KR20240077166A - Method for forming a protective coating film having excellent oxidation resistance and products comprising the oxidation resistance protective coating film formed thereby - Google Patents
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Abstract
본 발명은 내산화성이 우수한 보호 코팅막의 형성방법 및 이에 의해 형성된 내산화성 보호 코팅막을 포함하는 제품에 관한 것이다.
본 발명은 크롬 소스, 불활성 가스 및 질소 가스를 각각 공급하고, 아크 이온플레이팅 방법으로 피처리물의 상부에 크롬 및 질화크롬의 다결정이 혼재된 입방정 구조의 다결정 혼합층을 포함하는 내산화성 보호 코팅막을 형성하는 단계;를 포함하는 내산화성 보호 코팅막의 형성방법을 제공한다.The present invention relates to a method for forming a protective coating film with excellent oxidation resistance and a product comprising the oxidation-resistant protective coating film formed thereby.
The present invention supplies a chromium source, an inert gas, and a nitrogen gas, respectively, and forms an oxidation-resistant protective coating film including a polycrystalline mixed layer of cubic structure in which polycrystals of chromium and chromium nitride are mixed on the top of the object to be treated by arc ion plating method. It provides a method of forming an oxidation-resistant protective coating film including the step of:
Description
본 발명은 내산화성이 우수한 보호 코팅막의 형성방법 및 이에 의해 형성된 내산화성 보호 코팅막을 포함하는 제품에 관한 것이다.The present invention relates to a method for forming a protective coating film with excellent oxidation resistance and a product comprising the oxidation-resistant protective coating film formed thereby.
일반적으로, 원자력 발전 핵연료의 보호관으로 사용되고 있는 핵연료 피복관은 중성자 흡수력이 낮고, 내부식성과 기계적 특성이 우수한 지르코늄 합금 소재를 이용해 제조되고 있다. 하지만, 상기 지르코늄 합금은 원자력 발전소에 사고가 발생하거나, 고온의 수증기 분위기에 노출되면 급격히 산화되어 다량의 수소 가스를 발생시키는 위험성을 내포하고 있다.In general, nuclear fuel cladding tubes used as protection tubes for nuclear fuel are manufactured using zirconium alloy materials with low neutron absorption ability and excellent corrosion resistance and mechanical properties. However, the zirconium alloy carries the risk of rapidly oxidizing and generating a large amount of hydrogen gas when an accident occurs at a nuclear power plant or when exposed to a high-temperature water vapor atmosphere.
기존에는, 상기와 같은 핵연료 피복관의 고온 산화 저항성을 향상시키기 위해서, 지르코늄 합금 자체에 산화 저항성을 향상시키도록 하거나, 지르코늄 합금으로 제조한 제품의 표면에 산화 저항성이 우수한 물질을 코팅하는 방법을 활용하고 있다. 장기적으로 산화 저항성이 우수한 신규 코팅 물질로서 SiC 복합체, FeCrAl 복합체, Mo 복합체 등이 개발되고 있으며, 단기적으로 지르코늄 피복관의 사고저항성 강화를 위한 내산화성 물질의 코팅 기술은 크롬과 크롬합금을 이용하는 방법이 개발되어 활용되고 있다. Previously, in order to improve the high-temperature oxidation resistance of the nuclear fuel cladding tube as described above, a method was used to improve the oxidation resistance of the zirconium alloy itself or to coat the surface of a product made of zirconium alloy with a material with excellent oxidation resistance. there is. As new coating materials with excellent long-term oxidation resistance, SiC composites, FeCrAl composites, and Mo composites are being developed. In the short term, coating technology for oxidation-resistant materials to strengthen the accident resistance of zirconium-clad pipes is a method using chromium and chromium alloys. It is being used.
기존에는, 지르코늄 피복관에 보호 피막을 형성하기 위해서, 크롬계 분발을 이용한 저온 분사 코팅법(Cold Spray), 진공상태에서 크롬합금 타겟을 이용한 고에너지 펄스 스퍼터링법(HiPIMS), 그리고 진공상태에서 크롬합금 타겟에 아크방전을 유도하여 금속을 용융시켜 증착하는 아크 이온플레이팅법(AIP) 등을 활용하고 있다.Previously, in order to form a protective film on a zirconium clad tube, cold spray coating using chromium-based powder, high-energy pulse sputtering (HiPIMS) using a chromium alloy target in a vacuum, and chromium alloy in a vacuum were used. Arc ion plating (AIP), which melts and deposits metal by inducing an arc discharge to the target, is used.
상기 저온분사코팅법은 높은 증착속도의 장점은 있으나 수율이 다소 낮고, 코팅막의 밀도가 낮으며, 코팅 균일도와 접착성 등이 낮은 코팅막이 형성된다는 단점이 있다. The low-temperature spray coating method has the advantage of a high deposition rate, but has the disadvantage of forming a coating film with a somewhat low yield, low density of the coating film, and low coating uniformity and adhesion.
상기 고에너지 펄스 스퍼터링법은 고순도의 피막을 형성할 수 있고, 코팅막에 결함이 거의 발생하지 않는다는 장점이 있으나, 증착속도가 느리고, 접착력 그리고 증착과정에서의 낮은 중성 입사 원자의 에너지로 기인한 미세 주상정 구조(columnar structure) 결정립 성장이 산화성 물질의 이동을 제약하지 못하는 단점이 있다. The high-energy pulse sputtering method has the advantage of being able to form a high-purity film and having almost no defects in the coating film, but the deposition rate is slow, adhesion, and fine columnar phases due to the low energy of neutral incident atoms during the deposition process. There is a disadvantage in that the columnar structure grain growth does not restrict the movement of oxidizing substances.
이에 반해, 아크 이온플레이팅법은 펄스 스퍼터링법에 비해 밀도와 순도가 높은 코팅막을 형성할 수 있고, 이온의 반응으로 인해 코팅막의 접착력이 높으며, 펄스 스퍼터링법에 비해 증착속도가 높다는 장점이 있으나, 아크방전에서 기인하는 액적(Droplet)에 의해 결함이 발생할 우려가 있고, 주상정 구조의 결정립이 성장된다는 문제가 있다.On the other hand, the arc ion plating method has the advantage of being able to form a coating film with higher density and purity than the pulse sputtering method, the adhesion of the coating film is high due to the reaction of ions, and the deposition rate is higher than the pulse sputtering method. There is a risk of defects occurring due to droplets resulting from discharge, and there is a problem of growth of crystal grains with a columnar structure.
이에 따라, 기존에는 아크 이온플레이팅법을 이용하여 지르코늄 피복관에 크롬 또는 크롬 합금 코팅막을 주상정 구조와 등방정 구조를 형성하도록 하는 방법을 제시한 바 있다. 구체적으로, 기존에는, 코팅막 증착 공정 중 바이어스 전압을 기본 -50V로 인가하였다가 주기적으로 -400V로 높이도록 하여 부분적으로 등방정 구조를 형성하도록 함에 따라 주상정 구조와 등방정 구조가 혼재하는 결정립 성장 구조를 갖는 코팅막을 형성하도록 하는 방법이 제시된 바 있다.Accordingly, a method has previously been proposed to form a chromium or chromium alloy coating film on a zirconium clad tube to form a columnar structure and an isotropic structure using the arc ion plating method. Specifically, previously, during the coating film deposition process, the bias voltage was basically applied to -50V and then periodically increased to -400V to partially form an isotropic structure, resulting in grain growth with a mixture of columnar and isotropic structures. A method for forming a coating film with a structure has been proposed.
하지만, 통상적으로 불활성 가스인 아르곤을 이용해 크롬합금 타겟의 증발을 유도하는 아크 이온플레이팅 공정에서는 주로 주상정 구조가 우세하며, 바이어스의 증대로 인한 이온충격으로 부분적인 주상정 결정립의 파괴는 있을 수 있지만 전체 피막의 성장과정에서 나타나는 주상정 구조의 변화가 쉽게 발생하지 않는다는 문제가 있으며, 이로 인해 내산화성을 크게 향상시킬 수 없다는 문제가 있어 이를 보완할 수 있는 방법에 대한 연구가 필요하다. However, in the arc ion plating process, which typically uses argon, an inert gas, to induce evaporation of the chrome alloy target, the columnar structure is mainly dominant, and partial destruction of the columnar crystal grains may occur due to ion shock due to an increase in bias. However, there is a problem that changes in the columnar structure that occur during the growth process of the entire film do not occur easily, and because of this, oxidation resistance cannot be significantly improved, so research on methods to complement this is necessary.
따라서 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예는, 질소를 이용하여 주상정 구조의 결정 성장을 방해하고 서로 다른 형태를 갖는 다결정 구조의 결정 성장을 촉진하는 경쟁성장(competition growth)을 유도하여 입방정 구조의 다결정 혼합층을 형성하여 산화성 물질의 이동을 크게 억제할 수 있어 내산화성이 우수한 보호 코팅막을 형성하도록 하는 방법에 관한 기술 내용을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.Therefore, an embodiment of the present invention to solve the problems of the prior art described above is a competition growth method that uses nitrogen to hinder crystal growth of a columnar structure and promote crystal growth of polycrystalline structures having different shapes. ) to form a polycrystalline mixed layer with a cubic structure, thereby significantly suppressing the movement of oxidizing substances, thereby providing technical details on how to form a protective coating film with excellent oxidation resistance.
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.The technical problem to be achieved by the present invention is not limited to the technical problem mentioned above, and other technical problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the description below. There will be.
상술한 본 발명의 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예는, 아크 방전을 위해 크롬 소스, 불활성 가스 및 질소 가스를 각각 공급하고, 아크 이온플레이팅 방법으로 피처리물의 상부에 크롬 및 질화크롬의 다결정이 혼재된 입방정 구조의 다결정 혼합층을 포함하는 내산화성 보호 코팅막을 형성하는 단계;를 포함하는 내산화성 보호 코팅막의 형성방법을 제공한다. In one embodiment of the present invention for achieving the above-described object of the present invention, a chromium source, an inert gas, and a nitrogen gas are respectively supplied for arc discharge, and chromium and chromium nitride are placed on the top of the object to be treated by an arc ion plating method. It provides a method of forming an oxidation-resistant protective coating film comprising: forming an oxidation-resistant protective coating film comprising a polycrystalline mixed layer of cubic structure in which polycrystals are mixed.
일 실시예에 따르면, 상기 다결정 혼합층은 크롬과 하기 화학식 1의 질화크롬을 포함하는 것을 특징으로 한다(단, 하기 화학식 1에서 X는 0.5 < X < 1.0임).According to one embodiment, the polycrystalline mixed layer is characterized in that it contains chromium and chromium nitride of the following formula (1) (however, in the following formula (1), X is 0.5 < X < 1.0).
[화학식 1][Formula 1]
CrN1-X CrN 1-X
상기 화학식 1의 질화크롬은 크롬결정의 격자(BCC) 내로 질소가 침투 및 부분적으로 치환되어 격자 변형을 유도한다. 즉, 질소가 크롬의 격자 구조에 영향을 주고 완전한 상변화는 아니지만 부분적으로 질화크롬을 생성하며, 상기 다결정 혼합층은 크롬과 질화크롬이 혼재하는 다결정체를 형성한다. 이와 같은 다결정체는 질소가 결정격자 내로 치환하여 상변화가 발생하여 HCP 또는 FCC 격자 구조를 갖는 Cr2N, CrN 등의 질화 크롬 화합물과 상이한 격자 구조를 갖는다.In the chromium nitride of Formula 1, nitrogen penetrates and partially replaces the chromium crystal lattice (BCC), thereby inducing lattice deformation. That is, nitrogen affects the lattice structure of chromium and does not completely change the phase, but partially produces chromium nitride, and the polycrystalline mixed layer forms a polycrystal in which chromium and chromium nitride coexist. Such polycrystals have a lattice structure that is different from chromium nitride compounds such as Cr 2 N and CrN, which have HCP or FCC lattice structures, due to phase change occurring when nitrogen is substituted into the crystal lattice.
