High Velocity Oxygen Fuel(HVOF) 공정 시 분사 거리와 gun 이송 속도가 WC-Co-Cr 코팅층의미세구조 및 기계적 특성에 미치는 영향 = Effects of spray distance and gun traverse speed on the microstructure and mechanical properties of WC-Co-Cr coatings deposited by High-Velocity Oxygen Fuel (HVOF) spraying

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 HVOF(High Velocity Oxygen Fuel) 공정에서 분사 거리(250, 300, 350 mm) 및 gun 이송 속도(4, 7, 10 mm/s)가 WC-10Co-4Cr 코팅층의 미세∙결정 구조 및 기계적 물성에 미치는 영향을 분석하였다. 사용된 WC-Co-Cr 분말은 1~2 µm 크기의 1차 입자가 응집된 조립화 구조를 가지며, 이로 인해 HVOF 분사 과정에서 내부·외부 용융도 차이에 의한 부분 용융 및 미용융 입자의 가능성을 내재하고 있다. 분사 거리 변화 실험 결과, 분사 거리: 300 mm, gun 이송 속도: 7 mm/s 조건 대비 분사 거리: 250 mm, gun 이송 속도: 7 mm/s 조건에서는 분사 거리 감소로 인해 비행 시간이 감소하고, 이 에 따라 입자의 용융도가 감소하여 미용융 입자와 계면 이탈율(9.48 %)이 증가하였고, Splat 간 결합 불량으로 Almen/밴딩 두께 감소(90 µm) 및 잔류응력 증가(0.35 mm)가 나타났다. 반면, 분사 거리: 350 mm, gun 이송 속도: 7 mm/s 조건에서는 비행 시간 증가로 인해 산소와 더 많은 접촉을 하여 결함율(0.872 %)이 증가함에도 불구하고, 제트 유동의 안정화로 인해 충 돌각도 및 적층 방향성이 개선되어 비교적 높은 본딩강도(77.3 MPa)와 경도(1,400 Hv)를 나타내었다. gun 이송 속도 변화 실험에서는 분사 거리: 300 mm, gun 이송 속도: 7 mm/s 조건 대비 분사 거리: 300 mm, gun 이송 속도: 4 mm/s 조건과 분 사 거리: 300 mm, gun 이송 속도: 10 mm/s 조건에서 모두 미세조직의 치밀성과 Splat 연속성이 향상되었다. 분사 거리: 300 mm, gun 이송 속도: 4 mm/s 조건은 적층 표면의 화염 체류 시간 증가로 인해 국부 재용융 및 바인더 유동성이 증가하여 기 공율 감소 효과가 나타났으나, 과열에 따른 Splat 경계 불균일로 인해 본딩강도는 다소 저하되었다. 분사 거리: 300 mm, gun 이송 속도: 10 mm/s 조건은 표면의 과열이 억제되고 입자의 비산이 줄어 Splat 구조가 보다 균일하게 형성되었으며, W2C 상대 피크 강도의 소폭 증가와 함께 본딩강도(74.1 MPa)가 분사 거리: 300 mm, gun 이송 속도: 7 mm/s 조건보다 개선되는 경향을 보였다. 전체적으로, 분사 거리와 gun 이송 속도는 입자의 용융도-냉각속도-비행, 안정성-충돌각도-바인더 연속성을 결정하는 핵심 인자로 작용하였으며, 이는 코팅층 내부의 Splat 구조, 기공·산화물 분포, 탈탄화 정도 및 Co-Cr 바인더 상의 연속성을 통해 경도, 본딩강도, 적층 두께, 잔류응력 등 기계적 물성에 직접적인 영향을 미치는 것으로 확인되었다. 본 연구 결과는 HVOF 공정을 이용한 WC-Co-Cr 코팅의 최적 공정 조건 설정 및 미세구조 수립에 유의미한 기초 자료를 제공한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study investigates the effects of spray distance (250, 300, and 350 mm) and gun traverse speed (4, 7, and 10 mm/s) in the High Velocity Oxygen Fuel (HVOF) process on the microstructural, crystallographic, and mechanical properties of WC-10Co-4Cr coatings. The WC-Co-Cr feedstock powder consists of agglomerated 1~2 µm primary particles, which inherently promotes the formation of partially molten and unmelted particles during spraying due to heterogeneous internal and external melting behavior. When the spray distance was reduced to 250 mm at a gun traverse speed of 7 mm/ s, the shortened particle flight time resulted in insufficient melting, leading to an increased fraction of unmelted particles and interfacial delamination (9.48 %). As a consequence, poor inter-splat bonding caused a reduction in Almen/bending thickness (90 µm) and an increase in residual stress (0.35 mm). In contrast, at a spray distance of 350 mm, the extended flight time increased particle exposure to oxygen, resulting in a higher defect content (0.872 %). Despite this, stabilization of the jet flow improved particle impact angle and lamellar stacking, yielding the highest bonding strength (77.3 MPa) and hardness (1,400 Hv). Variations in gun traverse speed significantly altered the surface thermal history and splat solidification behavior. Compared with the reference condition (300 mm, 7 mm/s), both slower (4 mm/s) and faster (10 mm/s) traverse speeds produced denser lamellar structures and enhanced splat continuity. At 4 mm/s, localized re-melting and increased binder fluidity reduced porosity but slightly degraded bonding strength due to excessive thermal input. Conversely, at 10 mm/s, suppressed surface overheating and reduced particle scattering led to a more uniform splat structure, accompanied by a slight increase in W2C relative peak intensity and improved bonding strength (74.1 MPa). Overall, spray distance and gun traverse speed are critical parameters governing particle melting, cooling, flight stability, and binder continuity, which collectively determine splat morphology, defect distribution, decarburization behavior, and mechanical performance of WC-Co-Cr coatings.