KR102546408B1 - 우수한 생산성을 갖는 Ti-6Al-4V 합금 적층 조형물 제조방법 및 이를 이용한 Ti-6Al-4V 합금 적층 조형물 - Google Patents

우수한 생산성을 갖는 Ti-6Al-4V 합금 적층 조형물 제조방법 및 이를 이용한 Ti-6Al-4V 합금 적층 조형물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기계적 특성은 우수하지만 생산성이 낮아 시장 경쟁력이 떨어지는 적층 소재의 단점을 보완할 수 있는 Ti-6Al-4V 합금 적층 조형물을 제조하는 방법 및 이를 이용한 Ti-6Al-4V 합금 적층 조형물에 관한 것이다.
본 발명에 따른 Ti-6Al-4V 합금 적층 조형물 제조방법은, 레이저 분말소결방식(Laser Powder Bed Fusion, L-PBF) 을 이용한 적층 가공 방법에 있어서, 가스분사법으로 제조된 Ti-6Al-4V 합금분말을 제공하는 제1단계; 레이저 분말소결방식을 위한 공정변수를 설정하는 제2단계; 상기 합금분말을 공급하는 제3단계; 조형광원을 선택적으로 조사하여 상기 합금분말을 용융시키는 제4단계; 상기 용융된 합금분말을 냉각 및 고화함으로써 상기 Ti-6Al-4V 소재의 하나의 레이어를 형성하는 제5단계; 상기 Ti-6Al-4V 소재의 입체 조형물이 완성될 때까지 상기 제3단계 내지 제5단계를 반복하여 적층하는 6단계; 를 포함하여 이루어지고, 상기 제4단계의 공정변수는 240 내지 350 W의 레이저 전력 및 1,200 내지 1,800 mm/s의 스캔속도로 설정하는 것을 특징으로 한다.

Description

우수한 생산성을 갖는 Ti-6Al-4V 합금 적층 조형물 제조방법 및 이를 이용한 Ti-6Al-4V 합금 적층 조형물{Manufacturing method for Ti-6Al-4V alloy multilayer shaped structure and Ti-6Al-4V alloy multilayer shaped structure thereof}
본 발명은 기계적 특성은 우수하지만 생산성이 낮아 시장 경쟁력이 떨어지는 적층 소재의 단점을 보완할 수 있는 우수한 생산성을 갖는 Ti-6Al-4V 합금 적층 조형물을 제조하는 방법 및 이를 이용한 Ti-6Al-4V 합금 적층 조형물에 관한 것이다.
Ti-6Al-4V 합금 적층 조형물은 우주항공, 의료 및 터빈엔진 분야에서 전반적으로 사용되는 소재이며, 적층 제조 공정을 통하여 net-shape 부품 제작이 가능해짐에 따라 사용 범위가 증가되고 있다. 한편, 레이저 또는 전자빔을 열원으로 활용하는 3D 프린팅은 고가의 분말 재료를 사용하기 때문에 생산 단가가 높은 반면 제조시간이 오래 걸려 생산성이 낮다는 문제점이 있다. 따라서 본 발명은 적층 제조 방식의 단점으로 언급되고 있는 낮은 생산성을 보완하기 위하여 적층 제조 방법을 적절하게 설정하여 Ti-6Al-4V 합금 적층 조형물을 적층방식으로 제조하는 방법을 제안하고자 한다.
종래 기술의 경우, 한국등록특허 제10-1616499호와 같이 Ti 합금을 3D 프린팅 방법으로 제조하고 열처리하는 방법을 통해 기계적 특성을 향상시키고자 하는 것으로, Ti 합금의 적층 공정변수에 대한 언급은 없으며 발명을 통해 제조된 금속 조형품의 인장 강도는 570 내지 650 MPa 정도이다. 즉, 종래의 경우 Ti 합금의 인장강도를 높이기 위하여 미세조직 및 석출상을 제어하기 위한 열처리 공정이 진행되었으나 400 내지 900 MPa 정도 밖에 안 되는 수준이다. 따라서 본 발명에서는 열처리 공정을 거치지 않고 공정 변수만을 조절하여 보다 높은 수준의 인장 강도를 획득할 수 있는 방법을 제안하고자 한다.
