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요약문
목차
제1장 서론 6
제2장 이론적 배경 9
2.1. 저온 분사 기술의 개요 9
2.2. 저온 분사 공정 14
2.3. 공정 변수 및 분말변수 15
2.3.1. 노즐 형태 15
2.3.2. 공정 가스 종류 17
2.3.3. 공정 가스의 온도와 압력 18
2.3.4. 분사 거리 19
2.3.5. 분사 각도 19
2.3.6. 입자 크기 및 밀도 21
2.3.7. 분말 재료 22
2.4. 가스-입자의 상호작용과 입자 속도의 계산 23
2.5. 저온분사공정에서 입자의 적층현상 및 코팅 특성 26
2.5.1. 소성불안정성 26
2.5.2. 입자간 결합 형태 28
2.5.3. 응력 29
2.5.4. 기공도 29
2.5.5. 산소함량 30
2.6. 충돌 에너지 모델 및 Rebound phenomenon 32
제3장 실험방법 35
3.1. 분말과 모재 분석 35
3.2. 개별입자충돌실험 37
3.3. 유한요소 해석 모델링 39
제4장 결과 및 고찰 41
4.1. 비행입자의 속도계산 41
4.2. 적층현상의 실험적인 접근 43
4.2.1. 접합분율측정 43
4.2.2. 적층된 개별입자의 변형거동 47
4.3. 기존 충돌에너지모델 해석 및 모순점 49
4.3.1. 기존 충돌에너지모델의 adhesion energy 49
4.3.2. 기존 충돌에너지모델의 rebound energy 52
4.3.3. 기존 충돌에너지모델의 재연성과 모순점 54
4.3.4. 기존충돌에너지모델의 문제점 해석 56
4.4. 개선된 충돌에너지모델 58
4.4.1. 유한요소 해석을 통한 변형률, 온도구배해석 58
4.4.2. 입자전체의 온도와 변형률구배를 이용한 충돌에너지모델과 문제점 59
4.4.3. 계면의 온도구배와 변형률구배를 이용한 개선된 충돌에너지모델 61
제5장 결론 68
5.1. 개별입자 충돌실험 및 기존 충돌에너지 모델의 문제점 68
5.2. 개선된 충돌에너지 모델의 제안과 모델의 적합성 평가 68
참고문헌 69
Abstract 74
감사의 글 75
Table 3-1 Physical properties of the particle and substrate. 36
Table 3-2 The parameters of spraying experiments. 38
Table 4-1 The mean particle velocities for process gas conditions. 42
Fig.2-1. Comparison between thermal and kinetic spray coatings. 10
Fig.2-2. Deposition efficiency according to the particle velocity. 11
Fig.2-3. Deposition behavior of kinetic spray coating. 12
Fig.2-4. Schematic diagram of the kinetic spraying system. 14
Fig.2-5. Types of nozzle in kinetic spray coating process. 15
Fig.2-6. (a) Dimension and geometry of MOC nozzle (b) Dimension and geometry of standard nozzle. 16
Fig.2-7. Comparison of in-flight particle velocity, based on nozzle length. 16
Fig.2-8. Comparison of particle velocities, based on type of process gas and powder. 17
Fig.2-9. Effect of particle temperature and process gas pressure on particle velocity. 18
Fig.2-10. Particle impacting angle within a cross section of particle flux. 19
Fig.2-11. Effect of spray angle on the relative deposition efficiency. 20
Fig.2-12. Effect of particle diameter and density on particle velocity. 21
Fig.2-13. Materials used for coating in kinetic spray process. 22
Fig.2-14. Deformation behavior, based on impact time between particle and substrate. 26
Fig.2-15. Schematics of the stress-strain curves in a normal strain-hardening material("Isothermal"), an adiabatically softened material("Adiabatic") and in a material undergoing an adiabatic shear localization("Localization"). 27
Fig.2-16. Formation stages of interface roll-up and vortices. 28
Fig.2-17. Cross section of kinetic spray coating. 30
Fig.2-18. Comparison of oxide contents in coating layer, in kinetic spray and other thermal spray techniques. 31
Fig.2-19. Types of Individual particle deposition. 32
Fig.2-20. Adhesion energy & rebound energy for the impact of 25㎛ Al-Si feedstock onto the mild steel substrate. 33
Fig.2-21. Relations of adhesion energy-rebound energy and ratio of bonds for the impact of 25㎛ Al-Si feedstock onto the mild steel substrate. 33
Fig.3-1. Cu powder morphology and cross section. 35
Fig.3-2. particle size distribution (Cu powder). 36
Fig.3-3. Individual particle impact test. 37
Fig.3-4. Initial configuration and boundary conditions for an axisymmetric model. 40
Fig.4-1. (a) Schematic of coating layer formation process (multiple particle impact), (b) Schematic of individual particle impact. 44
Fig.4-2. Cross section of deposited particle. 44
Fig.4-3. Scanning Electron Microscope images of deposition for each process conditions. 45
Fig.4-4. Ratio of bonds as a function of mean particle velocity. 46
Fig.4-5. Bonding behavior of a bonded particle for each process condition. 47
Fig.4-6. Adhesion - Rebound energy based on previous impact energy model and the ratio of bonds as a function of the mean particle velocity. 54
Fig.4-7. Particle regions in the previous impact energy model. 56
Fig.4-8. Adhesion and rebound energies as a function of mean particle velocity for entire particle elements. 59
Fig.4-9. Adhesion energy - Rebound energy as a function of mean particle velocity for entire particle elements. 60
Fig.4-10. Particle temperature gradient and strain gradient in each impact particle velocity using ABAQUS/Explicit 6.7-2. 61
Fig.4-11. Schematic of the curvature generation along interface; (a) particles impacting onto surface, (b) differential flow velocities along interface, (c) generation of interface curvature. 62
Fig.4-12. (a) Temperature and (b) strain at different positions of the interface for different impact velocities. 63
Fig.4-13. Amax as a function of mean particle velocity. 64
Fig.4-14. Effective yield stress as a function of mean particle velocity. 65
Fig.4-15. (a) Adhesion and Rebound energies as a function of mean particle velocity (b) Adhesion energy - Rebound energy and ratio of bonds as a function of mean particle velocity. 66
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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 프로그램 중 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 적층 거동에서 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 충돌에너지 모델을 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.
원문구축 및 2018년 이후 자료는 524호에서 직접 열람하십시요.
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