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Composite CoatingComposite Coating

변 지 영변 지 영

한국과학기술연구원한국과학기술연구원금속공정연구센터금속공정연구센터

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• Composite Coating:- 제 2 상의 존재로 기계적 성질 및 내마모성 향상- 제 2 상의 분율 변화 : 물리적 성질 변화

- 열 및 전기전도도- 열팽창계수 , 등

Application: 내마모 코팅 , 열관리 코팅 , 내열코팅 , 등등

• Purpose: - 제 2 상의 분율 제어 가능 ?

- 어떤 종류의 composite 이 가능 ?

• 코팅방법 : 기존의 PVD & CVD - 전기도금

- 치환반응을 이용하는 2 단 CVD 법

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Anode Ni → Ni 2+ + 2e (Nickel oxidation)

Cathode Ni 2+ + 2e - → Ni (Nickel reduction)2H+ + 2e → H2 (H2 evolution)SiC or Al2O3 co-deposition

전기도금에 의한 복합체 코팅전기도금에 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 m) : 50 g/L - Al2O3 (0.4 m) : 100 g/L

• Current Density : 200 mA/cm2

• Stirring Rate : 200 rpm

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20min경과

30min경과 7Hr경과

5

10

40

20

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Ni-SiCNi-SiC

Effect of Sulfuric AcidEffect of Sulfuric Acidin the Presence of Additives (A) & (B)in the Presence of Additives (A) & (B)

100

80

60

40

20

0

Vo

l.% o

f S

iC in

th

e c

oat

ing

Additive ( A ) + ( B )

0.0 0.15 0.30 0.50 0.70

Amount of Sulfuric Acid (Mol/L)

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Ni-SiCNi-SiC

Effect of Sulfuric Acid (Additives (A) & (B))Effect of Sulfuric Acid (Additives (A) & (B))

0.15mol/L

0.50mol/L

0.70mol/L

0.30mol/L

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Effect of Sulfuric Acid (Additives (A) & (B))Effect of Sulfuric Acid (Additives (A) & (B))

0.15mol/L

0.50mol/L

1.00mol/L

0.30mol/L

Ni-AlNi-Al22OO33

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Ni-Diamond CompositeNi-Diamond Composite

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Summary & Future WorkSummary & Future Work

• 전기도금을 이용하여 MMC (Metal Matrix Composite) Coating 이 가능함을 확인 .

Ni-based composite electroplating 을 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 system 에 적용 :

- Ni-based composite 에서의 제 2 상의 변화 : 예 , CNT, Diamond(nano)

- Cu- & Fe-based composites

- Alloy matrix

(3) Coating 층 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

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PrinciplePrinciple ; in-situ formation of nanocomposite coating by ; in-situ formation of nanocomposite coating by solid-state displacement reactionsolid-state displacement reaction

between metal carbides, nitrides, oxides, etc and silicon or aluminum.between metal carbides, nitrides, oxides, etc and silicon or aluminum.

1) Metal silicide-carbide nanocomposite coatings 1) Metal silicide-carbide nanocomposite coatings

ex) (1)ex) (1) MM22C + 5Si 2MSiC + 5Si 2MSi22 + SiC (where M = Mo, W, Nb, Ta, Ni, Fe, Co, etc.) + SiC (where M = Mo, W, Nb, Ta, Ni, Fe, Co, etc.)

(2) MC + 3Si MSi(2) MC + 3Si MSi22 + SiC + SiC

2) Metal silicide-nitride nanocomposite coatings2) Metal silicide-nitride nanocomposite coatings

ex) (1) 4Mex) (1) 4M22N + 19Si 8MSiN + 19Si 8MSi22 + Si + Si33NN44

(2) 4MN + 11Si 4MSi(2) 4MN + 11Si 4MSi22 + Si + Si33NN44

3) Metal silicide or aluminide-oxide nanocomposite coatings3) Metal silicide or aluminide-oxide nanocomposite coatings

ex) (1) 2MO + 5Si 2MSiex) (1) 2MO + 5Si 2MSi22 + SiO + SiO22

(2) 3MO + 5Al 3MAl + Al(2) 3MO + 5Al 3MAl + Al22OO33

제 2 상이 기지재의 결정입계에 균일하게 석출됨으로 인해 기지재의 결정입 성장 억제

TWO-STEP CVDTWO-STEP CVD

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SiSi33NN44SiSi33NN44

MoSiMoSi22MoSiMoSi22

Equiaxed grainEquiaxed grain

10 10 mm

Columnar grainColumnar grain

2) Crack-free MoSi2–Si3N4 nanocomposite coating formed by displacement reaction

Mo substrateAverage size Columnar MoSi2 grains ; 2.2 m

Average sizeEquiaxed MoSi2 grains ; 90 nmSi3N4 particles ; 60 nm

Thermal expansion coefficient MoSi2 ; 8.5 x 10-6/K Mo ; 5.8 x 10-6/K Si3N4 ; 2.9 x 10-6/K

Mo substrate

MoSi2

nanocompositecoating

1) Columnar MoSi2 coating formed by conventional reactive process

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Applications

내식 / 내열 / 내산화 / 내침식 특성이 우수한 다상 나노 구조 복합

코팅층의 설계 및 경제적 신공정 기술 개발

활용처 ; 내식 / 내열 / 내산화 / 내침식 후막 코팅분야

용도 ; 발전소 , 우주 - 항공 , 원자력 , 고효율 가스터빈 , 유리 , 석유화학산업 ,

석탄가스화 및 초고온로 등의 고온소재 표면보호 피복층