KR102370831B1

KR102370831B1 - 균일도가 향상된 나노입자 분산강화 타이타늄 분말 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR102370831B1
Application number: KR1020200139021A
Authority: KR
Inventors: 박형기; 박광석; 강현수; 나태욱; 강장원
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2020-10-26
Filing date: 2020-10-26
Publication date: 2022-03-07
Also published as: KR102370831B9

Abstract

3D 프린팅 공정에서 타이타늄 분말의 재사용이 가능하고, 챔버 내에서의 인시투(in-situ) 공정에 의해 타이타늄 합금 분말을 생성할 수 있으며, 분산강화 입자의 균일한 분포를 마련되어 균일도가 향상된 3D 프린팅용 나노입자 분산강화 타이타늄 분말 및 그 제조 방법에 관한 것으로, (a) 산소농도가 높은 타이타늄에 산화구동력이 높은 원소를 첨가하여 용해 후 응고 시 산화물이 형성된 분산강화 잉곳을 마련하는 단계, (b) 상기 산화물의 강화상을 수직 방향으로 배열하여 분말에서의 분산강화 입자의 균일한 분포를 마련할 수 있도록, 상기 단계 (a)에서 마련된 분산강화 잉곳을 압출하는 단계, (c) 산화물이 고온에서 완전 용체화되고 분말 제조 시 재석출되도록, 상기 단계 (b)에서 압출된 잉곳에 대해 가스 분사(GA : Gas Atomization) 공정을 실행하여 타이타늄 분말을 생성하는 단계를 포함하는 구성을 마련하여, 분말 제조 시 분산강화 잉곳을 압축하는 것에 의해 성분 균질화로 분말에서의 분산강화 입자의 균일 분포를 가능하게 할 수 있다.

Description

균일도가 향상된 나노입자 분산강화 타이타늄 분말 및 그 제조 방법{Nanoparticle dispersion strengthened titanium powder with improved uniformity and manufacturing method thereof}

본 발명은 균일도가 향상된 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 있으며, 분산강화 입자의 균일한 분포를 마련되어 균일도가 향상된 3D 프린팅용 나노입자 분산강화 타이타늄 분말 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

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.

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.

이러한 기술의 일 예가 하기 문헌 1 내지 3 등에 개시되어 있다.

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.

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.

한편, 하기 특허문헌 3에는 백금, 로듐, 지르코늄, 사마륨, 이트륨 및 하프늄으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속을 포함하는 합금 잉곳을 형성하는 단계, 상기 합금 잉곳을 용융 방사하여 합금 박판을 형성하는 단계, 상기 합금 박판을 대기 분위기 하에서 열처리하여 내부 산화시키는 단계, 내부 산화된 합금 박판을 적층 또는 분쇄하고, 고온 가압 성형하는 단계, 고온 가압 성형된 합금 박판을 열간 가공하는 단계, 열간 가공된 합금 박판을 냉간 가공하는 단계 및 냉간 가공된 합금 박판을 열처리하는 단계를 포함하는 백금-로듐-산화물계 합금의 제조방법에 대해 개시되어 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-1819471호(2018.01.09 등록) 대한민국 공개특허공보 제2020-0065851호(2020.06.09 공개) 대한민국 공개특허공보 제2015-0028037호(2015.03.13 공개)

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, 산화물 등 강화상을 수직 방향으로 배열하여 분산강화 입자의 균일 분포를 위해 압출하며, 타이타늄에 산화 구동력이 높은 원소와 반응하여 산화물을 형성하여 사이즈를 균일하게 하는 기술에 대해서는 개시되어 있지 않았다.

한편, 상기 특허문헌 3에서는 박판이 열처리를 하더라도 단시간 내에 산화가 충분히 이루어질 수 있도록 용융 방사한 기술이지만, 상기 특허문헌 3에도 산화물 등 강화상을 수직 방향으로 배열하여 분산강화 입자의 균일 분포를 위해 압출한 기술에 대해서는 개시되어 있지 않았다.

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.

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.

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.

또 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. 또한, 잉곳의 주조 후 EIGA(Electrode Induction Gas Atomization) 공정을 이용하여 타이타늄 분말 제조 시 인시투(in-situ)로 제조 가능하지만 타이타늄 분말에서 일부 불균일이 발생할 염려가 있었다.

본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 분산강화 잉곳의 제조 후 단면적 비율 30% 이상 압출을 통해 산화물 등 강화상을 수직 방향으로 배열하여 분말에서의 분산강화 입자의 균일한 분포를 마련하며, 나노입자 일체형 타이타늄 분말을 낮은 단가로 제조할 수 있는 균일도가 향상된 나노입자 분산강화 타이타늄 분말 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 3D 프린팅용 타이타늄 분말을 결함 없이 적층 성형할 수 있는 균일도가 향상된 나노입자 분산강화 타이타늄 분말 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

