KR102209911B1 - 미세한 결정립과 전방위 균일한 고강도 특성을 갖는 금속 3D 프린팅 용 Ti기 합금 개발 - Google Patents

미세한 결정립과 전방위 균일한 고강도 특성을 갖는 금속 3D 프린팅 용 Ti기 합금 개발 Download PDF

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Abstract

다양한 실시예들에 따른 복수 개의 레이어들로 적층된 3D 형상의 금속 소재를 형성하는 3D 프린팅 방법은, 레이어들 중 어느 하나의 미세 조직 및 물성에 기반하여, 적어도 하나의 합금 원소에 대한 조성비를 결정하고, 합금 원소가 조성비에 따라 혼합된 혼합 분말을 공급하고, 혼합 분말을 용융시켜 레이어들 중 어느 하나를 형성하도록 구성되고, 금속 소재 내부의 결정립의 형상과 방향성 제어를 통해, 레이어들 각각의 미세 조직 및 물성이 결정될 수 있다.

Description

미세한 결정립과 전방위 균일한 고강도 특성을 갖는 금속 3D 프린팅 용 Ti기 합금 개발{DEVELOPMENT OF ADVANCED HIGH STRENGTH TITANIUM-BASED ALLOYS WITH REFINED AND EQUIAXED MICROSTRUCTURE FOR ADDITIVE MANUFACTURING}
다양한 실시예들은 합금 분말 선택 및 공급량의 제어를 통하여 3D 프린팅 공정에서 미세조직 및 물성을 제어하는 것에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속 3D 프린팅 기술을 이용하여 금속 소재를 제조하는 과정에서 합금 원소를 선택하고 공급량을 조절, 금속 소재의 미세조직을 제어함으로써, 제품 요구특성에 부합하는 미세조직 형성이 가능한 금속 3D 프린팅 금속 소재의 입체 조형 방법에 관한 것이다.
다양한 실시예들에 사용되는 금속 분말은 45 μm 이상 150 μm 이하의 크기 분포를 갖는 구형의 Ti-6Al-4V(Ti64)합금과 CoCrMo(CCM)합금이다. 제작된 금속 소재의 전체 합금 조성은 다음과 같다. Al은 5~7 wt.%, V은 3~4 wt.%, Co가 1 ~ 10 wt.%, Cr 또는 Mo 중 1종의 원소가 전체 합금 조성 중 1~5 wt.% 함유되고 잔부가 Ti로 구성되도록 설계하였다.
3D 프린팅 적층제조 기술은 3차원 모델을 2차원 파일로 분해하고 분해된 각각의 2차원 패턴을 층층이 쌓아서 제작하는 방법으로써, 기하학적으로 복잡한 구조를 신속하게 제품화할 수 있는 획기적인 신기술이다. 최근에는 3D 프린팅 기술을 활용하여 금속 부품 등의 소재를 제조하는 연구가 급속히 증가하고 있으며, 특히 여러 가공 등이 요구되는 정밀 부품 등에 적용하고자 하는 시도가 증가하고 있다. 상기 3D 프린팅 기술을 활용한 금속 부품의 제조는 금속 분말을 용융한 후 즉시 응고시키는 공정을 통해 제조되는데, 보다 구체적으로 직접 분말을 도포하면서 용융 및 적층하는 Direct Energy Deposition(DED) 기술, 분말을 컨테이너 내부에서 일정한 높이로 적층하면서 레이저(laser)로 국부용융, 응고시키는 Powder Bed Fusion (PBF) 기술 등으로 나뉜다.
3D 프린팅 기술을 이용하여 3차원 형상의 금속 소재를 적층 할 때, Z축 방향으로 일방향으로 결정립이 성장하는 층상조직이 관찰되는데, 이때 적층면의 이방성으로 인해 X-Y축 방향과 Z축 방향과의 기계적 물성에 차이가 발생한다. 이는 금속 분말이 용융 및 적층되어 응고함에 있어서 빠른 응고 속도 및 큰 농도구배로 인해 Z축 방향으로 주로 응고됨에 기인한다.
