KR950014072B1 - 재료형성을 위한 열 분사재의 고속 용사장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

재료형성을 위한 열 분사재의 고속 용사장치.

제 1 도는 본 발명상의 실시예로서의 용사 스프에이건의 길이방향의 횡단면을 나타낸 것이다.

제 2 도는 본 발명상의 연료노즐의 측면사시도이다.

제 3 도는 제 1 도의 3-3선을 따라 잘라 본 횡단면도이다.

제 4 도는 본 발명상의 전기아크 앗셈블리를 가진 초음속 열분사용 스프레이 건의 평면도이다.

제 5 도는 두개의 와이어 전기아크를 포함하는 실시예로서 본 발명의 방법 및 장치를 다이아그램식으로 나타내 본 것이다.

제 6 도는 두개의 와이어 아크로부터 용융된 금속을 분무하고 바렐출구를 유출하는 평행분사 입자흐름을 만들고 스프레이건의 작아지는 목구멍부에서 불꽃면부를 형성하는 것을 다이아그램으로 나타낸 그림이다.

제 7 도는 초음속열분사장치의 작아지는 목구멍부 속으로 연료, 산화제가스 및 공급재료를 흐르도록 하는 것을 표시한 것이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 용사장치 12 : 버너 하우징

14 : 바렐 18 : 작아지는 목구멍부

20 : 공급재료 유입용 보어 22 : 공급재료유입용 튜브

24 : 공급재료 하우징 26 : 나사가공된 끝단부

28,36 : 칼라(collar) 30 : 연료노즐

32 : 환상의 연료통로 38,56 : 끝단부

40 : 산화제 통로 52 : 산화제 입구통로

54 : 연결기 56 : 스프레이(분사)통로

60 : 열 교환실 66,68 : 어댑터(adapter)

70 : 두선의 와이어 전기 아크앗셈블리

72 : 캐리지(catrriage) 74,76 : 와이어 가이드

78,80 : 와이어 84,84' : 와이어 스푸울

90 : 전력공급장치 92 : 마스터 콘트롤러

100 : 회로 104 : 가스 공급라인

112 : 불꽃전면부

본 발명은 열분사재의 용사장치에 관한 것이다.

본 발명은 그 중에서도 코팅재, 즉 피복재와 같이 극히 높은 밀도를 가진 재료나 망상에 가까운 재료와 같은 재료를 제조하기 위하여 고속의 연속적인 확산반응(continuous high - velocity diffusion rection)을 이용한 용사장치에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 매우 우수한 금속적 및 물리적 성질을 가진 열분사(thermalspraying)에 의하여 형성되는 고밀도재료(high density materials)를 제공하기 위한 것이다.

통상 열분사는 금속기재(metal substrates)를 보호하기 위하여 보호피복물질을 이용하는 많은 산업분야에 널리 이용되고 있다. 근래에 와서는 코팅 피복재 또는 망상구조체(net structures)에 가까운 재료와 같은 고기술 복합재(high-techcomposite matersls)의 구조재에 초점이 모아지고 있다. 높은 에너지 입자 흐름(high-energy particle stream)을 형성하기 위해 하나 또는 그 이상의 입자를 가열하고 가속화시키면, 금속 분말류가 목표물상에 신속히 중착등과 같이 용착(deposition)되게 할 수 있는 열 분사방법이 얻어진다. 분사된 코팅피복재나 이와같은 류의 물질의 현미경 조직과 성분을 좌우하는 많은 매체 변수들이 있는데, 목표물을 충격시킬 때의 입자의 속도가 그중에서도 용착의 밀도와 균일성을 결정하는 중요한 인자이다.

플라스마 분사(plasma spraying)로 알려진 종래 기술상의 용착기술 중의 하나는 기지(피복하려고 하는 본체)상에 분말화 되거나 미립화 된 재료를 분사하기 위하여 고속의 가스플라스마를 채용하는 기술이다. 플라스마를 형성하기 위하여, 스프레이건(spray gun)의 노즐에서 전기아크(electric arc)를 통해 가스를 흐르게 하므로써 가스가 이온화되어 플라스마 흐름 또는 플라스마류 속으로 들어가도록 할 수 있다.

이 플라스마 흐름은 극히 높은 온도에서 때로는 10,000℃를 넘는 온도하에 존재하는데, 분사할 물질은 통상 입자형태로서 약 20~100 미크론의 크기로서 플라스마에 동반되어 초음속 이상의 속도로 분사되어 목표물에 도달된다. 플라스마 분사가 고밀도 코팅피복을 가능케 하지만, 그러나 이 분사방법은 극히 비싼 고가의 장비가 필요하고 실제 응용에 있어 상당한 기술이 필요한 복잡한 방법이다.

연소불꽃 역시 분말금속과 기타 기지상에 피복될 재료들을 분사하는데 사용되어 왔다. 아세틸렌과 산소를 함유한 가스와 같은 연료가스의 혼합물은 노즐을 통해 흘러 노즐 끝부분인 노즐팁에서 연소되고, 분사될 물질은 가열되어 목표물상에 추진되도록 하는 불꽃 속으로 계량되어 분사된다. 이 때의 공급재료(feed stock)는 불꽃전면부(flame front)의 중앙속으로 축상으로 통과되는 금속봉으로 구성되는데, 이 금속봉은 또한 불꽃속으로 장입(공급)되기도 한다.

이와같은 요령으로, 금속분말은 캘리어가스(carrier gas)에 의해 불꽃전면부 속으로 축상으로 유(투)입되기도 한다. 연속불꽃 분사 즉 용사용 건(gun) 중의 많은 것이 중력장입기구(gravity feed mechanism)를 이용하고 있는데, 여기에서 분말화된 재료는 단순히 불꽃전면부 속으로 낙하될 뿐이다.

종래의 용사방법은 그러나, 전형적으로 음속이하의 범위에 있는 저속용사 방법이며 항상 고도의 기공성(porosity)을 갖는 코팅피복(coatings)를 제조하게 된다.

다른 용사기술을 보면, 전기아크가 두개의 소모성 와이어 전극사이의 아크존(arczone)에서 발생되고, 전극이 용융됨에 따라, 아크는 아크존속으로 전극을 연속적으로 공급하므로써 소모성 와이어전극의 끝부분인 전극팁(electrode tip)에서의 용융금속은 압축가스의 송품에 의하여 분사된다. 이 분사된 금속은 기지에 가스젯트 분사에 의해 추진되어 용착물 또는 피복물(deposit)을 형성한다. 종래의 전기 아크용사 피복재는 통상 농밀하고 산화물이 거의 없으나, 그 반면 전기적으로 전도성을 가지고 용도에 따라 부적합한 와이어나 봉의 형태로 되어 있는 공급재료는 적용할 수 없어 공정상 그 적용이 제한되어 있다.

최근에는, 용사의 개량이 이루어져 종래의 불꽃 분사기술로 만든 제품보다 훨씬 우수한 물리적인 성질을 가진 고밀도제품(high-density articles)이 제조되어 왔다.

그 대표적인 예가 소위 "초음속(supersonic)"이라는 용사용 건으로 만든 제품인데, 이들 장치들은 통상 연료가스 예컨데 수소나 프로필렌 및 산소가 함유되어 있는 가스와 같은 혼합연료가 연소되는 연소실을 갖기도 한다. 이렇게 하여 팽창되는 고온의 연소가스가 초음속을 달성할 수 있는 분사 노즐을 통해 분사되는 것이다. 금속분말과 같은 공급재료(feed stock)를 고온, 고속 입자흐름으로 만들기 위하여 고속불꽃 분사류(high-velocity flame jet) 속으로 장입하면, 음속보다 저속의 연소불꽃 방법에 의해 제조한 것보다 높은 농도를 가진 코팅피복재를 이에 실려들어 가는 입자(entrained particles)의 속도로 제조가능하다. 이들 장치의 예가 브라우닝씨의 미국 특허 제4,432,551호 제 4,643,611호 및 제4,370,358호와 오에샬레씨의 미국 특허 제4,711,627호에 소개되어 있다.

