KR102370830B1 - Nanoparticle dispersion strengthened titanium powder and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 나노입자 분산강화 타이타늄 분말 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 3D 프린팅 공정에서 타이타늄 분말의 재사용이 가능하고, 챔버 내에서의 인시투(in-situ) 공정에 의해 타이타늄 합금 분말을 생성할 수 있는 3D 프린팅용 나노입자 분산강화 타이타늄 분말 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a nanoparticle dispersion-reinforced titanium powder and a method for manufacturing the same, and in particular, it is possible to reuse the titanium powder in a 3D printing process, and to produce a titanium alloy powder by an in-situ process in a chamber. It relates to a nanoparticle dispersion-reinforced titanium powder for 3D printing that can be used and a method for manufacturing the same.
일반적으로, 타이타늄 및 타이타늄 합금은 고가이기는 하나, 비강도 및 비탄성 그리고 내부식성이 우수하기 때문에 항공, 우주 및 해양 분야에서 그 사용이 급격히 증가하고 있으며, 경량화뿐만 아니라 극도의 내구성과 내식성을 요구하는, 알루미늄만으로 대처할 수 없는 군수 및 민수용 항공기, 자동차, 고속선박, 식품, 정유, 화학 및 석유화학 플랜트, 발전 설비, 제약, 식품, 펄프, 종이, 도금 플랜트, 의료분야, 스포츠 레저, 유가공 및 환경산업 등의 분야에서 적용되어 부품으로 사용되고 있다.In general, although titanium and titanium alloys are expensive, their use is rapidly increasing in aerospace, space and marine fields because of their excellent specific strength, inelasticity and corrosion resistance. Military and civil aircraft, automobiles, high-speed ships, food, oil refining, chemical and petrochemical plants, power plants, pharmaceuticals, food, pulp, paper, plating plants, medical fields, sports leisure, dairy processing and environmental industries, etc. It is applied and used as a part in the field of
그러나 타이타늄 합금도 예를 들어, 일반적으로 많이 사용되는 Ti-6Al-4V 합금의 경우, Al은 알츠하이머를 유발할 수 있고, V은 인체 내에서 독성 원소로 작용할 수 있기 때문에 생체 삽입용 소재로 부적합하다는 문제점이 있다. 이에 비해 순타이타늄은 내식성 및 생체적합성이 우수하기 때문에 상기 Al이나 V를 사용하지 않고 순타이타늄의 열위한 강도를 높일 수 있다면 여러 가지 특성이 우수한 타이타늄 소재를 제조할 수 있다. 이러한 순타이타늄을 강화하는 데 있어 금속강화기구로서, 고용강화, 가공경화, 석출강화, 분산강화 등이 알려져 있다. However, titanium alloy, for example, in the case of the commonly used Ti-6Al-4V alloy, Al can cause Alzheimer's, and V can act as a toxic element in the human body, so it is not suitable as a material for insertion into a living body. There is this. In contrast, since pure titanium has excellent corrosion resistance and biocompatibility, if the thermal strength of pure titanium can be increased without using Al or V, a titanium material having excellent various properties can be manufactured. Solid solution strengthening, work hardening, precipitation strengthening, dispersion strengthening, and the like are known as metal strengthening mechanisms for strengthening such pure titanium.
이러한 기술의 일 예가 하기 문헌 1 내지 3 등에 개시되어 있다.An example of such a technique is disclosed in
예를 들어, 하기 특허문헌 1에는 매트릭스를 이루는 순타이타늄(Ti) 및 상기 매트릭스의 입계에 편석되어 상기 매트릭스의 결정립을 미세화하는 용질금속으로 구성되고, 상기 순타이타늄(Ti) 및 상기 용질금속의 혼합엔탈피(heat of mixing)는 양수이고, 상기 용질금속은 이트륨(Y)이고, 상기 용질금속의 함량은 0.09wt% 내지 2.7wt% 이며, 상기 용질금속은 상기 매트릭스의 입계에 편석되어 입계의 에너지를 낮추고, 상기 용질금속은 상기 매트릭스의 입계에 편석되어 피닝입자로 작용하여 상기 매트릭스의 결정립 성장을 억제하는 고강도 및 고연신 타이타늄 합금에 대해 개시되어 있다.For example, in
또 하기 특허문헌 2에는 3D 프린팅에 의해 고강도 타이타늄 적층을 수행할 수 있도록 철을 함유한 타이타늄 분말을 제조하는 방법으로서, 분말 제조용 타이타늄에 목표 함량에 대응하는 철 분말을 혼합하는 단계, 상기 분말 제조용 타이타늄과 철 분말 혼합물을 프레스 가공하여 프레스 성형물로 제작하는 단계, 상기 프레스 성형물을 잉곳으로 제조하는 단계 및 상기 잉곳을 철 함유 타이타늄 분말로 제조하는 단계를 포함하는 고강도 타이타늄 제작을 위한 철 함유 타이타늄 분말 제조 방법에 대해 개시되어 있다.In addition, the following Patent Document 2 discloses a method for producing a titanium powder containing iron so that high-strength titanium lamination can be performed by 3D printing, the step of mixing an iron powder corresponding to a target content to titanium for powder production, the powder production titanium Manufacturing method of iron-containing titanium powder for manufacturing high-strength titanium comprising the steps of manufacturing a press-molded product by press-working a mixture of iron and iron powder, manufacturing the press-molded product into an ingot, and manufacturing the ingot into an iron-containing titanium powder has been disclosed for
한편, 하기 특허문헌 3에는 중량%로, 산소(O): 0 초과 0.05 이하, 철(Fe): 0 초과 0.40 이하, 탄소(C): 0 초과 0.10 이하, 질소(N): 0 초과 0.10 이하 및 수소(H): 0 초과 0.005 이하, 나머지 타이타늄(Ti) 및 불순물을 포함하는 타이타늄강을 냉간 압연하는 단계 및 냉간 압연된 상기 타이타늄강을 진공소둔방식으로 소둔열처리하는 단계를 포함하고, 냉간 압연된 상기 타이타늄강을 소둔열처리하는 단계는 재결정 온도 이상 660℃ 이하의 온도범위에서 실시되며, 중량%로, 산소(O) 및 철(Fe)의 함량의 합이 0 초과 0.085 미만의 범위로 제어되고, 중량%로, 산소(O), 철(Fe), 질소(N), 탄소(C) 및 수소(H)의 함량의 합이 0 초과 0.12 미만의 범위로 제어되는 타이타늄강의 제조방법에 대해 개시되어 있다.On the other hand, in the following Patent Document 3, by weight, oxygen (O): more than 0 and 0.05 or less, iron (Fe): more than 0, 0.40 or less, carbon (C): more than 0, 0.10 or less, nitrogen (N): more than 0, 0.10 or less and hydrogen (H): greater than 0 and less than or equal to 0.005, cold rolling the titanium steel containing the remaining titanium (Ti) and impurities, and annealing the cold rolled titanium steel in a vacuum annealing method, cold rolling The step of annealing the annealing heat treatment of the titanium steel is carried out in a temperature range above the recrystallization temperature and below 660 ° C., in weight %, the sum of the contents of oxygen (O) and iron (Fe) is controlled in a range of more than 0 and less than 0.085, , disclosed for a method for producing a titanium steel in which the sum of the contents of oxygen (O), iron (Fe), nitrogen (N), carbon (C) and hydrogen (H) is controlled in the range of more than 0 and less than 0.12 by weight, % has been
상술한 바와 같은 특허문헌 1에는 순타이타늄(Ti)의 용탕을 형성하고 용탕에 분산물을 분말을 투입하여 분산시키는 구성이 개시되어 있고, 상기 특허문헌 2에는 잉곳의 단부를 뾰족하게 가공한 후 EIGA(electrode induction gas atomization)에 의해 철 함유 타이타늄 분말을 제조하는 기술에 대해 개시되어 있지만, 타이타늄에 산화 구동력이 높은 원소와 반응하여 산화물을 형성하여 사이즈를 균일하게 하는 기술에 대해서는 개시되어 있지 않았다.
