KR20180134296A - 플라즈마 용사 헤드, 플라즈마 용사 장치 및 플라즈마 용사 방법 - Google Patents

플라즈마 용사 헤드, 플라즈마 용사 장치 및 플라즈마 용사 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 과제는 복수의 용사건의 간격을 좁게 배치할 수 있는 플라즈마 용사 헤드를 제공하는 것이다. 일 실시형태의 플라즈마 용사 헤드는, 용사 재료의 분말을 플라즈마에 의해 용융하고, 용융한 분말에 의해 피대상물에 성막하는 플라즈마 용사 헤드로서, 상기 용사 재료의 분말을 플라즈마 생성 가스에 의해 운반하고, 선단부의 개구로부터 분사하는 노즐과, 상기 노즐이 분사하는 상기 플라즈마 생성 가스를 직류 전원이 출력하는 전력에 의해 분해하여 상기 노즐과 축심이 공통되는 플라즈마를 생성하는 플라즈마 생성부를 포함하는 용사건과, 복수의 상기 용사건을 일체 지지하며, 내부에 냉매가 통류하는 냉매 유로를 포함하는 본체부를 갖는다.

Description

플라즈마 용사 헤드, 플라즈마 용사 장치 및 플라즈마 용사 방법{PLASMA SPRAYING HEAD, PLASMA SPRAYING DEVICE, AND PLASMA SPRAYING METHOD}
본 발명은 플라즈마 용사 헤드, 플라즈마 용사 장치 및 플라즈마 용사 방법에 관한 것이다.
용사 재료의 입자의 분말을 고속의 가스로 형성된 플라즈마 제트의 열에 의해 용융하면서 기재의 표면을 향하여 분출하여, 기재의 표면에 피막을 형성하는 플라즈마 용사 장치가 알려져 있다(예컨대, 특허문헌 1 참조).
일본 특허 공개 제 2014-123663 호 공보
그런데, 예컨대 장척물에 성막하는 경우나, 성막의 전후에 어닐 처리를 실행하는 경우에는, 복수의 용사건을 협피치로 배치하는 것이 요구된다.
그렇지만, 상기의 플라즈마 용사 장치에서는, 분말의 사이즈가 크며, 용사 재료의 분말을 용사건의 외부로부터 공급하기 때문에, 용사건의 사이즈가 커서, 복수의 용사건을 협피치로 배치하는 것이 곤란하다. 또한, 분말을 용융할 때의 전력이 높기 때문에, 발열의 문제로 복수의 용사건을 협피치로 배치하는 것이 곤란하다.
본 발명은 상기를 감안하여 이루어진 것으로서, 복수의 용사건의 간격을 좁게 배치할 수 있는 플라즈마 용사 헤드를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 태양에 따른 플라즈마 용사 헤드는, 용사 재료의 분말을 플라즈마에 의해 용융하고, 용융한 분말에 의해 피대상물에 성막하는 플라즈마 용사 헤드로서, 상기 용사 재료의 분말을 플라즈마 생성 가스에 의해 운반하고, 선단부의 개구로부터 분사하는 노즐과, 상기 노즐이 분사하는 상기 플라즈마 생성 가스를 직류 전원이 출력하는 전력에 의해 분해하여 상기 노즐과 축심이 공통되는 플라즈마를 생성하는 플라즈마 생성부를 포함하는 용사건과, 복수의 상기 용사건을 일체 지지하며, 내부에 냉매가 통류하는 냉매 유로를 포함하는 본체부를 갖는다.
개시된 플라즈마 용사 헤드에 의하면, 복수의 용사건의 간격을 좁게 배치할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 플라즈마 용사 장치의 개략도,
도 2는 도 1의 플라즈마 용사 장치의 플라즈마 용사 헤드의 일 예를 도시하는 사시도,
도 3은 도 2의 플라즈마 용사 헤드의 본체부를 설명하기 위한 도면,
도 4는 도 2의 플라즈마 용사 헤드의 노즐의 중심축을 지나는 종단면도,
도 5는 도 2의 플라즈마 용사 헤드의 횡단면도,
도 6은 도 1의 플라즈마 용사 장치의 플라즈마 용사 헤드의 다른 예를 도시하는 단면도,
도 7은 장척물에 성막 처리를 실행하는 경우의 플라즈마 용사 헤드의 동작의 설명도,
도 8은 어닐 처리가 막의 밀착성에 미치는 영향을 평가하기 위한 평가계의 설명도,
도 9는 어닐 처리가 막의 밀착성에 미치는 영향을 평가한 결과를 나타내는 도면,
도 10은 어닐 처리 후의 경과 시간이 막의 밀착성에 미치는 영향을 평가하기 위한 평가계의 설명도,
도 11은 어닐 처리 후의 경과 시간이 막의 밀착성에 미치는 영향을 평가한 결과를 나타내는 도면.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 본 명세서 및 도면에 있어서, 실질적으로 동일한 구성에 대해서는, 동일한 부호를 부여하는 것에 의해 중복된 설명을 생략한다.
