KR102533068B1 - 고온 내산화 코팅용 Cr-Al 타겟제조방법 - Google Patents
고온 내산화 코팅용 Cr-Al 타겟제조방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR102533068B1 KR102533068B1 KR1020230007711A KR20230007711A KR102533068B1 KR 102533068 B1 KR102533068 B1 KR 102533068B1 KR 1020230007711 A KR1020230007711 A KR 1020230007711A KR 20230007711 A KR20230007711 A KR 20230007711A KR 102533068 B1 KR102533068 B1 KR 102533068B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- powder
- target
- sintering
- aluminum
- chromium
- Prior art date
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 30
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 title claims abstract description 21
- 238000000576 coating method Methods 0.000 title claims abstract description 21
- 230000003064 anti-oxidating effect Effects 0.000 title abstract 3
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 49
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 28
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 27
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims abstract description 27
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims abstract description 25
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 15
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 8
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims description 40
- 238000000465 moulding Methods 0.000 claims description 20
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 17
- 239000011651 chromium Substances 0.000 claims description 10
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 6
- 239000011812 mixed powder Substances 0.000 claims description 5
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 2
- 238000003825 pressing Methods 0.000 claims description 2
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 claims 1
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 26
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 9
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 abstract description 9
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 abstract description 9
- 238000002490 spark plasma sintering Methods 0.000 abstract description 9
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 6
- QDOXWKRWXJOMAK-UHFFFAOYSA-N dichromium trioxide Chemical compound O=[Cr]O[Cr]=O QDOXWKRWXJOMAK-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 5
- 238000004880 explosion Methods 0.000 abstract description 3
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 2
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 2
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 abstract description 2
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 abstract description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 abstract description 2
- 229910001845 yogo sapphire Inorganic materials 0.000 abstract description 2
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 17
- QRRWWGNBSQSBAM-UHFFFAOYSA-N alumane;chromium Chemical compound [AlH3].[Cr] QRRWWGNBSQSBAM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 13
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 12
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 11
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 9
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 8
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 7
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 7
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 7
- 238000005253 cladding Methods 0.000 description 6
- 229910001093 Zr alloy Inorganic materials 0.000 description 5
- 229910000765 intermetallic Inorganic materials 0.000 description 5
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N iron Substances [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000003758 nuclear fuel Substances 0.000 description 5
- 229910002056 binary alloy Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 238000001887 electron backscatter diffraction Methods 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 238000000462 isostatic pressing Methods 0.000 description 3
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 3
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 3
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- YZCKVEUIGOORGS-NJFSPNSNSA-N Tritium Chemical compound [3H] YZCKVEUIGOORGS-NJFSPNSNSA-N 0.000 description 2
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 2
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 229910052722 tritium Inorganic materials 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241001062472 Stokellia anisodon Species 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- WGLPBDUCMAPZCE-UHFFFAOYSA-N Trioxochromium Chemical compound O=[Cr](=O)=O WGLPBDUCMAPZCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 1
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 229910000423 chromium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 description 1
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 description 1
- 239000011162 core material Substances 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 230000008034 disappearance Effects 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 238000000445 field-emission scanning electron microscopy Methods 0.000 description 1
- 238000009689 gas atomisation Methods 0.000 description 1
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 description 1
- VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N hafnium atom Chemical compound [Hf] VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008520 organization Effects 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 238000001953 recrystallisation Methods 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- VSZWPYCFIRKVQL-UHFFFAOYSA-N selanylidenegallium;selenium Chemical compound [Se].[Se]=[Ga].[Se]=[Ga] VSZWPYCFIRKVQL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 1
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 description 1
- VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N yttrium atom Chemical compound [Y] VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
- C23C14/34—Sputtering
- C23C14/3407—Cathode assembly for sputtering apparatus, e.g. Target
- C23C14/3414—Metallurgical or chemical aspects of target preparation, e.g. casting, powder metallurgy
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
- B22F3/02—Compacting only
- B22F3/04—Compacting only by applying fluid pressure, e.g. by cold isostatic pressing [CIP]
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
- B22F3/10—Sintering only
- B22F3/105—Sintering only by using electric current other than for infrared radiant energy, laser radiation or plasma ; by ultrasonic bonding
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
- B22F3/10—Sintering only
- B22F3/105—Sintering only by using electric current other than for infrared radiant energy, laser radiation or plasma ; by ultrasonic bonding
- B22F2003/1051—Sintering only by using electric current other than for infrared radiant energy, laser radiation or plasma ; by ultrasonic bonding by electric discharge
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F9/00—Making metallic powder or suspensions thereof
- B22F9/02—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes
- B22F9/04—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from solid material, e.g. by crushing, grinding or milling
- B22F2009/045—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from solid material, e.g. by crushing, grinding or milling by other means than ball or jet milling
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- Powder Metallurgy (AREA)
Abstract
본 발명의 고온 내산화 코팅용 Cr-Al 타겟제조방법은 60 내지 80 중량%의 크롬분말과 20 내지 40 중량%의 알루미늄 분말을 혼합하여 방전 플라즈마 소결하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 고온 내산화 코팅용 Cr-Al 타겟은, 용해 및 용체화처리를 하지 않고 방전 플라즈마 소결에 의해 제조되므로 용해 및 용체화처리를 하는 것에 비해 제조가 용이하고, 피복관의 고온산화를 저감하고, 수소 발생을 억제하여 수소폭발의 가능성을 획기적으로 낮출 수 있어 수소용 플랜트 자재로 사용할 수 있는 효과가 있다.