한편, 상기 특허문헌 3에 개시된 기술에 따라 주조공정에 의해 타이타늄을 제조하는 경우, 냉각하는 과정에서 오랜 시간이 소요되어, 고온에서 오랜 시간 유지되는 것에 의해 Fe-Ti 석출물이 석출된 후에 성장을 하게 되어, 철이 다량 함유되면 조대한 Fe-Ti 석출물이 형성되며, Fe-Ti 석출물은 금속의 기계적 강도를 향상시키지만, 석출물이 조대하게 형성되면 연성 및 파괴강도가 저하되는 문제점이 있었다.On the other hand, in the case of manufacturing titanium by the casting process according to the technology disclosed in Patent Document 3, it takes a long time in the cooling process, and by maintaining it at a high temperature for a long time, the Fe-Ti precipitate is precipitated and then grown. When a large amount of iron is contained, coarse Fe-Ti precipitates are formed, and Fe-Ti precipitates improve the mechanical strength of the metal, but when the precipitates are formed coarsely, there is a problem in that ductility and breaking strength are lowered.
또한, 현재까지 개발된 3D 프린팅 기술에서, 3D 프린팅된 부품은 적층 방향으로 주상정 조직이 형성되기 때문에 기계적 물성의 이방성이 발생되는 문제가 있고, 응고 시 미세 기공이 발생되거나 주상정 조직의 입계를 따라 크랙이 쉽게 발생되기 때문에 내부식성, 내마모성, 내충격성, 내피로성, 내크리프성 등의 기계적 성능이 낮아 부품 신뢰성이 크게 저하되는 문제가 발생되었다. In addition, in the 3D printing technology developed so far, 3D printed parts have a problem in that anisotropy of mechanical properties occurs because columnar structures are formed in the stacking direction, and micropores are generated during solidification or grain boundaries of columnar structures are formed. Since cracks are easily generated according to the following, mechanical performance such as corrosion resistance, abrasion resistance, impact resistance, fatigue resistance, and creep resistance is low, resulting in a problem in that the reliability of parts is greatly reduced.
금속 3D 프린팅재의 피로특성을 향상시키기 위한 방법으로 3D 프린팅 조형물에 열간 등방압 가압법을 사용하는 경우에 대한 연구가 있으나, 장비 가격이 매우 높아 3D 프린팅 제품의 단가 상승 요인이 되며, 응고 크랙 결함을 제거하는데 효과적이지 못하다는 문제가 있었다. There are studies on the use of hot isostatic pressing for 3D printed objects as a method to improve the fatigue properties of metal 3D printing materials. There was a problem that it was not effective to remove.
이러한 문제를 해결하기 위해 알루미늄 금속분말의 표면에 나노 산화물을 흡착시킨 분말을 이용하여 3D 프린팅을 하게 되면, 응고 과정 중 금속 모재보다 녹는점이 높은 나노 산화물에서부터 불균일 핵생성(heterogeneous nucleation)이 발생하여 기공과 크랙의 발생을 줄일 뿐만 아니라 등축정 미세조직(equiaxed microstructure) 구현할 수 있다는 기술이 개발되었다. 즉 도 1에 도시된 나노입자 분산 효과와 산화물 분말을 흡착시킨 복합분말 형상에서 알 수 있는 바와 같이, 나노입자를 분산시키게 되면 응고 거동의 제어를 통해 미세조직이 개선됨과 동시에 분산 강화 효과로 인해 기계적 물성의 획기적인 개선이 가능하다고 하였지만, 습식공정으로 인한 높은 비용 및 오염 문제와 더불어 나노입자의 균일도 저하 문제의 발생이 예상된다는 문제가 있었다. 또한, 나노입자-금속분말 사이의 낮은 접착력으로 인해 3D 프린팅 공정에서 분말의 재사용 시 분말 순환-피딩-도포 과정에서 나노입자가 떨어지고, 밀도 차이에 의해 분리가 일어나 분말의 재사용이 어렵게 될 가능성이 있었다.To solve this problem, when 3D printing is performed using a powder adsorbed with nano-oxide on the surface of aluminum metal powder, heterogeneous nucleation occurs from nano-oxide having a higher melting point than that of the metal base material during the solidification process. A technology has been developed that can reduce the occurrence of cracks as well as realize an equiaxed microstructure. That is, as can be seen from the nanoparticle dispersion effect shown in FIG. 1 and the composite powder shape in which the oxide powder is adsorbed, when the nanoparticles are dispersed, the microstructure is improved through the control of the coagulation behavior and at the same time, the dispersion strengthening effect causes the mechanical Although it was said that a drastic improvement of physical properties was possible, there was a problem that the occurrence of a problem of lowering the uniformity of nanoparticles is expected along with high cost and contamination problems due to the wet process. In addition, due to the low adhesion between the nanoparticles and the metal powder, when the powder is reused in the 3D printing process, there is a possibility that the nanoparticles fall out during the powder circulation-feeding-applying process, and separation occurs due to the density difference, making it difficult to reuse the powder. .
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 산화물을 인시투(in-situ) 공정으로 형성하여 타이타늄 내부에 균일하게 분산시키는 나노입자 일체형 타이타늄 분말을 낮은 단가로 제조할 수 있는 나노입자 분산강화 타이타늄 분말 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention was made to solve the above-described problems, and it is possible to produce a nanoparticle-integrated titanium powder uniformly dispersed in titanium by forming an oxide in an in-situ process at a low cost. To provide a nanoparticle dispersion-reinforced titanium powder and a method for manufacturing the same.
본 발명의 다른 목적은 3D 프린팅용 타이타늄 분말을 결함 없이 적층 성형할 수 있는 나노입자 분산강화 타이타늄 분말 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a nanoparticle dispersion-reinforced titanium powder capable of laminating and molding a titanium powder for 3D printing without defects and a method for manufacturing the same.
