KR101255386B1 - 정밀 정형 티타늄 보디의 저비용 제조 방법 - Google Patents

정밀 정형 티타늄 보디의 저비용 제조 방법 Download PDF

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Abstract

높은 에너지 소스로서의 용접 토치를 갖는 SFFF 제조 공정을 사용하여 Ti 합금 구조체를 제조하기 위한 공정이며, Ti 스폰지와 합금화 분말로 제조된 피드 와이어를 공급재로서 사용하는 단계 또는 현장에서 용융물에 Ti 합금을 형성하는 단계를 포함하는 공정에 관한 것이다.
Ti 스폰지, 고에너지 소스, 합금 구조체, 합금화 원소, 콤팩팅 롤러, 세라믹 입자, 와이어

Description

정밀 정형 티타늄 보디의 저비용 제조 방법{A LOW COST PROCESS FOR THE MANUFACTURE OF NEAR NET SHAPE TITANIUM BODIES}
본 발명은 티타늄(Ti), 티타늄 합금, 및 티타늄 복합 재료로 형성되는 성형 보디 또는 콤포넌트(shaped bodies or components)의 제조에 관한 것이다. 본 발명은 Ti-6Al-4V(Ti-6-4) 합금으로 형성되는 성형 보디 또는 콤포넌트의 제조에 있어서 특별한 용도를 가지며, 다른 용도가 고려되더라도 이러한 용도와 관련하여 기술될 것이다.
티타늄 콤포넌트는 가벼운 중량, 우수한 기계적 특성, 및 내식성으로 인해 군사적 용도 및 상업적 용도에서 중요성이 커지고 있다. 그러나, 인베스트먼트 주조 및 램 흑연 주조(ram graphite casting)와 같은 종래의 제조 방법은 고비용의 정밀 정형(near net shape) 구조체로 귀결된다. 이는 재료 비용, 가공 비용, 그리고 노동 비용을 포함한 처리 비용을 포함하는 여러 인자의 조합에 기인한다. 또한 주조에는 콤포넌트의 기계적 특성을 저해하는 결함이나 보이드가 빈번하게 포함된다. 티타늄을 용융하기 위해 레이저를 사용하는, SFFF(solid free form fabrication)로도 알려져 있는 급속 제조 공정은 가공의 필요 없이 3차원 정밀 정형을 증착할 수 있다. 그러나, 레이저 SFFF 공정에 대한 자본 및 작동 비용은 인 베스트먼트 주조나 램 흑연 주조에 비해 콤포넌트 비용이 상당히 높아진다.
SFFF 공정에서 PTA 토치를 사용하면 인베스트먼트 주조나 램 흑연 주조와 같은 통상적인 Ti 합금 제조 방법에 비해 저렴한 비용으로 3차원 또는 성형 콤포넌트를 생산할 수 있다. PTA-SFFF 공정은 이용가능한 대안에 비해 Ti 합금 콤포넌트의 비용을 절감할 수 있지만, 종래의 PTA-SFFF 공정은 여전히 비교적 고가의 티타늄 합금 와이어 또는 분말 공급재의 사용을 요한다. 따라서, 보다 광범위한 용도에서 Ti 합금을 사용할 수 있으려면 추가적인 비용 절감이 바람직할 것이다. PTA-SFFF 공정에 의해 생산되는 정밀 정형 콤포넌트의 비용에 대해 분석해보면, 단일의 최대 비용 인자는 분말 또는 와이어일 수 있는 티타늄 공급재의 비용이다. Ti를 구입할 수 있는 가장 저렴한 형태는 주 스폰지(primary sponge) 형태이다. 그러나, 시판되는 Ti 스폰지는 합금화 원소(alloying element)를 전혀 함유하지 않으며, 따라서 고강도 합금을 제조하기 위해 SFFF 공정에서 유리하게 사용될 수 없다. 따라서, 통상 사전합금화된(prealloyed) 분말 또는 사전합금화된 용접 와이어가 SFFF 공정용 공급재로서 사용된다. 