KR102197604B1 - 고온 특성이 우수한 3d 프린팅용 타이타늄-알루미늄계 합금 및 이의 제조방법 - Google Patents

고온 특성이 우수한 3d 프린팅용 타이타늄-알루미늄계 합금 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고온 특성이 우수한 3D 프린팅용 타이타늄-알루미늄계 합금에 관한 것으로, 본 발명의 실시예를 따르는 고온 특성이 우수한 3D 프린팅용 타이타늄-알루미늄계 합금은 원자%로, 42.0 내지 46.0%의 알루미늄(Al), 6.0 내지 9.0%의 니오븀(Nb), 0.2 내지 0.5%의 실리콘(Si), 0.2 내지 2.0%의 텅스텐(W), 잔부 타이타늄(Ti), 및 불가피한 불순물을 포함한다.

Description

고온 특성이 우수한 3D 프린팅용 타이타늄-알루미늄계 합금 및 이의 제조방법{TITANIUM-ALUMINIUM BASE ALLOY FOR 3D PRINTING HAVING EXCELLENT HIGH TEMPERATURE PROPERTY AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 고온 특성이 우수한 3D 프린팅용 타이타늄-알루미늄계 합금 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
3D프린팅 기술은 분말, 액체, 와이어, 펠렛 등 다양한 형태의 물질을 한 층 한 층 쌓아올려 3차원 입체구조를 갖는 제품을 제조하는 기술로서, 기존의 제조가공 기술로서는 구현할 수 없는 복잡한 형상의 부품도 손쉽게 제조할 수 있어 최근 새로운 가공기술로 전 세계적 각광을 받고 있다. 3D 프린팅 기술은 기존의 주조, 단조, 용접, 압출 등과 같은 전통적인 가공기술에 비해 제품개발에 소요되는 시간을 획기적으로 단축시킬 수 있을 뿐만 아니라, 절삭가공 시 발생하는 칩이 형성되지 않으므로 원료소재의 손실을 저감할 수 있고, 소비자가 요구하는 형상 및 기능의 수요를 충족시킬 수 있어 기존 제조업의 패러다임을 바꿀 혁신적 기술로 인식되어 지고 있다.
주로 기업용 프로토 타입 제작 등에 제한적으로 사용되었던 3D프린터 시장이 최근에는 우주항공, 의료, 자동차, 기계, 건축, 완구, 패션 등 다양한 산업에서도 사용이 되고 있다. 3D프린팅 기술과 산업이 커짐에 따라 소재에 대한 시장 형성 또한 기대되고 있다.
그러나 사용할 수 있는 재료가 제한적이고 느린 조형속도 등으로 인해 산업 적용에 많은 한계를 가지고 있다. 금속 3D 프린팅 공정에 사용되고 있는 재료는 대부분 분말 형태로 적용되고 있으며, 가스아토마이징법으로 제조된 구형의 극미세 분말이 사용되고 있다. 그러나 이러한 금속분말은 3D 프린팅 공정에 적합하도록 제조된 전용소재가 아니고 일반적인 분말야금(Powder Metallurgy) 공정에 사용되고 있는 분말을 입도별로 분급하여 프린터 장비 업체에서 고가로 독점 공급하고 있는 실정이다. 특히 독점공급하는 분말 외에는 사용하지 못하도록 장비에 잠금 시스템을 적용하고 있어 다양한 부품의 적용이 이루어지지 못하고 있다. 또한, 분말야금에 사용되는 금속분말은 산업적으로 널리 쓰이고 있는 기존의 합금소재와 달리 2~3개의 기본적 합금성분만을 포함하고 있기 때문에 산업적으로 의미 있는 다원계 합금성분의 분말 개발이 강력히 요구되고 있다.