본 발명의 또 다른 목적은 미세하고 균일한 등방 조직의 형성으로 인해 응고 크랙 및 공극 등의 형성을 억제하여 3D 프린팅으로 고강도/고신뢰성의 부품을 제조할 수 있는 나노입자 분산강화 타이타늄 분말 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to suppress the formation of solidification cracks and voids due to the formation of a fine and uniform isotropic structure, thereby producing high-strength/high-reliability parts by 3D printing, nanoparticle dispersion-reinforced titanium powder, and manufacturing thereof to provide a way
본 발명의 또 다른 목적은 3D 프린팅용 타이타늄 분말에 생체친화성 및 강도 향상 특성이 우수한 이트리아를 균일하게 분산시킨 구형 복합분말을 인시투 공정으로 제조할 수 있는 나노입자 분산강화 타이타늄 분말 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is a nano-particle dispersion-enhanced titanium powder capable of producing in-situ spherical composite powder in which yttria, which has excellent biocompatibility and strength improvement properties, is uniformly dispersed in titanium powder for 3D printing, and its production to provide a way
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 나노입자 분산강화 타이타늄 분말의 제조 방법은 3D 프린팅용 나노입자 분산강화 타이타늄 분말을 제조하는 방법으로서, (a) 산소농도가 높은 타이타늄에 산화구동력이 높은 원소를 첨가하여 용해 후 응고 시 산화물이 형성된 잉곳을 마련하는 단계, (b) 산화물이 고온에서 완전 용체화되고 분말 제조 시 재석출되도록, 상기 단계 (a)에서 마련된 상기 잉곳에 대해 열처리 공정을 실행하여 타이타늄 분말을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the method for producing a nanoparticle dispersion-enhanced titanium powder according to the present invention is a method for producing a nanoparticle dispersion-enhanced titanium powder for 3D printing, (a) an element having a high oxidation driving power in titanium with a high oxygen concentration. A step of preparing an ingot in which an oxide is formed upon solidification after dissolution by addition, (b) performing a heat treatment process on the ingot prepared in step (a) so that the oxide is completely solutionized at a high temperature and re-precipitated during powder manufacturing It characterized in that it comprises the step of producing a powder.
또 본 발명에 따른 타이타늄 분말의 제조 방법에서, 상기 열처리 공정은 금속을 가열 후 가스를 분사하는 EIGA(Electrode Induction Gas Atomization) 공정, 용해 후 바로 분사하여 분말을 제조하는 CCGA(Cold crucible gas atomization) 공정, 잉곳이나 선재를 플라즈마 토치로 용해하는 PREP(Plasma Rotating Electrode Process) 공정, 플라즈마로 가열하여 분사하는 PWAP(Plasma Wire Atomization Process) 공정, VIGA(Vacuum Induction Gas Atomization) 공정 중의 어느 하나인 것을 특징으로 한다.In addition, in the method for manufacturing titanium powder according to the present invention, the heat treatment process includes an EIGA (Electrode Induction Gas Atomization) process for heating a metal and then spraying a gas, and a CCGA (Cold Crucible Gas Atomization) process for producing a powder by immediately dissolving and spraying it. , PREP (Plasma Rotating Electrode Process) process for melting an ingot or wire with a plasma torch, PWAP (Plasma Wire Atomization Process) process for heating and spraying with plasma, VIGA (Vacuum Induction Gas Atomization) process characterized in that any one.
또 본 발명에 따른 타이타늄 분말의 제조 방법에서, 상기 산소농도가 높은 타이타늄은 Ti-O 고용체이고, 상기 산화구동력이 높은 원소는 이트륨(Y), 란타넘(La), 세륨(Ce), 가돌리늄(Gd) 또는 하프늄(HF) 중의 어느 하나인 것을 특징으로 한다.In addition, in the method for producing a titanium powder according to the present invention, the titanium having a high oxygen concentration is a Ti-O solid solution, and the element having a high oxidation driving power is yttrium (Y), lanthanum (La), cerium (Ce), gadolinium ( Gd) or hafnium (HF).
또 본 발명에 따른 타이타늄 분말의 제조 방법에서, 상기 단계 (b)에서의 EIGA 공정에 의해 상기 잉곳의 선단부에는 챔버 내의 유도 코일에 의해 고온이 인가되어 타이타늄 합금이 산화 구동력이 높은 이트리아(Y2O3)의 산소를 인입하여 용체화되고, 가스 분사에 의해 저온이 되면서 이트륨(Y)의 산화 구동력이 높아져 상기 타이타늄 분말의 산소를 인입하고 급속 냉각되어 타이타늄 분말이 재석출되는 것을 특징으로 한다.In addition, in the method for producing titanium powder according to the present invention, a high temperature is applied to the tip of the ingot by the induction coil in the chamber by the EIGA process in step (b), so that the titanium alloy has a high oxidative driving force yttria (Y 2 O 3 ) is dissolved by introducing oxygen, and the oxidation driving force of yttrium (Y) is increased as the temperature is lowered by gas injection, and oxygen of the titanium powder is introduced, and the titanium powder is rapidly cooled, characterized in that it is re-precipitated.
또 본 발명에 따른 타이타늄 분말의 제조 방법에서, 상기 단계 (b)에서의 타이타늄 분말은 인시투(in-situ ) 공정으로 실행되는 것을 특징으로 한다.In addition, in the method for producing a titanium powder according to the present invention, the titanium powder in step (b) is characterized in that it is carried out in an in-situ (in-situ) process.
또 본 발명에 따른 타이타늄 분말의 제조 방법에서, 상기 산소농도가 높은 타이타늄은 Ti-6Al-4V 합금이고, 상기 산화구동력이 높은 원소는 Y2O3인 것을 특징으로 한다.In addition, in the method for producing a titanium powder according to the present invention, the titanium having a high oxygen concentration is a Ti-6Al-4V alloy, and the element having a high oxidation driving power is Y 2 O 3 It is characterized in that.
또 본 발명에 따른 타이타늄 분말의 제조 방법에서, 상기 고온은 2,000℃ 이상이고, 상기 저온은 1,520℃ 이하이며, 상기 가스 분사는 아르곤 가스가 50 bar 이상의 고압 분사로 실행되는 것을 특징으로 한다.In addition, in the method for manufacturing titanium powder according to the present invention, the high temperature is 2,000 ° C. or more, the low temperature is 1,520 ° C. or less, and the gas injection is characterized in that argon gas is performed by high pressure injection of 50 bar or more.
또한, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 타이타늄 분말의 제조 방법은 3D 프린팅용 나노입자 분산강화 타이타늄 분말을 제조하는 방법으로서, (a) 산소농도가 높은 타이타늄에 산화구동력이 높은 원소의 산화물 형태를 첨가하여 용해 후 응고하여 잉곳을 마련하는 단계, (b) 산화물이 고온에서 완전 용체화되고 분말 제조 시 재석출되도록, 상기 단계 (a)에서 마련된 상기 잉곳에 대해 열처리 공정을 실행하여 타이타늄 분말을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, in order to achieve the above object, the method for producing a titanium powder according to the present invention is a method for producing a nanoparticle dispersion-enhanced titanium powder for 3D printing, (a) an oxide form of an element having a high oxidation driving power in titanium with a high oxygen concentration A step of preparing an ingot by dissolving and solidifying by adding a It is characterized in that it comprises the step of generating.
또 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 타이타늄 분말의 제조 방법은 3D 프린팅용 나노입자 분산강화 타이타늄 분말을 제조하는 방법으로서, (a) 산소농도가 높은 타이타늄에 금속의 산화물, 질화물, 탄화물 중 어느 하나를 첨가하여 용해 후 응고하여 잉곳을 마련하는 단계, (b) 산화물, 질화물 또는 탄화물이 고온에서 완전 용체화되고 분말 제조 시 재석출되도록, 상기 단계 (a)에서 마련된 상기 잉곳에 대해 열처리 공정을 실행하여 타이타늄 분말을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, in order to achieve the above object, the method for producing a titanium powder according to the present invention is a method for producing a nanoparticle dispersion-reinforced titanium powder for 3D printing, (a) any oxide, nitride, or carbide of a metal in titanium with a high oxygen concentration A step of adding one to prepare an ingot by dissolution and solidification, (b) a heat treatment process for the ingot prepared in step (a) so that the oxide, nitride or carbide is completely solutionized at high temperature and re-precipitated during powder manufacturing and performing to produce a titanium powder.