그러나, 합금화된 분말의 비용은 용접 와이어의 비용보다 높으며, 따라서 저비용의 SFFF 공정에서는 일반적으로 와이어의 사용이 바람직하다. 순수 Ti 와이어(CP Ti)의 비용은 합금화된 Ti 와이어의 그것에 비해 낮으며, 비용 절감을 위한 한 가지 잠재적인 수단은 합금을 생산하기 위한 공동-공급재(co-feed)로서 합금화 원소를 갖는 CP Ti를 사용하는 것이다. 사실, 소정의 합금화 원소의 분말을 함유하는 Ti 용접 와이어의 제작을 개시하는 종래 기술은 여러가지가 있다. 예를 들어, 미국 특허 제2,785,285호는 소정의 합금화 분말을 갖는 티타늄 재질의 원주밀폐된 세장형 쉬쓰를 개시한다. 다른 종래의 특허는 콤팩트화된 합금화 분말이 충진된 Ti 튜브를 개시한다. 그러나, 인용된 예에서는 모두, 사전형성된 금속 쉬쓰의 사용이 요구된다. 이는 비용이 드는 공정이며, 이들 공정은 SFFF 공정에 사용될 때 합금화된 Ti 형상을 생성할 수 있지만 재료 비용으로 인해 경제적인 장점은 전혀 없다. 미국 특허 제6,680,456호는 Ti를 포함하는 금속의 PTA SFF 제작을 위해 전통적으로 형성된 와이어 공급재의 사용을 기술하고 있다. 그러나, 이 특허의 공정 역시 높은 재료 비용으로 인해 곤란을 겪는다.
본 발명은 SFFF 공정에 통상 사용되는 상당한 고가의 레이저 대신에 용접 토치와 같은 고에너지 플라즈마 빔을 채용하며, 티타늄 공급재를 조합하고 콤포넌트를 원료 비용을 상당히 절감하는 방식으로 합금화함으로써 비교적 저렴한 티타늄 공급재를 갖게 된다. 보다 구체적으로, 일 양상에서 본 발명은 합금 와이어보다 비용이 저렴한 순수 티타늄 와이어(CP Ti)를 채용하며, CP Ti 와이어와 분말 합금 콤포넌트를 용접 토치 또는 기타 고출력 에너지 빔의 용융물에서 조합함으로써 SFFF 공정에서 CP Ti 와이어를 분말 합금 콤포넌트와 현장에서(in situ) 조합한다. 다른 실시예에서, 본 발명은 합금화 원소와 혼합되어 와이어로 형성된 티타늄 스폰지 재료를 채용하며, 이는 정밀 정형 티타늄 콤포넌트를 생성하기 위해 SFFF 공정에서 플라즈마 용접 토치 또는 기타 고출력 에너지 빔과 조합되어 사용될 수 있다.
본 발명의 추가적인 특징 및 장점은 첨부도면을 참조한 하기 설명에서 명확해질 것이며, 도면에서 유사한 도면부호는 유사한 부분을 지칭한다.
도 1은 본 발명에 따른 PTA-SFFF 플라즈마 이행 아크(plasma transferred arc) 시스템의 부분 단면 사시도.
도 2는 합금화되지 않은 Ti 입자와 합금화 원소의 분말의 혼합의 개략 흐름도.
도 3은 합금화되지 않은 Ti 입자와 합금화 원소의 분말 및 세라믹 분말의 혼합의 개략 흐름도.
도 4는 분말 혼합물을 n개의 일련의 롤러 및 선택적인 원형 축소 다이로 통과시킴으로써 와이어 형태로 처리하는 과정의 개략 도시도.
도 5는 본 발명을 실시하는데 사용될 수 있는 상업적인 플라즈마 이행 아크 SFFF 제조 설비의 도시도.
가장 보편적으로 사용되는 Ti 합금은 Ti-6Al-4V(Ti6-4)인 바, 그 이유는 기계적 특성이 우수하기 때문이다. 그 결과 이는 대부분의 군사적 용도 및 상업적 용도에 사용되고 있다. 그러나, Ti 및 그 합금은 고가이며, 가공에도 비용이 많이 든다. 하기 표 I에서는, 2004년 중반의 특정 일자의 Ti 가격에 기초한 Ti-6-4 정밀 정형 콤포넌트의 제조 비용을, PTA-SFFF 공정 및 오늘날 사용되는 다른 종래의 제조 공정과, 본 발명에 따른 저렴한 공급재료의 사용에 있어서 표시하였다. 기본 PTA-SFFF 제조에 있어서, 시판중인 Ti-6-4 용접 와이어를 금속 소스로서 사용하였다.
