KR102370832B1 - 나노입자 분산강화 복합 분말 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

나노 스케일 접종제(inocluant) 역할을 하여 레이저에 의해 만들어진 용융 풀(melt pool)의 응고 시 나노입자 계면에서의 핵생성을 촉진시켜 미세하고 균일한 등방 조직의 형성으로 인해 응고 크랙 및 공극 등의 형성을 억제하여 고강도/고신뢰성 부품을 제조할 수 있는 3D 프린팅용 나노입자 분산강화 복합 분말 및 그 제조 방법에 관한 것으로, (a) 금속재의 스크랩(scrap) 또는 스펀지(sponge)를 수집하는 단계, (b) 상기 단계 (a)에서 수집된 금속재의 스크랩 또는 스펀지에 분산강화를 위한 접종제를 혼합하여 슬러리를 형성하는 단계, (c) 상기 단계 (c)에서의 슬러리를 열처리하여 분산강화 분말을 형성하는 단계를 포함하는 구성을 마련하여, 소재의 강도/피로 특성/크리프 저항성을 크게 향상시킬 수 있게 타이타늄 분말을 마련할 수 있다.

Description

나노입자 분산강화 복합 분말 및 그 제조 방법{Nanoparticle dispersion strengthened composite powder and manufacturing method thereof}
본 발명은 나노입자 분산강화 복합 분말 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 나노 스케일 접종제(inocluant) 역할을 하여 레이저에 의해 만들어진 용융 풀(melt pool)의 응고 시 나노입자 계면에서의 핵생성을 촉진시켜 미세하고 균일한 등방 조직의 형성으로 인해 응고 크랙 및 공극 등의 형성을 억제하여 고강도/고신뢰성 부품을 제조할 수 있는 3D 프린팅용 나노입자 분산강화 복합 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.
한편, 타이타늄 분말은 각형 분말과 구형 분말로 종류가 나누어지며 분말의 형태에 따라 제조 방법과 산업에서 쓰이는 분야가 상이하다. 각형 분말은 스펀지 타이타늄을 이용하여 수소화 처리, 파쇄, 탈수소화처리 공정을 통해 제조되는데, 금속을 벌크 상태로 제조한 후, 분쇄기를 이용하여 조분쇄한 후 볼밀(ball mill)이나 제트밀(jet mill) 등의 분쇄기로 미분쇄하고, 이후 구형화 공정을 적용한다. 즉 예를 들어, 타이타늄 스크랩/스펀지와 같은 금속 스크랩/스펀지를 이용하여 고순도 금속분말을 형성하기 위해, 타이타늄 스크랩/스펀지를 열처리로에 장입하여 수소화 열처리한 후 타이타늄 스크랩/스펀지를 밀링하여 분쇄하여 분말의 입도를 제어하고, 밀링된 타이타늄 스크랩/스펀지를 진공로에 장입시켜 탈수소화시키는 과정을 거쳐 타이타늄 분말을 형성하는 기술이 개발되었다.
이러한 기술의 일 예가 하기 문헌 1 내지 3 등에 개시되어 있다.
예를 들어, 하기 특허문헌 1에는 금속 스크랩/스펀지를 수집하는 단계, 상기 금속 스크랩/스펀지를 수소화시켜 제1 분말을 형성하는 단계, 상기 제1 분말을 분쇄시켜 제2 분말을 형성하는 단계, 상기 제2 분말을 진공로에 장입시키고, 탈수소화시켜 제3 분말을 형성하는 단계, 상기 제3 분말을 수소화시켜 제4 분말을 형성하는 단계, 상기 제4 분말을 탈수소화시켜 제5 분말을 형성하는 단계 및 상기 제4 분말 및 제5 분말을 형성하는 단계를 반복적으로 수행하여 고순도 금속분말을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 고순도 금속분말은 산소 농도가 저감될 수 있는 고순도 금속분말의 제조방법에 대해 개시되어 있다.
