Composite Coating 변 지 영 한국과학기술연구원 금속공정연구센터

Composite Coating: Purpose: 코팅방법: 기존의 PVD & CVD - 제 2상의 존재로 기계적 성질 및 내마모성 향상 - 제 2상의 분율 변화: 물리적 성질 변화 - 열 및 전기전도도 - 열팽창계수, 등  Application: 내마모 코팅, 열관리 코팅, 내열코팅, 등등 Purpose: - 제 2상의 분율 제어 가능 ? - 어떤 종류의 composite이 가능? 코팅방법: 기존의 PVD & CVD - 전기도금 - 치환반응을 이용하는 2단 CVD법

전기도금에 의한 복합체 코팅 Electrolyte: - Ni Sulfamate : 200 g/L - Ni Chloride : 15.5 g/L - Boric Acid : 2.5 g/L - Additives : A or/and B - Sulfuric Acid : 0 ~ 1.0 mol/L Temperature : 40°C Particle Loading - SiC (1.0 mm) : 50 g/L - Al2O3 (0.4 mm) : 100 g/L Current Density : 200 mA/cm2 Stirring Rate : 200 rpm Anode Ni → Ni 2+ + 2e (Nickel oxidation) Cathode Ni 2+ + 2e - → Ni (Nickel reduction) 2H+ + 2e → H2 (H2 evolution) SiC or Al2O3 co-deposition

40 5 20 10 20min경과 30min경과 7Hr경과

Effect of Sulfuric Acid in the Presence of Additives (A) & (B) Ni-SiC Effect of Sulfuric Acid in the Presence of Additives (A) & (B) 100 80 60 40 20 Additive ( A ) + ( B ) Vol.% of SiC in the coating 0.0 0.15 0.30 0.50 0.70 Amount of Sulfuric Acid (Mol/L)

Effect of Sulfuric Acid (Additives (A) & (B)) Ni-SiC Effect of Sulfuric Acid (Additives (A) & (B)) 0.15 mol/L 0.30 mol/L 0.70 mol/L 0.50 mol/L

Effect of Sulfuric Acid (Additives (A) & (B)) Ni-Al2O3 Effect of Sulfuric Acid (Additives (A) & (B)) 0.15 mol/L 0.30 mol/L 1.00 mol/L 0.50 mol/L

Ni-Diamond Composite

Summary & Future Work 전기도금을 이용하여 MMC (Metal Matrix Composite) Coating이 가능함을 확인.  Ni-based composite electroplating을 위한 전해질 개발 Ni-Alumina, Ni-SiC, Ni-Si, Ni-Diamond, etc. 향후 연구: (1) Additives 효과 구명: composite electro-deposition mechanism 구명 (2) 타 system에 적용: - Ni-based composite에서의 제 2상의 변화: 예, CNT, Diamond(nano) - Cu- & Fe-based composites - Alloy matrix (3) Coating층 평가 및 Application 탐색 : 기계적 성질 및 내마모 특성 (1) 원자력발전 증기발생기 IN 690 보수 (2) Wire Saw: Ni-SiC-Diamond Composite Piano 선 Ni-SiC Composite Diamond

TWO-STEP CVD Principle ; in-situ formation of nanocomposite coating by solid-state displacement reaction between metal carbides, nitrides, oxides, etc and silicon or aluminum. 1) Metal silicide-carbide nanocomposite coatings ex) (1) M2C + 5Si 2MSi2 + SiC (where M = Mo, W, Nb, Ta, Ni, Fe, Co, etc.) (2) MC + 3Si MSi2 + SiC 2) Metal silicide-nitride nanocomposite coatings ex) (1) 4M2N + 19Si 8MSi2 + Si3N4 (2) 4MN + 11Si 4MSi2 + Si3N4 3) Metal silicide or aluminide-oxide nanocomposite coatings ex) (1) 2MO + 5Si 2MSi2 + SiO2 (2) 3MO + 5Al 3MAl + Al2O3 제 2상이 기지재의 결정입계에 균일하게 석출됨으로 인해 기지재의 결정입 성장 억제

Columnar grain Equiaxed grain 1) Columnar MoSi2 coating formed by conventional reactive process Thermal expansion coefficient MoSi2 ; 8.5 x 10-6/K Mo ; 5.8 x 10-6/K Si3N4 ; 2.9 x 10-6/K MoSi2 10 mm Columnar grain Average size Columnar MoSi2 grains ; 2.2 mm Mo substrate 2) Crack-free MoSi2–Si3N4 nanocomposite coating formed by displacement reaction Average size Equiaxed MoSi2 grains ; 90 nm Si3N4 particles ; 60 nm nanocomposite coating Si3N4 MoSi2 Equiaxed grain Mo substrate

Applications 용도 ; 발전소, 우주-항공, 원자력, 고효율 가스터빈, 유리, 석유화학산업, 활용처 ; 내식/내열/내산화/내침식 후막 코팅분야 내식/내열/내산화/내침식 특성이 우수한 다상 나노 구조 복합 코팅층의 설계 및 경제적 신공정 기술 개발 용도 ; 발전소, 우주-항공, 원자력, 고효율 가스터빈, 유리, 석유화학산업, 석탄가스화 및 초고온로 등의 고온소재 표면보호 피복층