KR101398884B1 - 경사 기능성 코팅층 형성에 적합한 서스펜션 플라즈마 용사 장치용 서스펜션 공급기 - Google Patents

경사 기능성 코팅층 형성에 적합한 서스펜션 플라즈마 용사 장치용 서스펜션 공급기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 제1 서스펜션이 저장되는 제1 서스펜션 저장탱크; 제2 서스펜션이 저장되는 제2 서스펜션 저장탱크; 상기 제1 서스펜션 저장탱크로부터 제1 서스펜션을 플라즈마 용사 건(gun)으로 공급하는 제1 이송관; 상기 제1 이송관에 구비되어 제1 서스펜션의 플라즈마 용사 건으로의 공급량을 제어하는 제1 개폐밸브; 기 제1 서스펜션 저장탱크와 제2 서스펜션 저장탱크 사이를 연결하고, 상기 제2 서스펜션을 제1 서스펜션 저장탱크로 이송시키는 제2 이송관; 상기 제2 이송관에 구비되어 제2 서스펜션의 제1 서스펜션 저장탱크로의 유량을 제어하는 제2 개폐밸브; 상기 제2 서스펜션 저장탱크로부터 제2 서스펜션을 플라즈마 용사 건(gun)으로 공급하는 제3 이송관; 및 상기 제3 이송관에 구비되어 제2 서스펜션의 플라즈마 용사 건으로의 공급량을 제어하는 제3 개폐밸브를 포함하는 서스펜션 플라즈마 용사 장치용 서스펜션 공급기에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 서스펜션 플라즈마 용사 장치용 서스펜션 공급기는 피드 스탁을 액상(서스펜션)으로 공급함으로써 종래 분말 상태의 피드 스탁을 이용한 경우에 비해 이종 성분 간의 균일한 혼합이 가능하고, 액상의 특성상 미세한 부피 조절이 가능하기 때문에, 이를 이용해 서스펜션 플라즈마 용사 코팅을 수행할 경우 코팅층의 수평 방향으로의 조성 균일성을 달성할 수 있을 뿐만 아니라 코팅층의 두께 방향으로의 조성 변화이 연속성을 달성할 수 있어 우수한 품질의 경사 기능성 코팅층의 제조를 가능케 한다.

Description

경사 기능성 코팅층 형성에 적합한 서스펜션 플라즈마 용사 장치용 서스펜션 공급기{Suspension feeder for suspension plasma spraying device suitable for fabricating functionally graded coating layer}
본 발명은 서스펜션 플라즈마 용사 장치용 서스펜션 공급기, 보다 상세하게는, 경사 기능성 코팅층 형성에 적합한 서스펜션 플라즈마 용사 장치용 서스펜션 공급기에 대한 것이다.
금속 재질의 모재 표면에 세라믹스와 같이 모재와는 상이한 조성 또는 특성을 가지는 재료의 피막을 형성하게 되면, 모재의 내열성, 내마모성, 내부식성, 내산화성 등을 향상시키는 것이 가능하다는 장점을 가지나, 모재와 코팅층 간의 소재가 상이함에 따라 물성의 차이, 특히, 모재와 코팅층 간의 열팽창 계수의 차이에 기인해 시간 경과에 따라 코팅층의 박리가 일어난다는 문제점을 피할 수 없다.
예를 들어, 가스터빈의 금속 부품 표면에 증착되어 고온 가스로부터 금속부품을 보호하기 위한 열차폐 코팅(thermal barrier coatings)은 세라믹 재질의 탑코트(top coat) 및 그 하부에 형성되어 탑코트와 금속 모재 간의 열응력을 완화시키는 역할을 하는 금속 재질의 본드 코트(bond coat)를 구비하는데, 가열 및 냉각이 반복되는 가혹한 사용 환경에서 탑코트와 본드코트 사이에 열 응력에 의한 균열이 발생할 가능성이 언제나 상존하고 있다.
상기한 문제점을 해결하기 위해 경사기능성 재료(functionally graded material: FGM)라는 개념의 복합 재료가 도입되었는데, 여기서 경사기능성 재료란 '사용하고자 하는 특수한 용도에 기능적으로 알맞도록 미세구조, 조성 등이 재료의 위치에 따라 점진적으로 변화하는 재료'라고 정의할 수 있으며, 경사 기능성 코팅층은 모재 표면에 코팅층을 제조하는 공정에서 코팅층의 두께방향으로 조성 및 물성이 연속적으로 변화하도록 제조되어진 코팅층을 말한다.