또한, PVD 공정시 크롬 산화물인 Cr2O3과 알루미늄 산화물인 Al2O3의 상분률 제어가 용이하며, 고온산화 특성이 향상되는 효과가 있다.
본 발명의 고온 내산화 코팅용 Cr-Al 타겟은, 용해 및 용체화처리를 하지 않고 방전 플라즈마 소결에 의해 제조되므로 용해 및 용체화처리를 하는 것에 비해 제조가 용이하고, 피복관의 고온산화를 저감하고, 수소 발생을 억제하여 수소폭발의 가능성을 획기적으로 낮출 수 있어 수소용 플랜트 자재로 사용할 수 있는 효과가 있다.
또한, PVD 공정시 크롬 산화물인 Cr2O3과 알루미늄 산화물인 Al2O3의 상분률 제어가 용이하며, 고온산화 특성이 향상되는 효과가 있다.
Description
본 발명은 고온 내산화 코팅용 Cr-Al 타겟제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 크롬분말과 알루미늄 분말을 포함하는 혼합분말을 방전 플라즈마 소결하여 고온 내산화 및 수소취성을 억제되도록 하는 고온 내산화 코팅용 Cr-Al 타겟 제조방법에 관한 것이다.
일본의 후쿠시마 사고에서 핵연료 집합체의 핵심 부품으로 사용되는 지르코늄 합금 소재는 냉각수가 상실되고 핵연료의 온도가 상승된 고온산화 분위기에서 매우 높은 부식반응속도에 의해 다량의 수소를 발생시켜 수소폭발의 원인으로 작용하였다.
이와 같은 사실로부터, 현재의 지르코늄 합금 소재를 원자력발전소의 핵심 소재로 사용하는 것은 정상상태에서는 큰 문제점이 없지만 사고 상황에서는 안전성을 보장하지 못하는 것으로 확인되었다.
고온의 사고환경에서 지르코늄 합금의 단점을 극복하고, 핵연료집합체의 안전성을 크게 높일 수 방법 중의 하나는, 내산화성이 우수한 물질로 대체하거나 지르코늄 합금 표면에 내산화성 물질을 코팅하여 산화저항성을 증가시키는 것이다.
즉, 산화가 거의 발생되지 않는 소재를 적용하거나 지르코늄 합금 표면에 사고 상황의 고온 환경에서도 안정한 내산화성 코팅물질이 존재하면 산화반응을 크게 억제하여 산화반응에 의한 수소발생량을 감소시켜 수소폭발의 위험을 차단할 수 있다.
이와 같은 문제를 해결하고자 전 세계적으로 연구소 및 학계에서는 신소재 물질로 SiC/SiCf 소재, FeCrAl 합금, Zr-Mo-코팅 피복관 및 Zr-코팅 피복관 등을 개발하여 후쿠시마 사고와 같은 환경에서 원자력발전소의 안전성을 향상시키려는 연구가 진행되고 있다.
그러나, 이들 소재기술은 정상 상태에서 유리하면 사고 환경에서 불리하거나 그 역인 경우가 발생되고 있다. 실예로 SiC/SiCf 소재는 고온 강도와 내산화성은 우수하지만 정상상태 분위기에서 소재가 매우 빠른 속도로 녹는 문제점을 내포하는 것으로 평가되고 있고, 제조비용이 매우 높은 단점을 가지고 있다.