또 하기 특허문헌 2에는 기계 가공 시 발생하는 타이타늄 또는 타이타늄 합금 스크랩을 원료로 사용하여 반응 용기에 타이타늄 함유 스크랩을 장입하는 단계, 반응 용기 중의 공기를 제거하고 수소 가스를 주입하는 단계, 볼 밀링을 실시하는 단계를 포함하고, 상기 스크랩은 터닝 칩, 칩, 분말 중 하나이고, 상기 수소 가스의 압력은 1bar ~ 100bar 인 타이타늄 수소화물 분말의 제조방법에 대해 개시되어 있다.
한편, 하기 특허문헌 3에는 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.
대한민국 등록특허공보 제10-2021939호(2019.09.09 등록) 대한민국 공개특허공보 제2019-0133560호(2019.12.03 공개) 대한민국 공개특허공보 제2020-0065851호(2020.06.09 공개)
상술한 바와 같은 특허문헌 1에는 탈수소화-수소화를 반복 수행하여 산소 농도를 저감시킴으로써 친환경적이면서 안전하고, 공정 비용을 저감시키는 기술에 대해 개시되어 있고, 상기 특허문헌 2에는 기계 가공 시 발생하는 타이타늄 또는 타이타늄 합금 스크랩을 원료로 사용하여 타이타늄 수소화물 분말을 마련하는 기술에 대해 개시되어 있지만, 나노입자 계면에서의 핵생성을 촉진시켜 미세하고 균일한 등방 조직의 형성으로 인해 응고 크랙 및 공극 등의 형성을 억제하여 고강도/고신뢰성 부품을 제조할 수 있는 3D 프린팅용 나노입자를 마련하는 기술에 대해서는 개시되어 있지 않았다.
한편, 상기 특허문헌 3에는 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 균일하도록 분산강화 분말을 형성하는 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. 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.
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 나노 스케일 접종제(inocluant) 역할을 하여 레이저에 의해 만들어진 용융 풀(melt pool)의 응고 시 나노입자 계면에서의 핵생성을 촉진시켜 미세하고 균일한 등방 조직을 형성할 수 있는 나노입자 분산강화 복합 분말 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 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 복합 분말 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 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 있는 나노입자 분산강화 복합 분말 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 산화물을 타이타늄 내부에 균일하게 분산시키는 나노입자 일체형 타이타늄 분말을 낮은 단가로 제조할 수 있는 나노입자 분산강화 복합 분말 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 3D 프린팅용 타이타늄 분말을 결함 없이 적층 성형할 수 있는 나노입자 분산강화 복합 분말 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 나노 분말의 고유한 물리적 특성을 이용하여 금속에 다양한 기능적 성질을 부여할 수 있어 다양한 분야에 적용할 수 있는 나노입자 분산강화 복합 분말 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 나노입자 분산강화 복합 분말의 제조 방법은 나노입자 분산강화 복합 분말을 제조하는 방법으로서, (a) 금속재의 스크랩(scrap) 또는 스펀지(sponge)를 수집하는 단계, (b) 상기 단계 (a)에서 수집된 금속재의 스크랩 또는 스펀지에 분산강화를 위한 접종제를 혼합하여 슬러리를 형성하는 단계, (c) 상기 단계 (c)에서의 슬러리를 열처리하여 분산강화 분말을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 복합분말의 제조 방법에서, 상기 단계 (b)에서는 상기 금속재의 스크랩 또는 스펀지를 수소화 열처리, 밀링 및 탈수소화 처리하여 미세 분말을 형성한 후 상기 접종제가 혼합되고, 상기 단계 (c)는 상기 슬러리를 분무 건조하여 구상화 분말을 형성하고, 상기 구상화 분말을 열처리하여 분산강화 분말을 형성하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 복합분말의 제조 방법에서, 상기 금속재는 타이타늄(Ti), 알루미늄(Al), 철(Fe) 중의 어느 하나 