저온 분사공정에서 충돌입자의 adhesion에너지와 rebound에너지의 상호관계 이해

Abstract

본 연구에서는 저온분사 공정중 연한입자와 경한 모재 사이에서의 적층거동을 관찰하여 에너지적인 관점에서 적층기구를 규명하고자 하였다. 이를 해석하기 위해 구리입자와 SKH51모재 사이에서의 실제 접합분율을 측정하였고, 그 결과를 기존 에너지모델과 비교하여 적합성을 확인하였다. 평균입자속도에 대한 구리입자의 접합분율은 가우시안 함수분포를 보이는 결과를 얻을 수 있었다. 하지만 기존의 충돌에너지모델은 구리입자의 실제 접합분율의 경향성과는 차이를 보였으며 adhesion energy와 rebound energy의 차(A-R 값) 또한 적층구간에서 모두 음의 값을 보였다. 이는 승온영역(heated region)과 비승온영역(unheated region)으로 입자를 구분하였고, 온도의 구배 없이 승온영역에서의 온도는 접촉온도와 같다고 가정하였다. 또한, 비승온영역에서의 온도는 초기 입자의 비행온도로 계산하였다. 하지만, 충돌된 입자는 계면에서부터 위로 올라갈수록 변형의 양이 달라지므로 변형률의 구배가 존재하게 되고, 수십나노초안에 적층이 완료되는 저온분사공정의 특성상 변형률의 구배는 입자의 온도구배에 지배적인 인자가 된다. 이러한 가정의 문제점에 의해서 기존의 충돌에너지모델은 한계점이 발생하였고 개선된 충돌에너지모델이 요구되었다. 본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 입자의 충돌거동을 유한요소해석 프로그램중 하나인 ABAQUS를 이용하여 입자의 변형거동을 해석, 각 요소(element)당 변형률과 온도값을 얻을 수 있었다. 그리고 기존의 충돌에너지모델에서의 유효항복응력 식을 보완하여 승온영역과 비승온영역의 구분없이 온도와 변형률로 유효항복응력을 계산할 수 있었다. 또한, 각 요소당 변형률과 온도값을 구할 수 있어 기존의 입자 전체에 대한 에너지관계를 실제 접합이 이루어지는 계면부에서의 에너지관계로 에너지모델을 개선하였다. 그 결과 실제 입자의 적층거동에서 보여지는 현상을 더 잘 표현할 수 있었다. 최대 접촉면적을 가지는 입자속도이상에서 입자는 소성불안정성에 의해 입자의 끝부분이 위로 올라가며 이로 인해 입자의 접촉면적이 감소하게 된다. 이와 같은 현상을 개선된 충돌에너지모델을 통해서 해석이 가능하였고, 또한 유효항복응력의 감소를 통한 입자의 연화현상 또한 해석이 가능하였다. 최종적으로 입자의 실제 접합분율과 A-R 값의 비교에서도 상당히 잘 부합되는 결과를 얻을 수 있었다. 즉, 저온분사 공정에서 개선된 충돌에너지모델을 이용하여 적층기구를 해석할 수 있었으며 이는 실험결과와 잘 부합됨을 알 수 있었다.; In this study, individual particle impact behavior of soft particle on hard substrate was observed through kinetic spray technology. For experiment, Gas atomized spherical copper powders and SKH51 substrates were used. The ratio of bonds was compared with difference between adhesion and rebound energies. To improve the existing model, the temperature and strain estimated by Finite element analysis were used and the values were applied to the modified equation and were compared with the bond of ratio experimental results. The temperature and strain values for all elements present in the particle volume and at the interface surface were estimated and applied in order to get the accurate coincidence with the experimental results. It is found that the experimental values are in good agreement with the simulated results for all impact velocities.