A plasma spraying technology has been applied to the coating by using the metals of low melting point and small particles. The present work is to apply this technique to the fabrication of a ceramic pellet with a high density. Powder melting, spheroidization, thick deposition and pellet forming on the various conditions were carried out and their microstructures were characterized according to the solidification theories. Yttria stabilized zirconia (YSZ) was used for the deposit material.
Effects of parameters for the melting, such as particle morphology, particle size, plasma gas composition, spraying chamber pressure and plasma plate power, were evaluated. A statistical tool, analysis of variance (ANOVA), was applied to analyze the effects of parameters quantitatively and their correlations on the density of a deposit. It was found that the particle morphology was the major factor limiting the density of a deposit.
Dependence of spheroidization on variables, such as particle size,$H_2$ gas fraction in plasma gas, particle flight direction in plasma flame, and probe position in the torch, was studied. The result showed that the spheroidization of a particle largely depended on the $H_2$ gas fraction and particle size. ANOVA showed that the $H_2$ gas fraction had an impact on the spheroidization by 25%. In addition, there was a close correlation between the probe position and $H_2$ gas fraction.
A higher $H_2$ gas fraction resulted in larger and thicker cellular grains on the graphite substrate. Long grains with needle-like endings were observed more in a dense deposit than in a porous one. These shapes seemed to be affected by the heat removal rate. The heterogeneous grain size and insufficiently melted particles were frequently observed in the deposit sprayed with a large particle size.
The solute (yttrium) concentration of the spheroidized particles was homogeneous from the center to the surface of a particle, which confirmed that there was no selective vaporization or segregation at least during spraying. However, the solute concentration was different from particle to particle. The deposited layers showed continuous solute concentrations at their boundaries, which seemed to be due to the solute diffusion between the particles of different concentrations. Generally, the solute diffusion leads to the formation of a dendrite, but the interface condition of $G_q>mG_c$ of the present experiment might lead to a columnar grain.
X-ray diffraction patterns of the spheroidized particles indicated that the larger particle exhibited a higher content of a tetragonal phase, while smaller particles tended to show a cubic phase. The fraction of the tetragonal phase was affected by the spraying conditions, especially the quenching rate.
The degree of deformation of the spherical droplet into a dish-like splat was about 320%, and the thickness of the splats in a deposit was varied between 2 and 3 μm depending on the particle sizes and spraying conditions. It was observed by transmission electron microscopy that an array of small pores existed on the splat boundaries. These pores might be formed by the trapped gas during spraying.
The microstructure of the bottom part of a deposit showed small equiaxed grains. The small equiaxed grains prevailed when droplets were quenched rapidly on a substrate; this might be a large ΔT due to the rapid quenching. In the middle part of a deposit, large columnar grains, about 300 μm in length and 100 μm in thickness, were developed through the layers with strong adhesion between the layers. The long and thick columnar grain might be grown at the conditions of the local thermal undercooling of 2.6 K and temperature gradient of 0.0023-0.00028 K/mm in this experiment. This condition might be attributed to the superheating of droplets, latent heat of solidification, pore array on the splat boundaries and low thermal conductivity of YSZ, eventually retarding the heat transfer and decreasing the solidification rate.
The growth of long columnar grain through the layers seemed possible since the previously solidified surface of a grain provided a nucleation site of solidification for a new droplet.
플라즈마에 의한 분말 분사기술은 낮은 용융점과 작은 크기의 금속 분말을 사용한 코팅의 용도로 활용되어 왔다. 본 논문은 이 기술을 높은 밀도를 갖는 세라믹 펠렛의 성형에 응용하고자 하였다. 분말의 용융, 구형화, 두꺼운 침적물의 제조 및 펠렛의 성형 실험을 여러 가지 조건에서 수행 하였고, 제조한 침적물의 미세조직을 응고이론을 바탕으로 해석하였다. 분말은 Yttria stabilized zirconia (YSZ)를 사용하였다.
분말의 용융성을 알아보기 위하여 분말의 물성, 입자의 크기, 플라즈마 가스의 성분, 챔버압력 및 플라즈마 동력을 변수로 실험을 하였다. 각 변수들이 침적물의 밀도에 미치는 영향을 정량적으로 분석하고 또, 변수들 간의 상관성을 알아보기 위하여 분산분석법 (analysis of variance, ANOVA)을 이용하였다. 그 결과, 분말의 물성이 침적물의 밀도에 가장 큰 영향을 주는 변수임을 확인하였다.
