KR20230140896A - Methods of forming coating layers of exterem-ultra high temperature ceramics, coating layers therefrom and components comprising the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 HfC, TaC, TiC, ZrC, SiC, HfB2, TiB2, ZrB2 및 TiB2으로 이루어진 그룹에서 선택되는 2종의 초고온세라믹 분말로부터 4000℃ 이상의 융점을 갖는 극초고온세라믹 코팅층을 형성 방법으로서, 상기 2종의 초고온세라믹 분말 내의 두 금속 중 하나의 비율을 0.5 내지 0.9로 사용하는 것을 특징으로 하는, 극초고온세라믹 코팅층의 형성 방법 및 그로부터 형성된 극초고온세라믹 코팅층을 포함하는 부품을 제공한다.
본 발명에 의하면 이원소 초고온세라믹 분말을 이용하여 삼원소의 극초고온세라믹 코팅층을 형성함으로써 4000℃ 이상의 용융점을 가지는 부품 제작이 가능하다.The present invention is a method of forming an ultra-high temperature ceramic coating layer having a melting point of 4000°C or higher from two types of ultra-high temperature ceramic powders selected from the group consisting of HfC, TaC, TiC, ZrC, SiC, HfB 2 , TiB 2 , ZrB 2 and TiB 2 As a method of forming an ultra-high temperature ceramic coating layer, characterized in that the ratio of one of the two metals in the two types of ultra-high temperature ceramic powder is used at a ratio of 0.5 to 0.9, and a part including the ultra-high temperature ceramic coating layer formed therefrom is provided.
According to the present invention, it is possible to manufacture parts with a melting point of 4000°C or higher by forming a three-element ultra-high temperature ceramic coating layer using two-element ultra-high temperature ceramic powder.
Description
본 발명은 진공 플라즈마 용사코팅 공정을 이용하여 4000℃ 이상의 용융점을 갖는 극초고온세라믹 코팅층의 형성 방법 및 그로부터 제조되는 극초고온세라믹 코팅층 및 부품에 대한 것이다.The present invention relates to a method of forming an ultra-high temperature ceramic coating layer with a melting point of 4000°C or higher using a vacuum plasma thermal spray coating process, and to ultra-high temperature ceramic coating layers and parts manufactured therefrom.
초고온세라믹(Ultra High Temperature Ceramics, UHTC)은 현존하는 가장 높은 녹는점을 가진 재료로서, 녹는점이 2,500 ℃ 이상의 탄화물, 질화물 또는 붕화물 계열의 내열 및 내마모 특성이 우수하는 특징을 갖는다. 특히 고온 환경에서 열적 및 기계적 안정성이 매우 우수한 소재이므로 항공기, 가스 터빈 등의 고온 환경 부품이나 초음속 무기 체계, 지구 재진입체 등의 국방, 우주항공 산업에 적용이 가능하다. 이러한 초고온세라믹은 주로 금속산화물 및 금속탄화물 등을 구성하기 위해 WC (탄화텅스텐) 및 HfC(탄화하프늄) 등의 이원자 세라믹으로 구성된다.Ultra High Temperature Ceramics (UHTC) is a material with the highest melting point in existence. It is a carbide, nitride, or boride series with a melting point of 2,500°C or higher and is characterized by excellent heat resistance and wear resistance. In particular, since it is a material with excellent thermal and mechanical stability in high temperature environments, it can be applied to high temperature environment parts such as aircraft and gas turbines, as well as the defense and aerospace industries such as supersonic weapon systems and Earth re-entry vehicles. These ultra-high temperature ceramics are mainly composed of diatomic ceramics such as WC (tungsten carbide) and HfC (hafnium carbide) to form metal oxides and metal carbides.
이를테면, HfC는 초고온세라믹의 대표적인 물질로 녹는점이 3,900℃ 이며, 높은 경도와 화학적 안정성이 뛰어나고, 특히 고온에서도 상변화가 일어나지 않고, 산화물인 HfO2 의 녹는점 또한 2,800℃ 이상이라는 특징을 가지고 있다. TaC의 녹는점은 3,880℃ 이고, 초고온세라믹 중에서 산화 저항성이 가장 우수하다고 보고되어 있다. TiC의 녹는점은 3,100℃로 초고온세라믹 중에서 비교적 낮지만 내마모성이 매우 우수하며, 내열 및 물리적 충격에 대한 저항성이 뛰어나고, 화학적 안정성을 갖추고 있다.For example, HfC is a representative material of ultra-high temperature ceramics and has a melting point of 3,900℃. It has high hardness and excellent chemical stability. In particular, no phase change occurs even at high temperatures, and the melting point of HfO2, an oxide, is also over 2,800℃. The melting point of TaC is 3,880℃, and it is reported to have the best oxidation resistance among ultra-high temperature ceramics. The melting point of TiC is 3,100℃, which is relatively low among ultra-high temperature ceramics, but it has excellent wear resistance, excellent resistance to heat and physical shock, and chemical stability.
