1. 서 론

2015년 파리협정 이후, 각국의 정부들은 온실가스 감축 에 관련한 정책을 수립하였다. 에너지 생산 측면에서도 화 석연료 기반 발전의 대안으로 바이오매스 발전이 관심을 받고 있으며, 온실 가스인 이산화탄소를 거의 배출하지 않 거나 감축할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 바이오매스 발전의 경우 내부의 산화 분위기와 550°C 이상의 고온 영 역이 존재해 발전기에 사용되는 부품의 수명을 단축시켜 유지비용이 상승하는 문제가 있다. 이를 해결하기 위해 비 정질 분말을 이용하여 High Velocity Oxygen Fuel(HVOF) 용사 코팅으로 바이오매스 발전기 내부를 코팅하는 방식 이 관심을 받고 있다[1-3].

비정질 합금의 경우 원자 구조적으로 단 범위 규칙의 원 자 배열을 가져 기존 결정질 합금 소재와 달리 내마모성, 내부식성이 우수하며 상온에서 수 G Pa의 높은 파괴 강도, 고탄성 등의 우수한 기계적 특성을 가진다. 특히 Fe계 비 정질 합금의 경우 다른 합금계의 비정질 보다 우수한 내 마모성, 내부식성을 갖는다고 보고되어 왔기 때문에 바이 오매스 발전기의 코팅 소재로 적합하다. 하지만 비정질 합 금을 코팅 소재로 사용하기 위해서는 충분한 냉각속도가 (10⁵~10⁶ K/s) 요구되며 이에 따른 적절한 코팅 공정의 선 택이 필요하다[4-7].

HVOF 용사 코팅은 고압에서 산소를 연료와 함께 연소 시켜 분말 입자를 용융 시키고 초음속으로 분사하여 적층 시키는 기술로 다른 코팅 법에 비해 입자의 속도가 매우 빨라 다양한 코팅분야에 사용되고 있다. 또한 약 2700°C 의 고온으로 코팅이 가능해 다른 코팅보다 기공도가 낮고 결합력이 강한 코팅층을 얻을 수 있다. 따라서 HVOF 용 사 코팅을 바이오매스 발전기에 적용하면 발전기 부품의 수명을 연장시켜 유지비용을 줄일 수 있으며, 이산화탄소 배출량의 감소에도 기여할 수 있다. HVOF 용사 코팅은 코팅 공정의 변수들이 코팅층의 물리적 특성과 기공도 등 에 영향을 미치기 때문에 코팅 공정 변수가 물리적 특성 들에 미치는 연구가 진행되고 있다. 또한 기공도가 낮으면 내식성, 접착강도, 경도, 내마모성 등이 증가한다고 알려 져 있으며, 이를 제어하는 것이 코팅층의 물리적 특성을 제어하는데 중요한 역할을 한다[8-13]. Zhao 등[9]은 WCCoCr HVOF 코팅 공정을 변경시켜가며 기공도에 따른 경 도 변화를 분석하였으며, 기공도가 감소할수록 경도가 증 가한다고 보고하였다. 또한, Sidhu 등[13]은 다양한 코팅 기술을 비교하여 기공도에 따른 접착강도를 분석하였으며, 기공도가 낮을수록 접착강도가 증가한다고 보고하였다. 하지만 코팅공정이 기공도에 미치는 영향에 대한 연구는 미비한 실정이다.

본 연구에서는 코팅 공정 중 산소압과 등유압을 변화시 켜 코팅을 진행하였다. 코팅된 시편의 경우 광학 현미경을 통해 기공도를 측정하였다. 측정된 데이터를 바탕으로 코 팅 공정에서 산소압과 등유압의 비율에 따른 기공도 예측 식을 제안하였다.