이와 같은 경사기능성 코팅층을 제조하기 위해서는 코팅층 두께 방향으로 조성 구배(compositional gradient)를 구현하기 위하여 혼합 코팅층 내 각 재료의 부피 분율을 원하는 비율로 변화시킬 수 있어야 하는데, 현재로서는 경사 기능성 코팅층 제조에 널리 사용되고 있는 코팅법으로서는 대기 플라즈마 용사(atmospheric plasma spray, APS) 등과 같은 플라즈마 용사법(plasma spraying)이 알려져 있다.
종래 플라즈마 용사법을 이용하여 경사 기능성 코팅층을 제조하는 방법으로서 '혼합 분말법(mixed powder method)'이 알려져 있으나[비특허문헌 0001], 이와 같이 혼합 분말을 사용하는 방법은 다양한 조성비의 혼합 분말을 사전에 준비해야 하고 용사 공정 중 분말을 계속 교체해야 하는 제조 공정상의 단점이 있으며, 분말을 원료로 사용하기 때문에 크기, 밀도 등이 다른 분말이 공급되는 동안 균일하게 혼합되지 않은 채로 코팅층이 형성되는 문제점도 가진다.
따라서, 대기 플라즈마 용사(atmospheric plasma spray, APS) 등과 같은 기존의 용사법으로 증착된 종래의 경사 기능성 코팅층은 실질적으로는 코팅층을 이루는 소재의 조성이 두께 방향으로 연속적이지 않고 단속적이어서 당초 기대한 만큼의 특성을 보여주지 못한다.
이에, 기존 방법에 의해 얻어지는 경사 기능성 코팅층과 달리 그 기능을 백분 발휘할 수 있는 경사 기능성 코팅층을 구현할 수 있는 방법 및 이를 구현하기 위한 장치에 대한 필요성이 크게 부각되고 있다.
A. S. Demirkiran and E. Avci, Surf. Coat. Technol., 116/119 (1992) 292
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 기존과 달리 피드 스탁(feed stock)으로 액상을 사용하는 서스펜션 플라즈마 용사 장치에 구비되는 서스펜션 공급기로서, 이종(異種) 소재가 각각의 물성을 유지하면서 균일하게 혼합되어 두께 방향으로 코팅층의 조성이 연속적으로 변화되는 경사 기능성 코팅층의 형성을 가능케 하는 서스펜션 플라즈마 용사 장치용 서스펜션 피더를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명은 제1 서스펜션이 저장되는 제1 서스펜션 저장탱크; 제2 서스펜션이 저장되는 제2 서스펜션 저장탱크; 상기 제1 서스펜션 저장탱크로부터 제1 서스펜션을 플라즈마 용사 건(gun)으로 공급하는 제1 이송관; 상기 제1 이송관에 구비되어 제1 서스펜션의 플라즈마 용사 건으로의 공급량을 제어하는 제1 개폐밸브; 상기 제1 서스펜션 저장탱크와 제2 서스펜션 저장탱크 사이를 연결하고, 상기 제2 서스펜션을 제1 서스펜션 저장탱크로 이송시키는 제2 이송관; 상기 제2 이송관에 구비되어 제2 서스펜션의 제1 서스펜션 저장탱크로의 유량을 제어하는 제2 개폐밸브; 상기 제2 서스펜션 저장탱크로부터 제2 서스펜션을 플라즈마 용사 건(gun)으로 공급하는 제3 이송관; 및 상기 제3 이송관에 구비되어 제2 서스펜션의 플라즈마 용사 건으로의 공급량을 제어하는 제3 개폐밸브를 포함하는 서스펜션 플라즈마 용사 장치용 서스펜션 공급기를 제안한다.
또한, 상기 제1 서스펜션 저장탱크 및 제2 서스펜션 저장탱크 중 적어도 하나의 저장탱크는 교반기를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 서스펜션 플라즈마 용사 장치용 서스펜션 공급기를 제안한다.
또한, 상기 제2 이송관의 제1 서스펜션 저장탱크 측 말단에는 디퓨저(diffuser)가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 서스펜션 플라즈마 용사 장치용 서스펜션 공급기를 제안한다.
또한, 상기 제1 서스펜션 및 제2 서스펜션에는 경사 기능성 열차폐 코팅(thermal barrier coating)을 형성을 위한 성분이 분산된 것을 특징으로 하는 서스펜션 플라즈마 용사 장치용 서스펜션 공급기를 제안한다.
또한, 상기 제1 서스펜션은 분산상으로서 NiCrAlY를 포함하고, 제2 서스펜션은 분산상으로서 YSZ(yttria-stabilized zirconia)을 포함하는 것을 특징으로 하는 서스펜션 플라즈마 용사 장치용 서스펜션 공급기를 제안한다.
