냉간 분무

Cold spraying
용사[1] 공정별 입자 온도 및 속도
냉간 분무 설계도
강철 표면에 결합된 냉분사 티타늄 입자의 SEM 이미지

기체 동적 냉분무 또는 냉분무(CS)는 코팅 증착방법이다.고체 분말(지름 1~50마이크로미터)을 초음속 가스 제트 내에서 최대 ca.1200m/s의 속도로 가속한다.기판과의 충돌 중에 입자가 소성변형을 일으켜 표면에 부착된다.균일한 두께를 얻기 위해 분사 노즐은 기판을 따라 스캔됩니다.금속, 폴리머, 세라믹, 복합재료 및 나노결정 분말은 냉간 [2][3]분무로 증착할 수 있다.기체의 팽창에 의해 공급되는 입자의 운동 에너지는 결합 중에 소성 변형 에너지로 변환됩니다.예를 들어 플라즈마 분무, 아크 분무, 화염 분무 또는 고속 산소 연료(HVOF)와 같은 열 분무 기술과 달리 분무는 분무 프로세스 [1]중에 용융되지 않습니다.

역사

냉간 분무는 1990년대 러시아 과학자들에 의해 개발되었다.과학자들은 바람 터널에서 미세 분말의 2상 고속 흐름에 노출된 목표물의 입자 침식을 실험하는 동안 우연히 코팅이 빠르게 형성되는 것을 관찰했다.이 코팅 기술은 1990년대에 [1]상용화되었습니다.

종류들

CS에는 2종류가 있습니다.작동 가스가 1.5MPa [4]이상의 압력, 2m/min3 이상의 유속, 18kW의 가열 전력에서 질소 또는 헬륨인 고압 냉분무(HPCS).5~50μm 크기의 순수 금속 분말을 살포할 때 사용한다.저압 냉분무(LPCS)에서 작동 가스는 압력 0.5~1.0 MPa, 유량 0.5~23 m/min, 가열 전력 3~5 kW의 압축 가스이다.금속과 세라믹 분말의 기계적 혼합물을 분사하는 데 사용됩니다.혼합물에 세라믹 성분이 포함되어 에너지 소비량이 상대적으로 [5]낮은 고품질 코팅이 제공됩니다.

기본 원칙

냉간 분무에서 가장 일반적인 결합 이론은 임계 속도라고 불리는 특정 속도 이상의 입자 기판 계면에서 발생하는 "단열 전단 불안정성"에 기인한다.임계 속도로 이동하는 구면 입자가 기판에 충돌하면 강한 압력장이 접촉점에서 입자와 기판으로 구체적으로 전파됩니다.이 압력장에 의해 재료를 횡방향으로 가속시켜 국소적인 전단변형을 일으키는 전단하중이 발생한다.위험 조건에서의 전단 하중은 열 연화가 작업 변형률 및 변형률 경화보다 국소적으로 우세할 경우 단열 전단 불안정성을 초래하여 변형률 및 온도에서 불연속적인 상승과 흐름 스트레스의 붕괴를 초래한다.이 단열 전단 불안정성 현상은 물질의 용해 온도에 가까운 온도에서 바깥쪽으로 흐르는 방향으로 물질의 점성 흐름을 초래한다.이러한 재료 분사 현상은 [6][7][8]재료의 폭발성 용접에서도 잘 알려진 현상입니다.

냉간 분무의 주요 파라미터

냉간 분사 코팅의 품질과 증착 효율에 영향을 미칠 수 있는 요인은 여러 가지가 있습니다.주요 영향 요인은 다음과 같습니다.

  • 가스 유형(예: 공기, 질소, 헬륨)
  • 가스 압력
  • 가스 온도(냉간 분무 시 최대 온도는 ca. 900 °C[1])
  • 입자 크기
  • 원료 재료 특성(예: 밀도, 강도, 용해 온도)
  • 노즐 타입
  • 기판
  • 증착 속도(건 가로 속도, 스캔 속도, 패스 수...)
  • 스탠드오프 거리, 즉 콜드 스프레이 노즐과 [9]기판 사이의 거리.

콜드 스프레이 매개변수는 원하는 코팅 특성 및 경제적 고려사항에 대해 선택된다.공정 매개변수와 최종 코팅 [10]특성 간의 상관 관계를 고려함으로써 이를 수행할 수 있습니다.이 목적을 위해 사용할 수 있는 소프트웨어 패키지도 있습니다.

