KR20210020317A - 저융점 소재 혼합이 가능한 하이브리드 용사코팅 시스템 - Google Patents

저융점 소재 혼합이 가능한 하이브리드 용사코팅 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하이브리드 방식으로 용사코팅을 수행하는 시스템에 있어서: 소재공급부(22)와 매체공급부(24)를 갖추고, 모재에 직접적으로 용융 소재를 분사하는 메인용사기(20); 소재공급부(32)와 매체공급부(34)를 갖추고, 모재에 직접 또는 간접적으로 용융 소재를 분사하는 서브용사기(30); 및 상기 메인용사기(20)와 상기 서브용사기(30)를 설정된 알고리즘으로 제어하는 제어기(40);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 용융점이 다른 소재를 혼합하여도 각각의 상반되는 기계적 물성이 서로 완충작용을 하여 보다 높은 기계적 특성을 발현하고, 추가적인 기능성의 부여가 가능하며, 용사코팅 종류와 상관없이 호환이 가능한 효과가 있다.

Description

저융점 소재 혼합이 가능한 하이브리드 용사코팅 시스템 {Hybrid thermal spray coating system capable of mixing low-melting-point material}
본 발명은 하이브리드 용사코팅 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 극한 환경에서의 각종 장비 및 시설재의 표면에 저융점 강화재가 혼합된 용사코팅을 이용하여 보다 높은 내구성과 기능성을 부여하기 위한 저융점 소재 혼합이 가능한 하이브리드 용사코팅 시스템에 관한 것이다.
산업 고도화로 인해 극한 환경에서 각종 장비 및 시설들에 대해 보다 더 높은 성능과 장기간의 수명이 요구되고 있다. 고 내구성이 요구되는 구조물 및 부품에 사용되는 코팅 방법 중 하나로 용사코팅 방법이 널리 사용되고 있다.
용사코팅 방법은 분말 혹은 와이어(선형) 재료를 고온 열원으로부터 용융액적으로 변화시켜 고속으로 모재(피도면)에 충돌시켜 급냉 응고 적층한 피막을 형성하는 기술이다.
종래의 용사코팅은 복합재료와 같이 강화재를 넣거나, 물성 및 형태가 다른 재료를 혼합하여 다양한 소재를 복합화할 수 있는 방법이 한계가 있으므로 코팅 층의 성능과 물성을 향상시키는 방법이 제한적이다.
용사코팅으로 용융점이 다른 재료를 동시에 혼합하여 코팅할 경우, 융점이 낮은 재료는 우선적으로 기화(vaporization)되어 혼합이 되지 않으므로 요구 또는 목표 성능이 만족되지 않는다.
용사코팅과 관련하여 한국 등록특허공보 제249049호, 한국 공개특허공보 제2016-0007072호 등의 선행기술문헌을 참조할 수 있다.
전자는 금속 분말에 텅스텐 카바이드 분말을 혼합하여 코팅용 분말을 형성하는 단계, 레이저 빔으로 상기 코팅용 분말을 용융 및 냉각시켜 모재 위에 용사 코팅층을 형성하는 단계를 포함한다.
후자는 플라즈마 방식의 전극에 의하여 고융점 재질의 용재를 용융한 후, 고속융사방식으로 용재를 분사하는 구조로 이루어져 종래 플라즈마 방식의 용사 장치의 장점과 고속용사 방식의 장점을 통하여 다양한 재질의 용재를 빠른 속도로 코팅하는 효과를 기대한다.
그러나, 상기한 선행문헌에 의하면 용융점이 다른 재료를 동시에 혼합하여 코팅하기 미흡하여 개선의 여지를 보이고 있다.
한국 등록특허공보 제249049호 "레이저 용사 코팅 방법 및 이를 이용한 용사 코팅층" (공개일자 : 2012.07.06.) 한국 공개특허공보 제2016-0007072호 "혼합형 용사 코팅 장치" (공개일자 : 2016.01.20.)
