높은 경도, 고온 저항성, 내식성, 전기 절연성으로 유명한 알루미나 세라믹 코팅은 항공우주, 석유화학, 기계 전자공학과 같은 분야 전반에 걸쳐 극한 조건에서 필수적인 표면 보호 재료가 되었습니다. 특히 더 높은 부하, 속도 및 온도를 향한 고급 장비의 개발로 인해 알루미나 코팅에 대한 포괄적인 성능 요구 사항이 점점 더 엄격해지고 있습니다. 그러나 본질적인 취성, 응력 집중에 대한 민감성, 금속 기판과의 열팽창 계수 불일치 등 알루미나 코팅의 준비 및 적용을 오랫동안 괴롭혀온 핵심 과제가 있습니다. 열 분사 공정의 빠른 용융 및 응고 특성과 결합하여 이러한 요인은 코팅 내에 잔류 인장 응력을 쉽게 발생시켜 균열이 발생하기 쉽고 결과적으로 보호 성능이 저하됩니다. 더욱 중요한 것은 열충격이나 기계적 부하가 가해지면 미세 균열이 전파되어 연결되어 궁극적으로 코팅이 부서지고 파손될 수 있다는 것입니다.
따라서 균열 발생을 억제하고 알루미나 코팅을 강화하는 것은 용사 기술 연구의 핵심 주제일 뿐만 아니라 훨씬 더 까다로운 환경에 적용하기 위한 핵심 전제조건이기도 합니다. 이 기사에서는 스프레이 분말 특성, 코팅 구성 설계, 스프레이 공정 최적화 및 코팅 구조 제어라는 4가지 차원에서 알루미나 코팅의 균열을 방지하고 강화를 달성하는 방법을 소개합니다.
I. 스프레이 파우더 특성: 결함 관리의 원천
코팅의 "원료"인 스프레이 파우더의 물리화학적 특성은 근본적으로 코팅의 미세 구조와 결함 형성 경향을 결정합니다. 따라서 균열 억제는 분말의 선택과 최적화부터 시작되어야 합니다.
01 입자 크기 제어 및 최적화
일반적으로 알루미나 입자가 작을수록 분무 중에 코팅 기공을 더 잘 채울 수 있어 다공성을 줄이고 상대적으로 높은 내마모성과 기계적 특성을 지닌 밀도가 높은 코팅을 선호합니다. 따라서 입자 크기 측면에서 더 미세한 나노-크기의 알루미나가 바람직합니다. 그러나 지나치게 미세한 입자는 두 가지 주요 문제를 나타냅니다. 첫째, 나노분말의 관성이 매우 낮습니다. 기판에 충격을 가하면 효과적으로 접착할 수 있는 충분한 운동 에너지가 부족하여 증착 효율이 매우 낮습니다. 둘째, 나노분말은 비표면적이 크고 표면 에너지가 높아 응집되기 쉽습니다. 이로 인해 유동성이 떨어지고 전달이 어렵고 분사가 고르지 않아 잠재적으로 국부적으로 경도나 내마모성이 부족하거나 코팅의 전체 성능에 영향을 미치는 응력 집중 영역이 생성됩니다.
따라서 스프레이에 나노분말을 사용하는 경우 "2차 과립화" 공정을 사용할 수 있습니다. 여기에는 바인더를 사용하여 특정 크기 분포와 모양을 가진 더 큰 입자를 형성하고, 유동성을 개선하고, 분무 중 분말 이동 및 증착을 촉진하고, 증착 효율성을 향상시키는 것이 포함됩니다.
02 형태선택
모양이 규칙적이고 유동성이 좋은 구형 알루미나 분말은 분사 시 균일하게 퍼져 표면이 매끄럽고 기공률이 낮으며 보호 성능이 우수한 치밀한 코팅 구조를 형성할 수 있습니다. 대조적으로, 불규칙한 알루미나 분말은 더 느슨하게 포장되는 경향이 있어 잠재적으로 다공성이 높아지고 코팅의 밀도와 무결성에 영향을 미칩니다. 또한 불균일한 분산으로 인해 불규칙한 분말은 코팅 내에 응력 집중 지점을 생성하여 마모 중 입자 분리를 초래하고 내마모성을 감소시킬 수 있습니다. 따라서 실제 적용을 위해서는 유동성이 좋고 겉보기 밀도가 높은 구형 또는 근{3}}구형 분말이 우선시되어야 합니다.
03 상 구성 영향
알루미나는 최대 12개의 다형체를 가지며, 일반적인 다형체는 -Al2O3, -Al2O3, -Al2O3 및 θ-Al2O3를 포함합니다. 이 중 삼각결정계에 속하는 -Al2O3는 다양한 다형체 중에서 가장 안정적인 구조이다. 다른 것들은 저온-온도 결정 형태인 알루미나의 전이 단계입니다. 일반적으로 -Al2O3 상으로 주로 구성된 코팅은 우수한 강도와 내마모성을 나타냅니다.
II. Coating Design: Achieving a 1+1>2 강화 효과
단일 알루미나 코팅의 고유한 취성은 본질적인 약점입니다. 알루미나 매트릭스에 두 번째 상을 도입하거나, 미량 수정 요소를 추가하거나, 코팅 구조를 최적화함으로써 코팅의 응력 상태 및 파괴 거동을 크게 변경하여 "1+1 > 2"인 강화 효과를 달성할 수 있습니다.