2. 실험 방법

본 연구에서는 Fe-19.13Mo-20.74Cr-3.23B-1.2C(at.%) 비 정질 분말을 사용하여 HVOF 공정을 통해 코팅 층을 제 조하였다. 비정질 분말은 고압 가스 분사법을 이용하여 제 조하였다. 원료는 순도 99.5% 이상의 Fe, Mo, Cr, B, C을 사용하였으며, 진공 고주파 유도 용해로를 이용하여 1350°C에서 용해하여 직경 3.2 mm 노즐을 통해 2.8 MPa 의 압력으로 Ar가스를 분사하여 제조하였다. 제조된 분말 은 35 μm의 평균 크기를 가졌다. HVOF 용사 장비는 JP 5000(Praxair TAFA, U.S.A)을 사용하였다. 표 1과 같이 9 가지 코팅 조건과 용사거리 380 mm, 분말공급속도 5 rpm, 배럴 길이 10.16 mm로 설정하여 코팅을 진행하였으며, 광 학현미경(OM, Leica Co., DMC 2900)을 이용하여 코팅 층의 기공을 분석하였다. 측정된 실험값과 선형회귀분석 을 이용하여 코팅 조건에 따른 기공도 예측식을 제안하였 으며, 이를 검증하기 위해 추가 실험을 진행하였다. 검증 이 완료된 식을 분석하여 코팅 공정이 기공도에 미치는 영향을 확인하였으며, 코팅 공정의 방향을 제안하였다.

Table 1

Experimental conditions and results of HVOF spray coating

3. 결과 및 고찰

표 1은 코팅 조건에 따른 실험 결과를 나타낸다. 기공도 에 크게 영향을 미치는 코팅공정 조건은 용사거리, 산소압, 등유압으로 알려져 있으며, 용사거리가 멀어질수록 분말 의 용사 속도가 느려지고 모재와 충분한 접착이 일어나지 않을 가능성이 커지게 된다. 본 연구에서는 기공도가 가장 낮다고 알려진 380mm로 설정하여 코팅을 진행하였으며, 이를 통해 산소압과 등유압의 영향을 정량적으로 평가하 고자 하였다[14]. 산소압과 등유압의 경우, 산소압이 126 ~ 146 psi, 등유압이 110 ~ 130 psi로 코팅을 진행하였고, 광 학 현미경을 통해 코팅 층의 기공도를 측정하였다. 그림 1 은 코팅된 시편의 광학 현미경 사진으로 코팅 조건에 따 른 기공도를 알 수 있다.

Fig. 1

Optical microscope image of coated specimens.

그림 2는 코팅 공정에서의 산소압, 등유압에 따른 기공 도의 변화를 나타낸 그림이다. 전체적으로 산소압이 증가 하면 기공도가 증가하고, 등유압이 증가하면 기공도가 낮 아지는 경향을 보이지만 산소압, 등유압과 기공도 사이에 특별한 상관관계를 찾기 힘들다. 코팅 공정에서의 산소압 과 등유압에 따른 기공도의 상관관계를 확인하기 위해 그 림 3과 같이 산소압과 등유압의 비율에 따른 기공도의 변 화를 나타냈다. 그림 3 분석 결과 산소압과 등유압의 비율 이 증가함에 따라 기공도가 지수함수적으로 증가하는 것 을 확인 하였다.

Fig. 2

Variation of the porosity with (a) kerosene pressure, (b) oxygen pressure.

Fig. 3

Variation of the porosity with pressure ratio (oxygen/ kerosene). The black line is predicted values. The circle symbols are experimental results. The green asterisks are verification test results.

위의 결과를 바탕으로 다변량 선형회귀분석을 진행하였 다. 다변량 선형회귀분석은 독립변수(x₁, x₂, …)를 가지고 종속변수( y)를 예측하기 위한 모델로서, 식 (1)의 형태로 나타내며, β_i은 독립변수의 계수를 의미한다.

(1)

y=β0+∑i=1nβixi

그림 2의 코팅 공정에서의 산소압과 등유압이 기공도와 뚜렷한 상관관계를 갖는다고 보기 어렵기 때문에 다변량 선형회귀분석 수행 시 독립변수에서 제외하였다. 그림 3 의 실험 데이터 분석 결과 코팅 공정에서의 산소압과 등 유압의 비율이 증가할수록 기공도가 지수함수적으로 증가 하기 때문에 산소압과 등유압의 비율을 지수함수 형태의 독립변수로 고려하였다. 이는 식 (2)와 같고, ratio는 산소 압과 등유압의 비율을 의미한다.

(2)

Porosity(%)=0.960584+3.01×10−9exp(16×ratio)

제안된 선형 회귀 모델은 결정 계수 값을 통하여 평가 되었으며, 결정 계수의 계산식은 식(3)과 같다.