한편, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 타이타늄 분말은 상술한 타이타늄 분말의 제조 방법에 의해 제조된 것을 특징으로 한다.On the other hand, in order to achieve the above object, the titanium powder according to the present invention is characterized in that it is manufactured by the above-described method for producing the titanium powder.
또 본 발명에 따른 타이타늄 분말은 3D 프린팅용 분말인 것을 특징으로 한다.In addition, the titanium powder according to the present invention is characterized in that it is a powder for 3D printing.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 나노입자 분산강화 타이타늄 분말 및 그 제조 방법에 의하면, 산화물이 고온에서 완전 용체화되고 분말 제조 시 재석출되므로, 미세하고 균일한 등방 조직의 형성으로 인해 응고 크랙 및 공극 등의 형성을 억제할 수 있다는 효과가 얻어진다.As described above, according to the nanoparticle dispersion-reinforced titanium powder and the method for manufacturing the same according to the present invention, the oxide is completely solutionized at high temperature and re-precipitated during powder production, so that solidification cracks and The effect that formation of a space|gap etc. can be suppressed is acquired.
또 본 발명에 따른 나노입자 분산강화 타이타늄 분말 및 그 제조 방법에 의하면, 생체친화성 및 강도 향상 특성이 우수한 이트리아를 균일하게 분산시켜 3D 프린팅 공정에서 타이타늄 분말을 95% 이상 재사용할 수 있다는 효과가 얻어진다.In addition, according to the nanoparticle dispersion-enhanced titanium powder and its manufacturing method according to the present invention, yttria, which has excellent biocompatibility and strength improvement properties, is uniformly dispersed, so that 95% or more of the titanium powder can be reused in the 3D printing process. is obtained
또 본 발명에 따른 나노입자 분산강화 타이타늄 분말 및 그 제조 방법에 의하면, 인시투 복합분말 제조기술 기반으로 다양한 조성의 분말을 낮은 원가로 제조할 수 있다는 효과도 얻어진다.In addition, according to the nanoparticle dispersion-reinforced titanium powder and its manufacturing method according to the present invention, it is possible to produce powders of various compositions at low cost based on the in-situ composite powder manufacturing technology.
또 본 발명에 따른 나노입자 분산강화 타이타늄 분말 및 그 제조 방법에 의하면, 급속 용융 및 응고에 따라 분말 내 나노입자가 부유하거나 응집할 시간이 없어 나노입자가 금속의 기지 내 치밀하고 균일하게 분산되어 소재의 강도/피로 특성/크리프 저항성을 크게 향상시킬 수 있다는 효과가 얻어진다.In addition, according to the nanoparticle dispersion-enhanced titanium powder and its manufacturing method according to the present invention, the nanoparticles in the powder do not have time to float or aggregate due to rapid melting and solidification, so the nanoparticles are densely and uniformly dispersed in the matrix of the metal. The effect of significantly improving the strength/fatigue characteristics/creep resistance of
또한, 본 발명에 따른 나노입자 분산강화 타이타늄 분말 및 그 제조 방법에 의하면, 나노 분말의 고유한 물리적 특성을 이용하여 금속에 다양한 기능적 성질을 부여할 수 있어 다양한 분야에 적용할 수 있다는 효과도 얻어진다.In addition, according to the nanoparticle dispersion-reinforced titanium powder and its manufacturing method according to the present invention, various functional properties can be imparted to metal using the unique physical properties of the nanopowder, so that it can be applied to various fields. .
도 1은 종래의 나노입자 분산 효과와 산화물 분말을 흡착시킨 복합분말 형상을 나타내는 전자 현미경의 사진,
도 2는 본 발명에 따른 나노입자 분산강화 타이타늄 분말의 제조 공정을 설명하기 위한 도면,
도 3은 도 2에서의 열처리 공정의 일 예를 나타내는 개념도,
도 4는 본 발명에 적용되는 Ti-O 고용체에서 산소 함유율과 온도의 관계를 나타내는 그래프,
도 5는 본 발명에 적용되는 Ti-O 고용체에서 산소 구동력과 온도의 관계를 나타내는 그래프,
도 6은 주조 후 냉각된 상태에서 Y2O3의 분포 상태와 본 발명에 따른 타이타늄 분말에서 Y2O3의 분포 상태를 나타내는 전자 현미경의 사진.1 is an electron microscope photograph showing the conventional nanoparticle dispersion effect and the shape of a composite powder adsorbed with an oxide powder;
Figure 2 is a view for explaining the manufacturing process of nanoparticles dispersion-enhanced titanium powder according to the present invention;
3 is a conceptual diagram showing an example of the heat treatment process in FIG. 2;
4 is a graph showing the relationship between oxygen content and temperature in a Ti-O solid solution applied to the present invention;
5 is a graph showing the relationship between oxygen driving force and temperature in a Ti-O solid solution applied to the present invention;
6 is an electron microscope photograph showing the distribution state of Y 2 O 3 and the distribution state of Y 2 O 3 in the titanium powder according to the present invention in a cooled state after casting.
본 발명의 상기 및 그 밖의 목적과 새로운 특징은 본 명세서의 기술 및 첨부 도면에 의해 더욱 명확하게 될 것이다.The above and other objects and novel features of the present invention will become more apparent from the description of the present specification and accompanying drawings.
본원에서 사용하는 용어 "산화물 분산강화(oxide dispersion strengthened alloy, ODS)"는 기지조직 내에 열적 안정성이 우수한 산화물 입자를 나노미터 급의 크기로 미세하게 분산시켜서 강화한 것을 의미하고, "인시투(in-situ) 공정"은 예를 들어, 동일 챔버 내에서의 연속적인 공정을 의미한다.As used herein, the term "oxide dispersion strengthened alloy (ODS)" refers to strengthening by finely dispersing oxide particles having excellent thermal stability in a matrix structure to a size of nanometer class, and "in-situ (in-situ)" "situ) process" means, for example, a continuous process in the same chamber.
또 본원에서 사용하는 타이타늄(Titanium)은 화학 원소 기호 Ti이고 원자 번호 22이며, 지각을 구성하는 금속 원소 중 4번째를 차지할 정도로 매장량이 풍부하고, 녹는점이 약 1,670℃ 정도이며, 약 1200℃에서 산소와 즉시 반응하여 이산화티탄(TiO2)을 형성한다. 또 타이타늄 합금으로서 가장 널리 사용되는 Ti-6Al-4V 합금은 대표적인 합금이고, 강도 122~97kgf/㎟ 정도이고, 높은 인성을 가지며, 소성 가공성, 용접성, 주조성도 좋아서 사용하기 쉽고 신뢰성이 큰 합금으로 알려져 있다. In addition, titanium used herein has a chemical element symbol Ti and atomic number 22, and has abundant reserves to occupy the 4th among the metal elements constituting the earth's crust, has a melting point of about 1,670 ° C, and oxygen at about 1200 ° C. It reacts immediately with titanium dioxide (TiO 2 ) to form. In addition, Ti-6Al-4V alloy, which is most widely used as a titanium alloy, is a representative alloy, has a strength of about 122 to 97 kgf/㎟, has high toughness, and has good plastic workability, weldability, and castability. there is.