일 실시예에 따르면, 상기 내산화성 보호 코팅막을 형성하는 단계는, 상기 불활성 가스 및 질소 가스를 각각 10 : 1 내지 1 : 1의 부피비로 공급하여 상기 다결정 혼합층을 할 수 있고, 30 A 이상의 아크 전류와, -10 내지 -1,000 V의 바이어스 전압을 인가하여 상기 다결정 혼합층을 형성할 수 있으며, 250 내지 400 ℃의 온도에서 상기 다결정 혼합층을 형성할 수 있다.According to one embodiment, the step of forming the oxidation-resistant protective coating film may include supplying the inert gas and nitrogen gas at a volume ratio of 10:1 to 1:1, respectively, to form the polycrystalline mixed layer, and applying an arc current of 30 A or more. The polycrystalline mixed layer can be formed by applying a bias voltage of -10 to -1,000 V, and the polycrystalline mixed layer can be formed at a temperature of 250 to 400°C.
일 실시예에 따르면, 상기 다결정 혼합층은 두께가 0.01 내지 100 ㎛일 수 있다.According to one embodiment, the polycrystalline mixed layer may have a thickness of 0.01 to 100 ㎛.
일 실시예에 따르면, 상기 내산화성 보호 코팅막을 형성하는 단계는, 상기 다결정 혼합층을 형성시키기 전에 상기 피처리물의 상부에 접착력 향상층을 형성하는 단계를 더 포함하고, 상기 접착력 향상층을 형성하는 단계는, 상기 크롬 소스 및 불활성 가스를 각각 공급하고 아크 이온플레이팅 방법으로 상기 피처리물의 상부에 접착력 향상층을 형성할 수 있고, 상기 접착력 향상층은 두께가 1 내지 10 ㎛일 수 있다.According to one embodiment, forming the oxidation-resistant protective coating further includes forming an adhesion-enhancing layer on the object to be treated before forming the polycrystalline mixed layer, and forming the adhesion-enhancing layer. may supply the chromium source and the inert gas respectively and form an adhesion-enhancing layer on the top of the object to be treated by an arc ion plating method, and the adhesion-enhancing layer may have a thickness of 1 to 10 ㎛.
일 실시예에 따르면, 상기 내산화성 보호 코팅막을 형성하는 단계는, 상기 다결정 혼합층을 형성한 다음 상기 다결정 혼합층의 상부에 표면 보호층을 형성하는 단계를 더 포함하고, 상기 표면 보호층을 형성하는 단계는, 상기 크롬 소스 및 불활성 가스를 각각 공급하고 아크 이온플레이팅 방법으로 상기 다결정 혼합층의 상부에 표면 보호층을 형성할 수 있으며, 상기 표면 보호층은 두께가 1 내지 10 ㎛일 수 있다.According to one embodiment, forming the oxidation-resistant protective coating further includes forming the polycrystalline mixed layer and then forming a surface protective layer on top of the polycrystalline mixed layer, and forming the surface protective layer. may supply the chromium source and the inert gas respectively and form a surface protective layer on top of the polycrystalline mixed layer by an arc ion plating method, and the surface protective layer may have a thickness of 1 to 10 ㎛.
일 실시예에 따르면, 상기 피처리물은 지르코늄 또는 지르코늄 합금을 포함하는 모재일 수 있다.According to one embodiment, the object to be treated may be a base material containing zirconium or a zirconium alloy.
한편, 일 실시예에 따르면, 상기에 기재된 방법으로 형성하여 상부에 크롬 및 질화크롬의 다결정이 혼재된 입방정 구조의 다결정 혼합층을 내산화성 보호 코팅막으로 포함하는 제품을 제공한다.Meanwhile, according to one embodiment, a product is provided that is formed by the method described above and includes a polycrystalline mixed layer of cubic structure in which polycrystals of chromium and chromium nitride are mixed on the top as an oxidation-resistant protective coating film.
일 실시예에 따르면, 상기 다결정 혼합층은 하기 화학식 1의 질화크롬을 포함하는 것을 특징으로 한다(단, 하기 화학식 1에서 X는 0.5 < X < 1.0임).According to one embodiment, the polycrystalline mixed layer is characterized by including chromium nitride of the following formula (1) (where, in the following formula (1), X is 0.5 < X < 1.0).
[화학식 1][Formula 1]
CrN1-X CrN 1-X
일 실시예에 따르면, 상기 내산화성 보호 코팅막은, 상기 다결정 혼합층의 하부에 형성되는 접착력 향상층 및 상기 다결정 혼합층의 상부에 형성되는 표면 보호층을 더 포함할 수 있으며, 상기 제품은, 지르코늄 또는 지르코늄 합금을 포함하는 모재일 수 있다.According to one embodiment, the oxidation-resistant protective coating film may further include an adhesion improvement layer formed on the lower part of the polycrystalline mixed layer and a surface protective layer formed on the upper part of the polycrystalline mixed layer, and the product is made of zirconium or zirconium. It may be a base material containing an alloy.
실시예에 따른 내산화성이 우수한 보호 코팅막의 형성방법은, 질소를 이용하여 주상정 구조의 결정 성장을 방해하고 서로 다른 형태를 갖는 다결정 구조의 결정 성장을 촉진하는 경쟁성장(competition growth)을 유도하여 입방정 구조의 다결정 혼합층을 형성하여 산화성 물질의 이동을 크게 억제할 수 있어 내산화성이 우수한 보호 코팅막을 형성할 수 있다.The method of forming a protective coating film with excellent oxidation resistance according to an embodiment uses nitrogen to inhibit crystal growth of a columnar structure and induce competition growth that promotes crystal growth of a polycrystalline structure with different shapes. By forming a polycrystalline mixed layer with a cubic structure, the movement of oxidizing substances can be greatly inhibited, thereby forming a protective coating film with excellent oxidation resistance.
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.The effects of the present invention are not limited to the effects described above, and should be understood to include all effects that can be inferred from the configuration of the invention described in the detailed description or claims of the present invention.
도 1은 실시예에 따른 보호 코팅막의 형성방법으로 형성한 보호 코팅막의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 2는 실시예에 따른 보호 코팅막의 형성방법을 활용하여 지르코늄 시편의 표면에 형성된 크롬층(Cr layer), 제1 질화크롬층(CrN layer) 및 제2 질화크롬층(Cr2N layer)의 접착력을 측정한 결과이다.
도 3은 실시예에 따라 아크 이온플레이팅 방법으로 형성한 (a) 크롬층(Cr layer), (b) 다결정 혼합층(N-doped Cr 또는 CrN1-X), (c) 제2 질화크롬층(Cr2N layer) 및 (d) 제1 질화크롬층(CrN layer)의 단면을 촬영한 전자 현미경 이미지이다.
도 4는 실시예에 따른 아크 이온플레이팅 방법으로 형성한 박막의 XRD 패턴 분석 결과이다.
도 5는 실시예에 따른 코팅방법에서 아르곤만을 이용하여 크롬층을 증착하는 과정과 아르곤 및 질소를 동시에 공급하여 질화크롬층을 증착하는 과정에서 바이어스 전압에 의해 형성되는 이온의 포집에 의한 바이어스 전류량을 측정한 결과이다.
도 6은 실시예에 따라 순수 지르코늄(Zr), 크롬층(Cr layer) 및 제1 질화크롬층(CrN layer)에 대한 동전위 분극 시험을 나타낸 결과이다.
도 7은 실시예에 따라 순수 지르코늄(Zr), 크롬층(Cr layer), 제2 질화크롬층(CrN2 layer) 및 다결정 혼합층(CrN1-X)에 대한 동전위 분극 시험을 나타낸 결과이다.
도 8은 실시예에 따른 아크 이온플레이팅 방법에서 각각 (a) 60 A 및 (b) 50 A의 아크 전류를 인가하고, 바이어스 전압을 각각 0 V, -50 V, -75 V, -100 V, -125 V로 조절하여 인가한 다음 형성되는 크롬층의 단면과 표면을 촬영한 전자 현미경 이미지이다.
도 9는 실시예에 따라 (a) 아크전류 60 A, 공정압력 5 Pa의 조건과 (b) 아크전류 50 A, 공정압력 5 Pa의 조건에서 바이어스 전압을 0 V, -50 V, -75 V, -100 V 및 -125 V로 조절하여 형성한 크롬층의 XRD 패턴 분석 결과이다.
도 10은 실시예에 따라 (a) 아크전류 60 A, 공정압력 5 Pa의 조건과 (b) 아크전류 50 A, 공정압력 5 Pa의 조건에서 바이어스 전압을 0 V, -50 V, -75 V, -100 V 및 -125 V로 조절하여 형성한 크롬층의 결정립 크기를 분석한 결과이다.
도 11은 실시예에 따른 방법으로 지르코늄 피복관의 표면에 형성한 코팅층의 단면을 촬영한 현미경 이미지이다.Figure 1 is a cross-sectional view showing the structure of a protective coating film formed by a method of forming a protective coating film according to an embodiment.
Figure 2 shows a chromium layer (Cr layer), a first chromium nitride layer (CrN layer), and a second chromium nitride layer (Cr 2 N layer) formed on the surface of a zirconium specimen using the method of forming a protective coating film according to an embodiment. This is the result of measuring adhesion.
Figure 3 shows (a) a chromium layer (Cr layer), (b) a polycrystalline mixed layer (N-doped Cr or CrN 1-X ), and (c) a second chromium nitride layer formed by an arc ion plating method according to an embodiment. (Cr 2 N layer) and (d) an electron microscope image of a cross section of the first chromium nitride layer (CrN layer).
Figure 4 shows the results of XRD pattern analysis of a thin film formed by the arc ion plating method according to an example.
Figure 5 shows the amount of bias current by trapping ions formed by bias voltage during the process of depositing a chromium layer using only argon in the coating method according to the embodiment and the process of depositing the chromium nitride layer by simultaneously supplying argon and nitrogen. This is the result of measurement.
Figure 6 shows the results of an electropotential polarization test for pure zirconium (Zr), a chromium layer (Cr layer), and a first chromium nitride layer (CrN layer) according to an example.
Figure 7 shows the results of an electropotential polarization test for pure zirconium (Zr), a chromium layer (Cr layer), a second chromium nitride layer (CrN 2 layer), and a polycrystalline mixed layer (CrN 1-X ) according to an example.
Figure 8 shows that in the arc ion plating method according to an embodiment, arc currents of (a) 60 A and (b) 50 A are applied, and bias voltages are 0 V, -50 V, -75 V, and -100 V, respectively. , This is an electron microscope image of the cross section and surface of the chromium layer formed after adjusting and applying -125 V.
Figure 9 shows bias voltages of 0 V, -50 V, and -75 V under the conditions of (a) an arc current of 60 A and a process pressure of 5 Pa and (b) an arc current of 50 A and a process pressure of 5 Pa, depending on the embodiment. , This is the result of XRD pattern analysis of the chrome layer formed by adjusting to -100 V and -125 V.
Figure 10 shows bias voltages of 0 V, -50 V, and -75 V under the conditions of (a) an arc current of 60 A and a process pressure of 5 Pa and (b) an arc current of 50 A and a process pressure of 5 Pa, depending on the embodiment. , This is the result of analyzing the grain size of the chrome layer formed by adjusting -100 V and -125 V.
Figure 11 is a microscope image of a cross-section of a coating layer formed on the surface of a zirconium clad tube by a method according to an example.
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.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the attached drawings. However, the present invention may be implemented in various different forms and, therefore, is not limited to the embodiments described herein. In order to clearly explain the present invention in the drawings, parts unrelated to the description are omitted, and similar parts are given similar reference numerals throughout the specification.
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.Throughout the specification, when a part is said to be "connected (connected, contacted, combined)" with another part, this means not only "directly connected" but also "indirectly connected" with another member in between. "Includes cases where it is. Additionally, when a part is said to “include” a certain component, this does not mean that other components are excluded, but that other components can be added, unless specifically stated to the contrary.
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.The terms used in this specification are merely used to describe specific embodiments and are not intended to limit the invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate the presence of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but are not intended to indicate the presence of one or more other features. It should be understood that this does not exclude in advance the possibility of the existence or addition of elements, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.