FeCrAl 합금은 정상 및 사고 환경에서 내식성이 매우 우수하지만, 소재 특성상 중성자 흡수 단면적이 높고 핵연료에서 발생되는 삼중수소(Tritium)의 포집성이 낮아, 정상 운전에 이용할 경우 경제성이 크게 감소되는 단점을 가지고 있다.
Zr-Mo-코팅 피복관 개념은 고온 강도는 우수하지만 3중층으로 제조하기 위한 비용이 크게 증가되고, 아직 기술적으로 해결해야할 문제가 많이 남아 있다.
Zr-코팅 피복관은 다른 기술에 비하여 상대적으로 저렴한 비용에 개발주기를 앞당길 수 있는 장점이 있지만, 코팅층의 박리 문제와 고온에서 코팅물질과 Zr 모재와의 반응으로 인하여 코팅효과가 저감되는 문제점을 가지고 있다.
즉, 내산화성이 우수한 FeCrAl 합금을 Zr 피복관에 코팅하는 경우 950 ℃ 이상의 온도에서 Zr과 Fe의 상호확산에 의해 코팅물질의 조성이 바뀌고, Zr 피복관 모재가 Zr-Fe계의 금속간 화합물을 형성하여 취약해지는 문제점이 있다.
Zr에 순수 Cr을 코팅하면 Zr과의 상호확산은 1400 ℃이상에서 진행되어 미세조직 변화에 의한 문제를 저감시킬 수 있지만, Cr 층의 연성이 낮아 충격에 약하고 FeCrAl 합금 대비 고온산화 저항성이 감소되는 단점을 가지고 있다.
한편, 고내식성 합금과 관련된 종래의 기술로써, 대한민국 등록특허 제10-0584113호에서는 FeCrAl 재료 및 그 제조 방법에 대해 개시하고 있다. 구체적으로는, 가스 분무(噴霧)에 의하여 FeCrAl 재료를 제조하는 방법으로, 상기 FeCrAl 재료는 철(Fe), 크롬(Cr) 및 알루미늄(Al)에 추가로, 몰리브덴(Mo), 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr), 이트륨(Y), 질소(N), 탄소(C) 및 산소(O) 중의 1종 이상을 함유하며, 분무 대상 용융체(smelt)는 0.05∼0.50 중량%의 탄탈(Ta)을 함유하는 동시에 600 중량% 미만의 티탄(Ti)을 함유하여, 분무 후에 얻은 분말의 조성이 Fe:잔부(殘部), Cr: 15∼25, Al: 3∼7, Mo: < 5, Y: 0.05∼0.60, Zr: 0.01∼0.30, Hf: 0.05∼0.50, Ta: 0.05∼0.50, Ti: < 600, C: 0.01∼0.05, N: 0.01∼0.06, O: 0.02∼600, Si: 600∼0.70, Mn: 0.05∼0.50, P: < 0.8, S: < 0.005〔중량% 단위〕으로 되도록 상기 용융체의 조성이 결정되는 것을 특징으로 하는 FeCrAl 재료의 제조 방법을 제공한다.
그러나, FeCrAl 소재 특성상 중성자 흡수 단면적이 높고 핵연료에서 발생되는 삼중수소(Tritium)의 포집성이 낮아, 정상 운전에 이용할 경우 경제성이 크게 감소되는 단점이 있고, 이를 Zr 피복관에 코팅하는 경우 Zr 피복관 모재가 Zr-Fe계의 금속간 화합물을 형성하여 취약해지는 문제점이 있다.
이와 같이, 지금까지 보고된 소재나 코팅기술의 조합으로는 원자력발전의 정상상태와 사고환경에서 안전성과 경제성을 모두 구현하는 데는 어려움을 가지고 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 한국등록특허 제10-1691916호(발명의 명칭: 내식성이 우수한 크롬-알루미늄 이원계 합금 및 이의 제조방법)가 개시된 바 있다.
상기 크롬-알루미늄 이원계 합금의 제조방법은 합금 총 중량에 대하여, 10 중량% 초과 내지 18 중량% 이하의 알루미늄(Al), 크롬(Cr) 잔부 및 불가피한 불순물을 포함하는 원료물질을 혼합 및 1400 내지 1800 ℃에서 용해하는 단계(단계 1); 및 상기 단계 1에서 용해된 합금을 950 내지 1400℃에서 용체화처리하는 단계(단계 2);를 포함한다.