이트륨(Yttrium)은 화학 원소 기호 Y이고 원자 번호 39이며, 녹는점이 약 1,799K이고, 산소와 반응하여 표면에 더 이상의 산화를 막는 산화피막을 생성하기 때문에 비교적 안정한 편이고, 산화피막인 산화이트륨 Y2O3(이트리아(Yttria))인 화합물을 생성한다.Yttrium has a chemical element symbol Y, atomic number 39, a melting point of about 1,799K, and is relatively stable because it reacts with oxygen to form an oxide film that prevents further oxidation on the surface, and the oxide film is yttrium oxide Y 2 O 3 (Yttria) yields a compound.
또 본원에서 사용하는 용어 "타이타늄 분말"은 Ti-6Al-4V 합금 분말 내부에 이트리아를 인시투로 제조한 합금 분말을 의미하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.Also, as used herein, the term "titanium powder" refers to an alloy powder prepared by in situ yttria inside the Ti-6Al-4V alloy powder, but is not limited thereto.
본 발명에서는 산소고용도 즉, 산소를 산화물이 아닌 상태로 높은 함량을 유지하는 타이타늄의 특성을 고려하여, 타이타늄보다 산화 구동력이 높은 원소를 첨가하여 합금 분말을 제조하였다. 또 타이타늄에 함유된 산소가 산화 구동력이 더 높은 첨가 원소와 반응하여 산화물을 형성하는 기술을 적용하여 타이타늄 분말에서 Y2O3의 분포가 조밀한 상태로 유지되게 한다.In the present invention, an alloy powder was prepared by adding an element having a higher oxidation driving force than titanium in consideration of the oxygen solubility, that is, the characteristic of titanium that maintains a high content of oxygen in a non-oxide state. In addition, by applying a technology in which oxygen contained in titanium reacts with an additive element having a higher oxidation driving force to form an oxide, the distribution of Y 2 O 3 in the titanium powder is maintained in a dense state.
또한, 본 발명에 따른 타이타늄 합금 분말은 3D 프린팅을 이용한 적층제조에 사용되는 소재로서 분말 기반형으로 마련되며, 이러한 분말 기반형은 금속분말을 아토마이저 방식 등으로 급랭하여 구형화된 분말을 대부분 사용하며, 3D 프린터용 금속분말로서 금속을 가열 후 가스를 분사하는 EIGA(Electrode Induction Gas Atomization) 공정, 용해 후 바로 분사하여 분말을 제조하는 CCGA(Cold crucible gas atomization) 공정, 잉곳이나 선재를 플라즈마 토치로 용해하는 PREP(Plasma Rotating Electrode Process) 공정, 플라즈마로 가열하여 분사하는 PWAP(Plasma Wire Atomization Process) 공정, VIGA(Vacuum Induction Gas Atomization) 공정 등을 적용하여 마련할 수 있다.In addition, the titanium alloy powder according to the present invention is a material used for additive manufacturing using 3D printing and is prepared in a powder-based type, and this powder-based type uses mostly spherical powder by quenching metal powder by an atomizer method, etc. EIGA (Electrode Induction Gas Atomization) process to spray gas after heating metal as metal powder for 3D printer; CCGA (Cold Crucible Gas Atomization) process to produce powder by spraying immediately after melting It can be prepared by applying a Plasma Rotating Electrode Process (PREP) process, a Plasma Wire Atomization Process (PWAP) process for heating and spraying with plasma, and a Vacuum Induction Gas Atomization (VIGA) process.
이하, 본 발명에 따른 실시 예를 도 2 내지 도 5에 따라서 설명한다.Hereinafter, an embodiment according to the present invention will be described with reference to FIGS. 2 to 5 .
도 2는 본 발명에 따른 나노입자 분산강화 타이타늄 분말의 제조 공정을 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 도 2에서의 열처리 공정의 일 예를 나타내는 개념도 이고, 도 4는 본 발명에 적용되는 Ti-O 고용체에서 산소 함유율과 온도의 관계를 나타내는 그래프이며, 도 5는 본 발명에 적용되는 Ti-O 고용체에서 산소 구동력과 온도의 관계를 나타내는 그래프이다.2 is a view for explaining the manufacturing process of the nanoparticle dispersion-enhanced titanium powder according to the present invention, FIG. 3 is a conceptual diagram showing an example of the heat treatment process in FIG. 2, and FIG. 4 is a Ti- applied to the present invention. It is a graph showing the relationship between the oxygen content and temperature in the O solid solution, and FIG. 5 is a graph showing the relationship between the oxygen driving force and the temperature in the Ti-O solid solution applied to the present invention.
본 발명에 따른 3D 프린팅용 나노입자 분산강화 타이타늄 분말은 도 2에 도시된 바와 같이, 산소농도가 높은 타이타늄에 산화구동력이 높은 원소를 첨가하여 용해 후 응고 시 산화물이 형성되는 잉곳을 마련하고, 산화물이 고온(약 2,000℃)에서 완전 용체화되고 분말 제조 시 재석출되도록 상기 잉곳을 분말화하여 타이타늄 분말을 생성하는 것에 의해 마련된다. As shown in FIG. 2, the nanoparticle dispersion-reinforced titanium powder for 3D printing according to the present invention is prepared by adding an element having a high oxidation driving force to titanium with a high oxygen concentration to form an oxide upon solidification after dissolution, and oxide It is prepared by pulverizing the ingot so that it is completely solutionized at this high temperature (about 2,000° C.) and re-precipitated during powder production to produce a titanium powder.
상기 잉곳은 예를 들어, 산소농도가 높은 타이타늄 합금으로서 Ti-O 합금 고용체에 산화구동력이 높은 원소인 이트륨(Y), 란타넘(La), 세륨(Ce), 가돌리늄(Gd) 또는 하프늄(HF) 중의 어느 하나를 첨가하여 마련될 수 있다. 즉, 상기 잉곳은 도 2의 ① Ti-Y2O3 잉곳 제조로 나타낸 바와 같이, 타이타늄 합금인 Ti-6Al-4V에 이트리아(Y2O3)를 첨가하여 마련되거나, 타이타늄 합금에 이트륨(Y)을 첨가하여 마련될 수 있다. 그러나 이와 같은 주조에 의해 마련된 잉곳에서는 냉각 속도의 저하에 의해 이트리아(Y2O3)의 분포가 조대하여 기계적 성질이 저하된다. The ingot is, for example, a titanium alloy with a high oxygen concentration, yttrium (Y), lanthanum (La), cerium (Ce), gadolinium (Gd) or hafnium (HF), which are elements with high oxidation driving power in a Ti-O alloy solid solution. ) may be prepared by adding any one of. That is, the ingot is prepared by adding yttria (Y 2 O 3 ) to Ti - 6Al-4V, which is a titanium alloy, or yttrium ( It may be prepared by adding Y). However, in the ingot prepared by such casting, the distribution of yttria (Y 2 O 3 ) is coarse due to a decrease in the cooling rate, and thus mechanical properties are deteriorated.