용사장치에 관한 또 다른 예가 스미스등에 특허 부여된 미국 특허 제2,861,900호에 소개되어 있다. 여기에는 유체연소 혼합물이 바렐이나 노즐엘레멘트내에서 연소되는 것으로 여기에서 입구로부터 출구까지 수축되지 않는 밀폐공간이 구성되어 있다. 금속분말과 같은 공급재료는 그곳을 통해 목표물로 추진되는 수축되지 않는 바렐속으로 축상으로 유도되어 투입된다. 이 공급재료와 연료가스와를 모두 이송하기 위해 사용하는 것에는 주입기 노즐의 축공(axial bore)이 있다. 이 공급재료는 연소되기 전에 연료가스내에 동반유입된다. 연소중에는 입자궤도가 벽표면상에 충돌되고 축적되도록 바렐벽 근처에서 공급재료입자가 가열되도록 방사상의 구성체를 필요로 한다. 게다가, 이들 입자들의 동작효과는 입자주입기지(particle injectionsite)와 연소역(combustion zone) 사이의 먼 거리 때문에 커진다. 또한 방사상의 속도도 입자의 평균 속도를 감소시킨다. 본 발명은 이들 제한조건을 극복하고 입자들의 축상의 평행 분사흐름(collimated flow)을 가져오도록 단계적으로 연속적인 고속확산반응을 일으키고 또한, 입자유입속도와 연료가스 흐름비 또는 속도를 독자적으로 허용하는 초음속 용사장치를 제공하므로써 여러가지 특징과 장점을 부여하도록 한 것이다.

종래의 열분사법은 동시에 두가지 이상의 별개의 재료를 동시에 분사하므로써 복합재료(composite materials)를 형성하는데 사용되어 왔다. 세라믹-세라믹 복합재(ceramic-ceramic composites)을 뜻하는 "세르멧츠(cermets)" 또는 "금속-마트릭스 합성물"로 알려진 세라믹-금속의 합성물들이 피복재로 사용되어 왔다.

또는 망상에 가까운 재료로서 만들어져 왔다. 또한 하나의 스프레이 건을 이용하여 제 1 입자흐름을 만들고 다음 다른 건으로부터 목표물 표면에 도포되는 스프레이를 형성하기 위하여 제 1 흐름을 입자흐름과 결합시켜서 재료를 구성하기도 하였다. 이와같은 방법으로 보호코팅을 형성하는 방법이 가자드(Gazzard)외 여러사람들에게 허여된 미국 특허 제3,947,607호에 의해 개시되어 있다. 여기에서 전기아크건(electric arc gun)과 분리된 별도의 산소/연소가스-메탈라이징 건(combustion-metallizing)을 사용하여 여러가지 결합된 스프레이 용착물을 만드는 방법에 대해서도 간단히 기술되어 있다. 그러나 두개의 분리된 별도의 분사용 스르레이건을 사용하여 복합 코팅재를 형성한다는 것은 어렵고 까다롭다. 따라서 스프레이건 하나로 메탈-마트릭스 합성물과 같은 복합물을 만들고 전기아크분사와 초음속 용사의 장점을 취하는 방법이 바람직하다. 즉, 본 발명은 제 1 재료의 높은 에너지 입자흐름을 용융된 제 2 재료에 분무하므로써 복합입자 흐름을 만들수 있는 초음속용사시스템(supersonic flame spray system)을 제공하므로써 이들 목적을 달성하기 위한 것이다.

본 발명상의 초음속 용사장치, 용사시스템 및 방법은 특히, 본 발명상의 개선된 코팅 피복재와 합성물을 만드는데 적합하며, 여기에는 금속기지 또는 메탈-마트릭스 합성물과 망상에 가까운 것(near net shapes)이 포함된다. 개선된 용사장치는 구조상 간단하여 가스소비가 낮는 상태에서 작업가능하고 정비도 비교적 용이하다. 그 결과 높은 작업성, 훌륭하게 결착된 코팅재가 사실상 충분한 밀도를 가진 정교한 재료의 특성을 구비하고 성분상으로도 실질적으로 균일한 것을 얻을 수 있다. 따라서, 본 발명상의 장치, 방법 및 성분은 종래의 기술에 비하여 일충 진보되고 효과가 높은 신규의 기술을 제공하기에 이른 것이다.

본 발명상의 초음속용사 장치는 메탈-마트릭스 합성물을 포함하는 합성물을 형성하며, 공급재료 통상 분말이나 미립자화한 공급재료의 초음속을 얻기 위하여 미세하게 입자화 되어 있는 가열된 공급재료를 가열하고 가속화하는 초음속 열분사용건(supersonic thermal spray gun)을 포함구성 한다. 이 초음속 열분사용건의 실시예에서는 관상의 바렐부가 있는데 이 바렐부에는 가열되고 가속화된 미립화 공급재료를 수납하는 입구와 초음속으로 목표물을 향하여 가열되고 가속화된 공급재를 향하도록 하는 출구가 있다. 본 발명상의 열분사용건의 가장 바람직한 최량의 실시에는 이하에 기술하는 바와같이 소리의 속도를 가진 연료와 산화제의 가스상의 연소생성물을 가속화한다. 출구 흐름에서 발생되는 외부 "다이아몬드"현상을 카운팅하여 여러가지 장입속도로 방출가스속도를 경험적으로 측정하는 것은 본 발명상의 용사용건으로 극히 높은 속도가 이루어질 수 있음을 가르킨다.

또한, 본 발명상의 초음속 용사장치와 다른 일반 상업적인 초음속 용사용건을 본 발명상의 방법으로 비교하면 본 발명상의 용사용건쪽이 종래장치보다 훨씬 높은 속도를 얻을 수 있다. 방출 미립화 재료의 속도는 초음속이라야 한다. 어떤 경우이든, 본 발명상의 개선된 초음속 용사장치를 사용하여 코팅 피복하면 우수한 품질을 얻을 수 있는데, 여기에서 "초음속"이라 하는 것은 소리의 속도 보다도 통상 같거나 큰 속도를 말한다.

금속-마트릭스 합성물을 포함하는 복합물을 형성함에 있어, 초음속 용사장치 또는 열분사장치에는 또한 공급재료를 공급하기 위한 액체공급기구가 포함되는데, 가급적 바렐부출구를 나갈 때 가열되고 가속화된 분말 공급 재료 속으로 유입된다.

가속화되고 미립화된 공급재료는 이와같이 액상 공급재료를 분무화시켜서 목표물을 향하여 실질적으로 균일하게 분포된 분무화된 액상으로 사출된다. 그 결과 나온 피복재나 복화물은 열분사시 충분한 밀도를 가진 것으로 되어 복합물은 실질적으로 균일한 성분으로 된다. 가장 바람직한 실시예에서는 두개의 선을 가진 와이어 아크용사장치(two-wire arc thermal spray apparatus)를 가진 장치가 채용되는데, 이 용사장치에는 두개의 와이어를 연속적으로 바렐부출구에 인접된 가열되고 가속화된 입자화 공급재료 속으로 유입(공급)하기 위한 기구의 와이어 단부를 건너 전기이브를 세우고 액상의 금속 공급재료를 형성하고 화이어 단부를 용융하는 기구와가 구비되어 있다.

초음속 열분사 장치가 금속-마트릭스 복합물을 만드는데 사용될 경우, 분말화되거나 미립화된 공급재료는 재화재로 하기도 하는데, 내화재에는 내화성 탄화물(refractory carbides), 내화성 붕화물(refractory borides), 내화성 규화물(refractory silicides), 내화성 질화물(refractory nitrides), 또는 이들의 결합으로 된 것이 포함되고 탄화 휘스커(carbon whiskers)도 포함된다. 개시된 실시예에서의 액상 공급재료는 액상 또는 용융된 형태를 가진 금속재나 기타 다른 재료로서 와이어나 로드(rod)형태로 이용가능하며 두개의 선을 가진 와이어 아크 시스템을 사용하여 용융할 수도 있다. 따라서, 본 발명상의 초음속 용사장치 및 방법은 여러가지 밀도가 충분하고 실질적으로 균일한 금속-마트릭스 복합물의 형태로 실용화한 것으로, 이들 상당수의 복합물이 다른 공지의 용사 방법으로는 만들어지지 못하는 실정이다.