실시예에 따른 보호 코팅막의 형성방법은, 아크 이온플레이팅법을 적용하여 주상정 구조(columnar structure)의 성장을 억제하고 입방정 구조(granular structure)의 조직 성장을 유도함으로써 산화성 물질의 이동을 방지할 수 있어 내산화성이 우수한 보호 코팅막을 형성할 수 있는 방법에 관한 것이다.The method of forming a protective coating film according to an embodiment can prevent the movement of oxidizing substances by suppressing the growth of the columnar structure and inducing the tissue growth of the granular structure by applying the arc ion plating method. It relates to a method of forming a protective coating film with excellent oxidation resistance.
상기 입방정 구조의 성장은 이종 물질, 특히, 반응성 가스인 질소를 혼입하여 금속과 금속질화물의 다결정 경쟁성장(competition growth)을 유도하여 결정립 미세화를 통해 달성할 수 있다. Growth of the cubic structure can be achieved through crystal grain refinement by incorporating heterogeneous materials, especially nitrogen, a reactive gas, to induce polycrystal competition growth of metal and metal nitride.
상기와 같은 이종 원소를 이용한 다결정 경쟁성장은, 결정립의 나노화를 유도하여 물질의 특성을 최대화시키도록 하는 기술로서 조직에 크롬 결정립이 성장할 때 질화크롬에 의한 비정질 상이 동시에 성장하도록 하여 결정성장을 방해시켜 나노크기의 입방정 구조를 갖는 다결정 혼합층을 성장시키게 되는 특징이 있다. Polycrystal competitive growth using heterogeneous elements as described above is a technology that maximizes the properties of the material by inducing the nanoization of crystal grains. When chromium crystal grains grow in the structure, an amorphous phase caused by chromium nitride grows simultaneously, thereby hindering crystal growth. It has the characteristic of growing a polycrystalline mixed layer with a nano-sized cubic structure.
상기 다결정 보호 코팅막은 주상정 구조가 갖는 주상정 결함, 핀홀, 공극 등의 발생을 최소화하여 코팅 표면으로부터 결함을 통해 확산되는 산화성 물질의 이동 경로를 차단할 수 있어 내산화성이 우수한 특성을 나타낸다. The polycrystalline protective coating film minimizes the occurrence of columnar defects, pinholes, and voids in the columnar structure and can block the movement path of oxidizing substances diffusing from the coating surface through defects, showing excellent oxidation resistance.
또한, 보호 코팅막 형성 과정 중 초기에 오염된 타겟으로부터 기인하는 계면의 금속화합물, 특히 산화물의 증착을 억제할 수 있을 뿐만 아니라, 계면의 금속 화합물의 형성을 억제하여 보호 코팅막과 코팅 대상물 표면의 접착력을 향상시킬 수 있다.In addition, it not only suppresses the deposition of metal compounds at the interface, especially oxides, resulting from the initially contaminated target during the protective coating film formation process, but also suppresses the formation of metal compounds at the interface, improving the adhesion between the protective coating film and the surface of the coating object. It can be improved.
상기와 같은 보호 코팅막은 다결정 혼합층의 단층, 금속층-다결정 혼합층, 다결정 혼합층-금속층 또는 금속층-다결정 혼합층-금속층을 포함하는 다층 구조를 가질 수 있다. The protective coating film as described above may have a multilayer structure including a single layer of a polycrystalline mixed layer, a metal layer-polycrystalline mixed layer, a polycrystalline mixed layer-metal layer, or a metal layer-polycrystalline mixed layer-metal layer.
또한, 실시예에 따른 내산화성 보호 코팅막(200)의 형성방법은, 진공 챔버, 피처리물(100)에 음전압 또는 펄스 교류 전압을 인가하는 바이어스 전압조절 장치, 크롬 소스를 증발시키는 아크 캐소드 장치, 불활성 가스 및 반응성 가스를 각각 공급하는 가스 공급 장치를 포함하는 구조를 갖는 통상적인 아크 이온플레이팅 장치를 이용해 코팅막을 형성할 수 있다.In addition, the method of forming the oxidation-resistant protective coating film 200 according to the embodiment includes a vacuum chamber, a bias voltage control device for applying a negative voltage or pulse alternating voltage to the object 100, and an arc cathode device for evaporating the chromium source. , the coating film can be formed using a conventional arc ion plating device having a structure including a gas supply device for supplying an inert gas and a reactive gas, respectively.
상기 아크 이온플레이팅 장치를 이용한 다결정 혼합층(210)의 형성은 아르곤 가스를 공급하여 아르곤 분위기를 형성하고 질소 가스를 함께 공급하여, 아크 캐소드 장치에서 크롬 소스를 용해 증발시키고, 피처리물(100)의 표면에 박막을 형성하며, 입방정 구조의 다결정 혼합층(210)을 형성하도록 한다.In the formation of the polycrystalline mixed layer 210 using the arc ion plating device, argon gas is supplied to form an argon atmosphere and nitrogen gas is supplied together to dissolve and evaporate the chromium source in the arc cathode device and treat the object 100. A thin film is formed on the surface, and a polycrystalline mixed layer 210 of cubic structure is formed.
또한, 상기 접착력 향상층(230)과 표면 보호층(250)은 각각 상기 아크 이온플레이팅 장치를 이용하고, 아르곤 가스를 공급하여 아르곤 분위기를 형성하며, 아크 캐소드 장치에서 크롬 소스를 용해 증발시키고, 피처리물(100)의 표면 또는 다결정 혼합층(210)의 상면에 박막을 형성하는 방법을 통해 형성할 수 있다.In addition, the adhesion improvement layer 230 and the surface protection layer 250 each use the arc ion plating device, supply argon gas to form an argon atmosphere, and dissolve and evaporate the chromium source in the arc cathode device, It can be formed by forming a thin film on the surface of the object to be treated 100 or the upper surface of the polycrystalline mixed layer 210.
이하, 도면을 참조하여 실시예에 따른 내산화성 보호 코팅막(200)의 형성방법을 보다 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, the method of forming the oxidation-resistant protective coating film 200 according to the embodiment will be described in more detail with reference to the drawings.
도 1은 실시예에 따른 내산화성 보호 코팅막(200)의 형성방법으로 형성한 내산화성 보호 코팅막(200)의 구조를 나타낸 단면도이다.Figure 1 is a cross-sectional view showing the structure of an oxidation-resistant protective coating film 200 formed by a method of forming the oxidation-resistant protective coating film 200 according to an embodiment.
도 1을 참조하면, 실시예에 따른 내산화성 보호 코팅막(200)의 형성방법은, 다결정 혼합층(210)을 포함하는 내산화성 보호 코팅막(200)을 형성하는 단계;를 포함한다.Referring to FIG. 1, a method of forming an oxidation-resistant protective coating film 200 according to an embodiment includes forming an oxidation-resistant protective coating film 200 including a polycrystalline mixed layer 210.
상기 다결정 혼합층(210)은 크롬 소스, 불활성 가스 및 질소 가스를 각각 공급하고, 아크 이온플레이팅 방법으로 피처리물(100)의 상부에 크롬 및 질화크롬의 다결정이 혼재된 입방정 구조로 형성될 수 있다.The polycrystalline mixed layer 210 can be formed into a cubic structure in which polycrystals of chromium and chromium nitride are mixed on the upper part of the object to be treated 100 by supplying a chromium source, an inert gas, and nitrogen gas, respectively, and using an arc ion plating method. there is.
구체적으로, 상기 다결정 혼합층(210)은 아크 이온플레이팅법을 적용하고 이종 물질, 특히, 반응성 가스인 질소를 혼입하여 주상정 구조(columnar structure)의 성장을 억제하고 입방정 구조(granular structure)의 조직 성장을 유도하는 다결정 경쟁성장을 통해 크롬 결정립이 성장할 때 질화크롬에 의한 비정질 상이 동시에 성장하도록 하여 결정성장을 방해시켜 나노크기의 입방정 구조가 조직내에 형성되며 주상정 구조가 갖는 주상정 결함, 핀홀, 공극 등의 발생을 최소화하여 코팅 표면으로부터 결함을 통해 확산되는 산화성 물질의 이동 경로를 차단할 수 있어 피대상물의 내산화성을 크게 향상시킬 수 있다. Specifically, the polycrystalline mixed layer 210 applies the arc ion plating method and incorporates heterogeneous materials, especially nitrogen, a reactive gas, to suppress the growth of the columnar structure and promote the growth of the granular structure. When chromium crystal grains grow through competitive growth of polycrystals, the amorphous phase caused by chromium nitride grows at the same time, thereby hindering crystal growth, thereby forming a nano-sized cubic structure within the structure, and forming defects, pinholes, and voids in the columnar structure. By minimizing the occurrence of etc., the movement path of oxidizing substances diffusing from the coating surface through defects can be blocked, thereby greatly improving the oxidation resistance of the object.
상기 피처리물(100)은 내산화성 향상이 필요한 통상적인 다양한 소재로 제조한 것일 수 있다. 특히, 상기 피처리물(100)은 지르코늄 또는 지르코늄 합금을 포함하는 모재일 수 있다. 구체적으로, 상기 피처리물(100)은 핵연료용 지르코늄 피복관 또는 지르코늄 판재 등을 대표적인 예로 들 수 있다.The object to be treated 100 may be manufactured from various common materials that require improved oxidation resistance. In particular, the object to be treated 100 may be a base material containing zirconium or a zirconium alloy. Specifically, the object to be treated 100 may be a representative example of a zirconium clad tube or a zirconium plate for nuclear fuel.
상기 크롬 소스는 아크 이온플레이팅 방법을 활용해 피처리물(100)의 표면에 크롬을 증착하기 위해 사용되는 통상적인 다양한 소재를 활용할 수 있다. The chromium source may utilize a variety of common materials used to deposit chromium on the surface of the object 100 to be treated using an arc ion plating method.
상기 불활성 가스는 아르곤(Ar) 가스, 헬륨(He) 가스, 제논(Xe) 가스 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 특히, 상기 불활성 가스는 아르곤(Ar) 가스일 수 있다.The inert gas may be argon (Ar) gas, helium (He) gas, xenon (Xe) gas, or a mixture thereof. In particular, the inert gas may be argon (Ar) gas.
상기 반응성 질소 가스는 박막 성장을 위해 사용되는 통상적인 다양한 가스를 사용할 수 있다. 특히, 상기 반응성 가스는 질소(N2) 가스일 수 있다.The reactive nitrogen gas may be a variety of common gases used for thin film growth. In particular, the reactive gas may be nitrogen (N 2 ) gas.
본 단계에서는 불활성 가스 및 질소 가스를 각각 10 : 1 내지 1 : 1의 부피비로 공급하여 상기 다결정 혼합층(210)을 형성할 수 있다. 특히, 본 단계에서는 불활성 가스 및 질소 가스를 각각 10 : 2 내지 1 : 3의 부피비로 공급할 수 있다.In this step, the polycrystalline mixed layer 210 can be formed by supplying inert gas and nitrogen gas at a volume ratio of 10:1 to 1:1, respectively. In particular, in this step, inert gas and nitrogen gas can be supplied at a volume ratio of 10:2 to 1:3, respectively.
상기 질소 가스의 함량이 낮을 경우 질화크롬 결정의 생성량이 낮아 주상정 구조의 형성이 어려울 수 있고, 상기 질소 가스의 함량이 높을 경우 피처리물(100)의 표면에 주상정 구조가 다시 형성될 수 있다는 문제가 있다.If the content of the nitrogen gas is low, the formation of a columnar structure may be difficult due to the low production amount of chromium nitride crystals, and if the content of the nitrogen gas is high, the columnar structure may be formed again on the surface of the object 100 to be treated. There is a problem.