따라서, 본 발명에서는 상기 잉곳에 대해 도 2의 ② 가스 분사 공정으로 나타낸 바와 같이, 타이타늄 용융 입자가 생성되어 낙하하도록 열처리 공정으로서, 가스 분사(GA : Gas Atomization) 공정을 실행한다. 상기 가스 분사 공정은 예를 들어, 도 3의 (a)에 도시된 바와 같은 EIGA(Electrode Induction Gas Atomization) 공정에 의해 구형 타이타늄 분말을 마련한다. Therefore, in the present invention, as shown in the gas injection process ② of FIG. 2 for the ingot, a gas atomization (GA) process is performed as a heat treatment process so that titanium molten particles are generated and dropped. In the gas injection process, for example, a spherical titanium powder is prepared by an EIGA (Electrode Induction Gas Atomization) process as shown in FIG. 3A .
즉 도 3에 도시된 바와 같이 잉곳의 선단부에는 챔버 내의 유도 코일에 의해 약 2,000℃가 인가되는 것에 의해 산화 구동력의 차이로 인해 산소 농도가 높은 타이타늄 합금이 산화 구동력이 높은 이트리아(Y2O3)의 산소를 인입하여 타이타늄 합금에서 Y2O3의 조대 상태가 좁혀진 상태로 형성된다. That is, as shown in FIG. 3 , about 2,000° C. is applied to the tip of the ingot by the induction coil in the chamber, and due to the difference in the oxidation driving force, a titanium alloy with a high oxygen concentration has a high oxidation driving force yttria (Y 2 O 3 ) by introducing oxygen in the titanium alloy, the coarse state of Y 2 O 3 is formed in a narrowed state.
즉, 타이타늄 합금 내의 이트리아(Y2O3)에서는 산소가 빠져나간 상태로 유지되며, 이트륨(Y)과 산소(O)의 결합 관계가 끊어진 상태로 되어 이트륨(Y)만 남는 상태로 된다. 이후, 챔버 내의 유도 코일에 의해 약 2,000℃가 인가되어 용융된 타이타늄 입자가 EIGA 장비 내의 하부로 낙하하면서 상부의 온도보다 낮아진 하부에서의 저온(약 1,520℃)이 되면서 이트륨(Y)의 산화 구동력이 높아져 타이타늄 분말의 산소를 인입하고 급속 냉각되어 타이타늄 분말을 재석출하게 된다. That is, in the yttria (Y 2 O 3 ) in the titanium alloy, oxygen is maintained in a state in which oxygen has escaped, and the bonding relationship between yttrium (Y) and oxygen (O) is broken, so that only yttrium (Y) remains. After that, about 2,000 ° C is applied by the induction coil in the chamber and the molten titanium particles fall to the lower part of the EIGA equipment and become a low temperature (about 1,520 ° C) in the lower part lower than the upper temperature while the oxidation driving force of yttrium (Y) is increased. It rises and introduces oxygen in the titanium powder and rapidly cools to re-precipitate the titanium powder.
상술한 바와 같이, 타이타늄 분말 제조를 위한 EIGA 공정으로 잉곳의 가열 시 고온에서 완전 분해되어 Ti가 Y2O3의 산소를 인입한 액상(용융 입자)이 되고, 가스 분사로 인해 냉각 시 Y가 Ti의 산소를 인입하여 재석출하게 되어 미세한 Y2O3를 형성하여 타이타늄 분말 내에서 이트리아(Y2O3)의 사이즈가 균일하게 이루어진다.As described above, with the EIGA process for manufacturing titanium powder, when the ingot is heated, it is completely decomposed at high temperature to become a liquid phase (molten particles) in which Ti is Y 2 O 3 oxygen, and Y is Ti when cooled due to gas injection Oxygen is introduced and re-precipitated to form fine Y 2 O 3 , so that the size of yttria (Y 2 O 3 ) is made uniform in the titanium powder.
그러나 본 발명에 따른 나노입자 분산강화 타이타늄 분말의 제조에서 열처리 공정은 도 3의 (a)에 도시된 EIGA 공정에 한정되는 것은 아니며, 도 3의 (b)에 도시된 잉곳이나 선재를 플라즈마 토치로 용해하는 PREP(Plasma Rotating Electrode Process) 공정, 도 3의 (c)에 도시된 플라즈마로 가열하여 분사하는 PWAP(Plasma Wire Atomization Process) 공정, 용해 후 바로 분사하여 분말을 제조하는 CCGA(Cold crucible gas atomization) 공정, VIGA(Vacuum Induction Gas Atomization) 공정 등을 적용할 수 있다.However, in the preparation of the nanoparticle dispersion-enhanced titanium powder according to the present invention, the heat treatment process is not limited to the EIGA process shown in FIG. 3 (a), and the ingot or wire shown in FIG. PREP (Plasma Rotating Electrode Process) process, PWAP (Plasma Wire Atomization Process) process for heating and spraying with plasma shown in FIG. Process, VIGA (Vacuum Induction Gas Atomization) process, etc. can be applied.
하기 표 1은 타이타늄에 함유된 산소농도의 비율의 일 예의 종류를 나타내는 것으로서, Grade 5는 Ti-6Al-4V 합금을 나타낸다. 한편, 표 1에 나타낸 Ti-O 고용체(solid solution)에서 산소의 함유율(wt%)과 온도와의 관계는 도 4에 나타내었다.Table 1 below shows an example of the ratio of oxygen concentration contained in titanium, and
본 발명에 따른 타이타늄 분말의 제조에서 산화구동력이 높은 원소는 도 5에 도시된 바와 같이, Ti-O 고용체의 산화구동력 기울기를 지나는 원소로 한정한다.In the production of titanium powder according to the present invention, the element having a high oxidation driving force is limited to an element passing the oxidation driving force gradient of the Ti-O solid solution, as shown in FIG. 5 .
예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, Ti-O 고용체로서 표 1의 Grade 5인 Ti-6Al-4V 합금(녹색 라인)에 산화 구동력이 높은 원소인 이트리아(Y2O3 : 흑색 라인)가 첨가되면, EIGA 공정에서 챔버 내의 유도 코일에 의해 잉곳의 선단이 약 2,000℃로 가열되면, 산화 구동력이 높은 Ti-6Al-4V에서 Y2O3의 산소를 인입하여 산화물을 형성하고, 이후 EIGA 공정에서 타이타늄 용융 입자가 하부로 낙하하면서 산화 구동력이 높은 이트륨(Y)에서 상기 산화물의 산소를 흡입하면서 급속 냉각되어 타이타늄 분말이 재석출된다. 즉, 상기 산화물에서 이트륨(Y)은 하기 반응식 (1)에 따라 이트리아(Y2O3)로 재석출된다.For example, as shown in FIG. 5 , as a Ti-O solid solution, yttria (Y 2 O 3 : black line), an element with high oxidation driving force, in Ti-6Al-4V alloy (green line) of
4/3Y+O2 → 2/3Y2O3 ...(1)4/3Y+O 2 → 2/3Y 2 O 3 ...(1)
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 나노입자 분산강화 타이타늄 분말의 제조에서는 고온(약 2,000℃)에서는 Ti-O의 산화 구동력이 높고 저온(약 1,520℃)이 되면서 첨가 원소, 예를 들어 이트륨(Y)의 산화 구동력이 높아지는 관계를 적용한 것이다.As described above, in the preparation of the nanoparticle dispersion-enhanced titanium powder according to the present invention, the oxidation driving power of Ti-O is high at high temperature (about 2,000 ° C.) and at a low temperature (about 1,520 ° C), an additive element, for example, yttrium (Y ), the relationship in which the driving force of oxidation increases is applied.