최근에 화성탐사 등의 우주개발과 핵융합, 지구재진입체 등 극한환경에 노출되는 부품의 수요가 증가하면서 용융점이 4000℃ 이상인 소재 및 부품이 요구되고 있다. 일반적으로 현존하는 인공적인 초고온세라믹중 HfC 가 3900 ℃ 정도로 용융점이 가장 높지만 4000℃ 이상의 용융점을 가지는 소재 및 이를 이용한 부품은 전무한 상황이다. 다만 이론적으로 삼원소로 구성되는 세라믹의 경우 4000℃ 이상의 용융점을 가질 수 있음이 보고되고 있다. 현재까지 극초고온세라믹 소재는 졸겔법 등의 기초적인 방법을 통해 파우더 형태로 구현되고 있으나, 부품 형태로 구현되어 보고 된 적은 없다.Recently, as the demand for parts exposed to extreme environments such as space development such as Mars exploration, nuclear fusion, and Earth re-entry vehicles has increased, materials and parts with a melting point of 4000°C or higher are in demand. In general, among existing artificial ultra-high temperature ceramics, HfC has the highest melting point at around 3900℃, but there are no materials or parts using it with a melting point above 4000℃. However, it has been reported that theoretically, ceramics composed of three elements can have a melting point of over 4000°C. To date, ultra-high temperature ceramic materials have been implemented in powder form through basic methods such as the sol-gel method, but have never been reported to be implemented in the form of parts.
4000℃가 넘는 고융점 극초고온세라믹은 일반적으로 금속-금속-탄화물과 같이 삼원소로 구성되는 것을 특징으로 하며, 이를 부품화 하기 위해서는 각 물질의 녹는점이 높아 고온플라즈마를 이용한 부품 제조가 필수적이다. 극초고온세라믹 코팅은 극초고온세라믹 재료의 높은 용융점으로 인하여 일반 화염을 이용한 코팅 공정으로는 불가능하며, 고온 플라즈마를 이용한 용사 코팅 방법만이 유일하다.Ultra-high temperature ceramics with a high melting point of over 4000℃ are generally characterized by being composed of three elements such as metal-metal-carbide, and in order to turn them into parts, manufacturing parts using high-temperature plasma is essential due to the high melting point of each material. Due to the high melting point of ultra-high temperature ceramic materials, ultra-high temperature ceramic coating is not possible through a coating process using a general flame, and the only thermal spray coating method using high-temperature plasma is the only method.
진공 플라즈마 용사코팅 공정은 플라즈마 건에서 발생되는 수만 ℃의 온도를 가지는 플라즈마를 이용하여 고융점의 소재를 용융시킨 후 액적 상태의 분말을 플라즈마 유동과 함께 비산 및 모재에 충돌하여 코팅층을 형성하는 공정이다. The vacuum plasma thermal spray coating process is a process in which a high-melting point material is melted using plasma with a temperature of tens of thousands of degrees Celsius generated from a plasma gun, and then powder in the form of droplets is scattered along with the plasma flow and collides with the base material to form a coating layer. .
플라즈마 용사코팅은 크게 대기 상태에서 수행되는 APS(Atmospheric plasma spray, 대기 플라즈마 용사)와 진공 상태에서 수행되는 VPS(Vacuum plasma spray, 진공 플라즈마 용사)로 나뉜다. APS는 대기 상태에서 코팅 공정이 수행되어 코팅층이 산화되기 때문에 초고온세라믹 코팅에 적용하기에는 한계가 있다. VPS는 Ar 분위기의 진공상태에서 코팅 공정을 수행할 수 있기 때문에 초고온세라믹 원료분말의 산화를 억제할 수 있으며, 또한 약 12,000 ℃의 고온 플라즈마를 열원으로 이용하기 때문에 초고온세라믹 중 녹는점이 약 3,900 ℃로 가장 높은 HfC(hafnium carbide)과 같은 고융점의 초고온세라믹을 충분히 용융시켜 고밀도의 코팅층 형성이 가능하다. Plasma thermal spray coating is largely divided into APS (Atmospheric plasma spray), which is performed in atmospheric conditions, and VPS (Vacuum plasma spray), which is performed in vacuum conditions. APS has limitations in its application to ultra-high temperature ceramic coating because the coating process is performed in atmospheric conditions and the coating layer is oxidized. Because VPS can perform the coating process in a vacuum state in an Ar atmosphere, it can suppress the oxidation of ultra-high temperature ceramic raw material powder. Additionally, since it uses high-temperature plasma of approximately 12,000 ℃ as a heat source, the melting point of ultra-high temperature ceramics is approximately 3,900 ℃. It is possible to form a high-density coating layer by sufficiently melting ultra-high temperature ceramics with the highest melting point, such as HfC (hafnium carbide).