또한, 상기 제1 서스펜션 및 제2 서스펜션에는 경사 기능성 탑 코트(top coat)의 형성을 위한 성분이 분산된 것을 특징으로 하는 서스펜션 플라즈마 용사 장치용 서스펜션 공급기를 제안한다.
또한, 상기 제1 서스펜션은 분산상으로서 YSZ(yttria-stabilized zirconia)를 포함하고, 제2 서스펜션은 분산상으로서 (i) Y2O3, Gd2O3 및 La2O3으로부터 선택되는 1종 이상 및 (ii) ZrO2 및 CeO2로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 서스펜션 플라즈마 용사 장치용 서스펜션 공급기를 제안한다.
본 발명에 따른 서스펜션 플라즈마 용사 장치용 서스펜션 공급기는 피드 스탁을 액상(서스펜션)으로 공급함으로써 종래 분말 상태의 피드 스탁을 이용한 경우에 비해 이종 성분 간의 균일한 혼합이 가능하고, 액상의 특성상 미세한 부피 조절이 가능하기 때문에, 이를 이용해 서스펜션 플라즈마 용사 코팅을 수행할 경우 코팅층의 수평 방향으로의 조성 균일성을 달성할 수 있을 뿐만 아니라 코팅층의 두께 방향으로의 조성 변화이 연속성을 달성할 수 있어 우수한 품질의 경사 기능성 코팅층의 제조를 가능케 한다.
도 1은 본 발명에 따른 서스펜션 플라즈마 용사 장치용 서스펜션 공급기의 일실시예를 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 서스펜션 플라즈마 용사 장치용 서스펜션 공급기의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다.
또한, 이하의 본 발명의 실시예에 대한 설명에 있어서, 종래기술의 내용과 동일 또는 유사하거나 당업자의 수준에서 용이하게 이해하고 실시할 수 있다고 판단되는 부분에 대하여는, 설명을 간략히 하기 위해 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 서스펜션 플라즈마 용사 장치용 서스펜션 공급기의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면으로서, 이하에서는 도 1을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 서스펜션 플라즈마 용사 장치용 서스펜션 공급기(1)는, 기본적으로 코팅층을 이루는 소재의 원료가 되는 성분이 분산되어 있는 서스펜션을 저장하는 복수의 저장탱크; 상기 저장탱크 상호 간을 연결하면서 서스펜션의 이동을 가능케 하거나 플라즈마 용사 건(gun)으로 서스펜션을 공급하는 역할을 하는 이송관; 및 상기 이송관에 구비되어 서스펜션의 흐름을 개폐하는 개폐밸브를 포함한다.
보다 상세하게는, 본 발명의 일실시예에 따른 서스펜션 플라즈마 용사 장치용 서스펜션 공급기(1)는 제1 서스펜션이 저장되는 제1 서스펜션 저장탱크(11); 제2 서스펜션이 저장되는 제2 서스펜션 저장탱크(12); 상기 제1 서스펜션 저장탱크로부터 제1 서스펜션을 플라즈마 용사 건(gun)으로 공급하는 제1 이송관(21); 상기 제1 이송관에 구비되어 제1 서스펜션의 플라즈마 용사 건으로의 공급량을 제어하는 제1 개폐밸브(22); 상기 제1 서스펜션 저장탱크와 제2 서스펜션 저장탱크 사이를 연결하고, 상기 제2 서스펜션을 제1 서스펜션 저장탱크로 이송시키는 제2 이송관(31); 상기 제2 이송관에 구비되어 제2 서스펜션의 제1 서스펜션 저장탱크로의 유량을 제어하는 제2 개폐밸브(32); 상기 제2 서스펜션 저장탱크로부터 제2 서스펜션을 플라즈마 용사 건(gun)으로 공급하는 제3 이송관(41); 및 상기 제3 이송관에 구비되어 제2 서스펜션의 플라즈마 용사 건으로의 공급량을 제어하는 제3 개폐밸브(42)를 포함할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 서스펜션 플라즈마 용사 장치용 서스펜션 공급기(1)를 사용해 서스펜션 플라즈마 용사 코팅을 실시할 경우, 코팅층을 이루는 각 구성 성분의 함량 분율이 그 최하층부로부터 최상층부에 이르기까지 연속적으로 변화하는 경사 기능성 코팅층을 얻을 수 있다.