3D프린팅 소재 중 최근 각광을 받고 있는 타이타늄 분말(Ti Powder)은 다양한 구조기능성을 가지고 있으며, 고부가가치 산업에서 사용되는 소재이다. 비강도가 우수하고, 내부식성 및 저열변형, 인체 친화적인 특성을 가지고 있는 타이타늄은 3D프린터와 결합이 될 만한 매우 중요한 산업적 가치를 가지고 있다. 3D프린팅용 타이타늄 금속분말은 2014년 연간 47톤의수요량에서 최근 2017년에는 3배 이상 증가한 155톤 정도의 수요량을 예측하고 있다. 이에 따라 시장 규모도 297억원에서 874억원으로 증가하고 있다. 특히 우수한 비강도 특성과 관련된 항공분야가 40% 가량의 수요를 가지고 있다. 또한 2023년 분말 생산 규모는 582톤 정도, 시장 규모는 약 2,410억원의 규모로 예상하고 있다.
미국 등록 특허 공보 제 4,916,028호
본 발명은 고온 특성이 우수한 3D 프린팅용 타이타늄-알루미늄계 합금 및 이의 제조방법을 제공함을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예를 따르는 고온 특성이 우수한 3D 프린팅용 타이타늄-알루미늄계 합금은 원자%로, 42.0 내지 46.0 %의 알루미늄(Al), 6.0 내지 9.0 %의 니오븀(Nb), 0.2 내지 0.5 %의 실리콘(Si), 0.2 내지 2.0 %의 텅스텐(W), 잔부 타이타늄(Ti), 및 불가피한 불순물을 포함한다.
또한, 800℃에서 인장강도는 450 내지 550 MPa일 수 있다.
또한, 950℃에서 인장강도는 450 내지 550 MPa일 수 있다.
또한, 800℃에서 파단신율은 0.60 내지 0.80일 수 있다.
또한, 950℃에서 파단신율은 1.60 내지 15.0일 수 있다.
본 발명의 실시예를 따르는 고온 특성이 개선된 3D 프린팅용 타이타늄-알루미늄계 합금의 제조방법은 원자%로, 42.0 내지 46.0 %의 알루미늄(Al), 6.0 내지 9.0 %의 니오븀(Nb), 0.2 내지 0.5 %의 실리콘(Si), 0.2 내지 2.0 %의 텅스텐(W), 잔부 타이타늄(Ti), 및 불가피한 불순물을 혼합하는 단계; 상기 혼합하는 단계에서 얻어진 혼합 입자를 용융하는 단계; 및 상기 용융된 입자를 분말화하는 단계;를 포함한다.
또한, 상기 용융된 입자를 분말화하는 단계는 분쇄하는 단계 및 체거름하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예를 따르는 고온 특성이 우수한 3D 프린팅용 타이타늄-알루미늄계 합금은 3D 프린팅에 적합한 파단신율 등이 뛰어나고, 이를 적용한 3D 프린팅 구조체는 뛰어난 치수 및 성능을 가질 수 있고, 간단한 방법으로 고온 특성이 우수한 3D 프린팅용 타이타늄-알루미늄계 합금을 제조할 수 있어 높은 생산성을 갖는다.
도 1은 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 1에 의해 준비된 고온 특성이 우수한 3D 프린팅용 타이타늄-알루미늄계 합금 시편을 디지털 카메라로 촬영한 사진이다.
도 2는 본 발명의 실시예를 따르는 고온 특성이 우수한 3D 프린팅용 타이타늄-알루미늄계 합금의 제조방법의 순서도이다.
도 3은 실시예 1에 의해 준비된 고온 특성이 우수한 3D 프린팅용 타이타늄-알루미늄계 합금의 800℃에서 응력-변형률 그래프이다.
도 4는 실시예 2에 의해 준비된 고온 특성이 우수한 3D 프린팅용 타이타늄-알루미늄계 합금의 800℃에서 응력-변형률 그래프이다.
도 5는 실시예 3에 의해 준비된 고온 특성이 우수한 3D 프린팅용 타이타늄-알루미늄계 합금의 800℃에서 응력-변형률 그래프이다.
도 6은 비교예 1에 의해 준비된 타이타늄-알루미늄계 합금의 800℃에서 응력-변형률 그래프이다.