[플라즈마 용사 장치]
본 발명의 실시형태에 따른 플라즈마 용사 장치에 대하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 플라즈마 용사 장치의 개략도이다. 도 2는 도 1의 플라즈마 용사 장치의 플라즈마 용사 헤드의 일 예를 도시하는 사시도이다. 도 3은 도 2의 플라즈마 용사 헤드의 본체부를 설명하기 위한 도면이다. 도 4는 도 2의 플라즈마 용사 헤드의 노즐의 중심축을 지나는 종단면도이다. 도 5는 도 2의 플라즈마 용사 헤드의 횡단면도이다.
도 1에 도시되는 바와 같이, 본 발명의 실시형태에 따른 플라즈마 용사 장치(1)는, 용사 재료의 분말(R1)을 노즐(26)의 선단부(26b)의 개구(26c)로부터 분사하고, 고속의 가스에 의해 형성된 플라즈마 제트(P)의 열에 의해 용융하면서 피대상물인 기재의 표면을 향하여 분출하여, 기재의 표면에 용사 재료를 포함하는 막을 형성하는 장치이다. 기재의 일 예로서는, 리튬(Li), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 니켈(Ni), 금속 화합물(스테인리스 등), 절연막(엔지니어링 플라스틱, 세라믹스) 등을 들 수 있다.
플라즈마 용사 장치(1)는 피더(10)와, 플라즈마 용사 헤드(20)와, 가스 공급부(30)와, 칠러 유닛(40)과, 직류 전원(50)을 갖는다.
피더(10)는 용사 재료의 분말(R1)을 노즐(26)에 공급한다. 용사 재료의 분말(R1)은 피더(10) 내의 용기(11)에 수납되어 있다. 용사 재료의 분말(R1)은, 예컨대 1㎛~50㎛의 입경의 미분말이다. 피더(10)에는 액추에이터(12)가 마련되어 있다.
플라즈마 용사 헤드(20)는 본체부(21)와 복수의 용사건(25)을 갖는다. 본 실시형태에서는, 플라즈마 용사 헤드(20)는, 도 1 및 도 2에 도시되는 바와 같이, 4개의 용사건(25)이 본체부(21)에 일체 지지되어 있다.
본체부(21)는 복수의 용사건(25)을 일체 지지하는 세라믹 등의 절연 부재이다. 본체부(21)에는, 도 3에 도시되는 바와 같이, 복수의 용사건(25)을 관통 삽입 가능하게 구성된 복수의 관통 구멍(21a)이 형성되어 있다. 본 실시형태에서는, 4개의 관통 구멍(21a)이 본체부(21)의 장변 방향을 따라서 형성되어 있다. 본체부(21)의 장변 방향의 길이(L1)는 155㎜이며, 인접한 관통 구멍(21a)의 중심 간 거리(L2)는 35㎜이다.
본체부(21)의 내부에는, 도 1 및 도 4에 도시되는 바와 같이, 냉매가 통류하는 냉매 유로(21b)가 형성되어 있다. 냉매 유로(21b)는 복수의 용사건(25)의 각각의 주변에 마련되어 있다. 냉매 유로(21b)에는, 칠러 유닛(40)으로부터 냉매가 공급된다. 이에 의해, 본체부(21)가 냉각되므로, 본체부(21)가 플라즈마의 열에 의해 고온이 되는 것을 방지할 수 있다.
본체부(21)는, 예컨대 3D 프린터에 읽히는 본체부용 3D 데이터에 기초하여 3D 프린터에 의해 성형된다. 본체부 3D 데이터에는, 본체부(21)의 내부에 형성되는 선회류 구조, 냉매 유로(21b), 그리고 용사건(25)이 삽입되는 복수의 관통 구멍(21a)의 형상, 배치 및 치수 데이터가 포함된다. 3D 프린터는, 본체부용 3D 데이터에 기초하여, 선회류 구조, 냉매 유로(21b), 용사건(25)을 삽입하는 복수의 관통 구멍(21a)을 내부에 만들어 넣은 본체부(21)를 일체 형성함으로써, 복수의 용사건(25)을 협피치로 배치하여, 장치의 컴팩트화와 하드웨어의 부품 점수의 저감(O링을 줄이는 등)을 도모할 수 있다.