본 발명은 VPS(Vacuum plasma spray, 진공 플라즈마 용사)를 이용하여 기존 이원소 세라믹인 초고온세라믹의 용융점을 뛰어넘는 극초고온세라믹(Extreme -Ultra High Temperature Ceramics, E-UHTC) 코팅층의 형성 방법 및 그로부터 제조되는 극초고온세라믹 코팅층 및 부품을 제공하는 것을 목적으로 한다. The present invention is a method of forming an Extreme-Ultra High Temperature Ceramics (E-UHTC) coating layer that exceeds the melting point of ultra-high temperature ceramics, a conventional two-element ceramic, using VPS (Vacuum plasma spray), and manufacturing therefrom. The purpose is to provide ultra-high temperature ceramic coating layers and parts.
HfC, TaC, TiC, ZrC, SiC, HfB2, TiB2, ZrB2 및 TiB2으로 이루어진 그룹에서 선택되는 2종의 초고온세라믹 분말로부터 4000℃ 이상의 융점을 갖는 극초고온세라믹 코팅층을 형성 방법으로서, 상기 코팅층은 하기 식으로 표현되는 원소배합비를 갖는 것을 특징으로 하는, 극초고온세라믹 코팅층의 형성 방법 을 제공한다:A method of forming an ultra-high temperature ceramic coating layer having a melting point of 4000°C or higher from two types of ultra-high temperature ceramic powders selected from the group consisting of HfC, TaC, TiC, ZrC, SiC, HfB 2 , TiB 2 , ZrB 2 and TiB 2 , A method of forming an ultra-high temperature ceramic coating layer is provided, wherein the coating layer has an element mixing ratio expressed by the following formula:
M1(1-x)-M2x-Cy 또는 M1(1-x)-M2x-By M1 (1-x) -M2 x -C y or M1 (1-x) -M2 x -B y
여기서, M1 및 M2는 초고온세라믹 분말 내의 서로 다른 금속 원소이고, Here, M1 and M2 are different metal elements in the ultra-high temperature ceramic powder,
x는 0.5 내지 0.9, y는 0.8 내지 1.0이다.x is 0.5 to 0.9, y is 0.8 to 1.0.
또한, 본 발명은 HfC, TaC, TiC, ZrC, SiC, HfB2, TiB2, ZrB2 및 TiB2으로 이루어진 그룹에서 선택되는 2종의 초고온세라믹 분말로부터 형성된 하기 식으로 표현되는 원소 배합비를 갖는 것을 특징으로 하는, 극초고온세라믹 코팅층을 제공한다:In addition, the present invention provides a product having an element mixing ratio expressed by the following formula formed from two types of ultra-high temperature ceramic powders selected from the group consisting of HfC, TaC, TiC, ZrC, SiC, HfB 2 , TiB 2 , ZrB 2 and TiB 2 An ultra-high temperature ceramic coating layer is provided, featuring:
M1(1-x)-M2x-Cy 또는 M1(1-x)-M2x-By M1 (1-x) -M2 x -C y or M1 (1-x) -M2 x -B y
여기서, M1 및 M2는 초고온세라믹 분말 내의 서로 다른 금속 원소이고, Here, M1 and M2 are different metal elements in the ultra-high temperature ceramic powder,
x는 0.5 내지 0.9, y는 0.8 내지 1.0이다.x is 0.5 to 0.9, y is 0.8 to 1.0.
아울러, 본 발명은 상기 극초고온세라믹 코팅층을 포함하는 극초고온세라믹 부품을 제공한다. In addition, the present invention provides an ultra-high temperature ceramic component including the ultra-high temperature ceramic coating layer.
본 발명은 재료 위에 코팅층을 형성하여 내열/내식/내삭마 특성을 부여할 수 있는 매우 효율적인 방법이다. 특히, 본 발명에 의하면 이원소 초고온세라믹 분말을 이용하여 삼원소의 극초고온세라믹 코팅층을 형성함으로써 4000℃ 이상의 용융점을 가지는 부품 제작이 가능하다. 따라서, 본 발명의 방법 및 부품은 우주항공, 국방, 발전설비 등 초고온 환경에 노출되는 소재 부품을 개발하는 산업 분야에 유용하게 적용할 수 있을 것으로 기대된다. The present invention is a very efficient method that can provide heat resistance/corrosion resistance/abrasive resistance properties by forming a coating layer on a material. In particular, according to the present invention, it is possible to manufacture parts with a melting point of 4000°C or higher by forming a tri-element ultra-high temperature ceramic coating layer using di-element ultra-high temperature ceramic powder. Therefore, it is expected that the method and components of the present invention can be usefully applied to industrial fields that develop material components exposed to extremely high temperature environments, such as aerospace, national defense, and power generation facilities.
