복합재(Cr3C2)의 특성 비교 연구

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 10778(2023) 이 기사 인용

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대표적인 페라이트/마르텐사이트 내열강(T91)은 재열기, 과열기, 발전소 등에 널리 사용됩니다. Cr3C2-NiCr 기반 복합 코팅은 고온 응용 분야에서 내마모성 코팅으로 알려져 있습니다. 현재 연구에서는 T91 강철 기판에서 레이저 및 마이크로파 에너지를 통해 개발된 75wt% Cr3C2-25wt% NiCr 기반 복합재 클래드의 미세 구조 연구를 비교합니다. 두 공정의 개발된 클래드는 에너지 분산형 X선 분광법(EDS), X선 회절(XRD) 및 비커스 마이크로 경도 평가가 부착된 전계 방출 주사 전자 현미경(FE-SEM)을 통해 특성화되었습니다. 두 공정의 Cr3C2-NiCr 기반 클래드는 선택한 기판과 더 나은 야금학적 결합을 나타냈습니다. 개발된 레이저 클래드의 미세 구조는 수지상 돌기 간 공간을 차지하는 풍부한 Ni 상을 갖는 독특한 조밀한 응고 구조를 보여줍니다. 마이크로파 클래드의 경우 경질 크롬 탄화물 입자가 연질 니켈 매트릭스 내에 일관되게 분산되었습니다. EDS 연구는 세포 경계가 세포 내부에서 Fe와 Ni가 발견된 크롬으로 늘어서 있음을 입증했습니다. 두 공정의 X선 상 분석에서는 탄화철(Fe7C3) 상에도 불구하고 탄화 크롬(Cr7C3, Cr3C2, Cr23C6), 철 니켈(FeNi3) 및 크롬-니켈(Cr3Ni2, CrNi)과 같은 상이 공통적으로 존재한다는 것이 입증되었습니다. 개발된 마이크로파 클래드에서 관찰됩니다. 두 공정의 개발된 클래드 구조에서 이러한 탄화물의 균일한 분포는 더 높은 경도를 나타냅니다. 레이저 클래드의 일반적인 미세 경도(1142 ± 65HV)는 마이크로파 클래드(940 ± 42 HV)보다 약 22% 더 높았습니다. 볼 온 플레이트(ball-on-plate) 테스트를 사용하여 연구에서는 마이크로파 및 레이저 클래드 샘플의 마모 거동을 분석했습니다. 레이저 클래딩 샘플은 경질 탄화물 원소로 인해 우수한 내마모성을 나타냈습니다. 동시에 마이크로파를 입힌 샘플은 미세 절단, 풀림 및 피로로 인한 파손으로 인해 더 많은 표면 손상과 재료 손실을 경험했습니다.

표면 개질 기술은 심각한 마모와 부식을 겪는 엔지니어링 부품의 성능과 내구성을 향상시키는 데 중요합니다. 높은 내마모성과 부식으로 인해 복합 피복재, 특히 Cr3C2-NiCr 시스템이 많은 주목을 받았습니다. 그러나 클래딩 공정에 사용되는 에너지원은 클래딩의 최종 특성과 전반적인 성능에 큰 영향을 미칩니다1. 서멧과 같은 세라믹/금속 복합 재료는 산업 응용 분야에서 기계 부품의 내마모성과 내식성을 향상시키는 탁월한 솔루션으로 오랫동안 인식되어 왔습니다. 그러나 잉곳이나 분말 야금과 같은 기존 접근 방식은 서멧 복합재를 생산하는 데 상당한 어려움을 안겨줍니다. 또는 열 분사, 레이저 클래딩 및 마이크로파 클래딩과 같은 표면 엔지니어링 기술은 산업용 부품의 기능성 코팅을 개발하고 마모 및 부식 관련 문제로부터 대상 표면을 효과적으로 보호하는 실용적인 접근 방식을 제공합니다2,3. 이러한 기술 중에서 HVOF(고속 산소 연료) 스프레이는 다양한 서멧 코팅을 생성하기 위한 상업적으로 실행 가능한 선택입니다. HVOF 공정을 통해 개발된 코팅은 다공성을 최소화하면서 상당한 결합 강도를 나타냅니다. 그러나 HVOF 코팅 중에 코팅 기공을 제거하는 것은 어렵기 때문에 야금적 결합보다 결합 강도가 낮아집니다4. 이러한 단점으로 인해 HVOF 공정의 산업적 적용이 크게 제한됩니다. 코팅 내에 기공이 있으면 부식성 환경에 대한 확산 속도가 빨라져 부품의 서비스 수명에 심각한 위협이 될 수 있기 때문입니다5,6.

레이저 클래딩 공정은 희석 및 금속 결합에 대한 정밀한 제어를 제공하여 세련된 미세 구조의 개발을 촉진하는 코팅 응용 분야의 대체 기술을 제시합니다. 이 기술은 완전히 조밀한 구조를 갖춘 낮은 다공성, 경계면에서 대상 기판에 대한 손상 최소화, 견고한 금속 결합 등 다양한 장점을 자랑합니다. 레이저 클래딩 공정은 최근 고온 내마모성 코팅 분야에서 상당한 주목을 받아 재료 표면 수정에서 중요한 주제가 되었습니다. 예를 들어 Jayaprakash 등7은 구상흑연주철 위에 레이저 합금된 WC-12%Co 및 Cr3C2-25%NiCr 분말의 특성과 미세 구조, 미세 경도 및 내마모 특성에 대한 결과를 조사했습니다. 이 논문의 기여는 구상 철 표면에 WC-12%Co 및 Cr3C2-25%NiCr 분말을 레이저 합금하는 동안 미세 구조 및 마찰 공학적 진화에 대한 통찰력을 제공하는 것입니다. 이는 산업용 응용 분야를 위한 내마모성 코팅을 개발하는 데 도움이 될 수 있습니다. 또 다른 연구에서는 NiCr/Cr3C2-30%WS2 복합 코팅의 레이저 클래딩이 최대 3000°C8의 온도에서 마찰 및 마모 특성을 효과적으로 최소화할 수 있다고 보고했습니다. 현장 레이저 조사를 사용하여 Ni 기반 자체 유동 합금, WC-Co 또는 Cr3C2-NiCr 서멧과 같은 다양한 재료 시스템에 대해 열 분사 코팅의 레이저 재용해가 광범위하게 연구되었습니다. 입력 레이저 에너지 밀도가 높을수록 용융 깊이가 증가하는 것으로 관찰되었습니다5,9.