은 물리기상 증착법(Physical vapor deposition;PVD), 화학기상 증착법(Chemical vapor deposition;CVD) 등을 사용할 수 있다. 물리기상 증착법은 공정온도가 수백 ℃ 이하로 비교적 낮은 온도조건하에서 코팅을 수행할 수 있는 코팅방법이며, 화학기상 증착법은 약 1000 ℃ 전후의 높은 공정온도에서 수행되는 코팅방법이다.
상기 물리기상 증착법은 스퍼터링법(Sputtering), 전자빔증착법(E-beam evaporation), 열증착법(Thermal evaporation), 레이저 분자 빔 증착법(Laser Molecular Beam Epitaxy), 펄스레이저 증착법(Pulsed Laser Deposition) 등이 있으며, 구체적인 일례로써, 상기 단계 b의 코팅은 스퍼터링법(sputtering) 또는 전자빔 증착법(E-beam evaporation)에 의해 수행될 수 있다.
상기 스퍼터링법은 플라즈마를 이용하여 표적재를 작은 나노입자로 만들어서 그것을 이용하여 코팅이나 기타공정을 수행하는 물리기상 증착법으로서, 주로 코팅 분야에 사용된다. 상기 스퍼터링법은 넓은 면적에서 균일한 박막두께 증착가능, 박막두께조절이 용이하고 진공증착에 비하여 보다 정확한 합금 성분 조절이 가능하고 스텝 커버리지, 입자구조, 응력 등의 조절이 가능한 특징을 갖고 있다. 또한, 상기 전자빔 증착법(E-beam evaporation)은 잘 알려진 필름증착 방법으로서, 공정이 단순하고 증착 속도가 빠르며 장비의 가격이 저렴한 특징을 갖고 있다. 상기 방법은 증착 재료에 전자선을 조사하여 가열 및 증발시킴으로서, 고순도의 박막 형성이 가능하고, 고융점 금속을 포함한 모든 재료에 적용할 수 있다.
상기 단계 b에서 모재에 코팅되는 세라믹 코팅층 두께는 100 Å 내지 200 Å인 것이 바람직하다. 만약, 세라믹 코팅층 두께가 200 Å을 초과하면 주입 이온이 박막 내에 머물러 계면에서의 혼합이 용이하지 않은 문제가 있고, 세라믹 코팅층 두께가 100 Å 미만이면 주입 이온이 대부분 모재 내에서 멈추게 되어 계에서의 혼합이 용이하지 않은 문제가 있다.
다음으로, 상기 단계 c는 상기 단계 b에서 코팅된 모재와 세라믹 코팅층 간의 계면을 혼합하기 위해 이온빔을 조사하는 단계이다.
이온빔 믹싱은 높은 에너지를 갖는 이온화된 원소를 표적재료 표면에 충돌시켜 이온을 재료 내부에 침입시켜 계면 원자들간의 혼합을 시키며, 코팅층의 접합을 향상시키는 효과가 있다. 상기 이온빔의 이온원으로는 자연계에 존재하는 모든 원소를 포함할 수 있다. 다만, 세라믹 재료는 두 가지 이상의 원소로 구성되는 것이 일반적이므로, 상술한 증착방법들을 사용하여 코팅을 수행할 때 코팅층의 조성이 원래의 세라믹 재료의 조성과 다를 수 있다. 이 때문에 아르곤, 헬륨, 네온 등이 바람직하나 아르곤이 가장 많이 사용되고 무난하다.
또한, 상기 단계 c에서 조사되는 이온빔의 에너지의 크기는 50 KeV 내지 500 KeV인 것이 바람직하고, 조사되는 이온빔의 주입량은 5×1016 이온/cm2 내지 1×1017 이온/cm2인 것이 바람직하다. 만약, 조사되는 이온빔의 주입량이 1×1017 이온/cm2를 초과하면 불필요하게 공정시간이 소요되는 문제가 있고, 조사되는 이온빔의 주입량이 5×1016 이온/cm2 미만이면 이온빔 믹싱이 충분하지 못해 우수한 접착력을 얻는데 문제가 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 세라믹 소재의 코팅재의 균열을 치유하는 방법에 있어서, 단계 2는 상기 단계 1에서 코팅된 세라믹 소재의 코팅재에 균열을 발생시키는 단계이다.