상기 크롬-알루미늄 이원계 합금의 제조방법은, 연성을 가지고 있어 고온 내식성 및 내마모성이 요구되는 재료의 코팅물질로서의 적용성이 높다. 또한, 원자력 발전의 정상상태 가동뿐만 아니라 사고 상황에서도 우수한 내식성을 가지므로, 원자력 발전의 경제성과 사고안전성을 크게 증대시킬 수 있는 효과가 있다.
하지만, 용해 및 용체화처리를 하여야 하므로, 용융체 조성이 결정화되는데 까지 제어하는데 용이하지 않아 제조하는데 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 제조가 용이할 뿐만 아니라 고온 내식성이 우수한 고온 내산화 코팅용 Cr-Al 타겟제조방법을 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고온 내산화 코팅용 Cr-Al 타겟제조방법은, 60 내지 80 중량%의 크롬분말과 20 내지 40 중량%의 알루미늄 분말을 혼합하는 분말 혼합 단계; 혼합된 분말을 가압하여 성형하는 가압 성형단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 가압 성형단계는, 방전 플라즈마 소결하여 Cr-Al 타겟을 형성하며, 상기 방전 플라즈마 소결시, 소결조건은 950 내지 1400℃이며, 분말을 압축하는 압력은 35kN(50MPa)이며, 소결시간은 7 내지 15분인 것을 특징으로 한다.
아울러, 분말의 혼합은 메탄올 매질(媒質)내에서 디스크 밀을 이용하여 200 내지 250rpm의 속도로 15 내지 25시간 디스크 밀 분산처리되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 방전 플라즈마 소결시, 분말성형밀도 95 내지 98%이고, 상기 분말 혼합 단계시, 크롬 분말의 크기는 직경 60㎛ 이하이며, 알루미늄 분말의 크기는 직경 20 내지 200㎛인 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 방전 플라즈마 소결 단계 후 형성된 Cr-Al 타겟을 800 내지 1100℃로 15 내지 30분간 열처리하는 열처리 단계; 열처리된 Cr-Al 타겟을 냉각시키는 냉각 단계;를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 가압 성형단계는 혼합된 분말을 등압으로 성형될 수 있다.
본 발명에 따른 고온 내산화 코팅용 Cr-Al 타겟은, 용해 및 용체화처리를 하지 않고 방전 플라즈마 소결에 의해 제조되므로 제조가 용이하고, 내산화 및 수소취성을 억제할 수 있어 수소용 플랜트 자재로 사용할 수 있는 효과가 있다.
또한, PVD 공정시 크롬 산화물인 Cr2O3과 알루미늄 산화물인 Al2O3의 상분률 제어가 용이하며, 고온산화 특성이 향상되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 고온 내산화 코팅용 Cr-Al 타겟제조방법을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 의한 크롬 알루미늄 타겟을 제조하기 위한 분말소결장치와 등압성형장치를 나타낸 모식도이다.
도 3은 성형성 확보를 위한 분말 유동도 특성을 측정하기 위한 측정장치이다.
도 4는 기존공정에 따른 크롬 알루미늄 합금의 조직사진과 본 발명에 의해 제조된 크롬 알루미늄 타겟의 조직사진이다.
도 5는 모재에 본 발명에 의해 제조된 크롬 알루미늄 타겟을 코팅한 것으로, 각 부위에 따른 조직을 분석한 것을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 의해 제조된 크롬 알루미늄 타겟의 각 부위에 따른 조직성분을 나타낸 사진이다.
도 7은 평균입도 20um 이하 Cr-Al합금분말의 XRD분석결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 평균입도 20um 이하의 분말을 이용하여 제작된 Cr-Al합금 SPS 시제품 및 미세조직을 나타낸 사진이다.
도 9는 기존공정에 따른 크롬 알루미늄 합금의 조직사진과 본 발명에 의해 제조된 크롬 알루미늄 타겟의 조직사진이다.
도 10은 평균입도 20um 이하의 분말을 이용하여 제작된 Cr-Al합금의 EBSD분석결과를 나타낸 도면이다.