통상적으로 Cr2N 또는 CrN 등의 질화크롬화합물층은 질소가 결정격자 내로 치환되어 상변화를 유도해 조밀 육방 격자(HCC) 또는 면심 입방 격자(FCC)의 구조를 갖는다. 하지만, 실시예에 따른 내산화성 보호 코팅층의 형성방법에서는 질소가 크롬의 체심 입방 격자(BCC) 구조에 영향을 주고, 완전한 상변화는 아니지만 부분적으로 질화크롬화합물을 형성하여 다결정체 구조를 형성하게 된다. 상기 다결정 혼합층(210)은 크롬(Cr) 및 질화크롬이 혼재되어 하기 화학식 1의 구조를 갖는 질화크롬을 포함할 수 있다(단, 상기 X는 0.5 < X < 1.0임). Typically, a chromium nitride compound layer such as Cr 2 N or CrN has a structure of a close-packed hexagonal lattice (HCC) or a face-centered cubic lattice (FCC) by inducing a phase change as nitrogen is substituted into the crystal lattice. However, in the method of forming an oxidation-resistant protective coating layer according to the embodiment, nitrogen affects the body-centered cubic (BCC) structure of chromium, and although it does not completely change the phase, it partially forms a chromium nitride compound to form a polycrystalline structure. . The polycrystalline mixed layer 210 may include chromium nitride (Cr) and chromium nitride having the structure of the following formula (1) (where X is 0.5 < X < 1.0).
[화학식 1][Formula 1]
CrN1-X CrN 1-X
상기와 같은 화학식 1의 질화크롬을 포함하는 다결정 혼합층(210)은 주상정 구조가 아닌 입방정 구조를 형성하게 된다. The polycrystalline mixed layer 210 containing chromium nitride of Chemical Formula 1 as described above forms a cubic structure rather than a columnar crystal structure.
즉, 다결정 혼합층(210)은 크롬(Cr) 및 질화크롬(Cr2N)의 혼합층이나, 반드시 질화크롬(Cr2N)의 결정이 성장될 필요가 있는 것은 아니다. 상기 다결정 혼합층(210)은 질소 농도에 따라 상변화가 가능한 제2 질화크롬(CrN1-X)을 포함할 수 있다. 상기 제2 질화크롬은 질소가 5 내지 25 at%의 비율로 포함된 것일 수 있고, 바람직하게는 질소가 10 내지 20 at% 포함된 구조를 가질 수 있으며, 크롬 및 질화 크롬이 혼재하는 구성이다. 이와 같은 질소 농도를 갖는 다결정 혼합층(210)은 입방정 구조의 조직을 형성하여 주상정 결함이나 핀홀 등의 결함이 발생되지 않으며, 내산화성, 즉, 내부식성을 강화시킬 수 있다. That is, the polycrystalline mixed layer 210 is a mixed layer of chromium (Cr) and chromium nitride (Cr 2 N), but it is not necessary for crystals of chromium nitride (Cr 2 N) to be grown. The polycrystalline mixed layer 210 may include second chromium nitride (CrN 1-X ) capable of changing phase depending on nitrogen concentration. The second chromium nitride may contain nitrogen at a rate of 5 to 25 at%, and preferably may have a structure containing 10 to 20 at% nitrogen, and is a mixture of chromium and chromium nitride. The polycrystalline mixed layer 210 having such a nitrogen concentration forms a cubic structure structure, so that defects such as columnar defects or pinholes do not occur, and oxidation resistance, that is, corrosion resistance, can be strengthened.
또한, 본 단계에서는 30 A 이상의 아크 전류와, -10 내지 -1,000 V의 바이어스 전압을 인가하여 상기 다결정 혼합층(210)을 형성할 수 있다. Additionally, in this step, the polycrystalline mixed layer 210 can be formed by applying an arc current of 30 A or more and a bias voltage of -10 to -1,000 V.
상기 아크 전류는 아크 타겟의 크기에 따라 조절될 수 있으며, 아크의 크기가 증가할 경우 아크 전류 또한 증가할 수 있다. 특히, 상기 아크 방전 전류는 30 내지 1000 A의 범위를 가질 수 있고 이에 제한받는 것은 아니다.The arc current can be adjusted depending on the size of the arc target, and when the size of the arc increases, the arc current can also increase. In particular, the arc discharge current may range from 30 to 1000 A and is not limited thereto.
또한, 바이어스 전압은 증착률을 고려하여 조절할 수 있다. Additionally, the bias voltage can be adjusted considering the deposition rate.
참고로, 아크 방전에 의해 피처리물(100)이 가열되는 것은 첫째, 진공 챔버에 장착된 가열장치를 통해 가열되는 것이다. 둘째, 아크방전에서 발생되는 마이크로 액적(고체상태)과 매크로 액적(용융상태)에 의한 피복물질이 갖고 있는 열이 피처리물(100)에 전도되는 것이다. 셋째, 아크방전의 열전자에 의한 복사 그리고 특히 중요한 피처리물(100)로 이동되는 이온들에 운동에너지 변환에 따른 가열이 있다. 바이어스를 가할 경우 바이어스 전압에 따른 이온이 전위(Electrical potential)에 의해 가속되어 받는 전위에너지와 충격에너지로 더욱 가열되게 된다. 넷째, 바이어스 전류에 의하여 전기저항이 다소 높은 지르코늄 피복관이나 스테인레스계와 같은 저항이 높은 금속합금은 주울 발열(Joule heating)이 추가적 나타나 더욱 가열된다. For reference, the object to be treated 100 is heated by arc discharge first through a heating device mounted in a vacuum chamber. Second, the heat contained in the coating material by the micro droplets (solid state) and macro droplets (molten state) generated from the arc discharge is conducted to the object to be treated (100). Third, there is heating due to kinetic energy conversion in radiation caused by hot electrons of arc discharge and particularly important ions moving to the object to be treated (100). When a bias is applied, ions according to the bias voltage are accelerated by electric potential and are further heated by the received electric potential energy and impact energy. Fourth, due to the bias current, high-resistance metal alloys such as zirconium-clad tubes or stainless steels with relatively high electrical resistance are further heated due to additional Joule heating.
실제 아크 이온플레이팅의 실험에서 아크전류 변화에 따라 공정온도는 80 A에서 바이어스가 없는 상태에서 열전대에서 측정되는 온도는 352 ℃로 상승하며, 바이어스가 인가될 경우 370 ℃까지 상승한다. 아크전류가 60 A 공정에서는 바이어스가 인가되지 않은 공정에서 약 290 ℃로 상승하고, 바이어스가 인가되면 310 ℃까지 상승한다. 50 A 조건에서는 대략 270 내지 290 ℃의 온도로 상승한다. 이에 따라, 바이어스 전압에 의해 대략 20 ℃ 이상으로 가열된다. 아크 전류가 80 A 조건에서는 370 ℃까지 온도가 상승하나 바이어스에 의한 가열되는 온도는 열전대에 의한 온도의 측정이 어렵다. 따라서, 실험에서는 온도 측정지 (Thermal sheet, NiGK Co. G-1, G-2 모델)를 이용하여 온도에 따른 발색을 측정함으로서 도달온도가 얼마였는지를 확인한 결과, 바이어스 전류에 따라 온도가 414 ℃ 이상 상승하며, 대략 45 ℃ 이상 더 상승한 것이 관찰되어 지르코늄의 재결정화 온도 이상으로 상승하게 되는 것으로 분석된다. 따라서, 바이어스 전압을 인가하는 공정에서 지르코늄 피복관의 재결정화 온도 이하인 아크 전류로 조정되어야 한다. In an actual arc ion plating experiment, as the arc current changes, the process temperature rises to 352 ℃ at 80 A and the temperature measured by the thermocouple in the absence of bias increases to 370 ℃ when a bias is applied. In a process where the arc current is 60 A, the temperature rises to about 290 ℃ in the process without a bias applied, and it rises to 310 ℃ when the bias is applied. Under 50 A conditions, the temperature rises to approximately 270 to 290 °C. Accordingly, it is heated to approximately 20° C. or higher by the bias voltage. When the arc current is 80 A, the temperature rises to 370°C, but it is difficult to measure the temperature heated by bias using a thermocouple. Therefore, in the experiment, the color development according to temperature was measured using a thermal sheet (NiGK Co. G-1, G-2 model) to determine what the temperature reached was. As a result, the temperature was 414 ℃ or higher depending on the bias current. It is observed that the temperature rises by approximately 45°C or more, and it is analyzed that the temperature rises above the recrystallization temperature of zirconium. Therefore, in the process of applying the bias voltage, the arc current must be adjusted to be below the recrystallization temperature of the zirconium clad tube.
이에 따라, 상기 단계에서는 50 내지 70 A의 아크 전류와, -30 내지 -125 V의 바이어스 전압을 인가하여 상기 크롬층을 형성할 수 있다. 바람직하게는, 60 A의 아크 전류와 -75 V의 바이어스 전압을 인가할 수 있다.Accordingly, in this step, the chrome layer can be formed by applying an arc current of 50 to 70 A and a bias voltage of -30 to -125 V. Preferably, an arc current of 60 A and a bias voltage of -75 V can be applied.
그리고, 상기 단계에서는 250 내지 400 ℃의 온도에서 상기 크롬층을 형성할 수 있다. 참고로, 지르코늄 합금의 경우 재결정화 온도가 400 ℃ 이므로, 공정 온도를 재결정화 온도 이하로 유지하는 것이 중요하다. 아크 이온플레이팅 공정은 피처리물(100)에 아크를 발생시켜 피처리물(100)에서 용융된 액적(droplet)과 이온 들이 10 ℃/분의 가열 속도로 가열시켜 피처리물(100)의 온도를 200 ℃ 이상 증가시킬 수 있다. And, in this step, the chromium layer can be formed at a temperature of 250 to 400 °C. For reference, in the case of zirconium alloy, the recrystallization temperature is 400°C, so it is important to maintain the process temperature below the recrystallization temperature. The arc ion plating process generates an arc in the object 100 to heat the molten droplets and ions in the object 100 at a heating rate of 10°C/min. The temperature can be increased to over 200°C.
또한, 상기 단계에서는 0.01 내지 100 ㎛의 두께로 다결정 혼합층(210)을 형성할 수 있다. 특히, 상기 다결정 혼합층(210)은 0.1 내지 10 ㎛의 두께로 형성할 수 있으며, 바람직하게는 5 내지 7 ㎛의 두께로 형성할 수 있다.Additionally, in the above step, the polycrystalline mixed layer 210 can be formed to a thickness of 0.01 to 100 ㎛. In particular, the polycrystalline mixed layer 210 can be formed to a thickness of 0.1 to 10 ㎛, preferably 5 to 7 ㎛.
그리고, 내산화성 보호 코팅막(200)을 다결정 혼합층(210) 만을 포함하는 단일막 구조일 수 있으며, 크롬층 및 다결정 혼합층(210)을 포함하는 다층막 구조를 가질수 도 있다. Additionally, the oxidation-resistant protective coating film 200 may have a single-layer structure including only the polycrystalline mixed layer 210, or it may have a multi-layer structure including a chromium layer and a polycrystalline mixed layer 210.
상기 내산화성 보호 코팅막(200)이 다층막일 경우 상기 크롬층과 다결정 혼합층(210)은 각각 0.1 내지 3 ㎛의 두께로 형성할 수 있다. When the oxidation-resistant protective coating film 200 is a multilayer film, the chromium layer and the polycrystalline mixed layer 210 can each be formed to have a thickness of 0.1 to 3 ㎛.
한편, 상기 내산화성 보호 코팅막(200)을 형성하는 단계는, 상기 다결정 혼합층(210)을 형성시키기 전에 상기 피처리물(100)의 상부에 접착력 향상층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.Meanwhile, forming the oxidation-resistant protective coating film 200 may further include forming an adhesion-enhancing layer on the top of the object to be treated 100 before forming the polycrystalline mixed layer 210.
상기 접착력 향상층(230)은 피처리물(100)과 다결정 혼합층(210) 사이에 형성되어 피처리물(100) 표면에 대한 다결정 혼합층(210)의 접착력을 향상시키는 역할을 한다. The adhesion enhancement layer 230 is formed between the object to be treated 100 and the polycrystalline mixed layer 210 and serves to improve the adhesion of the polycrystalline mixed layer 210 to the surface of the object to be treated 100.