장점과 단점

CS는 테크놀로지의 경쟁력을 높이는 많은 이점을 가지고 있습니다.냉간 프로세스이므로 초기 물리적 및 화학적 입자 특성이 유지되고 기판의 가열이 최소화되므로 용융 및 응고가 발생하지 않는 코팅의 냉간 가공 미세 구조가 발생합니다.입자 결합 [11][12]영역과 입자 결합 영역 사이에서 정제된 입자를 사용한 동적 재결정화가 관찰되었습니다.또한 접착 메커니즘이 순수하게 기계적이기 때문에 이 기술은 열에 민감한 재료와 매우 다른 재료 조합을 분무할 수 있습니다.

기타 장점은 다음과 같습니다.[13]

  • 코팅의 높은 열 및 전기 전도율
  • 코팅의 고밀도 및 경도
  • 코팅의 높은 균질성
  • 저축소,
  • 마이크로사이즈 입자(5~10μm) 분무 가능성
  • 나노물질 및 비정질물질 분무 가능성
  • 짧은 대기 거리
  • 최소 표면 준비
  • 저소비 전력
  • 복잡한 형태 및 내부 표면을 얻을 수 있는 가능성
  • 높은 전력 공급 속도로 인한 높은 생산성
  • 높은 증착률 및 효율성
  • 입자를 100% 수거하여 재사용할 수 있는 가능성
  • 유독성 폐기물 없음
  • 연소 없음
  • 고온 가스 제트 및 방사선의 부재로 인해 작동 안전성이 향상되었습니다.

노즐의 작은 크기(10~15mm2)와 짧은 대기 거리(25mm)로 인해 얻은 제트는 고밀도 입자 빔입니다.그 결과 제트의 초점이 높아지고 퇴적 영역에 대한 정밀 제어가 이루어집니다.마지막으로 압축응력을 유도함으로써 고밀도 균일 및 초두께(20μm – 50mm) 코팅이 가능합니다.

다른 한편으로, 몇 가지 어려움을 발견할 수 있다.예를 들어, 이 경우 플라스틱 변형을 통한 기계적 접착은 연성 입자의 경우만큼 효과적이지 않을 수 있기 때문에 단단하고 부서지기 쉬운 재료를 분사하는 것이 어렵습니다.기타 문제로는 [13]다음이 있습니다.

  • 현재 분사 상태의 거의 0에 가까운 연성
  • 연성 기판의 필요성
  • 순수 세라믹 및 일부 합금을 작업 경화 합금으로 가공하기 어려움
  • 헬륨의 고비용
  • 노즐의 오염 및 침식.

적용들

코팅

CS가 위상 민감성 또는 온도에 민감한 재료를 퇴적할 수 있는 능력은 다른 열 분무 기법으로는 불가능한 코팅 준비를 위한 기술을 위치시켰다.CS는 일반적으로 녹는 온도가 매우 높은 재료(탄탈럼, 니오브, 초합금 등)를 포함하여 다양한 금속, 합금 및 금속 기반 복합 재료의 코팅 생산에 사용될 수 있습니다.또한 이 프로세스는 산소의 존재에 매우 민감하고 적당한 고온에서 쉽게 산화되는 물질을 퇴적하는 데도 유용하며, 이는 이러한 물질의 성능에 유해한 결과입니다.CS로 일반적으로 생성되는 산소에 민감한 코팅의 예로는 알루미늄, 구리, 티타늄 및 탄화물 복합 재료(예: 텅스텐 카바이드)[14]와 비정질 [15]합금으로 만들어진 코팅이 있습니다.

CS의 추가적인 발전은 세라믹 재료, 특히 광촉매 [16]효과를 위한 이산화티타늄의 금속 퇴적 및 적층 [17]제조에서의 CS 사용과 관련이 있다.

수리

냉간 분무는 이제 몇 분 안에 기계 부품을 수리하는 데 사용됩니다.금속(니켈 합금) 입자는 질소와 헬륨 가스를 혼합하여 이동하고 손상된 부분에 점차 쌓여 원하는 표면을 재현합니다.로봇은 분무기의 움직임을 제어한다.미 육군은 블랙호크 헬기의 부품을 수리하기 위해 이 기술을 사용한다.제너럴 일렉트릭은 [18]민간용 기술을 채택하고 있다.

제조업

콜드 스프레이 기술을 이용한 적층 제조는 다른 적층 제조 방법보다 훨씬 빠른 45kg/h의 증착 속도로 부품 및 부품을 신속하게 개발할 수 있습니다.

