KR20240021019A - 페이스트와 hip 공정을 활용한 이종 재료 코팅 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예는 이종 재료 페이스트(paste)와 HIP(hot isostatic pressing, 열간등방가압) 공정을 활용하여, 모재와 다른 이종 재료를 모재의 표면에 코팅할 수 있도록 하는 것에 의해, 이종 재료의 열팽창계수로 인하여 코팅층에 크랙이 발생하거나 코팅층이 분리되는 문제점을 해결하며, 특성이 우수하고 안정적인 이종 소재 코팅층을 형성할 수 있고, 모재의 형상 및 각 소재의 특성에 제한받지 않는 코팅 제품을 생산할 수 있도록 하는 페이스트와 HIP 공정을 활용한 이종 재료 코팅 방법을 제공한다.

Description

페이스트와 HIP 공정을 활용한 이종 재료 코팅 방법{Dissimilar material coating method using paste and HIP process}

본 발명은 이종 재료 코팅 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 이종 재료 페이스트(paste)와 HIP(hot isostatic pressing, 열간등방가압) 공정을 활용하여, 모재와 다른 이종 재료를 모재의 표면에 코팅할 수 있도록 하는 페이스트와 HIP 공정을 활용한 이종 재료 코팅 방법에 관한 것이다.

일반적으로, HIP 공정은 연강이나 스테인리스강 등과 같이 고온에서 견딜 수 있는 소재로 만든 캔(can) 속에 금속분말을 채워 넣고, 캔 내부의 공기를 제거한 후(degassing) 압력 용기에 장입하여 고온에서 아르곤이나 질소와 같은 불활성 기체를 이용하여 등방압(isostatic pressure)으로 가압하여 성형과 소결을 동시에 수행하여 제품을 성형하는 분말야금 방법의 일종이다. 상기 방법에 의해 제작된 제품은 다른 공법에 비해 제품의 물성이 우수하다는 장점이 있어, 물성이 매우 중요하고 신뢰를 요하는 제품을 제조하는 경우에 사용되고 있다.

특히, HIP 공정은 티타늄 합금(Ti-6Al-4V), 인코넬(Inconel) 부품 등과 같이 금속, 합금, 세라믹 또는 이들의 복합체 소재를 성형하여 제품을 제조하는 공정에 주로 사용되며 냉간등방압가압(cold isostatic pressing, CIP) 성형 공정에 비해 크기가 큰 부품의 제조가 가능하다는 장점이 있어 널리 활용되고 있다.

기존에는 열간 등방압 가압 분말야금 공정을 수행하기 위해서, 분말야금 대상 소재를 밀봉하기 위해 캔 소재를 이용해 캔을 제조하고, 캔에 분말야금 대상 소재를 장입한 다음 밀봉하여 제품을 제조하고 있다.

하지만, 상기 캔은 캔 소재를 이용해 용기 형상으로 성형한 다음, 연결부위에 대하여 아크 용접 또는 산소 용접 등의 용융 용접을 수행하여 제조하는 캐닝 공정을 필수적으로 포함한다. 이에 따라, 캔은 용접 특성이 우수한 강종으로 소재가 제한되고, 일반적으로 5년 이상의 숙련된 용접공이 캔을 제작해야만 HIP 분말야금 공정의 수행 시 캔에 의한 문제가 발생하지 않게 된다.

또한, 강종의 용융점 제한으로 인하여 캔 시료는 처리 온도가 1,400 ℃ 이하로 제한을 받을 뿐 아니라, 강종과 반응하여 발열 반응을 일으키는 소재로 공정이 제한되며, 캔 제작을 위한 인건비와 시간이 과도하게 소요되는 문제점이 있다.

또한, 상기 HIP 공정은 고온에서 수행되므로, HIP 공정을 이종 재료를 이용한 표면 코팅에 적용하는 경우 이종 재료의 열팽창계수로 인하여 코팅층에 크랙이 발생하거나 코팅층이 분리되는 문제가 발생한다.

또한, 이종 재료 코팅의 경우 모재의 형상 및 각 소재의 특성에 따라 어렵게 되는 문제가 발생한다.

한국공개특허 제10-2011-0042709호 (공개일: 2011.04.27.)