구체적으로, 다결정 혼합층(210)은 질소가 인입되어 성장하며, 질화크롬층은 17 GPa 이상의 고경도 박막이다. 반면에 피처리물(100)이 지르코늄일 경우 지르코늄은 경도가 1 GPa 미만으로 질화크롬층과 피처리물(100)의 경도차이가 커 접착력이 크게 저하될 수 있다. 아크 이온플레이팅 방법으로 증착되는 크롬층은 바이어스의 조건에 따라 상이하나 경도가 3 내지 7 GPa의 범위로서, 피처리물(100)에 비해 높으나 아주 큰 차이를 나타내지 않는다. 다결정 혼합층(210)의 경우는 경도가 15 내지 20 GPa로 높아 응력 차이로 인해 다결정 혼합층(210)이 쉽게 박리되는 문제가 발생할 수 있다.Specifically, the polycrystalline mixed layer 210 is grown by introducing nitrogen, and the chromium nitride layer is a high hardness thin film of 17 GPa or more. On the other hand, when the object to be treated (100) is zirconium, the hardness of zirconium is less than 1 GPa, and the difference in hardness between the chromium nitride layer and the object to be treated (100) is large, so the adhesive strength may be greatly reduced. The chromium layer deposited by the arc ion plating method varies depending on the bias conditions, but has a hardness in the range of 3 to 7 GPa, which is higher than that of the object to be treated (100) but does not show a very significant difference. In the case of the polycrystalline mixed layer 210, the hardness is as high as 15 to 20 GPa, so a problem may occur in which the polycrystalline mixed layer 210 is easily peeled off due to stress difference.
따라서, 피처리물(100)의 표면에 접착력 향상층을 형성시켜 피처리물(100)과 다결정 혼합층(210) 간에 경도 기울기(gradient)를 부여하여 접착력을 향상시키도록 구성할 수 있다.Therefore, an adhesion improvement layer can be formed on the surface of the object to be treated 100 to provide a hardness gradient between the object to be treated 100 and the polycrystalline mixed layer 210 to improve adhesion.
상기와 같은 접착력 향상층은 두께가 1 내지 10 ㎛, 바람직하게는, 3 내지 5 ㎛의 두께로 형성할 수 있으며, 다결정 혼합층(210)의 두께에 따라 접착력 향상층의 두께를 함께 조절할 수 있다. The adhesion improvement layer as described above can be formed to have a thickness of 1 to 10 ㎛, preferably 3 to 5 ㎛, and the thickness of the adhesion improvement layer can be adjusted depending on the thickness of the polycrystalline mixed layer 210.
상기 접착력 향상층(230)은 상기 크롬 소스 및 불활성 가스를 각각 공급하고 아크 이온플레이팅 방법으로 상기 피처리물(100)의 상부에 형성할 수 있다.The adhesion improvement layer 230 may be formed on the top of the object 100 by supplying the chromium source and inert gas, respectively, and using an arc ion plating method.
또한, 본 단계에서는 30 A 이상의 아크 전류와, -10 내지 -1,000 V의 바이어스 전압을 인가하여 접착력 향상층(230)을 형성할 수 있다. 특히, 50 내지 70 A의 아크 전류와, -30 내지 -125 V의 바이어스 전압을 인가하여 상기 접착력 향상층(230)을 형성할 수 있다. 바람직하게는, 60 A의 아크 전류와 -75 V의 바이어스 전압을 인가할 수 있다.Additionally, in this step, the adhesion improvement layer 230 can be formed by applying an arc current of 30 A or more and a bias voltage of -10 to -1,000 V. In particular, the adhesion improvement layer 230 can be formed by applying an arc current of 50 to 70 A and a bias voltage of -30 to -125 V. Preferably, an arc current of 60 A and a bias voltage of -75 V can be applied.
한편, 실시예에 따른 내산화성 보호 코팅막(200)의 형성방법에서는, 다결정 혼합층(210)을 형성하여 내산화성을 향상시키는 것을 그 목적으로 한다. Meanwhile, the method of forming the oxidation-resistant protective coating film 200 according to the embodiment aims to improve oxidation resistance by forming a polycrystalline mixed layer 210.
하지만, 다결정 혼합층(210)을 형성하기 위한 공정을 수행하는 과정 중 발생되는 질소 가스에 의해 아크 캐소드의 크롬 소스의 표면에 질소의 오염층으로 질화막층이 형성되거나, 아크 캐소드의 크롬 소스가 대기에 노출되면 산화막층을 형성하여, 이와 같은 질화막층과 산화막층이 형성된 크롬 소스 표면의 아크 증발과 증착 과정에서 피처리물(100) 계면의 이물질의 증착으로 인해 코팅의 접착력이 저하된다는 문제가 있다. 즉, 상기 표면 보호층은 다결정 혼합층(210)을 형성한 다음 아크 캐소드의 크롬 소스 표면과 피처리물(100)로의 질소 인입을 제한하고 아르곤 가스만을 인입시켜 아크방전을 수행하도록 하며, 이에 의해, 아크 캐소드의 크롬 소스 표면과 피처리물(100)의 표면에 순수한 크롬이 노출과 증착이 되도록 한다. However, a nitride film layer is formed as a nitrogen contamination layer on the surface of the chromium source of the arc cathode due to nitrogen gas generated during the process for forming the polycrystalline mixed layer 210, or the chromium source of the arc cathode is exposed to the atmosphere. When exposed, an oxide layer is formed, and there is a problem that the adhesion of the coating is reduced due to the deposition of foreign substances at the interface of the object to be treated 100 during the arc evaporation and deposition process on the surface of the chromium source on which the nitride layer and the oxide layer are formed. That is, the surface protection layer forms a polycrystalline mixed layer 210 and then restricts the introduction of nitrogen into the chromium source surface of the arc cathode and the object to be treated 100 and introduces only argon gas to perform arc discharge, thereby, Pure chromium is exposed and deposited on the surface of the chrome source of the arc cathode and the surface of the object to be treated (100).
이에 따라, 실시예에 따른 내산화성 보호 코팅막(200)의 형성방법에서는, 다결정 혼합층(210)을 형성하는 과정에서 질소에 의해 발생되는 아크 캐소드의 크롬 소스 표면과 피처리물(100) 표면에 질화막층을 동시에 제거하고 다결정 혼합층(210)의 상부에 주상정 구조의 표면 보호층(250)을 형성하도록 한다. Accordingly, in the method of forming the oxidation-resistant protective coating film 200 according to the embodiment, a nitride film is formed on the surface of the chromium source of the arc cathode and the surface of the object 100 generated by nitrogen in the process of forming the polycrystalline mixed layer 210. The layers are removed at the same time and a surface protection layer 250 of a columnar crystal structure is formed on top of the polycrystalline mixed layer 210.
이를 위해, 상기 내산화성 보호 코팅막(200)을 형성하는 단계는, 상기 다결정 혼합층(210)을 형성한 다음 상기 다결정 혼합층(210)의 상부에 표면 보호층(250)을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. To this end, forming the oxidation-resistant protective coating film 200 may further include forming the polycrystalline mixed layer 210 and then forming a surface protective layer 250 on top of the polycrystalline mixed layer 210. You can.
상기 표면 보호층(250)은 상기 크롬 소스 및 불활성 가스를 각각 공급하고 아크 이온플레이팅 방법으로 상기 다결정 혼합층(210)의 상부에 형성될 수 있다.The surface protective layer 250 may be formed on the upper part of the polycrystalline mixed layer 210 by supplying the chromium source and inert gas, respectively, and using an arc ion plating method.
상기 표면 보호층(250)은 크롬층으로서 30 A 이상의 아크 전류와, -10 내지 -1,000 V의 바이어스 전압을 인가하여 형성할 수 있다. 특히, 이에 따라, 본 단계에서는 50 내지 70 A의 아크 전류와, -30 내지 -125 V의 바이어스 전압을 인가하여 형성할 수 있다. 바람직하게는, 60 A의 아크 전류와 -75 V의 바이어스 전압을 인가할 수 있다.The surface protective layer 250 is a chrome layer and can be formed by applying an arc current of 30 A or more and a bias voltage of -10 to -1,000 V. In particular, in this step, it can be formed by applying an arc current of 50 to 70 A and a bias voltage of -30 to -125 V. Preferably, an arc current of 60 A and a bias voltage of -75 V can be applied.
상기 표면 보호층은 1 내지 10 ㎛의 두께로 증착될 수 있다. 바람직하게는, 상기 표면 보호층은 3 내지 5 ㎛의 두께로 증착될 수 있다. The surface protection layer may be deposited to a thickness of 1 to 10 ㎛. Preferably, the surface protection layer may be deposited to a thickness of 3 to 5 ㎛.
상술한 실시예에 따른 내산화성 보호 코팅막(200)의 형성방법은, 상기 접착력 향상층(230), 다결정 혼합층(210) 및 표면 보호층(250)을 각각 1회씩 형성하는 것으로 설명하였으나, 이에 제한받지 않으며, 목적하는 두께에 맞는 내산화성 보호 코팅막(200)의 형성을 위해 상기와 같은 접착력 향상층(230), 다결정 혼합층(210) 및 표면 보호층(250)을 각각 형성하는 단계를 2회 이상 반복하여 수행할 수 있다.The method of forming the oxidation-resistant protective coating film 200 according to the above-described embodiment has been described as forming the adhesion enhancement layer 230, the polycrystalline mixed layer 210, and the surface protection layer 250 once each, but is limited to this. In order to form an oxidation-resistant protective coating film 200 suitable for the desired thickness, the steps of forming the adhesion improvement layer 230, polycrystalline mixed layer 210, and surface protection layer 250 as described above are performed at least twice. It can be performed repeatedly.
상기한 바와 같은 실시예에 따른 내산화성이 우수한 보호 코팅막의 형성방법은, 질소를 이용하여 주상정 구조의 결정 성장을 방해하고 서로 다른 형태를 갖는 다결정 구조의 결정 성장을 촉진하는 경쟁성장(competition growth)을 유도하여 입방정 구조의 다결정 혼합층을 형성하여 산화성 물질의 이동을 크게 억제할 수 있어 내산화성이 우수한 보호 코팅막을 형성할 수 있다.The method of forming a protective coating film with excellent oxidation resistance according to the above-described embodiment is a competition growth method that uses nitrogen to hinder crystal growth of a columnar structure and promote crystal growth of polycrystalline structures having different shapes. ) is induced to form a polycrystalline mixed layer with a cubic structure, which can greatly inhibit the movement of oxidizing substances, forming a protective coating film with excellent oxidation resistance.
한편, 실시예에 따른 내산화성 보호 코팅막(200)을 포함하는 제품은 상기에 기재된 방법으로 형성하여 상부에 크롬 및 질화크롬의 다결정이 혼재된 입방정 구조의 다결정 혼합층(210)을 포함한다.Meanwhile, the product including the oxidation-resistant protective coating film 200 according to the embodiment is formed by the method described above and includes a polycrystalline mixed layer 210 having a cubic structure in which polycrystals of chromium and chromium nitride are mixed on the top.
또한, 상기 내산화성 보호 코팅막(200)은, 상기 다결정 혼합층(210)의 하부에 형성되는 접착력 향상층(230) 및 상기 다결정 혼합층(210)의 상부에 형성되는 표면 보호층(250)을 더 포함할 수 있다. In addition, the oxidation-resistant protective coating film 200 further includes an adhesion enhancement layer 230 formed on the lower part of the polycrystalline mixed layer 210 and a surface protective layer 250 formed on the upper part of the polycrystalline mixed layer 210. can do.
상기 제품은 핵연료용 지르코늄 또는 지르코늄 합금을 포함하는 모재일 수 있다. 구체적으로, 상기 제품은 지르코늄 피복관 또는 지르코늄 판재일 수 있다. The product may be a base material containing zirconium or zirconium alloy for nuclear fuel. Specifically, the product may be a zirconium clad pipe or a zirconium plate.
이하, 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples.