상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 온도 구배를 이용한 코팅과 펄스파를 이용한 코팅을 접목하여 강화재를 비롯한 2가지 이상의 융점이 다른 소재를 동시 혼합하여 코팅할 수 있는 저융점 소재 혼합이 가능한 하이브리드 용사코팅 시스템을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 하이브리드 방식으로 용사코팅을 수행하는 시스템에 있어서: 소재공급부와 매체공급부를 갖추고, 모재에 직접적으로 용융 소재를 분사하는 메인용사기; 소재공급부와 매체공급부를 갖추고, 모재에 직접 또는 간접적으로 용융 소재를 분사하는 서브용사기; 및 상기 메인용사기와 상기 서브용사기를 설정된 알고리즘으로 제어하는 제어기;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제1실시예로서, 상기 메인용사기는 전원공급부를 이용하여 설정된 온도 구배를 이루도록 작동하고, 상기 서브용사기는 적정한 온도 구간에서 저융점 소재를 혼입하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제2실시예로서, 상기 메인용사기와 서브용사기는 모재에 설정된 각도로 대향한 상태에서 각각의 전원공급부에서 펄스파를 인가하여 복수의 소재를 분사하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 전원공급부는 제1피막과 제2피막의 순차적 적층 상태를 유지하도록 가동되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어기는 소재의 분사량과 분사압을 조절하는 용사조절기, 소재의 분사 거리를 조절하는 위치조절기, 소재의 분사 각도를 조절하는 각도조절기에 연결되는 것을 특징으로 한다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 용융점이 다른 소재를 혼합하여도 각각의 상반되는 기계적 물성이 서로 완충작용을 하여 보다 높은 기계적 특성을 발현하고, 추가적인 기능성의 부여가 가능하며, 용사코팅 종류와 상관없이 호환이 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 시스템의 제1실시예를 나타내는 모식도
도 2는 도 1의 시스템에 적용되는 원리를 설명하기 위한 도표
도 3은 본 발명에 따른 시스템의 제2실시예를 나타내는 모식도
도 4는 도 3의 시스템에 의한 작동 상태를 나타내는 모식도
도 5는 본 발명에 따른 시스템의 제어회로를 나타내는 블록도
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 하이브리드 방식으로 용사코팅을 수행하는 시스템에 관하여 제안한다. 분말 혹은 선형인 복수의 소재를 고온의 용융액적으로 분사하는 용사코팅 시스템을 대상으로 하지만 반드시 이에 국한되는 것은 아니다. 용사코팅의 종류는 다양하나 모두 열원을 사용하고 있으며, 모재(10)의 피도면(Matrix)에 일정 간격을 두고 건(Gun)에서 토출된 소재가 표면에 충돌하면서 코팅이 진행된다.
본 발명에 따르면 소재공급부(22)와 매체공급부(24)를 갖춘 메인용사기(20)가 모재에 직접적으로 용융 소재를 분사하는 구조이다. 메인용사기(20)는 선단의 노즐에 소재공급부(22)와 매체공급부(24)를 연통시킨 구조이다. 소재공급부(22)는 금속, 세라믹, 플라스틱 등의 용사재료를 공급하고, 매체공급부(24)는 공기(산소) 또는 가스(가연성)를 공급한다. 직접적 분사는 용융된 소재가 피도면에 직접 충돌하는 방식을 의미한다.
또한, 본 발명에 따르면 소재공급부(32)와 매체공급부(34)를 갖춘 서브용사기(30)가 모재에 직접 또는 간접적으로 용융 소재를 분사하는 구조이다. 서브용사기(30)의 노즐, 소재공급부(32), 매체공급부(34)는 전술한 메인용사기(20)와 동일성을 유지할 수 있다. 다만, 후술하듯이 소재공급부(32)의 소재는 메인용사기(20)의 소재공급부(22)와 다르게 적용될 수 있다. 직접적 분사는 소재가 피도면에 직접 충돌하지 않고 중간에 혼입되는 방식을 의미한다.