도 6은 주조 후 냉각된 상태에서 Y2O3의 분포 상태와 본 발명에 따른 타이타늄 분말에서 Y2O3의 분포 상태를 나타내는 전자 현미경의 사진이다.6 is an electron microscope photograph showing the distribution state of Y 2 O 3 and the distribution state of Y 2 O 3 in the titanium powder according to the present invention in a cooled state after casting.
도 6의 (a)에서 주조 후 냉각된 잉곳은 Y2O3의 분포가 조대한 상태로 유지되고, 도 6의 (b)에서 본 발명에 따른 재석출에 의해서는 Y2O3의 분포가 조밀한 상태로 유지된다. 즉 이트리아(Y2O3)의 용점(2,425℃)이 타이타늄(Ti)의 용점(1,688℃)보다 높지만, EIGA 장비에 의한 인시투(in-situ) 공정으로 분말 제조 과정서 Y2O3와 Ti가 완전 용체화되고, 분말 제조 시 Y2O3의 미세화가 진행되어 타이타늄 분말 내부에 Y2O3가 균일하게 분산시키는 나노입자 일체형 타이타늄 분말을 제조할 수 있었다.In the ingot cooled after casting in (a) of FIG. 6 , the distribution of Y 2 O 3 is maintained in a coarse state, and by re-precipitation according to the present invention in FIG . kept compact. That is, the melting point (2,425℃) of yttria (Y 2 O 3 ) is higher than the melting point (1,688℃) of titanium (Ti), but Y 2 O 3 during the powder manufacturing process with an in-situ process by EIGA equipment. and Ti were completely solutionized, and Y 2 O 3 was refined during powder production, so that it was possible to prepare a nanoparticle-integrated titanium powder in which Y 2 O 3 was uniformly dispersed in the titanium powder.
상술한 바와 같이, 본 발명에서는 타이타늄보다 산화구동력이 높은 원소를 첨가하여 GA(gas atomization) 공정으로 분말을 제조하여 산화물을 형성하지만, 산화구동력이 높은 원소가 5 wt% 이상 시 산화물이 너무 많이 생겨 소결이나 3D 프린팅 부품에 취성을 유발하게 된다. As described above, in the present invention, an element with higher oxidative driving power than titanium is added to form an oxide by manufacturing a powder by a gas atomization (GA) process. It causes brittleness in sintered or 3D printed parts.
한편, 도 3에 도시된 바와 같은 EIGA 공정 시 타이타늄의 완전 용체화 온도(예를 들어, 2,000℃) 이상으로 올라가야 하고, 아르곤 가스를 50 bar 이상의 고압 분사로 미세 석출을 실행한다. 또 상기 설명에서는 산화물이 고온에서 완전 용체화되고 분말 제조 시 재석출되도록 잉곳에 대해 EIGA 방식을 적용하였지만, 이에 한정되는 것은 아니고, PREP(Plasma Rotating Electrode Process) 방식 또는 PWAP(Plasma Wire Atomization Process) 방식을 적용할 수도 있다.On the other hand, during the EIGA process as shown in FIG. 3, the complete solution temperature of titanium (eg, 2,000° C.) must be raised to or more, and fine precipitation is performed by high-pressure injection of argon gas of 50 bar or more. In addition, in the above description, the EIGA method was applied to the ingot so that the oxide was completely solutionized at high temperature and re-precipitated during powder manufacturing, but the present invention is not limited thereto, and the PREP (Plasma Rotating Electrode Process) method or PWAP (Plasma Wire Atomization Process) method may be applied.
한편, 상기 설명에서는 산소농도가 높은 타이타늄에 산화구동력이 높은 원소를 첨가하여 용해 후 응고 시 산화물이 형성된 잉곳을 마련하는 구조로 설명하였지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 산소농도가 높은 타이타늄에 산화구동력이 높은 원소의 산화물 형태를 첨가하여 용해 후 응고하여 잉곳을 마련할 수도 있다.Meanwhile, in the above description, an element having a high oxidation driving power is added to titanium with a high oxygen concentration to prepare an ingot in which an oxide is formed upon solidification after dissolution, but the present invention is not limited thereto. It is also possible to prepare an ingot by adding an oxide form of a high element to solidification after dissolution.
또 산소농도가 높은 타이타늄에 금속의 산화물, 질화물, 탄화물 중 어느 하나를 첨가하여 용해 후 응고하여 잉곳을 마련하고, 상기 산화물, 질화물 또는 탄화물이 고온에서 완전 용체화되고 분말 제조 시 재석출되도록 구성할 수도 있다.In addition, any one of an oxide, nitride, or carbide of a metal is added to titanium with a high oxygen concentration, dissolved and solidified to prepare an ingot, and the oxide, nitride or carbide is completely solutionized at high temperature and re-precipitated during powder manufacturing. may be
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.Although the invention made by the present inventors has been described in detail according to the above embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
본 발명에 따른 나노입자 분산강화 타이타늄 분말 및 그 제조 방법을 사용하는 것에 의해 미세하고 균일한 등방 조직의 형성으로 인해 응고 크랙 및 공극 등의 형성을 억제할 수 있다.By using the nanoparticle dispersion-reinforced titanium powder and its manufacturing method according to the present invention, it is possible to suppress the formation of solidification cracks and voids due to the formation of a fine and uniform isotropic structure.
Claims (11)
(a) 산소를 함유하는 타이타늄에 상기 타이타늄보다 산화구동력이 높은 원소를 첨가하여 용해 후 응고 시 산화물이 형성된 잉곳을 마련하는 단계,
(b) 산화물이 고온에서 완전 용체화되고 분말 제조 시 재석출되도록, 상기 단계 (a)에서 마련된 상기 잉곳에 대해 열처리 공정을 실행하여 타이타늄 분말을 생성하는 단계를 포함하되,
상기 (b) 단계에서 상기 산화물의 산소는 고온에서 산화구동력 차이에 의해 타이타늄으로 인입되고, 저온에서 산화구동력 차이에 의해 상기 타이타늄의 산소가 상기 원소로 인입되어 산화물로 재석출되는 것을 특징으로 하는 타이타늄 분말의 제조 방법. A method for producing a nanoparticle dispersion-reinforced titanium powder for 3D printing, comprising:
(a) adding an element having an oxidation driving force higher than that of titanium to titanium containing oxygen to prepare an ingot in which oxide is formed upon solidification after dissolution;
(b) performing a heat treatment process on the ingot prepared in step (a) to produce a titanium powder so that the oxide is completely solutionized at a high temperature and re-precipitated during powder production,
In step (b), the oxygen of the oxide is introduced into titanium due to the difference in the driving force for oxidation at high temperature, and the oxygen of the titanium is introduced into the element due to the difference in the driving force of oxidation at low temperature, characterized in that the titanium is re-precipitated as an oxide Method of making the powder.