도 1은 본 발명에서 사용하는 VPS 장비의 플라즈마 건 및 플라즈마 발생 모식도이다.
도 2는 실시예에서 형성한 TaHfC 삼원 극초고온세라믹 코팅층의 FE-SEM 이미지이다.
도 3은 실시예에서 형성한 TaHfC 삼원 극초고온세라믹 코팅층의 XRD 결과이다.Figure 1 is a schematic diagram of the plasma gun and plasma generation of the VPS equipment used in the present invention.
Figure 2 is a FE-SEM image of the TaHfC ternary ultra-high temperature ceramic coating layer formed in the example.
Figure 3 shows the XRD results of the TaHfC ternary ultra-high temperature ceramic coating layer formed in the example.
본 발명은 진공에서 고온 플라즈마 용사 코팅법을 이용하여 극초고온세라믹 부품을 제조하는 것을 특징으로 한다. 바람직하게는 삼원소로 구성된 극초고온세라믹 분말을 주입하여 고온의 진공 플라즈마 내에서 용융시켜 코팅을 통해 부품을 형성할 수 있으나, 이원소로 구성된 초고온세라믹 2종을 두 인젝터에서 주입하여 플라즈마 내에서의 혼합을 통해 극초고온세라믹 부품을 제조할 수도 있으며, 본 발명에서는 상기 두 가지 방법을 이용하여 극초고온세라믹층을 코팅하는 방법을 제공한다.The present invention is characterized by manufacturing ultra-high temperature ceramic parts using a high temperature plasma spray coating method in a vacuum. Preferably, parts can be formed through coating by injecting ultra-high-temperature ceramic powder composed of three elements and melting it in a high-temperature vacuum plasma. However, two types of ultra-high-temperature ceramics composed of two elements are injected from two injectors to prevent mixing in the plasma. Ultra-high temperature ceramic parts can also be manufactured through this method, and the present invention provides a method of coating an ultra-high temperature ceramic layer using the above two methods.
구체적으로 본 발명은 HfC, TaC, TiC, ZrC, SiC, HfB2, TiB2, ZrB2 및 TiB2으로 이루어진 그룹에서 선택되는 2종의 초고온세라믹 분말로부터 4000℃ 이상의 융점을 갖는 극초고온세라믹 코팅층을 형성하는 방법으로서, 상기 2종의 초고온세라믹 분말 내의 두 금속 중 하나의 비율을 0.5 내지 0.9로 사용하는 것이다. 즉, 이원소 초고온세라믹의 혼합을 이용하든지 삼원소로 구성된 극초고온세라믹 분말을 이용하든지 본 발명에 의해 형성되는 극초고온세라믹 코팅층은 2종의 금속 원소를 포함하며, 코팅층 형성과정에서 두 금속 중 하나의 비율이 0.5 내지 0.9가 되도록 조정하여 사용한다. 이에 따라 나머지 다른 금속은 0.5 내지 0.1의 비율이 되도록 한다. 0.5 내지 0.9의 비율이 되는 금속은 코팅층에 다량으로 포함되고, 0.5 내지 0.1의 비율이 되는 금속은 소량으로 포함된다. 어느 금속이 다량의 금속이 될지, 소량의 금속이 될지는 혼합되는 금속의 조합에 따라 결정될 수 있다. 바람직하게는 단일 금속의 융점이 높은 금속이 다량 혼합될수록 극초고온세라믹의 융점이 높아질 수 있다. 예를 들어 Hf-Ta-C 의 경우 Ta 함량이 높은 경우, Ta-W-C 의 경우 W 의 함량이 높아지는 경우 고융점의 특성을 보인다. 다만 어느 한 금속의 성분이 너무 높은 경우 이원소 세라믹의 특성이 강조되어 융점이 급격히 떨어지기도 한다.Specifically, the present invention provides an ultra-high temperature ceramic coating layer with a melting point of 4000°C or higher from two types of ultra-high temperature ceramic powders selected from the group consisting of HfC, TaC, TiC, ZrC, SiC, HfB 2 , TiB 2 , ZrB 2 and TiB 2 . As a forming method, the ratio of one of the two metals in the two types of ultra-high temperature ceramic powder is used at a ratio of 0.5 to 0.9. That is, whether a mixture of two-element ultra-high temperature ceramics or an ultra-high temperature ceramic powder composed of three elements is used, the ultra-high temperature ceramic coating layer formed by the present invention contains two types of metal elements, and one of the two metals is used during the coating layer formation process. Use it by adjusting the ratio to 0.5 to 0.9. Accordingly, the remaining other metals are set to a ratio of 0.5 to 0.1. Metals with a ratio of 0.5 to 0.9 are included in a large amount in the coating layer, and metals with a ratio of 0.5 to 0.1 are included in a small amount. Which metal becomes a large amount of metal or a small amount of metal can be determined depending on the combination of metals mixed. Preferably, the higher the melting point of a single metal, the higher the melting point of the ultra-high temperature ceramic can be. For example, in the case of Hf-Ta-C, when the Ta content is high, and in the case of Ta-WC, when the W content is high, it exhibits high melting point characteristics. However, if the content of one metal is too high, the characteristics of the two-element ceramic are emphasized and the melting point may drop rapidly.