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 복합분말의 제조 방법에서, 상기 금속재는 타이타늄(Ti)이고, 상기 접종제는 상기 타이타늄보다 산화 구동력이 높은 금속 산화물 또는 질화물인 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 복합분말의 제조 방법에서, 상기 금속 산화물은 이트륨(Y), 란타넘(La), 세륨(Ce), 가돌리늄(Gd) 또는 하프늄(HF) 중의 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 복합분말의 제조 방법에서, 상기 금속재는 Ti-6Al-4V 합금이고, 상기 금속 산화물은 Y2O3인 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 복합분말의 제조 방법에서, 상기 단계 (c)에서의 열처리는 상기 구상화 분말에 대해 챔버 내의 플라즈마 코일에 의한 고온이 인가되어 타이타늄이 산화 구동력이 높은 이트리아(Y2O3)의 산소를 인입하여 용체화되고, 가스 분사에 의해 저온이 되면서 이트륨(Y)의 산화 구동력이 높아져 상기 타이타늄의 산소를 인입하고 급속 냉각되어 분산강화 분말로 재석출되는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 나노입자 분산강화 복합 분말은 상술한 복합 분말의 제조 방법에 의해 제조된 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 복합 분말은 3D 프린팅용 복합 분말인 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 나노입자 분산강화 복합 분말 및 그 제조 방법에 의하면, 금속재의 스크랩 또는 스펀지를 수소화 열처리, 밀링 및 탈수소화 하고, 분산강화를 위한 접종제를 혼합하여 슬러리를 마련하는 것에 의해, 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 있게 타이타늄 분말을 마련할 수 있다는 효과가 얻어진다.
또 본 발명에 따른 나노입자 분산강화 복합 분말 및 그 제조 방법에 의하면, 미세하고 균일한 등방 조직의 형성으로 인해 응고 크랙 및 공극 등의 형성을 억제하여 타이타늄 분말을 95% 이상 재사용할 수 있다는 효과가 얻어진다.
또 본 발명에 따른 나노입자 분산강화 복합 분말 및 그 제조 방법에 의하면, 다양한 조성의 분말을 낮은 원가로 제조할 수 있다는 효과도 얻어진다.
또 본 발명에 따른 나노입자 분산강화 복합 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 본 발명에 따른 나노입자 분산강화 복합 분말의 제조 공정을 설명하기 개념도,
도 2는 본 발명에 따른 나노입자 분산강화 복합 분말의 제조 공정도,
도 3은 본 발명에 적용되는 구상화 분말에서 Ti-O 고용체에서 산소 구동력과 온도의 관계를 나타내는 그래프,
도 4는 본 발명에 따른 나노입자 분산강화 복합 분말의 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 의한 나노입자 분산강화 복합 분말에 의해 마련되는 타이타늄 합금 분말은 3D 프린팅을 이용한 적층제조에 사용되는 소재로서 분말 기반형으로 마련되며, 이러한 분말 기반형은 금속분말을 아토마이저 방식 등으로 급랭하여 구형화된 분말을 대부분 사용하며, 예를 들어 플라즈마 코일을 적용하는 RF 플라즈마 방식 또는 고주파로 봉재의 금속을 가열 후 가스를 분사하는 EIGA(Electrode Induction Melting Gas Atomization) 방식 등을 적용하여 마련할 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니고, 용해 후 바로 분사하여 분말을 제조하는 CCGA(Cold crucible gas atomization)이나 잉곳이나 선재를 플라즈마 토치로 용해하는 PREP(Plasma Rotating Electrode Process)이나 PWAP(Plasma Wire Atomization Process)도 적용 가능하다.
이하, 본 발명에 따른 잉곳의 제조에 대해 도 1 및 도 2에 따라 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 나노입자 분산강화 복합 분말의 제조 공정을 설명하기 개념도 이고, 도 2는 본 발명에 따른 나노입자 분산강화 복합 분말의 제조 공정도이다.
본 발명에 따른 나노입자 분산강화 복합 분말은 금속재의 스크랩(scrap) 또는 스펀지(sponge)를 수집하고, 수집된 금속재의 스크랩 또는 스펀지에 분산강화를 위한 접종제를 혼합하여 슬러리를 형성하며, 이 슬러리를 열처리하여 분산강화 분말을 형성하는 것에 의해 마련된다.