분말의 크기, 수소기체 유량, 분말의 낙하방향 및 분말 분사관의 높이가 구형화에 미치는 영향에 대하여 연구하였다. 분말의 구형화는 수소기체의 유량 및 분말 크기에 주로 좌우되었다. ANOVA에 의하면, 수소기체의 유량이 분말의 구형화에 미치는 영향은 변수들 가운데 약 25%인 것으로 분석되었다. 또, 분말 분사관의 높이와 수소기체의 유량, 두 변수 간에는 서로 상관관계가 있는 것으로 분석되었다.
수소기체 유량이 많을수록 침적물을 구성하는 입자(grain)의 크기는 크고 두꺼웠다. 밀도가 높은 침적물에서는 입자의 아래쪽 끝부분이 뾰족하고 균일한 크기의 주상입자(columnar grain)가 많이 관찰되었는데, 입자의 형태는 열이 제거되는 속도와 관계가 있는 것으로 판단되었다. 크기가 큰 분말로 침적한 침적물은 입자(grain)의 크기도 균일하지 못하였으며, 완전히 용융되지 못한 분말들이 많이 관찰되었다.
플라즈마 내에서 용융시킨 분말들의 용융후 화학적 농도는 변화가 없었으며, 한 분말의 중심에서 표면까지 균일한 용질 (yttrium) 농도를 나타내었다. 그러나, 분말들 간에는 농도 차이를 나타내었다. 이러한 분말들로 이루어진 침적물의 splat경계는 연속적인 용질 농도를 나타내었다. 이것은 용융된 분말이 응고되면서 용질의 확산이 일어났기 때문인 것으로 판단되었다. 응고시 용질의 확산이 있는 경우 수지상 (dendrite) 조직을 나타내는 것이 일반적이나, 여기서와 같은 주상 (columnar) 조직을 나타낸 이유는 응고계면의 온도기울기 조건이 $G_q>mG_c$ 이었기 때문인 것으로 판단되었다.
구형화된 분말의 X-선 특성을 조사하였다. 분말의 크기가 클수록 정방정계 (tetragonal) 상의 함유량이 높았으며, 크기가 작은 분말은 입방정계 (cubic) 상을 나타내었다. 이는 분말의 분사조건, 특히 응고속도와 관계가 있는 것으로 해석되었다.
용융된 분말이 침적될 때 변형율은 초기 분말직경의 약 320%를 나타내었으며, 침적후 두께는 분말의 크기 및 분사조건에 따라 2-3 μm 이었다. splat과 splat 사이 경계면에 매우 작은 기포군이 TEM에서 관찰되었는데, 이것들은 침적시 플라즈마 가스가 혼입되어 경계면에 남아 있는 것으로 판단되었다.
침적물의 바닥조직은 작은 등축입자 (equiaxed grain)가 특징적이었는데, 이는 용융입자의 응고속도가 큰 조건에서 많이 관찰되었다. 침적물 중간에 위치한 조직은 길이 300 μm, 두께 100 μm 정도의 주상입자가 수 많은 splat을 관통하여 성장한 것이 특징적이었다.
이 실험에서 관찰된 주상입자는 국부적 과냉 2.6 K, 온도 기울기 0.0023-0.00028 K/mm 정도의 조건에서 생성된 것으로 판단되었다. 이 정도의 작은 과냉 및 온도 기울기 조건은 용융된 분말이 가진 높은 열, 응고잠열, splat 경계면의 작은 기포군, 또 YSZ 분말 자체의 낮은 열전도도에 기인한 것으로 판단되며, 이러한 조건들이 열전달 및 응고속도를 느리게 하여 큰 크기의 주상입자로 성장시키는 원동력이 되었다고 판단된다.
수 많은 splat을 관통하여 하나의 긴 주상입자로 성장할 수 있었던 이유는, 먼저 substrate에 떨어져 응고된 splat이 다음에 떨어지는 용융분말의 핵 (nucleus) 생성 장소를 제공하였기 때문인 것으로 판단되었다.