예를 들어, 본 발명에서는 극초고온세라믹 코팅층의 특성 향상을 위해 극초고온세라믹 코팅층의 형성과정에서 다량의 금속일지라도 0.9를 초과하는 양으로 사용하지는 않는 것을 특징으로 한다. 또한 동일 성분 비의 경우라도 각 성분의 결합시 형성되는 결정의 형태에 따라 융점이 달라 질 수 있어 이에 국한되지는 않는다.For example, in the present invention, in order to improve the properties of the ultra-high temperature ceramic coating layer, even a large amount of metal is not used in an amount exceeding 0.9 during the formation of the ultra-high temperature ceramic coating layer. In addition, even in the case of the same component ratio, the melting point may vary depending on the shape of the crystal formed when each component is combined, so it is not limited to this.
따라서, 본 발명의 방법으로부터 형성되는 극초고온세라믹 코팅층은 하기의 원소 배합비를 갖게 된다:Accordingly, the ultra-high temperature ceramic coating layer formed from the method of the present invention has the following element mixing ratio:
M1(1-x)-M2x-Cy 또는 M1(1-x)-M2x-By M1 (1-x) -M2 x -C y or M1 (1-x) -M2 x -B y
여기서, M1 및 M2는 초고온세라믹 분말 내의 서로 다른 금속 원소이고, Here, M1 and M2 are different metal elements in the ultra-high temperature ceramic powder,
x는 0.5 내지 0.9, y는 0.8 내지 1.0이다.x is 0.5 to 0.9, y is 0.8 to 1.0.
고융점 특성을 달성하기 위하여 탄소(C) 또는 붕소(B)의 함량은 상기 범위로 조절하는 것이 바람직하다.In order to achieve high melting point characteristics, the content of carbon (C) or boron (B) is preferably adjusted to the above range.
본 발명에서 이원소 초고온세라믹의 혼합 또는 삼원소로 구성된 극초고온세라믹 분말로부터 코팅층을 형성하여 부품을 제작하기 위해서는 고온환경에서 용융하여 이용하는 것 가장 좋다. 이러한 기존의 이원소 초고온세라믹 또는 삼원소 극초고온세라믹 분말은 녹는점이 3,900 ℃ 이상으로 높기 때문에 고열의 VPS를 이용하는 것이 유리하다. In the present invention, in order to manufacture parts by forming a coating layer from a mixture of two-element ultra-high temperature ceramic powder or an ultra-high temperature ceramic powder composed of three elements, it is best to melt and use it in a high temperature environment. Since these existing two-element ultra-high temperature ceramic or three-element ultra-high temperature ceramic powders have a high melting point of over 3,900°C, it is advantageous to use a high-temperature VPS.
따라서 본 발명은 4000℃ 이상의 용융점을 가지는 극초고온세라믹 코팅층의 형성 및 그로부터 부품을 제공하기 위해 VPS 코팅을 수행하는 것을 특징으로 하며, 이를 위해 10 kW ~ 60 kW의 전력을 인가하여 고온플라즈마를 형성하고 플라즈마 방전 및 전력 향상을 위해 아르곤, 헬륨, 수소 등의 공정 가스가 투입되며, 아르곤은 분당 30 - 60 L, 수소는 1-20 L, 헬륨은 0 - 10 L 주입될 수 있고, 이는 후술될 로봇건으로부터 재료 표면까지의 거리 및 압력에 따라 달리할 수 있다. 또한 코팅층의 산화 방지를 위해 10 mbar ~ 300 mbar의 진공 상태를 유지하면서 극초고온세라믹을 코팅하는 방법을 제공한다.Therefore, the present invention is characterized by performing VPS coating to form an ultra-high temperature ceramic coating layer with a melting point of 4000 ℃ or higher and to provide parts therefrom. For this purpose, power of 10 kW to 60 kW is applied to form a high temperature plasma. To improve plasma discharge and power, process gases such as argon, helium, and hydrogen are injected. Argon can be injected at 30 - 60 L per minute, hydrogen at 1-20 L, and helium at 0 - 10 L per minute, which will be described later. It can vary depending on the distance and pressure from the gun to the material surface. In addition, a method of coating ultra-high temperature ceramics while maintaining a vacuum of 10 mbar to 300 mbar is provided to prevent oxidation of the coating layer.