한국등록특허 제10-1616499호
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 높은 인장 강도를 갖는 Ti-6Al-4V 합금 적층 조형물 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 적층 가공(Additive manufacturing) 방식의 단점으로 언급되고 있는 낮은 생산성을 보완할 수 있는 Ti-6Al-4V 합금 적층 조형물 제조방법을 제공하는 것이다.
발명이 해결하고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 Ti-6Al-4V 합금 적층 조형물 제조방법은,
레이저 분말소결방식(Laser Powder Bed Fusion, L-PBF)을 이용한 적층 가공 방법에 있어서,
가스분사법으로 제조된 Ti-6Al-4V 합금분말을 제공하는 제1단계;
레이저 분말소결방식을 위한 공정변수를 설정하는 제2단계;
상기 합금분말을 공급하는 제3단계;
조형광원을 선택적으로 조사하여 상기 합금분말을 용융시키는 제4단계;
상기 용융된 합금분말을 냉각 및 고화함으로써 상기 Ti-6Al-4V 소재의 하나의 레이어를 형성하는 제5단계;
상기 Ti-6Al-4V 소재의 입체 조형물이 완성될 때까지 상기 제3단계 내지 제5단계를 반복하여 적층하는 6단계; 를 포함하여 이루어지고,
상기 제4단계의 공정변수는 240 내지 350 W의 레이저 전력 및 1,200 내지 1,800 mm/s의 스캔속도로 설정하는 것을 특징으로 한다.
상기 과제의 해결 수단에 의해, 본 발명은 높은 인장 강도를 갖는 Ti-6Al-4V 합금 적층 조형물을 제조할 수 있다.
또한, 본 발명은 적층 가공(Additive manufacturing) 방식의 단점으로 언급되고 있는 낮은 생산성을 보완할 수 있다.
도 1은 본 발명의 Ti-6Al-4V 합금 적층 조형물 제조방법을 보여주는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라, 스캔속도 및 레이저 전력에 따른 생산성 증대 효과를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라, 비교예 1(case 1) 내지 비교예 4(case 4)와 본 발명의 실시예에 의해 제조된 Ti-6Al-4V 합금 적층 조형물의 인장강도(tensile strength) 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라, 본 발명의 실시예에 의해 제조된 Ti-6Al-4V 합금 적층 조형물의 응력-변형률 곡선(Stress-strain curve) 이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따라, 본 발명의 실시예에 의해 제조된 Ti-6Al-4V 합금 적층 조형물의 광학 현미경 사진이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따라, 본 발명의 실시예에 의해 제조된 Ti-6Al-4V 합금 적층 조형물의 X-ray CT 분석이다.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명에 대한 해결하고자 하는 과제, 과제의 해결 수단, 발명의 효과를 포함한 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시예 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 1에 나타난 바와 같이, 본 발명인 Ti-6Al-4V 합금 적층 조형물 제조방법은 아래와 같이 수행될 수 있다.
먼저, 제1단계(S10)는 Ti-6Al-4V 합금분말을 제공한다. 상기 제1단계(S10)에서 상기 Ti-6Al-4V 합금분말은 가스분사법으로 제조된다.
상기 가스분사법으로 제조된 Ti-6Al-4V 합금분말을 30 내지 50 ㎛의 입도로 하여 상기 Ti-6Al-4V 합금을 제조한다.
다음으로, 제2단계(S20)는 공정변수를 설정한다. 상기 제2단계(S20)는 레이저 분말소결을 위한 공정변수를 설정한다.
상기 공정변수는 레이저 전력, 스캔속도, 해칭 공간(hatching space) 및 레이어 두께(layer thickness)를 설정하여 제어한다.