초음속 용사장치의 최량의 실시예로서는 고읍재료를 수납하는 공급재료투입용 보어를 가진 몸체부와 이 공급재료용 보어와 동측상으로 정렬된 작아지는 목구멍과 연통되어 있는 출구를 가진 장치를 들 수 있다. 이 몸체부에는 유체 연료를 수납하는 입구를 가진 연료통로가 있고, 또한 출구, 통상 환상의 출구가 있는데, 이 출구는 공급재료용 보어를 둘러싸고 목구멍부(throat)와 연통되어 있다. 건의 몸체부도 또한 산화제를 수납하는 입구를 가진 산화제 통로를 포함하며, 이 산화제통로는 산화제(oxidant)와 산소와 같은 기체를 수납하는 입구를 가지며 아울러 목구멍부와 연통되는 출구도 갖는다. 실시예에서 산화제출구는 환상의 것으로서 연료분출구를 둘러싼다. 목구멍부는 이와같이 프러릴렌과 같은 연료나, 연료와 공급재료와를 혼합하기 전에 환상의 통로출구로부터 산화제를 수납한다. 목구멍부에는 연료로부터 충분히 공간을 띤 원주형 벽과 혼합을 가져오고 목구멍부내에 연료와 산화제의 부분연소를 가져오는 산화제 통로가 있다. 이하에 상세히 설명하겠지만 연료와 산화제는 다음 연소되어 목구멍부내에서 불꽃전면부를 만들어 내는데, 이 목구멍부는 들어오는 반응연료를 극히 빠르게 가열하며, 공급재료를 촉징하기 위한 구동력과 원주벽의 정점에서 출구를 통해 가스상의 연소생성물을 촉징하기 위한 구동력을 부여한다.

원추형 벽의 정점(apex)은 공급재료용 보어와 통상 도축정렬되어 있다.

본 발명상의 불꽃분사장치와 방법에 있어 최량의 실시예는 극히 높은 속도로 가스상의 연소생성물을 촉진하는 작아지는 목구멍부내에서 발열반응을 이용하는 것이다. 연료와 산화제 가스는 작아지는 목구멍부 속으로 유입되는데, 통상 분리되고 동축정렬되고 연소되어 작아지는 목구멍부(converging throat) 안에서 불꽃전면부(rlame front)를 만들며, 이 작아지는 목구멍부 출구와 건의 바렐부를 통하여 가열, 팽창하고 가스상의 연소 생성물을 촉진하는 것이다.

바람직한 실시예에서, 연료는 한정된 목구멍부에서 연소되는 불꽃전면부 속으로 목구멍부의 측에 인접되게 공급되고, 불꽃전면부를 통하여 공급재료를 건의 바렐부속으로 유도촉진되게 한다. 산소는 불꽃전면부내에 남아있는 연료와 반응하여 불꽃전면부를 계속 유지하도록 한다. 최량의 실시예는 연료와 산화제비가 적절히 되어 분리된 통로를 통해 목구멍부 속으로 들어가서 연료가 풍부한 조건을 만드는 것이고, 더욱 반응에 의해 발생된 에너지를 증가시키는 것이다.

본 발명상의 용사장치에 있어 최량의 실시예는 환산의 산소가스 통로가 연료통로에 관하여 점차 작아지도록 한것으로, 공급재료용 보어의 축을 향해 산화제 가스를 불꽃전면부에 남아있는 연료와 반응시키기 위하여 공급재료용 보어의 축을 향하여 산화제 가스를 곧바로 직행케하고 불꽃전면부를 둘러싸게 하는 일이다. 또한, 공급재료용 보어의 단면적은 미립화 되거나 분말화 된 공급재료가 연료 및 산화제 가스보다 큰 속도로 작아지는 목구멍부 속으로 장입되도록 환상의 연료 및 산화제 가스통로 출구의 단면적보다 작다.

마지막으로, 바렐의 내경은 분말용 보어의 내경의 몇배가 되는 것이 바람직한데, 가열된 공급재료의 미립이 바렐부를 통해 배출될 때, 바렐의 내면을 오염시키는 미립이나 분말과 같은 것을 감소시킬 수가 있다.

따라서, 본 발명상의 최량의 실시예에 따라, 열분사작업상 공급 재료입자에 대한 열 및 운동에너지를 공급하기 위하여 연속적인 고속의 확산반응을 이용한 용사장치가 제공된다. 하나의 실시예로서, 용사장치에는 공급재료가 도축정렬된 작아지는 목구멍부로 이루어지는 연속적인 고속의 확산역으로 장(투)입 되는데, 이 목구멍부는 공급재료용 보어의 출구와 연통되어 있다. 이 작아지는 목구멍부(converging throat)는 공급재료용 보어의 출구로부터 인접되고 간격을 띈 점차 작아지도록 한 원추형 벽면을 가지고 있다. 공급재료용 보어는 두개의 동심환고리(concentric annuli)로 이루어지는 벽 엘레멘트로 둘러싸인 축상정렬된 공급재료옹 튜브로 이루어져 있다. 이 내부환고리는 연료가스통로의 역할을 하고 외부환고리는 산화제 가스통로 역할을 한다. 환상의 연료가스통로의 출구와 환상의 산화제 가스통로의 출구는 동축정렬되고 작아지는 목구멍부에 연통되어 있다. 바렐은 부착되어 있는 공급재료용 보어와 축상정렬된다. 이 바렐은 용사장치의 작아지는 목구멍부의 작아지는 단부에 부착되어 있다.

일실시예로서 바렐은 열교환자켓에 의해 둘러싸여져 있다.

작업에 있어, 본 발명상의 방법의 수행에 있어, 통상 산화제 가스로서는 산소나 산소부화 공기가, 연료가스, 그중에서도 프로필렌이나 프로판과 같은 고온의 연료가스가 환상의 연료가스통로를 통해 동시에 흐르는 동안 모체부의 환상의 산소 가스통로를 통해 흐른다는 점이다. 환상의 고리의 출구에서 연소가스콘(fuel tgas cone)은 작아지는 목구멍부에서 산화제 가스에 의해 봉해진다. 연료가스콘과 산화제 가스봉합물의 내면에서 연료가스의 일부가 연소혼합물을 형성하기 위하여 혼합된다. 이 혼합물은 바렐의 단부에서 스파크발화기(spark igniter)와 같은 종래의 발화기구에 의해 착화된다. 연료가스와 산화제 가스가 흐름을 계속함에 따라, 불꽃전면부가 연료가스 및 산화제가스 봉합물의 내면에서 형성된다. 온도구배는 불꽃전면부가 연료가스의 발화온도보다 실질적으로 높아지면 불꽃전면부의 역과 더불어 작아지는 목구멍부 안에서 만들어진다. 이 높은 온도에서 연료가스가 들어감에 따라, 연료부화역(fuel-riched region)과 연소적인 고속확산반응이 공급재료를 가속화시키는 작아지는 구멍안에서 일어난다. 이 연소적인 고속확산 반응중에, 공급재료가 축상으로 작아지는 목구멍부에서의 저압역(low-pressure zone)으로 유입되고 다음 불꽃전면부를 통해 들어가는데, 이들의 결합인자가 작아지는 목구멍부를 통해 초음속으로 가스를 촉진유도시킨다. 공급재료입자가 뜨겁고 높은 압력을 가진 연소가스에 의해 동반되고 열 및 모멘템(momentum)에 의하여 연속적인 고속의 확산반응의 이전이 작아지는 목구멍부 및 바렐을 통하여 가속화된다. 입자들이 작아지는 목구멍부를 통해 움직임에 따라 입자궤도와 가스흐름이 분사흐름이 되어 바렐에 드러갈때 축상 정렬된다. 다음, 극히 높은 속도를 가진 공급재료는 입자가 평행분사되어 흐를 때 축구와 목구멍부를 통과한다.