다양한 실시예들은, 상기와 같은 3D 프린팅 기술은, 3D 프린팅 이외에 추가적인 제조시간과 제조비용을 유발하며, 기존 산업기술의 품질과 동등한 수준으로 구현하기 위한 후공정 비용으로 적층제조 비용의 60 %-300 % 수준이 소요된다고 추정된다. 이에 따라, 3D 프린팅 공정 시 재료 내부의 결정립의 형상 및 방향성을 제어할 수 있는 합금 설계가 필요한 실정이다.
다양한 실시예들에 따른 복수 개의 레이어들로 적층된 3D 형상의 금속 소재를 형성하는 3D 프린팅 방법은, 상기 레이어들 중 어느 하나의 미세 조직 및 물성에 기반하여, 적어도 하나의 합금 원소에 대한 조성비를 결정하는 단계, 상기 합금 원소가 상기 조성비에 따라 혼합된 혼합 분말을 공급하는 단계, 및 상기 혼합 분말을 용융시켜 상기 레이어들 중 어느 하나를 형성하는 단계를 포함하고, 상기 결정 단계, 상기 공급 단계 및 상기 형성 단계는, 상기 금속 소재가 형성될 때까지 반복적으로 수행된다.
다양한 실시예들에 따르면, 상기 금속 소재 내부의 결정립의 형상과 방향성 제어를 통해, 상기 레이어들 각각의 미세 조직 및 물성이 결정되며, 결국 상기 금속 소재의 전체 물성을 결정한다.
다양한 실시예들에 따르면, 상기 금속 소재 내부의 상기 결정립의 형상과 방향성 제어, 및 α상과 β상의 크기, 형상 및 분율 조절을 통해, 상기 레이어들 각각의 미세 조직 및 물성이 결정된다.
다양한 실시예들에 따른 3D 프린팅에 의해 3D 형상으로 적층되는 복수 개의 레이어들을 포함하는 금속 소재는, 상기 금속 소재 내부의 결정립의 형상과 방향성 제어를 통해, 상기 레이어들 각각의 미세 조직 및 물성이 결정되고, 상기 레이어들 각각은, 상기 미세 조직 및 물성에 기반하여, 적어도 하나의 합금 원소에 대한 조성비가 결정되고, 상기 합금 원소가 상기 조성비에 따라 혼합된 혼합 분말이 용융되어, 형성된다.
다양한 실시예들에 따르면, 상기 금속 소재 내부의 상기 결정립의 형상과 방향성 제어, 및 α상과 β상의 크기, 형상 및 분율 조절을 통해, 상기 레이어들 각각의 미세 조직 및 물성이 결정된다.
다양한 실시예들에 따르면, 3D 프린팅으로 형성되는 3D 형상의 금속 소재 내부의 결정립의 형상 및 방향성이 제어될 수 있다. 이 때 금속 소재의 결정립의 형상이 특정 방위로 성장하고 이에 따라 특정 결정방위가 많이 형성되는 경우, 금속 소재의 기계적 성질이 방향에 따라 달라지는 이방성을 가질 수 있다. 반면, 금속 소재의 결정립의 형상이 등축조직으로 형성되고 방향성이 랜덤하게 형성되는 경우, 금속 소재의 기계적 성질이 등방성을 가질 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 금속 소재를 형성하기 위한 합금 조성의 조절에 따라, 3D 프린팅 시 생성되는 적층면의 이방성과 이로 인해 X-Y축 방향과 Z축 방향과의 기계적 물성에 차이가 발생하는 문제점이 근본적으로 해결될 수 있다. 또한, 이러한 합금 조성의 조절은 결정립의 방향성 뿐만 아니라, 금속 소재 내부의 결정립 형상을 제어할 수 있으며, α상과 β상의 크기와 형상 및 분율 등도 조절할 수 있다. 이를 통해, 제품 요구특성에 부합하도록 미세조직 형성 및 물성 제어가 가능한 금속 3D 프린팅 금속 소재를 만들 수 있다.