상기 레이저 전력은 240 내지 350 W인 것이 바람직하다. 도 2에 나타난 바와 같이, 상기 레이저 전력이 240 W 미만인 경우 에너지가 너무 낮아 적층 생성 시간이 너무 오래 걸리고 미용융 분말과 같은 적층 결함이 생성되어 적층 조형물의 인장강도 또는 항복강도가 너무 낮은 문제점이 발생하고, 상기 레이저 전력이 350 W를 초과한 경우 분말의 기화가 나타나며 적층 조형물이 물리적으로 변형될 우려가 있으므로 상기 조건으로 수행하는 것이 바람직하다.
상기 스캔속도는 1,200 내지 1,800 mm/s인 것이 바람직하다. 도 2에 나타난 바와 같이, 상기 스캔속도가 1,200 mm/s 미만인 경우 스캔속도가 너무 낮아 적층 생성 시간이 너무 오래 걸리는 문제점이 발생하고, 상기 스캔속도가 1,800 mm/s를 초과한 경우 분말에 가해지는 에너지의 양이 적어지게 되며 스캔 방향을 따라 적층 결함이 발생하므로 생성된 적층 조형물이 물리적으로 변형될 우려가 있으므로 상기 조건으로 수행하는 것이 바람직하다. 즉, 레이저 전력이 높고, 스캔속도가 느릴 경우 분말에 과한 에너지가 조사되면서 분말이 기화되며 표면조도 및 물성을 저하시킬 위험이 있다. 반면에 레이저 전력이 낮고, 스캔속도가 빠를 경우에는 에너지가 조사되지 못하여 미용융 분말이 형성되며 적층결함이 나타나게 된다. 그러므로 생산성이 높은 조형체를 제조하기 위해서는 레이저 전력과 스캔속도가 높은 최적의 공정 조건을 설정해야 한다.
상기 해칭 공간(hatching space)은 레이저가 이동하는 레이저 스캔 경로 사이의 간격으로, 50 내지 100 ㎛인 것이 바람직하다. 상기 해칭 공간(hatching space)이 50 ㎛ 미만인 경우 생산성이 떨어지고, 상기 해칭 공간(hatching space)이 100 ㎛를 초과한 경우 overlap 되는 영역이 줄어들면서 다공성이 높아지는 문제점이 발생하므로 상기 조건으로 수행하는 것이 바람직하다.
상기 레이어 두께(layer thickness)는 20 내지 40 ㎛인 것이 바람직하다. 상기 레이어 두께(layer thickness)가 20 ㎛ 미만인 경우 입열량이 과해 분말이 기화될 위험이 있으며, 상기 레이어 두께(layer thickness)가 40 ㎛를 초과한 경우 열전달이 제대로 이루어지지 못하여 미용융 분말이 증가할 확률이 높아지므로 상기 조건으로 수행하는 것이 바람직하다.
레이저 빔의 크기와 관련이 있는 상기 해칭 공간(hatching space)과 레이어 두께(layer thickness)는 용융풀의 크기를 결정하게 된다. 상기 공정변수는 조형체의 물성을 저하시키지 않으면서 생산성이 우수한 공정 조건을 선택하여 적층할 수 있다.
생산성을 높이려면 더 높은 레이저 출력과 스캔 속도를 사용하여 에너지 밀도를 높여야 한다. 1980년대 이후 레이저 출력과 스캔 속도는 일반적으로 작동 안정성과 장비의 사양 제한으로 인해 각각 200 W 및 1200 mm/s 미만으로 제한되었다. 도 2과 같이, 본 발명의 레이저 출력과 스캔 속도 조건에서 다양한 공정 변수를 제어하여 적절한 기계적 물성을 얻기 위한 노력이 이루어졌다.
L-PBF 공정의 생산성을 나타내는 대표적인 지표인 Build rate(VB)는 다음 식 (1)에 의해 결정된다.