본 발명의 제1실시예로서, 상기 메인용사기(20)는 전원공급부(26)를 이용하여 설정된 온도 구배를 이루도록 작동하고, 상기 서브용사기(30)는 적정한 온도 구간에서 저융점 소재를 혼입하는 것을 특징으로 한다.
도 1을 참조하면, 고융점 소재의 코팅을 위한 메인용사기(20)가 피도면을 향하도록 배치되고 추가로 저융점 소재를 피딩하여 분사하는 서브용사기(30)가 설치된 상태를 예시한다. 서브용사기(30)는 추가로 열원이 연결된 장치가 없어도 가능하지만, 일정 압력으로 토출 가능하도록 매체공급부(34)를 통한 공기 또는 가스 주입이 필요하다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에서 메인용사기(20)가 일정 간격을 두고 코팅하기 때문에 노즐에서부터 피도면까지 온도구배가 발생하게 된다. 노즐에 인접한 영역과 피도면에 입접한 영역을 제외한 중간 영역에서의 온도는 대략 반비례의 선형적으로 감소하는 구배가 발생한다. 이러한 온도 구배를 이용하여 융점 낮은 재료를 적절한 구간에 분사할 경우, 융점이 다른 재료를 동시에 혼합하여 코팅이 가능하다. 물론 재료에 따라 분사 위치와 각도가 상이하므로 실험을 통해 조건을 설정할 필요가 있다.
이때, 서브용사기(30)의 소재공급부(32)에는 용사코팅에서 보다 더 높은 성능과 물성을 만족시키기 위한 강화재를 사용할 수 있다.
한편, 도 1에서 메인용사기(20)의 전원공급부(26)는 주요부 전원을 제공하면서 용사를 위한 열원을 가동하는 기능을 포함한다. 그러나 서브용사기(30)에서 전원공급부가 축소 또는 배제될 수 있다.
본 발명의 제2실시예로서, 상기 메인용사기(20)와 서브용사기(30)는 모재에 설정된 각도로 대향한 상태에서 각각의 전원공급부(26)(36)에서 펄스파를 인가하여 복수의 소재를 분사하는 것을 특징으로 한다.
도 3을 참조하면, 대략 동일한 규격(용량)의 메인용사기(20)와 서브용사기(30)가 피도면을 향하여 설정된 각도로 대칭적으로 배치된 상태를 예시한다. 메인용사기(20)와 서브용사기(30)는 하나의 열원으로 연결할 수 있고, 노출되는 위치를 달리하여 2가지의 소재의 혼합이 가능하도록 한다. 도 3에서 2개의 용사기를 예시하지만 3개 이상의 용사기를 적용하여 추가 소재의 혼합이 가능하다. 어느 경우에나 후술하는 제어기(40)와 연계되는 전원공급부(26)(36)를 통하여 펄스파의 부여가 가능하도록 구성된다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 전원공급부(26)(36)는 제1피막(11)과 제2피막(12)의 순차적 적층 상태를 유지하도록 가동되는 것을 특징으로 한다.
도 4를 참조하면, 메인용사기(20)와 서브용사기(30)의 토출 패턴을 선택적으로 조절하여 일정 간격으로 인터벌(interval)을 주는 펄스 방법의 적용을 예시한다. 도 4(a)와 같이 메인용사기(20)에 의한 부호 A 및 서브용사기(30)에 의한 부호 B의 소재 토출량이 변동하면, 도 4(b)와 같이 피도면에 제1피막(11)과 제2피막(12)이 교호로 적층된 구조를 형성할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 제어기(40)가 상기 메인용사기(20)와 상기 서브용사기(30)를 설정된 알고리즘으로 제어하는 구조를 이룬다. 제어기(40)는 마이크로프로세서, 메모리, 입출력인터페이스를 탑재한 마이컴 회로를 적용한다. 출력인터페이스에는 메인용사기(20), 서브용사기(30) 등이 연결되고, 입력인터페이스에는 검출기(48) 등이 연결된다. 제어 알고리즘은 메모리에 프로그램과 데이터 형태로 저장되고 실행된다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어기(40)는 소재의 분사량과 분사압을 조절하는 용사조절기(42), 소재의 분사 거리를 조절하는 위치조절기(44), 소재의 분사 각도를 조절하는 각도조절기(46)에 연결되는 것을 특징으로 한다.