도 11은 Cr-Al합금 분말 평균입도별 상온등압성형(CIP) 검토한 결과를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 의한 크롬 알루미늄 타겟을 제조하기 위한 분말소결장치와 등압성형장치를 나타낸 모식도이다.
도 3은 성형성 확보를 위한 분말 유동도 특성을 측정하기 위한 측정장치이다.
도 4는 기존공정에 따른 크롬 알루미늄 합금의 조직사진과 본 발명에 의해 제조된 크롬 알루미늄 타겟의 조직사진이다.
도 5는 모재에 본 발명에 의해 제조된 크롬 알루미늄 타겟을 코팅한 것으로, 각 부위에 따른 조직을 분석한 것을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 의해 제조된 크롬 알루미늄 타겟의 각 부위에 따른 조직성분을 나타낸 사진이다.
도 7은 평균입도 20um 이하 Cr-Al합금분말의 XRD분석결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 평균입도 20um 이하의 분말을 이용하여 제작된 Cr-Al합금 SPS 시제품 및 미세조직을 나타낸 사진이다.
도 9는 기존공정에 따른 크롬 알루미늄 합금의 조직사진과 본 발명에 의해 제조된 크롬 알루미늄 타겟의 조직사진이다.
도 10은 평균입도 20um 이하의 분말을 이용하여 제작된 Cr-Al합금의 EBSD분석결과를 나타낸 도면이다.
도 11은 Cr-Al합금 분말 평균입도별 상온등압성형(CIP) 검토한 결과를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 고온 내산화 코팅용 Cr-Al 타겟제조방법을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 고온 내산화 코팅용 Cr-Al 타겟제조방법을 나타낸 도면이다.
본 발명의 고온 내산화 코팅용 Cr-Al 타겟제조방법은, 60 내지 80 중량%의 크롬분말과 20 내지 40 중량%의 알루미늄 분말을 혼합하는 분말 혼합 단계; 혼합된 분말을 가압하여 성형하는 가압 성형단계;를 포함하여 이루어진다.
상기 가압 성형단계는, 방전 플라즈마 소결하여 Cr-Al 타겟을 형성하는 방전 플라즈마 소결할 수 있으며, 등압성형할 수 있다.
방전 플라즈마 소결시 소결조건은 950 내지 1400℃이며, 분말을 압축하는 압력은 35kN(50MPa)이며, 소결시간은 7 내지 15분인 것을 특징으로 한다.
소결온도가 950 ℃ 미만으로 너무 낮게 되면, 알루미늄 분말과 크롬 분말이 분산이 이루어지지 않게 되어 기계적 특성이 저하되게 되는 단점이 있다.
소결온도가 1400℃를 초과하여 너무 높게 되면, 알루미늄 분말과 크롬 분말이 용체화되게 되어 조직이 거대화되게 됨으로써 조직이 치밀하지 못하게 되어 오히려 기계적 특성이 저하되게 되는 단점이 있다.
소결시간이 7분 미만으로 너무 짧게 되면, 알루미늄 분말과 크롬 분말이 이원화상태가 되게 되어 조직의 불균형을 초래하게 되며, 소결시간이 15분을 초과하여 너무 길게 되면, 알루미늄 분말과 크롬 분말이 일원화상태가 되는 장점은 있으나, 재결정을 이루게 되어 기계적 특성이 오히려 저하되게 되는 단점이 있다.
또한, 상기 방전 플라즈마 소결시, 분말성형밀도 95 내지 98%이고, 상기 분말 혼합 단계시, 크롬 분말의 크기는 직경 60㎛이하이며, 알루미늄 분말의 크기는 직경 20 내지 200㎛인 것을 특징으로 한다.
크롬 분말의 크기가 직경 60㎛를 초과하게 되면, 알루미늄 분말에 크롬분말이 분산되기가 어렵게 되어 일원화상태가 되기가 어려운 단점이 있다.
알루미늄 분말의 크기가 직경 20㎛ 미만으로 되면, 알루미늄 분말에 크롬분말이 분산되기는 용이하나 소결이 용이하지 않은 문제점이 있다.
알루미늄 분말의 크기가 직경 200㎛를 초과하게 되면, 알루미늄 분말에 크롬분말이 분산되기가 어렵게 되어 일원화상태가 되기가 어려운 단점이 있다.
또한, 분말의 혼합은 메탄올 매질(媒質)내에서 디스크 밀을 이용하여 200 내지 250rpm의 속도로 5 ~ 15시간 디스크 밀 분산처리되는 것을 특징으로 한다.