또한, 본체부(21)는 광 조형 3D 프린터를 사용하여 세라믹의 원료를 포함한 성형물을 제작하고, 제작한 성형물을 소결시키는 세라믹 3D 소성 등의 3D 소결 기술에 의해 성형되어도 좋다.
용사건(25)은, 피더(10)로부터 공급되는 용사 재료의 분말(R1)을, 가스 공급부(30)로부터 공급되는 플라즈마 생성 가스에 의해 운반하고, 직류 전원(50)에 의해 공급되는 전력을 이용하여 플라즈마 생성 가스를 전리(해리)시켜 플라즈마 제트(P)를 생성한다. 그리고, 플라즈마 제트(P)의 열에 의해 용사 재료의 분말(R1)을 용융하면서 기재의 표면을 향하여 분출한다. 용사건(25)은 노즐(26)과 회전류 디스크(27)와 애노드부(28)를 갖는다.
노즐(26)은 봉 형상의 환상 부재이며, 그 내부에 용사 재료의 분말(R1)이 운반되는 유로(26a)가 형성되어 있다. 노즐(26)의 유로(26a)와 용기(11) 내는 연통된다. 용사 재료의 분말(R1)은 액추에이터(12)의 동력에 의해 용기(11)를 진동시킴으로써, 용기(11)로부터 노즐(26) 내의 유로(26a)에 투입된다. 노즐(26)에는 용사 재료의 분말(R1)과 함께 플라즈마 생성 가스가 공급된다. 플라즈마 생성 가스는 플라즈마를 생성하기 위한 가스이며, 또한, 유로(26a)에서 용사 재료의 분말(R1)을 운반하는 캐리어 가스로서도 기능한다.
노즐(26)은 본체부(21)를 관통하며, 그 선단부(26b)가 플라즈마 생성 공간(U)으로 돌출된다. 본 실시형태에서는, 노즐(26)은 고정 부재(29a) 및 체결 부재(29b)에 의해 본체부(21)에 고정되어 있다. 용사 재료의 분말(R1)은 플라즈마 생성 가스에 의해 노즐(26)의 선단부(26b)까지 운반되고, 플라즈마 생성 가스와 함께 선단부(26b)의 개구(26c)로부터 플라즈마 생성 공간(U)에 분사된다. 노즐(26)은 금속 재료에 의해 형성되어 있다. 노즐(26)은 직류 전원(50)에 접속되며, 직류 전원(50)으로부터 전류가 공급되는 전극(캐소드)으로서도 기능한다.
회전류 디스크(27)는 본체부(21)의 관통 구멍(21a)에 관통 삽입되어 있다. 회전류 디스크(27)는 절연 재료에 의해 형성되어 있다. 회전류 디스크(27)의 내부에는, 플라즈마 생성 공간(U)에 플라즈마 생성 가스를 공급하는 가스 유로(27a)가 형성되어 있다. 가스 유로(27a)에는 가스 공급부(30)로부터 플라즈마 생성 가스가 공급된다.
애노드부(28)는 본체부(21)의 하방으로부터 관통 구멍(21a)에 관통 삽입되어 있다. 애노드부(28)는 금속 재료에 의해 형성되어 있다. 애노드부(28)는 직류 전원(50)에 접속되어 있으며, 전극(애노드)으로서 기능한다.
플라즈마 생성 공간(U)은 주로 회전류 디스크(27)의 내주부(27b)와 애노드부(28)의 상부(28a)에 의해 획정된 공간이다. 플라즈마 생성 공간(U)에는 노즐(26)의 선단부(26b)가 돌출되어 있다.
가스 공급부(30)는 가스 공급원(31)과, 밸브(32)와, 매스 플로우 컨트롤러(33)와, 배관(34)과, 배관(35)을 갖는다. 플라즈마 생성 가스는 가스 공급원(31)으로부터 공급되고, 밸브(32) 및 매스 플로우 컨트롤러(33)를 통하여 개폐 및 유량 제어되며, 배관(34)을 통하여 노즐(26) 내의 유로(26a)에 공급된다. 플라즈마 생성 가스로서는, 아르곤 가스, 헬륨 가스, 질소 가스, 수소 가스, 이들 각종 가스를 조합한 가스 등을 이용할 수 있다.
