[논문]레이저 클래딩을 이용한 Ti-6AI-4V의 Zirconia 세라믹 분말 코팅

강경호; 김재도

레이저 클래딩을 이용한 Ti-6AI-4V의 Zirconia 세라믹 분말 코팅
Zirconia Ceramic Powder Coating of Ti-6AI-4V by Laser Cladding 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.28 no.7, 2011년, pp.783 - 788

강경호 (인하대학교 대학원 기계공학과) , 김재도 (인하대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The recent development of bio-ceramic material is being studied in various bio-material engineering field. There are lots of technical difficulties because manufacturing or bonding technique are required bio-friendliness, cleanliness and persistence. Zirconia ceramic powder is cladded on Ti-6AI-4V metallurgically by laser cladding processing. Laser cladding system with powder feeding delivery is designed and manufactured for optimum processing condition. Increasing of manufacturing speed and good quality of clad layer are achieved by application of preheating of substrate before laser cladding. The thin dilution and good clad layer on the substrate are obtained for applications of bio-materials such as the dental materials and the articulated joints of human body.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

국부적으로 기계적.금속학적 성능 개선을 이룰 수 있는 방법을 연구하였다. 레이저 출력 1.
본 논문에서는 레이저 클래딩 기술을 이용하여 생체 재료로 사용되는 Ti-6A1-4V 합금에 지르코니아 세라믹 분말을 이종 적층하는 방법 및 다공성 층의 생성 방법에 대하여 실험적으로 연구하고 분석하였다. 지르코니아 세라믹은 인체 뼈와 결합력을 향상시킬 수 있고 내마모성이 좋은 특성을 갖고 있다.
본 연구에서는 생체 재료로 사용되는 Ti-6A1- 4V 합금에 지르코니아 세라믹 분말을 레이저로 클래딩 하여 국부적으로 기계적.금속학적 성능 개선을 이룰 수 있는 방법을 연구하였다.
본 연구에서는 의료용 생체 재료로 사용되는 티타늄 합금에 지르코니아 세라믹을 적층하기 위하여 레이저 클래딩을 적용하였다’ 인공 관절용 생체부품 등에 사용하는 티타늄 합금에 높은 내마모성 특성과 파괴인성이 우수한 지르코니아 세라믹을 레이저 클래딩 방법으로 적층하는 방법을 수행한 것이다.

제안 방법

조건별 실험 결과로 가공 표면의 결합력 비교를 통해 레이저 출력과 이송속도의 기초적인 가공 조건을 얻을 수 있었다. 두께 2-3mm 의 클래딩 층을 얻기 위한 레이저 출력과 이송속도, 분말공급량의 조건을 변화 시켜 클래딩 층 생성 유무, 클래딩 층의 두께 및 폭 등을 측정하였고, 클래딩 층 절단면의 현미경 사진을 통하여 내부 균열 및 기공의 여부, 경도 측정을 하였다.
5pm 의세가지 종류를 각각 사용하여 레이저 클래딩 실험을 하였다. 레이저 출력과 이송속도는 각각 1.2kW, 8mm/s 으로 하고, 분말공급량은 35g/min 이었고, 500℃의 예열상태에서 실시하였다. Table 4에 입도별 클래딩 표면과 클래딩층의 단면을 나타내었다.
레이저 출력을 0.6, 1.2 kW 로 하고 모재의 예열을 각각 상온, 100, 300, 500, 700℃로 설정하여 모재가 용융될 때까지의 시간을 측정하였다.
지르코니아 세라믹은 인체 뼈와 결합력을 향상시킬 수 있고 내마모성이 좋은 특성을 갖고 있다. 레이저 클래딩을 위하여 레이저 빔의 출력 및 모재의 이송 속도 등에 대한 가공 변수에 대한 실험과 모재의 예열을 통한 클래딩층의 변화 및 세라믹 분말 입도의 영향을 분석하였다.
모재의 바닥면의 열선 가열방식에 의한 가열로 모재의 온도를 각각 100, 300, 500, 700℃로 설정하였다. 이때 모재 표면에서 레이저 빔 조사시 최초용융되는 시간을 측정하였고 현미경 관찰을 통해 금속 조직에 대한 열영향 및 균열과 기공을 관찰하였다.
5 11 m 이다. 분말공급장치를 통해 일정한 분말공급량 35g/min 으로 분말을 공급하고 레이저 클래딩 가공 실험을 하였다. 입도에 따른 영향을 분석하기 위해 클래딩 표면에서의 표면 기공 상태 및 결합 상태를 관찰하였다.
이때 모재 표면에서 레이저 빔 조사시 최초용융되는 시간을 측정하였고 현미경 관찰을 통해 금속 조직에 대한 열영향 및 균열과 기공을 관찰하였다.
분말공급장치를 통해 일정한 분말공급량 35g/min 으로 분말을 공급하고 레이저 클래딩 가공 실험을 하였다. 입도에 따른 영향을 분석하기 위해 클래딩 표면에서의 표면 기공 상태 및 결합 상태를 관찰하였다.
지르코니아 분말의 입도를 0.3, 0.8, 1.5pm 의세가지 종류를 각각 사용하여 레이저 클래딩 실험을 하였다. 레이저 출력과 이송속도는 각각 1.