도 7은 실시예 1에 의해 준비된 고온 특성이 우수한 3D 프린팅용 타이타늄-알루미늄계 합금의 950℃에서 응력-변형률 그래프이다.
도 8은 실시예 2에 의해 준비된 고온 특성이 우수한 3D 프린팅용 타이타늄-알루미늄계 합금의 950℃에서 응력-변형률 그래프이다.
도 9는 실시예 3에 의해 준비된 고온 특성이 우수한 3D 프린팅용 타이타늄-알루미늄계 합금의 950℃에서 응력-변형률 그래프이다.
도 10은 비교예 1에 의해 준비된 타이타늄-알루미늄계 합금의 950℃에서 응력-변형률 그래프이다.
도 11은 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 1에 의해 준비된 타이타늄-알루미늄계 합금을 800℃에서 응력-변형률 실험을 수행한 후 단면을 촬영한 것이다.
도 12는 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 1에 의해 준비된 합금을 950℃에서 응력-변형률 실험을 수행한 후 단면을 촬영한 것이다.
도 13은 실시예 1에 의해 준비된 고온 특성이 우수한 3D 프린팅용 타이타늄-알루미늄계 합금의 800도 및 950도 인장시험 후 파단 표면을 관찰한 것이다.
도 14는 실시예 4에서 제조된 합금의 950 ℃에서의 응력-변형률 그래프이다.
도 15는 실시예 5 내지 7에 의해 준비된 고온 특성이 우수한 3D 프린팅용 타이타늄-알루미늄계 합금 시편을 디지털 카메라로 촬영한 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 다음과 같이 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시 형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다. 덧붙여, 명세서 전체에서 어떤 구성요소를 "포함"한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
고온 특성이 우수한 3D 프린팅용 타이타늄-알루미늄계 합금
본 발명의 실시예를 따르는 고온 특성이 우수한 3D 프린팅용 타이타늄-알루미늄계 합금은 원자%로, 42.0 내지 46.0 %의 알루미늄(Al), 6.0 내지 9.0 %의 니오븀(Nb), 0.2 내지 0.5 %의 실리콘(Si), 0.2 내지 2.0 %의 텅스텐(W), 잔부 타이타늄(Ti), 및 불가피한 불순물을 포함한다.
본 발명의 실시예를 따르는 고온 특성이 우수한 3D 프린팅용 타이타늄-알루미늄계 합금은 3D 프린팅용 재료로 적합한 고온 특성이 우수하고, 이를 이용하여 제조된 3D 프린팅 구조체는 치수 정확성이 뛰어나고, 고온 물성이 우수하다.
또한, 3D 프린팅용 타이타늄-알루미늄계 합금을 이용하여 3D 프린팅 구조체를 제조할 때 이를 구성하는 성분 비율을 손쉽게 조절할 수 있어, 목적에 맞는 물성을 갖는 3D 프린팅 구조체를 제조할 수 있는 장점이 있다.
이하 본 발명에 따른 고온 특성이 우수한 3D 프린팅용 타이타늄-알루미늄계 합금의 성분계 및 성분범위에 대하여 설명한다.
알루미늄(Al) : 42.0 내지 46.0 원자%
본 발명의 실시예를 따르는 고온 특성이 우수한 3D 프린팅용 타이타늄-알루미늄계 합금에서 알루미늄은 타이타늄과 함께 주성분을 이루는 원소이다. 상기 알루미늄의 원소 분율은 타이타늄-알루미늄계 합금의 주요 중간상 페이즈인 알파2상(Ti3Al) 및 감마상(TiAl)의 분율을 결정하는 직접적인 요소이다. 또한, 알루미늄과 타이타늄의 비율 조절에 따라 내산화성, 기계적 특성이 변동될 수 있다.