도 1 및 도 5를 참조하면, 제어기(40)를 중심으로 용사조절기(42), 위치조절기(44), 각도조절기(46), 검출기(48) 등이 연결된 상태를 예시한다. 용사조절기(42)는 메인용사기(20) 및 서브용사기(30)에 탑재되고, 노즐을 통한 소재의 분사량과 분사압을 조절한다. 위치조절기(44)와 각도조절기(46)는 각각 용사기(20)(30)의 일측에 탑재되고, 노즐과 피도면의 거리 및 노즐과 피도면의 각도를 조절한다. 용사조절기(42), 위치조절기(44), 각도조절기(46)는 반드시 동시에 적용되지 않고 선택적으로 적용될 수도 있다. 검출기(48)는 소재의 분사량, 소재의 분사압력, 노즐의 거리 변동, 노즐의 경사 변동을 검출하도록 구성된다.
본 발명의 제어기(40)는 제1실시예 및 제2실시예에서 피도면의 용사코팅 상태를 조절한다. 특히 제2실시예에 있어서, 전원공급부(26)(36)와 연계한 펄스파의 듀티 제어로 제1피막(11)과 제2피막(12)의 패턴을 조절하기 용이하다.
본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음이 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.
10: 모재 11, 12: 피막
20: 메인용사기 22: 소재공급부
24: 매체공급부 26: 전원공급부
30: 서브용사기 32: 소재공급부
34: 매체공급부 36: 전원공급부
40: 제어기 42: 용사조절기
44: 위치조절기 46: 각도조절기
48: 검출기

Claims (5)

  1. 하이브리드 방식으로 용사코팅을 수행하는 시스템에 있어서:
    소재공급부(22)와 매체공급부(24)를 갖추고, 모재에 직접적으로 용융 소재를 분사하는 메인용사기(20);
    소재공급부(32)와 매체공급부(34)를 갖추고, 모재에 직접 또는 간접적으로 용융 소재를 분사하는 서브용사기(30); 및
    상기 메인용사기(20)와 상기 서브용사기(30)를 설정된 알고리즘으로 제어하는 제어기(40);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 저융점 소재 혼합이 가능한 하이브리드 용사코팅 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 메인용사기(20)는 전원공급부(26)를 이용하여 설정된 온도 구배를 이루도록 작동하고, 상기 서브용사기(30)는 적정한 온도 구간에서 저융점 소재를 혼입하는 것을 특징으로 하는 저융점 소재 혼합이 가능한 하이브리드 용사코팅 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 메인용사기(20)와 서브용사기(30)는 모재에 설정된 각도로 대향한 상태에서 각각의 전원공급부(26)(36)에서 펄스파를 인가하여 복수의 소재를 분사하는 것을 특징으로 하는 저융점 소재 혼합이 가능한 하이브리드 용사코팅 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 전원공급부(26)(36)는 제1피막(11)과 제2피막(12)의 순차적 적층 상태를 유지하도록 가동되는 것을 특징으로 하는 저융점 소재 혼합이 가능한 하이브리드 용사코팅 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어기(40)는 소재의 분사량과 분사압을 조절하는 용사조절기(42), 소재의 분사 거리를 조절하는 위치조절기(44), 소재의 분사 각도를 조절하는 각도조절기(46)에 연결되는 것을 특징으로 하는 저융점 소재 혼합이 가능한 하이브리드 용사코팅 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20160007072A (ko) 2014-07-10 2016-01-20 (주)다올산업 혼합형 용사 코팅 장치

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