Hypersonic metallization (HM) 클래딩 기술
스프레이를 이용한 금속 코팅 기술 중 가장 단순하고 값싼 기술은 전기 아크 스프레이(electric arc spraying) 기술이다. 그 중에서 HM(hypersoni metallization) 기술은 와이어 형태의 소재를 삽입한 후 아크를 이용하여 용융금속을 생성시킨 후 초음속의 스프레이로 모재에 분사함으로써 클래딩 층을 형성하는 기술로써 그림 1은 그 원리 및 실제 장비 사진을 보여주고 있다. 이때 생성되는 용융금속 스프레이는 대략 2000도 정도의 온도를 가지고 속도는 1500m/s의 초음속을 가진다. 그림 2는 HM기술을 이용하여 crankshaft 부품을 보수하는 장면이다. 본 기술의 장점은 매우 높은 용융금속 스프레이 생산성을 가지며 모재와의 우수한 결합력이 특징이다.
그림 1. Schematic illustration and real apparatus of hypersonic metallization
그림 2. Restoring of crankshaft part by using hypersonic metallization technology
나노입자 강화형 합금 분말 이용 HM 기술
HM 기술은 기본적으로 와이어 형태로 클래딩 소재를 공급하는 기술이다. 따라서 나노입자 강화형 합금 분말을 적용하기 위해서는 나노입자 강화형 복합체 wire 제조 기술이 우선적으로 개발되어야 하며, 아직까지 이러한 제조 기술이 상용화되어 있지 않기 때문에 결과적으로 나노입자 강화형 분말을 이용한 HM 클래딩 기술 및 선행연구는 없는 상태이다.
레이저 클래딩 기술
레이저 클래딩 기술은 고출력의 레이저 빔을 금속표면에 조사하여 순간적으로 용융 풀(melt pool)을 생성시키고, 동시에 외부로부터 분말 형태의 클래딩 소재(금속, 합금, 세라믹 등)을 공급하여, 금속 표면에 완전히 다른 화학 조성과 미세조직을 갖는 새로운 클래딩 층을 형성시키는 레이저 표면개질기술(laser surface modification)이다. 이에 대한 개략도를 그림 3에 나타내었다. 경우에 따라서 와이어를 사용할 수도 있으나, 본 연구에서는 합금 분말을 이용한 레이저 클래딩 기술을 도입할 계획이다.
그림 3. Scheme and real apparatus of laser cladding technology
레이저 클래딩 기술은 모재와 클래딩 층의 완전한 용융접합에 의해 접합력이 우수하고, 모재에 적은 에너지가 흡수되므로 HAZ (heat affected zone) 영역이 최소화되는 장점이 있다. 또한 매우 미세하고 치밀한 클래딩 조직을 보유할 수 있고, 금속, 합금, 세라믹 등 다양한 클래딩 소재가 가능하고 정밀하게 클래딩 층을 제어할 수 있으므로 후가공 비용을 감소시킬 수 있다. 레이저 클래딩 기술은 30년이 넘은 역사 속에서 레이저 시스템 비용의 절감, 클래딩 재료의 잠재성 증가, 속도가 빠른 모델의 출현 등에 힘입어 다양한 응용 분야에 적용할 수 있는 기술로 성장했다. 이를 바탕으로 레이저 클래딩기술에 대한 연구는 매년 가파르게 증가하고 있는 추세인데, 이처럼 레이저 클래딩 기술이 급속하게 성장한 배경으로는 고출력 레이저의 활용, 고성능 내마모 코팅 수요의 증가 등을 들 수 있다. 내마모성을 높이기 위한 연구는 주로 SiC, WC, TiC 세라믹 입자를 Ni, Al, Fe 금속기지로 보강된 MMC 코팅으로 평가되고 있으며 철강, 알루미늄 혹은 황동 모재에 주로 적용하고 있다.
나노입자 강화형 합금 분말 이용 레이저 클래딩 예비실험 결과
지금까지 분말야금을 이용하여 MMC를 제조한 후 모재의 표면에 레이저 클래딩함으로써 내마모성을 향상시키는 연구가 주로 진행되어 왔다. 최근 나노구조를 갖는 다원소 세라믹 코팅에 대한 연구는 1건이 검색되었으나, 이 연구는 레이저 빔 조사 시 분말을 동시에 공급하는 direct laser cladding 기술이 아니고 분말을 모재에 미리 코팅한 후 레이저 빔을 조사하는 방법을 사용하고 있으며, 그림 4와 5에 실험 방법 및 결과를 나타내었다[Materials Science and Engineering, A508 (2009) p.134].
그림 4. Schematic illustration of laser cladding
그림 5. SEM micrograph of transverse cross-section view of the coating deposited by laser cladding
본 연구에서는 (주)인스텍의 DMT (laser-aided Direct Metal Tooling) 기술을 기반으로 나노입자 강화형 합금분말을 이용하여 레이저 클래딩 층을 형성하는 기초 실험을 진행하였고 미세 조직 등을 관찰하였다. 이를 위해 스테인리스 316L 분말과 Y2O3 분말을 고에너지 볼밀을 이용하여 나노입자 분산 합금분말을 제조하였고(그림 6) (주)인스텍의 DMT 장비(그림 7a)를 이용하여 스테인리스 304 모재 위에 제조된 나노입자 분산 합금분말(STS 316L + 5wt.% Y2O3) 클래딩 층을 형성(그림 7b)하였다. 그림 8은 그림 7b에 나타난 클래딩 층에 대하여 SEM 및 EDS 분석을 한 결과이며, 그 결과 클래딩 조직 내에서 나노입자가 분포하는 것을 확인할 수 있었다.
그림 6. SEM images of starting powders and high energy milled powders for laser cladding
(a) (b)
그림 7. (a) Photo of DMT machine and (b) cladding layer of milled powder (STS316L + 5wt%Y2O3) on 304 STS substrate
그림 8. SEM images of laser cladding layer of high energy milled STS316L+Y2O3 powders and the corresponding EDS peaks