본 발명의 실시예를 따르는 고온 특성이 우수한 3D 프린팅용 타이타늄-알루미늄계 합금에서 알루미늄 함량이 42원자% 미만이면, 합금의 강도는 상승할 수 있으나 연성과 산화 저항성은 감소하는 문제가 있을 수 있고, 감마상의 부피 분율 또는 면적 분율이 충분치 못할 수 있다. 상기 합금에서 알루미늄 함량이 46원자%를 초과하는 경우 산화 및 부식에 대한 저항성은 상승하는 장점은 있지만, 연신율, 강도 및 파괴인성 등과 같은 기계적 특성은 저하될 수 있다.
니오븀(Nb) : 6.0 내지 9.0 원자%
상기 니오븀(Nb)은 본 발명의 실시예를 따르는 고온 특성이 우수한 3D 프린팅용 타이타늄-알루미늄계 합금에 첨가됨으로써 강성, 내크립성, 내산화성 및 연성을 증가시킬 수 있다. 또한, 상기 나이오븀(Nb)은 α-TiAl 및 γ-Ti3Al 등의 층상간격을 더욱 미세화시키므로, 상기 타이타늄(Ti)-알루미늄(Al) 합금의 강성을 향상시킬 수 있다. 또한, 니오븀(Nb)은 TiAl 금속간화합물의 강도와 내산화성을 향상시키기 위한 목적으로 첨가될 수 있다.
상기 니오븀 함량이 6.0원자% 미만인 경우에는 상기 타이타늄-알루미늄계 합금의 내산화성이 충분하지 못해서, 3D 프린팅 공정 중 산화로 인해 3D 프린팅 구조체의 제품성이 나쁠 수 있다. 상기 니오븀 함량이 9.0원자%를 초과하는 경우에는 타이타늄-알루미늄계 합금의 연성을 저하시킬 수 있다.
실리콘(Si): 0.2 내지 0.5 원자%
상기 실리콘(Si)은 본 발명의 실시예를 따르는 고온 특성이 우수한 3D 프린팅용 타이타늄-알루미늄계 합금에서 용융상태의 타이타늄(Ti)-알루미늄(Al) 합금의 유동성을 향상시켜, 합금에 포함되는 원소가 균일하게 분포할 수 있도록 하며, 층상조직의 안정화를 통해 고온에서 타이타늄(Ti)-알루미늄(Al) 합금의 크리프 저항성을 향상시키는 원소이다.
이 때, 상기 실리콘(Si)는 전체 합금에 대하여, 원자%로 0.2 ~ 0.5%인 것이 바람직하며, 상기 실리콘(Si)이 0.2% 미만일 경우, 타이타늄(Ti)-알루미늄(Al) 합금의 충분한 크리프 저항성을 기대하기 어려운 반면, 상기 실리콘(Si)이 0.5% 초과일 경우, 크리프 저항성이 오히려 저하될 수 있고, 또한 다른 기계적 물성의 저하를 초래할 수 있다.
텅스텐(W): 0.2 내지 2.0 원자%
상기 텅스텐은 본 발명의 실시예를 따르는 고온 특성이 우수한 3D 프린팅용 타이타늄-알루미늄계 합금에서 베타상 안정화 효과가 있으며, 기지에서 베타상 안정화를 함으로써 층상 구조의 타이타늄-알루미늄 합금을 제공할 수 있고, 이를 통해 내연화성을 향상시킬 수 있다.
이 때, 상기 텅스텐(W)은 전체 합금에 대하여, 원자%로 0.2 내지 2.0%인 것이 바람직하며, 상기 텅스텐(W)이 0.2% 미만일 경우, 타이타늄(Ti)-알루미늄(Al) 합금의 충분한 내연화성 향상을 기대하기 어려운 반면, 상기 텅스텐(W)이 2.0% 초과일 경우 소재비용이 높아질 수 있다.
타이타늄(Ti): 잔부
본 발명의 실시예를 따르는 고온 특성이 우수한 3D 프린팅용 타이타늄-알루미늄계 합금은 상기 성분들을 제외한 나머지 성분은 타이타늄(Ti)이다. 다만, 통상의 제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이들 불순물들은 통상의 제조과정의 기술자에게 자명한 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 본 명세서에서 언급하지는 않는다.
