Manufacturing and Properties of Low Vacuum Plasma Sprayed W-Carbide Hybrid Coating Layer

(1)

DOI: 10.4150/KPMI.2011.18.3.226

진공 플라즈마 스프레이 공정을 이용한

W

계 복합 코팅층의 제조 및 특성 연구

조진현·진영민·안지훈^a·이기안

*

안동대학교 신소재공학부, ^a포항산업과학연구원 융합공정연구본부

Manufacturing and Properties of Low Vacuum Plasma Sprayed W-Carbide Hybrid Coating Layer

Jin-Hyeon Cho, Young-Min Jin, Jee-Hoon Ahn^a, and Kee-Ahn Lee

*

School of Advanced Materials Engineering, Andong National University, Andong 760-749, Korea

a

Hybrid Materials Processing Research Department, RIST, Pohang 790-330, Korea

(Received February 14, 2011; Revised March 8, 2011; Accepted April 22, 2011)

Abstract W-ZrC and W-HfC composite powders were fabricated by the Plasma Alloying & Spheroidization (PAS) method and the powders were sprayed into hybrid coating layers by using Low Vacuum Plasma Spray (LVPS) process, respectively. Microstructure, mechanical properties, and ablation characteristics of the fabricated coating layers were investigated. The LVPS process led to successful production of W-Carbide hybrid coatings, approximately 400 µ m or above in thickness. As the substrate preheating temperature increased from 870

^o

C to 917

^o

C, the hardness of the W-ZrC coating layer increased due to decreased porosity. Vickers hardness showed higher value (about 108.4 HV) in W-ZrC hybrid coating material compared to that of W-HfC while adhesive strength was found to be similar in both coating layers. The plasma torch test revealed good ablation resistance of the W-Carbide hybrid coating layers. The relatively high performance W-ZrC coating layer at the elevated tem- perature is thought to be attributed to both the strengthening effect of ZrC particle remained in the layer and the formation of ZrO

2

phase with high temperature stability.

Keywords : W-Carbide hybrid coating, W-ZrC, W-HfC, Low vacuum plasma spray (LVPS), Plasma alloying &

spheroidization (PAS), Plasma torch test

1. 서 론

최근 각종 첨단 장비 및 기능성 부품에 대한 개발 이 가속화됨에 따라 우주·항공, 발전 설비 등 여러 산업 기반에 걸쳐 극한 환경에 견딜 수 있는 초고온 내열 부품의 수요가 급격히 증가하고 있다[1-2]. 특히 첨단 항공기 및 인공 위성의 개발은 추진 기관의 작 동 온도를 높임과 동시에 고속 비행에 따른 비행체 선단에서의 고온 침식 증가를 수반하기 때문에 극한 환경에서 사용 가능한 초고온 내열 재료 개발에 대 한 관심이 증대되고 있는 상황이다.

일반적으로 초고온 내열 재료는 3,000ôC 이상의 용융점과 1,800ôC 이상의 온도에서 구조용 부품으로 사용하는 소재를 의미한다. 그 중에서도 텅스텐 재료 는 다른 내열재료에 비해 용융점이 3410ôC로 매우 높고 비교적 우수한 열/기계적 충격성과 고온 내열 특성을 가지고 있다. 따라서 항공기 부품, 로켓 추진 기관의 노즐 등에 텅스텐의 고온 내열 재료로서의 적 용에 대한 관심이 높으며 이에 관한 연구가 많이 이 루어지고 있다[3]. 또한 텅스텐에 ZrC와 HfC, TiC, Re과 같은 원소를 첨가하여 합금화함으로써 고온 기 계적 특성 및 고온 안정성이 향상된다고 알려져 있

*Corresponding Author : [Tel : +82-54-820-5126; E-mail : [email protected]]

(2)

진공 플라즈마 스프레이 공정을 이용한 W 계 복합 코팅층의 제조 및 특성 연구 227

으며

[4-5],

현재까지는주로

HIP(Hot Isotropic Pressing)

이나소결

(sintering)

공정을통해벌크

(bulk)

형태로 제조되고 있다

.

이와 관련하여합금원소 첨가에따 른미세조직및고온기계적특성변화

,

삭마

(ablation)

특성 등에대한연구가 보고되고 있으나

[5-11],

상기

공정을 이용한텅스텐계복합재료의 제조는복잡한 형상 및대면적 부품으로의적용에한계가있다

.