표 I 정밀 정형 Ti-6-4 콤포넌트에 대한 비용
공정 조건 판매가/lb in
콤포넌트 형태		 가격/in3
잉곳 6" 라운드 빌렛,
고도 기계가공 필요		 $25/1b1 $4
인베스트먼트 주조 시세 $70 $11
램 흑연 주조 시세 $50-55 $8-9
레이저 SFFF 20% 오버스프레이2를 갖는 분말 @$60/lb $1293 $21
PTA SFFF4 Ti-6-4 와이어에 대해 $23/lb의 물량 가격 $383 $6
PTA SFFF CP Ti 와이어@$14/lb + Al-V 분말 $253 $4
PTA SFFF Ti스폰지와 Al-V를 혼합하고, 압연하여 와이어로 만듬 $163.5 $2.59
1. 완전히 가공된 콤포넌트의 비용은 통상 $100-125/lb임.
2. 일부 단위에서의 오버스프레이는 종종 80%일 수 있으며, 허용가능한 재료의 생산을 위해 분말의 재생은 나타내지 않았다. 이는 가격을 $129/lb에서 $413/lb로 상승시킬 것이다.
3. PTA 및 레이저 가공 시의 이익에 대한 20% 인상을 포함.
4. PTA SFFF = plasma transferred arc solid free form fabrication
5. $4.00/lb CP 스폰지에 기초함
정밀 정형 Ti-6-4 콤포넌트는 순수 Ti 분말을 사전합금화된 Al-V 분말과 조합함으로써 레이저 SFFF 공정에서 현장에서 형성될 수 있는 것으로 나타났다. 그러나, 레이저 출력 소스 방식을 이용하여 레이저 SFFF가 콤포넌트를 생성하는 비용은 비교적 고가이다. 상기 표 I에 나타나 있듯이, 본 발명에 따른 PTA-SFFF 공정과 더불어 비교적 저렴한 CP(chemically pure) Ti 와이어 및 Al-V 사전합금화된 분 말을 사용함으로써 정밀 정형 Ti-6-4 콤포넌트를 상당히 낮은 가격으로 제조할 수 있다.
도 1 및 도 5를 참조하면, 본 발명은 비교적 저렴한 티타늄 공급재료를 구비하는 PTA-SFFF 플라즈마 이행 아크 시스템(10)을 채용한다. 본 발명의 일 양상에서, 티타늄 공급 재료는, 플라즈마 이행 아크 용접 토치(18)에서 나오는 합금화 분말(16)의 용융물과 조합되도록 와이어 공급기(14)로부터 공급되는 순수 티타늄 와이어(CP Ti)(12)를 포함한다. 분말 합금화 콤포넌트는 공급기(20)로부터의 플라즈마 토치에 도포된다. 와이어 공급재와 합금화 콤포넌트는 조합되어 현장에서 용융물 중에 티타늄 합금을 형성하며, 여기에서 이들은 타겟 기판(22)의 표면(24)에 증착될 수 있다.
또한 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 3차원 구조체 제조 장치가 도시되어 있다. 이 장치는 도 1의 플라즈마 이행 아크 시스템(10)을 포함하는 밀폐 증착 스테이션(64)을 지지하는 베이스(60) 및 프레임(62)을 구비한다. 벨로우즈(68)는 프레임(62) 상에서의 증착 스테이션(64)의 이동을 수용한다.