다른면에서, 본 발명의 열분사장치는 복합입자 흐름을 형성하기 위하여 평행분사 입자흐름에 대해 용융금속을 제공하기 위한 기구를 포함한다. 일실시예로서, 평행분사입자 흐름은 스프레이건 바렐 출구를 빠져나가는 가스의 축상 중심선상에 중간을 두고 위치된 두개의 와이어 아크시스템의 용융된 금속을 분무한다.

본 발명은 또한 고밀도의 복합고팅재와 본 발명상의 방법 및 장치로 만들어진 망상에 가까운 형태의 재료를 포함한다.

일실시예로서, 분말화된 공급재료는 불활성 캐리어 가스를 사용하여 공급재료용 보어를 통해 통과된다. 고속도의 평행분사 입자흐름은 바렐로부터 나와서 두개의 선을 가진 와이어 전기아크에서 용융금속을 분무하므로서 코팅피복재로서의 고밀도 금속-마트릭스 복합물 성분을 형성하는 것이다. 이들 복합물 성분은 우수한 물리적 및 금속을 특성을 가지고 있는 것으로 그중 종래의 열 분사법으로는 얻어질 수 없는 것이 많다.

본 발명을 보다 잘 이해하기 위하여 도면을 이용하여 일실시예를 들어 구체적이고 상세히 설명하기로 한다.

제 1 도는 본 발명의 일실시예로서의 용사용 건(gun)의 길이방향으로의 횡단면도를 나타낸 것이다.

제 2 도는 본 발명상의 연료노즐의 측면사시도를 나타낸 것이다.

제 3 도는 제 1 도의 3-3선을 따라서 본 횡단면도이다.

제 4 도 본 발명의 전기아크 앗셈블리를 가진 초음속 열분사용 또는 용사용 건의 평면도이다.

제 1 도를 들어 본 발명상의 일실시예를 설명하기로 한다.

용사장치(10)는 통상 버너하우징(12)과 바렐(14)을 갖고 있고, 이 바렐은 제 1 도에서는 버너하우징(12)과 결합되어 있음을 볼 수 있다. 버너하우징(12)의 원주형벽(16)은 용사장치(10) 작업 중 연속적으로 고속의 확산반응이 수행되는 작아지는 목구멍부(18)를 이루고, 공급재료하우징(14)내에서 밀접히 수납된다.

공급재료 공급관(22)은 계속적으로 사용을 하면 마모되므로 특히 공급재료가 금속 또는 세라믹분말과 같이 캐리어 가스내에 동반되는 단단한 물질로 되어있을 경우 더욱 마모 현상이 심해지므로, 공급재료용 공급관(22)은 하우징(24)에 분리가능하게 결합되게 하여 교환이 쉽다. 비록 많은 물질들이 여러가지 본 발명상의 일부를 형성함에 적합하겠지만, 공급재료 공급관(22)은 가급적 강철제와 같이 단단하고 내마모성으로 된 재료로 구성함이 좋다.

공급재료하우징(24)은 나사가공된 끝단부(26)를 가지고 있는데, 이 끝단부는 버너하우징(12)의 탭핑부(tepped portion)에 수납된다. 좌측 공급재료하우징(24)에서는 칼라(28) 즉, 깃부분이 주어진다.

공급재료하우징(24)과 공급재료 공급관(22)은 환상의 연료통로(32)가 만들어지도록 연료 공급노즐(30)내에 배치된다. 연료노즐(30)의 끝단부(34)는 버너하우징(12)속으로 테이퍼지고 프레임 맞춤이 된다.

공급재료하우징(24)에는 연료노즐(30)에 끼워지는 제 2 칼라나 또는 플랜지부(36)가 포함된다. 칼라(36)는 공급재료 보러(20)에 충상정렬된 것이 길이방향의 찬넬로 주어져 있다.

화살표로 도시된 방향에서 환상의 연료통로(32)를 통해 흐르는 연료는 작업 중 칼라(36)에 의해 그리 대단히 방해 받는 것은 아니다. 환언하면, 칼라(36)에는 찬넬로 이루어진 외표면이 있으므로 연료노즐(32)에 관하여 스페이서(spacer)로서의 역할을 하며, 또한 환상의 연료통로(32)를 통해 제한받지 않는 연료흐름을 사실상 허용한다.

이와같은 요령으로, 연료노즐(30)의 끝단부(38)는 제 2 도 및 제 3 도에 도시된 길이방향으로 거의 평행한 찬넬(39)군으로 주어져 있다.

또한, 이 찬넬을 이룬 구조는 환상의 산화제 통로(40)을 통하여 작아지는 목구멍(18) 속으로 산화제가 흐르도록 하는 동안 원추형벽(16)에 연료노즐(30)의 끝단부가 끼워지도록 하여 준다.

용사장치(10)의 여러가지 배치가 본 실시예에서 도시되어 있는데, 여기에서 환상로 형성되어 있다. 이 때의 단면(42)(44)으로부터 이루어지는 고리형으로 형성되어 있다. 이 때의 단면(44)도 또한 원추형벽(16)을 부여하는 것에 유의할 필요가 있다. 전술한 바와같이, 몸체부(44)도 또한 원추형벽(16)을 부여하는 것에 유의할 필요상 따로 형성되더라도 통상 바렐(14)과 일체로 결합되는 것으로 도시되어 있다. 단면(44)을 다른 단면(42)에 굳게 부착시키기 위하여, 그 다른 단면(42)은 단면(44)의 나사부를 수납하도록 탭핑되어있다. 용도에 따라서는 버너하우징(12)을 단일 조직으로 형성하는 것도 바람직하다.

용사장치의 연료공급통로(48)는 환상의 통로(32)속으로 유입시키기 위하여, 버너하우징(12)의 끝단부(50)로부터 안으로 뻗게 하므로써 환상의 연료통로(32)와 흐름으로 상호 연통되는데, 이 연속적인 통로가 작아지는 목구멍부(18)에 이르면 불꽃전면부로 연료가 그 속을 통해서 이송되도록 하는 찬넬로서의 역할을 한다. 같은 원리로 화상의 산화제통로(40)도 산화제 입구통로(52)의 흐름과 연통되어 있다.

상기 끝단부(50)에는 공급재료 공급용 호스의 연결을 위해 나사가공 되어있는 연결기(connector)(54)가 일체로 형성되어 있다. 용사장치(10)의 가동중에는 분말화된 공급재료를 이 연결기(54)를 거쳐 공급재료용 보어(20)속으로 유입시킨다. 공급재료 공급관(22)이 상술한 끝단부(50)를 가진 버너하우징(12)을 통해 연속적인 구조로 도시되어 있긴 하지만, 알기쉽게 하기 위해 공급재료 공급튜브(22)부위를 단순히 생략할 수도 있다. 이렇게 구조가 변경되면, 공급재료 공급관(22)을 밀접히 수납하는 공급재료하우징(24)의 보어직경이 공급재료용 보어(20)의 직경에 맞추어지도록 끝단부(50)에서 작게 조정된다.

공급재료용 보어(20)의 횡단면은 실질적으로 환상의 연료통로(32)의 단면적 보다는 작게하고 또한 환상의 산화제 통로(40)의 단면적 보다도 작게 하므로써 분말화된 공급료가 불꽃전면부로 침투될 수 있는 충분한 속도로 작아지는 목구멍부(18)속으로 유입되게 한다. 공급재료 공급용보어(20)의 면적은 환상의 산화제 통로(40)나 환상의 연료통로(32)의 횡단면적의 약 15%이하, 더욱 바람직하게는 통상 약 10% 정도보다 작은 것이 바람직하다. 통상 분사통로(56)의 내경에 대한 분말 공급용 보어(20)의 직경비는 바람직하게는 약 1 : 5이다. 따라서 단면적비는 약 1 : 25라 할 수 있다.