따라서 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예는, 이종 재료 페이스트(paste)와 HIP(hot isostatic pressing, 열간등방가압) 공정을 활용하여, 모재와 다른 이종 재료를 모재의 표면에 코팅할 수 있도록 하는 것에 의해, 이종 재료의 열팽창계수로 인하여 코팅층에 크랙이 발생하거나 코팅층이 분리되는 문제점을 해결하며, 특성이 우수하고 안정적인 이종 소재 코팅층을 형성할 수 있고, 모재의 형상 및 각 소재의 특성에 제한받지 않는 코팅 제품을 생산할 수 있도록 하는 페이스트와 HIP 공정을 활용한 이종 재료 코팅 방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.

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.

상술한 본 발명의 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예는, 코팅 대상 분말을 바인더, 용매와 혼합하여 점성을 가진 페이스트를 제조하는 페이스트 제조 단계; 상기 페이스트를 이종 재료 모재의 표면에 고정하는 페이스트 고정 단계; 상기 페이스트가 고정된 모재를 열처리하여 상기 페이스트를 1차 코팅층으로 형성하는 1차 코팅층 형성 단계; 및 상기 1차 코팅층이 형성된 모재를 HIP 공정을 수행하여 최종 코팅을 완료하는 HIP 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 페이스트와 HIP 공정을 활용한 이종 재료 코팅 방법을 제공한다.

상기 코팅 대상 분말은 금속, 세라믹, 탄소, 이들 중 하나 이상의 혼합물 또는 이들 중 하나 이상의 복합체 중 어느 하나의 분말일 수 있다.

상기 1차 코팅층 형성 단계는, 상기 페이스트의 내부에 개방 공극을 형성하고, 상기 개방 공극을 폐공극으로 형성하는 공극 제어 공정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 페이스트와 HIP 공정을 활용한 이종 재료 코팅 방법.

상기 1차 코팅층 형성 단계의 공극 제어 공정은, 건조 공정을 포함하고, 상기 건조 공정은, 상기 이종 소재의 특성에 따라 가변되는 조건에서 수행되는 것일 수 있다.

상기 1차 코팅층 형성 단계의 상기 공극 제어 공정은, 이종 재료인 상기 모재와 상기 페이스트의 열팽창계수로 인한 크랙 발생을 최소화하기 위해 상기 건조 공정 후 개방 공극 형성 공정을 더 포함하여 구성될 수 있다.

상기 1차 코팅층 형성 단계의 상기 개방 공극 형성 공정은, 이종 재료인 상기 모재와 상기 페이스트의 열팽창계수로 인한 크랙 발생을 최소화하기 위해 바인더가 휘발될 수 있는 온도에서 2시간 이상 진행되는 탈지 공정일 수 있다.

상기 1차 코팅층 형성 단계의 상기 공극 제어 공정은, 상기 개방 공정 형성 공정 후에 생성된 개방 공극을 폐공극으로 형성하는 폐공극 형성 공정을 더 포함하여 구성될 수 있다.

상기 1차 코팅층 형성 단계의 상기 폐공극 형성 공정은, 상기 제1 코팅층의 0.8 Tm 이상의 온도에서 수행되어 상기 개방 공극을 폐공극으로 형성하는 소결 공정일 수 있다.

상기 HIP 단계는, 상기 페이스트 내부의 폐공극을 제거하도록 수행되는 것일 수 있다.

상기 HIP 단계는, 상기 이종 재료의 소결을 위한 가변되는 온도, 압력 및 시간 조건에서 수행될 수 있다.

상술한 구성의 본 발명의 일 실시예는, 이종 재료의 열팽창계수로 인하여 코팅층에 크랙이 발생하거나 코팅층이 분리되는 문제점을 해결하며, 특성이 우수하고 안정적인 이종 소재 코팅층을 형성할 수 있고, 모재의 형상 및 각 소재의 특성에 제한받지 않는 코팅 제품을 생산할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예의 페이스트와 HIP 공정을 활용한 이종 재료 코팅 방법의 처리 과정을 나타내는 순서도이다.
도 2는 이종 재료 페이스트(S10)를 제조하는 페이스트 제조 단계(S10)를 나타내는 도면이다.
도 3은 이종 재료 모재(20)에 이종 재료 페이스트(10)를 고정하는 페이스트 고정 단계(S20)를 나타내는 도면이다.
도 4는 HIP 단계(S40)를 나타내는 도면이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참고하여 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.

도 1은 본 발명의 일 실시예의 페이스트와 HIP 공정을 활용한 이종 재료 코팅 방법의 처리 과정을 나타내는 순서도이다.