VB = VS X Δy X Δz (1)
(여기서, VS는 스캔 속도, Δy는 해칭 공간(hatching space)의 증가, Δz는 레이어 높이의 증가 임)
L-PBF 부품의 생산성은 공정 파라미터의 제어에 따라 체적 영향을 받으며, 스캔속도는 생산성 향상을 위한 가장 중요한 파라미터이다.
다음으로, 제3단계(S30)는 상기 합금분말을 공급한다. 상기 제2단계(S20)에서 공정변수를 설정 후, 레이저로 상기 Ti-6Al-4V 합금분말을 공급한다.
다음으로, 제4단계(S40)는 상기 합금분말을 용융시킨다. 상기 제4단계(S40)는 조형광원을 선택적으로 조사하여 상기 합금분말을 용융시킨다.
다음으로, 제5단계(S50)는 상기 Ti-6Al-4V 소재의 하나의 레이어를 형성한다. 상기 제5단계(S50)는 Ar 가스 분위기에서 상온(24 내지 26 ℃)에서 고화되면서 상기 Ti-6Al-4V 소재의 하나의 레이어를 형성한다.
다음으로, 6단계(S60) 상기 제3단계(S30) 내지 제5단계(S50)를 반복하여 적층한다. 상기 6단계(S60)는 상기 Ti-6Al-4V 소재의 입체 조형물이 완성될 때까지 상기 제3단계(S30) 내지 제5단계(S50)를 반복하여 적층한다.
본 발명인 Ti-6Al-4V 합금 적층 조형물은 앞서 기재된 Ti-6Al-4V 합금 적층 조형물 제조방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 실시예에 의해 제조된 Ti-6Al-4V 합금 적층 조형물은 도 5 및 도 6에 나타내었다.
상기 Ti-6Al-4V 합금 적층 조형물은 제조 시 레이저 전력이 240 내지 350 W으로 제어하여 제조되는 것을 특징으로 한다. 상기 레이저 전력이 240 W 미만인 경우 에너지가 너무 낮아 적층 생성 시간이 너무 오래 걸리고 미용융 분말과 같은 적층 결함이 생성되어 적층 조형물의 인장강도 또는 항복강도가 너무 낮은 문제점이 발생하고, 상기 레이저 전력이 350 W를 초과한 경우 분말의 기화가 나타나며 적층 조형물이 물리적으로 변형될 우려가 있으므로 상기 조건으로 수행하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 Ti-6Al-4V 합금 적층 조형물은 제조 시 스캔속도가 1,200 내지 1,800 mm/s으로 제어하여 제조되는 것을 특징으로 한다. 상기 스캔속도가 1,200 mm/s 미만인 경우 스캔속도가 너무 낮아 적층 생성 시간이 너무 오래 걸리는 문제점이 발생하고, 상기 스캔속도가 1,800 mm/s를 초과한 경우 분말에 가해지는 에너지의 양이 적어지게 되며 스캔 방향을 따라 적층 결함이 발생하므로 생성된 적층 조형물이 물리적으로 변형될 우려가 있으므로 상기 조건으로 수행하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 Ti-6Al-4V 합금 적층 조형물은 제조 시 레이저가 이동하는 레이저 스캔 경로 사이의 간격인 해칭 공간(hatching space)을 50 내지 100 ㎛로 제어하여 제조되는 것을 특징으로 한다. 상기 해칭 공간(hatching space)이 50 ㎛ 미만인 경우 생산성이 떨어지고, 상기 해칭 공간(hatching space)이 100 ㎛를 초과한 경우 overlap 되는 영역이 줄어들면서 다공성이 높아지는 문제점이 발생하므로 상기 조건으로 수행하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 Ti-6Al-4V 합금 적층 조형물은 레이저로 적층 시 하나의 레이어 두께(layer thickness)가 20 내지 40 ㎛인 것을 특징으로 한다. 상기 레이어 두께(layer thickness)가 20 ㎛ 미만인 경우 입열량이 과해 분말이 기화될 위험이 있으며, 상기 레이어 두께(layer thickness)가 40 ㎛를 초과한 경우 열전달이 제대로 이루어지지 못하여 미용융 분말이 증가할 확률이 높아지므로 상기 조건으로 수행하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 Ti-6Al-4V 합금 적층 조형물은 인장강도(tensile strength)가 1,100 내지 1,200 MPa 인 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의해 제조된 Ti-6Al-4V 합금 적층 조형물은 공정변수인 레이저 전력, 스캔속도, 해칭 공간(hatching space) 및 레이저 두께를 제어하여 인장강도가 증가된다. 종래의 경우 Ti 합금의 인장강도를 높이기 위하여 미세조직 및 석출상을 제어하기 위한 열처리 공정이 진행되었으나, 400 내지 900 MPa 정도 밖에 안 되는 수준으로 확인되었다.