고온 특성이 우수한 3D 프린팅용 타이타늄-알루미늄계 합금의 제조방법
도 2는 본 발명의 실시예를 따르는 고온 특성이 개선된 3D 프린팅용 타이타늄-알루미늄계 합금의 제조방법의 순서도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예를 따르는 고온 특성이 개선된 3D 프린팅용 타이타늄-알루미늄계 합금의 제조방법은 원자%로, 42.0 내지 46.0%의 알루미늄(Al), 6.0 내지 9.0%의 니오븀(Nb), 0.2 내지 0.5%의 실리콘(Si), 0.2 내지 2.0%의 텅스텐(W), 잔부 타이타늄(Ti), 및 불가피한 불순물을 혼합하는 단계; 상기 혼합하는 단계에서 얻어진 혼합 입자를 용융하는 단계; 및 상기 용융된 입자를 분말화하는 단계;를 포함한다.
원자%로, 42.0 내지 46.0%의 알루미늄(Al), 6.0 내지 9.0%의 니오븀(Nb), 0.2 내지 0.5%의 실리콘(Si), 0.2 내지 2.0%의 텅스텐(W), 잔부 타이타늄(Ti), 및 불가피한 불순물을 혼합하는 단계를 설명한다.
상기 혼합하는 단계는 일반적인 밀링 장치 또는 혼합 장치를 사용할 수 있다.
다음으로, 상기 혼합하는 단계에서 얻어진 혼합 입자를 용융하는 단계를 설명한다.
상기 혼합 입자를 용융하는 방법은 진공 아크 재용해(VAR, Vacuum Arc Remelting)법, 전자빔　용해(EBM, Electro Beam Melting)법,　플라즈마　아크　용해(PAM, Plasma Arc Remelting)법 등의 방법으로 수행될 수 있다.
다음으로, 상기 용융된 입자를 분말화하는 단계를 설명한다.
상기 용융된 입자는 가스 아토마이징 방법, 플라즈마 회전 전극 분무 기법 또는 수분사 기법 등의 방법으로 수행될 수 있다.
또한, 상기 용융된 입자를 분말화하는 단계는 상기 용융된 혼합 입자를 공냉하여 주괴를 생산한 후 이를 분쇄하는 단계 및 체거름하는 단계를 통해 준비될 수 있다.
실시예 및 비교예
하기 표 1에 나타낸 것과 같이 알루미늄, 니오븀, 텅스텐, 실리콘 및 타이타늄 함량을 조절하여 진공 용해하고, 주괴를 제조하여 공냉하여 실시예 1 내지 11 및 비교예 1의 합금을 제조하였고, 추가 열처리는 수행하지 않았다.
이하에서 예를 들어 '실시예 1-1', '실시예 1-2' 등으로 표시된 것은 '실시예 1'에서 제조된 첫번째 시편(실시예 1-1), '실시예 1'에서 제조된 두번째 시편(실시예 1-2)을 의미하는 것이고, 이는 다른 실시예 및 비교예에 대해서도 동일하다.
Figure 112018117250010-pat00001
상기 2원계 변환조성은 가상의 2원계로 변환시켜 복잡한 합금계에서 알파2상과 감마상의 상분율을 간단하게 예측하는 방법이고, 하기의 식으로 변환될 수 있다.
CTi + CAl + CSi + CW + Cc=100, C″Ti + C″Al=100
C′= 100 x Ci/(100 - Cx). (I = Ti, Al, x = Nb, Si)
C″Al = C′Al - ΔCNb x CNb - ΔCW x CW + ΔCSi x CSi + ΔCC + CC
ΔCNb = + 0.3, ΔCW = 1.12, ΔCSi = -1.33 , ΔCC =4
도 1은 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 1에 의해 준비된 고온 특성이 우수한 3D 프린팅용 타이타늄-알루미늄계 합금을 디지털 카메라로 촬영한 사진이다.