제시된 실시예는 본 발명의 구체적인 예시일 뿐이며, 본 발명의 기술적 범위를 제한하기 위한 용도인 것은 아니다.The presented examples are only specific examples of the present invention and are not intended to limit the technical scope of the present invention.
<실시예 1> 아크 이온플레이팅법을 활용한 입방정 구조의 단층 보호 코팅막 형성<Example 1> Formation of a single layer protective coating film with cubic structure using arc ion plating method
지르코늄 피복관, 지르코늄 판, 그리고 분석용 실리콘 웨이퍼를 시편으로 준비하였다. 준비한 시편을 아세톤과 알코올로 초음파 세정하고, 장비에 장입한 다음 진공배기하고 가열하여 100 ℃로 온도를 유지하였다. 다음, 시편의 표면세정을 위하여 아르곤 가스를 인입시키고 3 Pa의 압력 조건에서 플라즈마 세정을 실시하였다. Zirconium clad tubes, zirconium plates, and silicon wafers for analysis were prepared as specimens. The prepared specimen was ultrasonically cleaned with acetone and alcohol, loaded into the equipment, evacuated, heated, and maintained at 100°C. Next, to clean the surface of the specimen, argon gas was introduced and plasma cleaning was performed under a pressure condition of 3 Pa.
다음, 시편의 표면에 제1 질화크롬층(CrN layer), 제2 질화크롬층(Cr2N layer) 및 다결정 혼합층(N-doped Cr 또는 CrN1-X)을 각각 아크 이온플레이팅 방법을 활용하여 아르곤 가스를 인입시켜 크롬 피막을 지르코늄의 표면에 성장시키고, 이와 동시에 질소 가스를 동시에 인입시켜 형성하였다. 이때, 질화크롬계 피막 형성을 위한 코팅 재료는 순도가 99.9%인 크롬(GFE, 독일)을 사용하여 형성하였다. Next, the first chromium nitride layer (CrN layer), the second chromium nitride layer (Cr 2 N layer), and the polycrystalline mixed layer (N-doped Cr or CrN 1-X ) were each applied to the surface of the specimen using the arc ion plating method. Argon gas was introduced to grow a chromium film on the surface of zirconium, and nitrogen gas was simultaneously introduced to form it. At this time, the coating material for forming the chromium nitride-based film was formed using chromium (GFE, Germany) with a purity of 99.9%.
상기 질화크롬계 피막 형성을 위해 활용한 장비는 지름이 600 mm인 공전 판에 8개의 자전지그(지름 135 mm)가 장착된 공자전이 가능한 시스템으로, 4개면에서 3개씩 12개의 아크 건이 위치하며, 길이방향으로 850 mm의 유효 코팅 존을 가지며, 최대길이가 1 m으로 크롬 및 크롬 질화물을 형성할 수 있는 반응기를 이용하였다. The equipment used to form the chromium nitride film is a rotatable system equipped with 8 rotating jigs (diameter 135 mm) on a rotating plate with a diameter of 600 mm. There are 12 arc guns, 3 on each of the 4 sides, A reactor capable of forming chromium and chromium nitride was used, with an effective coating zone of 850 mm in the longitudinal direction and a maximum length of 1 m.
다음, 아크 증착공정은 1 내지 5 Pa로 압력을 조절하였으며, 아크전류를 50 내지 80A로 설정하고, 바이어스는 -125 내지 0V로 조절하여 질화크롬계 피막을 형성하였다. 질화크롬계 피막은 먼저 크롬 소스와 아르곤 가스만을 인입시켜 시편의 표면에 크롬 피막이 성장하도록 하고, 반응 가스로 질소 및 아르곤 가스를 인입시켜 크롬 피막을 질화시켜 형성하였다.Next, in the arc deposition process, the pressure was adjusted to 1 to 5 Pa, the arc current was set to 50 to 80A, and the bias was adjusted to -125 to 0V to form a chromium nitride-based film. The chromium nitride-based film was formed by first introducing only a chromium source and argon gas to grow a chromium film on the surface of the specimen, and then introducing nitrogen and argon gas as reaction gases to nitride the chromium film.
상기 제1 질화크롬층(CrN layer) 및 제2 질화크롬층(Cr2N layer) 및 다결정 혼합층(N-doped Cr 또는 CrN1-X)은 각각 아크전류, 바이어스 전압, 아르곤 가스와 질소 가스의 유량을 조절하여 형성하였다. 이때, 다결정 혼합층(N-doped Cr 또는 CrN1-X)은 질소 및 아르곤은 각각 2:1의 부피비로 공급하여 형성하였으며, 이에 따라 다결정 혼합층을 형성하였다. The first chromium nitride layer (CrN layer), the second chromium nitride layer (Cr 2 N layer), and the polycrystalline mixed layer (N-doped Cr or CrN 1-X ) are controlled by arc current, bias voltage, argon gas, and nitrogen gas, respectively. It was formed by controlling the flow rate. At this time, the polycrystalline mixed layer (N-doped Cr or CrN 1-X ) was formed by supplying nitrogen and argon at a volume ratio of 2:1, respectively, thereby forming a polycrystalline mixed layer.
<실시예 2> 다층 보호 코팅막 형성<Example 2> Formation of a multilayer protective coating film
실시예 1에서 활용한 방법을 활용해 시편의 표면에 접착력을 향상시키기 위해 크롬층을 형성하고, 크롬층의 상면에 다결정 혼합층을 형성한 다음, 다결정 혼합층의 상면에 질소 제거 및 표면 보호를 위해 크롬층을 추가로 형성하여 3중층 구조의 다층 보호 코팅막을 형성하였다. Using the method used in Example 1, a chromium layer was formed on the surface of the specimen to improve adhesion, a polycrystalline mixed layer was formed on the upper surface of the chrome layer, and then chromium was added to the upper surface of the polycrystalline mixed layer to remove nitrogen and protect the surface. Additional layers were formed to form a multi-layer protective coating film with a triple-layer structure.
<실험예><Experimental example>
(1) 크롬층 및 질화크롬층의 접착력 평가(1) Evaluation of adhesion of chromium layer and chromium nitride layer
지르코늄 시편의 표면에 크롬층(Cr layer), 제1 질화크롬층(CrN layer) 및 제2 질화크롬층(Cr2N layer)을 각각 성장시킨 다음 시편과 코팅층과의 접착력을 평가하였으며, 그 결과를 도 2에 나타내었다. 코팅층의 접착력은 스크레치 분석법(압입 최대 하중 30N)을 이용해 평가하였다.A chromium layer (Cr layer), a first chromium nitride layer (CrN layer), and a second chromium nitride layer (Cr 2 N layer) were each grown on the surface of the zirconium specimen, and then the adhesion between the specimen and the coating layer was evaluated. As a result, is shown in Figure 2. The adhesion of the coating layer was evaluated using the scratch analysis method (maximum indentation load 30N).
도 2는 실시예에 따른 보호 코팅막의 형성방법을 활용하여 지르코늄 시편의 표면에 형성된 크롬층(Cr layer), 제1 질화크롬층(CrN layer) 및 제2 질화크롬층(Cr2N layer)의 접착력을 측정한 결과이다.Figure 2 shows a chromium layer (Cr layer), a first chromium nitride layer (CrN layer), and a second chromium nitride layer (Cr 2 N layer) formed on the surface of a zirconium specimen using the method of forming a protective coating film according to an embodiment. This is the result of measuring adhesion.
도 2에 나타난 바와 같이, 코팅층의 접착력을 평가한 결과 크롬층의 경우 30N이 초과하는 경우에도 코팅층에 크랙이 발생되지 않아 크롬층의 접합력이 가장 우수한 것으로 확인되었다. 반면에, 제1 질화 크롬층의 경우 크랙이 발생하는 시점(Lc2)이 대략 19N이었고, 제2 질화 크롬층의 경우 크랙이 발생하는 시점(Lc2)이 대략 7N인 것으로 확인되었다. As shown in Figure 2, as a result of evaluating the adhesion of the coating layer, it was confirmed that the adhesion of the chrome layer was the best because no cracks occurred in the coating layer even when the pressure exceeded 30N. On the other hand, in the case of the first chromium nitride layer, the time point (Lc2) at which the crack occurred was approximately 19N, and in the case of the second chromium nitride layer, the time point (Lc2) at which the crack occurred was confirmed to be approximately 7N.
이에 따라, 지르코늄 시편과의 접착력은 크롬층(Cr layer)이 가장 우수하여 제1 코팅층을 크롬층으로 선정하였다. Accordingly, the chrome layer (Cr layer) had the best adhesion to the zirconium specimen, so the chrome layer was selected as the first coating layer.
(2) 코팅층 박막의 단면 형상과 결정 구조 분석(2) Cross-sectional shape and crystal structure analysis of the coating layer thin film
크롬층(Cr layer), 제1 질화크롬층(CrN layer), 제2 질화크롬층(Cr2N layer) 및 다결정 혼합층(CrN1-X)의 단면 형상과 결정 구조를 분석하였으며, 그 결과를 도 3에 나타내었다. The cross-sectional shape and crystal structure of the chromium layer (Cr layer), the first chromium nitride layer (CrN layer), the second chromium nitride layer (Cr 2 N layer), and the polycrystalline mixed layer (CrN 1-X ) were analyzed, and the results were analyzed. It is shown in Figure 3.
도 3은 실시예에 따라 아크 이온플레이팅 방법으로 형성한 (a) 크롬층(Cr layer), (b) 다결정 혼합층(N-doped Cr 또는 CrN1-X), (c) 제2 질화크롬층(Cr2N layer) 및 (d) 제1 질화크롬층(CrN layer)의 단면을 촬영한 전자 현미경 이미지이다.Figure 3 shows (a) a chromium layer (Cr layer), (b) a polycrystalline mixed layer (N-doped Cr or CrN 1-X ), and (c) a second chromium nitride layer formed by an arc ion plating method according to an embodiment. (Cr 2 N layer) and (d) an electron microscope image of a cross section of the first chromium nitride layer (CrN layer).
도 3을 참조하면, 크롬층(Cr layer), 제1 질화크롬층(CrN layer) 및 제2 질화크롬층(Cr2N layer)은 모두 주상정 구조로 조직이 성장하는 것을 확인할 수 있었으나, 다결정 혼합층(N-doped Cr, CrN1-X)의 경우 혼합 입방정의 비정질 구조로 결정 성장에 결함이 확인되지 않았다.Referring to FIG. 3, it was confirmed that the chromium layer (Cr layer), the first chromium nitride layer (CrN layer), and the second chromium nitride layer (Cr 2 N layer) all grew in a columnar structure, but were polycrystalline. In the case of the mixed layer (N-doped Cr, CrN 1-X ), no defects were identified in crystal growth due to the mixed cubic amorphous structure.
(3) 반응성 가스 및 불활성 가스 공급량에 따른 영향 평가(3) Evaluation of the impact of reactive gas and inert gas supply amount
다결정 혼합층(CrN1-X) 형성시 질소 가스와 불활성 가스의 공급량에 따른 영향을 평가하기 위해서 아르곤 가스의 공급량을 200 sccm의 유량으로 설정하고, 질소 가스의 공급량을 각각 0, 50, 100, 150, 200, 300 sccm으로 조절하여 박막을 형성하였다. 형성한 박막의 XRD 패턴 분석을 수행하여 박막의 조성을 확인하였으며, 그 결과를 도 4에 나타내었다. In order to evaluate the effect of the supply amount of nitrogen gas and inert gas when forming a polycrystalline mixed layer (CrN 1-X ), the supply amount of argon gas was set to 200 sccm, and the supply amount of nitrogen gas was set to 0, 50, 100, and 150, respectively. , 200, and 300 sccm were adjusted to form a thin film. XRD pattern analysis of the formed thin film was performed to confirm the composition of the thin film, and the results are shown in Figure 4.
도 4에 나타난 바와 같이, 아르곤 가스와 질소 가스의 유량이 각각 200 sccm과 50 sccm인 경우 조직 내 CrN1-X의 결정이 형성되어 입방정 구조의 결정 성장을 위한 아르곤 가스와 질소 가스의 공급비를 확인할 수 있었다. As shown in Figure 4, when the flow rates of argon gas and nitrogen gas are 200 sccm and 50 sccm, respectively, crystals of CrN 1-X are formed in the tissue, and the supply ratio of argon gas and nitrogen gas for crystal growth of cubic structure is set to I was able to confirm.