또한, 상기 Ti-6Al-4V 합금 적층 조형물은 항복강도(yield strength)가 1,000 내지 1,100 MPa 인 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의해 제조된 Ti-6Al-4V 합금 적층 조형물은 열처리 공정을 거치지 않고 상기 공정변수만을 제어하여 항복강도를 증가시켰다.
또한, 상기 Ti-6Al-4V 합금 적층 조형물은 연신율이 6% 이상 인 것을 특징으로 한다.
아래는 상기 기재된 방법에 의해 제조된 Ti-6Al-4V 합금 적층 조형물을 이용하여 인장강도, 항복강도 및 연신율을 측정하였다. 이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 다만 하기의 실시예는 본 발명의 내용을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균 적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
실시예
가스분사법으로 제조된 Ti-6Al-4V 분말을 L-PBF 공정에 사용하였으며, 표 1에 나타난 바와 같이, 다양한 공정 변수(레이저 출력: 245-343 W, 스캐닝 속도: 1250-1750 mm/s, 해칭 공간(hatching space): 70 ㎛, 레이어 두께(layer thickness): 30 ㎛)를 사용하였다. 'H' 시편으로 지정된 시편은 지지대 높이가 30mm인 반면, 'L' 시편은 판에서 10mm의 지지대 높이를 가지도록 제작하였다. 실시예는 열처리 공정을 시도하지 않은 As-built 상태에서 인장시험을 실시하였다.
H 시편의 경우 레이저 출력과 스캐닝 속도가 함께 증가하기 때문에 에너지 밀도는 동일하였다. 그러나 L 시편의 경우 스캐닝 속도가 1250 mm/s로 고정되었기 때문에 에너지 밀도가 증가하였다. L-PBF 후 720 ℃에서 2 시간 동안 응력제거 처리를 수행하였다.
sample Lawer power
(W) 		Scanning speed (mm/s) Hatch space (㎛) Layer thickness (㎛) Energy Density
(10 9 J/㎥)
H0 245 1,250 70 30 93.3
L0 343 1,750 70 30 93.3
비교예
비교예는 앞서 기술된 실시예와 동일하게 레이저 분말소결 방식으로 조형하였다. 다만, 아래 표 2의 공정 조건과 같이 레이저 전력(laser power), 스캔속도(scanning speed), 해칭 공간(hatching space) 및 레이어 두께(layer thickness)를 실시예와 달리 제어하여 적층 조형물을 제조하였다. 제조된 적층 조형물은 높이 30 mm, 너비 10 mm로 제조하였다.
sample process parameter Lawer power
(W) 		Scanning speed (mm/s) Hatch space (㎛) Layer thickness (㎛)
Case 1 Value - - - -
Case 2 Value - 100 ~ 8000 - 50 ~ 200
Case 3 Value - - - -
Case 4 Value - 1000 ~ 3000 - 50 ~ 200
실험예
(1) OM, XRD 및 X-ray CT 분석
미세구조 관찰을 위해 입방체 시편(20 x 20 x 20 mm)을 제작하고 Kroll 용액(3mL HNO3, 5mL HF 및 92mL H2O)으로 5-10초 동안 연마 및 에칭했다. 광학현미경(모델명: I-Scope 2001)과 SEM(모델명: Philips XL30S FEG)을 미세구조 관찰에 사용하였다.