선택적 레이저 용융이나 전자빔 적층 제조와 같은 다른 적층 제조 방법과 달리 냉간 분무는 금속을 녹이지 않습니다.즉, 금속은 열과 관련된 왜곡의 영향을 받지 않으며, 불활성 가스나 진공 밀폐 환경에서 부품을 제조할 필요가 없으므로 훨씬 더 큰 구조물을 만들 수 있습니다.세계에서 가장 크고 빠른 금속 3D 프린터는 9×3×1.5m의 빌드 엔벨로프를 가지고 있으며, 기체 동적 콜드 스프레이를 사용합니다.콜드 스프레이 기술을 사용한 제조는 형태나 크기 제약 없이 형상을 만들 수 있는 능력, 기계가공과 비교할 때 보다 효율적인 플라이(buy-to-fly) 비율, 이종 금속을 융합하여 하이브리드 금속 부품(티타늄 합금, 구리, 아연, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 니켈, 니켈, 니켈, 니켈, 니켈, 니켈, 니켈, 구리, 구리, 구리, 구리, 구리, 구리, 구리, 구리, 니켈, 구리, 구리, 구리, 구리, 구리, 구리, 구리, 구리, 구리, 구리, 구리심지어 하스텔로이와 인코넬도 함께 [19]뿌릴 수 있다.

레퍼런스

Wikimedia Commons에는 가스 동적 콜드 스프레이와 관련된 미디어가 있습니다.
  1. ^ a b c d Kuroda, Seiji; Kawakita, Jin; Watanabe, Makoto; Katanoda, Hiroshi (2008). "Warm spraying—a novel coating process based on high-velocity impact of solid particles". Sci. Technol. Adv. Mater. 9 (3): 033002. doi:10.1088/1468-6996/9/3/033002. PMC 5099653. PMID 27877996.
  2. ^ Moridi, A.; Hassani-Gangaraj, S. M.; Guagliano, M.; Dao, M. (2014). "Cold spray coating: review of material systems and future perspectives". Surface Engineering. 30 (6): 369–395. doi:10.1179/1743294414Y.0000000270. S2CID 987439.
  3. ^ Raoelison, R.N.; Xie, Y.; Sapanathan, T.; Planche, M.P.; Kromer, R.; Costil, S.; Langlade, C. (2018). "Cold gas dynamic spray technology: A comprehensive review of processing conditions for various technological developments till to date". Additive Manufacturing. 19: 134–159. doi:10.1016/j.addma.2017.07.001.
  4. ^ Faizan-Ur-Rab, M.; Zahiri, S.H.; Masood, S.H.; Phan, T.D.; Jahedi, M.; Nagarajah, R. (2016). "Application of a holistic 3D model to estimate state of cold spray titanium particles". Materials & Design. 89: 1227–1241. doi:10.1016/j.matdes.2015.10.075.
  5. ^ Irissou, Eric; Legoux, Jean-Gabriel; Ryabinin, Anatoly N.; Jodoin, Bertrand; Moreau, Christian (2008). "Review on Cold Spray Process and Technology: Part I—Intellectual Property". Journal of Thermal Spray Technology. 17 (4): 495. doi:10.1007/s11666-008-9203-3. S2CID 110570387.
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  10. ^ Assadi, H.; Schmidt, T.; Richter, H.; Kliemann, J.-O.; Binder, K.; Gärtner, F.; Klassen, T.; Kreye, H. (2011). "On Parameter Selection in Cold Spraying". Journal of Thermal Spray Technology. 20 (6): 1161. doi:10.1007/s11666-011-9662-9.
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  14. ^ Karthikeyan, J. (2004년 12월)"콜드 스프레이 기술: 국제적 위상과 미국의 노력"ASB Industries.
  15. ^ Wang, A.P. (2006년 1월) "내식성이 높은 Ni계 완전 비정질 금속 코팅"선양 국립 재료 과학 연구소, 금속 연구소.
  16. ^ Kliemann, J. -O.; Gutzmann, H.; Gärtner, F.; Hübner, H.; Borchers, C.; Klassen, T. (2010). "Formation of Cold-Sprayed Ceramic Titanium Dioxide Layers on Metal Surfaces". Journal of Thermal Spray Technology. 20 (1–2): 292–298. doi:10.1007/s11666-010-9563-3.
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  18. ^ 맥팔랜드, 맷. (2013-11-22) 빠듯한 예산으로 비행기 엔진을 수리하는 것이 훨씬 쉬워질지도 모른다.워싱턴 포스트지.2016-11-26에 회수되었습니다.
  19. ^ "Cold spray for melt-less direct manufacturing". csiro.au.