또한, 열처리와 같은 추가 공정을 행하지 않으므로, 제조공정을 단축할 수 있으면서, 제조원가를 절감하는 효과가 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 금속 소재는 현재 항공우주 및 민, 군 항공기/전투기를 비롯한 각종 수송기기 용 부품/구조용 뿐만 아니라 다양한 의료 장비 등에 사용될 수 있을 것이다.
도 1은 다양한 실시예들에 따른 금속 소재를 형성하는 3D 프린팅 방법을 도시하는 도면이다.
도 2는 도 1의 레이어들 중 어느 하나의 형성 단계를 도시하는 도면이다.
도 3은 CCM합금을 첨가한 비율에 달리하여 3D 프린팅한 금속 소재의 미세구조를 보여주는 광학학미경(OM) 결과를 나타내는 도면이다.
도 4는 CCM합금을 첨가한 비율에 달리하여 3D 프린팅한 금속 소재의 주사전자현미경(SEM) 결과를 나타내는 도면이다.
도 5는 CCM합금을 첨가한 비율에 달리하여 3D 프린팅한 금속 소재의 X-선 회절실험(XRD)의 결과를 나타내는 도면이다.
도 6은 CCM합금을 첨가한 비율에 달리하여 3D 프린팅한 금속 소재의 상 분율을 비교한 결과를 나타내는 도면이다.
도 7은 CCM합금을 첨가한 비율에 달리하여 3D 프린팅한 금속 소재의 전자후방산란회절(EBSD) 결과를 나타내는 도면이다.
도 8은 CCM합금을 첨가한 비율에 달리하여 3D 프린팅한 금속 소재의 압축시험 결과를 나타내는 도면이다.
이하, 본 문서의 다양한 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다.
도 1은 다양한 실시예들에 따른 금속 소재를 형성하는 3D 프린팅 방법을 도시하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 110 단계에서 금속 소재를 형성하기 위한 복수 개의 레이어들이 개별적으로 형성될 수 있다. 이 때 레이어들은 상호에 적층되어 형성될 수 있다. 이를 위해, 레이어들이 순차적으로 형성될 수 있다. 여기서, 레이어들 중 어느 하나가 형성될 수 있으며, 미리 형성된 레이어가 존재하면, 해당 레이어에 적층될 수 있다. 110 단계에서 레이어들 중 어느 하나를 형성하는 단계가 도 2를 참조하여 보다 상세하게 후술될 것이다.
다음으로, 120 단계에서 금속 소재가 형성되었는 지의 여부가 판단될 수 있다. 즉 레이어들 중 어느 하나가 형성될 때마다, 금속 소재의 모든 레이어가 형성되었는 지의 여부를 판단할 수 있다. 이 때 120 단계에서 금속 소재가 형성되지 않은 것으로 판단되면, 110 단계로 복귀하여, 110 단계와 120 단계가 반복하여 수행될 수 있다. 한편, 120 단계에서 금속 소재가 형성된 것으로 판단되면, 3D 프린팅이 완료된 것으로 판단되고, 3D 프린팅이 종료될 수 있다.
도 2는 도 1의 레이어들 중 어느 하나의 형성 단계를 도시하는 도면이다.
도 2를 참조하면, 210 단계에서 형성하고자 하는 레이어의 미세 조직 및 물성에 기반하여, 적어도 하나의 합금 원소 및 그의 조성비가 결정될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 금속 소재 내부의 결정립의 형상과 방향성 제어를 통해, 레이어들 각각의 미세 조직 및 물성이 결정될 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 금속 소재 내부의 결정립의 형상과 방향성 제어 뿐 아니라, α상과 β상의 크기, 형상 및 분율 조절을 통해, 레이어들 각각의 미세 조직 및 물성이 결정될 수 있다. 그리고 형성하고자 하는 레이어의 미세 조직 및 물성에 기반하여, 적어도 하나의 합금 원소가 선택되고, 합금 원소의 조성비가 결정될 수 있다. 여기서, 합금 원소는, Al, Ti, Cu, V, Ni, Fe, Co, Cr, Mo, Si 또는 W 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 일 예로, Al은 5~7 wt.%, V은 3~4 wt.%, Co가 1 ~ 10 wt.%, Cr 또는 Mo 중 어느 하나가 1 ~ 5 wt.% 함유되고, 잔부가 Ti로 구성될 수 있다. 합금 원소의 평균 입자 크기는 금속 소재의 종류에 따라 결정될 수 있다.