즉, 도 1의 (a) 및 도 2에 도시된 바와 같이, 먼저 금속재의 스크랩(scrap) 또는 스펀지(sponge)를 수집한다(S10). 상기 스크랩 또는 스펀지는 예를 들어, 기계 가공 시 발생하는 금속재를 스크랩의 원료로 사용할 수 있다.
상기 금속재는 타이타늄(Ti), 알루미늄(Al), 철(Fe) 중의 어느 하나 또는 이들의 혼합물을 적용할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 일반 합금 분말과 분산강화 물질을 혼합한 금속재 또는 탈수소화-수소화가 가능한 금속이면 어떠한 금속으로도 사용할 수 있다. 도 1의 (a)에서 스크랩 또는 스펀지는 예를 들어, 산화티탄(TiO2)과 금속 환원제를 사용하여 형성할 수 있으나 이에 한정하는 것은 아니고, 금속재의 스크랩 또는 스펀지를 형성할 수 있는 방법이면 다양한 방법 등으로 제조 가능하다.
다음에 상기 단계 S10에서 수집된 금속재의 스크랩 또는 스펀지를 수소화 열처리, 밀링 및 탈수소화 처리하여 미세 분말을 형성한다(S20).
즉, 금속재의 스크랩 또는 스펀지를 진공로에 넣고 수소를 불어 넣어 금속 스크랩 또는 스펀지를 수소화 열처리하여 제1 분말을 형성한다.
상기 수소화 열처리는 예를 들어, 챔버 내에 금속 스크랩 또는 스펀지를 투입하고, 진공 펌프로 상기 챔버 내의 산소를 제거한 후, 상기 챔버 내에 수소 가스를 주입하고, 분당 10℃씩 700℃까지 승온시켜 1시간을 유지시킨 후 상기 챔버를 냉각시키는 공정으로 실행될 수 있으나 이에 한정하는 것은 아니다. 상기 챔버는 진공로 또는 튜브로일 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니며, 진공을 형성할 수 있는 챔버 형상이면 어떠한 챔버로 사용할 수 있다. 도 1의 (a)에서는 진공로의 챔버를 나타내었다.
상기 수소화 열처리에서 형성된 제1 분말은 수소화됨으로 인해 취성이 증가할 수 있다. 예를 들어, 도 1의 (a)에 나타낸 바와 같이, 제1 분말은 취성이 향상된 TiH2 성분을 포함할 수 있다. 또 금속재의 스크랩 또는 스펀지가 타이타늄(Ti) 분말인 경우로서 TiH2로 형성된 것을 나타내었지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
또 상기 밀링은 취성이 증가한 제1 분말에 대해 볼 밀링을 수행하여 분쇄하는 것에 의해 분말의 입도를 제어하여 제2 분말을 형성할 수 있다. 이와 같은 볼 밀링을 수행하여 제2 분말은 제1 분말보다 상대적으로 산소 농도가 증가될 수 있다. 즉, 산소 농도가 증가한 제2 분말을 도 1의 (a)에 나타낸 바와 같이, 예를 들어 TiH2 또는 TiO2로 나타내었지만, 상기 제2 분말은 TiH2 또는 TiO2로만 형성되는 것은 아니며, 제2 분말의 주요 성분이 TiH2 또는 TiO2로 형성되는 것을 의미한다.
이어서, 상기 볼 밀링에 의해 생성된 제2 분말을 탈수소화 처리한다. 즉 제2 분말을 진공로에 주시하고, 상기 진공로에 진공을 형성한 후, 가열하여 취성을 향상시키기 위해 공급되었던 수소 성분을 제거하는 탈수소화 공정을 수행하여 제3 분말인 미세 분말을 형성할 수 있다. 상기 탈수소화 열처리는, 예를 들어 진공로의 진공도를 10-2torr 내지 10-5 torr 범위이고, 진공로의 온도는 400℃ 내지 800℃ 범위에서 실행될 수 있다.