이

에

W-Carbide

복합 재료를 모재의 표면에 접합할

수 있는 새로운 코팅 공정과 그 용융 분야에 대한 관심이높아지고있다

.

W

계복합소재의코팅층을형성하는방법중 용사 코팅법

(thermal spray process)

은오랫동안유용한공

정 기술로 알려져 있다

.

그 중에서도

LVPS(Low

Vacuum Plasma Spray)

공정은 진공상태의 밀폐된 챔버내에서우수한특성을갖는소재를고온

/

고속의

plasma jet

에서용융시켜부품표면에코팅하는기술

이다

.

또한 부품의

near net shape

제조에 유용한 기술로써초고온 내열재료의복잡한 형상을갖는대 면적 부품으로의적용이가능하다

.

초고온내열재료 에 대한

VPS(Vacuum Plasma Spray)

등의 코팅공 정 적용과 관련하여

Liu[12]

등은

plasma spray

법을 이용하여텅스텐 코팅층을제조하였으며

, Varaclle[13]

등은

VPS(Vacuum Plasma Spray)

법을 이용한

ZrC

코팅층제조를 시도한바 있다

.

하지만현재까

지보고된텅스텐계코팅층의연구는코팅층제조후

미세조직변화및기본물성변화에관한연구가주를 이루고 있으며

, W-Carbide

복합소재에서

carbide

등 의 첨가원소변화와 공정조건변화에따른코팅층 제조시도및물성연구는미흡한실정이다

.

또한텅 스텐과 같은초고온 내열재료를고온의 극한환경에 적용하기위해내열

/

내삭마특성은반드시고려해야할 사항임에도불구하고이에관한연구는

Song[5, 14]

과

Tang[15]

등에의해 벌크

(bulk)

형태로제조된 초고 온 내열 합금에 한정되어 있으며 텅스텐계 복합코 팅 재료의 내열

/

내삭마 저항성에 대한 연구는 거의 보고된바 없다

.

즉 고온내열 재료의코팅층 제조

,

코팅층의물성변화비교및내열

/

내삭마특성변화기 구 규명에대해서는아직연구된바가없다

.

본연구에서는

PAS

법으로얻어진

W

계복합분말을 사용하여

LVPS

코팅공정으로

W-Carbide

하이브리드 코팅층 제조를 시도하고자 하였다

.

이와 함께

LVPS

코팅공정에서다른모재예열온도및복합소재에서

carbide

종류에따른코팅층의물성과고온내열

/

내삭 마특성평가를통해

W-ZrC

와

W-HfC

코팅층의고온 내열

/

내삭마미세기구를규명하고자하였다

.

2. 실험방법

본 연구에서는

W-ZrC

와

W-HfC

복합 분말을 이 용하여

LVPS

코팅을 실시하였다

. W-Carbide

복합

Fig. 1. Shape and size distribution of (a) W-ZrC and (b) W-HfC composite powders.

(3)

분말

(4~6 wt.%)

제조를위하여순수 텅스텐과 순도

99.5%

의

ZrC

및

HfC

분말을 각각 사용하였다

.

먼 저 상기 분말들에 대해 분무 건조

(spray drying)

와

sintering

을 수행하여 초기 복합 분말을 제조한 후

,

다시

PAS(Plasma Alloying & Spheroidization)

법

을사용하여낮은기공도와높은밀도를보이는

[16-17]

최종복합분말을제조하였다

.

그림

1

은 본 연구에서

LVPS

코팅공정시 사용된

W-Carbide

복합 분말들

(W-ZrC, W-HfC)

의 형상과 입자 크기를나타내고 있다

. W-ZrC

와

W-HfC

복합 분말들은 종류 및 입자 크기에관계없이 모두 구상 의 형태를 보이고 있으며 평균 입자 크기는 각각

27.58

µ

m(W-ZrC), 29.76

µ

m(W-HfC)

로분석되었다

.

모재예열온도와

carbide

종류를각각달리하였을 때

, W-Carbide

하이브리드코팅층 제조와특성평가 를 위해 예비 실험수행 하였으며 모재예열 온도와

carbide

종류를제외한공통의 최적공정조건을 도출

하여

graphite

모재에

LVPS

코팅을 실시하였다

.

본 연구에서 사용된

W-ZrC

및

W-HfC

하이브리드 코 팅층의

LVPS

공정조건을표

1

에정리하였다

.

W-Carbide

하이브리드 코팅층의 미세조직 관찰을

위해

SEM

을 사용하였으며 코팅층에 존재하는 원소 및

ZrC, HfC

입자의분포를확인하기 위해

EPMA

를 이용하여 원소별로

mapping

분석을실시하였다

.

또한생성된상분석을위하여

XRD

실험을수행하였

다

.

제조된코팅층의특성평가를위해이미지분석기 를통해기공도를측정하였고비커스경도기를사용하 여 경도를 평가하였다

.

코팅층의 접합강도는

ASTM C633

규격에 의거하여

cross-head speed 1 mm/min

조건에서 실시하였다

.

텅스텐계 하이브리드코팅층의 고온 내열 특성 평가를 위하여 약

12,000~16,000

^o

C Table 1. Processing parameters for Low vacuum plasma spray deposition used in this study

W-ZrC

coating sample W-HfC coating sample

Ar Flow rate (SLPM) 120

H

2

Flow rate (SLPM) 12

Cument (A) 1490

Vacuum (kPa) 5

Spray distance (mm) 350

Substrate type graphite

Substrate preheat temp. (

^o

C) 870,917,1200 1200

Fig. 2. SEM microstructure results showing (a) interface and (b) interior of 870°C substrate preheated condition, (c) inter-

face, and (d) interior of 917°C substrate preheated condition of W-ZrC composite coating layers.

(4)

진공 플라즈마 스프레이 공정을 이용한 W 계 복합 코팅층의 제조 및 특성 연구 229

다

.

실험후시간에따른코팅층의고온내열

,

내삭마

특성비교를위해시편의무게감소량을측정하였다

.

또한고온내열실험후시편의단면을

SEM

을이용해 관찰했으며

XRD

를이용하여생성된상을분석하였다

.

3. 실험 결과 및 고찰

3.1. 모재예열 온도 변화에따른 W-ZrC 코팅층 의 특성

모재예열온도를

870

^o

C

와

917

^o

C

로하여

LVPS

한

결과 두 조건에서 모두

400

µ

m

수준의 두께를 가

지는

W

계하이브리드 코팅층을성공적으로제조할 수 있었다

.

각기 다른 모재예열 온도로 제조된

W-ZrC

복합

코팅층의 에칭 후 계면조직 사진을 그림

2

의

(a)

와

(c)

에나타내었다

.

그림에서보는바와같이모재예열 온도가

870

^o

C

에서

917

^o

C

로 증가함에 따라 용융된 분말의 액적적층시액적사이의 접촉이더욱치밀 해져 조밀한 라멜라 구조가형성되고 이로 인해기 공이줄어드는 것을정성적으로확인할수 있다

.

이

Fig. 3. EPMA analysis of W-ZrC composite coating layer with substrate preheating temperature of 870°C.

(5)

와 함께코팅층에서부분적으로용융되지못한입자 들과 완전히

PAS

화 되지 않은

W-ZrC

복합 분말도 나타난다

.

또한입자의충돌로모재가심하게침식되 어 있는것을 볼 수 있는데이는플라즈마 화염내

에서 미용융된

W-ZrC

복합 분말로 인하여발생하

는 것으로해석할수있다

.

그림

3

은 진공 플라즈마 스프레이 공정으로 제조 된

W-ZrC

복합 코팅층에서수행한

EPMA

분석결 과 예이다

.

그림에서

W

과

Zr

성분들이코팅층전반 에고르게 분포하고있다

.

또한

Zr

과

C

성분들의분 포가높게나타나는부분이 유사한경향을 보이는데

이를통하여코팅층내부에

ZrC

입자들또는용융되

어 고용된

Zr, C

원소들이 존재하고 있음을 유추할

수 있다

.

그림

4

에서는앞에서언급한 모재예열온도증가 에 따른 코팅층기공도 감소결과를 정량적으로보 여주고있다

.

모재 예열온도가

870

^o

C

에서

917

^o

C

로

증가함에 따라

LVPS

한 코팅층시편의기공도는 각

각

10.15%

에서

7.79%

로

2.36%

가 감소하는 결과를 나타내었다

.

일반적으로용사코팅시 모재예열온 도는적층된액적의 형성과

inter-lamellar

접촉

,

경도

,

기공도그리고잔류응력에영향을미치는것으로알 려져있다

[18-20].

또한기존의플라즈마

spray

연구 결과에서도모재예열온도가증가함에따라

Al

2

O

3코

팅층의기공도가감소하는것으로보고된바있다

[21].

그림

5

에서는

870

^o

C

와

917

^o

C

로나누어 모재예열 후

LVPS

한

W-ZrC

복합 코팅층의경도및 접합강 도 결과를보여주고있다

.

모재를

917

^o

C

로 예열하여

코팅한 코팅층의 경우

825.0 HV

의 평균 경도값을

나타내었으며 이는

870

^o

C

에 비해 약

197.4 HV

정

도증가한값이다

.

모재예열온도변화에따른경도 값증가는 그림

4

에서나타난 바와같이예열온도가 증가함에따라기공도 감소에의한영향으로판단된 다

.

이러한결과는앞에서설명한것처럼용사코팅에 서 모재 예열 온도증가가 조밀한코팅층을 형성하 면서 경도를 상승시키는 요인으로 작용했기 때문으 로 해석할수 있다

.

하지만

,

접합 강도는 모재 예열 온도

870

^o

C

에서

59.9 kgf/cm

²

, 917

^o

C

에서는

60.89 kgf/cm

²로모재예열온도가증가함에따라소폭의접

합 강도 증가분은 있으나거의 차이를나타내지 않 았다

.

3.2. Carbide 종류에 따른 W-Carbide 코팅층의 특성

모재 예열 온도를

1200

^o

C

로 하여 각각

LVPS

코

팅한 결과 복합 분말의종류에관계없이

1,000

µ

m

정도의두께를 가진코팅층을 제조할수 있었다

.

상

기 결과에서

W-ZrC

복합 소재뿐만 아니라

W-HfC

복합소재에서도

LVPS

법을사용한제조방법이 효과 적으로적용될수있음을확인할수 있었다

.

두코 팅층모두의표면이 거친것을관찰할 수있는데이

Fig. 4. Porosity of W-ZrC composite coating layers with different substrate preheating temperature.

Fig. 5. (a) Vickers hardness and (b) adhesion strength of

W-ZrC hybrid coating layers with different substrate pre-

heating temperature.

(6)

진공 플라즈마 스프레이 공정을 이용한 W 계 복합 코팅층의 제조 및 특성 연구 231

는 분말의 열전도도와 열팽창계수의 차이에 기인하 는 것으로사료된다

[22].

각기 다른

W-Carbide

복합 분말로 제조된

W-

Carbide

하이브리드코팅층의계면및내부조직사진

을 그림

6

에서보여주고 있다

.

기본적으로 두코팅층

모두에서

LVPS

를이용한코팅층의전형적인구조인라

멜라 구조와

splat

내부에 주상정 구조

(columnar structure)

및

pore

를 관찰 할 수있었다

. EDS

를 통 해상분석을한결과

W-Carbide

코팅층모두에서텅 스텐기지와일부회색영역인

WC

가관찰되었다

.

특

히

W-ZrC

코팅층에서는

W-HfC

와 달리 부분적으로

dark gray phase

가관찰되었는데이영역은상대적으로

Zr

과

C

원소의함량이높은상으로나타났다

.

그림

7

은

LVPS W-ZrC

와

W-HfC

의 두 복합 코 팅층에서 각각

ZrC

및

HfC

입자존재 유무를확인 하고자

EPMA mapping

을실시한 결과이다

. W-ZrC

와

W-HfC

복합코팅층모두텅스텐원소가코팅층

전반에고르게분포되어있는것을확인할수있다

.

그리고

W-HfC

코팅층에서는

Hf

원소가거의 분포하 지 않는 것에 주목할 만 하다

.

이는

LVPS

한

W-

Fig. 6. SEM micrographs of W-ZrC coating layer (a and b) and W-HfC coating layer (c and d), and (e) EDS analysis result

of dark gray phase in W-ZrC coating layer.

(7)

HfC 복합 코팅층에서 미량 첨가된 HfC 원소가 코팅 층 제조 시 텅스텐 내에 용융되었기 때문으로 사료 된다. 이에 반해 W-ZrC 복합 코팅층에서는 일부 Zr, C 원소가 많이 분포되는 영역이 유사하게 관찰 되었

으며 이 부분은 미세조직에서 관찰된 dark gray 상 과 일치하는 것을 알 수 있었다.

LVPS W-ZrC와 W-HfC 복합 코팅층에서 생성된 상의 분석을 위해 수행한 XRD 결과를 그림 8에 나

Fig. 7. EPMA mapping of (a) W-ZrC and (b) W-HfC hybrid coating layers.

(8)

진공 플라즈마 스프레이 공정을 이용한 W계 복합 코팅층의 제조 및 특성 연구 233

타내었다

.

두 코팅층은 모두에서

W, WC, W

2

C, WO

3 상이 공통적으로 생성되는 것을 알 수 있다

. EPMA mapping

결과

(

그림

7)

를 통해 유추할수 있 듯이

, W-HfC

코팅층에서는

Hf

및

HfC

의

peak

이

나타나지 않은 반면

W-ZrC

코팅층에서는

Zr

및

ZrC

의

peak

이 미세하게 나타났다

.

즉

LVPS

를 이용 한

W-ZrC

와

W-HfC

복합 코팅층 제조 시

W-HfC

에서는

HfC

입자가 모두 텅스텐 기지 내로 용융되

어 존재하지 않지만

W-ZrC

에서는 일부 미용융 된

ZrC

입자가존재함을 확인 할 수 있었다

.

일반적으

로 고온 내열재료에서

carbide

입자

(ZrC, HfC, TiC

등

)

가존재함으로써강화효과를통해고온내열재료 의기계적 특성및내열저항특성이향상될 수있다 고보고되고있다

[23].

따라서

W-ZrC

복합코팅층내

에존재하는

ZrC

입자는코팅층의 기계적특성에영

향을미칠것으로사료된다

.

그림

9

에서는

carbide

종류에따른코팅층의기공도 변화를정량적으로보여주고있다

. W-ZrC

코팅층의기 공도는

7.74%

로

W-HfC

복합코팅층기공도

3.59%

에 비해약

2

배나높은기공도값을나타내었다

.

서로다른

carbide

를 첨가한텅스텐계복합코팅층 의 경도값은 각각

984.5 HV(W-ZrC), 876.1 HV(W- HfC)

로

W-ZrC

가

W-HfC

에 비해약

2

배 높은 기공

도값을가지고있음에도불구하고경도값이

W-HfC

에 비해

108.4 HV

높게 나타났다

(

그림

10).

이는 일반적으로 코팅층의 기공도값이 낮을 때 더 높은 경도값을가지는 결과와반대되는것으로 앞에서설 명한 것처럼

LVPS

한

W-ZrC

복합코팅층에 존재하

는

ZrC

입자가부분적으로강화상작용을하여나타

나는결과로사료된다

.

또한두코팅층의접합강도를 측정한결과

W-HfC

코팅층의접합강도는

41.1 kgf/

cm

²

, W-ZrC

코팅층은

38.3 kgf/cm

²로

W-HfC

복합 코팅층에서 다소 높게 나타났으나 그 차이는

2.8 kgf/cm

²로거의유사하다고할수 있다

.

3.3. W-Carbide 복합 코팅층의 고온 내열

/

내삭마 특성

텅스텐계 복합 코팅층의

plasma torch test

실시 결과를 그림

11

에 시간에 따른 누적 무게 감소량

Fig. 8. XRD patterns of (a) W-ZrC and (b) W-HfC hybrid

coating layers.

Fig. 9. Porosity of W-ZrC and W-HfC hybrid coating lay- ers.

Fig. 10. (a) Vickers hardness and (b) adhesion strength of

W-ZrC and W-HfC hybrid coating layers.

(9)

((c))

과 시간에 따른

mass ablation rate((d))

로 나타 내었다

. 50

초 후

W-HfC

와

W-ZrC

두 코팅층의 무 게 감소량은 각각

5484 mg, 4890 mg

으로

W-ZrC

복합 코팅층의 무게 감소량이 더 적게 나타났으며

mass ablation rate

또한

W-ZrC

복합 코팅층이

W- HfC

코팅층보다전체적으로낮게나타났다

.

이를통

해

W-ZrC

복합 코팅층의 고온 내삭마 특성이

W-

HfC

코팅층 보다 우수한 것을 알 수 있었다

.

또한

두 코팅층에서모두

mass ablation rate

가 초기에급 격히 증가하다가 일정시간이 지난후 다시 감소하 는 현상이나타났다

. Chen Zhao-Ke[24]

등은

mass ablation rate

기울기가변화하는곳을기준으로산화 거동을두 영역으로나눌수 있다고 보고하였다

.

본 연구결과에서도초기는

W-HfC

및

W-ZrC

복합코 팅층이 고온 환경에 반응하여 나타나는 결과로

W-

ZrC

코팅층에존재하는일부

ZrC

입자가강화상으로

작용함으로써상대적으로

W-HfC

코팅층보다더낮 은

mass ablation rate

을 보이고 있다

.

후기에는

plasma torch test

를 수행 중

W-HfC

및

W-ZrC

코 팅층 표면에생성된 상이고온 환경과 반응하여 나

타나는 결과로 해석될 수 있으며

, W-ZrC

코팅층의

mass ablation rate

가

W-HfC

보다 여전히 낮게 나

타나는것으로보아

W-ZrC

코팅층 표면에보다우

수한고온 내열

,

내삭마 특성을가지는 반응물이생 성된것으로판단된다

.

Plasma torch test

후 코팅층 표면에 생성된 반응 물을알아보고자

SEM

을 통해실험후 표면미세조 직을 관찰하였고

XRD

분석도 수행하였으며

,

그 결 과를 그림

12

에 나타내었다

. W-HfC

복합코팅층의 경우 고온내열 실험후 표면에열 충격에의한균 열이 발생하였으며 코팅층의 산화작용에 의해 생성 된 기체가 방출되면서 형성된

micro

크기의

pore

를 관찰할수있었다

.

또한표면에불균일한형태의반 응물이 관찰되었다

.

반면

, W-ZrC

코팅층에서는

W- HfC

에서와같은

micro

크기의

pore

가관찰되지않았 으며표면에덩어리 형태의반응물들이균일하게생

성된 것을 알 수 있었다

. XRD

와

EDS

를 통해

plasma torch test

후표면에생성된 상을분석한결 과

, W-ZrC

와

W-HfC

두 코팅층 모두

WC, WO

3

의상이공통적으로나타났고

W-ZrC

코팅층표면에

Fig. 11. Plasma torch test results of W-ZrC and W-HfC hybrid coating layers (a) macro image of plasma torch tested W-

ZrC, (b) macro image of plasma torch tested W-HfC, (c) weight loss, and (d) mass ablation rate.

(10)

진공 플라즈마 스프레이 공정을 이용한 W 계 복합 코팅층의 제조 및 특성 연구 235

Fig. 12. Plasma torch test results of (a) SEM image of W-ZrC, (b) SEM image of W-HfC, (c) micro XRD analysis of W-ZrC, and (d) micro XRD analysis of W-HfC hybrid coating layers.

Fig. 13. Cross-sectional images of (a) W-HfC, (b) and (c) W-ZrC, and (d) EDS analysis of W-ZrC oxidation layers (dark gray

phase).

(11)

서 추가적인

ZrO

2 상의생성을확인할 수있었다

.

그림

13

는

W-ZrC

와

W-HfC

복합코팅층의

plasma torch test

후 시편의 단면을 관찰한 사진이다

. W- ZrC

와

W-HfC

복합 코팅층 모두

plasma torch test

후코팅층 표면에산화층이생성된 것을알 수있으 며

W-ZrC

코팅층에서

W-HfC

보다 더두껍고조밀 한 산화층이 관찰되었다

.

관찰된미세조직에서 코팅 층 별로 각각

WO

3

(W-HfC)

와

WO

3

+ZrO

2

(W-ZrC)

상을 확인 할 수 있었으며 이는

XRD

결과

(

그림

12)

와도 일치하는 것이다

.

또한 그림에서

plasma torch test

후에도내부코팅층의손실이전혀발생하 지 않은 것에 주목할 만 하다

.

이는

plasma torch

test

중에 두 코팅층 표면에서 생성된 산화층

WO

3

와

ZrO

2가 고온 삭마 환경으로부터 내부 코팅층을 효과적으로 보호하고있음을나타낸다

.

이전의시편 누적 무게 감소량과

mass ablation rate

결과

(

그림

11)

를 바탕으로

W-ZrC

복합 코팅층표면에 추가적

으로 생성된

ZrO

2 산화물이

WO

3보다 고온내열

/

내 삭마 특성향상에 더 효과적이라는것을 유추할수 있다

.

이와 관련하여 산화물

ZrO

2의 용융점은

2677

^o

C

로

WO

3 용융점

1470

^o

C

보다 훨씬 높으며 초고온 내열 실험 시

ZrO

2 산화물의생성은 고온 내열 저 항성을 향상시키는역할을 한다고보고 된바 있다

[25].

따라서 두 코팅층의 고온 내삭마 실험 결과

(

그림

11)

에서 특히 후기에

W-ZrC

가

W-HfC

보다 특성이 우수한 이유는

W-ZrC

코팅층 표면에

ZrO

2

산화물이 생성되기 때문으로 판단되며

plasma

torch test

도중에 발생하는

ZrO

2의 생성은 근본적 으로

W-ZrC

복합 코팅층내 잔류하는

ZrC

입자에 의해 조장되는것으로 생각된다

.

즉

, W-ZrC

코팅층

에 존재하는

ZrC

입자가 초기에 강화상으로 작용함

으로써 코팅층 표면과 반응성을 나타내는

plasma

torch test

초기

(~30

초

)

고온 내삭마특성이

W-HfC

코팅층보다우수하게나타난다

.

그리고

plasma torch

test

가 진행됨에 따라

ZrC

입자가 고온 환경과 반

응하면서 코팅층 표면에 용융점이 높고 고온 안정 성이 우수한

ZrO

2 산화물을 생성함으로써 코팅층

표면 생성물과 반응성을 나타내는

plasma torch

test

후기

(30

초

~)

고온 내삭마 특성이

W-HfC

복합 코팅층 보다 더욱 우수하게 나타난다고 이해될 수 있다

.

4. 결 론

본 연구에서는모재예열온도 및

carbide

종류변 화에 따른

LVPS W-Carbide hybrid

코팅층저 제조

를 시도하고각각 다른모재예열 온도와

carbide

종

류에 따른

W-Carbide

코팅층의 물성및 고온 내열

/

내삭마 특성평가를한 결과 다음과같은 결론을얻 을 수있었다

.

1. PAS

법으로 제조된

W-Carbide

복합분말로

Low Vacuum Plasma Spray

코팅한 결과 모재예열 온도

(870, 917, 1200

^o

C)

와

carbide

종류

(W-ZrC, W-HfC)

에 관계없이

400~1,000

µ

m

의 두께를 가지는

W-Carbide

하이브리드코팅층을성공적으로제조할수있었다

. 2.

모재예열 온도와

carbide

종류를 다르게 하여 제조된코팅층의기공도는모재예열온도가

870

^o

C

에 서

917

^o

C

로증가함에따라

10.15%

에서

7.74%

로감 소하였으며

carbide

종류에따라서는

W-HfC

코팅층 이

3.59%

로

W-ZrC

코팅층

7.74%

에 비해 낮은 값 을 나타내었다

.

3. W-ZrC

와

W-HfC

복합 코팅층에서

W, WC, W

2

C phase

가 공통적으로 나타났으며

W-ZrC

복합 코팅층에서는 완전히용융되지 않은

ZrC

가 부분적 으로관찰되었다

.

4. Carbide

종류에 따른 경도 및 접합강도 측정

결과 경도는 각각

984.5 HV(W-ZrC), 867.1(W- HfC)

로 기공도가 높은

W-ZrC

에서

108.4 HV

가 더 높게 나타나는것을 확인할 수 있었으며

,

이는

W-

ZrC

복합코팅층내 존재하는

ZrC

입자의강화효과

에 기인하는것으로판단된다

.

또한두 코팅층의접 합강도는거의유사하게 나타났다

.

5. Plasma torch test

후 미세조직 관찰 결과 두 코팅층 표면에서

WO

3

+ZrO

2

(W-ZrC), WO

3

(W-HfC)

로 구성된 새로운산화층이 생성되는 것을 확인할 수 있었다

.

그 결과

W-ZrC

가

W-HfC

복합 코팅층 보다우수한고온내삭마 특성을나타내었으며 이는

W-ZrC

코팅층 내 존재하는

ZrC

의 강화 효과와 표

면에 새롭게 생성된

ZrO

2

phase

에 의한 보호효과에 기인한것으로해석될수있었다

.

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