KR102378933B1 - 첨가 제조 후 단조 작업을 거치는 금속 또는 금속 매트릭스 복합물로 만들어지는 부품들의 생성 방법 - Google Patents

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Abstract

금속 합금 또는 금속 매트릭스 복합 재료들의 피스를 제조하는 방법은, 연속한 층들에 재료를 첨가함으로써 첨가 제조에 의해 프리폼을 만드는 단계, 및 프리폼이, 얻어질 피스의 최종 형상을 얻기 위해 2 개의 다이 사이에서 또한 단일 단계로 구현되는 단조 작업을 거치는 단계를 포함한다.

Description

첨가 제조 후 단조 작업을 거치는 금속 또는 금속 매트릭스 복합물로 만들어지는 부품들의 생성 방법{METHOD FOR THE PRODUCTION OF PARTS MADE FROM METAL OR METAL MATRIX COMPOSITE AND RESULTING FROM ADDITIVE MANUFACTURING FOLLOWED BY AN OPERATION INVOLVING THE FORGING OF SAID PARTS}
본 발명은, 제한하는 것은 아니지만, 특히 자동차 및 항공 분야의 구성요소들 및 장비를 만드는 금속 또는 금속 매트릭스 복합물의 피스(piece)들을 제조하는 기술 분야에 관한 것이다.
연속한 층들을 용융(융합) 또는 소결(sintering)함으로써 피스 또는 부품들이 제작될 수 있는 첨가 제조(additive manufacturing)가 개발되고 있으며, 기본 개념은 1984년에 출원된 미국 특허 4 575 330에 정의되어 있다.
첨가 제조는, 기계가공(machining)과 같이 재료가 제거되는 차감 제조 방법(subtractive manufacturing methodology)과 반대로, 통상적으로 적층식으로(layer upon layer) 3-차원(3D) 모델 데이터로부터 공작물(object)을 만들기 위해 재료들을 결합하는 공정으로서 ASTM에 의해 정의된다. 또한, 이는 3D 프린팅 기술에 주어진 이름이기도 하다.
그 기술은 파우더 베드(powder bed)를 용융 또는 소결함으로써 또는 와이어를 용접함으로써 금속 합금의 피스들을 만들기 위해 개발되었다. 금속 매트릭스 복합물에 대한 테스트는 복합물이 매우 유망함을 나타내었다. 사용되는 기술들(비-제한적으로 언급됨)은 선택 레이저 소결(Selective Laser Sintering: SLS)에서 전자 빔 용해(Electron Beam Melting: EBM)에 이르기까지 다양하며, 직접 금속 레이저 소결(Direct Metal Laser Sintering: DMLS) 및 레이저 금속 증착(Laser Metal Deposition: LMD) 또는 선택 레이저 용해(Selective Laser Melting: SLM)를 포함한다. 이러한 기술들은, 높은 기하학적 복합성을 갖고, 만족스러운 기계적 특성을 갖는 피스 또는 부품들을 제조할 수 있게 하지만, 그 결과는 흔히 긴 사이클 시간을 야기한다. 각각의 연속한 층에 대해, 분말이 롤러에 의해 펼쳐져야 하며, 분말의 양호한 응집을 얻기 위해 전자 빔 또는 레이저가 각 층의 전체 표면을 스윕(sweep)해야 한다. 사이클 시간을 감소시키기 위해, 제조업자들이 채택한 전략은, 분말 및 빔의 수를 증가시켜 각 층을 더 신속하게 용해(용융) 또는 소결하는 것이며, 이는 제조 기계의 비용을 증가시킨다. 사용되는 금속들은 EBM 기술에 대하여 주로 티타늄 합금이지만, 레이저를 이용하는 기술들이 더 범용적이다. 이들은 철 합금, 티타늄, 알루미늄, 코발트-크롬, 니켈 등을 기반으로 한 합금, 그리고 금속 매트릭스 복합물(티타늄-티타늄 카바이드, 알루미늄-알루미나, 알루미늄-실리콘 카바이드 등)의 피스들을 제조할 수 있게 한다.
유감스럽게도, 첨가 제조에 의해 얻어진 피스 또는 부품들은 매우 흔하게 잔류 미세공동(residual microporosity)을 갖는다. 이러한 미세공동은 피스 또는 부품들의 기계적 특성들, 특히 연성(ductility) 및 피로 강도(fatigue strength)를 저하시킨다. 흔히, 피스를 고압 및 고온 하에 두는 것을 포함하는 열간등방압 가압성형(Hot Isostatic Pressing: HIP) 단계가 만족스러운 피로 강도를 얻기 위해 필수적이다.
또한, 첨가 제조에 의해 얻어진 피스 또는 부품들은 사용되는 분말의 입자 크기 및 첨가 제조 시 형성되는 다양한 층들의 잔량(residual trace)으로 인해 거친 표면 거칠기를 갖는다.
또한, 이러한 피스들은 피스가 얻어지거나 만들어지는 동안 분말 용해로 인해 주조 미세구조(casting microstructure)를 갖는다. 이러한 구조는, 특히 티타늄 기반 합금에 대해 층상형(lamellar)이며, 구조적 항공 부품들에 대한 대부분의 사양(specification)을 만족시킬 수 없다. 개선된 기계적 특성들을 위해, 층상형과 결절형(nodular) 둘 모두인 바이모달 미세구조(bimodal microstructure)가 요구된다. 이후, 이러한 구조는 비용이 많이 드는 특정 구현 조건들 하에서 또한 단조 타입의 열간변형 작업(hot-deformation operation)에 의해서만 얻어질 수 있다.
따라서, 이러한 단점들의 견지에서, 본 출원인의 접근법은 이러한 다수의 문제점을 완화시킬 수 있는 해결책에 대해 고려하였고 이를 찾아냈다.
완전히 독립적인 방식으로 또한 첨가 제조와 아무런 관련 없이, 본 출원인은 1983년 이후, 즉 앞서 언급된 미국 특허의 기간에 대응하는 기간 이후로, 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 피스를 주조 및 단조하기 위해 주조 및 단조 기술을 조합한 신규한 개념을 개발하였다. 그 기술은 유럽 특허 EP　119　365에 개시되었으며, 이는 프리폼(preform)을 구성하기 위해 주형(mold)에 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 피스를 주조하는 주조 제 1 단계(casting first phase)를 구현하고, 이후 프리폼은 더 작은 치수의 다이로 단조 작업을 거치며, 그 특허에 나타내어진 매우 특정한 특성들로 얻어질 최종 형상을 얻을 수 있다. 그 "주조-및-단조" 기술은 이제 전 세계적으로 널리 사용되는 상표 "COBAPRESS"로 판매된다.