대상 데이터

Table 1 에는 실험에 사용한 재료의 물성치를 나타내었다. 가공 실험을 위하여 100X100X5mm 크기의 TI-6A1-4V 을 준비하였고, 지르코니아 분말의 평균 직경은 0.3, 0.8, 1.5 lim 를 사용하였다.
본 연구에서 사용한 레이저 실험 재료로 모재는 Ti-6A1-4V 합금이며 클래딩층의 재료는 Zirconia (ZrO₂) 세라믹 분말이다. Table 1 에는 실험에 사용한 재료의 물성치를 나타내었다.
2와 같이 레이저 클래딩 시스템을 구성하였다. 실험 장치는 최대출력 4kW 이고 TEMoo 모드의 CW CO₂ 레이저를 사용하였고 포커스된 빔 크기는 3.2mm 이며 노즐에서 초점 거리는 약 5mm 이다. 레이저 집속 광학장치와 모재를 이송시키기 위한 이송 테이블과 지르코니아 분말을 공급하기 위한 분말 공급 장치, 모재의 예열을 위한 가 열부 및 제어장치 등으로 구성되어 있다.
실험에 사용한 지르코니아 분말의 크기는 각각 평균 입도 0.3, 0.8, 1.5 11 m 이다. 분말공급장치를 통해 일정한 분말공급량 35g/min 으로 분말을 공급하고 레이저 클래딩 가공 실험을 하였다.

성능/효과

3nm 의 분말의 경우에 클래딩층 표면에서는 다공성 형상이 나타나지 않고 내부에 몇몇 다공성 형태가 관찰되었다. 0.8 과 1.5|im 크기의 분말에서는 0.3呻1과 비교하여 표면에서의 다공형상이 관찰되었으며 내부에서도 뚜렷한 다공성 형상이 생성됨을 알 수 있었다.
금속학적 성능 개선을 이룰 수 있는 방법을 연구하였다. 레이저 출력 1.2kW, 이송속도 8mm/s (energy input 0.15kW.s/sec), 분말 공급 35g/min 조건에서 안정적인 레이저 클래딩 층을 얻을 수 있었으며, 500℃ 이상의 모재 의예 열을 통하여 균열과 기공이 없는 클래딩 층이 생성될 수 있음을 확인하였다. 또한 세라믹 분말의 입도에 따라 생성되는 클래딩 층에 생성되는 다공성 표면의 정도를 조절할 수 있었고 이러한 다공성 표면은 생체 부품과 인체 세포간의 친화력과 접합력을 증가시키는 중요한 부분으로 사용될 수 있다.
균열이 발생되지 않았다. 예열을 통하여 모재의 빠른 용융을 유도할 수 있으며 동시에 가공 후 모재의 급냉을 방지하여 내부 균열의 발생을 억제할 수 있었다. .
2와 같은 조건별 실험을 하였다. 조건별 실험 결과로 가공 표면의 결합력 비교를 통해 레이저 출력과 이송속도의 기초적인 가공 조건을 얻을 수 있었다. 두께 2-3mm 의 클래딩 층을 얻기 위한 레이저 출력과 이송속도, 분말공급량의 조건을 변화 시켜 클래딩 층 생성 유무, 클래딩 층의 두께 및 폭 등을 측정하였고, 클래딩 층 절단면의 현미경 사진을 통하여 내부 균열 및 기공의 여부, 경도 측정을 하였다.

후속연구

s/sec), 분말 공급 35g/min 조건에서 안정적인 레이저 클래딩 층을 얻을 수 있었으며, 500℃ 이상의 모재 의예 열을 통하여 균열과 기공이 없는 클래딩 층이 생성될 수 있음을 확인하였다. 또한 세라믹 분말의 입도에 따라 생성되는 클래딩 층에 생성되는 다공성 표면의 정도를 조절할 수 있었고 이러한 다공성 표면은 생체 부품과 인체 세포간의 친화력과 접합력을 증가시키는 중요한 부분으로 사용될 수 있다. 레이저 클래딩 기술은 레이저 빔에 의한 비접촉 가공으로 청정성을 유지시킬 수 있으며, 재료의 변형이 최소한으로 이루어지므로 생체 적용을 위한 코팅 기술로 적용할 수 있다.
레이저 클래딩 기술은 레이저 빔에 의한 비접촉 가공으로 청정성을 유지시킬 수 있으며, 재료의 변형이 최소한으로 이루어지므로 생체 적용을 위한 코팅 기술로 적용할 수 있다. 향후 부품 지속성 및 수명을 저하시킬 수 있는 클래딩 층의 미소 균열 및 기공 생성 문제에 대한 연구가 필요할 것으로 판단되며, 본 연구를 기초하여 의료 기구 개발 및 개선에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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