유한요소해석을 이용한 저온 분사된 서멧 입자들의 적층 관련 특징 분석

Abstract

저온 분사 분야에서 대부분의 연구들은 소재 측면에서 금속 쪽에 굉장히 치중되어 있긴 하지만, cermet을 대상으로 한 연구 또한 일부 진행된 경우가 있다. 이러한 연구들에 의하면, 저온 분사 공정을 이용한 cermet 소재 적층은 as-received 분말의 상태에 굉장히 큰 영향을 받는다. 따라서 cermet 소재의 저온 분사에 있어서 분말 변수와 적층 거동 간의 상관 관계를 체계적으로 규명하는 것은 굉장히 중요하다고 할 수 있다. 금속 소재의 경우, 유한요소해석을 이용한 단일 입자 충돌 시뮬레이션이 잘 정립되어 있음에 따라, 공정/분말 변수가 적층 거동에 어떠한 영향을 미치는지에 대한 연구가 상당히 잘 정립되어 있다. 반면에, cermet의 경우에는 적층 mechanism이 명확히 규명되어 있지 않고 분말 변수가 적층 거동에 어떠한 영향을 미치는지에 대해 일부 현상학적인 분석만 진행되어 있을 뿐, 보다 근본적인 탐구가 이뤄지진 않았다. 이에 대해 많은 원인들이 존재하겠지만, 그 중 적합한 유한요소해석 용 입자 충돌 시뮬레이션 모델이 존재하지 않는 것이 가장 주요한 것으로 보인다. 따라서, 본 연구에서는 새로운 cermet 입자 충돌 시뮬레이션 모델을 정립하고, 저온 분사된 cermet 입자들의 적층 시 나타나는 몇 가지 특징적인 현상들에 대해 근본적인 연구를 진행하는데 활용하였다. 좀 더 자세하게 말하자면, 정립된 입자 충돌 유한요소해석 모델을 기반으로, i) 입자 fragmentation (구조 붕괴) 측면에서 가장 큰 영향을 미칠 것으로 보이는 입자의 내부 구조 (void 양 및 분포)가 저온 분사된 WC-17Co 분말의 적층 거동에 어떠한 영향을 미치는지 탐구하고, ii) 저온 분사된 cermet 소재의 이론적인 적층 필요조건을 처음으로 고려 및 제시, 도출된 적층 필요조건의 유효성을 확인하였다. 자세한 내용은 다음과 같다.

i) 새롭게 cermet 소재용 입자 충돌 시뮬레이션 모델을 정립하여 분말의 내부 구조가 저온 분사 공정 상에서 WC-17Co 분말의 적층 거동에 어떠한 영향을 미치는지 탐구하였다. 먼저 서멧 분말 입자 내부의 void 양이 증가함에 따라 탄성 회복 에너지 (rebound 에너지)가 소성 변형 에너지 (bonding 에너지) 대비 우세해지는 입자 충돌 속도가 증가함으로써, 동일 속도 하에서 rebound 경향이 약화되고 적층 효율이 향상되는 것으로 파악되었다. 그러나 이것은 void 양이 많을수록 무조건적으로 저온 분사 공정 상에서의 적층성 향상에 도움이 된다는 것을 의미하지는 않는다 (i.e. 후속 입자 충돌에 의한 tamping effect 약화). 다음으로 입자 내 void 분포의 경우, void가 특정 영역에 모여 있는 것이 균일하게 분포되어 있는 경우 대비 단일 입자 충돌 실험 상에서의 적층 효율을 향상시키는 것으로 나타났다. 이는 앞서 언급했던 것과 유사한 이유로 (에너지 balance 경향 변화) 동일 속도 하에서 rebound 경향이 약화되기 때문인 것으로 보인다. 그러나 이처럼 특정 영역에 void가 모여 있는 경우, 충돌 시 평균 contact pressure가 감소함에 따라 후속 입자 충돌에 의한 tamping effect가 약화되어 full-coating을 형성하는데 있어서는 좋지 못한 영향을 미치는 것을 알 수 있었다.