220 단계에서 합금 원소가 조성비에 따라 혼합된 혼합 분말이 공급될 수 있다. 이 때 혼합 분말은 Ti합금 또는 Co합금 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 예를 들면, Ti합금은 Ti-6Al-4V(Ti64)합금이고, Co합금은 CoCrMo(CCM)합금일 수 있다. 230 단계에서 혼합 분말이 용융되어, 해당 레이어가 형성될 수 있다. 여기서, 적어도 하나의 에너지원을 사용하여, 혼합 분말이 용융될 수 있다. 예를 들면, 에너지원은 전자 빔 또는 레이저 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 이 때 미리 설정되는 적어도 하나의 공정 변수에 기반하여, 해당 레이어가 형성될 수 있다. 여기서, 공정 변수는 해당 레이어의 두께를 포함할 수 있다. 두께는 금속 소재의 종류에 따라 결정될 수 있다. 예를 들면, 두께는 100 ㎛ 내지 250 ㎛일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 혼합 분말이 Ti합금과 Co합금을 모두 포함하면, 금속 소재에서 등축 조직이 나타날 수 있다. 여기서, Co합금의 비율에 따라, 금속 소재 내부의 α상과 β상의 크기와 형상이 조절될 수 있다.
일 실시예에 따르면, Ti합금에 대하여, 조성적 과냉각을 최대화하기 위해 Co는 1 ~ 15 wt.%로 조성될 수 있다. Co는 Ti합금에서 조성적 과냉각을 극대화시킬 수 있는 원소로, 등축정 생성에 있어 다른 합금 원소와 비교하여 효과적인 원소일 수 있다. 하지만, Co가 합금 전체에 17 wt.% 이상 포함될 경우, 금속간 화합물을 생성시켜 금속 소재를 적층하는 과정 중에 금속 소재에서 크랙을 유발하는 등의 기계적 특성에 악영향을 끼칠 수 있으므로, Co는 17 wt.% 이하로 조성되어야 한다. Ti합금에서 β상의 함량을 조절하기 위해서는 추가적인 β상 안정화 원소를 첨가해야 한다. 이를 해결하기 위해, Ti기 합금에 β상 안정화 원소인 Mo 또는 Cr의 첨가 원소를 전체 합금 조성 중 5 wt.% 이하로 포함시킴으로써 금속 소재 전체를 β상으로 구성할 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 금속 소재의 결정립 성장에 따라 결정립의 크기도 증가하면서, 결정입계의 감소로 인해 강도와 경도는 감소하지만, 금속 소재의 연성은 증가하게 된다. 이 때 금속 소재에 형성되는 미세조직에서 결정립이 특정 결정립의 형상이 특정 방위로 성장하고 이에 따라 특정 결정방위가 많이 형성되는 경우, 그로 인해 금속 소재의 기계적 성질이 방향에 따라 달라지는 이방성을 가질 수 있다. 반면, 금속 소재에 형성되는 미세조직에서 결정립의 방향성이 랜덤하게 형성되는 경우, 금속 소재의 기계적 성질이 등방성을 가질 수 있다.
다양한 실시예들에 따른 금속 소재는, 3D 프린팅에 의해 복수 개의 레이어들이 적층됨에 따라, 3D 형상으로 형성될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 금속 소재 내부의 결정립의 형상과 방향성 제어를 통해, 레이어들 각각의 미세 조직 및 물성이 결정될 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 금속 소재 내부의 결정립의 형상과 방향성 제어, 및 α상과 β상의 크기, 형상 및 분율 조절을 통해, 레이어들 각각의 미세 조직 및 물성이 결정될 수 있다. 이를 통해, 레이어들 각각은, 미세 조직 및 물성에 기반하여, 적어도 하나의 합금 원소에 대한 조성비가 결정되고, 합금 원소가 조성비에 따라 혼합된 혼합 분말이 용융되어, 형성될 수 있다.