플라즈마 토치 헤드의 위치는 다축 CNC 콘트롤러 및 다축 로봇식 콘트롤러와 같은 다축 모션 콘트롤러(도시되지 않음)에 의해 제어된다. 토치 헤드의 모션은 타겟 기판(22)의 표면(24) 상에 금속 합금의 3차원 구조체를 증착하도록 제어된다. 증착을 추가 제어하기 위해 타겟 기판은 회전 및 경사될 수도 있다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 다른 실시예에서, 본 발명은 저렴한 Ti 스폰지와 Al-V 분말의 혼합물인 신규 저렴한 PTA용 공급 와이어에 의한 PTA SFFF 공정을 사용함으로써 오늘날 사용되는 종래 제조 공정에 비해 훨씬 큰 비용 절감을 제공한다. Al-V 분말은 사전합금화물이거나 또는 두 가지 기본 합금화 분말의 혼합물일 수 있다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 도 2 및 도 3에 도시하듯이, 먼저 전단 혼합기(shear mixer)(32)에서의 혼합 스테이지(30)에서 주 Ti 스폰지 재료를 Al 및 V 분말 또는 Al-V 사전합금화된 분말과 조합 및 혼합함으로써 저렴한 공급 와이어가 생성된다. Ti 스폰지 재료의 연성(延性: ductility)은, 이 재료가 전단 혼합기 내를 유동하여 합금화 분말과 혼합되도록 충분히 높다.
Al-V 분말 또는 Al-V 사전합금화된 분말은 혼합기(32)에서 혼합되어, 바람직하게는 약 5mm를 넘지않는 입자 크기로 밀링가공된다. 필요할 경우 도 3에 도시하듯이 하나 이상의 세라믹 입자가 혼합 스테이지(30)에 추가됨으로써 와이어 내에 구비될 수도 있다.
도 4를 또한 참조하면, 혼합된 분말은 이후 일련의 롤러(42a, 42b...42n)를 포함하는 연신(drawing) 스테이지(34)로 이송되며, 이 스테이지에서 연성이 상당한 티타늄 스폰지와 합금화 분말은 충분한 힘으로 함께 압착되어 세장형 보디(46)로 만들어지고, 이 세장형 보디는 여러 번의 축소에 의해 PTA-SFFF 시스템용 와이어 공급재로서 사용되기에 충분한 강도를 얻는다. 세 개, 네 개 또는 그 이상의 롤러들의 세트일 수 있는 각각의 롤러 세트(42a, 42b...42n)는 점진적으로 직경이 작아지며, 와이어의 직경이 통상 약 0.025" 내지 약 0.125"의 목표 직경으로 감소되도록 점진적으로 밀착된다. 초기 롤러 세트에서는 롤러들 사이의 공간으로 인해 와이어의 표면에 어느 정도의 비대칭이 존재한다. 그러나, 이러한 비대칭은 와이어 가 보다 미세한 롤러 세트를 점진적으로 통과함에 따라 감소된다. 물론, 와이어 비대칭은 각 스테이지에서 롤러의 개수를 증대시킴으로써 감소될 수도 있다. 최종 와이어는 와이어 이송 장치를 통해서 PTA-SFFF 용융물 풀(pool)에 이송될 수 있도록 충분한 치수 안정성 및 강도를 가지며, 여기에서 티타늄 스폰지와 Al-V 분말은 합금화되어 Ti-6A-4V 또는 기타 선택된 합금을 생성한다. 와이어는 또한 다이를 통한 와이어의 인출 응력(pulling stress)을 견디기에 충분한 강도로 롤러에 의해 처리된 이후 선택적인 원형 축소 다이(50)를 통과할 수 있다.
혼합 및 압연에 의한 Ti 합금 와이어의 형성은 순수 Ti 스폰지의 고유한 고연성으로 인해 가능하다. Ti 스폰지의 연성은 결과적으로 Ti가 일련의 면적 축소 롤을 통해서 압착될 때 본질적으로 "자기 결합(self bond)"되게 하며, 합금화 및 세라믹 분말을 트랩(trap)한다. 이후 공급 와이어가 PTA 공정에 의해 용융될 때, 티타늄 및 트랩된 분말은 응고되기 전에 합금화된다. 따라서, 결과적인 와이어는 이후 PTA-SFFF 공정에서 정밀 정형 콤포넌트를 만들어 내도록, 즉 도 1에 도시하듯이 와이어 공급재로서 채용될 수 있다.
본 발명은 하기의 비제한적인 예로부터 더욱 명확해질 것이다.