VPS를 이용하여 삼원소로 구성된 극초고온세라믹 코팅층을 개발하기 위해서는 2종 이상의 초고온세라믹 분말을 동시에 이송시킬 수 있는 분말이송부가 필요하다. 상기 분말 이송부는 '인젝터'라는 용어로 도면에 도시되어 있으며, 본 명세서에서 두 용어는 동일한 의미로 사용된다. In order to develop an ultra-high temperature ceramic coating layer composed of three elements using VPS, a powder transfer unit that can simultaneously transfer two or more types of ultra-high temperature ceramic powder is required. The powder transfer unit is depicted in the drawing with the term 'injector', and in this specification, the two terms are used with the same meaning.
도 1은 2종의 분말을 동시에 이송할 수 있는 VPS의 플라즈마 건과 분말 이송을 도시한 것이다. 일 실시예로서, 인젝터1을 통하여 초고온세라믹 분말(UHTC 1)이 이송되며, 인젝터2를 통하여 이종의 초고온세라믹 분말(UHTC 2)이 이송되어 재료 위에 삼원소 극초고온세라믹 층이 코팅된다. 이때 제작하고자 하는 삼원소 극초고온세라믹 코팅층으로는 금속1-금속2-탄화물이 대표적이며 이를 위해 주입되는 인젝터별로 금속1-탄화물, 금속2-탄화물이 주입되어 이종의 금속으로 구성된 삼원소 금속1-금속2-탄화물의 코팅층을 형성할 수 있다. 예를 들어, 극초고온세라믹 코팅층을 형성하기 위해 인제터1에 HfC 분말이 주입되고, 인젝터2에 TaC 분말이 주입되어 Hf-Ta-C 세라믹 코팅층이 형성된다. Figure 1 shows a plasma gun and powder transfer of a VPS that can transfer two types of powder simultaneously. As an example, ultra-high temperature ceramic powder (UHTC 1) is transferred through injector 1, and heterogeneous ultra-high temperature ceramic powder (UHTC 2) is transferred through injector 2, and a three-element ultra-high temperature ceramic layer is coated on the material. At this time, the representative three-element ultra-high temperature ceramic coating layer to be produced is metal 1-metal 2-carbide. For this purpose, metal 1-carbide and metal 2-carbide are injected for each injector to form a three-element metal 1-carbide layer composed of different metals. A coating layer of metal 2-carbide can be formed. For example, to form an ultra-high temperature ceramic coating layer, HfC powder is injected into injector 1, and TaC powder is injected into injector 2 to form an Hf-Ta-C ceramic coating layer.
상기 방법에서는 최고 성능의 극초고온세라믹 코팅층 및 그로부터 부품을 제작하기 위해 UHTC1 분말과 UHTC2 분말의 주입비를 제어하는 것을 특징으로 한다. 예를 들어 Hf-Ta-C 극초고온세라믹의 경우 원소비율에 따라 Hf(1-x)-Tax-Cy로 형성될 때, 높은 용융점을 형성하기 위해 바람직하게 x가 0.5 - 0.9의 범위로 제어한다. 즉, 일 실시예로 Hf0.2-Ta0.8-C0.87로 각 원소비율을 제어할 수 있다. The method is characterized by controlling the injection ratio of UHTC1 powder and UHTC2 powder to produce the highest performance ultra-high temperature ceramic coating layer and parts therefrom. For example, in the case of Hf-Ta-C ultra-high temperature ceramic, when it is formed as Hf (1-x) -Ta x -C y depending on the element ratio, x is preferably in the range of 0.5 - 0.9 to form a high melting point. Control. That is, in one embodiment, the ratio of each element can be controlled to Hf 0.2 -Ta 0.8 -C 0.87 .
또 다른 실시예로서, 최적화된 원소비율을 갖는 삼원소로 구성된 극초고온세라믹 분말을 인젝터1에 투입하여 극초고온세라믹 코팅층을 형성하는 것도 가능하다. 이를 위해서는 미리 삼원소 극초고온세라믹 분말을 제조하는 것이 매우 중요하며, 이때 분말 내 원소비율을 사전에 제어하는 것을 특징으로 한다. As another example, it is also possible to form an ultra-high temperature ceramic coating layer by injecting ultra-high temperature ceramic powder composed of three elements with optimized element ratios into injector 1. For this purpose, it is very important to manufacture three-element ultra-high temperature ceramic powder in advance, and at this time, the element ratio in the powder is controlled in advance.
각 인젝터로 이송되는 분말의 양은 초고온세라믹 또는 극초고온세라믹의 종류 및 입도에 따라 달라질 수 있으나 바람직하게는 분당 1 ~ 30g 의 양을 이송하여 극초고온세라믹 코팅층을 형성한다. The amount of powder transferred to each injector may vary depending on the type and particle size of the ultra-high temperature ceramic or ultra-high temperature ceramic, but preferably 1 to 30 g per minute is transferred to form the ultra-high temperature ceramic coating layer.