또한, 플라즈마 생성 가스는 가스 공급원(31)으로부터 공급되고, 밸브(32) 및 매스 플로우 컨트롤러(33)를 통하여 개폐 및 유량 제어되며, 배관(35)을 통하여 회전류 디스크(27)의 내부의 가스 유로(27a)를 흘러, 횡방향으로부터 플라즈마 생성 공간(U)에 공급된다. 보다 구체적으로는, 도 1 및 도 5에 도시되는 바와 같이, 플라즈마 생성 공간(U)에 도입되는 플라즈마 생성 가스는 회전류 디스크(27)의 가스 유로(27a)로부터 횡방향으로 선회류가 되어 플라즈마 생성 공간(U)에 공급된다. 이에 의해, 생성되는 플라즈마의 확산을 방지하여, 플라즈마 제트(P)가 직선 편향이 된다. 즉, 노즐(26)과 축심이 공통하는 플라즈마 제트(P)가 생성된다. 또한, 본 실시형태에서 「축심이 공통됨」이란, 노즐(26)의 중심축(C)과 플라즈마 제트(P)의 분사 방향의 중심축이 일치하거나 또는 거의 동일 방향으로 일치하는 것을 말한다.
칠러 유닛(40)은 냉매 유로(21b)에 냉각수 등의 냉매를 공급한다. 칠러 유닛(40)으로부터 공급되는 냉매는 냉매관(41), 냉매 유로(21b) 및 냉매관(42)을 통하여 순환하고, 칠러 유닛(40)으로 되돌아온다. 본 실시형태에서는, 용사건(25)의 각각의 주위에 형성된 냉매 유로(21b)는 서로 병렬로 접속되어 있다. 또한, 용사건(25)의 각각의 주위에 형성된 냉매 유로(21b)는 서로 직렬로 접속되어 있어도 좋다.
직류 전원(50)은 소정 전력(예컨대, 500W~20㎾)을 노즐(26)의 선단부(26b)와 애노드부(28) 사이에 공급한다. 이에 의해, 노즐(26)의 선단부(26b)와 애노드부(28) 사이에서 방전이 생기고, 플라즈마 생성 공간(U)에서 노즐(26)로부터 분사된 플라즈마 생성 가스가 전리(분해)되어, 플라즈마가 생성된다.
이상에 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시형태에 따른 플라즈마 용사 장치(1)는, 본체부(21)가 복수의 용사건(25)을 일체 지지하는 구조를 가지므로, 복수의 용사건(25)의 간격을 좁게 배치할 수 있다. 이에 의해, 플라즈마 용사 헤드(20)의 공간 절약화를 실현할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시형태에 따른 플라즈마 용사 장치(1)에서는, 본체부(21)의 내부에 냉매가 통류하는 냉매 유로(21b)가 형성되어 있으므로, 본체부(21)가 플라즈마의 열에 의해 고온이 되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시형태에 따른 플라즈마 용사 장치(1)에서는, 복수의 용사건(25)에 대하여, 1개의 피더(10)로부터 용사 재료의 분말(R1)이 공급되고, 1개의 가스 공급부(30)로부터 플라즈마 생성 가스가 공급된다. 또한, 1개의 칠러 유닛(40)으로부터 냉매가 공급되고, 1개의 직류 전원(50)으로부터 전력이 공급된다. 이에 의해, 플라즈마 용사 장치(1)를 구성하는 부품 점수를 삭감할 수 있다. 그 때문에, 플라즈마 용사 장치(1)의 공간 절약화를 실현할 수 있다. 또한, 복수의 용사건(25)의 각각에 대응시켜, 복수의 피더(10), 복수의 가스 공급부(30), 복수의 칠러 유닛(40) 및 복수의 직류 전원(50)을 마련해도 좋다. 이 경우, 각각의 용사건(25)을 상이한 조건으로 동작시킬 수 있다.
다음에, 도 1의 플라즈마 용사 장치(1)의 플라즈마 용사 헤드의 다른 예에 대하여 설명한다. 도 6은 도 1의 플라즈마 용사 장치(1)의 플라즈마 용사 헤드의 다른 예를 도시하는 단면도이다.
도 6에 도시되는 바와 같이, 플라즈마 용사 헤드(120)는, 플라즈마 생성 가스의 선회류(이하, 「선회 가스」라 함)를 플라즈마 생성 공간(U)에 공급하는 가스 유로(27a)가 본체부(21)의 내부에 형성되어 있는 점에서, 도 2의 플라즈마 용사 헤드(20)와 상이하다.
도 6에 도시되는 플라즈마 용사 헤드(120)에서는, 플라즈마 생성 공간(U)에 선회 가스를 공급하는 가스 유로(27a)가 본체부(21)의 내부에 형성되어 있으므로, 플라즈마 용사 헤드(120)를 구성하는 부품 점수를 삭감할 수 있다. 또한, 플라즈마 용사 헤드(120)의 조립 공정수를 삭감할 수 있다.