곧게 뻗은 관상의 보어노즐로 되는 바렐(14)은 분사통로(56)를 이루는 중공의 원통형 단면(46)을 갖는다. 이하에 상세히 설명하겠지만, 고속의 입자가 평행분사 흐름으로서 통로(56)를 통해 추진된다. 바렐벽(46)의 과도한 가열을 방지하기 위하여 또한 소위 "더말 핀치(thermal pin)" 라고 부르는 열을 식히는 냉각효과를 부여하기 위해 즉, 입자흐름의 평행분사를 유지하고 촉진하는 현상을 부여하기 위하여, 환상의 열교환실(60)을 이루는 열교환자켓(58)이 주어진다. 이 열교환실(60)은 바렐(14)에만 한정되기 때문에 열은 작아지는 목구멍부(18)로부터는 제거되지 않는다.

용사장치(10)의 가동중에는 물과 같은 열교환매체가 찬넬(62)(64)을 거쳐 열교환실(60)을 통해 흐름다. 호스(도시안됨)는 각기 연결기(66)(68)의 일단부(한쪽끝부분)에 부착되어 열교환매체를 열교환실(60)을 통해 순환시킨다.

이상의 실시예 한가지로도 용사장치(10)의 구조에 대한 설명은 충분하다. 그외에도 여러가지 변형된 구조도 가능하다. 용사장치(10)의 작업은 본 발명상의 분사방법을 설명하면 될 것이다. 또한 용사장치(10)를 이용하는 것이 적절하다.

예컨데 극히 높은 속도를 얻게 해주는 본 발명에 따라 샌드블라스팅작업(sandblasting operations)에 본 발명상의 용사장치(10)를 이용하는 것이 바람직하며 이러한 것들도 모두 본 발명의 범위내에서 시도하는 것들이다.

본 발명의 또 다른예로서, 용사장치(10)를 특징화하는 용사 시스템(10')에는 바렐출구로부터 들어갈 평행 분사 입자 흐름속으로 제 2 재료를 유입시키기 위한 용융금속 공급기구가 포함된다.

제 4 도를 참조하면, 바렐(14)의 출구에 인접된 평행분사되는 입자흐름으로 용융금속을 공급하기 위한 기구가 도시된 용사시스템(10')이 주어져 있다. 이와같은 방법으로, 용융금속 공급기구를 가진 용사장치를 제공하므로써, 고-밀도의 금속-마트릭스 복합물이 분사형성될 수 있다.

제 4 도에서, 본 발명상의 일실시예를 보면, 용융금속 공급기구는 두개의 선을 가진 와이어 전기아크 앗셈블리(70)로 구성되어 있음을 알 수 있다. 이 아크앗셈블리(70)에는 와이어가이드(74)(76)를 덮어 씌원 캐리지(carriage)가 포함구성되어 있다. 이 와이어가이드(74)(76)는 와이어(78)(80)를 지정된 속도로 제 6 도에서와 같이 아크 존(arc zone)(82)을 향해 유도하도록 되어 있다. 이 와이어(78)(80)의 유도각도는 대부분의 경우 약 30도 보다 작다. 미리 지정된 강도(intensity)를 가진 전기아크는 전극의 끝단부들 사이에서 충격받지만 또한 그럴때마다 계속해서 지지된다. 이 업계에서 지식을 가진 정도라면 와이어(76)(78)가 아크존(82)에서 용융되는 소모되는 금속으로 형성되는 것임을 알 수 있을 것이다.

건(11)의 기본 구조는 용사장치(10)와 관련하여 충분히 설명한 그것과 동일하다. 제 4 도에서와 같이 캐리지(72)는 편리한 위치에서 건(11)에 부착되고 분리가능하게 되어 있다. 여기에서 캐리지(72)는 바렐(14)에 부착된 것으로 도시되어 있다. 이 부착을 위해 적절한 클램프나 브 라켓(도시안됨)을 이 목적으로 사용하기도 한다. 와이어(79)(80)는 제 6 도에서와 같이 아크존(82)에 있는 교차점을 향해 용융되고 분무화되는 용융금속으로 소모되면서 연속적으로 공급된다. 한편, 제 4 도에서 보는 바와같이 바렐(14)의 끝단부로부터 아크존(82)과의 거리는 절대적으로 고정되는 것이 아니고 분사작업 중 형성되는 코팅 피복제등의 재료의 여러가지 특성을 조절하기 위하여 거리조절가능하고, 와이어(78)(80)의 단부는 바렐(14)의 단부로부터 약 4-10cm 위치되어 있다. 아크와 용융금속 와이어 끝단부는 직접 바렐(14)로부터 나오는 평행분사입자 흐름안에 있어야 하는데, 환언하면 바렐(14)의 길이 방향의 축을따라 위치되어야 한다.

제 5 도에서는 두개의 선으로 된 와이어 전기아크 앗셈블리(70)을 가진 용사시스템(10')이 도시되어 있는데, 전술한 바와같이 여기에서 와이어(78)(80)가 와이어 공급시스템(86)에서 와이어스푸울(84)(84')로부터 공급된다. 와이어 공급조절 유닛(88)은 와이어 공급시스텝(86)에서 와이어스푸울(84)(84')로부터 공급된다. 와이어 공급조절 유닛(88)은 와이어 공급앗셈블리(86)를 조절한다. 종래의 두개의 와이어 전기아크 용사방법에서는 전력 공급장치(90)가 와이어(78)(80)가 전기 아크존 (82)을 형성하도록 활성화 되어 있다. 마스터 콘트롤러(master controller)(92)에 의하여 여러가지 가스 흐름속도가 조절되는 것이 도시되어 있는데, 이 마스터 콘트롤러(92)도 또한 바렐(14)을 냉각시키는 열교환매체의 흐름속도를 제어하기 위한 수단을 제공한다. 가스실린더의 뱅크는 질소와 같은 불활성 캐리어가스원(93)을 포함하는데, 이 질소는 공급재료가 분말로 투입되는 용도에 사용된다. 또한, 산화제가스를 캐리어가스로 사용하는 것도 바람직한데 예컨데 고온내화성 산화물을 분사하면 보다 나은 용융상태를 제공한다. 따라서, 공급재료 분말은 종래의 분말공급기(96)로부터 라인(94)속으로 계량되어 투입된다. 그리고, 예컨대 연료가스와 같은 연료원(98)은 연료통로(32)와 연통되은 회로(100)를 통해 건(11)에 연료로 공급되기도 한다. 이와같은 요령으로, 산화제(oxidant)(102), 예컨데 산소가 풍부한 산소-부화가스(oxygen-richgas)가 가스공급라인(104)을 통해 흘러서 산화제통로(40)로 들어가기도 한다. 열교환매체는 열교환실(60)을 통해 파이프(106)(108)를 거쳐 흐르는데 이들 파이프는 건(11)의 어뎁터(adapter)(66)(68)에 부착된다.

본 발명에는 상당한 량의 연료와 산화제가 이용된다. 액체연료 또는 미립화된 연료나 산화제로 적합한데, 예컨데 액체 디젤연료도 연료로서 사용할 것으로 예상된다. 그러나 본 발명에 가장 사용에 바람직한 것은 가스이다. 연료의 선택은 여러가지 요인에 따라 달라지는데, 예컨데 유용성, 경제성 등이 중요하며, 미립화된연료는 분사작업성, 그리고 분사코팅피복의 물리적 특성상의 효과에 따라서도 달라진다. 산화제로는 산소를 많이 함유한 가스일수록 적합하다. 실질적으로 순수한 산소를 함유한 가스야말로 가장 양호하다. 본 발명상의 분사물질의 고소사출(high-velocity thrust)을 달성하기 위한 연료가스로서는 탄화수소 가스(hydro-carbon gases)가 적합하며, 그중에서도 고순도의 프로판가스나 프로필렌가스는 높은 에너지 산화 반응을 가져오므로 특히 적합하다. 용도에 따라 수소도 적합할 때가 있다. 연료가스를 혼합해서 사용하는 것도 바람직하다. 본 발명에서는 알맞는 연료선택으로 특히 불꽃온도와 분사물질의 입자온도를 제어하고 또한 가스압력과 작아지는 목구멍부(18)내에서의 입자의 시간체류등을 제어하기가 용이하다.