다음에 상기 단계 S20에서의 미세 분말에 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, 분산강화를 위한 접종제를 혼합하여 슬러리를 형성한다(S30). 상기 접종제는 상기 금속재보다 산화 구동력이 높은 금속 산화물 또는 질화물이며, 상기 금속 산화물은 예를 들어 이트륨(Y), 란타넘(La), 세륨(Ce), 가돌리늄(Gd) 또는 하프늄(HF) 중의 어느 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 슬러리는 금속재로서 Ti-6Al-4V 합금과 금속 산화물인 Y2O3의 혼합 슬러리일 수 있다.
다음에 상기 S30에서의 상기 슬러리를 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, 분무 건조하여 구상화 분말을 형성하고(S40), 상기 구상화 분말을 열처리하여 분산강화 분말을 형성한다(S50).
상기 S50에서의 열처리는 도 1의 (c)에 도시된 바와 같이, RF 플라즈마 방식을 적용하여 상기 구상화 분말에 대해 챔버 내의 플라즈마 코일에 의한 고온이 인가되어 타이타늄이 산화 구동력이 높은 이트리아(Y2O3)의 산소를 인입하여 용체화되고, 가스 분사에 의해 저온이 되면서 이트륨(Y)의 산화 구동력이 높아져 상기 타이타늄의 산소를 인입하고 급속 냉각되어 분산강화 분말로 재석출되도록 처리된다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니고 구상화 분말을 예를 들어, 잉곳 또는 와이어와 같은 형상으로 마련하여 고주파로 봉재의 금속을 가열 후 가스를 분사하는 EIGA(Electrode Induction Melting Gas Atomization) 방식 등을 적용하여 마련할 수 있다. 즉, 용해 후 바로 분사하여 분말을 제조하는 CCGA(Cold crucible gas atomization)이나 잉곳이나 선재를 플라즈마 토치로 용해하는 PREP(Plasma Rotating Electrode Process)이나 PWAP(Plasma Wire Atomization Process)도 적용 가능하다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 나노입자 분산강화 복합 분말은 3D 프린팅용 나노입자 분산강화 복합 분말용으로서, 예를 들어 산소농도가 높은 타이타늄에 산화구동력이 높은 원소를 첨가하여 용해 후 응고 시 산화물이 형성되는 구성으로 마련하였다. 즉, 산화물이 고온(약 2,000℃)에서 완전 용체화되고 분말 제조 시 재석출되도록 잉곳을 분말화하여 타이타늄 분말을 생성할 수가 있다.
다음에 상술한 바와 같이 형성된 나노입자 분산강화 복합 분말을 형성하는 과정에 대해 도 3 및 도 4를 참조하여 설명한다.
도 3은 본 발명에 적용되는 구상화 분말에서 Ti-O 고용체에서 산소 구동력과 온도의 관계를 나타내는 그래프이고, 도 4는 본 발명에 따른 나노입자 분산강화 복합 분말의 타이타늄 분말에서 Y2O3의 분포 상태를 나타내는 전자 현미경의 사진이다.
상술한 복합 분말은 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. 예를 들어, 상기 복합 분말은 스크랩 또는 스펀지인 타이타늄에 분산강화를 위한 접종제인 이트리아(Y2O3)를 첨가하여 마련되거나, 타이타늄 합금에 이트륨(Y)을 첨가하여 마련될 수 있다. 그러나 이와 같은 복합 분말은 냉각 속도의 저하에 의해 이트리아(Y2O3)의 분포가 조대하여 기계적 성질이 저하된다.
따라서, 본 발명에 따른 미세 분말에 대해 타이타늄 용융 입자가 생성되어 낙하하도록 예를 들어, 도 1의 (c)에 도시된 바와 같은 RF 플라즈마 처리 공정에 의해 타이타늄 분말을 마련할 수 있다.