그 기간 1983년 내지 1984년 이후, 즉 지난 30년 동안, 첨가 제조에 의해 야기되는 상기 언급된 단점들을 바로잡기 위해 모색된 해결책들은 길고 비용이 많이 들며, 티타늄 합금으로 만들어지는 구조적 항공 부품들의 대부분에 필요한 바이모달 미세구조를 얻기 위한 해결책은 발견되지 않았음이 관찰되었다.
첨가 제조를 위해 해결되어야 할 문제들에 맞서, 본 출원인은 이러한 제조에 직면한 미세공동의 문제 또한 주조의 제조 시에 존재함을 관찰하였다.
이에 따라, 본 출원인의 접근법은 첨가 제조에 의해 또한 주조-및-단조 기술에 의해 구성되는 두 기술의 예상치 못한 조합을 찾는 데 집중되었고, 이 두 기술은 기간 1983년 내지 1984년 이후에 알려졌더라도 겉보기에는 배합될 수 없어 보였다.
완전히 예상치 못한 방식으로, 또한 본 출원인에 의해 시행된 테스트에 기초하여, 두 기술의 조합을 구현하는 것이 첨가 제조에서 관찰된 단점을 바로잡고 이에 대응할 수 있음이 밝혀졌다.
본 발명에 따르면, 개발된 해결책은 프리폼을 형성하기 위해 첨가 제조에 의해 금속 합금 또는 금속 매트릭스 복합 재료들의 피스를 얻고, 그 후 상기 프리폼을 단조하는 것을 포함하고, 이는 얻어질 피스에 대한 최종 형상을 얻기 위해 2 개의 다이 사이에서 단일 단계로 고온, 반-고온(semi-hot) 또는 저온에서 구현된다.
이에 따라, 결과적인 피스는 그 최종 형상을 가지며, 디버링(deburring) 후 또는 디버링 없이, 제한된 공차 범위로 기능적 영역 외에 추가 기계가공을 요구하지 않는 목적에 부합된 기능적 치수를 갖는다.
완전히 예상치 못한 방식으로, 이 방법은 첨가 제조에 의해 얻어지는 피스들에 대해 관찰되는 앞서 언급된 단점들 및 한계들을 극복할 수 있게 한다.
재료를 변형시키는 것을 포함하는 단조 단계는 추가 구조의 다양한 층들의 균일한 접착으로 미세공동들을 재폐쇄(reclose) 및 재접착(re-bond)시킬 수 있게 한다. 이는 개선된 연성 및 피로 강도를 제공한다.
또한, 연마된 2 개의 다이 간에 이러한 단조 단계는 표면 거칠기가 급격하게 감소되게 할 수 있어, 피로 강도 및 표면 겉보기(surface appearance)를 개선할 수 있게 한다.
시행된 테스트들은 매우 유망함을 나타낸다. 1983년 내지 1984년 이후에 알려진 기술들 중 어느 것의 표시에도, 이들을 조합하는 것이 제안될 수 없었는데, 이는 프리폼이 얻어진 상태가 상이했기 때문이며, 프리폼은 "주조-및-단조" 기술에서 주조에 의해 얻어지는 반면, 이는 첨가 제조에서 연속한 층들을 용융(융합) 또는 소결함에 의해 얻어진다.
본 발명을 구현하는 것과 관련하여, 피스는 [강(steel), 철, 알루미늄, 인코넬(Inconel), 니켈, 티타늄, 크롬-코발트 등을 기반으로 한] 금속 합금 또는 금속 매트릭스 복합 재료들(티타늄-티타늄 카바이드, 알루미늄-알루미나, 알루미늄-실리콘 카바이드 등)의 피스일 수 있다.
첨가 제조에 의해 얻어지는 프리폼을 단조하기 위한 본 발명의 단조 제 2 단계는 고온, 반-고온 또는 저온에서 수행될 수 있다. 다이들은 선택적으로 연마될 수 있다.
또한, 첨가 제조에 의해 얻어지는 프리폼을 형단조(die forging)하는 이 기술은 접착되지 않거나 부분적으로 경화된(consolidated) 분말 영역들을 갖는 프리폼들에도 적용될 수 있으며, 이 영역들은 이후 단조 단계 동안 변형되고 접착된다.
단축(uniaxial) 또는 등방 압축(isostatic compaction)에 의해 제조되는 분말 프리폼들의 단조는 이미 알려진 방법이다. 본 발명에 사용되는 기술은, 분말이 접착된 주변부를 갖는 프리폼 내에 포집되어 있다는 점에서 신규하다. 모든 분말이 접착되지 않는다는 사실은 제조 시 상당한 양의 사이클 시간을 절약할 수 있게 한다. 첨가 제조 시 분말을 소결 또는 용해하기 위해, 레이저 또는 전자 빔이 각 층에 대해 피스의 전체 표면을 스윕할 필요가 있다. 프리폼의 아웃라인 외부에만 분말 용융을 최적으로 수행함으로써, 이에 따라 프리폼은 부분적으로 경화된 또는 경화되지 않은 분말이 그 안에 포집된 고체 접착 쉘(solid bonded shell)에 의해 구성되며, 접착되지 않은 분말로 채워진 고체 쉘의 형태로 된 프리폼이 얻어진다. 이 프리폼의 단조는 엔드 피스 또는 부품을 얻을 수 있게 한다. 고온 변형 시 분말을 접착시키는 것은 진공에서 구현되는 이러한 제조로 인해 EBM에 의해 제조되는 프리폼들에 특히 효과적이며, 이는 재료 내부에 여하한의 가스를 포획할 수 있게 한다.
또는, 이 기술은 분말의 용융이 존재하지 않는다는 사실로 인해 미세 입자들을 갖는 미세구조를 얻는 장점을 제공한다. 하부 층에 입자들의 에피택셜 성장(epitaxial growth)이 티타튬 합금의 첨가 제조 시에 관찰되었다. 이러한 성장은 다소 굵은 입자들을 갖는 미세구조를 야기하며, 이는 기계적 특성들에 좋지 않다. 분말의 용융 없이, 미세구조의 섬도(fineness)가 보존된다. 이에 따라, 프리폼의 접착되지 않은 영역들은 최종 피스 또는 부품에 매우 미세한 미세구조를 갖는 영역을 제공하며, 이는 접착이 단조 단계 시 고체상(solid phase)으로 구현되기 때문이다. 여하한의 결정학적 텍스처(crystallographic texture)를 갖지 않는 이러한 미세 구조는 피스 또는 부품의 정적(static) 및 주기적인 기계적 특성들에 매우 좋다.
본 발명의 구현에 따른 상기의 장점들 및 예상치 못한 결과들은 첨가 제조에 의해 얻어지는 금속 또는 금속 매트릭스 복합물의 피스들을 처리함에 있어서 상당한 발전을 가져온다.