01 코팅 조성물 설계
-Al2O3 상을 도입하는 것 외에도, 복합 코팅을 준비하기 위한 특정 응용 요구 사항에 따라 다른 비-알루미나 구성 요소를 추가할 수 있습니다. 예를 들어, 알루미나 복합 코팅의 주목할만한 최근 사례로는 Al2O3-TiO2 및 Al2O3-ZrO2 시스템이 있습니다.
또한 희토류 원소(예: La2O3, CeO2)를 미량 첨가하면 최소한의 양으로 상당한 효과를 얻을 수 있는 경우가 많습니다. 이는 주로 코팅의 미세 구조를 개선하여 코팅 밀도를 높이고 계면 결합을 향상시키는 역할을 합니다. 궁극적으로 이는 강도, 인성 및 경도와 같은 코팅의 기계적 특성뿐만 아니라 내마모성, 내식성 및 열충격 저항 측면에서 실제 성능이 눈에 띄게 향상됩니다.
02 코팅 구조 설계
세라믹 재료와 금속 기판 사이의 열팽창 계수 불일치는 사용 중 코팅 균열의 주요 원인입니다. 서로 다른 특성을 지닌 여러 층으로 구성된 다-층 복합 코팅 또는 재료 구성, 구조, 밀도 및 기능이 기판에서 코팅 표면까지 지속적으로 변화하는 기능 등급 코팅을 설계하면 재료 간의 열물리적 특성 차이로 인해 발생하는 열 응력을 완화하여 균열 위험을 줄일 수 있습니다.
III. 스프레이 공정 최적화: 공정 제어가 핵심입니다
분말은 가열, 가속, 용융, 충격, 편평화 및 응고를 포함하여 화염 제트에서 일련의 복잡한 물리적 변화를 겪습니다. 공정 매개변수의 사소한 변동으로 인해 코팅 품질이 크게 달라질 수 있습니다.
01 기판 전처리
스프레이하기 전에 기판 표면에 규칙적이고 깨끗하며 접착력이 높은 마이크로/나노{0}}구조를 생성할 수 있습니다. 거칠기와 프로파일을 정밀하게 제어하고 기판 표면에 오일, 산화물 및 기타 불순물이 없도록 보장하여 접착 강도와 일관성을 향상시키고 균열 위험을 줄입니다.
02 공정 매개변수 최적화
스프레이 공정 매개변수는 화염 제트 내 분말 입자의 온도와 속도를 직접 결정하며, 이후 편평한 입자의 형태와 코팅 결함에 영향을 미칩니다. 연구에 따르면 분말이 과열되지 않고 완전히 녹을 때 가장 조밀한 코팅이 달성되는 것으로 나타났습니다. 반-용융 또는 과열 상태는 다공성과 결함 수를 증가시키는 경향이 있습니다. 특히, 과열은 코팅 성능 저하의 주요 원인인 세로 방향 균열의 형성으로 이어질 수 있습니다. 따라서 분무력, 1차 가스 유량, 분말 공급 속도, 분무 거리 및 분무 속도와 같은 공정 매개변수는 분무 분말을 일치시키고 이상적인 "완전히 녹았지만 과열되지 않은" 상태를 달성하기 위해 지속적인 실험 조정이 필요합니다. 또한 정밀한 공정 제어를 위해 비행 중 입자 온도와 속도에 대한 온라인 모니터링을 사용할 수 있습니다.-
03 새로운 스프레이 기술 적용
전통적인 대기 플라즈마 스프레이(APS) 외에도 새로운 스프레이 기술은 강화 코팅을 준비하기 위한 더 많은 옵션을 제공합니다. 예를 들어, 폭발 스프레이는 가연성 가스의 폭발 에너지를 활용하여 서멧, 산화물 및 특수 금속 합금 스프레이에 적합한 낮은 다공성, 강한 모재 접착력 및 매끄러운 표면을 갖춘 매우 조밀한 코팅을 생성합니다. 기존 APS와 비교하여 초음속 대기 플라즈마 용사(SAPS) 또는 저{2}}압력 플라즈마 용사(LPPS)는 더 높은 결합 강도와 감소된 균열 형성으로 더 조밀한 코팅을 생성할 수 있습니다.
04 사후-치료 기술
레이저 재용융은 코팅 결함을 완화하는 효과적인 방법입니다. 고에너지-에너지 레이저 빔을 사용하여 분사된 코팅을 빠르게 녹이고 재응고화하면-코팅 구조를 균질화하고 조밀화할 수 있으며, 층상 형태를 제거하고 결합 강도와 균열 저항성을 향상시킬 수 있습니다. 그러나 재료의 열물리적 특성의 차이와 레이저 재용해 중 용융 풀의 큰 온도 구배로 인해 새로운 열 응력과 균열이 발생하는 것을 방지하려면 레이저 출력 및 스캐닝 속도와 같은 매개변수를 최적화하는 것이 중요합니다. 또한 밀봉 처리는 코팅 내의 기공과 미세 균열을 채워 밀도와 불투수성을 향상시키고 균열 전파 가능성을 줄일 수 있습니다.