모재로 사용되는 흑연 등의 탄소 소재와 탄화규소와 같은 세라믹 소재의 열팽창 계수가 달라 약 800 ℃ 이상의 고온에서는 세라믹 소재의 코팅재로 형성된 막에 균열(crack)이 발생하여 균열선(crack line)의 틈으로 공기가 유입되어 흑연이 산화되는 문제가 있다.
이를 해결하기 위해, 상기 단계 2에서는 코팅된 세라믹 소재의 코팅재에 진공 중 가열을 하여 미리 균열을 발생시킨다. 만약, 진공 중이 아니라 공기 중에서 가열을 수행하면 산화로 인해 모재가 유실될 수 있다.
구체적으로, 상기 단계 2에서 코팅재의 균열을 발생시키는 방법은, 일례로써,
세라믹 소재의 코팅재가 코팅된 모재를 500 ℃ 내지 2,000 ℃의 온도, 바람직하게는 700 ℃ 내지 1,500 ℃의 온도로 가열하여 수행될 수 있다. 세라믹 소재의 코팅재가 코팅된 모재를 상기 온도 범위로 가열함으로써, 미리 균열을 발생시킬 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 세라믹 소재의 코팅재의 균열을 치유하는 방법에 있어서, 단계 3은 상기 단계 2에서 발생된 균열의 틈을 세라믹 소재의 코팅재로 코팅하는 단계이다.
상기 단계 3은 상기 단계 2에서 코팅된 세라믹 소재의 코팅재에 미리 균열을 발생시킨 후, 발생된 균열의 틈을 동일한 소재의 코팅재로 코팅하여 균열의 틈을 메우는 단계이다.
상기와 같이, 세라믹 소재의 코팅재에 미리 균열을 발생시킨 후, 발생된 균열의 틈을 세라믹 소재의 코팅재로 코팅함으로써, 균열이 발생하기 쉬운 온도에서 균열이 발생하지 않도록 미리 예방할 수 있다. 이에 따라, 추후 상기 모재를 고온에서 사용하는 경우 세라믹 코팅재의 균열을 억제할 수 있다. 따라서, 고온에서 모재와 공기간의 접촉을 최소화하여 산화 억제가 크게 향상된다.
나아가, 상기 단계 3을 수행하고 난 후, 상기 단계 2 및 상기 단계 3을 1 회 내지 5 회 반복하여 수행하는 것이 바람직하다. 상기 단계 2 및 상기 단계 3을 반복 수행하여 세라믹 소재의 코팅재에 미리 균열을 발생시키고, 동일 소재의 코팅재로 균열을 메움으로써 고온에서 모재와 공기간의 접촉을 최소화시킬 수 있다.
또한, 본 발명은
모재; 및
모재 표면에 코팅된 세라믹 소재의 코팅재;를 포함하되,
상기의 모재 표면에 세라믹 소재의 코팅재를 코팅하는 방법으로 세라믹 소재의 코팅재가 코팅된 모재를 제공한다.
본 발명에 따른 상기의 모재 표면에 세라믹 소재의 코팅재를 코팅하는 방법으로 세라믹 소재의 코팅재가 코팅된 모재는 세라믹 소재의 코팅재에 미리 균열을 발생시킨 후, 발생된 균열의 틈을 세라믹 소재의 코팅재로 코팅된 모재로써, 균열이 발생하기 쉬운 지점에서 균열이 발생하지 않도록 미리 예방되어 있다. 이에 따라, 상기 모재를 고온에서 사용하는 경우 세라믹 코팅재의 균열을 억제할 수 있다. 따라서, 고온에서 모재와 공기간의 접촉을 최소화하여 산화 억제가 크게 향상된다.
나아가,
모재; 및
모재 표면에 코팅된 세라믹 소재의 코팅재;를 포함하되,
상기의 모재 표면에 세라믹 소재의 코팅재를 코팅하는 방법으로 세라믹 소재의 코팅재가 코팅된 모재를 포함하는 고온가스로를 제공한다.