연료성분과 가스압을 제어하게 되면 넓은 범위의 입자속도가 얻어질 수 있다. 바람직한 연료가스압의 범위는 약 20-100 프시(psig)이고 보다 바람직하기로는 약 40-70 프시이다. 산화제 가스압은 통상 약 20-100 프시(psig)의 범위에 있는데, 통상 약 40-80 프시의 것이 가장 이용상 바람직하다. 이들 범위내에서 작업을 할때에는, 바렐(14)로부터 나오는 연료생성불의 속도는 비슷한 작업조건하에서 보면 종래의 용사용스르레이건의 속도보다도 상당히 크고 방출흐름에서 12가닥을 넘는 불꽃뛰기기에 의해 초음속이 된다. 연료가스의 성실과 그 대량의 유출량(mass flow)은 속도와 밀접한 관계가 있음을 알 수 있다. 본 발명에 의한 용사장치(10)와 용사장치 시스템(10')운전과 본 발명상의 방법에 대해 이하에 설명하기로 한다.

제 6 도에서, 용사시스템(10')은 분말화된 공급재료(110)가 공급재료용 보어(20)를 통해 유입되는 것을 보여준다. 이 실시예에서, 분말화된 공급재료(110)는 이 공급재료를 운반하기 위한 운반가스로서의 불활성 캐리어가스(carrier gas)에 동반되어 들어간다. 동시에 프로필렌과 같은 연료는 적절한 압력하에 환상의 연료통로(32)를 통해 흐른다. 연료가스는 연료출구(33)에서 작아지는 목구멍부(18)로 들어간다. 산화제, 예컨데 산소등의 산화체도 환상의 산화제통로(40)를 통해 동시에 흘러 들어간다.

또한, 바람직한 연료와 산화제는 가스상의 것으로, 물론 액체등으로 된 다른 연료와 산화게도 있지만, 가스상의 것이 통상 사용된다. 산화제 가스가 출구(41)를 나가게 되면 연료가스의 콘(cone)을 둘러싸는 산화제의 둥그런 봉함물가 같은 형태(envelope)를 형성한다. 제 6 도에서 화상의 산화제통로(40)가 기하학적으로 환산의 연료통로(32)에 비하여 초점을 향하여 점차 모아져 수렴되는 것으로 되어 있다.

예컨데, 연료노즐(38)의 끝단부가 잘린 원추형으로 되는 것이 바람직하다.

이러한 배열은 산화제 가스가 연료가스 흐름속으로 점차 좁아져 들어가도록 해준다. 이 좁아지는 각도는 통상 약 20-40 도로서, 그중에서도 약 30 도를 취하는데, 이러한 각도는 좁아지는 목구멍부(18)를 통해 매우 안정된 가스흐름을 가져온다는 것을 알게 되었다. 연료 가스-산화제의 가스 혼합물이 우선 바렐(14) 끝단부로부터 흐름에 따라, 혼합물은 스파크 발화기(spark ignitor)와 같은 편리한 수단에 의해 바렐 끝단부로부터 발화된다. 바렐(14)의 발화기 또는 좁아지는 목구멍부(18)가 용도에 따라서는 적절하다.

제 6 도 및 제 7 도에서와 같이, 본 발명상 연속적인 고속의 확산반응이 수행되는데, 불꽃전면부(112)가 산소 봉합물(oxygen envelope)과 연료가스 콘의 내면에서 만들어진다. 중요한 것은 불꽃전면부(112)가 작아지는 목구멍부(18)로 한정된다는 것인데, 불꽃전면부(112)는 작아지는 목구멍부(18)내에서 고온대로 고온역을 만든다는 것이다. 연료가스가 출구(33)로부터 작아지는 목구멍부(18)속으로 들어감에 따라 불꽃전면부(112)를 발생케하고 고속의 연속적인 연소가스 확산반응을 만든다.

불꽃전면부(112)에 의해 만들어지는 고속의 연속적인 연소가스 발화온도를 넘는 온도하에 있어서 고온역을 만들게 된다. 연료가스가 이 고온역을 들어가게 되면, 연료가스는 신속히 발화하여 산화제 가스와 반응하여 곧 팽창되는 연소가스를 생성한다. 다음 이 봉합산소(enveloping oxygen)는 불꽃전면부에 남아있는 연료와 반응하고 불꽃전면부를 유지하면서 고속의 확산 반응을 계속적으로 일으키게 한다. 이 연속적인 고속 확산반응은 연료가스와 산화제 가스흐름이 방해받지 않는한 계속된다.

작아지는 목구멍부(18) 속으로 들어감에 따라 불꽃전면부(112)를 발생케하고 고속의 연속적인 연소가스 확산반응을 만든다.

불꽃전면부(112)에 의해 만들어지는 고온역은 연료가스의 발화온도를 넘는 온도하에 있어야 고온역을 만들게 된다. 연료가스가 이 고온역을 들어가게 되면, 연료가스는 신속히 발화하여 산화제 가스와 반응하여 곧 팽창되는 연소가스를 생성한다. 다음 이 봉함산소(enveloping oxygen)는 불꽃전면부에 남아있는 연료와 반응하고 불꽃전면부를 유지하면서 고속의 확산반응을 계속적으로 일으키게 한다. 이 연소적인 고속 확산방응은 연료가스와 산화제 가스흐름이 방해받지 않는한 계속된다.

작아지는 목구멍부(18)에서의 계속적인 고속의 연료가스 확산방응은 통상(114)로 도시된 저압역을 발생시킨다. 계속적인 고속의 확산반응 중에는, 분말금속, 세라믹제나 세라믹 로드와 같은 공급재료가 공급재료 공급용 보어(20)를 통해 작아지는 목구멍부(18)내에 계속적인 고속 확산반응 속으로 유입된다. 작아지는 목구멍부에서 공급재료 공급용 보어(20)의 출구에서의 저압역은 극히 높은 속도로 분말화된 공급재료가 작아지는 목구멍부(18)에 유입되도록 해준다.

본 발명에 의해 얻어지는 장점중의 하나는 공급재료의 입자가 불꽃전면부 속으로 유입되는 속도를 제어하기 위한 능력을 갖고 있다는 점이다. 많은 종래의 장치와는 달리, 본 발명은 입자의 유입속도, 연료가스 흐름속도 및 산화제가스 흐름속도를 독자적으로 제어하도록 해준다. 이는 본 발명의 개시된 예에서 가능한데, 연료가스도 산화제 가스도 어느 것이든 공급재료를 시스템에서의 어떤 점에서 이송하는데 사용되지 않기 때문에 가능한 것이다. 공급재료 입자는 입자운반용 불활성 개리어가스의 독자적 흐름에 의하여 불꽃전면부속으로 유입된다. 흐름속도의 독자적 제어를 허용하므로써 작아지는 목구멍부(18)에서의 난류(tuvulence)는 입자속도를 증가시키는 연료가스압보다도 높은 값에서 캐리어 가스압을 유지함에 의하여 사실상 감소가능한다. 캐리어 가스압의 범위는 통상 약 40-70 프시(psig)인데, 보다 바람직한 것은 약 50-60 프시, 가장 바람직한 것은 연료가스의 압력보다 항상 클때이다.

또한, 비록 출구(33)(41)의 상대적 칫수가 매우 넓게 가변가능하더라도, 전술한 바와같이, 공급재료 공급관(22)의 내경은 환상의 연료통로(32)나 환상의 산화제 통로(40)의 단면적보다 상당히 작은 것이 바람직하다. 따라서, 공급재료 공급용 보어(20)의 직경이 도면에서 보다 다소과장되게 도시되어 있음을 알 수 있다.