상기 열처리 공정은 금속을 가열 후 가스를 분사하는 EIGA(Electrode Induction Gas Atomization) 공정, 용해 후 바로 분사하여 분말을 제조하는 CCGA(Cold crucible gas atomization) 공정, 잉곳이나 선재를 플라즈마 토치로 용해하는 PREP(Plasma Rotating Electrode Process) 공정, 플라즈마로 가열하여 분사하는 PWAP(Plasma Wire Atomization Process) 공정, VIGA(Vacuum Induction Gas Atomization) 공정 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 타이타늄 분말의 제조 방법.In claim 1,
The heat treatment process includes an EIGA (Electrode Induction Gas Atomization) process for heating metal and then spraying gas, a CCGA (Cold Crucible Gas Atomization) process for producing powder by spraying immediately after melting, and a PREP (Plasma) process for dissolving an ingot or wire rod with a plasma torch. Rotating Electrode Process) process, PWAP (Plasma Wire Atomization Process) process for heating and spraying with plasma, VIGA (Vacuum Induction Gas Atomization) process, characterized in that any one of the titanium powder manufacturing method.
상기 산소를 함유하는 타이타늄은 Ti-O 고용체이고,
상기 원소는 이트륨(Y), 란타넘(La), 세륨(Ce), 가돌리늄(Gd) 또는 하프늄(HF) 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 타이타늄 분말의 제조 방법.In claim 2,
The oxygen-containing titanium is a Ti-O solid solution,
The element is a method for producing a titanium powder, characterized in that any one of yttrium (Y), lanthanum (La), cerium (Ce), gadolinium (Gd), or hafnium (HF).
상기 단계 (b)에서의 EIGA 공정에 의해 상기 잉곳의 선단부에는 챔버 내의 유도 코일에 의해 고온이 인가되어 타이타늄 합금이 산화구동력 차이에 의해 높은 이트리아(Y2O3)의 산소를 인입하여 용체화되고,
가스 분사에 의해 저온이 되면서 이트륨(Y)의 산화 구동력이 높아져 상기 타이타늄 분말의 산소를 인입하고 급속 냉각되어 타이타늄 분말이 재석출되는 것을 특징으로 하는 타이타늄 분말의 제조 방법.In claim 2,
By the EIGA process in step (b), a high temperature is applied to the tip of the ingot by an induction coil in the chamber, and the titanium alloy is solutionized by introducing high yttria (Y 2 O 3 ) oxygen due to the difference in oxidation driving force. become,
A method of manufacturing a titanium powder, characterized in that the oxidation driving force of the yttrium (Y) is increased as the temperature is lowered by the gas injection, and oxygen of the titanium powder is introduced, and the titanium powder is re-precipitated by rapid cooling.
상기 단계 (b)에서의 타이타늄 분말은 인시투(in-situ ) 공정으로 실행되는 것을 특징으로 하는 타이타늄 분말의 제조 방법.In claim 4,
The titanium powder in step (b) is a method for producing a titanium powder, characterized in that carried out in an in-situ (in-situ) process.
상기 산소를 함유하는 타이타늄은 Ti-6Al-4V 합금이고, 상기 원소는 산화물 형태인 이트리아(Y2O3)로 첨가되는 것을 특징으로 하는 타이타늄 분말의 제조 방법.In claim 4,
The oxygen-containing titanium is a Ti-6Al-4V alloy, and the element is yttria in the form of an oxide (Y 2 O 3 ) Method for producing a titanium powder, characterized in that it is added.
상기 고온은 2,000℃ 이상이고, 상기 저온은 1,520℃ 이하이며,
상기 가스 분사는 아르곤 가스가 50 bar 이상의 고압 분사로 실행되는 것을 특징으로 하는 타이타늄 분말의 제조 방법.In claim 4,
The high temperature is 2,000 ℃ or more, the low temperature is 1520 ℃ or less,
The gas injection is a method for producing titanium powder, characterized in that the argon gas is performed by high-pressure injection of 50 bar or more.
(a) 산소를 함유하는 타이타늄에 상기 타이타늄보다 산화구동력이 높은 원소의 산화물 형태를 첨가하여 용해 후 응고하여 잉곳을 마련하는 단계,
(b) 산화물이 고온에서 완전 용체화되고 분말 제조 시 재석출되도록, 상기 단계 (a)에서 마련된 상기 잉곳에 대해 열처리 공정을 실행하여 타이타늄 분말을 생성하는 단계를 포함하되,
상기 (b) 단계에서 상기 산화물의 산소는 고온에서 산화구동력 차이에 의해 타이타늄으로 인입되고, 저온에서 산화구동력 차이에 의해 상기 타이타늄의 산소가 상기 원소로 인입되어 산화물로 재석출되는 것을 특징으로 하는 타이타늄 분말의 제조 방법.A method for producing a nanoparticle dispersion-reinforced titanium powder for 3D printing, comprising:
(a) adding an oxide form of an element having an oxidation driving power higher than that of titanium to titanium containing oxygen, dissolving and solidifying to prepare an ingot;
(b) performing a heat treatment process on the ingot prepared in step (a) to produce a titanium powder so that the oxide is completely solutionized at a high temperature and re-precipitated during powder production,
In step (b), the oxygen of the oxide is introduced into titanium due to the difference in the driving force for oxidation at high temperature, and the oxygen of the titanium is introduced into the element due to the difference in the driving force of oxidation at low temperature, characterized in that the titanium is re-precipitated as an oxide Method of making the powder.
(a) 산소를 함유하는 타이타늄에 금속의 산화물, 질화물, 탄화물 중 어느 하나를 첨가하여 용해 후 응고하여 잉곳을 마련하는 단계,
(b) 산화물, 질화물 또는 탄화물이 고온에서 완전 용체화되고 분말 제조 시 재석출되도록, 상기 단계 (a)에서 마련된 상기 잉곳에 대해 열처리 공정을 실행하여 타이타늄 분말을 생성하는 단계를 포함하되,
상기 (b) 단계에서 상기 산화물, 질화물, 탄화물의 산소, 질소 또는 탄소는 고온에서 타이타늄으로 인입되고, 저온에서 상기 타이타늄의 산소, 질소 또는 탄소가 상기 금속으로 인입되어 산화물, 질화물, 탄화물 중 어느 하나로 재석출되는 것을 특징으로 하는 타이타늄 분말의 제조 방법.A method for producing a nanoparticle dispersion-reinforced titanium powder for 3D printing, comprising:
(a) adding any one of oxides, nitrides, and carbides of metal to titanium containing oxygen, dissolving and solidifying to prepare an ingot;
(b) performing a heat treatment process on the ingot prepared in step (a) to produce a titanium powder so that the oxide, nitride or carbide is completely solutionized at high temperature and re-precipitated during powder production,
In step (b), oxygen, nitrogen, or carbon of the oxide, nitride, or carbide is introduced into titanium at a high temperature, and oxygen, nitrogen, or carbon of the titanium is introduced into the metal at a low temperature to form any one of oxide, nitride, and carbide Method for producing titanium powder, characterized in that re-precipitation.
상기 타이타늄 분말은 3D 프린팅용 분말인 것을 특징으로 하는 타이타늄 분말.In claim 10,
The titanium powder is a titanium powder, characterized in that the powder for 3D printing.
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