도 1에서 도시된 바와 같이, 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에 의해 준비된 타이타늄-알루미늄계 합금을 인장 시험을 위해 ASTM 규격을 준용하여 Ф6.25의 게이지 직경을 갖는 시편을 각각 2개 제작하였다.
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실험예
실험예 1
인장시험
실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 1에 의해 준비된 타이타늄-알루미늄계 합금의 인장시험 시편을 만능인장 시험기로 인장시험을 실시하였고, 그 결과를 도 3 내지 도 10, 표 2 및 표 3에 나타내었다.
도 3은 실시예 1에 의해 준비된 고온 특성이 우수한 3D 프린팅용 타이타늄-알루미늄계 합금의 800℃에서 응력-변형률 그래프이다.
도 4는 실시예 2에 의해 준비된 고온 특성이 우수한 3D 프린팅용 타이타늄-알루미늄계 합금의 800℃에서 응력-변형률 그래프이다.
도 5는 실시예 3에 의해 준비된 고온 특성이 우수한 3D 프린팅용 타이타늄-알루미늄계 합금의 800℃에서 응력-변형률 그래프이다.
도 6은 비교예 1에 의해 준비된 타이타늄-알루미늄계 합금의 800℃에서 응력-변형률 그래프이다.
표 2은 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 1에 의해 준비된 고온 특성이 우수한 3D 프린팅용 타이타늄-알루미늄계 합금의 800℃에서 인장시험 결과를 나타낸 것이다.
Figure 112020043149546-pat00019
먼저, 도 3 및 표 2를 참조하면, 실시예 1에 따른 제1시편의 인장 강도(tensile strength)는 508.8MPa을 나타내었으며, 이때의 파단신율은 0.67%에 해당하였고, 실시예 1에 따른 제2시편의 인장 강도 (tensile strength)는 479.2MPa을 나타내었으며, 이때의 파단신율은 0.56%에 해당하였다.
다음으로, 도 4 및 표 2를 참조하면, 실시예 2에 따른 제1시편의 인장 강도(tensile strength)는 509.2MPa을 나타내었으며, 이때의 파단신율은 0.82%에 해당하였고, 실시예 2에 따른 제2시편의 인장 강도 (tensile strength)는 523.2MPa을 나타내었으며, 이때의 파단신율은 0.89%에 해당하였다.
다음으로, 도 5 및 표 2를 참조하면, 실시예 3에 따른 제1시편의 인장 강도(tensile strength)는 527.9MPa을 나타내었으며, 이때의 파단신율은 0.64%에 해당하였고, 실시예 3에 따른 제2시편의 인장 강도 (tensile strength)는 545.8MPa을 나타내었으며, 이때의 파단신율은 0.85%에 해당하였다.
다음으로, 도 6 및 표 2를 참조하면, 비교예 1에 따른 제1시편의 인장 강도(tensile strength)는 537.5MPa을 나타내었으며, 이때의 파단신율은 0.82%에 해당하였고, 비교예 1에 따른 제2시편의 인장 강도 (tensile strength)는 510.1MPa을 나타내었으며, 이때의 파단신율은 0.73%에 해당하였다.
상기 결과를 참조하면, 실시예 3에 의해 준비된 고온 특성이 우수한 3D 프린팅용 타이타늄-알루미늄계 합금은 800℃에서의 인장강도가 비교예 1에 의해 준비된 타이타늄-알루미늄계 합금보다 높고, 실시예 2에 의해 준비된 고온 특성이 우수한 3D 프린팅용 타이타늄-알루미늄계 합금은 800℃에서의 파단신율이 비교예 1에 의해 준비된 타이타늄-알루미늄계 합금보다 높은 것을 알 수 있다. 실시예 1, 3의 경우 비교예 1 대비 800도에서 항복강도, 인장강도, 파단신율이 증가하였다.
도 7은 실시예 1에 의해 준비된 고온 특성이 우수한 3D 프린팅용 타이타늄-알루미늄계 합금의 950℃에서 응력-변형률 그래프이다.