또한, 바렐(14)의 분사통로(56)에 대한 공급재료용 보어(20)의 단면적비는 약 1-25가 되어 분사동안 바렐(14)의 내부표면으로 입자 접촉 및 고착을 감소시킨다. 연료 가스압이 약 45-65 프시(psig)로, 산화제 가스압이 약 70-90 프시(psig)로 하여 캐리어 가스압을 약 50 프시정도로 유지하므로써 튀거나 뱉아내는 소위 낮은 캐리어 가스압에서 생기는 "스핏팅(spiting)"현상을 방지할 수 있다. 이 스핏팅 현상은 원추형벽(16)에 고착되기 쉬운 입자의 방사상 운동을 초래하는데 이러한 산란현상은 낮은 캐리어 가스압에서 발생되는 산란(turbulence) 또는 난류 현상으로 인해 발생되는 것으로 믿어지고 있다. 따라서 캐리어 가스압을 높은 압력으로 유지하면 이러한 산란 현상을 방지할 수 있다.

공급재료 입자가 작아지는 목구멍부(18) 속으로 움직임에 따라, 입자의 열 및 운동에너지가 실질적으로 발열반응인 연소적인 고속 확산반응(exothermic continuous high-velocity diffusion diffusion reaction)에 의하여 증가된다. 이 에너지를 가진 공급재료 입자는 작아지는 목구멍부(18)를 통하여 바렐(14)의 통로(56)를 통해 거의 직선적으로 길게 뻗어 평행분사하는 고에너지 입자흐름을 형성한다. 종래 기술에 비하여 본 발명의 다른 중요한 장점은 분사 입자의 난사에 가까운 방사성 운동을 감소시킬 수 있다는 점이다. 작아지는 목구멍부(18) 속으로 난사없는 가스흐름을 제공하고 또한 이 목구멍부(18) 속으로 한정시켜 연속적인 고속 확산반응을 유지시키므로써 실질적으로 축을 따라 난사없는 연소가스와 공급재료의 흐름이 달성되므로써 고속의 평행분사 입자흐름을 얻을 수 있게 되는 것이다. 또한, 바렐(14)을 통해 입자흐름이 통과함에 따라, 열교환자켓(58)에 의하여 바렐벽(46)으로부터 열을 제거해주므로써 흐름의 확산을 감소시킨다. 이와같이 하여 바렐(14)을 냉각시키므로써, 바렐(14)의 측벽을 향하여 활성화된 입자의 방사상 운동을 더욱 감소시키는 전술한 더말 핀치(thermal pinch)를 발생시키는 것이다.

본 발명에 의해 분사되는 여러가지 분말재 중에는 금속분말, 금속합금분말, 알루미니아(aluminia), 티타니어(titania), 지르코니아(zirconia), 크로미아(chromia)등과 같은 금속 산화물분말과 이들의 경합으로된 것들이 있다. 텅스턴(tungsten), 크로미움(chromium), 티타움(titanium), 탄탈룸(tantalum), 실리콘(sillicon), 몰리브데눔(molybdenum)의 탄화물(carbides) 분말 또는 이들의 결합으로 된 내화성 복합물 분말도 사용되며, 규소물(silicides) 분말과 질화물(nitrides) 분말도 용도에 따라서 사용되기도 한다. 이들 재료들의 결합물도 역시 적합하다. 이들 결합은 분말배합의 형태를 취하거나 분말 소결 화합물이나 또는 기타 용융된 재료의 형태를 취하기도 한다. 분말화된 공급재료를 이용할 때에는 공급재료를 봉(rod)류와 같은 형태로 하여 필요하다면 공급재료 공급용 보어(20)를 통해 장입(인입)하기도 한다. 공급재료가 분말로 구성되는 경우, 입자경의 크기는 통상 약 5-100 미크론의 범위로 하는데, 물론 이 범위를 넘는 직경을 가진 것이라도 용도에 따라 사용가능하다. 바람직한평균 입자경은 약 15-70 미크론이다.

본 발명은 또한 본 발명상의 방법에 따라 만들어지는피복재 및 망상에 가까운 형태의 재료에 관한 것이기도 하다. 이들 재료가 고밀도의 금속 마트릭스제(high-density metal matrix materials)이므로, 다른 지금까지 알려진 종래 열분사 작업에 의해 형성되어 본 일이 없다. 통상의 기술을 가진 자라면 자유로운 형태, 망상에 가까운 형태의 것이 만드렐등이 분사 피복에 의하여 형성되거나 또는 모울드캐비티(mold cavity)를 분사 충전하여 형성하거나 한다. 적절한 완화제(releaseagents)도 또한 알려져 있다.

제 6 도를 보면, 또 다른 실시예어서, 불꽃분사 시스템(10')이 복합물을 형성하는 방법에 사용되는데, 이 복합물에는 공급재료가 공급재료 공급용 보어(20)를 통해 주어지고, 제 2 의 공급재료가 작아지는 목구멍부(18)의 다운스트립(downstream)에 부가된다. 보다 바람직한 것은 이것이 바렐(14)로부터 나오는 평행분사 입자흐름으로, 제 2 의 공급재료를 부가하므로써 얻어진다. 보다 효과적인 것은, 분말화된 공급재료나 이와 유사한 재료가 전술한 방법으로 불꽃전면부(112) 속으로 유입되는 점이다. 평행분사입자 흐름이 발렐(14)을 나옴에 따라 아크 존(82)을 통해 통과된다.

이 통과도중, 와이어(78)(80)는 와이어 단부사이에 지지된 전기 아크를 발생시키기 위하여 전지적으로 활성화된다. 와이어(78)(80)의 끝단부를 충분히 용융시키기 위한 전압은 전력 공급장치(90)에 의하여 유지된다. 약 15-30 볼트 사이의 볼트가 바람직하다. 와이어 단부에서 용융금속이 만들어짐에 따라, 건(11)으로부터의 입자흐름은 용융금속을 분무화 한다. 전기 아크를 유지하고 연속적으로 용융금속을 분사 흐름에 공급하기 위하여 과이어(78)(80)를 와이어 공급제어 장치(88)를 이용하여 미리 지정된 속도로 진행시킨다. 용융금속이 분무화됨에 따라, 결합되거나 복합적인 입자흐름(115)이 형성되고 이는 미립화 형태로 양쪽의 공급재료로 포함된다. 와이어(78)(80)가 있기 때문에 비록 난사 또는 난류(turbulence)가 발생되긴 하지만, 복합물 입자흐름(115)은 양호한 평행분사를 유지한다. 복합물 흐름"(115)은 다음, 피복물 또는 요착물(18)을 형성하는 목표물(116)에 향하도록 지시된다.

또, 다른 실시에에서, 본 발명은 금속 마트릭스 복합물이나 전술한 바와같이 세라믹과 세라믹의 복합재를 뜻하는 소위 "세르멧(cermets)"과 같은 고밀도의 복합물재료들이 분사(코팅) 피복물이나 망상에 가까운 재료를 제공한다. 또한, 불꽃분사 흐름을 형성하도록 하고, 신규의 고밀도 조직이 만들어지도록 한다.

제 6 도에서 도시한 바와같이, 내화성 산화물, 예컨데 알루미늄 산화물이 분말화 형태로, 약 5-20 미크론의 직경범위에 있는 입자로 공급된다. 이 분말은 전술한 바와같이 불활성 가스를 사용하므로써 공급재료용보어(20) 속으로 유입된다. 본 실시예에서, 분말화된 산화물은 금속 마트릭스 합성물을 제조함에 있어, 건(11)을 통해 그 통로를 통과도중에는 용융되지 않음을 알아야 할 것이다.

이는 불꽃전면부의 열을 조절하므로써 얻어지는데, 이는 다른 분사인자들을 조정하므로써 얻어지기도 한다. 용사장치(10)가 사용되면, 즉 전기 아크 앗셈블리가 없을때, 입자온도는 입자연화점(particle softening point) 이상으로 통상 유지된다. 내산화물 입자흐름은 바렐(14) 끝단부로터 나오고 아크 존(82)을 향하여 움직인다.

발렐(14) 끝단부로부터 아크존(82)와의 거리는 통상 약 4-10cm이다. 와이어(78)(80)는 합금으로 되는 금속으로 만들어진다. 금속 마트릭스 복합물을 제조하는데 사용하는 적절한 금속재료로서는 타타늄, 알루미늄, 강, 니켈 또는 등을 기본으로 하는 합금이다. 어떠한 금속도 와이어 형태로 인발할 수만 있다면 사용가능하다.