즉, 상기 경사 기능성 코팅층은, 제1 서스펜션에 분산된 성분으로부터 유래하는 물질로만 이루어진 최하층부; 제2 서스펜션에 분산된 성분으로부터 유래하는 물질로만 이루어진 최상층부; 및 제1 서스펜션에 분산된 성분으로부터 유래하는 물질과 제2 서스펜션에 분산된 성분으로부터 유래하는 물질을 모두 포함하되 상기 최하층부로부터 상기 최상층부로 향함에 따라 제1 서스펜션에 분산된 성분으로부터 유래하는 물질의 함량 분율이 연속적으로 감소하는 경향을 나타내는 중간층부를 포함하게 된다.
예를 들어, 본드 코트(bond coat) 및 탑 코트(top coat)로 이루어진 열차폐 코팅(thermal barrier coating)을 경사 기능성 코팅층으로 형성할 경우에는 아래와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 서스펜션 플라즈마 용사 장치용 서스펜션 공급기가 구동될 수 있다.
우선, 서스펜션 플라즈마 용사를 실시하기에 앞서 미리 제1 서스펜션 저장탱크(11)에는 NiCrAlY 등과 같은 공지의 본드 코트 형성용 성분이 분산된 제1 서스펜션이 투입되고, 제2 서스펜션 저장탱크(12)에는 YSZ(yttria-stabilized zirconia) 등과 같은 공지의 탑 코트 형성용 성분이 분산된 제2 서스펜션이 투입되고 제1 내지 제3 개폐밸브가 모두 폐쇄된 상태가 준비된다.
서스펜션 플라즈마 용사 코팅의 시작과 함께, 제1 개페밸브(22)가 열리면서 제1 서스펜션이 제1 이송관(21)을 통해 플라즈마 용사 건(gun)(미도시)으로 공급되어 NiCrAlY 등과 같은 본드 코트 형성용 성분만으로 이루어진 코팅층의 최하층부가 형성되며, 이어서 제2 개폐밸브(32)가 열리면서 제2 서스펜션이 제2 이송관(31)을 통해 제1 서스펜션 저장탱크(11)에 유입되어 제1 서스펜션과 제2 서스펜션의 혼합이 일어나고 이와 같이 혼합된 서스펜션이 제1 이송관(21)을 통해 플라즈마 용사 건(gun)으로 공급되어 중간층부의 형성이 시작되며, 소정의 시간 경과 후 중간층 형성이 완료되면 제1 및 제2 개폐밸브가 닫히면서 제3 개페밸브(42)가 열려 제2 서스펜션 저장탱크(12)에서 제2 서스펜션이 제3 이송관(41)을 통해 플라즈마 용사 건(gun)으로 공급되어 YSZ 등과 같은 탑 코트 형성용 성분만으로 이루어진 코팅층의 최상층부가 형성됨으로써 최종적으로 경사 기능성 열차페 코팅이 얻어진다.
참고로, 상기 중간층부의 형성시 제2 서스펜션이 제1 서스펜션 저장탱크(11)으로 유입되는 유량은, 밸브의 개폐 정도를 제어하여 조절하거나 제2 서스펜션 저장탱크(12)에 저장된 제2 서스펜션을 가압 또는 감압하여 유속을 제어함으로써 조절할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 서스펜션 플라즈마 용사 장치용 서스펜션 공급기를 이용한 경사 기능성 코팅층 형성의 또 다른 예로서, 열차폐 코팅(thermal barrier coating)의 탑 코트(top coat)를 경사 기능성 코팅층으로 형성할 경우에는 제1 서스펜션으로는 YSZ(yttria-stabilized zirconia) 등과 같이 금속모재와의 열팽창 계수의 차이가 크지 않은 성분이 분산된 서스펜션을 사용하고, 제2 서스펜션으로는 저열전도성을 가지는 희토류 산화물 지르코네이트 형성을 위한 성분, 예를 들면, (i) Y2O3, Gd2O3 및 La2O3으로부터 선택되는 1종 이상 및 (ii) ZrO2 및 CeO2로부터 선택되는 1종 이상 함께 분산시킨 서스펜션을 사용해 전술한 바와 같이 경사 기능성 탑 코트를 형성할 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 서스펜션 플라즈마 용사 장치용 서스펜션 공급기(1)는 필요에 따라 상기 제1 서스펜션 저장탱크(11) 및/또는 제2 서스펜션 저장탱크(12) 내부에 교반기(미도시)를 구비할 수 있으며, 이와 같이 저장탱크에 교반기가 구비되면 코팅층 형성 과정 내내 서스펜션 내에서 분산상이 균일하게 분산된 상태를 유지할 수 있고, 특히, 제1 서스펜션 저장탱크(11)에서는 제2 서스펜션이 유입될 경우에 제1 서스펜션과 제2 서스펜션이 신속히 균질하게 혼합될 수 있도록 하고, 결과적으로 경사 기능성 코팅층의 품질 향상에 기여할 수 있다.
또한, 필요에 따라 상기 제2 이송관(31)의 제1 서스펜션 저장탱크(11) 측 말단에는 디퓨저(diffuser)(미도시)가 구비될 수 있으며, 이와 같이 디퓨저를 구비함으로써 제2 서스펜션이 제1 서스펜션 저장탱크(11)로 유입될 때 제1 서스펜션 내로 신속하게 확산되어 서스펜션 간의 균일한 혼합을 촉진시킬 수 있다.
나아가, 본 발명에 따른 서스펜션 플라즈마 용사 장치용 서스펜션 공급기는 경사 기능성 코팅층에서 코팅층의 두께 방향을 따라 그 조성 분율이 연속적으로 변화하는 성분을 추가하기 위해, 제3 내지 제n 서스펜션 저장탱크를 추가적으로 구비할 수 있다(단, 여기서 n은 3 이상의 정수).
이때, 제n 서스펜션 저장탱크는 제1 내지 제(n-1) 저장탱크 각각과 연결되며 개폐밸브가 설치된 이송관을 구비하는 것이 바람직하며, 이 외에도 플라즈마 용사 건으로 직접 제n 서스펜션을 공급하기 위한 이송관도 구비하는 것이 바람직하다.
1: 서스펜션 플라즈마 용사 장치용 서스펜션 공급기
11: 제1 서스펜션 저장탱크
12: 제2 서스펜션 저장탱크
21: 제1 이송관
22: 제1 개폐밸브
31: 제2 이송관
32: 제2 개폐밸브
41: 제3 이송관
42: 제3 개폐밸브

Claims (7)

  1. 제1 서스펜션이 저장되는 제1 서스펜션 저장탱크;
    제2 서스펜션이 저장되는 제2 서스펜션 저장탱크;
    상기 제1 서스펜션 저장탱크로부터 제1 서스펜션을 플라즈마 용사 건(gun)으로 공급하는 제1 이송관;
    상기 제1 이송관에 구비되어 제1 서스펜션의 플라즈마 용사 건으로의 공급량을 제어하는 제1 개폐밸브;
    상기 제1 서스펜션 저장탱크와 제2 서스펜션 저장탱크 사이를 연결하고, 상기 제2 서스펜션을 제1 서스펜션 저장탱크로 이송시키는 제2 이송관;
    상기 제2 이송관에 구비되어 제2 서스펜션의 제1 서스펜션 저장탱크로의 유량을 제어하는 제2 개폐밸브;
    상기 제2 서스펜션 저장탱크로부터 제2 서스펜션을 플라즈마 용사 건(gun)으로 공급하는 제3 이송관; 및
    상기 제3 이송관에 구비되어 제2 서스펜션의 플라즈마 용사 건으로의 공급량을 제어하는 제3 개폐밸브를 포함하는 서스펜션 플라즈마 용사 장치용 서스펜션 공급기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 서스펜션 저장탱크 및 제2 서스펜션 저장탱크 중 적어도 하나의 저장탱크는 교반기를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 서스펜션 플라즈마 용사 장치용 서스펜션 공급기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제2 이송관의 제1 서스펜션 저장탱크 측 말단에는 디퓨저(diffuser)가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 서스펜션 플라즈마 용사 장치용 서스펜션 공급기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 서스펜션 및 제2 서스펜션에는 경사 기능성 열차폐 코팅(thermal barrier coating)을 형성을 위한 성분이 분산된 것을 특징으로 하는 서스펜션 플라즈마 용사 장치용 서스펜션 공급기.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1 서스펜션은 분산상으로서 NiCrAlY를 포함하고, 제2 서스펜션은 분산상으로서 YSZ(yttria-stabilized zirconia)을 포함하는 것을 특징으로 하는 서스펜션 플라즈마 용사 장치용 서스펜션 공급기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 서스펜션 및 제2 서스펜션에는 경사 기능성 탑 코트(top coat)의 형성을 위한 성분이 분산된 것을 특징으로 하는 서스펜션 플라즈마 용사 장치용 서스펜션 공급기.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제1 서스펜션은 분산상으로서 YSZ(yttria-stabilized zirconia)를 포함하고, 제2 서스펜션은 분산상으로서 (i) Y2O3, Gd2O3 및 La2O3으로부터 선택되는 1종 이상 및 (ii) ZrO2 및 CeO2로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 서스펜션 플라즈마 용사 장치용 서스펜션 공급기.
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