도 1과 같이, 본 발명의 일 실시예의 페이스트와 HIP 공정을 활용한 이종 재료 코팅 방법은 코팅 대상 분말을 바인더, 용매와 혼합하여 점성을 가진 페이스트(10)를 제조하는 페이스트 제조 단계(S10), 상기 페이스트(10)를 이종 재료 모재(20)의 표면에 고정하는 페이스트 고정 단계(S20), 상기 페이스트(10)가 고정된 모재(20)를 열처리하여 상기 페이스트(10)를 1차 코팅층(40, 도 4 참조)으로 형성하는 1차 코팅층 형성 단계(S30) 및 상기 1차 코팅층(40)이 형성된 모재(20)를 HIP 공정을 수행하여 최종 코팅을 완료하는 HIP 단계(S40)를 포함하여 구성될 수 있다.

도 2는 이종 재료의 페이스트(S10)를 제조하는 페이스트 제조 단계(S10)를 나타내는 도면이다.

도 2와 같이, 상기 모재(20)의 표면에 코팅층으로 형성될 상기 모재(20)와 이종인 코팅 대상 분말을 바인더 및 용매와 혼합하여 페이스트(10)를 제조한다. 상기 코팅 대상 분말은 금속, 세라믹, 탄소, 이들 중 하나 이상의 혼합물 또는 이들 중 하나 이상의 복합체 중 어느 하나의 분말일 수 있다.

도 3은 이종 재료 모재(20)에 이종 재료 페이스트(10)를 고정하는 페이스트 고정 단계(S20)를 나타내는 도면이다.

상기 페이스트 제조 단계(S10)에서 페이스트(10)가 제조된 후에는 상기 페이스트(10) 도 3의 (a)와 같이 모재(20)에 도포하거나, 도 3의 (b)와 같이, 모재(20)를 페이스트(10)에 침지하여 모재(20)의 표면에 페이스트(20)를 고정한다.

상술한 바와 같이, 페이스트(10)가 모재(20)의 표면에 고정된 후에는, 도 1의 1차 코팅층 형성 단계(S30)를 수행하여 모재(20)의 표면에 고정된 페이스트(10)를 1차 코팅층(40, 도 7 참조)으로 형성한다.

상기 1차 코팅층 형성 단계는 상기 페이스트의 내부에 개방 공극을 형성하고, 상기 개방 공극을 폐공극으로 형성하는 공극 제어 공정을 포함하여 이루어질 수 있다.

구체적으로 상기 공극 제어 공정의 상기 건조는 상기 이종 소재의 특성에 따라 가변되는 온도, 압력 및 시간 조건에서 수행 될 수 있다.

상기 공극 제어 공정은 이종 재료인 상기 모재와 상기 페이스트의 열팽창계수로 인한 크랙 발생을 최소화하기 위해 상기 건조 공정 후 개방 공극 형성 공정을 더 포함할 수 있다.

상기 개방 공극 형성 공정은 이종 재료인 상기 모재와 상기 페이스트의 열팽창계수로 인한 크랙 발생을 최소화하기 위해 바인더가 휘발될 수 있는 온도에서 2시간 이상 진행되는 것에 의해 상기 페이스트에 포함된 바인더를 휘발시켜 상기 제1 코팅층 내부에 개방 공극(open pore)을 형성하는 탈지 공정일 수 있다.

상기 공극 제어 공정은, 상기 개방 공정 형성 공정 후에 생성된 개방 공극을 폐공극으로 형성하는 폐공극 형성 공정을 더 포함하여 구성될 수 있다.

상기 폐공극 형성 공정은 상기 제1 코팅층의 0.8 Tm 이상의 온도에서 수행되어 상기 개방 공극을 폐공극(closed pore)으로 형성하는 소결 공정일 수 있다.

도 4는 HIP 단계(S40)를 나타내는 도면이다.

상기 HIP 단계(S40)는 상기 1차 코팅층 형성 단계(S30)의 수행에 의해 표면에 1차 코팅층(40)이 형성된 모재(20)를 HIP 챔버(100)에 장입하여 HIP 공정을 수행하는 것에 의해 상기 1차 코팅층(40)을 최종 코팅층으로 형성한다.

상기 HIP 단계(S400)는 상기 이종 재료의 소결을 위한 가변되는 온도, 압력 및 시간 조건에서 수행될 수 있다.