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 균일도가 향상된 나노입자 분산강화 타이타늄 분말 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 3D 프린팅용 타이타늄 분말에 생체친화성 및 강도 향상 특성이 우수한 이트리아를 균일하게 분산시킨 구형 복합분말을 제조할 수 있는 균일도가 향상된 나노입자 분산강화 타이타늄 분말 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 균일도가 향상된 나노입자 분산강화 타이타늄 분말의 제조 방법은 균일도가 향상된 3D 프린팅용 나노입자 분산강화 타이타늄 분말을 제조하는 방법으로서, (a) 산소농도가 높은 타이타늄에 산화구동력이 높은 원소를 첨가하여 용해 후 응고 시 산화물이 형성된 분산강화 잉곳을 마련하는 단계, (b) 상기 산화물의 강화상을 수직 방향으로 배열하여 분말에서의 분산강화 입자의 균일한 분포를 마련할 수 있도록, 상기 단계 (a)에서 마련된 분산강화 잉곳을 압출하는 단계, (c) 산화물이 고온에서 완전 용체화되고 분말 제조 시 재석출되도록, 상기 단계 (b)에서 압출된 잉곳에 대해 가스 분사(GA : Gas Atomization) 공정을 실행하여 타이타늄 분말을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또 본 발명에 따른 타이타늄 분말의 제조 방법에서, 상기 압출은 상기 산화물이 용체화되기 시작하는 온도 이상에서 상기 잉곳의 단면적 비율 30% 이상으로 실행되는 것을 특징으로 한다.

또 본 발명에 따른 타이타늄 분말의 제조 방법에서, 상기 가스 분사 공정은 EIGA(Electrode Induction Gas Atomization) 공정인 것을 특징으로 한다.

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.

또 본 발명에 따른 타이타늄 분말의 제조 방법에서, 상기 단계 (c)에서의 EIGA 공정에 의해 상기 압출된 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.

또 본 발명에 따른 타이타늄 분말의 제조 방법에서, 상기 산소농도가 높은 타이타늄은 Ti-6Al-4V 합금이고, 상기 산화구동력이 높은 원소는 Y₂O₃이고, 상기 단계 (b)에서의 압출에 의해 상기 Y₂O₃는 라인 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또 본 발명에 따른 타이타늄 분말의 제조 방법에서, 상기 고온은 2,000℃ 이상이고, 상기 저온은 1,520℃ 이하이며, 상기 압출은 1,020℃ 이상에서 실행되며, 상기 가스 분사는 아르곤 가스가 50 bar 이상의 고압 분사로 실행되는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 타이타늄 분말은 상술한 타이타늄 분말의 제조 방법에 의해 제조된 것을 특징으로 한다.

또 본 발명에 따른 타이타늄 분말은 3D 프린팅용 분말인 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 균일도가 향상된 나노입자 분산강화 타이타늄 분말 및 그 제조 방법에 의하면, 분말 제조 시 분산강화 잉곳을 압축하는 것에 의해 성분 균질화로 분말에서의 분산강화 입자의 균일 분포를 가능하게 할 수 있다는 효과가 얻어진다.

또 본 발명에 따른 균일도가 향상된 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.

또 본 발명에 따른 균일도가 향상된 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.

또 본 발명에 따른 균일도가 향상된 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.

또한, 본 발명에 따른 균일도가 향상된 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.

도 1은 종래의 나노입자 분산 효과와 산화물 분말을 흡착시킨 복합분말 형상을 나타내는 전자 현미경의 사진,
도 2는 본 발명에 따른 균일도가 향상된 나노입자 분산강화 타이타늄 분말의 제조 공정을 설명하기 위한 도면,
도 3은 도 2에 도시된 가스 분사 장비로서 EIGA(Electrode Induction Gas Atomization)의 구조를 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.

본 발명의 상기 및 그 밖의 목적과 새로운 특징은 본 명세서의 기술 및 첨부 도면에 의해 더욱 명확하게 될 것이다.

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 의미한다.

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.

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.

또 본원에서 사용하는 용어 "타이타늄 분말"은 Ti-6Al-4V 합금 분말 내부에 이트리아를 인시투로 제조한 합금 분말을 의미하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.

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.

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 고주파로 봉재의 금속을 가열 후 가스를 분사하는 EIGA(Electrode Induction Melting Gas Atomization) 방식, 와이어를 공급하여 플라즈마로 가열하여 분사하는 PWAP(Plasma Wire Atomization Process) 방식 또는 봉재를 고속으로 회전하며 플라즈마를 가열하는 PREP(Plasma Rotating Electrode Process) 방식 등을 적용하여 마련할 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 실시 예를 도 2 내지 도 5에 따라서 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 균일도가 향상된 나노입자 분산강화 타이타늄 분말의 제조 공정을 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 도 2에 도시된 가스 분사 장비로서 EIGA(Electrode Induction Gas Atomization)의 구조를 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.

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 분산강화 잉곳을 마련하고, 상기 산화물의 강화상을 수직 방향으로 배열하여 분말에서의 분산강화 입자의 균일한 분포를 마련할 수 있도록, 상기 분산강화 잉곳을 압출하며, 산화물이 고온(약 2,000℃)에서 완전 용체화되고 분말 제조 시 재석출되도록 상기 압출된 잉곳을 분말화하여 타이타늄 분말을 생성하는 것에 의해 마련된다.