본 발명에 따른 상기의 모재 표면에 세라믹 소재의 코팅재를 코팅하는 방법으로 세라믹 소재의 코팅재가 코팅된 모재를 포함하는 고온가스로는 세라믹 소재의 코팅재에 미리 균열을 발생시킨 후, 발생된 균열의 틈을 세라믹 소재의 코팅재로 코팅된 모재를 포함함으로써, 모재 표면의 세라믹 코팅재에서 균열이 발생하기 쉬운 지점에 균열이 발생하지 않도록 미리 예방되어 있기 때문에, 상기 모재를 고온가스로와 같이 고온에서 사용하는 경우 세라믹 코팅재의 균열을 억제할 수 있다. 따라서, 고온에서 모재와 공기간의 접촉을 최소화하여 산화 억제가 크게 향상되어 고온가스로의 안정성이 향상된다.
이하, 하기 실시예 및 실험예에 의하여 본 발명을 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 발명의 범위가 실시예 및 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1> 흑연 모재에 탄화규소 코팅재의 코팅 1
단계 1: 원료 도가니(source crucible) 안에 흑연(graphite)과 탄화규소(SiC) 소재를 처음에는 흑연이 풍부하게 하고 점차로 그 양을 줄여서 나중에는 탄화규소의 양이 더 많아지면서 최종막으로는 탄화규소가 100 % 되도록 하였다.
구체적으로, 흑연 소재의 모재를 준비하고, 흑연(graphite, G)과 탄화규소(SiC)의 비율이 G 80/SiC 20, G 50/SiC 50, G 40/SiC 60, G 30/SiC 70, G 20/SiC 80, G 10/SiC 90 및 SiC 100이 되도록 소스 도가니(source crucible) 안에 채워지게 하여 증착 소스로 사용하였다.
상기 증착 소스에 전자빔을 조사하여 기화시켰다. 이때, 흑연은 약 3700 ℃의 온도에서 증발을 하고 탄화규소는 약 3100 ℃의 온도에서 분해(decomposition)이 되기 때문에 상기 두 소재는 모두 기상이 되어 흑연 소재의 모재에 증착되었다.
상기 탄화규소가 증착된 흑연 소재의 모재를 공전과 자전이 가능한 지그로 회전시키면서 코팅과 동시에 코팅막과 수직에 가까운 각도로 이온빔을 조사하여 이온빔 믹싱이 발생하게 하여, 탄화규소 코팅재를 흑연에 코팅하였다.
단계 2: 상기 단계 1에서 탄화규소 코팅재가 코팅된 흑연을 진공 중에서 900 ℃의 온도로 가열하여 균열(crack)을 발생시켰다.
단계 3: 상기 단계 2에서 발생된 균열의 틈을 상기 단계 1과 동일한 공정을 수행하여 메웠으며, 이후, 상기 단계 2 및 상기 단계 3을 1 회 반복하여 수행하여 흑연 모재에 탄화규소 코팅재를 코팅하였다.
<비교예 1>
원료 도가니(source crucible) 안에 흑연(graphite)과 탄화규소(SiC) 소재를 처음에는 흑연이 풍부하게 하고 점차로 그 양을 줄여서 나중에는 탄화규소의 양이 더 많아지면서 최종막으로는 탄화규소가 100 % 되도록 하였다.
구체적으로, 흑연 소재의 모재를 준비하고, 흑연(graphite, G)과 탄화규소(SiC)의 비율이 중량비로, G 80/SiC 20, G 50/SiC 50, G 40/SiC 60, G 30/SiC 70, G 20/SiC 80, G 10/SiC 90 및 SiC 100이 되도록 소스 도가니(source crucible) 안에 채워지게 하여 증착 소스로 사용하였다.
상기 증착 소스에 전자빔을 조사하여 기화시켰다. 이때, 흑연은 약 3700 ℃의 온도에서 증발을 하고 탄화규소는 약 3100 ℃의 온도에서 분해(decomposition)이 되기 때문에 상기 두 소재는 모두 기상이 되어 흑연 소재의 모재에 증착되었다.