즉 도 3에 도시된 바와 같이 잉곳의 선단부에 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 형성되게 할 수 있다. 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 플라즈마 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, 본 발명에 따른 나노입자 분산강화 복합 분말에서는 타이타늄 분말 제조를 위한 플라즈마 공정으로 복합 분말의 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.
한편, 본 발명에 따른 타이타늄 분말의 제조에서 산화구동력이 높은 원소는 도 3에 도시된 바와 같이, Ti-O 고용체의 산화구동력 기울기를 지나는 원소로 한정한다.
예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, Ti-6Al-4V 합금(녹색 라인)에 산화 구동력이 높은 원소인 이트리아(Y2O3 : 흑색 라인)가 첨가되면, 플라즈마 공정에서 산화 구동력이 높은 Ti-6Al-4V에서 Y2O3의 산소를 인입하여 산화물을 형성하고, 이후 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 따라 마련된 나노입자 분산강화 복합 분말에서는 고온에서 Ti-O의 산화 구동력이 높고 저온이 되면서 첨가 원소, 예를 들어 이트륨(Y)의 산화 구동력이 높아지는 관계를 적용할 수 있다.
도 4에서 본 발명에 따른 나노입자 분산강화 복합 분말인 타이타늄 분말의 재석출에 의해서는 Y2O3의 분포가 조밀한 상태로 유지된다. 즉 이트리아(Y2O3)의 용점(2,425℃)이 타이타늄(Ti)의 용점(1,688℃)보다 높지만, 플라즈마 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.
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 나노입자 분산강화 복합 분말 및 그 제조 방법을 사용하는 것에 의해 소재의 강도/피로 특성/크리프 저항성을 크게 향상시킬 수 있게 타이타늄 분말을 마련할 수 있다.

Claims (9)

  1. 나노입자 분산강화 복합 분말을 제조하는 방법으로서,
    (a) 금속재의 스크랩(scrap) 또는 스펀지(sponge)를 수집하는 단계,
    (b) 상기 단계 (a)에서 수집된 금속재의 스크랩 또는 스펀지를 수소화 열처리, 밀링 및 탈수소화 처리하여 미세 분말을 형성한 후 분산강화를 위한 접종제를 혼합하여 슬러리를 형성하는 단계,
    (c) 상기 단계 (b)에서의 슬러리를 분무 건조하여 구상화 분말을 형성하고, 상기 구상화 분말을 열처리하여 분산강화 분말을 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 접종제는 상기 금속재보다 산화 구동력이 높은 금속 산화물 또는 질화물이고,
    상기 단계 (c) 에서의 열처리는 상기 구상화 분말에 대해 챔버 내의 플라즈마 코일에 의한 고온이 인가되어 상기 금속재가 산화구동력 차이에 의해 상기 접종제의 산소를 인입하여 용체화되고, 가스 분사에 의해 저온이 되면서 상기 접종제의 금속의 산화 구동력이 높아져 상기 금속재의 산소를 인입하고 급속 냉각되어 분산강화 분말로 재석출되는 것을 특징으로 하는 복합분말의 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에서,
    상기 금속재는 타이타늄(Ti), 알루미늄(Al), 철(Fe) 중의 어느 하나 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 복합 분말의 제조 방법.
  4. 삭제
  5. 제3항에서,
    상기 금속 산화물은 이트륨(Y), 란타넘(La), 세륨(Ce), 가돌리늄(Gd) 또는 하프늄(Hf) 중의 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 분말의 제조 방법.
  6. 제5항에서,
    상기 금속재는 Ti-6Al-4V 합금이고, 상기 금속 산화물은 Y2O3인 것을 특징으로 하는 복합 분말의 제조 방법.
  7. 삭제
  8. 청구항 제1항, 제3항, 제5항 내지 제6항 중의 어느 한 항의 나노입자 분산강화 복합 분말의 제조 방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 나노입자 분산강화 복합 분말.
  9. 제8항에서,
    상기 복합 분말은 3D 프린팅용 복합 분말인 것을 특징으로 하는 나노입자 분산강화 복합 분말.
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