ii) 새롭게 정립된 cermet 소재용 입자 충돌 시뮬레이션 모델을 이용하여 저온 분사 공정 상에서의 WC-17Co 분말 적층 필요조건을 도출하고자 하였다. 먼저 단일 입자 충돌 실험을 통해 충돌 속도 변화에 따른 입자 적층 거동 변화를 탐구 및 분류하였고, 그 후 실험 결과를 단일 입자 충돌 시뮬레이션 결과와 상호 연관시킴으로써 두 가지 적층 필요조건 (lower and upper limit particle impact velocities)을 도출하였다. 그러나 단일 입자 충돌 시뮬레이션 결과만을 가지고 도출한 적층 필요조건은 다음과 같은 문제점을 나타냈다. 한 가지는 tamping effect가 고려되지 않음으로 인해 lower limit particle velocity가 과소평가 된 것이고, 다른 하나는 탄성 복원 에너지가 소성 변형 에너지를 완전히 압도하는 시점을 명확하게 파악할 수 없었다는 것이다. 이에 따라 나타난 문제점들을 보완하기 위해 연속 입자 충돌 시뮬레이션을 진행하였고, tamping effect를 반영 및 보다 실제 입자 충돌 상황을 명확하게 재현함으로써 명확한 범위를 가지는 적층 필요조건을 도출할 수 있었다. 이 후 도출 및 보완된 적층 필요조건에 상응하는 공정 조건을 도출하여 실제 저온 분사 실험을 시행한 결과, 본 연구를 통해 제시된 적층 필요조건이 상당히 효과적인 것으로 파악되었다. 물론 도출된 적층 필요조건의 신뢰성을 확보하기 위해서는 더 많은 연구가 필요할 것으로 사료된다.; In kinetic spraying field, several researches about the kinetic spraying of cermets have been conducted, although a great part of studies in kinetic spraying field have concentrated on the metals. It has been reported that kinetic spraying of cermets is very sensitive to the state of as-received powder. Therefore, it is important to systematically clarify the relationship between the powder factors and the deposition behavior of kinetic sprayed cermet particles. For the case of metals, the effect of process/powder variables on the deposition has been well-established through sufficient researches, specifically assisted by single particle impact simulation using finite element analysis (FEA). On the other hand, with regard to cermets, it is still unclear how the powder factors influence on the deposition behavior, except that overall phenomena are related to the deformability of feedstock. There must be several reasons, but the absence of proper single particle impact FEA model seems to be the most responsible for this. Thus, in this dissertation, FEA model for the simulation of cermet particle impact was newly established, and applied to conduct a fundamental investigation about some of the deposition related features for kinetic sprayed cermet particles. To be specific, on the basis of FEA using the established particle impact model, i) the effect of particle inner structure (void quantity and distribution), which seems to have the largest effect in terms of the particle fragmentation (structure collapse), on the deposition behavior of kinetic sprayed WC-17Co powders was investigated, and ii) theoretical deposition criteria of kinetic sprayed cermets were considered and proposed for the first time with validation of their practical availability. The details are as follows. i) The effect of particle inner structure on the deposition behavior of kinetic sprayed WC-17Co powders was investigated using the newly established single particle impact model. As void quantity of cermet powder increased, the tendency to be rebounded of kinetic sprayed cermet particles decreased (improvement of deposition efficiency), assisted by the increase of the velocity where elastic recovery energy (rebound energy) became superior to plastic deformation energy (bonding energy). However, this not means that the more voids, the better results in kinetic spraying of cermet powders. In addition, in terms of the void distribution, the clustered voids at specific areas had a good effect on the deposition efficiency of cermet powders in single particle impact test, which attributed to the increase of the velocity in which the elastic recovery energy overtook plastic deformation energy. On the other hand, such characteristic void distribution degraded the tamping effect of cermet particles by lowering the average contact pressure during their impact, resulting in the failure of full-coating fabrication. ii) Firstly, alteration in the deposition behavior of cermet powder according to the change of impact velocity was investigated and classified from the results of single particle impact tests. Afterward, by correlating the numerical and experimental results, the deposition criteria of cermet kinetic spraying were considered. As a result, two deposition criteria were derived using single particle impact simulation, but there were some limitations. One is that the tamping effect was not considered (underestimated lower criterion), and the other is that the upper limit of particle velocity was not apparent (overestimated upper criterion). Accordingly, the deposition criteria come from single particle impact simulation were supplemented by the modeling of successive particles impact. As a result, specific deposition range can be defined by lower (~ 675 m·s-1) and upper (~ 735 m·s-1) limit criteria. As practical kinetic spraying of WC-17Co powder was conducted after the choice of process conditions compatible with such criteria, it was confirmed that the deposition criteria mentioned above were sufficiently effective. However, more investigations seem to be required to retain the reliability of deduced criteria (i.e. effect of materials, void size, carbide fracture and etc.).