KR20210068247A - 이종재료 접합용 경사기능복합체 및 그 제조방법 - Google Patents

이종재료 접합용 경사기능복합체 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일실시예는 금속 물질 및 세라믹 물질이 혼합된 분말이되, 상기 금속 물질 및 세라믹 물질의 중량비가 서로 다른 복수 종류의 금속-세라믹 예비합금분말들을 준비하는 단계; 각 층마다 상기 세라믹 물질의 중량비가 상이하도록 상기 금속-세라믹 예비합금분말을 몰드 내에 적층하여 적층체를 형성하는 단계; 및 상기 적층체를 가소결하여 폐기공이 존재하는 경사기능복합체를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이종재료 접합용 경사기능복합체 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 경사기능복합체는, 금속 및 세라믹의 함량 변화에 따라 열팽창계수 값이 변하므로 접합계면에서 열팽창계수 차이에 의한 열응력을 감소시킬 수 있어서 이종의 재료인 금속과 세라믹을 크랙 및 박리 없이 접합할 수 있도록 한다.

Description

이종재료 접합용 경사기능복합체 및 그 제조방법{Functionally graded composites for joining different kind materials and method for manufacturing the same}
본 발명은 이종재료 접합용 경사기능복합체 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 반도체, 항공, 운송산업 등의 여러 분야에서 금속과 세라믹의 특성을 동시에 요구하는 소재의 필요성이 증가하고 있다.
이에 따라, 금속과 세라믹을 고온 열처리를 통해 접합하여 사용하는 시도가 있었으나, 금속과 세라믹의 경우 열팽창 계수 차이가 크기 때문에 고온 열처리를 통해 접합 시, 냉각 후 부피 증가 차이로 인한 크랙 및 박리가 발생하는 문제가 있었다.
이에 따라, 금속과 세라믹을 접합하기 위한 소재로 금속과 세라믹의 중간 열팽창 계수값을 가지는 소재인 경사기능재료를 접합면에 넣어서 사용하는 기술이 적용되었다.
상술한 경사기능재료(Functionally graded materials)는 어떠한 한 면에서 다른 면으로 구성재료의 성질이 연속적으로 변화하는 재료를 말한다. 상기 경사기능재료는 원하는 물성의 점진적인 변화를 통해 재료에 다양한 특성을 확보할 수 있어서 다양한 산업에서 활용되고 있다.
그러나 금속과 세라믹을 접합하는 때에 타 소재의 경사기능재료를 이용하는 경우에도 크랙의 발생, 박리, 공극의 생성 등의 다양한 부작용이 발생하고 있기 때문에, 금속과 세라믹 또는 접합 대상 소재들로만 구성되는 경사기능재료 기술의 개발이 요구된다.
대한민국 등록특허공보 제10-1864934호
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 금속-세라믹 접합용 경사기능복합체 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 이종재료 접합용 경사기능복합체 제조방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 이종재료 접합용 경사기능복합체 제조방법은, 금속 물질 및 세라믹 물질이 혼합된 분말이되, 상기 금속 물질 및 세라믹 물질의 중량비가 서로 다른 복수 종류의 금속-세라믹 예비합금분말들을 준비하는 단계; 각 층마다 상기 세라믹 물질의 중량비가 상이하도록 상기 금속-세라믹 예비합금분말을 몰드 내에 적층하여 적층체를 형성하는 단계; 및 상기 적층체를 가소결하여 폐기공이 존재하는 경사기능복합체를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 적층체를 형성하는 단계에서, 상기 적층되는 층의 세라믹 물질의 중량비가 상부로 갈수록 증가하도록 적층할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 적층체를 형성하는 단계에서, 제1 세라믹 중량비를 갖는 제1 금속-세라믹 예비합금분말을 몰드 내에 장입하여 제1층을 형성하는 단계; 상기 제1층 상에 제2 세라믹 중량비를 갖는 제2 금속-세라믹 예비합금분말을 상기 몰드 내에 장입하여 제2층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 제1 세라믹 중량비 및 상기 제2 세라믹 중량비는 상이할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 금속 물질은 Al, Ni, Cu, Fe, Ta, Ag, Ti, Zr, Hf, Ta, V, W 및 Mo으로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 세라믹 물질은 질화물, 탄화물 및 산화물 중에 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 각 층의 세라믹 물질의 중량비의 차이는 인접하는 하부층의 세라믹 물질의 중량비 대비 인접하는 상부층의 세라믹 물질의 중량비가20wt% 이하일 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는 상기 제조방법에 의해 제조된 이종재료 접합용 경사기능복합체를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 경사기능복합체는, 금속 및 세라믹의 함량 변화에 따라 열팽창계수 값이 변하므로 접합계면에서 열팽창계수 차이에 의한 열응력을 감소시킬 수 있어서 이종의 재료인 금속과 세라믹을 크랙 및 박리 없이 접합할 수 있도록 한다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 경사기능복합체는, 다수의 폐기공을 포함하고 있어서 고온에서의 금속의 증가한 부피를 흡수하고 취성이 강한 세라믹 물질에 응력 집중을 방지하여 크랙 현상을 완화할 수 있도록 한다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이종재료 접합용 경사기능복합체 제조방법의 순서도이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이종재료 접합용 경사기능복합체 제조방법의 모식도이다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이종재료 접합용 경사기능복합체의 모식도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이종재료 접합용 경사기능복합체 제조방법을 설명한다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이종재료 접합용 경사기능복합체 제조방법의 순서도이다.