이하에서, 합금 분말 선택 및 공급량의 제어를 통하여 3D 프린팅 공정에서 미세조직 및 물성을 제어하는 것에 상세히 설명한다.
결정립의 방향성이 랜덤하고, 기계적 성질이 등방성을 가진 금속 소재를 형성하기 위한 3D 프린팅용 합금 조성은 Al은 5~7 wt.%, V은 3~4 wt.%, Co는 1 ~ 10 wt.%, Cr 또는 Mo 중 어느 하나가 1~5 wt.% 함유되고, 잔부가 Ti로 함유되도록, 구성된다. 3D 프린팅을 이용하여 적층시 이용되는 혼합 분말은 Ti합금, 예컨대 Ti-6Al-4V(Ti64)합금과 Co합금, 예컨대 CoCrMo(CCM)합금을 포함하고, Ti64합금과 CCM 합금의 분말 혼합비를 선택하여 적층하였다.
Co는 Ti합금에서 조성적 과냉각을 극대화시킬 수 있는 원소로, 다른 합금 원소와 비교하여 등축정 생성에 효과적이다. 하지만, Co가 합금 전체에 17 wt.% 이상 포함될 경우 금속간 화합물을 생성시켜 금속 소재를 적층하는 과정 중에 금속 소재에 크랙을 유발하는 등의 기계적 특성에 악영향을 끼칠 수 있으므로 첨가량을 17 wt.% 이하로 첨가하는 것이 바람직하다.
Ti합금에서 α상과 β상의 분율을 조절하기 위해서는 추가적인 β상 안정화 원소를 첨가해야 한다. 이를 해결하기 위해, Ti기 합금의 강한 β상 안정화 원소인 Mo 또는 Cr의 첨가 원소를 전체 합금 조성 중 5 wt.% 이하로 포함시킴으로써 포함시킴으로써 금속 소재를 β상으로 구성하였다.
상기한 바와 같이 제작된 금속 소재의 합금 조성 및 몰리당량 (Moeq)은 하기 [표 1]과 같다. 몰리당량(Moeq)은 Ti합금의 고온에서 안정한 β상이 상온에서 안정한 정도를 나타내는 지표로, 하기 [수학식 1]과 같이 구할 수 있다. 하기 [수학식 1]을 통해서 Ti합금을 구분하며, α Ti은 0~0.2, α+β Ti은1.7~11.7, β Ti은 11.5 이상의 값을 갖는다고 알려져 있다. Q값은 고상 생성시 조성적 과냉각을 나타내는 지표로, 클수록 조성적 과냉각이 쉽게 생성될 수 있다. Ti64합금과 CCM합금의 분말 혼합비는 각 합금 조성의 효과를 고려하여 14:1, 9:1, 40:7 비율로 선택하였고, 각 합금 원소의 조성은 유도결합플라즈마(ICP)를 이용하여 측정하였다.
Figure 112019088333751-pat00001
Figure 112019088333751-pat00002
도 3은 Ti64합금과 여기에 CCM합금을 비율에 달리하여 3D 프린팅한 금속 소재의 미세구조를 보여주는 광학현미경(OM) 결과를 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, Ti64합금의 금속 소재의 경우, 적층방향으로 prior β상이 일방향 성장하며, 내부에 가지상(lath) 모양을 갖는 α상이 관찰된다. 반면에, Ti64합금에 CCM합금을 넣어준 금속 소재에서는, 모두에서 등축조직이 관찰된다.
도 4는 Ti64합금과 여기에 CCM합금을 비율에 달리하여 3D 프린팅한 금속 소재의 주사전자현미경(SEM) 결과를 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, Ti64합금을으로 형성된 금속 소재에서는, 층상조직 내에 가지상(lath) 모양을 갖는 α상이 관찰된다. 반면에, CCM합금이 첨가된 금속 소재의 경우, α상의 형상과 분율이 급격히 감소함을 관찰할 수 있다. CCM합금이 첨가된 금속 소재는, 등축조직 내 α상 형상이 미세해지는 것으로 관찰된다. 40:7 비율로 혼합한 경우, α상의 생성 없이 β상만 존재하는 것이 확인하였다. α상 형상이 미세해지는 것은, β상 안정화 원소인 Co, Cr, Mo합금 원소들이 α상 생성을 방해하기 때문이다.