[효과]
본 발명의 실시형태에 따른 플라즈마 용사 장치(1)가 발휘하는 효과에 대하여 설명한다.
최초에, 본 발명의 실시형태에 따른 플라즈마 용사 장치(1)를 이용하는 것에 의한 생산성의 향상으로의 기여에 대하여 설명한다. 도 7은 장척물에 성막 처리를 실행하는 경우의 플라즈마 용사 헤드의 동작 설명도이다.
도 7에 도시되는 바와 같이, 기재(W)가 장척물인 경우, 본체부(21)에 4개의 용사건(25)이 일체 지지된 플라즈마 용사 헤드(20)의 단변 방향(도면 중의 화살표로 나타내는 방향)으로 기재(W)를 이동시키면서, 용사 재료의 분말(R1)을 플라즈마 제트(P)의 열에 의해 용융하면서 기재(W)의 표면을 향하여 분출하여, 기재(W)의 표면에 용사 재료를 포함하는 막을 형성한다.
이 방법에 의해, 장척물에 용사 재료를 포함하는 막을 형성할 때, 기재(W)를 일방향(또는 1축의 왕복)으로 이동시키는 것에 의해 소망의 막을 형성할 수 있다. 그 때문에, 생산성을 높일 수 있다. 또한, 기재(W)를 이동시키는 기구를 간소화할 수 있다.
또한, 도 7의 예에서는, 기재(W)를 이동시키면서 플라즈마 용사를 실행하는 경우를 예로 들어 설명했지만, 이에 한정되지 않으며, 기재(W)의 이동을 대신하여, 또는 기재(W)의 이동과 함께, 플라즈마 용사 헤드(20)를 이동시키면서 플라즈마 용사를 실행해도 좋다.
다음에, 어닐 처리가 막의 밀착성에 미치는 영향에 대하여 설명한다. 도 8은, 어닐 처리가 막의 밀착성에 미치는 영향을 평가하기 위한 평가계의 설명도이다.
도 8에 도시되는 바와 같이, 4개의 용사건(25A, 25B, 25C, 25D) 중, 용사건(25B)으로부터 수소(H2)를 5% 첨가한 Ar 플라즈마(이하, 「H2 첨가 플라즈마」라 함)를 분사하고, 용사건(25C)으로부터 Cu를 용사한 상태에서, 플라즈마 용사 헤드(20)의 장변 방향을 따라서, 용사건(25A)의 하방, 용사건(25B)의 하방, 용사건(25C)의 하방, 용사건(25D)의 하방의 순서대로 기재(W)를 이동시키고, 기재(W)의 표면에 H2 첨가 플라즈마를 분사하여 어닐 처리를 실행한 후, Cu를 용사하여 Cu 용사막을 형성했다. 또한, 도 8에 있어서, 기재(W)의 이동 방향을 화살표로 나타내 나타내고 있다.
이때, 인접한 용사건(25)의 중심 간 거리(L2)를 35mm, 기재(W)의 표면과 용사건(25)의 하면의 거리(L3)를 50mm 정도, 기재(W)의 이동 속도를 수백 ㎜/초로 했다. 또한, 기재(W)로서는, Al, 산화알루미늄(Al2O3), 철(Fe)계 금속을 사용했다.
또한, 비교를 위해서, 용사건(25B)으로부터 H2 첨가 플라즈마를 분사하는 일 없이, 용사건(25C)으로부터 Cu를 용사한 상태에서, 플라즈마 용사 헤드(20)의 장변 방향을 따라서, 용사건(25A)의 하방, 용사건(25B)의 하방, 용사건(25C)의 하방, 용사건(25D)의 하방의 순서대로 기재(W)를 이동시켜, 기재(W)의 표면에 H2 첨가 플라즈마를 분사하는 일 없이(어닐 처리를 실행하는 일 없이), Cu를 용사하여 Cu 용사막을 형성했다.
도 9는 어닐 처리가 막의 밀착성에 미치는 영향을 평가한 결과를 나타내는 도면이다. 도 9에서는, 8종류의 시료에 대하여 막의 밀착성을 평가한 시험 결과를 나타내고 있다. 막의 밀착성 평가 시험은, JISK5400-8.5(JISD0202)에 준거하여 실시했다. 도 9에서는, 좌측의 열부터 순서대로, 기재 재질, 기재의 표면 거칠기, Cu 용사막의 두께(Cu 용사 두께), H2 첨가 플라즈마의 유무, 막 절단시의 막 상태, 및 테이프 박리시의 막 상태를 나타내고 있다.