분말의 혼합이 200 rpm 미만으로 혼합속도가 너무 낮거나, 혼합시간이 5시간 미만으로 너무 짧게 되면, 알루미늄 분말에 크롬분말이 분산되기가 어렵게 되어 일원화상태가 되기가 어려운 단점이 있다.
분말의 혼합이 250 rpm을 초과하여 혼합속도가 너무 높거나, 혼합시간이 15시간을 초과하여 너무 길게 되면, 알루미늄 분말에 크롬분말이 분산되기는 용이하나, 소결시 오히려 알루미늄 분말에 크롬분말이 이원화된 상태를 유지하게 되어 일원화되기가 어렵게 되는 단점이 있다.
아울러, 상기 방전 플라즈마 소결 단계 후 형성된 Cr-Al 타겟을 800 내지 1100℃로 15 내지 30분간 열처리하는 열처리 단계; 열처리된 Cr-Al 타겟을 냉각시키는 냉각 단계;를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 방전 플라즈마 소결 단계 후 형성된 Cr-Al 타겟을 800℃ 미만으로 열처리하고, 열처리시간을 짧게 하면, 알루미늄 분말과 크롬분말이 일원화된 상태에서 이원화된 상태로 되돌아가게 되는 단점이 있다. 상기 방전 플라즈마 소결 단계 후 형성된 Cr-Al 타겟을 1100℃를 초과하여 열처리하고 열처리시간을 길게 하면, 알루미늄 분말과 크롬분말이 일원화된 상태에서 조직이 거대화되게 되어 기계적 물성이 나빠지게 되는 문제점이 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
분말제조
Cr-Al 이원계 잉곳제조를 위하여 VPM(Vaccum Plasma Melter) 전용 몰드를 제조하고, Cr-Al합금을 1,400℃에서 제조하여, 1차 분쇄하였고, 디스크 밀을 사용하여 2차 분쇄하였으며, 20~200um 크기의 체로 걸러 분말을 제조하였다.
도 2는 본 발명에 의한 Cr-Al 타겟제조를 위해 사용되는 분말 제조 공정을 나타낸 도면이다.
분말 유동도 특성
체로 걸러진 분말 2종(150㎛ 이하와, 20㎛ 이하)은 도 3과 같으며, 이를 이용하여 분말 유동도 특성을 측정하였다.
도 4는 성형성 확보를 위한 분말 유동도 특성을 측정하기 위한 측정장치이고, 측정결과는 [표 1]과 같다.
측정결과 분말의 크기가 직경 20㎛의 경우에는 측정이 불가하였고, 150㎛ 이하 분말의 분말유동도는 평균 34.9 sec/50g으로 2축 프레스 성형이 가능한 조건으로 확인되었다.
[표 1] 분말 유동도 측정결과
도 5는 본 발명에 의한 크롬 알루미늄 타겟을 제조하기 위한 분말소결장치와 등압성형장치를 나타낸 모식도이다.
본 발명에 의한 크롬 알루미늄 타겟은 도 2에 도시된 분말소결장치 또는 등압성형장치에 의해 제조될 수 있다.
Cr-Al 합금분말의 분말소결특성 평가
평균입도 20um 이하 분말을 활용하여 스파크플라즈마소결(SPS소결)을 수행하였으며, 이때 소결온도는 1,080℃, 1,250℃ 조건에서 소결체를 제작하였으며, 미세조직 및 상분석을 통해 금속간화합물 억제와 제어를 위한 분말조건 및 성형, 소결조건을 일부 확립하였다.
소결체의 미세조직사진은 도 6과 같다.
도 7은 평균입도 20um 이하 Cr-Al합금분말의 XRD분석결과를 나타낸 그래프이다.
도시된 바와 같이, SPS소결 온도 1,080℃, 1,250℃ 조건별 미세조직 관찰결과, 1,250℃조건의 입계내 금속간화합물은 확연히 사라진 경향을 보였다. 이와 같이 입계내 금속간화합물이 사라지게 되면 우수한 기계적 특성을 보일 것으로 사료된다.
또한, 상분석 결과, Al3Cr7, AlCr3, Al4.5Cr7 등 혼재된 상을 관찰할 수 있다.
특히, Al3Cr7의 경우에는 고온특성을 가지고 있어, 고온 내산화 특성의 향상을 기대할 것으로 사료된다.