도 5는 CCM합금을 첨가한 비율에 달리하여 3D 프린팅한 금속 소재의 X-선 회절실험(XRD)의 결과를 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 금속 소재에서 CCM합금의 비율에 따라 금속 소재에서 α상과 β상의 비율이 다름을 확인하였다. Ti64합금만 적층한 금속 소재에서는, 주로 α상이 관찰되고, β상은 거의 관찰되지 않았다. 반면에, CCM합금의 비율이 높아질수록 α상의 분율이 감소하고, β상의 분율이 증가하는 것이 관찰되었다. 40:7 비율로 혼합한 경우, α상의 생성 없이 β상만 존재하는 것이 관찰된다. 이러한 결과는 CCM합금의 분말에 포함되어 있는 Co, Cr, Mo가 β상 안정화 원소이기 때문이며, 충분한 β상 안정화 원소가 포함될 때 금속 소재를 구성하는 상이 β상 단상으로 이루어질 수 있다.
도 6은 Ti64합금과 CCM합금의 첨가 비율에 달리하여 3D 프린팅한 금속 소재의 상 분율을 비교한 결과를 나타내는 도면이다. 이 때 도 6은 하기 [표 2]와 같이 정리된다. 즉 하기 [표 2]는 Ti64와 CCM의 조성에 따른 α상과 β상의 분율을 나타낸다.
도 6을 참조하면, Ti64합금의 금속 소재의 경우, α상의 분율은 97.6 %, β상의 분율은 2.4 %로, 대부분 α상으로 이루어져 있다. 반면에, CCM합금을 일정량 첨가할 때, α상의 분율이 급격히 감소함을 확인할 수 있다. Ti64합금과 CCM합금의 양 비율이 14:1인 경우, α상의 분율은 41.8 %로 감소하고 β상의 분율은 54.67 %로 증가한다. Ti64합금과 CCM합금의 양 비율이 9:1인 경우, α상의 분율은 8.53 %이고, β상의 분율은 91.47 %이다. Ti64합금과 CCM합금의 양 비율이 40:7일 때, α상의 생성 없이 β상만 존재함을 관찰하였다. 이러한 결과는, 도 5에 도시된 바와 같이 XRD에서 관찰한 결과와 일치하는 결과이다.
Figure 112019088333751-pat00003
도 7은 Ti64합금과 CCM합금의 첨가 비율에 달리하여 3D 프린팅한 금속 소재의 전자후방산란회절(EBSD) 결과를 나타내는 도면이다.
도 7을 참조하면, Ti64합금의 금속 소재는 광학현미경에서 관찰한 것과 마찬가지로 적층방향으로 일방향 성장하는 결정립이 관찰된다. CCM합금을 첨가한 금속 소재에서 등축조직이 관찰되고 결정립의 결정방위가 랜덤하게 형성됨이 관찰된다. 이러한 결과는 CCM합금의 분말에 포함되어 있는 Co, Cr, Mo가 β상 안정화 원소이기 때문이며, 충분한 β상 안정화 원소가 포함될 때 금속 소재를 구성하는 상이 β상 단상으로 이루어질 수 있다.
도 8은 CCM합금을 첨가한 비율에 달리하여 3D 프린팅한 금속 소재의 압축시험 결과를 나타내는 도면이다.