L-PBF으로 제조된 as-built Ti-6Al-4V 합금의 OM 현미경 사진을 도 5에 나타내었다. 또한, H0, L0, L2 시편에 대해 측정된 내부 미세 기공에 대한 X-ray CT 분석하여 도 6에 나타내었다.
(2) 인장강도
열처리 공정을 시도하지 않은 As-built 상태에서 전체 길이 75mm, 게이지 길이 25.4mm, 직경 4.75mm의 인장시편을 제작하였다. 일축 인장시험은 만능시험기(MINOS-300S, MTDI, Korea)를 이용하여 10-3 /s의 변형률로 수행하였다.
인장시편 표면의 거칠기는 프로파일로미터(Dektak 150)를 이용하여 측정하였다.
sample Tensile strength (MPa)
Case 1 570 ~ 650
Case 2 418 ~ 686
Case 3 600 ~ 900
Case 4 550 ~ 800
H0 1,090
L0 1,170
일반적으로, Ti-6Al-4V 합금의 적층 제조시 생산성을 향상을 위해 레이저 전력과 스캔속도를 높여 적층 제조에 성공함과 동시에 우수한 인장강도를 갖는 소재를 발명한 사례가 없다. 비교예에 따른 인장 강도를 확인한 결과, Ti 합금의 인장강도를 높이기 위하여 미세조직 및 석출상을 제어하기 위한 열처리 공정이 진행되었으나, 400~900 MPa 정도 밖에 안 되는 수준이다.
표 3 및 도 3에 나타난 바와 같이, 본 발명에서는 열처리 공정을 거치지 않고, 공정변수만을 조절하여 1,090 및 1,170 MPa 인장강도를 획득하였다.
(3) 항복강도
열처리 공정을 시도하지 않은 As-built 상태에서 인장시험을 실시하고, 응력 -변형률 곡선(stress-strain curve)을 획득한 후 항복강도를 측정하였다. ASTM E8/E8M에 따라 총길이 75 mm, 게이지 길이 25.4 mm, 지름 4.75 mm인 인장시편을 가공하였다. 상온에서 변형률 속도 10-3 /s로 인장시험을 실시하였다. 인장시험을 실시한 후 변형률이 0인 점에서 탄성영역의 직선을 0.2% offset하여 활용하여 항복강도를 측정하였다.
실시예와 비교예를 통해 제조된 시편으로 실시한 항복강도 결과를 표 4 및 도 4에 나타내었다.
sample Yield strength (MPa)
Case 1 480~520
Case 2 -
Case 3 -
Case 4 520~720
H0 1,002
L0 1,050
일반적으로, Ti-6Al-4V 합금의 적층 제조시 생산성을 향상을 위해 레이저 전력과 스캔속도를 높여 적층 제조에 성공함과 동시에 우수한 항복강도를 갖는 소재를 발명한 사례가 없다. 비교예에 따른 항복강도를 확인한 결과, Ti 합금의 항복강도를 높이기 위하여 미세조직 및 석출상을 제어하기 위한 열처리 공정이 진행되었으나, 480 내지 720 MPa 정도 밖에 안 되는 수준이다.
표 4에 나타난 바와 같이, 본 발명에서는 열처리 공정을 거치지 않고, 공정변수만을 조절하여 1,002 및 1,050 MPa 항복강도를 획득하였다.
