저온 분사 공정을 통하여 형성된 Al/Ni 복합소재 코팅 제작 및 특성 분석

Abstract

라이너는 일반적으로 explosively formed penetrator (EFP)에서 목표물에 충돌 후 관통하여 피해를 입히는 핵심 부품이다. 본 연구 에서 개발하고자 하는 이중층 라이너는 단순한 목표물을 관통하는 것뿐만 아니라 관통하는 과정 중 반응하여 관통 후 폭발하여 무기의 살상력을 높이기 위함이다. 이것은 라이너 후면에 폭발 반응성이 있는 금속성 소재를 접합하여, 충돌 과정 중 이 금속성 소재가 반응 및 폭발하는 것으로, 라이너와 폭발성 물질 간의 접합 공정을 통하여 제조된다. 라이너의 경우 높은 strain rate와 strain으로 변형하기 때문에 높은 접합력으로 이러한 변형을 수용할 수 있어야 하며, 관통 시에는 산소 및 반응성 금속과 접촉하여 폭발 반응을 일으켜야 하는 요구 조건을 충족시켜야 한다. 이러한 요구 조건을 충족시킬 수 있는 코팅 공정으로 저온 분사 공정을 도입하여 라이너의 반응성 향상에 관한 연구를 진행하였다. 자가연소합성반응 물질인 알루미늄과 니켈을 사용하여 반응성 코팅층을 제작하였다. 이에 따른 알루미늄과 니켈의 최적의 성분비를 찾기 위해 1 : 1, 3 : 1, 1 : 3의 비율로 실험을 진행하였으며 ABAQUS 유한요소 해석 툴을 사용하여 임계속도를 측정 후 공정조건을 설정하였다. 전산모사 결과로는 알루미늄의 분말의 임계속도가 상온에서 780 ms-1 로 가장 높은 임계속도로 나타나 알루미늄 적층 공정조건을 기준으로 코팅을 진행하였다. 분말 예열 처리를 통하여 적층 효율을 높이고자 하였으며 성분비에 상관없이 성공적인 적층이 이루어 졌다. 뿐만 아니라 순수 알루미늄 코팅층에 비해 니켈과 함께 적층시킬 경우 tamping effect에 의해 더 높은 적층 효율과 접합강도를 나타내었다. DSC 분석을 통해 성분비에 따라 발열량에 대해 분석하고자 진행하였고 알루미늄과 니켈을 1 : 1의 성분비율이 가장 높은 발열량을 나타내었다. 그리고 알루미늄과 니켈의 반응을 분석하기 위해 SEM, EDS, TEM 등을 통해 분석을 진행하였으며 알루미늄이 용융되기 시작되어 니켈 주변부에서 자가연소합성반응으로 발열 에너지를 방출하는 것으로 나타났다. 그러나 반응 이후에도 잔존해 있는 니켈들이 많기 때문에 반응성을 높이기 위해 분말 전처리 과정인 Arrested reactive milling을 시행하였다. Arrested reactive milling이란 밀링 시의 두 성분의 반응 없이 반응 면적만을 넓혀주는 공정으로써 이를 통해 알루미늄과 니켈의 반응 면적을 높이고자 하였다. 이를 통해 알루미늄과 니켈의 활성화 에너지를 낮추고 반응 면적을 넓혀주어 기존의 코팅보다 많은 양의 발열 에너지를 나타내었다.