상기 탄화규소가 증착된 흑연 소재의 모재를 공전과 자전이 가능한 지그로 회전시키면서 코팅과 동시에 코팅막과 수직에 가까운 각도로 이온빔을 조사하여 이온빔 믹싱이 발생하게 하여, 탄화규소 코팅재를 흑연에 코팅하였다.
<실험예 1> 표면 형상 관찰
본 발명에 따른 모재 표면에 세라믹 소재의 코팅재를 코팅하는 방법의 효과를 확인하기 위하여, 하기와 같은 실험을 수행하였다.
먼저, 흑연 모재 및 비교예 1에서 제조된 시편을 사용하여 공기 중 600 ℃의 온도 및 1,000 ℃의 온도에서 열처리하였으며, 그 결과를 도 1 및 도 2에 나타내었다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 탄화규소의 코팅 전인 순수한 흑연 모재는 45 %의 무게 감소가 있는 반면, 탄화규소를 코팅한 시편인 비교예 1의 경우에는 수분 증발로 인한 무게 감소가 주된 원인인 것으로 사료되는 5 %의 무게 감소를 나타내었다.
그러나, 공기 중에서 온도를 1000 ℃로 상승시켜 열처리를 수행한 경우에는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 매우 활발한 산화가 일어났으며 열팽창의 차이로 인해 탄화규소 코팅재에 균열이 발생하고 주로 그 균열선(crack line) 틈을 통하여 산화가 발생하여 탄화규소 코팅재 내부의 흑연이 산화되고, 이에 따라 캐스크(cask)와 같이 탄화규소 코팅재만 남는 경향을 나타내었다.
다음으로, 상기 실시예 1의 단계 2를 수행하고난 후의 탄화규소 코팅재의 표면 형상을 관찰하기 위하여 주사 전자 현미경으로 관찰하였으며, 상기 실시예 1의 단계 3을 수행하고난 후의 탄화규소 코팅재의 표면 형상을 관찰하기 위하여 주사 전자 현미경으로 관찰하고, 그 결과를 도 3 및 도 4에 나타내었다.
도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 온도를 올리는 동안에는 질소 가스를 채워 산화가 방지되게 하고 약 900 ℃의 온도에서 균열을 발생시킨 후, 발생된 균열을 메운 실시예 1의 경우에는 실시예 1의 단계 2를 수행하고난 후의 균열을 관찰할 수 있었으며, 실시예 1의 단계 3을 수행하고난 후 탄화규소로 메워진 것을 확인할 수 있었다.
<실험예 2> 산화 열처리 시험
본 발명에 따른 모재 표면에 세라믹 소재의 코팅재를 코팅하는 방법의 효과를 확인하기 위하여, 하기와 같은 실험을 수행하였다.
상기 실시예 1 및 비교예 1의 시편과 흑연 모재를 사용하여 공기 중에서 900 ℃의 온도로 가열하며 산화 실험을 수행하였으며 산화 실험을 수행하는 동안 전자저울로 지속적으로 무게를 측정하였고, 그 결과를 도 5에 나타내었다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 흑연 모재에 비해 탄화규소를 코팅한 비교예 1의 경우에도 산화 속도가 감소하는 것을 확인할 수 있었으나, 본 발명에 따른 코팅방법으로 코팅된 실시예 1의 경우 산화 속도가 더욱 줄어든 것을 확인할 수 있었다.
따라서 균열선(crack line)의 틈을 채우는 본 발명에 따른 모재 표면에 세라믹 소재의 코팅재를 코팅하는 방법이 산화 저감을 위해 반드시 필요한 수단이라는 것을 확인할 수 있었다.