도1을 참조하면, 발명의 일 실시예에 따른 이종재료 접합용 경사 복합체 제조방법은, 금속 물질 및 세라믹 물질이 혼합된 분말이되, 상기 금속 물질 및 세라믹 물질의 중량비가 서로 다른 복수 종류의 금속-세라믹 예비합금분말들을 준비하는 단계(S100); 각 층마다 상기 세라믹 물질의 중량비가 상이하도록 상기 금속-세라믹 예비합금분말을 몰드 내에 적층하여 적층체를 형성하는 단계(S200); 및 상기 적층체를 가소결하여 폐기공이 존재하는 경사기능복합체를 형성하는 단계(S300)를 포함할 수 있다.
먼저, 금속 물질 및 세라믹 물질이 혼합된 분말이되, 상기 금속 물질 및 세라믹 물질의 중량비가 서로 다른 복수 종류의 금속-세라믹 예비합금분말들을 준비한다(S100).
상기 예비합금분말은 가스분무법으로 제조될 수 있다. 예를 들어, 상기 예비합금분말은 금속물질 및 세라믹 물질의 각각 분말들을 원하는 비율로 혼합하고 분말야금을 통하여 잉곳으로 제작된 후, 가스분무법을 이용하여 pre-alloyed 분말로 제조될 수 있다. 이외에도 상기 예비합금분말을 제조할 수 있는 공정이면 이에 제한되지 않는다.
상기 예비합금분말의 입자크기는 10㎛ 내지 200㎛ 일 수 있다. 바람직하게는 50㎛ 이상 150㎛ 이하일 수 있다.
상기 중량비는 합금분말의 총 중량 대비 금속물질의 중량 또는 세라믹 물질의 중량이다.
다음으로, 각 층마다 상기 세라믹 물질의 중량비가 상이하도록 상기 금속-세라믹 예비합금분말을 몰드 내에 적층하여 적층체를 형성할 수 있다(S200).
상기 적층체는 상기 적층되는 층의 세라믹 물질의 중량비가 상부로 갈수록 증가하도록 적층할 수 있다.
도2를 참조하면, 상기 적층체를 형성하는 단계에서, 제1 세라믹 중량비를 갖는 제1 금속-세라믹 예비합금분말을 몰드 내에 장입하여 제1층(11)을 형성하는 단계; 상기 제1층 상에 제2 세라믹 중량비를 갖는 제2 금속-세라믹 예비합금분말을 상기 몰드 내에 장입하여 제2층(12)을 형성하는 단계를 포함할 수 있고, 상기 제1 세라믹 중량비 및 상기 제2 세라믹 중량비는 상이할 수 있다.
