본 연구에서는 우수한 내부식 특성을 부여하여 새롭게 설계된 Fe-based metallic glass 및 Ni-based alloy의 분말을 제조하였다. 상기의 분말들을 사용하여 HVOF(High velocity oxygen fuel)공정으로 코팅층을 제조하였으며, 제조된 코팅층의 미세조직의 관찰 및 부식 거동을 규명하고자 하였다.
먼저, 다양한 Fe-based metallic glass 조성의 합금을 제조한 후 침지 시험을 통해 부식 특성을 확인하였다. 그중에서 가장 우수한 특성을 갖는 조성으로 분말을 제조하였다. 또한, thermal spary 공정 중 HVOF spray 방법으로 Fe-based metallic glass 코팅층 제조에 성공하였다. 제조된 코팅층들은 broad halo peak 와 일부 결정상이 형성됨을 보였음에도 우수한 내마모 특성과 기계적 특성을 확인하였다. 부식 거동을 관찰하기 위해 전기화학 분극 시험을 수행하였으며 그 결과 기공 등의 결함 부위에서 부식이 시작되는 것을 확인하였다. 이후 표면에 안정한 passive film을 형성하였으며, 보호 효과가 우수한 Cr과 Mo의 높은 분율을 보였다. 내부 및 substrate로의 확산은 관찰되지 않아 매우 우수한 내식 저항성을 확보하였음을 확인하였다. 또한 코팅층에서 일부 산화물이 관찰되었지만 이것은 부식에 의한 산화물이 아닌 HVOF 공정 중 in-flight oxidation에 의해 생성되는 산화물로 확인되었다. 한편 코팅층 제조 시 일부 형성된 결정상은 M₃B, M23(B,C)6 등의 금속간화합물로 가혹한 부식환경에서 부식 채널로 작용할 수 있다. 합금 조성 제어, 분말의 size 제어, 코팅 공정의 제어를 통해 이러한 결함을 제거하면 더욱 우수한 부식 특성을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
두 번째 Ni-based alloy 분말도 Fe-based metallic glass와 동일한 HVOF 공정으로 코팅층을 제조하였다. 제조된 코팅층은 Ni(FCC) 단일상으로 구성되어 있었으며 내부 미세조직 관찰결과 Ni 기지 내 다양한 합금 원소들이 매우 미세하고 불균일하게 분포되어 있었다. Ni-based alloy의 기계적 특성 평가 결과 다른 superalloy와 유사한 수준으로 확인되었으며 기공이 적고 치밀한 미세조직으로 건전한 코팅층이 제조됨을 알 수 있었다. Ni-based alloy 코팅층의 부식 거동 연구 결과 표면에 pore, particle boundary, un-melted particle 영역에서 부식이 시작되었음을 확인하였다. Ni-based alloy의 코팅층은 표면에서 시작한 pore 및 particle boundary를 따라 일부 산화가 확산되었지만 5㎛ 수준이며 치밀한 미세조직으로 인해 결함 부위가 적어 내부식 특성이 우수하게 나타났다. 그러나 국부적인 영역에서 oxide와 carbide가 혼재되어 porous layer를 형성하였으며 이러한 결과는 Ni-matrix의 선택적 부식으로 나타나는 것으로 사료된다.
마지막으로 두 소재의 바이오매스 보일러용 튜브의 코팅 소재로 적용 가능성을 분석하기 위해 pilot test를 진행하였다. Fe-based metallic glass, Ni-based alloy로 코팅한 시료와 코팅을 적용하지 않은 T91 합금을 함께 실제 산업현장에서 사용되는 보일러의 smoke box 내에 위치시켜 6주 동안 부식 테스트를 수행하였다. 고온의 염화 분위기에서 Fe metallic glass 코팅층의 두께가 54%가량 감소 되었고 particle boundary와 영역과 코팅층과 substrate 사이에 기공 등의 결함과 함께 기존 oxide의 성장이 확인되었지만 substrate와 코팅층의 박리는 관찰되지 않았다. 또한, Ni-based alloy 코팅이 적용된 시료의 경우 코팅층 표면에 Al₂O₃, Cr₂O₃, NiO 등의 산화물이 형성되었으며 코팅층 내 particle boundary를 따라 균열 및 일부 구간에서의 박리가 관찰되었다. 코팅층과 substrate의 경계에서는 코팅에 의한 oxide가 성장되었지만 substrate와의 균열은 관찰되지 않아 고온에서의 내부식 특성이 우수함을 확인하였다. 한편 코팅을 적용하지 않은 T91 합금에서는 심각한 부식과 산화층의 성장 등으로 균열 및 박리가 다량 발생했으며, 내부 결정립을 따라 산화가 확산된 것을 확인했다. 또한, EDS mapping을 통하여 산화 스케일 직하 영역에서 Cr depletion 구간의 형성으로 심각한 부식이 진행됨을 알 수 있었다. 위의 결과들을 바탕으로 Fe metallic glass와 Ni-based alloy 모두 고온의 부식환경에서 substrate를 효과적으로 보호함을 확인하였으며, 이는 바이오매스 보일러 튜브용 소재에 코팅을 적용하여 장수명 및 고효율의 튜브 소재로의 사용 가능성을 확인하였다.