본 발명에서는 초고온세라믹으로 HfC, TaC, TiC, ZrC 또는 SiC의 금속탄화물 또는 HfB2, TiB2, ZrB2 또는 TiB2의 금속붕화물을 사용한다.In the present invention, metal carbide of HfC, TaC, TiC, ZrC or SiC or metal boride of HfB 2 , TiB 2 , ZrB 2 or TiB 2 is used as the ultra-high temperature ceramic.
또한, 본 발명에서는 균일한 코팅층 형성을 위해 플라즈마 건이 로봇 팔에 부착되어(로봇 건) 로봇의 경로를 통해 균일하게 다층구조를 형성한다. 로봇 건으로부터 재료 표면까지의 거리는 50 -400 mm일 수 있다. 이때 로봇의 경로와 반복 횟수에 따라 코팅층의 두께를 조정할 수 있다. 즉, 재료 표면적에 대해 경로를 설정할 때 경로의 간격을 좁히면 코팅층을 두껍게 할 수 있고, 간격을 넓히면 코팅층을 얇게 할 수 있으며, 동일 경로의 통과 횟수에 따라 두께 제어가 가능하다.Additionally, in the present invention, in order to form a uniform coating layer, a plasma gun is attached to the robot arm (robot gun) to uniformly form a multi-layer structure through the path of the robot. The distance from the robot gun to the material surface can be 50-400 mm. At this time, the thickness of the coating layer can be adjusted depending on the robot's path and number of repetitions. In other words, when setting a path for the material surface area, the coating layer can be thickened by narrowing the path spacing, widening the spacing can make the coating layer thin, and thickness control is possible according to the number of passages of the same path.
이하 실시예를 통해 발명을 보다 상세히 설명한다.The invention will be described in more detail through examples below.
실시예Example
VPS의 연속적인 공정을 이용하여 TaHfC 삼원 극초고온세라믹 코팅층을 형성하였다. 이를 위해 전력은 52 kW, 압력은 150 mbar, 분말주입은 분당 10 g 조건으로 코팅을 수행하였으며 안정적인 고온 플라즈마 형성 및 코팅을 위해 아르곤, 수소 및 헬륨이 주입되며, 아르곤은 분당 50 L, 수소는 12 L, 헬륨은 2 L 주입되었다. 로봇 건으로부터 재료 표면까지의 거리는 320 mm으로 하였다. A TaHfC three-way ultra-high temperature ceramic coating layer was formed using the continuous process of VPS. For this purpose, coating was performed under the conditions of power of 52 kW, pressure of 150 mbar, and powder injection of 10 g per minute. Argon, hydrogen, and helium were injected for stable high-temperature plasma formation and coating. Argon was injected at a rate of 50 L per minute, and hydrogen was injected at a rate of 12 g per minute. L, 2 L of helium was injected. The distance from the robot gun to the material surface was set to 320 mm.
형성된 코팅층의 FE-SEM 이미지를 도 2에 나타냈다. 상부층인 HfC 코팅층은 평균 100㎛의 두께를 가지며 이는 로봇의 사이클을 증감하여 제어할 수 있었다. A FE-SEM image of the formed coating layer is shown in Figure 2. The upper layer, the HfC coating layer, had an average thickness of 100㎛, and this could be controlled by increasing or decreasing the cycle of the robot.
도3 은 형성된 코팅층의 XRD를 통한 성분 분석 결과로, 삼원소 극초고온세라믹이 잘 형성되었음을 알 수 있다. HfC와 TaC 각각을 분말로 주입하기 때문에 일부 결합되지 않은 기존 초고온세라믹 성분도 관찰은 되었지만, 대부분 Ta4HfC5의 육방정계를 가지는 삼원소 극초고온세라믹 특성이 관찰되었다. Figure 3 shows the results of component analysis through XRD of the formed coating layer, showing that the three-element ultra-high temperature ceramic was well formed. Since HfC and TaC were each injected as powder, some uncombined existing ultra-high temperature ceramic components were observed, but most of them showed the characteristics of three-element ultra-high temperature ceramic with a hexagonal system of Ta 4 HfC 5 .
Claims (11)
M1(1-x)-M2x-Cy 또는 M1(1-x)-M2x-By
여기서, M1 및 M2는 초고온세라믹 분말 내의 서로 다른 금속 원소이고,
x는 0.5 내지 0.9, y는 0.8 내지 1.0이다.