예를 들면, 금속90wt%, 세라믹 10wt%의 중량비를 갖는 예비합금분말(제1층(11))을 몰드의 가장 하단에 장입하고, 상기 제1층 상부에 금속 70wt%, 세라믹 30wt%의 중량비를 갖는 예비합금분말(제2층(12))을 장입하여 적층하고, 상기 제2층 상부에 금속 50wt%, 세라믹 50wt%의 중량비를 갖는 에비합금분말(제3층(13))을 장입하여 적층하고, 상기 제3층 상부에 금속 30wt%, 세라믹 70wt%의 중량비를 갖는 예비합금분말(제4층(14))을 장입하여 적층하여 형성되는 방식일 수 있다.
상기 금속 물질은 Al, Ni, Cu, Fe, Ta, Ag, Ti, Zr, Hf, Ta, V, W 및 Mo으로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 세라믹 물질은 질화물(Nitrides), 탄화물(Carbides) 및 산화물(Oxides) 중에 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 질화물은Si3N4, AlN 및 BN을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 탄화물은 C, SiC, B4C, NbC 및 WC를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 산화물은 ZnO, ZnS, ZrO2, CaO, Y2O3, MgO, Nd2O3, ThO2, NiO, Al2O3, Cr2O3, Fe2O3, MnO, CaSiO3, BaO, SrO, TiO2, BaTiO3, BaBiO3, SrAl2O4 및 Pb(Zr,Ti)O3를 포함할 수 있다.
이외에도, 상기 세라믹 물질은 붕화물, 규화물 및 인화물을 포함할 수 있다.
상기 각 층의 세라믹 물질의 중량비의 차이는 인접하는 하부층의 세라믹 물질의 중량비 대비 인접하는 상부층의 세라믹 물질의 중량비의 차이로서, 예를 들어 20wt% 이하일 수 있다.
예를 들어, 제1층의 세라믹 물질의 중량비가 10wt%인 경우, 제1층 상에 적층되는 제2층의 세라믹 물질의 중량비는 10wt% 초과 30wt% 이하로 설정할 수 있다.
또 다른 예를 들어, 상기 제1층(11)의 세라믹 물질의 중량비는 10wt%, 상기 제2층(12)의 세라믹 물질의 중량비는 30wt%, 제3층(13)의 세라믹 물질의 중량비는 50wt%, 제4층(14)의 세라믹 물질의 중량비는 70wt%일 수 있다.
금속과 세라믹의 경우 열팽창 계수 차이가 크기 때문에 고온 열처리를 통해 접합 시, 냉각 후 부피 증가 차이로 인한 크랙 및 박리가 발생하는 문제가 있는데, 상기 접합용 금속-세라믹 경사기능복합체를 금속 및 세라믹의 접합면에 삽입하면 열팽창 계수가 점진적으로 변하게 되어 크랙 및 박리현상을 방지할 수 있다.
이는, 상기 금속-세라믹 경사기능복합체의 중량비의 변화에 따라 열팽창계수 등 물성이 함께 변하게 되는데, 중량비가 일방향으로 점진적으로 변하면 열팽창계수 또한 점진적으로 변하게 되기 때문이다.
다음으로, 상기 적층체를 가소결하여 폐기공이 존재하는 경사기능복합체를 형성할 수 있다(S300).
상기 가소결은 경사기능복합체 금속의 녹는점 80% 이상에서 수행될 수 있다.
상기 폐기공은 고온에서 열팽창 계수가 큰 금속의 팽창 시 증가한 부피를 흡수하고 취성이 강한 세라믹 물질에 응력 집중을 방지하여 크랙 현상을 방지하는 역할을 할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 이종재료 접합용 경사기능복합체 제조방법에 의해 제조된 이종재료 접합용 경사기능복합체를 설명한다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이종재료 접합용 경사기능복합체의 모식도이다.
도3을 참조하면, 이종재료 접합용 경사기능복합체는, 제1세라믹 중량비를 갖는 제1금속-세라믹 예비합금분말이 가소결 되어 형성된 제1층(11'), 제1층 상부에 제2세라믹 중량비를 갖는 제2금속-세라믹 예비합금분말이 가소결되어 형성된 제2층(12'), 제2층 상부에 제3세라믹 중량비를 갖는 제3금속-세라믹 예비합금분말이 가소결되어 형성된 제3층(13'), 제3층 상부에 제4세라믹 함량을 갖는 제4금속-세라믹 예비합금분말이 가소결 되어 형성된 제4층(14')을 포함할 수 있다.
