초고속 레이저 클래딩 기술: 산업용 부품의 마모 및 부식 문제 해결을 위한 핵심

I. 문제 식별: 마모-부식 저항성 필요성과 기존 기술 간의 갈등

항공우주 및 석유화학 공학과 같은 분야에서 부식과 마모는 전체 부품 고장의 80%를 차지하며, 이로 인해 장비 가동 중단과 비용 증가가 발생한다. 기존의 보호 기술들은 명백한 한계를 가지고 있다: 하드 크롬 도금은 환경 오염을 유발하며, 열분사 코팅은 접착 강도가 낮고, 물리적 기상 증착(PVD)은 효율이 떨어지며, 기존의 레이저 클래딩은 부품 변형을 쉽게 유발한다. 따라서 산업 현장에서는 친환경적이면서도 고효율적인 고마모-부식 저항성 보호 코팅을 제조하는 것이 시급한 과제로 대두되고 있다.

II. 원리 분석: 초고속 레이저 클래딩의 핵심 메커니즘 및 장점

초고속 레이저 클래딩 기술(EHLA)은 기존의 레이저 클래딩 기술을 개선한 것으로,

레이저, 분말 및 기판 사이의 상호작용 위치를 조절함으로써 효율적인 에너지 분포를 달성한다. 이 기술에서 레이저와 분말 빔의 초점은 기판 위에 위치하므로 분말이 기판에 도달하기 전에 녹는다. 동축 분말 공급과 결합하면 클래딩 선속도가 최대 500m/분에 이르며, 기존 기술보다 10배 이상 효율적이다.

에너지 분포 측면에서, 레이저 에너지의 80%는 가루를 녹여서, 20%만 기판을 가열하는데 사용되며, 세 가지 장점을 가져옵니다. 코팅 희석율은 4% 미만입니다. 기판에 낮은 열 입력이 변형을 방지합니다. 1.08×105 K/s의 냉각 속도는 곡물을 정제합니다. 또한, 코팅 거칠성 (Ra) 은 10μm 미만이며 결함 비율이 낮다. 장비의 측면에서 독일의 ACunity와 TRUMPF, 그리고 중국의 Xian Zhongke Zhongmei와 Xian Jiaotong 대학은 산업화의 기초를 마련하는 돌파구를 마련했습니다.

제3조 응용 시나리오: 다른 코팅 재료의 실용적 구현

EHLA의 응용 프로그램은 적응성 코팅에 의존하며 전통적인 합금과 새로운 재료로 나뉘어 있습니다.

기존의 합금 코팅 중 철계 합금은 강재 기판과 잘 맞아 채광 및 석유 장비에 사용되며, 예를 들어 산둥에너지(Shandong Energy)의 유압 지지대 코팅이 이에 해당한다. 코발트계 합금은 고온 내성이 뛰어나 주조 롤 및 터빈 블레이드에 적용되며, 니켈계 합금은 고온 부식 저항성이 뛰어나 바이오매스 보일러 배관에 적합하다.

신소재 코팅은 응용 분야를 확장하고 있다. 철계 비정질 코팅(비정질 함량 96%)은 정밀 기계에 사용되며, 균열이 없는 고엔트로피 합금 코팅(예: FeCoNiCrMn)은 항공 엔진에 적용된다. 인성과 경도를 갖춘 복합 코팅(예: WC 강화형)은 채광 기계에 사용되며, ZrB₂-SiC 세라믹 코팅은 고온 베어링에 적합하다.

IV. 향후 전망: 기술적 돌파구의 방향

EHLA는 두 가지 병목 현상을 해결해야 한다: 첫째, 표준화 시스템을 구축하고 특수 코팅 재료를 개발하며 공정 데이터베이스 및 품질 기준을 수립해야 하며, 둘째, 보조 기술을 통합하여 초음파/전자기장을 도입해 용융 풀을 조절하고, 후처리 기술을 촉진하며, 자동화를 향상시키기 위해 AI 시각 모니터링 시스템을 개발해야 한다.

장비 비용의 감소와 함께 EHLA는 중소기업에까지 보급되어 전통 공정을 대체하고 주류 표면 공학 기술이 되어 산업용 부품 보호를 위한 친환경적이고 고효율 솔루션을 제공함으로써 제조업의 고품질 발전을 견인할 것으로 기대된다.