도 8을 참조하면, Ti64합금의 금속 소재의 경우, 항복강도가 x, y, z 방향으로 각각 1037, 1031, 985 MPa이고 연신율이 31, 29, 26 %로 z축 방향의 강도와 연신율이 x축과 y축 방향들에 비해 떨어지는 값을 나타냈다. 이러한 결과는 적층면의 이방성으로 인해 생기는 것으로, x축과 y축 방향들과 z축 방향의 기계적 물성의 차이로 확인된다. 반면에 Ti64합금에 CoCrMo합금이 첨가됨으로써, 방향에 따른 물성의 차이가 감소하였다. Ti64합금에 CoCrMo합금을 14:1 비율로 제작된 금속 소재의 항복강도는 x축, y축, z축 방향 각각에 대하여 1434, 1438, 1495 MPa이고, 연신율이 18, 19, 17 %로 나왔다. 방향에 따라 물성의 차이가 감소한 것은 등축조직의 생성으로 인해서이다. 강도가 증가하고 연신율이 감소하는 것은 α상의 크기가 매우 미세해지면서 α/β상 경계가 증가하게 되고, 금속 소재의 강도를 증가시키는 역할을 한다. Ti64합금에 CoCrMo합금이 40:7인 경우, 항복강도는 x축, y축, z축 방향 각각으로 1109, 1116, 1121 MPa이고, 40:7의 경우 β 단상으로 이루어져 있어 연신율이 뛰어나 50 % 이상에서도 금속 소재에 대해 파괴가 일어나지 않았다.
다양한 실시예들에 따르면, 3D 프린팅으로 형성되는 3D 형상의 금속 소재 내부의 결정립의 형상 및 방향성이 제어될 수 있다. 이 때 금속 소재의 결정립의 형상이 특정 방위로 성장하고 특정결정방위가 많이 형성되는 경우, 금속 소재의 기계적 성질이 방향에 따라 달라지는 이방성을 가질 수 있다. 반면, 금속 소재의 결정립의 등축조직으로 형성되고 방향성이 랜덤하게 형성되는 경우, 금속 소재의 기계적 성질이 등방성을 가질 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 금속 소재를 형성하기 위한 합금 조성의 조절에 따라, 3D 프린팅 시 생성되는 적층면의 이방성과 이로 인해 X-Y축 방향과 Z축 방향과의 기계적 물성에 차이가 발생하는 문제점이 근본적으로 해결될 수 있다. 또한, 이러한 합금 조성의 조절은 금속 소재 내부의 결정립의 방향성 뿐만 아니라 결정립의 형상을 제어할 수 있으며, α상과 β상의 크기와 형상 및 분율 등도 조절할 수 있다. 이를 통해, 제품 요구특성에 부합하도록 미세조직 형성 및 물성 제어가 가능한 금속 3D 프린팅 금속 소재를 만들 수 있다.
또한, 열처리와 같은 추가 공정을 행하지 않으므로, 제조공정을 단축할 수 있으면서, 제조원가를 절감하는 효과가 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 금속 소재는 현재 항공우주 및 민, 군 항공기/전투기를 비롯한 각종 수송기기 용 부품/구조용 뿐만 아니라 다양한 의료 장비 등에 사용될 수 있을 것이다.
본 문서의 다양한 실시예들 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시 예의 다양한 변경, 균등물, 및/또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 본 문서에서, "A 또는 B", "A 및/또는 B 중 적어도 하나", "A, B 또는 C" 또는 "A, B 및/또는 C 중 적어도 하나" 등의 표현은 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. "제 1", "제 2", "첫째" 또는 "둘째" 등의 표현들은 해당 구성요소들을, 순서 또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 뿐 해당 구성요소들을 한정하지 않는다. 어떤(예: 제 1) 구성요소가 다른(예: 제 2) 구성요소에 "(기능적으로 또는 통신적으로) 연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나, 다른 구성요소(예: 제 3 구성요소)를 통하여 연결될 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 기술한 구성요소들의 각각의 구성요소(예: 모듈 또는 프로그램)는 단수 또는 복수의 개체를 포함할 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 전술한 해당 구성요소들 중 하나 이상의 구성요소들 또는 동작들이 생략되거나, 또는 하나 이상의 다른 구성요소들 또는 동작들이 추가될 수 있다. 대체적으로 또는 추가적으로, 복수의 구성요소들(예: 모듈 또는 프로그램)은 하나의 구성요소로 통합될 수 있다. 이런 경우, 통합된 구성요소는 복수의 구성요소들 각각의 구성요소의 하나 이상의 기능들을 통합 이전에 복수의 구성요소들 중 해당 구성요소에 의해 수행되는 것과 동일 또는 유사하게 수행할 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 모듈, 프로그램 또는 다른 구성요소에 의해 수행되는 동작들은 순차적으로, 병렬적으로, 반복적으로, 또는 휴리스틱하게 실행되거나, 동작들 중 하나 이상이 다른 순서로 실행되거나, 생략되거나, 또는 하나 이상의 다른 동작들이 추가될 수 있다.