즉, 본 발명은 상기 1차 접합 진행 단계는 탈지 시 모재와 코팅재의 열팽창계수로 인한 크랙 발생을 최소화하기 위해 바인더가 휘발될 수 있는 온도에서 2시간 이상 진행하여 충분한 코팅층 내부에 개방 공극을 형성한다. 이후 소결 시 코팅재의 0.8Tm 이상의 온도에서 소결을 진행하여 개방 공극을 폐공극으로 변환한다. 상기 HIP 단계(S40)에서는 공극을 모두 제거하도록 구성된다. 따라서 HIP 공정을 이용한 이종 재료를 이용한 표면 코팅 시 개방 공극과 폐공극을 순차적으로 형성한 후 HIP 단계에서 폐공극을 모두 제거하는 공극 제어 공정을 수행하는 것에 의해 이종 재료의 열팽창계수로 인하여 코팅층에 크랙이 발생하거나 코팅층이 분리되는 문제점을 해결한다. 또한, 특성이 우수하고 안정적인 이종 소재 코팅층을 형성할 수 있도록 한다. 또한, 모재의 형상 및 각 소재의 특성에 구애받지 않는 코팅 제품을 생산할 수 있도록 한다.

본 발명의 다른 실시예는 상술한 페이스트와 HIP 공정을 활용한 이종 재료 코팅 방법에 의해 형성된 이종 재료 코팅 층을 제공한다.

상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술적 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

10: 페이스트
20: 모재
30: 페이스트 고정 모재
40: 1차 코팅층
100: HIP 챔버

Claims (10)

1. 코팅 대상 분말을 바인더, 용매와 혼합하여 점성을 가진 페이스트를 제조하는 페이스트 제조 단계;
   상기 페이스트를 이종 재료 모재의 표면에 고정하는 페이스트 고정 단계;
   상기 페이스트가 고정된 모재를 열처리하여 상기 페이스트를 1차 코팅층으로 형성하는 1차 코팅층 형성 단계; 및
   상기 1차 코팅층이 형성된 모재를 HIP 공정을 수행하여 최종 코팅을 완료하는 HIP 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 페이스트와 HIP 공정을 활용한 이종 재료 코팅 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 코팅 대상 분말은
   금속, 세라믹, 탄소, 이들 중 하나 이상의 혼합물 또는 이들 중 하나 이상의 복합체 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 페이스트와 HIP 공정을 활용한 이종 재료 코팅 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 1차 코팅층 형성 단계는,
   상기 페이스트의 내부에 개방 공극을 형성하고, 상기 개방 공극을 폐공극으로 형성하는 공극 제어 공정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 페이스트와 HIP 공정을 활용한 이종 재료 코팅 방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 1차 코팅층 형성 단계의 공극 제어 공정은,
   건조 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 페이스트와 HIP 공정을 활용한 이종 재료 코팅 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 1차 코팅층 형성 단계의 상기 공극 제어 공정은,
   이종 재료인 상기 모재와 상기 페이스트의 열팽창계수로 인한 크랙 발생을 최소화하기 위해 상기 건조 공정 후 개방 공극 형성 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 페이스트와 HIP 공정을 활용한 이종 재료 코팅 방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 1차 코팅층 형성 단계의 상기 개방 공극 형성 공정은,
   이종 재료인 상기 모재와 상기 페이스트의 열팽창계수로 인한 크랙 발생을 최소화하기 위해 바인더가 휘발될 수 있는 온도에서 2시간 이상 진행되는 탈지 공정인 것을 특징으로 하는 페이스트와 HIP 공정을 활용한 이종 재료 코팅 방법.
7. 제5항에 있어서, 상기 1차 코팅층 형성 단계의 상기 공극 제어 공정은,
   상기 개방 공정 형성 공정 후에 생성된 개방 공극을 폐공극으로 형성하는 폐공극 형성 공정을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 페이스트와 HIP 공정을 활용한 이종 재료 코팅 방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 1차 코팅층 형성 단계의 상기 폐공극 형성 공정은,
   상기 제1 코팅층의 0.8 Tm 이상의 온도에서 수행되어 상기 개방 공극을 폐공극으로 형성하는 소결 공정인 것을 특징으로 하는 페이스트와 HIP 공정을 활용한 이종 재료 코팅 방법.
9. 제1항에 있어서, 상기 HIP 단계는,
   상기 페이스트 내부의 폐공극을 제거하도록 수행되는 것을 특징으로 하는 페이스트와 HIP 공정을 활용한 이종 재료 코팅 방법.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 페이스트와 HIP 공정을 활용한 이종 재료 코팅 방법에 의해 형성된 이종 재료 코팅 층