Claims (15)
- 세라믹 소재의 코팅재를 모재 표면에 코팅하는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 코팅된 세라믹 소재의 코팅재에 균열을 발생시키는 단계(단계 2); 및
상기 단계 2에서 발생된 균열의 틈을 세라믹 소재의 코팅재로 코팅하는 단계(단계 3);을 포함하는 모재 표면에 세라믹 소재의 코팅재를 코팅하는 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 단계 1의 세라믹 소재의 코팅재를 모재 표면에 코팅하는 단계는,
전자빔을 세라믹 소재의 코팅재에 조사하여 세라믹 소재의 코팅재를 용융 및 기화시키는 단계(단계 a);
상기 단계 a에서 용융 및 기화된 세라믹 소재의 코팅재를 모재 표면에 코팅하는 단계(단계 b); 및
상기 단계 b에서 코팅된 모재와 세라믹 코팅층 간의 계면을 혼합하기 위해 이온빔을 조사하는 단계(단계 c);를 포함하는 것을 특징으로 하는 모재 표면에 세라믹 소재의 코팅재를 코팅하는 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 단계 1의 세라믹 소재의 코팅재는 탄화규소(SiC)인 것을 특징으로 하는 모재 표면에 세라믹 소재의 코팅재를 코팅하는 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 단계 1의 모재는 흑연 또는 탄소/탄소 복합재(C/C composite) 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 모재 표면에 세라믹 소재의 코팅재를 코팅하는 방법.
- 제2항에 있어서,
상기 단계 b의 코팅은 스퍼터링법(sputtering) 또는 전자빔 증착법(E-beam evaporation)을 포함하는 물리기상 증착법에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 모재 표면에 세라믹 소재의 코팅재를 코팅하는 방법.
- 제2항에 있어서,
상기 단계 c의 이온빔 에너지의 크기는 50 KeV 내지 500 KeV인 것을 특징으로 하는 모재 표면에 세라믹 소재의 코팅재를 코팅하는 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 단계 2에서 코팅재의 균열을 발생시키는 방법은,
세라믹 소재의 코팅재가 코팅된 모재를 500 ℃ 내지 2,000 ℃의 온도로 가열하여 수행되는 것을 특징으로 하는 모재 표면에 세라믹 소재의 코팅재를 코팅하는 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 단계 3을 수행하고 난 후, 상기 단계 2 및 상기 단계 3을 1 회 내지 5 회 반복하여 수행하는 것을 특징으로 하는 모재 표면에 세라믹 소재의 코팅재를 코팅하는 방법.
- 세라믹 소재의 코팅재를 모재 표면에 코팅하는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 코팅된 세라믹 소재의 코팅재에 균열을 발생시키는 단계(단계 2); 및
상기 단계 2에서 발생된 균열의 틈을 세라믹 소재의 코팅재로 코팅하는 단계(단계 3);을 포함하는 세라믹 소재의 코팅재의 균열을 치유하는 방법.
- 제9항에 있어서,
상기 단계 1의 세라믹 소재의 코팅재는 탄화규소(SiC)인 것을 특징으로 하는 세라믹 소재의 코팅재의 균열을 치유하는 방법.
- 제9항에 있어서,
상기 단계 1의 모재는 흑연 또는 탄소/탄소 복합재(C/C composite) 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 세라믹 소재의 코팅재의 균열을 치유하는 방법.
- 제9항에 있어서,
상기 단계 2에서 코팅재의 균열을 발생시키는 방법은,
세라믹 소재의 코팅재가 코팅된 모재를 500 ℃ 내지 2,000 ℃의 온도로 가열하여 수행되는 것을 특징으로 하는 세라믹 소재의 코팅재의 균열을 치유하는 방법.
- 제9항에 있어서,
상기 단계 3을 수행하고 난 후, 상기 단계 2 및 상기 단계 3을 1 회 내지 5 회 반복하여 수행하는 것을 특징으로 하는 세라믹 소재의 코팅재의 균열을 치유하는 방법.
- 모재; 및
모재 표면에 코팅된 세라믹 소재의 코팅재;를 포함하되,
제1항의 모재 표면에 세라믹 소재의 코팅재를 코팅하는 방법으로 세라믹 소재의 코팅재가 코팅된 모재.
- 모재; 및
모재 표면에 코팅된 세라믹 소재의 코팅재;를 포함하되,
제1항의 모재 표면에 세라믹 소재의 코팅재를 코팅하는 방법으로 세라믹 소재의 코팅재가 코팅된 모재를 포함하는 고온가스로.
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