Claims (15)

  1. 복수 개의 레이어들로 적층된 3D 형상의 금속 소재를 형성하는 3D 프린팅 방법에 있어서,
    상기 레이어들 중 어느 하나의 미세 조직 및 물성에 기반하여, 적어도 하나의 합금 원소에 대한 조성비를 결정하는 단계;
    상기 합금 원소가 상기 조성비에 따라 혼합된 혼합 분말을 공급하는 단계; 및
    상기 혼합 분말을 용융시켜 상기 레이어들 중 어느 하나를 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 결정 단계, 상기 공급 단계 및 상기 형성 단계는,
    상기 금속 소재가 형성될 때까지 반복적으로 수행되고,
    상기 금속 소재 내부의 결정립의 형상과 방향성 제어, 및 α상과 β상의 크기, 형상 및 분율 조절을 통해, 상기 레이어들 각각의 미세 조직 및 물성이 결정되고,
    상기 혼합 분말은 Ti합금 및 Co합금을 포함하고,
    상기 혼합 분말에서의 상기 Co합금의 비율에 따라, 상기 금속 소재 내부의 상기 α상과 상기 β상의 크기와 형상이 조절되는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 합금 원소는,
    Al, Ti, Cu, V, Ni, Fe, Co, Cr, Mo, Si 또는 W 중 적어도 어느 하나를 포함하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 합금 원소의 평균 입자 크기는 상기 금속 소재의 종류에 따라 결정되는 방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 형성 단계는,
    적어도 하나의 에너지원을 사용하여, 상기 혼합 분말을 용융시키는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 에너지원은 전자 빔 또는 레이저 중 적어도 어느 하나를 포함하는 방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 Ti합금은 Ti-6Al-4V(Ti64)합금이고,
    상기 Co합금은 CoCrMo(CCM)합금인 방법.
  11. 삭제
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합 분말이 상기 Ti합금과 상기 Co합금을 포함하면, 상기 금속 소재에서 등축 조직이 나타나는 방법.
  13. 삭제
  14. 3D 프린팅에 의해 3D 형상으로 적층되는 복수 개의 레이어들을 포함하는 금속 소재에 있어서,
    상기 금속 소재 내부의 결정립과 방향성 제어, 및 α상과 β상의 크기, 형상 및 분율 조절을 통해, 상기 레이어들 각각의 미세 조직 및 물성이 결정되고,
    상기 레이어들 각각은,
    상기 미세 조직 및 물성에 기반하여, 적어도 하나의 합금 원소에 대한 조성비가 결정되고, 상기 합금 원소가 상기 조성비에 따라 혼합된 혼합 분말이 용융되어, 형성되고,
    상기 혼합 분말은 Ti합금 및 Co합금을 포함하고,
    상기 혼합 분말에서의 상기 Co합금의 비율에 따라, 상기 금속 소재 내부의 상기 α상과 상기 β상의 크기와 형상이 조절되는 금속 소재.
  15. 삭제
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2016023352A (ja) * 2014-07-23 2016-02-08 株式会社日立製作所 合金構造体
KR20170019558A (ko) * 2015-08-11 2017-02-22 한국생산기술연구원 3d 프린팅 금속 조형품의 기계적 성질 향상을 위한 열처리 방법
KR20190028319A (ko) * 2017-09-08 2019-03-18 미츠비시 히타치 파워 시스템즈 가부시키가이샤 코발트기 합금 적층 조형체, 코발트기 합금 제조물, 및 그것들의 제조 방법

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