대기 열 플라즈마를 이용한 고상윤활 복합소재 용사코팅 특성 및 트라이볼로지 거동

Abstract

기존의 PS304는 미세조직 불 균일 및 기계적 특성 저하로 인해 마찰/마모 시 파단 및 크랙이 마모표면에 발생하며 높은 마찰계수 및 마모량을 나타내었다. 따라서 본 연구에서는 두 가지 방안을 대안 하였다. 그중 하나는 분무건조를 한 분말을 코팅한 후 미세조직 최적화를 통해 코팅의 성능향상에 주 목적을 두었다. 이를 위해 PS 304 성분 중 경화소재인 Cr2O3를 나노크기(100나노 이하)로 대체하였으며 분말 송급 시 깨짐 현상을 방지하기 위해 열처리를 실시하였다. 또 다른 하나는 base 재료인 NiCr성분 대신에 내마모 및 내부식성이 우수한 NiTiZrSiSn 벌크 비정질 분말로 대체하여 BMG-Cr2O3-Ag-BaF2/CaF2 코팅과 BMG-Cr2O3 코팅의 특성을 평가 하였다. 열 플라즈마 용사 공정 변수로는 아르곤 가스유량은 110 SCFH로 고정하고 열원의 entalphy를 변화하고자 2차 가스인 수소유량을 5,10,15 SCFH로 변화시켰다. 초기 분말 및 코팅 층의 미세조직은 SEM,EDS,XRD를 통해서 실시하였으며, 비정질 분율 및 열적 특성평가는 DSC를 통해 측정하였다. 코팅 층 특성평가는 미소경도, 기공율 측정, 접합강도를 측정하여 분석하였으며 마모평가는 Pin-on-disc와 적용조건과 유사한 마모 분위기를 재현한 Rig test를 실시하였다. 코팅 층 미세조직 결과 기존 PS304코팅과 벌크 비정질을 혼합분말 한 코팅은 각각 분말의 물리적/열 물리적 특성 차이로 인하여 불 균일한 층 구조를 형성하였으며 2차 가스인 수소유량에 따라 코팅 내에 분포하는 상분율은 많은 차이를 보였다. 특히 벌크 비정질 분말은 비행 거동 시 산화로 인하여 코팅 내 여러 결정상이 분포되었다. 분무건조를 통한 나노구조 분말의 코팅에서는 열 플라즈마 제트 내 비행 시 수소유량에 따른 상분율은 큰 차이를 보이지 않았으며 미세조직 내 상 분포 또한 균일하며 치밀한 조직이 형성되었다. 기계적 특성에서는 미세조직의 균일화 및 치밀화도 어느 정도 영향을 주었지만 재료의 고유특성이 더 큰 영향을 미쳤다. 벌크 비정질 함유 코팅은 수소유량에 관계없이 PS304코팅 및 나노구조 분무건조 분말 코팅보다 경도 및 접합강도에서 우수한 값을 나타내었다. Rig test를 통한 상온과 고온 마모거동에 있어 PS304코팅과는 달리 나노구조 코팅은 균일하고 넓게 퍼진 Ag tribofilm분포를 형성하였다. Ag상의 고른 분포와 치밀한 미세조직은 균일한 Ag tribofilm을 형성시켜 우수한 마찰/마모 특성을 보여주었다. BMG-Cr2O3-Ag-BaF2/CaF2 코팅과 BMG-Cr2O3 코팅은 둘 다 우수한 마찰계수와 마모량을 나타내었다. 특히 BMG-Cr2O3 코팅은 상온에서 마모 시 마모 표면은 거칠고 깨진 조각들을 볼 수 있으며 ZrO2, ZrTiO2과 같은 산화상과 Ni(Ti, Zr) 과 r-Ni solid solution 결정상에서 쉽게 파단되어 표면으로부터 pulled-out되어 상대제로 전이가 된 것을 관찰 할 수 있었다. 상온에서 파단과 파쇄 과정을 거치지만 고온에서는 소성변형(plastic deformation)에 의해 매끄러운 표면과 함께 표면층에서 크랙이 발생하는 것을 관찰할 수 있었다. 과냉액상 영역에서는 초소성 변형을 나타내며 결정화 온도 이상에서는 NiTiZrSiSn 벌크 비정질의 결정화로 인하여 경도가 증대되면서 취성을 나타냈다. 그러므로 고온에서 마모 거동 시 상대제와 접촉하는 부위에 높은 마찰열로 인하여 비정질 상에서 Ni(Zr, Ti), r-Ni solid solution 결정상으로 바뀌며 이러한 결정상은 경도는 높지만 brittle하기 때문에 반복되는 하중으로 인해 crack을 형성한다. 비정질 상은 초소성 변형과 함께 결정화 상을 형성하는 마모거동을 한다. 그러나 고상윤활 성분을 첨가한 BMG-Cr2O3-Ag-BaF2/CaF2코팅은 상온과 고온에서의 시편 단면 미세조직을 관찰 했을 때 BMG-Cr2O3코팅의 단면과 같이 파단이나 결정화 층 구조는 발견되지 않는다. soft한 Ag 성분은 높은 연성과 함께 낮은tangential force에 의해 쉽게 shear가 되어 접촉하는 두 표면 사이에 thin lubricant film을 형성한다. 이러한 thin lubricant film은 반복되는 마찰/마모 시 상대제로 tribofilm을 형성하며 표면 전체에 퍼지며 윤활제 역할을 하게 된다. BMG-Cr2O3코팅은 고온에서 마모 거동 시 결정화 온도(Tg) 이상 상승하여 결정화 층을 가졌으나 BMG-Cr2O3-Ag- BaF2/CaF2 코팅은 Ag tribofilm으로 인하여 접촉표면에서의 마찰힘과 마찰열을 감소시켰으며 그로 인하여 결정화 층이나 크랙을 방지 시켰다. 결과적으로 BMG-Cr2O3-Ag- BaF2/CaF2 코팅은 다른 코팅들에 비해 비정질 물성과 함께 고상윤활 역할로 인하여 상온과 고온에서 가장 우수한 내마모 특성을 보인다는 것을 관찰할 수 있었다.; In order to improve tribological properties, a nanostructured composite coating and the newly designed [BMG]-Cr2O3-Ag-BaF2/CaF2 coatings was deposited by atmospheric plasma spraying, and then compared with a PS304 coating and [BMG]-Cr2O3 coating in view of the wear properties. The tribological behavior of the nanostructured composite coating and BMG base blended coatings was evaluated by a rig test which simulated real service conditions in the turbo-machinery components and tests were conducted at both room temperature and high temperature [350℃]. The results showed that, the PS304 coatings showed a non-uniform microstructure due to the difference in the physical and thermophysical properties of the components which lead to deterioration of the mechanical and tribological properties of the coatings. The friction coefficient was strongly dependant on the content and uniformity of Ag in the coating. The [BMG]-Cr2O3-Ag-BaF2/CaF2 coating had a considerably lower friction and excellent wear resistance at both RT and high temperature due to tribofilm of solid lubricants. However, the friction current of the [BMG]-Cr2O3 was slightly higher due to the crystalline phase formed on the worn surface during sliding friction. As the testing temperature increased, the worn surface of the [BMG]-Cr2O3 displayed a plastic deformation and formed crystallized layer indicating that the wearing temperature at the sliding interface leaded to a higher temperature than the glass-crystal transition temperature (Tx).