도 8은 실시예 2에 의해 준비된 고온 특성이 우수한 3D 프린팅용 타이타늄-알루미늄계 합금의 950℃에서 응력-변형률 그래프이다.
도 9는 실시예 3에 의해 준비된 고온 특성이 우수한 3D 프린팅용 타이타늄-알루미늄계 합금의 950℃에서 응력-변형률 그래프이다.
도 10은 비교예 1에 의해 준비된 타이타늄-알루미늄계 합금의 950℃에서 응력-변형률 그래프이다.
표 3은 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 1에 의해 준비된 고온 특성이 우수한 3D 프린팅용 타이타늄-알루미늄계 합금의 950℃에서 인장시험 결과를 나타낸 것이다.
Figure 112020043149546-pat00020
먼저, 도 7 및 표 3를 참조하면, 실시예 1에 따른 제1시편의 인장 강도(tensile strength)는 521.2MPa을 나타내었으며, 이때의 파단신율은 2.44%에 해당하였고, 실시예 1에 따른 제2시편의 인장 강도 (tensile strength)는 530.5MPa을 나타내었으며, 이때의 파단신율은 10.4%에 해당하였다.
다음으로, 도 8 및 표 3를 참조하면, 실시예 2에 따른 제1시편의 인장 강도(tensile strength)는 491.0MPa을 나타내었으며, 이때의 파단신율은 18.2%에 해당하였고, 실시예 2에 따른 제2시편의 인장 강도 (tensile strength)는 489.1MPa을 나타내었으며, 이때의 파단신율은 6.84%에 해당하였다.
다음으로, 도 9 및 표 3를 참조하면, 실시예 3에 따른 제1시편의 인장 강도(tensile strength)는 478.7MPa을 나타내었으며, 이때의 파단신율은 1.68%에 해당하였고, 실시예 3에 따른 제2시편의 인장 강도 (tensile strength)는 562.6MPa을 나타내었으며, 이때의 파단신율은 1.72%에 해당하였다.
다음으로, 도 10 및 표 3를 참조하면, 비교예 1에 따른 제1시편의 인장 강도(tensile strength)는 517.4MPa을 나타내었으며, 이때의 파단신율은 1.52%에 해당하였고, 비교예 1에 따른 제2시편의 인장 강도 (tensile strength)는 510.7MPa을 나타내었으며, 이때의 파단신율은 1.68%에 해당하였다.
상기 결과를 참조하면, 실시예 1 및 실시예 3에 의해 준비된 고온 특성이 우수한 3D 프린팅용 타이타늄-알루미늄계 합금은 950℃에서의 인장강도가 비교예 1에 의해 준비된 타이타늄-알루미늄계 합금보다 높고, 실시예 2에 의해 준비된 고온 특성이 우수한 3D 프린팅용 타이타늄-알루미늄계 합금은 950℃에서의 파단신율이 비교예 1에 의해 준비된 타이타늄-알루미늄계 합금보다 높은 것을 알 수 있다. 이를 통해, 실시예 1, 3의 경우 비교예 1 대비 950도에서 항복강도, 인장강도, 파단신율이 증가한 것을 알 수 있다.
실험예 2
고온 인장시험 후 단면 조직 관찰
실시예 1 내지 3 및 비교예 1에 의해 준비된 타이타늄-알루미늄계 합금을 800℃ 및 950℃에서 인장시험을 수행한 후 파단면이 아닌 다른 부분을 절단하여 단면을 관찰하였고, 이를 도 11 및 도 12에 나타내었다.
도 11 및 도 12을 참조하면, 본 발명의 실시예를 따르는 준비된 고온 특성이 우수한 3D 프린팅용 타이타늄-알루미늄계 합금은 전형적인 타이타늄-알루미늄계 합금의 라멜라 미세구조가 관찰되는 것을 알 수 있다.