예 1
0.080" 직경의 CP Ti 와이어가 도 1에 개략 도시된 PTA-SFFF 장치의 PTA 토치에 공급된다. 동시에, 사전합금화된 Al-V 분말이 PTA 토치에 공급된다. 그 결과 Ti, Al, V가 플라즈마에 의해 발생된 용융물 풀에서 순간적으로 합금화된다. 사전혼합된 Ti-6-4 조성물은 Ti-6-4와 동등한 조성을 갖는 3차원 형상으로 형성되 지만, 주조 제품보다는 훨씬 저렴하다. PTA-SFFF 형성된 재료의 미세구조는 주조 제품보다 정밀할 뿐 아니라 결함이 없는 바, 이는 일반적으로 주조 제품보다 우수한 특성을 제공한다.
예 2
도 2에 도시하듯이 사전합금화된 Al-V 분말이 Ti 스폰지와 혼합된다. 이 혼합물이 도 4에 도시하듯이 각 롤러 세트 사이에 축소 영역을 갖는 일련의 4롤 밀(mill)을 통해서 가공됨으로써 연속 와이어로 형성된다. 이렇게 형성된 복합 와이어가 도 5에 도시된 PTA-SFFF 장치에 보내져서, Ti-6-4의 미세구조, 조성, 및 특성을 갖지만 훨씬 저렴한 비용의 Ti-6-4 3차원 형상으로 만들어진다.
예 3
티타늄 스폰지가 원소 바나듐 및 알루미늄 분말과 혼합되어 도 3에 도시하듯이 Ti-6Al-4V 합금뿐 아니라 TiB2 분말을 제조하며, 여기에서 TiB2 분말은 Ti-6Al-4V 합금의 10체적%이다. 이 혼합물이 도 4에 도시된 연속적인 롤러 콤팩터(roller compactor)를 통과하여, PTA 시스템으로 이송될 와이어로 만들어진다. Ti-6Al-4V/10체적%TiB2로 구성되는 세메트(cermet) 합금이 도 5에 도시된 PTA-SFFF 장치를 사용하여 정형으로 제조된다.
방호 장갑과 같은 기능을 제공하는 고경화물을 제조하기 위해 나노입자 크기의 세라믹 분말이 사용되어 분산 강화된 티타늄 합금이나 보다 고품질의 세라믹 분말을 생성할 수 있다. 예를 들어 1/4 내지 2체적%의 낮은 농도의 나노입자 사용은 형성되는 콤포넌트의 연성에 악영향을 주지 않으면서 내마모성이 훨씬 큰 티타늄을 제조할 수 있다. B, TiC, B4C와 같은 입자를 첨가함으로써 더 높은 강도를 얻을 수 있다.
본 발명은 쉽게 변형될 수 있다. 예를 들어, 합금화 원소는 다른 비율로 첨가될 수도 있다. 또한 Al 및 V 이외의 또는 그것에 추가적인 합금화 원소, 예를 들면 Mo, B, Fe, Sn 등이 티타늄 스폰지에 통합되거나 CP Ti 와이어와 합금화되어 사실상 임의의 티타늄 합금을 제조할 수 있다. TiB2, TiN, TiC, B4C, Y2O3과 같은 세라믹 입자 역시 티타늄 또는 합금 분말과 혼합되어, 플라즈마 에너지 소스에 의해 용융될 때 세메트를 형성할 수 있다. CP 와이어 또는 형성된 복합 티타늄 피드 와이어를 용융시키기 위해 PTA 이외의 전원이 사용될 수도 있는 바, 예를 들면 MIG 용접기, TIG 용접기, E-빔 용접기가 포함되며, 티타늄의 산화 또는 탄화가 일어나지 않는다면 화염 토치(flame torch)마저도 포함된다.