상기 가소결 후에 형성된 경사기능복합체는 층간 및 입자간에 형성된 폐기공(20)을 포함할 수 있다.
실시예
도2를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 이종재료 접합용 경사 복합체를 제조하였다.
먼저, 총 중량 대비 금속 물질90wt% 및 세라믹 물질10wt%를 혼합 후 잉곳으로 제조하고 가스분무법을 이용하여 제1금속-세라믹 pre-alloyed 예비합금분말을 분말을 제조하였다. 다음으로 금속 물질70% 및 세라믹 물질30%를 혼합 후 잉곳으로 제조하고 가스분무법을 이용하여 제2금속-세라믹 pre-alloyed 예비합금분말을 제조하였다. 다음으로 금속 물질50% 및 세라믹 물질50%를 혼합 후 잉곳으로 제조하고 가스분무법을 이용하여 제3금속-세라믹 pre-alloyed 예비합금분말을 제조하였다. 다음으로 금속 물질30% 및 세라믹 물질70%를 혼합 후 잉곳으로 제조하고 가스분무법을 이용하여 제4금속-세라믹 pre-alloyed 예비합금분말을 제조하였다.
그 후에, 상기 제조된 제1 내지 4 금속-세라믹 분말을 세라믹 함량이 적은 순서로 몰드에 적층하였다.
그 후에, 적층체를 가소결하여 폐기공이 존재하는 경사기능복합체를 제조하였다.
본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 경사기능복합체는, 금속 및 세라믹의 함량 변화에 따라 열팽창계수 값이 변하므로 접합계면에서 열팽창계수 차이에 의한 열응력을 감소시킬 수 있어서 이종의 재료인 금속과 세라믹을 크랙 및 박리 없이 접합할 수 있도록 한다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 경사기능복합체는, 다수의 폐기공을 포함하고 있어서 고온에서의 금속의 증가한 부피를 흡수하고 취성이 강한 세라믹 물질에 응력 집중을 방지하여 크랙 현상을 완화할 수 있도록 한다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
11: 제1층
12: 제2층
13: 제3층
14: 제4층
11': 제1'층
12': 제2'층
13': 제3'층
14': 제4'층
20: 폐기공

Claims (7)

  1. 금속 물질 및 세라믹 물질이 혼합된 분말이되, 상기 금속 물질 및 세라믹 물질의 중량비가 서로 다른 복수 종류의 금속-세라믹 예비합금분말들을 준비하는 단계;
    각 층마다 상기 세라믹 물질의 중량비가 상이하도록 상기 금속-세라믹 예비합금분말을 몰드 내에 적층하여 적층체를 형성하는 단계; 및
    상기 적층체를 가소결하여 폐기공이 존재하는 경사기능복합체를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이종재료 접합용 경사기능복합체 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적층체를 형성하는 단계에서, 상기 적층되는 층의 세라믹 물질의 중량비가 상부로 갈수록 증가하도록 적층하는 것을 특징으로 하는 이종재료 접합용 경사기능복합체 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 적층체를 형성하는 단계에서,
    제1 세라믹 중량비를 갖는 제1 금속-세라믹 예비합금분말을 몰드 내에 장입하여 제1층을 형성하는 단계;
    상기 제1층 상에 제2 세라믹 중량비를 갖는 제2 금속-세라믹 예비합금분말을 상기 몰드 내에 장입하여 제2층을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 제1 세라믹 중량비 및 상기 제2 세라믹 중량비는 상이한 것을 특징으로 하는 이종재료 접합용 경사기능복합체 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 금속 물질은 Al, Ni, Cu, Fe, Ta, Ag, Ti, Zr, Hf, Ta, V, W 및 Mo으로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 특징으로 하는 이종재료 접합용 경사기능복합체 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹 물질은 질화물, 탄화물 및 산화물 중에 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 이종재료 접합용 경사기능복합체 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 각 층의 세라믹 물질의 중량비의 차이는 인접하는 하부층의 세라믹 물질의 중량비 대비 인접하는 상부층의 세라믹 물질의 중량비가20wt% 이하인 것을 특징으로 하는 이종재료 접합용 경사기능복합체 제조방법.
  7. 제1항의 이종재료 접합용 경사기능복합체 제조방법에 의해 제조된 이종재료 접합용 경사기능복합체.
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