용융금속을 파이프나 이와같은 통로를 가진 재료속을 통해 공급할 수 있다면 좋을 것이다. 분말코아를 가진 와이어도 또한 적절하다. 재료의 흐름속도는 분말화된 공급재료의 유입속도를 조절하거나 분말화된 공급재료를 캐리어가스 속으로 계량하여 조절하거나 하여 조절한다. 이 흐름속도로 내화성 산화물 성분을 가진 최종 금속-마트릭스 복합물을 예컨데 약 15-50 용적%으로 만들고 금속성분 함량을 약 85-50 용적%로 만든다. 용융금속이 분무되면, 복합물 입자흐름(115)이 형성되고, 이 입자흐름(115)은 고속의 내화성 산화물과 용융금속의 입자를 포함 구성하고, 용융금속과 내화성 산화물을 덩어리로 만든다. 목표물(116)은 금속-마트릭스 복합물의 층과 코팅되어야 할 금속지기(metal substrate)로 구성되거나 또는 망상에 가까운 형태로 된 구조에서는 만드렐이나 모울드 캐비니로 구성된다. 알게되겠지만, 본 발명상의 방법은 망상에 가까운 형태를 형성하는데만 그치지 않고 기타 여러가지 벌크형(bulk forms), 복합물 분말이나 있는 그대로의 형태로 된 형태를 취하기도 한다.

본 발명에 따라 형성된 코팅 피복물(118)은 실질적으로 충분한 밀도를 갖는다. 여기에서 "실질적으로 충분한 밀도"라 하는 것은 재료의 상태가 공동(voids)을 용정비 약 1% 보다도 적게 포함하는 것이라 정의한다. 환언하면, 본 발명상의 충분한 밀도를 가진 용사의 코팅피복물은 코팅피복물내에 있는 공동의 총용적이 침전 피복물의 약 1 용적% 보다도 작을 정도의 실질적으로 충분한 밀도를 가진 것을 말한다. 본 발명은 또한, 높은 균일성을 가지는 실질적으로 충분한 밀도를 가지는 것을 말한다. 본 발명은 또한, 높은 균일성을 가지는 실질적으로 충분한 밀도를 가진 금속-마트릭스 복합물(fully dense metal-matrix composites)을 다수 제공하여 준다.

이들 금속-마트릭스 복합물은 극히 예외적일 정도로 우수한 물리적 성질을 가진 것으로, 지금까지 알려진 공지의 열분사방법에 의해 상업적으로 제조되어 온바 없는 재료이다. 이들 복합물의 상당수는 가공물질을 뛰어넘는 향상된 특성을 갖고 있다. 이들 복합물은 극히 단단하고 내마못성과 낮은 표면조도(surface roughness)를 갖고 있다. 가장 양호한 실시예에서는, 본 발명의 금속-마트릭스 복합물은 약 5-60 용적%가 내화성 재료 성분으로 구성되어 있다. 바람직한 내화성재료로는 내화성 산화물, 내화성 탄화물, 내화성 붕화물(borides), 내화성 질화물(nitrides) 및 내화성 규화물(sillicides)등이 있다. 특히 바람직한 것은 알루미늄 산화물, 티타늄 2붕화물(titanium diboride) 또는 실리콘 카바이드이다. 내화성 성분은 균일하게 금속-마트릭스내에 분산되어 있다. 금속은 어떠한 금속이라도 사용가능한다. 용융금속을 상술한 두개의 선을 가진 와이어 아크 방법에 적용하려면, 이 용융금속은 와이어 형태로 인발될 수 있어야 한다. 여기에서 금속은 금속-마스릭스 복합물의 약 40-95 용적%, 그중에서도 바람직한 것은 약 50-85 용적%로 구성된다. 통상의 금속제는 알루미늄, 티탄늄 및 저탄소상이 포함된다. 특히 바람직한 금속-마트릭스 복합물은 본 발명에 따라 알루미늄이나 알루미늄 합금 75 용적%을 가진 알루미늄 산화물 25 용적%의 실질적으로 충분한 밀도를 가진 복합물로 되어 있다. 또한, 여기에서 바람직한 것은 25 용적% 실리콘 카바이드와 75%중량 알루미늄 또는 알루미늄 합금(용적)의 복합물로 하는 것이다. 내화성 재료는 용사 작업에서는 분말로 공급된다. 본 발명상의 금속-마트릭스 복합물은 코팅피복제나 또는 망상에 가까운 재료로 형성되는데, 이 재료는 열처리되고 열간압연 등과 같은 종래의 금속 가공기술에 의하여 조형된다. 이들 고도 기술재료는 우주항공용 재료와 같은 여러가지 장치나 설비용으로 사용된다.

본 발명은 이상 설명한 실시예등에 의해서 한정되지 않는다. 본 발명을 기본적으로 하여 여러가지 변형이 가능하나, 본 발명의 정신에 어긋나지 않는 한 본 발명의 범위에 속한다. 예컨데 전기아크 캐파시트(electric arc capacity)를 이용하지 않고도 분말로 용사시스템(10')을 가동운전시킬수 있다. 또한 플라스마 분사용 건과 같은 것을 사용하여 일실시예로서 설정한 금속 마트릭스 복합물을 형성함에 있어 내화성 성분을 촉진하기 위한 여러가지 기술도 또한 사용가능한데, 이들 모두 본 발명의 특허청구 범위내에서 본 발명의 정신에 어긋나지 않는 한 어떠한 변형도 본 발명의 범위에 벗어날 수 없다고 할 것이다.

Claims (3)

1. 용사장치(flame spray apparatus)에 있어서, 이 용사장치는 연료노즐 앗셈블리를 그속에 구비한 모체부를 가지며, 이 연료노즐 앗셈블리는 입구와 출구를 갖는 축상의 분말 유입용 보어(axial powder bore) 구멍을 이루고, 상기 분말 유입용 보어를 둘러싸면서 상기 분말 유입용 보어 출구에 인접한 입구와 출구를 가지는 별도의 연료통로(separate fuel passage)를 구비하며, 또한 상기 분말과 연료가스통로 출구에 인접한 입구와 출구를 가진 상기 분발유입용 보어를 둘러싸는 별도의 산화제 가스통로(separate oxidant gas passage)를 구비하고 ; 입자흐름(particle stream)을 운반하기 위한 길게 뻗은 배출용 바렐(barrel)을 가지며, 이 길게 뻗은 배출용 바렐은 상기 분말유입용 보어와 도축정렬된 보어(bore)를 구비하고 ; 상기 분말유입용 보어의 반대측에 상기 연료 및 산화제 가스통로 출구와 연통되는 좁아지는 연소역(confined combunstion zone)을 구비하고 ; 상기 입자화된 공급재료, 연료가스 및 산화제 가스는 각각 별도로 상기 인접출구를 통해서 쉽게 연소역으로 들어가며, 또한 연소역에서 상기 입자화된 공급재료를 연소에 의해 가열하고 상기 길게 뻗은 배출용 바렐을 통해 상기 가열된 공급재료가 목표를 향하여 가속화된 입자흐름으로 되도록 한 초음속 용사장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 연료노즐 앗셈블리는 상기 좁아지는 연소역을 이루도록 그 벽이 구성되고 또한 그 속에서 상기 분말유입용 보어 출구와 상기 연료 및 산화제 가스 통로출구는 단일 평면상에서 정렬되는 것을 특징으로 하는 초음속 용사장치.
3. 고급재료를 수납하는 몸체부를 가진 열분사장치는 가열되어 입자화된 공급재료를 가속화시키기 위한 열분사용 건(thermal spray gun)을 가지고, 이 열분사용 건에는 추구를 가진 바렐과, 공급재료가 가열되는 가열력이 구비되며 ; 또한, 상기 열분사용 건에서 용융금속이 가열되어 입자화되는 공급재료 흐름이 되도록 용융금속을 공급하기 위한 상기 바렐출구를 위한 인접된 금속제 공급재료 공급장치를 구비하도록한 것을 특징으로 하는 초음속 열분사장치.

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