도 9에 나타내는 바와 같이, H2 첨가 플라즈마 처리 후에 Cu 용사막을 형성한 시료(H2 첨가 플라즈마: 유)에서는, 기재의 종류에 관계없이, 막 절단시에 「막 벗겨짐」은 관측되지 않았다. 또한, H2 첨가 플라즈마 처리 후에 Cu 용사막을 형성한 시료에서는, 기재로서 Al 또는 Fe계 금속을 이용한 경우, 테이프 박리시에 「막 벗겨짐」은 관측되지 않으며, 기재로서 Al2O3를 이용한 경우, 100 매스 중의 대부분의 매스에 대하여 막이 잔존하고 있는 것이 관측되었다.
이에 반하여, H2 첨가 플라즈마 처리를 실행하는 일 없이 Cu 용사막을 형성한 시료(H2 첨가 플라즈마: 무)에서는, 기재의 종류에 관계없이, 테이프 박리시에 대부분의 매스에서 「막 벗겨짐」이 관측되었다. 구체적으로는, 기재로서 Al을 이용한 경우, 100 매스 중의 대부분의 매스에서 「막 벗겨짐」이 관측되었다. 또한, 기재로서 Al2O3를 이용한 경우, 100 매스 전체에서 「막 벗겨짐」이 관측되었다. 또한, 기재로서 Fe계 금속을 이용한 경우, 88개의 매스에서 「막 벗겨짐」 및 「막 젖혀짐」은 관측되지 않았지만(도면 중 「○」로 나타냄), 8개의 매스에서 「막 젖혀짐」이 관측되고(도면 중 「△」로 나타냄), 4개의 매스에서 「막 벗겨짐」이 관측되었다(도면 중 「×」로 나타냄).
이와 같이 Cu 용사막을 형성하기 전에 H2 첨가 플라즈마 처리를 실행함으로써, 기재(W)의 표면의 산화막 등을 제거(환원)할 수 있어서, 기재(W)와 Cu 용사막의 사이의 밀착성이 향상되었다고 생각할 수 있다.
다음에, 어닐 처리 후의 경과 시간이 막의 밀착성에 미치는 영향에 대하여 설명한다. 도 10은 어닐 처리 후의 경과 시간이 막의 밀착성에 미치는 영향을 평가하기 위한 평가계의 설명도이다.
도 10의 (a)에 도시되는 바와 같이, 4개의 용사건(25A, 25B, 25C, 25D) 중 용사건(25B)으로부터 H2 첨가 플라즈마를 분사하고, 용사건(25C)으로부터 Cu를 용사한 상태에서, 플라즈마 용사 헤드(20)의 장변 방향을 따라서, 용사건(25A)의 하방, 용사건(25B)의 하방, 용사건(25C)의 하방, 용사건(25D)의 하방의 순서대로 기재(W)를 이동시키고, 기재(W)의 표면에 H2 첨가 플라즈마를 분사하여 어닐 처리를 실행한 후, Cu를 용사하여 Cu 용사막을 형성했다. 또한, 도 10의 (a)에서, 기재(W)의 이동 방향을 화살표로 나타내고 있다.
용사 조건은 이하와 같다.
<용사건(25B)>
·전력: 6㎾ 정도
·유로(26a)에 공급되는 가스: 수소 5%를 첨가한 Ar 가스
·선회 가스: 수소 5%를 첨가한 Ar 가스
·용사 재료의 분말(R1): 없음
<용사건(25C)>
·전력: 6㎾ 정도
·유로(26a)에 공급되는 가스: 수소 5%를 첨가한 Ar 가스
·선회 가스: 수소 5%를 첨가한 Ar 가스
·용사 재료의 분말(R1): Cu
·분말(R1)의 토출량: 수 g/분
<기재(W)>
·재질: Al
·이동 속도: 수백 ㎜/초
·기재(W)와 용사건(25)의 하면의 거리(L3): 50㎜ 정도
또한, 도 10의 (b)에 도시되는 바와 같이, 4개의 용사건(25A, 25B, 25C, 25D) 중 용사건(25B)으로부터 H2 첨가 플라즈마를 분사하고, 용사건(25D)으로부터 Cu를 용사한 상태에서, 플라즈마 용사 헤드(20)의 장변 방향을 따라서, 용사건(25A)의 하방, 용사건(25B)의 하방, 용사건(25C)의 하방, 용사건(25D)의 하방의 순서대로 기재(W)를 이동시키고, 기재(W)의 표면에 H2 첨가 플라즈마를 분사하여 어닐 처리를 실행한 후, Cu를 용사하여 Cu 용사막을 형성했다. 또한, 도 10의 (b)에 있어서, 기재(W)의 이동 방향을 화살표로 나타내고 있다. 또한, 용사건(25C)을 대신하여 용사건(25D)으로부터 Cu를 용사하는 점 이외는 전술과 동일한 용사 조건이다. 즉, 용사건(25D)으로부터 Cu를 용사하는 조건은 전술의 용사건(25C)으로부터 Cu를 용사하는 조건과 동일하다.