A method of forming an ultra-high temperature ceramic coating layer having a melting point of 4000°C or higher from two types of ultra-high temperature ceramic powders selected from the group consisting of HfC, TaC, TiC, ZrC, SiC, HfB 2 , TiB 2 , ZrB 2 and TiB 2 , A method of forming an ultra-high temperature ceramic coating layer, characterized in that the coating layer has an element mixing ratio expressed by the following formula:
M1 (1-x) -M2 x -C y or M1 (1-x) -M2 x -B y
Here, M1 and M2 are different metal elements in the ultra-high temperature ceramic powder,
x is 0.5 to 0.9, y is 0.8 to 1.0.
2개 이상의 분말 이송부를 갖는 진공 플라즈마 용사코팅 (VPS) 장비를 이용하는 것을 특징으로 하는, 극초고온세라믹 코팅층의 형성 방법.
In paragraph 1,
A method of forming an ultra-high temperature ceramic coating layer, characterized by using a vacuum plasma spray coating (VPS) equipment having two or more powder transfer units.
상기 2종의 초고온세라믹 분말을 혼합하여 삼원소의 극초고온세라믹 분말을 을 제조한 후 이를 분말 이송부로 이송시켜 코팅층을 형성하는 것을 특징으로 하는, 극초고온세라믹 코팅층 형성 방법.
In paragraph 2,
A method of forming an ultra-high-temperature ceramic coating layer, characterized in that the three-element ultra-high-temperature ceramic powder is produced by mixing the two types of ultra-high-temperature ceramic powder, and then transferred to a powder transfer unit to form a coating layer.
상기 2종의 초고온세라믹 분말을 두 인젝터에서 주입하여 플라즈마 내에서의 혼합을 통해 코팅층을 형성하는 것을 특징으로 하는, 극초고온세라믹 코팅층 형성 방법.
In paragraph 2,
A method of forming an ultra-high temperature ceramic coating layer, characterized in that the two types of ultra-high temperature ceramic powders are injected from two injectors and mixed in plasma to form a coating layer.
상기 진공 플라즈마는 아르곤, 헬륨 또는 수소의 공정 가스 분위기에서 10 kW ~ 60 kW의 전력을 인가하며 10 mbar ~ 300 mbar의 진공 상태를 유지시키는 것을 특징으로 하는, 극초고온세라믹 코팅층 형성 방법.
In paragraph 2,
The vacuum plasma is a method of forming an ultra-high temperature ceramic coating layer, characterized in that a power of 10 kW to 60 kW is applied in a process gas atmosphere of argon, helium or hydrogen and a vacuum state of 10 mbar to 300 mbar is maintained.
상기 극초고온세라믹 분말은 1 ~ 30g/min 의 속도로 이송되는 것을 특징으로 하는, 극초고온세라믹 코팅층 형성 방법.
In paragraph 3,
A method of forming an ultra-high temperature ceramic coating layer, characterized in that the ultra-high temperature ceramic powder is transferred at a rate of 1 to 30 g/min.
상기 초고온세라믹 분말은 1 ~ 30g/min 의 속도로 이송되는 것을 특징으로 하는, 극초고온세라믹 코팅층 형성 방법.
In paragraph 4,
A method of forming an ultra-high temperature ceramic coating layer, characterized in that the ultra-high temperature ceramic powder is transferred at a rate of 1 to 30 g/min.
상기 분말 이송부를 통한 분말의 이송은 로봇 팔에 부착된 플라즈마 건을 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는, 극초고온세라믹 코팅층 형성 방법.
In paragraph 2,
A method of forming an ultra-high temperature ceramic coating layer, wherein the powder is transferred through the powder transfer unit through a plasma gun attached to a robot arm.
상기 로봇 팔의 경로에 따라 코팅층의 두께가 조절되는 것을 특징으로 하는, 다층구조의 초고온세라믹 코팅층 형성 방법.
In paragraph 8:
A method of forming an ultra-high temperature ceramic coating layer with a multi-layer structure, characterized in that the thickness of the coating layer is adjusted according to the path of the robot arm.
M1(1-x)-M2x-Cy 또는 M1(1-x)-M2x-By
여기서, M1 및 M2는 초고온세라믹 분말 내의 서로 다른 금속 원소이고,
x는 0.5 내지 0.9, y는 0.8 내지 1.0이다.
A pole formed from two types of ultra-high temperature ceramic powders selected from the group consisting of HfC, TaC, TiC, ZrC, SiC, HfB 2 , TiB 2 , ZrB 2 and TiB 2 and having an element mixing ratio expressed by the following formula. Ultra-high temperature ceramic coating layer:
M1 (1-x) -M2 x -C y or M1 (1-x) -M2 x -B y
Here, M1 and M2 are different metal elements in the ultra-high temperature ceramic powder,
x is 0.5 to 0.9, y is 0.8 to 1.0.
An ultra-high temperature ceramic component comprising the ultra-high temperature ceramic coating layer of claim 10.
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