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 분산강화 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.

다음에, 본 발명에서는 상기 분산강화 잉곳에 대해 도 2의 ② 강화상 수직 배열에 나타낸 바와 같이, 상기 산화물의 강화상을 수직 방향으로 배열하여 분말에서의 분산강화 입자의 균일한 분포를 마련할 수 있도록, 상기 분산강화 잉곳을 압출한다. 상기 압출은 분산강화 잉곳의 크기에 대응하여 실행되므로 특정 조건에 한정되는 것은 아니다.

또 상기 압출은 상기 산화물이 용체화되기 시작하는 온도, 예를 들어 1,020℃ 이상에서 실행되며, 상기 분산강화 잉곳의 단면적 비율 30% 이상으로 실행되는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같은 압출에 의해 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 이트리아(Y₂O₃)의 분포가 라인 형상으로 변형된다.

다음에, 도 2의 ③ 가스 분사 공정으로 나타낸 바와 같이, 타이타늄 용융 입자가 생성되어 낙하하도록 가스 분사(GA : Gas Atomization) 공정을 실행한다. 상기 가스 분사 공정은 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같은 EIGA(Electrode Induction Gas Atomization) 공정에 의해 구형 타이타늄 분말을 마련한다.

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.

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.

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.

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.

본 발명에 따른 타이타늄 분말의 제조에서 산화구동력이 높은 원소는 도 5에 도시된 바와 같이, Ti-O 고용체의 산화구동력 기울기를 지나는 원소로 한정한다.

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.

4/3Y+O₂ → 2/3Y₂O₃...(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.

도 6은 주조 후 냉각된 상태에서 Y₂O₃의 분포 상태와 본 발명에 따른 타이타늄 분말에서 Y₂O₃의 분포 상태를 나타내는 전자 현미경의 사진이다.

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. 이에 따라 인시투(in-situ) 공정에서 발생하는 이트리아(Y₂O₃)의 일부의 불균일 발생을 방지할 수가 있다.

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.

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.

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.

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.

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.

본 발명에 따른 균일도가 향상된 나노입자 분산강화 타이타늄 분말 및 그 제조 방법을 사용하여 분말 제조 시 분산강화 잉곳을 압축하는 것에 의해 성분 균질화로 분말에서의 분산강화 입자의 균일 분포를 가능하게 할 수 있다.

Claims

균일도가 향상된 3D 프린팅용 나노입자 분산강화 타이타늄 분말을 제조하는 방법으로서,
(a) 산소를 함유하는 타이타늄에 상기 타이타늄보다 산화구동력이 높은 원소를 첨가하여 용해 후 응고 시 산화물이 형성된 분산강화 잉곳을 마련하는 단계,
(b) 상기 산화물의 강화상을 수직 방향으로 배열하여 분말에서의 분산강화 입자의 균일한 분포를 마련할 수 있도록, 상기 단계 (a)에서 마련된 분산강화 잉곳을 압출하는 단계,
(c) 상기 산화물이 고온에서 완전 용체화되고 분말 제조 시 재석출되도록, 상기 단계 (b)에서 압출된 잉곳에 대해 가스 분사(GA : Gas Atomization) 공정을 실행하여 타이타늄 분말을 생성하는 단계를 포함하되,
상기 (c) 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.
제1항에서,
상기 압출은 상기 산화물이 용체화되기 시작하는 온도 이상에서 상기 잉곳의 단면적 비율 30% 이상으로 실행되는 것을 특징으로 하는 타이타늄 분말의 제조 방법.
제2항에서,
상기 가스 분사 공정은 EIGA(Electrode Induction Gas Atomization) 공정인 것을 특징으로 하는 타이타늄 분말의 제조 방법.
제3항에서,
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.
제3항에서,
상기 단계 (c)에서의 EIGA 공정에 의해 상기 압출된 잉곳의 선단부에는 챔버 내의 유도 코일에 의해 고온이 인가되어 타이타늄 합금이 산화구동력 차이에 의해 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.
제5항에서,
상기 산소를 함유하는 타이타늄은 Ti-6Al-4V 합금이고, 상기 원소는 산화물 형태인 이트리아(Y₂O₃)로 첨가되고,
상기 단계 (b)에서의 압출에 의해 상기 이트리아(Y₂O₃)는 라인 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 타이타늄 분말의 제조 방법.
제6항에서,
상기 고온은 2,000℃ 이상이고, 상기 저온은 1,520℃ 이하이며,
상기 압출은 1,020℃ 이상에서 실행되며,
상기 가스 분사는 아르곤 가스가 50 bar 이상의 고압 분사로 실행되는 것을 특징으로 하는 타이타늄 분말의 제조 방법.
청구항 제1항 내지 제7항 중의 어느 한 항의 균일도가 향상된 나노입자 분산강화 타이타늄 분말의 제조 방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 타이타늄 분말.
제8항에서,
상기 타이타늄 분말은 3D 프린팅용 분말인 것을 특징으로 하는 타이타늄 분말.