도 13은 실시예 1에 의해 준비된 고온 특성이 우수한 3D 프린팅용 타이타늄-알루미늄계 합금의 800도 및 950도 인장시험 후 파단 표면을 관찰한 것이다. 취성파괴의 경우 매끈한 벽개파괴면이 관찰되고, 연성파괴의 경우는 잔물결 형태 (dimple)의 파괴면이 관찰된다.
도 13을 참조하면, 실시예 1에 의해 준비된 고온 특성이 우수한 3D 프린팅용 타이타늄-알루미늄계 합금은 주로 소성변형에 의한 잔물결의 파괴면이 관찰되는 것을 알 수 있다.
본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
실험예 3
고온 인장 특성 확인
실시예 4에서 제조된 합금의 고온 인장 특성을 확인하기 위하여 다음과 같은 실험을 수행하였다.
실시예 4에서 제조된 합금에 대하여 상기 실험예 1과 동일한 방법으로 950 ℃ 고온에서 인장특성을 확인하였고, 그 결과를 하기 표 4및 도 14에 나타내었다.
시편 인장강도
(MPa)		 항복강도
(MPa)		 파단신율(%)
실시예 4-1 503 389 1.4
실시예 4-2 526 402 1.5
실시예4 평균 514.5 395.5 1.45
상기 표에 따르면, 본 발명에 따른 실시예 4의 합금은 비교예 1의 합금과 비교하여 950 ℃ 고온 인장특성 중 파단신율에 있어 우수한 특성을 가짐을 알 수 있다.
실험예 4
실시예 5, 6, 7에서 제조된 합금의 고온 인장 특성을 확인하기 위하여 다음과 같은 실험을 수행하였다.
실시예 5, 6, 7에서 제조된 합금에 대하여 상기 실험예 1과 동일한 방법으로 950 ℃ 고온에서 speed rate은 0.0002/s로 인장특성을 확인하였고, 그 결과를 하기 표 5 및 도 15에 나타내었다.
시편 인장강도
(MPa)		 항복강도
(MPa)		 파단신율(%)
실시예 5 471 408 19.5
실시예 6 490 414 1.3
실시예 7 495 408 7.8
상기 표에 따르면, 본 발명에 따른 실시예 5, 6, 7의 합금은 비교예 1의 합금과 비교하여 950 ℃고온 인장특성 중 파단신율에 있어 우수한 특성을 가짐을 알 수 있다.

Claims (6)

  1. 원자%로,
    42.0 내지 46.0 %의 알루미늄(Al);
    6.0 내지 9.0 %의 니오븀(Nb);
    0.2 내지 0.5 %의 실리콘(Si);
    0.2 내지 1 %의 텅스텐(W);
    잔부 타이타늄(Ti); 및
    불가피한 불순물을 포함하고,
    950℃에서 인장강도는 450 내지 550 MPa 인 고온 특성이 우수한 3D 프린팅용 타이타늄-알루미늄계 합금.
  2. 제1항에 있어서,
    800℃에서 인장강도는 450 내지 550 MPa인 고온 특성이 개선된 3D 프린팅용 타이타늄-알루미늄계 합금.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    800℃에서 파단신율은 0.60 내지 0.80인 고온 특성이 개선된 3D 프린팅용 타이타늄-알루미늄계 합금.
  5. 제1항에 있어서,
    950℃에서 파단신율은 1.60 내지 15.0인 고온 특성이 개선된 3D 프린팅용 타이타늄-알루미늄계 합금.
  6. 원자%로, 42.0 내지 46.0 %의 알루미늄(Al), 6.0 내지 9.0 %의 니오븀(Nb), 0.2 내지 0.5 %의 실리콘(Si), 0.2 내지 1.0 %의 텅스텐(W), 잔부 타이타늄(Ti), 및 불가피한 불순물을 혼합하는 단계;
    상기 혼합하는 단계에서 얻어진 혼합 입자를 용융하는 단계; 및
    상기 용융된 입자를 분말화하는 단계;를 포함하는 950℃에서 인장강도는 450 내지 550 MPa 인 고온 특성이 개선된 3D 프린팅용 타이타늄-알루미늄계 합금의 제조방법.
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