(3)

R2=(∑[(xi−x¯)(yi−y¯)][∑(xi−x¯)]2×[∑(yi−y¯)]2)2

이때 x_i는 실험 값, y_i는 회귀식으로 계산된 예측 값, x 는 실험 값들의 산술평균,y 는 예측 값들의 산술평균을 의미한다. 그림 4는 제안된 회귀식의 성능을 나타낸 것으 로 결정계수가 0.934로 높은 정확도를 보인다. 또한 그림 3을 통해 식(2)가 산소압과 등유압의 비율에 따라 지수 함 수적으로 증가하는 실험값의 경향을 잘 설명하는 것을 확 인 할 수 있다.

Fig. 4

Relationship between the experimental results and predicted porosity.

제안된 식(2)을 검증하기 위해 표 2와 같이 코팅 공정 변수를 설정하여 검증 실험을 수행하고 기공도를 측정하 였다. 이렇게 얻은 검증 실험 값과 기존 실험 값을 회귀식 으로부터 얻은 예측선과 함께 그림 3에 나타냈다. 그림 3 의 분석결과 검증을 위한 추가 실험 값도 기존 실험 값의 회귀식으로부터 얻은 예측선의 경향을 잘 따르는 것을 확 인할 수 있었고, 이를 통해 공정 조건에서의 산소압과 등 유압의 비율이 증가할수록 기공도가 지수함수적으로 증가 하는 상관관계를 확인했다. 제안식과 데이터의 분석 결과, 산소압과 등유압의 비율이 증가할수록 기공도가 증가하게 되는데, 이는 산소압과 등유압의 비율이 적절치 않을 경우 불완전연소를 야기함으로써, 탄소산화물 및 탄산가스등이 발생하고 생성된 탄소산화물과 탄산가스가 분말과 모재 사이에 흡착되면서 원활한 코팅층 형성을 방해하며, 이로 인해 기공도가 증가하는 것으로 보인다[15]. 그림 5는 공 정 조건에서의 산소압과 등유압의 변화에 따른 기공도의 변화를 나타낸 공정 지도다. 기공도는 제안된 식(2)를 통 하여 계산하였고, 산소압이 낮고 등유압이 높을수록 기공 도가 낮아지는 것을 볼 수 있다. 이는 HVOF 공정시 산소 압과 등유압의 비율을 낮춰야 기공도를 낮출 수 있다는 것을 보여준다.

Table 2

Experimental conditions and results of verification tests

Fig. 5

Effect of oxygen pressure and kerosene pressure on porosity.

4. 결 론

본 연구에서는 HVOF 용사 코팅 공정 조건이 코팅 층의 기공도에 미치는 영향을 확인하기 위해 Fe-19.13Mo- 20.74Cr-3.23B-1.2C(at.%) 비정질 분말을 제조하여 코팅을 진행하였다. 코팅 조건에 따른 시편의 기공도는 광학현미 경을 통해 분석하였다. 분석 데이터를 통해 산소압과 기공 도, 등유압과 기공도, 산소압과 등유압의 비율과 기공도의 관계를 분석하였으며, 산소압과 등유압은 기공도와 직접 적인 상관관계를 보이지는 않았고, 산소압과 등유압의 비 율과 기공도는 지수함수적 관계를 보이는 것을 확인하였 다. 분석 결과를 통해 산소압과 등유압의 비율을 독립변수 로 기공도를 종속변수로 설정하여, 선형회귀식을 제안하 였다. 제안된 회귀식의 결정계수는 0.934로 높은 정확도를 보였고, 이를 검증하기 위해 검증 실험을 진행하였다. 분 석을 통해 검증 실험 값이 기존 실험 값의 회귀식으로부 터 얻은 예측선의 경향을 잘 따르는 것을 확인하였고, 코 팅 공정에서 산소압과 등유압의 비율이 증가하면 기공도 가 지수함수적으로 증가하는 상관관계를 확인하였다.

Acknowledgements

감사의 글

This research was supported by the Ministry of Trade, Industry and Energy (MOTIE) and the Korea Institute for Advancement of Technology (KIAT) through the International Cooperative R&D program (P006837). This work was supported by a Korea Institute for Advancement of Technology grant, funded by the Korea Government (MOTIE) (P0002019), as part of the Competency Development Program for Industry Specialists.

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Figure & Data

References

Citations

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