Claims (35)

  1. 고에너지 소스를 갖는 SFFF 제조 공정을 사용하여 Ti 합금 구조체를 제조하기 위한 방법에 있어서,
    합금화 원소와 혼합된 Ti 스폰지로 만들어진 피드 와이어를 Ti 피드 와이어로 사용하고, 상기 Ti 피드 와이어를 상기 고에너지 소스로 용융하는 것을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 Ti 합금 구조체 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 하기 특징(a) 내지 (c) 중 하나 이상의 특징을 가지는 Ti 합금 구조체 제조 방법:
    (a) 상기 고에너지 소스는 플라즈마 이행 아크 시스템, TIG형 용접 토치, MIG형 용접 토치, 또는 E-빔형 용접 토치이며;
    (b) 상기 합금 구조체는 Ti-6Al-4V를 포함하고; 및
    (c) 상기 합금화 원소는 사전합금화된 분말형 Al-V를 포함한다.
  3. 제1항 또는 제2항의 방법에 의해 제조된 제품.
  4. Ti 및 합금화 원소의 와이어를 제조하기 위한 방법에 있어서,
    CP Ti 스폰지 재료와 상기 합금화 원소의 혼합물을 일련의 롤러를 통과시킴으로써, 상기 혼합물을 콤팩트화하여 상기 합금화 원소가 혼합된 상기 CP Ti 스폰지의 와이어 형태로 만드는 단계를 포함하여 구성되며, 여기에서 상기 합금화 원소가 혼합된 상기 CP Ti 스폰지의 와이어는 고에너지 소스를 갖는 SFFF 제조 공정의 피드 와이어로 사용됨을 특징으로 하는 와이어 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 선택된 합금화 원소는 Al 및 V 분말 또는 사전합금화된 Al-V 분말을 포함하고, 상기 분말은 5mm를 넘지않는 입자 크기를 가짐을 특징으로 하는 와이어 제조 방법.
  6. 티타늄 합금을 제조하기 위한 방법에 있어서,
    세라믹 입자, 티타늄 스폰지, 및 선택된 합금화 원소를 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계,
    상기 혼합물을 콤팩팅 롤러를 통과시켜 상기 세라믹 입자 및 상기 합금화 원소를 혼합한 상기 티타늄 스폰지의 와이어로 만드는 단계, 및
    상기 와이어를 SFFF 공정으로 이송하여 그 내부에 세라믹 입자의 분산체를 함유하는 티타늄 합금을 생성하는 단계를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 티타늄 합금 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서, 하기 특징(a) 내지 (d) 중 하나 이상의 특징을 가지는 티타늄 합금 제조 방법:
    (a) 상기 세라믹 입자는 상기 혼합물의 1/4 내지 2 체적%를 구성하고;
    (b) 상기 세라믹 입자는 상기 혼합물의 5 내지 30 체적%를 구성하고,
    (c) 상기 세라믹 입자는 상기 혼합물의 10 체적%를 구성하며;
    (d) 상기 세라믹 입자는 TiB2, TiN, TiC, B4C, Y2O3 및 그 혼합물에서 선택된 재료를 포함하고; 및
    (e) 상기 세라믹 입자는 강도 또는 내마모성을 향상시키기 위해 상기 티타늄 합금과 상호작용한다.
  8. 피드 재료를 용융하는 고에너지 소스를 갖는 SFFF 제조 공정을 사용하여 Ti 합금 구조체를 제조하기 위한 방법에 있어서,
    Ti 스폰지와 분말형 합금화 원소로 형성된 Ti 피드 와이어를 상기 피드 재료로 사용하는 단계 및
    상기 SFFF 제조 공정을 사용하여 상기 피드 재료를 용융한 현장에서 용융물 중에 Ti 합금을 형성하는 단계를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 Ti 합금 구조체 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서, 하기 특징(a) 내지 (d) 중 하나 이상의 특징을 가지는 Ti 합금 구조체 제조 방법:
    (a) 상기 고에너지 소스는 플라즈마 이행 아크 파워 시스템, TIG형 용접 토치, MIG형 용접 토치, 또는 E-빔형 용접 토치;
    (b) 상기 합금 구조체는 Ti-6Al-4V를 포함하고;
    (c) 상기 분말형 합금화 원소는 사전합금화된 Al-V, 또는 Al 및 V를 포함하고; 및
    (d) 상기 분말형 합금화 원소는 5mm를 넘지않는 입자 크기를 갖는다.
  10. 제8항 또는 제9항의 방법에 의해 제조된 제품.
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