도 8은 평균입도 20um 이하의 분말을 이용하여 제작된 Cr-Al합금 SPS 시제품 및 미세조직을 나타낸 사진이다.
SPS소결 온도(1,250℃) 상분석 결과, 고온상인 Al3Cr7 단상을 관찰할 수 있었으며, 이는 FE-SEM(EDS) 성분분석 결과와 유사한 결과를 확인하였으며, 시제품의 표면특성 및 상대밀도는 다소 높은 것으로 확인되었다.
도 9는 기존공정에 따른 크롬 알루미늄 합금의 조직사진과 본 발명에 의해 제조된 크롬 알루미늄 타겟의 조직사진이다.
기존공정에 의한 크롬 알루미늄 합금은 크롬과 알루미늄이 일원화 합금이 되지 않고 각각 따로 존재한 것을 알 수 있으며, 본 발명에 의해 제조된 크롬 알루미늄 타겟은 크롬과 알루미늄이 BCC 단상구조로 일원화된 합금으로 존재함을 알 수 있다.
Cr-Al 합금분말의 스파크플라즈마 소결체 EBSD분석
도 10은 평균입도 20um 이하의 분말을 이용하여 제작된 Cr-Al합금의 EBSD분석결과를 나타낸 도면이다.
SPS소결 온도(1,250℃) EBSD분석 결과, Cr7Al3 입방정 결정구조를 갖는 고온안정상을 확인하였으며, 향후 코팅용 타겟재 활용을 위한 결정면 제어를 위한 기초자료로 활용할 수 있으며, 코팅공정시 Cr2Al 등 단일상 형성이 가능한 조직으로 금속간화합물이 갖고 있는 취성억제는 물론이고, 모재와의 접착력과 기계적물성, 내산화성 향상에 기여할 것으로 판단된다.
밀도구배 최소화를 위한 상온등압성형(CIP) 검토 및 시제작
Cr-Al 합금분말의 입도별 CIP몰드 설계 및 분말성형체를 제조하였으며, 성형체 상대밀도별 소결특성을 파악하였다.
도 11은 Cr-Al합금 분말 평균입도별 상온등압성형(CIP) 검토한 결과를 나타낸 도면이다.
분말입도 20um이하의 CIP성형밀도는 69.3%로 비교적 양호하였으며, 평균입도 120um 이하와 200um 이하 샘플은 등압성형체 제조에는 적합하지 않는 실험결과를 도출하였다.
Cr-Al 합금분말의 CIP성형 조건은 100MPa-5min 동일조건에서 수행하였으며, 진공소결로는 1,350℃-5시간(#1), 1,080℃-4시간(#2) 조건에서 시제품의 표면특성을 관찰하였다. 관찰결과 양호한 표면특성을 갖는 것으로 나타났다.
본 발명의 상기한 실시예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.
Claims (7)
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 60 내지 70 중량%의 크롬분말과 30 내지 40 중량%의 알루미늄 분말을 혼합하는 분말 혼합 단계;
혼합된 분말을 가압하여 성형하는 가압 성형단계;를 포함하여 이루어지며,
상기 가압 성형단계는 Cr-Al 타겟을 형성하는 방전 플라즈마 소결하며, 상기 방전 플라즈마 소결시, 소결조건은 1,250℃이며, 분말을 압축하는 압력은 35kN(50MPa)이며, 소결시간은 7 내지 15분이고,
분말의 혼합은 메탄올 매질(媒質)내에서 디스크 밀을 이용하여 200 내지 250rpm의 속도로 15 내지 25시간 디스크 밀 분산처리되며,
상기 방전 플라즈마 소결시, 분말성형밀도 95 내지 98%이고,
상기 분말 혼합 단계시, 크롬 분말의 크기는 직경 60㎛이하이며, 알루미늄 분말의 크기는 직경 20 내지 200㎛이며,
상기 방전 플라즈마 소결 후 형성된 Cr-Al 타겟을 800 내지 1100℃로 15 내지 30분간 열처리하는 열처리 단계;
열처리된 Cr-Al 타겟을 냉각시키는 냉각 단계;를 더 포함하여 이루어지며,
제조된 타겟은 Al3Cr7 입방정 결정구조를 갖는 것을 특징으로 하는 고온 내산화 코팅용 Cr-Al 타겟 제조방법. - 삭제
- 제 5 항에 의해 제조된 고온 내산화 코팅용 Cr-Al 타겟.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220162356 | 2022-11-29 | ||
| KR20220162356 | 2022-11-29 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR102533068B1 true KR102533068B1 (ko) | 2023-05-16 |
Family
ID=86545756
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020230007711A KR102533068B1 (ko) | 2022-11-29 | 2023-01-19 | 고온 내산화 코팅용 Cr-Al 타겟제조방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102533068B1 (ko) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2017014535A (ja) * | 2013-10-09 | 2017-01-19 | 出光興産株式会社 | スパッタリングターゲット及びその製造方法 |