(4) 아크 캐소드 크롬소스의 오염과 증착층의 오염 발생(4) Contamination of the arc cathode chrome source and contamination of the deposition layer
아크 이온플레이팅 공정을 수행한 이후에 장비는 시료의 탈부착을 위해 진공이 파기되고 대기 중에 일정 시간동안 노출되게 된다. 이때, 아크 캐소드 크롬 소스가 산소에 노출되며 표면에는 산화층이 형성된다. 상기 아크 캐소드 크롬 소스가 순수 크롬층인 경우 표면에 형성되는 산화층은 매우 얇고 치밀한 구조를 형성한다. 그러나, 아크 캐소드 크롬 소스 표면에 질화크롬층이 형성되어 있는 경우 표면에 질화물과 크롬이 혼합되어 있어 대기 노출시 질화물과 산화물의 혼합층이 형성되게 된다. 또한, 아크 캐소드 크롬 소스 표면에는 질소의 확산 두께가 상당하여 타겟 표면으로부터 50 내지 100 ㎛의 두께로 질소가 확산 침투되는 경향을 나타낸다. After performing the arc ion plating process, the vacuum is broken and the equipment is exposed to the atmosphere for a certain period of time to detach and detach the sample. At this time, the arc cathode chrome source is exposed to oxygen and an oxide layer is formed on the surface. When the arc cathode chrome source is a pure chromium layer, the oxide layer formed on the surface forms a very thin and dense structure. However, when a chromium nitride layer is formed on the surface of the arc cathode chrome source, nitride and chromium are mixed on the surface, so a mixed layer of nitride and oxide is formed when exposed to air. In addition, the diffusion thickness of nitrogen is significant on the arc cathode chrome source surface, showing a tendency for nitrogen to diffuse and penetrate from the target surface to a thickness of 50 to 100 ㎛.
도 5는 실시예에 따른 코팅방법에서 아르곤만을 이용하여 크롬층을 증착하는 과정과 아르곤 및 질소를 동시에 공급하여 질화크롬층을 증착하는 과정에서 바이어스 전압에 의해 형성되는 이온의 포집에 의한 바이어스 전류량을 측정한 결과이다.Figure 5 shows the amount of bias current by trapping ions formed by bias voltage during the process of depositing a chromium layer using only argon in the coating method according to the embodiment and the process of depositing the chromium nitride layer by simultaneously supplying argon and nitrogen. This is the result of measurement.
도 5에 나타난 바와 같이, 아르곤 가스만을 공급하여 크롬층을 증착하는 경우 바이어스 전류는 아크 방전이 개시된 이후 1분 이내에 정상 바이어스 전류량이 측정되었다. 아크 방전 공정 중 질소를 공급하는 경우 질소의 공급량에 따라 바이어스 전류량이 변화하는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 아크 방전이 개시된 이후 낮은 바이어스 전류량을 나타내다가 아크 방전 시간이 경과하면서 정상 전류량을 나타내는 것으로 확인되었다. 아크 방전 개시 후 초기에 낮은 전류량을 나타내는 것은 박막의 표면에 저항이 높은 질화물 또는 산화물이 형성되었음을 의미하며, 박막의 표면에 질소가 깊게 확산된 경우 정상 전류량으로 복귀되는 시간이 길어지는 것으로 확인되었다. 이러한 낮은 전류량에서는 박막의 아크방전을 통해 크롬, 질화물, 산화물 등이 동시에 혼합 용융되어 방사되는 것이고 결국 피처리물에는 크롬, 질화물 및 산화물이 동시에 증착되게 된다. As shown in Figure 5, when the chromium layer was deposited by supplying only argon gas, the normal bias current was measured within 1 minute after the arc discharge was initiated. When nitrogen was supplied during the arc discharge process, it was confirmed that the amount of bias current changed depending on the amount of nitrogen supplied. In other words, it was confirmed that a low bias current amount was shown after the arc discharge was initiated, but that a normal current amount was shown as the arc discharge time elapsed. A low current amount initially after the start of arc discharge means that nitride or oxide with high resistance has been formed on the surface of the thin film, and it was confirmed that when nitrogen diffuses deeply into the surface of the thin film, the time to return to the normal current amount becomes longer. At such a low current amount, chromium, nitride, and oxide are simultaneously melted and radiated through arc discharge of the thin film, and eventually chromium, nitride, and oxide are simultaneously deposited on the object to be treated.
(5) 박막의 내식성 평가(5) Evaluation of corrosion resistance of thin films
크롬층(Cr layer) 및 다결정 혼합층(CrN1-X)의 내식성을 평가하였다. 내식성 평가는 동전위 분극시험(potentiodynamic polarization test)을 통해 수행하였으며, 3.5% NaCl (25℃) 전해질 용액에서 상대 전극은 Pt, 기준 전극은 Ag/AgCl로 구성하여 전위 -1 V ~ 1.5 V 영역에서 2 mV/sec의 조건에서 수행하였다.The corrosion resistance of the chrome layer (Cr layer) and the polycrystalline mixed layer (CrN 1-X ) was evaluated. Corrosion resistance evaluation was performed through a potentiodynamic polarization test, and the counter electrode was composed of Pt and the reference electrode was Ag/AgCl in a 3.5% NaCl (25℃) electrolyte solution, and the electrode was measured in the range of -1 V to 1.5 V. It was performed under conditions of 2 mV/sec.
동전위 분극시험은 보호피막이 형성되는 기재인 지르코늄 시편에 먼저 실시되었다. 이때, 지르코늄 시편은 표면이 쉽게 산화되기 때문에 시편의 표면을 폴리싱처리한 것을 사용하였다. The electropotential polarization test was first conducted on zirconium specimens, the substrate on which the protective film is formed. At this time, the surface of the zirconium specimen was easily oxidized, so a polished surface was used.
먼저, 지르코늄 시편의 표면에 크롬층(Cr layer), 제1 질화크롬층(CrN layer), 제2 질화크롬층(Cr2N layer) 및 다결정 혼합층(CrN1-X)을 각각 증착하였다. 다음, 각각의 코팅층이 형성된 지르코늄 시편의 코팅층에 대한 동전위 분극시험을 수행하였으며, 그 결과를 도 6에 나타내었다.First, a chromium layer (Cr layer), a first chromium nitride layer (CrN layer), a second chromium nitride layer (Cr 2 N layer), and a polycrystalline mixed layer (CrN 1-X ) were deposited on the surface of the zirconium specimen, respectively. Next, an electropotential polarization test was performed on the coating layer of the zirconium specimen with each coating layer formed, and the results are shown in FIG. 6.
도 6은 실시예에 따라 순수 지르코늄(Zr), 크롬층(Cr layer) 및 제1 질화크롬층(CrN layer)에 대한 동전위 분극 시험을 나타낸 결과이다.Figure 6 shows the results of an electropotential polarization test for pure zirconium (Zr), a chromium layer (Cr layer), and a first chromium nitride layer (CrN layer) according to an example.
도 7은 실시예에 따라 순수 지르코늄(Zr), 크롬층(Cr layer), 제2 질화크롬층(CrN2 layer) 및 다결정 혼합층(CrN1-X)에 대한 동전위 분극 시험을 나타낸 결과이다.Figure 7 shows the results of an electropotential polarization test for pure zirconium (Zr), a chromium layer (Cr layer), a second chromium nitride layer (CrN 2 layer), and a polycrystalline mixed layer (CrN 1-X ) according to an example.
도 6을 참조하면, 지르코늄의 경우 부식전위가 -617 mV vs. Ag/AgCl으로 나타났으며, 지르코늄 시편의 표면에 크롬층이 형성(Cr layer)된 경우 부식전위는 -173 mV vs. Ag/AgCl로 나타나 444 mV의 전위차를 보이는 것으로 확인되었다.Referring to Figure 6, in the case of zirconium, the corrosion potential is -617 mV vs. It was found to be Ag/AgCl, and when a chromium layer was formed on the surface of the zirconium specimen, the corrosion potential was -173 mV vs. It was confirmed that it appeared as Ag/AgCl and showed a potential difference of 444 mV.
또한, 지르코늄 시편의 표면에 제1 질화크롬층(CrN)이 형성된 경우 부식전위는 -143 mV vs. Ag/AgCl로 확인되어 지르코늄 시편의 표면에 크롬층(Cr)이 형성된 경우와 부식전위의 차이가 크지 않은 것으로 확인되었다. Additionally, when the first chromium nitride layer (CrN) was formed on the surface of the zirconium specimen, the corrosion potential was -143 mV vs. It was confirmed to be Ag/AgCl, and it was confirmed that the difference in corrosion potential was not significant when a chromium layer (Cr) was formed on the surface of the zirconium specimen.
또한, 도 7을 참조하면, 지르코늄 시편의 표면에 제2 질화크롬층(Cr2N)이 형성(CrN layer)된 경우 역시 지르코늄 시편의 표면에 크롬층(Cr)이 형성된 경우와 부식전위의 차이가 크지 않은 것으로 확인되었으나, 지르코늄 시편의 표면에 다결정 혼합층(CrN1-X)이 형성된 경우에는 부식전위가 크게 개선되어 전위차가 더욱 큰 편차를 보이는 것으로 확인되었다. In addition, referring to Figure 7, when a second chromium nitride layer (Cr 2 N) is formed on the surface of the zirconium specimen (CrN layer), the difference in corrosion potential is also the case when a chromium layer (Cr) is formed on the surface of the zirconium specimen. It was confirmed that it was not large, but when a polycrystalline mixed layer (CrN 1-X ) was formed on the surface of the zirconium specimen, the corrosion potential was greatly improved and the potential difference was confirmed to show a larger deviation.
(6) 아크전류 및 바이어스 전압의 영향 평가(6) Evaluation of the effects of arc current and bias voltage
아크 이온플레이팅 공정으로 직경이 800 mm인 지르코늄 피복관의 표면에 크롬층을 형성하였다. 이때, 아크전류를 각각 50 A와 60 A로 설정하고, 바이어스는 각각 0 V, -50 V, -75 V, -100 V, -125 V로 조절하고, 공정 시간을 조절하여 두께가 20 ㎛인 크롬층을 형성하였으며, 공정 조건을 상이하게 조절하여 형성한 크롬층의 단면과 표면을 평가하였으며, 그 결과를 도 8에 나타내었다. A chromium layer was formed on the surface of a zirconium clad tube with a diameter of 800 mm using an arc ion plating process. At this time, the arc current was set to 50 A and 60 A, the bias was adjusted to 0 V, -50 V, -75 V, -100 V, and -125 V, respectively, and the process time was adjusted to create an arc with a thickness of 20 ㎛. A chrome layer was formed, and the cross-section and surface of the chrome layer formed by controlling different process conditions were evaluated, and the results are shown in Figure 8.
도 8에 나타난 바와 같이, 크롬층을 형성하는 과정에서 주상정 공극이나 결함을 제거하는 공정상의 주요 변수는 바이어스 전압인 것으로 확인되었다.As shown in Figure 8, it was confirmed that the main variable in the process of removing columnar voids or defects in the process of forming the chrome layer is the bias voltage.
구체적으로, 아크전류가 50 A에서는 -100 V 이상의 바이어스 전압을 인가하는 조건에서 치밀한 피막이 형성되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 아크전류가 60 A인 경우에는 바이어스 전압이 -75 V 이상에서부터 치밀한 피막이 형성되었다. 즉, 아크전류가 높으면 피막이 보다 치밀해졌으며, 바이어스 전압이 상승함에 따라 피막이 더욱 치밀해지는 경향을 나타내는 것으로 확인되었다.Specifically, it was confirmed that a dense film was formed under the condition of applying a bias voltage of -100 V or more at an arc current of 50 A. Additionally, when the arc current was 60 A, a dense film was formed at a bias voltage of -75 V or higher. In other words, it was confirmed that the higher the arc current, the more dense the film became, and that the film tended to become more dense as the bias voltage increased.