또한, 인접한 용사건(25)의 중심 간 거리(L2)는 35㎜로 했다. 즉, 용사건(25B)으로부터 H2 첨가 플라즈마를 분사하고, 용사건(25C)으로부터 Cu를 용사한 경우, 기재(W)에 H2 첨가 플라즈마를 분사한 후, 0.1초 후에 Cu가 용사된다. 또한, 용사건(25B)으로부터 H2 첨가 플라즈마를 분사하고, 용사건(25D)으로부터 Cu를 용사한 경우, 기재(W)에 H2 첨가 플라즈마를 분사한 후, 0.2초 후에 Cu가 용사된다.
도 11은 어닐 처리 후의 시간이 막의 밀착성에 미치는 영향을 평가한 결과를 나타내는 도면이다. 도 11에서는, 3종류의 시료에 대하여 막의 밀착성을 평가한 시험 결과를 나타내고 있다. 막의 밀착성 평가 시험은 25g 하중의 핀셋으로 Cu 용사막을 세게 긁었을 때의 막의 박리 상태를 관측하는 시험(스크래치 시험)에 의해 실행했다. 도 11에서는, 좌측의 열로부터 순서대로, H2 첨가 플라즈마를 분사하고 나서 15초 후, 0.2초 후, 0.1초 후에 Cu 용사막을 형성한 시료에 있어서의 막 상태(상단) 및 스크래치 시험 결과(하단)를 나타내고 있다.
도 11의 상단에 나타내는 바와 같이, H2 첨가 플라즈마를 분사하고 나서 0. 2초 후에 Cu 용사막을 형성한 시료, 및 H2 첨가 플라즈마를 분사하고 나서 0.1초 후에 Cu 용사막을 형성한 시료에서는, 기재(W)의 표면에 Cu 용사막이 성막되어 있는 것이 관측되었다. 한편, H2 첨가 플라즈마를 분사하고 나서 15초 후에 Cu 용사막을 형성한 시료에서는, 기재(W)의 표면에 Cu 용사막이 형성되어 있지 않은 부분이 많은 것이 관측되었다. 즉, 기재(W)의 표면에 Cu 용사막을 형성하기 쉽다는 관점에서, H2 첨가 플라즈마를 분사하고 나서 0.2초 이하로 Cu를 용사하는 것이 바람직하고, H2 첨가 플라즈마를 분사하고 나서 0.1초 이하로 Cu를 용사하는 것이 특히 바람직하다.
도 11의 하단에 나타내는 바와 같이, H2 첨가 플라즈마를 분사하고 나서 0. 1초 후에 Cu를 용사한 시료에서는, 스크래치 시험에 의해 Cu 용사막이 박리되기 어려운 것이 관측되었다. 한편, H2 첨가 플라즈마를 분사하고 나서 0.2초 후에 Cu를 용사한 시료에서는, 스크래치 시험의 결과, Cu 용사막의 일부가 박리되는 것이 관측되었다. 또한, H2 첨가 플라즈마를 분사하고 나서 15초 후에 Cu를 용사한 시료에서는, 스크래치 시험의 결과, Cu 용사막이 박리되기 쉬운 것이 관측되었다. 즉, 기재(W)에 대한 Cu의 밀착성을 높인다는 관점에서, H2 첨가 플라즈마를 분사하고 나서 0.2초 이하로 Cu를 용사하는 것이 바람직하며, H2 첨가 플라즈마를 분사하고 나서 0.1초 이하로 Cu를 용사하는 것이 특히 바람직하다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 실시형태에 따른 플라즈마 용사 장치(1)에서는, 복수의 용사건(25)의 간격을 좁게 배치할 수 있으므로, H2 첨가 플라즈마를 분사하고 나서 단시간에 용사 재료의 분말(R1)을 플라즈마 제트(P)의 열에 의해 용융하면서 기재(W)의 표면에 분사할 수 있다. 그 때문에, 기재(W)에 대한 밀착성이 높은 Cu 용사막을 형성할 수 있다.
이상, 용사건(25)의 간격을 좁게 배치한 경우의 효과에 대하여 설명했다. 또한, 용사 재료나 용사 조건에 따라서는, 사용하는 용사건(25)의 간격을 넓히는 것이 좋은 경우가 있다. 예컨대, 인접한 용사건(25)의 플라즈마 용사에 의해 열간섭이 생겨, 용사막의 특성이 저하되는 경우가 있다. 이 경우에는, 인접하지 않은 용사건(25)을 사용해도 좋다.
이상, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대하여 설명했지만, 상기 내용은 발명의 내용을 한정하는 것이 아니며, 본 발명의 범위 내에서 여러 가지의 변형 및 개량이 가능하다.
1: 플라즈마 용사 장치 10: 피더
20: 플라즈마 용사 헤드 21: 본체부
21a: 관통 구멍 21b: 냉매 유로
25: 용사건 26: 노즐
27: 회전류 디스크 27a: 가스 유로
28: 애노드부 30: 가스 공급부
40: 칠러 유닛 50: 직류 전원
P: 플라즈마 제트 R1: 용사 재료의 분말

Claims (10)

  1. 용사 재료의 분말을 플라즈마에 의해 용융하고, 용융한 분말에 의해 피대상물에 성막하는 플라즈마 용사 헤드에 있어서,
    상기 용사 재료의 분말을 플라즈마 생성 가스에 의해 운반하고, 선단부의 개구로부터 분사되는 노즐과, 상기 노즐이 분사하는 상기 플라즈마 생성 가스를 직류 전원이 출력하는 전력에 의해 분해하여 상기 노즐과 축심이 공통되는 플라즈마를 생성하는 플라즈마 생성부를 각각 포함하는 복수의 용사건과,
    상기 복수의 용사건을 일체 지지하여, 내부에 냉매가 통류하는 냉매 유로를 포함하는 본체부를 갖는
    플라즈마 용사 헤드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 본체부는 상기 복수의 용사건을 관통 삽입 가능하게 구성된 복수의 관통 구멍을 갖는
    플라즈마 용사 헤드.
  3. 제 2 항에 있어서,
    인접한 상기 관통 구멍의 중심 간 거리는 70㎜ 이하인
    플라즈마 용사 헤드.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플라즈마 생성 가스가 분사되는 플라즈마 생성 공간에 선회류를 형성하는 가스를 공급하는 가스 유로를 갖는
    플라즈마 용사 헤드.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 가스 유로는 상기 본체부의 내부에 형성되어 있는
    플라즈마 용사 헤드.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 본체부는, 3D 프린터에 읽히는 본체부용 3D 데이터에 기초하여, 3D 프린터 또는 3D 소결 기술에 의해 성형되는
    플라즈마 용사 헤드.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 플라즈마 용사 헤드와,
    상기 플라즈마 용사 헤드에 상기 용사 재료의 분말을 공급하는 피더를 구비하는
    플라즈마 용사 장치.
  8. 용사 재료의 분말을 플라즈마 생성 가스에 의해 운반하고, 선단부의 개구로부터 분사하는 노즐과, 상기 노즐이 분사하는 상기 플라즈마 생성 가스를 직류 전원이 출력하는 전력에 의해 분해하여 상기 노즐과 축심이 공통되는 플라즈마를 생성하는 플라즈마 생성부를 각각 포함하는 복수의 용사건과,
    상기 복수의 용사건을 일체 지지하고, 내부에 냉매가 통류하는 냉매 유로를 포함하는 본체부를 갖는 플라즈마 용사 헤드를 이용하여 피대상물에 성막하는 플라즈마 용사 방법에 있어서,
    상기 복수의 용사건 중 하나의 용사건으로부터 상기 피대상물에 상기 용사 재료의 분말을 분사하는 일 없이, 상기 플라즈마를 분사하는 단계와,
    상기 복수의 용사건 중 상기 하나의 용사건과 상이한 용사건으로부터 상기 용사 재료의 분말 및 상기 플라즈마를 분사하는 단계를 갖는
    플라즈마 용사 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 플라즈마를 분사하는 단계 후, 상기 용사 재료의 분말 및 상기 플라즈마를 분사하는 단계를 실행하는
    플라즈마 용사 방법.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 플라즈마를 분사하는 단계에서 사용하는 용사건은 상기 용사 재료의 분말 및 상기 플라즈마를 분사하는 단계에서 사용하는 용사건에 인접하여 배치되는 용사건인
    플라즈마 용사 방법.
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