| KR102011141B1 (ko) * | 2018-10-24 | 2019-08-14 | 한국원자력연구원 | Cr-Al 2원계 합금 스퍼터링 타겟 및 이의 제조방법 |
| KR102055320B1 (ko) * | 2019-05-29 | 2019-12-13 | 한국생산기술연구원 | 물리증착용 타겟, 이에 의한 질화물 경질피막 및 이들의 제조방법 |
-
2023
- 2023-01-19 KR KR1020230007711A patent/KR102533068B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2017014535A (ja) * | 2013-10-09 | 2017-01-19 | 出光興産株式会社 | スパッタリングターゲット及びその製造方法 |
| KR102011141B1 (ko) * | 2018-10-24 | 2019-08-14 | 한국원자력연구원 | Cr-Al 2원계 합금 스퍼터링 타겟 및 이의 제조방법 |
| KR102055320B1 (ko) * | 2019-05-29 | 2019-12-13 | 한국생산기술연구원 | 물리증착용 타겟, 이에 의한 질화물 경질피막 및 이들의 제조방법 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108060322B (zh) | 硬质高熵合金复合材料的制备方法 | |
| US5595616A (en) | Method for enhancing the oxidation resistance of a molybdenum alloy, and a method of making a molybdenum alloy | |
| KR100584113B1 (ko) | ＦｅＣｒＡｌ 재료 및 그 제조 방법 | |
| US5503798A (en) | High-temperature creep-resistant material | |
| JPS63274736A (ja) | ニオブ合金 | |
| US4983358A (en) | Niobium-aluminum base alloys having improved, high temperature oxidation resistance | |
| CN108515174B (zh) | 一种抗高温氧化W-Cr-Ti复合材料 | |
| US6767653B2 (en) | Coatings, method of manufacture, and the articles derived therefrom | |
| JP4193958B2 (ja) | 溶融金属に対する耐食性に優れた溶融金属用部材およびその製造方法 | |
| KR102533068B1 (ko) | 고온 내산화 코팅용 Cr-Al 타겟제조방법 | |
| CA3105471C (en) | Cobalt-based alloy powder, cobalt-based alloy sintered body, and method for producing cobalt-based alloy sintered body | |
| CN111411249B (zh) | VNbMoTaW高熵合金的制备方法 | |
| US7845390B2 (en) | Hafnia-modified rare-earth metal-based ceramic bodies and casting processes performed therewith | |
| JP3261457B2 (ja) | 高温用耐酸化性合金材料及びその製造方法 | |
| CN106591747B (zh) | 一种β-Si3N4晶须和Ni3Al粘结相协同增韧的WC复合材料及其制备方法 | |
| KR102477415B1 (ko) | 다중 나노-상분리 고엔트로피 내화금속-산화물 복합재 및 이의 제조방법 | |
| CN113088901B (zh) | 一种镍铬合金溅射靶材及其热等静压制备方法 | |
| KR20020093803A (ko) | 철계 고온 합금 | |
| JP3480577B2 (ja) | 耐酸化性に優れたＴｉ−Ａ１系合金およびその製造方法 | |
| JP4409067B2 (ja) | 溶融金属に対する耐食性に優れた溶融金属用部材およびその製造方法 | |
| Hebsur et al. | Influence of alloying elements on the oxidation behavior of NbAl3 | |
| EP4353855A1 (en) | Tial alloy, tial alloy powder, tial alloy component, and method for producing same | |
| JP3694743B2 (ja) | Ｎｂ−Ｓｉ−Ａｌ−Ｃｒ四元系合金とその製造方法 | |
| CN116445763B (zh) | 一种室温塑性钛铝铌系合金及其制备方法 | |
| Stoloff et al. | Iron aluminides |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |