열 분사 세라믹 코팅 공정 및 적용

금속 기판에 세라믹 코팅을 형성하면 세라믹 재료와 금속 재료의 특성을 유기적으로 결합하여 복합 재료 구조와 제품을 얻을 수 있으며, 이는 현대 복합 재료 및 제품 분야에서 중요한 하이테크 분야로 자리 잡고 있습니다. 공정이 유연하고 분사 가능한 재료의 범위가 넓기 때문에 열분사 기술은 항공우주, 석유화학, 전자 및 전기, 자동차, 의료, 해양, 광업 등 점점 더 많은 분야에서 널리 사용되고 있습니다.


열분사 기술은 열원을 사용하여 분사 재료를 완전히 용융 또는 반용융 상태까지 가열한 다음, 일정한 속도로 전처리된 기판에 분사·퇴적하여 코팅을 형성하는 방법으로, 기판 표면에 특수한 기능을 부여하는 것을 목적으로 합니다.

열분사 세라믹 코팅의 적용

세라믹은 금속 원소와 비금속 원소로 이루어진 결정질 또는 비정질 화합물입니다. 세라믹은 금속 재료 및 고분자 재료와 함께 고체 공학 재료의 3대 기둥을 구성합니다. 현대 재료학에서는 서멧과 기타 무기 비금속 재료를 세라믹 범주에 포함하여 다양한 종류와 기능을 가진 대규모 재료군으로 분류합니다. 일반적으로 가열 후 용융 또는 소성 변형이 가능한 모든 재료는 열분사용 코팅 재료로 사용할 수 있습니다. 금속 재료 외에도 세라믹은 열분사 방식의 방식 코팅에도 사용할 수 있습니다. 열분사에 일반적으로 사용되는 세라믹 재료는 주로 Al2O3, Cr2O3, ZrO2와 같은 산화물 세라믹 재료입니다. 탄화물과 같은 비산화물 세라믹은 일반적으로 금속 합금을 결합재로 사용하여 금속 기반 세라믹 복합 재료로 제조합니다. 질화물은 매우 취성이고 내산화성이 낮기 때문에 거의 사용되지 않습니다.


세라믹 코팅은 적용 분야에 따라 내마모성 세라믹 코팅, 내식성 세라믹 코팅, 열차폐 세라믹 코팅, 바이오세라믹 코팅, 압전 세라믹 코팅 등 여러 범주로 나눌 수 있습니다.

1. 내마모성 코팅
통계에 따르면 마모와 부식으로 인한 손실은 선진국 GDP의 약 3%-5%를 차지하며, 개발도상국에서는 최대 10%에 이릅니다. 이로 인해 가공 및 생산 과정에서 부품의 성능이 저하되고 결국 고장에 이르게 됩니다. 열분사 기술은 효과적인 마모 감소 및 부식 방지 기술의 가장 중요한 방법으로 사용되어 왔습니다. 마찰과 마모로 인한 에너지 및 재료 손실은 모두 재료 표면에서 발생합니다. 따라서 다양한 표면 공학 기술은 부품 재료의 마찰 감소 및 내마모성을 향상하는 중요한 방법이 되었습니다. 열분사 기술은 가장 널리 사용되는 표면 공학 기술 중 하나입니다. 현재 열분사 기술로 제조된 코팅은 기계 장비에 광범위하게 사용되고 있습니다. 열분사 코팅의 내마모성은 주로 코팅의 조성, 상 조성, 입자 크기 및 함량에 따라 결정되며, 코팅의 결합 강도, 경도, 기공률, 코팅 입자 크기 등의 요인과도 관련이 있습니다. 결합 강도와 경도가 높고 기공률이 낮은 코팅은 더 우수한 침식 및 마모 저항성을 나타냅니다. 현재 일반적으로 사용되는 내마모성 코팅에는 Al2O3 층, Cr2O3 코팅 및 WC-Co 코팅이 있습니다.

작업 조건에 적합한 마찰 저감 및 내마모성 코팅을 제조하려면 적절한 코팅 재료와 그에 맞는 열분사 공정을 선택해야 합니다. 산업과 기술이 빠르게 발전함에 따라 기계 장비의 작업 조건은 점점 더 가혹해지고 있으며, 더 우수한 성능을 가진 마찰 저감 및 내마모성 코팅을 개발할 필요가 있습니다. 한편으로는 코팅 재료의 구성에서 출발하여 고강도, 고경도 또는 자기윤활 기능을 갖춘 새로운 재료 시스템을 설계할 수 있습니다. 예를 들어 경질 세라믹 코팅 또는 금속-세라믹 코팅에 자기윤활 효과가 있는 윤활상(예: 흑연, 이황화 몰리브덴, 고분자 재료 등)을 첨가하여 코팅의 마찰 감소 성능을 향상할 수 있습니다. 현재 대부분의 연구는 코팅의 마찰 감소 및 내마모성을 향상하기 위해 윤활상을 첨가하는 방안을 제시하는 데 그치며, 최적의 원료 배합비와 기타 조건에 대해서는 심층적으로 연구하지 않았습니다. 다른 한편으로 공정 매개변수는 열분사 코팅의 품질에 영향을 미치는 중요한 요인 중 하나입니다. 열분사 공정의 최적화에서 출발하여 다양한 시스템의 코팅에 대한 최적 공정 매개변수를 연구하면 후속 연구의 기반을 마련할 수 있습니다.

2. 내식성 세라믹 코팅
가혹한 환경(예: 해양 염수 분무 환경 등)에서 사용되는 강철은 부식과 마모가 발생하기 쉬워 부품 정밀도가 저하되고 손상됩니다. 기존의 표면 처리 공정은 주로 경질 크롬 도금으로, 즉 음극에서 6가 크롬산염을 석출시켜 높은 경도의 내마모성 및 내식성 코팅을 형성하는 방식입니다. 이 공정은 간단하고 비용이 낮다는 특징이 있습니다. 그러나 크롬 도금 공정은 심각한 환경 오염을 유발하며 많은 산업 분야에서 사용이 제한되고 있습니다. 또한 크롬 도금 과정에서 기판에 수소 취성이 발생하여 기판의 기계적 특성이 크게 저하될 수 있습니다. 따라서 효과적인 대체 공정을 찾는 일이 시급합니다. 열분사 코팅은 높은 효율, 환경 친화성 및 우수한 화학적 안정성으로 인해 부식 방지 분야에서 사용되기 시작했습니다. 방식 코팅 재료는 주로 알루미늄, 아연 및 그 합금 재료, 니켈 기반 합금 재료, 스테인리스강 재료, 복합 세라믹 재료로 나뉩니다.

3. 열차폐 세라믹 코팅
열차폐 코팅(TBC)은 제트 엔진의 고온 부품과 고온 가스를 분리하여 고온 부품의 사용 조건을 개선하기 위해 항공기 엔진 터빈 블레이드 표면에 자주 사용됩니다. 한편으로는 터빈 블레이드의 수명을 연장할 수 있고, 다른 한편으로는 연료를 절약할 수 있습니다. 세라믹 열차폐 코팅과 금속 기판이 우수한 단열 성능을 갖도록 하려면 세라믹 열차폐 코팅은 다음과 같은 특성을 갖춰야 합니다:
① 낮은 열전도율;
② 금속 기판과 일치하는 열팽창 계수;
③ 고온에서 우수한 상 안정성 유지. 일반적으로 열차폐 코팅의 작동층 재료로는 열전도율이 낮은 ZrO2 기반 세라믹 재료를 선택합니다. 세라믹 열차폐 코팅의 주요 제조 기술에는 플라스마 분사, 전자빔 물리 기상 증착, 레이저 클래딩, 고속 화염 분사 및 폭발 분사가 포함됩니다. 가장 널리 사용되는 두 가지 제조 방법은 플라스마 분사(PS)와 전자빔 물리 기상 증착(EB-PVD)입니다. 플라스마 분사 코팅의 조직적 특징은 다수의 기공과 미세 균열이며, 이는 열응력을 완화하고 코팅의 열피로 수명을 향상할 수 있습니다.

4. 바이오세라믹 코팅
티타늄 및 그 합금, 코발트-크롬-몰리브덴 합금, 스테인리스강은 임상에서 일반적으로 사용되는 금속 뼈 임플란트 재료입니다. 임상에서 사용되는 금속 재료는 생물학적 활성이 없으므로 뼈 조직과의 결합을 개선해야 합니다. 금속 임플란트의 표면 개질은 생물학적 특성을 향상하기 위한 필수적인 방법입니다. 열분사 기술은 일반적으로 사용되는 표면 개질 방법 중 하나입니다. 이를 통해 제조되는 생의학 코팅에는 주로 금속 산화물 코팅(Al2O3, ZrO2 등), 생체활성 하이드록시아파타이트(HA) 코팅 등이 포함됩니다. 티타늄 코팅과 하이드록시아파타이트 코팅은 임상에서 널리 사용되고 있습니다. 최근에는 규산칼슘 바이오세라믹 코팅에 대한 연구도 주목받고 있습니다.

5. 압전 세라믹 코팅
압전 세라믹은 뛰어난 압전성을 가진 강유전체의 한 종류입니다. 이는 기계적 특성과 전기 에너지를 상호 변환하는 정보 기능성 세라믹 재료입니다. 압전 세라믹은 압전 효과 외에도 유전 특성과 강유전 특성을 가지고 있습니다. 의료 영상, 음향 센서, 음향 변환기, 초음파 모터, 디스플레이 장치 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 최근에는 분사 기술을 적용한 압전 세라믹 코팅의 제조가 점차 주목받고 있습니다.