따라서, 아크전류와 바이어스 전압을 조절하여 피막의 성장 구조를 조절할 수 있는 것으로 확인되었다.Therefore, it was confirmed that the growth structure of the film could be controlled by controlling the arc current and bias voltage.
(7) 아크전류 및 바이어스 전압의 결정 성장에 대한 영향 평가(7) Evaluation of the influence of arc current and bias voltage on crystal growth
또한, 아크전류와 바이어스 전압에 따른 결정 성장 특성을 평가하였으며, 그 결과를 도 9에 나타내었다.In addition, crystal growth characteristics were evaluated according to arc current and bias voltage, and the results are shown in Figure 9.
도 9는 실시예에 따라 (a) 아크전류 60 A, 공정압력 5 Pa의 조건과 (b) 아크전류 50 A, 공정압력 5 Pa의 조건에서 바이어스 전압을 0 V, -50 V, -75 V, -100 V 및 -125 V로 조절하여 형성한 크롬층의 XRD 패턴 분석 결과이다.Figure 9 shows bias voltages of 0 V, -50 V, and -75 V under the conditions of (a) an arc current of 60 A and a process pressure of 5 Pa and (b) an arc current of 50 A and a process pressure of 5 Pa, depending on the embodiment. , This is the result of XRD pattern analysis of the chrome layer formed by adjusting to -100 V and -125 V.
도 9(a)에 나타난 바와 같이, 0V에서 -50 V 까지는 Cr(110) 결정이 주성장방향으로 성장하고 -50 V에서 가장 강하게 성장하는 것으로 확인되었다. 그러나, 바이어스가 -75 V 가 되면 결정성장은 Cr(110) 결정성장이 제한되고 변화가 나타나는 것으로 확인되었다. 이때, Cr(211)으로 우선성장 방향이 변화하기 보다는 Cr(110)의 우선성장이 제한되고 다결정화 되는 것으로 판단되었다. 또한, 바이어스 -100 V 이후에는 전체적으로 우선성장 없이 다결정으로 성장하게 되는 것으로 확인되었다.As shown in Figure 9(a), it was confirmed that Cr(110) crystals grow in the main growth direction from 0 V to -50 V and grow most strongly at -50 V. However, when the bias was -75 V, it was confirmed that Cr(110) crystal growth was limited and changes occurred. At this time, rather than changing the preferential growth direction to Cr(211), it was determined that the preferential growth of Cr(110) was limited and polycrystallized. In addition, it was confirmed that after the bias of -100 V, polycrystalline growth occurred without overall preferential growth.
또한, 도 9(b)에 나타난 바와 같이, 아크전류 50 A, 공정압력 5 Pa의 조건에서는 -50 V에서 Cr(110)로 우선성장방향이 제한되는 것으로 확인되었다. 아크전류가 60 A와 50 A에서 약간의 차이는 있지만 -50 V를 기점으로 위상이 변하는 것은 확실하며 Cr(110)과 Cr(211)의 다결정이 나타나는 것으로 확인되었다.Additionally, as shown in Figure 9(b), it was confirmed that the preferential growth direction was limited to Cr(110) at -50 V under the conditions of arc current of 50 A and process pressure of 5 Pa. Although there is a slight difference in the arc current between 60 A and 50 A, it is clear that the phase changes starting at -50 V, and it was confirmed that polycrystals of Cr(110) and Cr(211) appear.
(8) 아크전류 및 바이어스 전압의 결정립 크기에 대한 영향 평가(8) Evaluation of the influence of arc current and bias voltage on grain size
아울러, 상기 XRD 패턴 분석 결과를 이용해 결정립 크기를 측정하였으며, 그 결과를 도 11에 나타내었다.In addition, the grain size was measured using the XRD pattern analysis results, and the results are shown in Figure 11.
도 10은 실시예에 따라 (a) 아크전류 60 A, 공정압력 5 Pa의 조건과 (b) 아크전류 50 A, 공정압력 5 Pa의 조건에서 바이어스 전압을 0 V, -50 V, -75 V, -100 V 및 -125 V로 조절하여 형성한 크롬층의 결정립 크기를 분석한 결과이다.Figure 10 shows bias voltages of 0 V, -50 V, and -75 V under the conditions of (a) an arc current of 60 A and a process pressure of 5 Pa and (b) an arc current of 50 A and a process pressure of 5 Pa, depending on the embodiment. , This is the result of analyzing the grain size of the chromium layer formed by adjusting to -100 V and -125 V.
도 10에 나타난 바와 같이, 바이어스가 인가되지 않은 경우 크롬층에 형성된 결정립의 평균 크기는 아크전류가 60 A인 경우에는 208.9 nm였고, 아크전류가 50 A인 경우에는 190.0 nm인 것으로 확인되었다. 바이어스 전압이 인가되는 경우 결정이 성장이 촉진되어 아크전류가 60 A인 경우에는 대략 270 nm에서 308 nm까지 결정립의 평균 크기가 증가하는 경향을 나타냈으며, 아크전류가 50 A인 경우에는 바이어스 전압이 상승하는 경우라 하더라도 결정립의 크기가 대략 260 nm에서 270 nm으로 나타나 결정립의 크기가 거의 증가하지 않는 것으로 확인되었다. As shown in Figure 10, when no bias was applied, the average size of crystal grains formed in the chrome layer was confirmed to be 208.9 nm when the arc current was 60 A and 190.0 nm when the arc current was 50 A. When a bias voltage is applied, crystal growth is promoted, and when the arc current is 60 A, the average size of the crystal grains tends to increase from approximately 270 nm to 308 nm. When the arc current is 50 A, the bias voltage tends to increase. Even in the case of rise, it was confirmed that the size of the crystal grains was approximately 260 nm to 270 nm, showing little increase in the size of the grains.
(9) 두께 평가(9) Thickness evaluation
도 11은 실시예에 따른 방법으로 지르코늄 피복관의 표면에 형성한 코팅층의 단면을 촬영한 현미경이미지이다.Figure 11 is a microscope image of a cross-section of a coating layer formed on the surface of a zirconium clad tube by the method according to the example.
도 11에 나타난 바와 같이, 아크 이온플레이팅 공정을 통해 지르코늄 피복관의 표면에 평균 두께가 대략 20 ㎛의 코팅층이 형성되었음을 확인할 수 있었다. As shown in Figure 11, it was confirmed that a coating layer with an average thickness of approximately 20 ㎛ was formed on the surface of the zirconium clad tube through the arc ion plating process.
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.Although the technical idea of the present invention described above has been described in detail in preferred embodiments, it should be noted that the above-described embodiments are for illustrative purposes only and are not intended for limitation. Additionally, those of ordinary skill in the technical field of the present invention will understand that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention. Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the technical spirit of the attached claims.
100 : 피처리물
200 : 내산화성 보호 코팅막
210 : 다결정 혼합층
230 : 접착력 향상층
250 : 표면 보호층100: object to be treated
200: Oxidation-resistant protective coating film
210: polycrystalline mixed layer
230: Adhesion improvement layer
250: Surface protective layer
Claims (11)
상기 다결정 혼합층은 하기 화학식 1의 질화크롬을 포함하는 것을 특징으로 하는 내산화성 보호 코팅막의 형성방법(단, 하기 화학식 1에서 X는 0.5 < X < 1.0의 범위를 가짐).
[화학식 1]
CrN1-X According to paragraph 1,
A method of forming an oxidation-resistant protective coating film, wherein the polycrystalline mixed layer includes chromium nitride of the following formula (1) (wherein in the formula (1), X has a range of 0.5 < X < 1.0).
[Formula 1]
CrN 1-X
상기 내산화성 보호 코팅막을 형성하는 단계는, 30A 이상의 아크 전류와 -10 내지 -1,000V의 바이어스 전압을 인가하여 상기 다결정 혼합층을 형성하는 것을 특징으로 하는 내산화성 보호 코팅막의 형성방법. According to paragraph 1,
The step of forming the oxidation-resistant protective coating film is a method of forming an oxidation-resistant protective coating film, characterized in that the polycrystalline mixed layer is formed by applying an arc current of 30 A or more and a bias voltage of -10 to -1,000 V.
상기 내산화성 보호 코팅막을 형성하는 단계는,
250 내지 400 ℃의 온도에서 상기 다결정 혼합층을 형성하는 것을 특징으로 하는 내산화성 보호 코팅막의 형성방법. According to paragraph 1,
The step of forming the oxidation-resistant protective coating film,
A method of forming an oxidation-resistant protective coating film, characterized in that forming the polycrystalline mixed layer at a temperature of 250 to 400 ° C.
상기 다결정 혼합층은 두께가 0.01 내지 100 ㎛인 것을 특징으로 하는 내산화성 보호 코팅막의 형성방법. According to paragraph 1,
A method of forming an oxidation-resistant protective coating film, characterized in that the polycrystalline mixed layer has a thickness of 0.01 to 100 ㎛.
상기 내산화성 보호 코팅막을 형성하는 단계는,
상기 다결정 혼합층을 형성시키기 전에 상기 피처리물의 상부에 접착력 향상층을 형성하는 단계를 더 포함하고,
상기 접착력 향상층을 형성하는 단계는,
상기 크롬 소스 및 불활성 가스를 각각 공급하고 아크 이온플레이팅 방법으로 상기 피처리물의 상부에 접착력 향상층을 형성하는 것을 특징으로 하는 내산화성 보호 코팅막의 형성방법. According to paragraph 1,
The step of forming the oxidation-resistant protective coating film,
Further comprising forming an adhesion improvement layer on top of the object to be treated before forming the polycrystalline mixed layer,
The step of forming the adhesion improvement layer is,
A method of forming an oxidation-resistant protective coating film, comprising supplying the chromium source and the inert gas respectively and forming an adhesion-enhancing layer on the top of the object to be treated by an arc ion plating method.
상기 내산화성 보호 코팅막을 형성하는 단계는,
상기 다결정 혼합층을 형성한 다음 상기 다결정 혼합층의 상부에 표면 보호층을 형성하는 단계를 더 포함하고,
상기 표면 보호층을 형성하는 단계는,
상기 크롬 소스 및 불활성 가스를 각각 공급하고 아크 이온플레이팅 방법으로 상기 다결정 혼합층의 상부에 표면 보호층을 형성하는 것을 특징으로 하는 내산화성 보호 코팅막의 형성방법. According to paragraph 1,
The step of forming the oxidation-resistant protective coating film,
Forming the polycrystalline mixed layer and then forming a surface protective layer on top of the polycrystalline mixed layer,
The step of forming the surface protective layer is,
A method of forming an oxidation-resistant protective coating film, characterized in that supplying the chromium source and the inert gas respectively and forming a surface protective layer on the upper part of the polycrystalline mixed layer by an arc ion plating method.
상기 피처리물은 핵연료용 지르코늄 또는 지르코늄 합금을 포함하는 모재인 것을 특징으로 하는 내산화성 보호 코팅막의 형성방법. According to paragraph 1,
A method of forming an oxidation-resistant protective coating film, characterized in that the object to be treated is a base material containing zirconium or zirconium alloy for nuclear fuel.
상기 다결정 혼합층은 하기 화학식 1의 질화크롬을 포함하는 것을 특징으로 하는 제품(단, 하기 화학식 1에서 X는 0.5 < X < 1.0의 범위를 가짐).
[화학식 1]
CrN1-X According to clause 10,
The polycrystalline mixed layer is a product characterized in that it contains chromium nitride of the following formula (1) (however, in the following formula (1),
[Formula 1]
CrN 1-X
상기 내산화성 보호 코팅막은,
상기 다결정 혼합층의 하부에 형성되는 접착력 향상층 및
상기 다결정 혼합층의 상부에 형성되는 표면 보호층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제품.According to clause 10,
The oxidation-resistant protective coating film,
An adhesion improvement layer formed on the lower part of the polycrystalline mixed layer, and
A product characterized in that it further comprises a surface protection layer formed on top of the polycrystalline mixed layer.
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