Claims (6)

  1. 금속 합금 또는 금속 매트릭스 복합 재료(metal matrix composite material)들의 피스를 제조하는 방법에 있어서,
    - 연속한 층들에 재료를 첨가함으로써 첨가 제조(additive manufacturing)에 의해 프리폼(preform)을 만드는 단계; 및
    상기 프리폼이, 얻어질 피스의 최종 형상을 얻기 위해 2 개의 다이 사이에서 또한 단일 단계로 구현되는 단조 작업을 거치는 단계를 포함하고,
    상기 프리폼은, 분말이 접착되지 않거나 부분적으로 경화(consolidate)된 영역들을 포함하고,
    상기 프리폼은 접착되지 않은 분말로 채워진 고체 쉘의 형태이고,
    상기 프리폼의 접착되지 않은 영역들은 최종 피스에 미세한 미세구조를 갖는 영역을 제공하는 피스 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 합금의 피스는 철, 알루미늄, 니켈, 티타늄, 크롬, 또는 코발트 기반의 합금인 피스 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 복합 재료들의 피스는 티타늄-티타늄 카바이드 합금, 알루미늄-알루미나 합금, 또는 알루미늄-실리콘 카바이드 합금인 피스 제조 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    첨가 제조에 의해 얻어지는 상기 프리폼을 단조하기 위한 상기 단조 작업은 반-고온(semi-hot), 저온 또는 고온에서 수행되는 피스 제조 방법.
  5. 삭제
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 구현함으로써 얻어지는 피스.
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