(4) 연신율
열처리 공정을 시도하지 않은 As-built 상태에서 인장시험을 실시하고, 응력 -변형률 곡선(stress-strain curve)을 획득한 후 연신율을 측정하였다. ASTM E8/E8M에 따라 총길이 75 mm, 게이지 길이 25.4 mm, 지름 4.75 mm인 인장시편을 가공하였다. 상온에서 변형률 속도 10-3 /s로 인장시험을 실시하였다. 응력-변형률 곡선의 파단점과 탄성영역의 기울기와 동일한 기울기를 갖는 직선을 교차시켰을 때 직선의 x절편 (y=0) 값이 연신율이다.
실시예와 비교예를 통해 제조된 시편으로 실시한 연신율 결과를 표 5에 나타내었다.
sample Elongation (%)
Case 1 20~25
Case 2 14~29
Case 3 -
Case 4 12~20
H0 6.8
L0 7.5
표 5에 나타난 바와 같이, 본 발명에서는 열처리 공정을 거치지 않고, 공정변수만을 조절하여 6.8 및 7.5% 연신율을 획득하였다. 비교예(case 1 내지 4)와 비교할 때 실시예(H0 및 L0)의 연신율은 감소하였으나, 실시예는 스캔속도 및 레이저 전력를 높이고 열처리를 수행하지 않았음에도 불구하고 연신율이 높은 것을 확인할 때 본 발명의 공정변수 조건이 매우 유익함을 알 수 있다.
상기 과제의 해결 수단에 의해, 본 발명은 높은 인장 강도를 갖는 Ti-6Al-4V 합금 적층 조형물을 제조할 수 있다.
또한, 본 발명은 적층 가공(Additive manufacturing) 방식의 단점으로 언급되고 있는 낮은 생산성을 보완할 수 있다.
이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
S10. Ti-6Al-4V 합금분말을 제공하는 제1단계
S20. 레이저 분말소결을 위한 공정변수를 설정하는 제2단계
S30. 상기 합금분말을 공급하는 제3단계
S40. 상기 합금분말을 용융시키는 제4단계
S50. 상기 Ti-6Al-4V 소재의 하나의 레이어를 형성하는 제5단계
S60. 상기 제3단계 내지 제5단계를 반복하여 적층하는 6단계

Claims (10)

  1. 레이저 분말소결방식(Laser Powder Bed Fusion, L-PBF) 을 이용한 적층 가공 방법에 있어서,
    가스분사법으로 제조된 Ti-6Al-4V 합금분말을 제공하는 제1단계;
    레이저 분말소결을 위한 공정변수를 설정하는 제2단계;
    상기 합금분말을 공급하는 제3단계;
    조형광원을 선택적으로 조사하여 상기 합금분말을 용융시키는 제4단계;
    상기 용융된 합금분말을 냉각 및 고화하면서, 상기 Ti-6Al-4V 소재의 하나의 레이어를 형성하는 제5단계;
    상기 Ti-6Al-4V 소재의 입체 조형물이 완성될 때까지 상기 제3단계 내지 제5단계를 반복하여 적층하는 6단계; 를 포함하여 이루어지고,
    상기 제1단계에서 Ti-6Al-4V 합금분말은 30 내지 50 ㎛의 입도로 제조하고,
    상기 제2단계의 공정변수는 240 내지 350 W의 레이저 전력 및 1,200 내지 1,800 mm/s의 스캔속도로 설정하고, 레이저가 이동하는 레이저 스캔 경로 사이의 간격인 해칭 공간(hatching space)을 50 내지 100 ㎛이고, 레이어 두께(layer thickness)를 20 내지 40 ㎛로 설정하고,
    상기 제5단계에서 냉각은 720 ℃에서 2 시간 동안 수행하고 아르곤(Ar) 가스 분위기에서 상온에서 고화되면서 상기 레이어를 형성하는 것을 특징으로 하는 Ti-6Al-4V 합금 적층 조형물 제조방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 상기 제1항에 의한 레이저 분말소결방식(Laser Powder Bed Fusion, L-PBF) 을 이용한 적층 가공 방법에 의해 제조하되,
    240 내지 350 W의 레이저 전력 및 1,200 내지 1,800 mm/s의 스캔속도로 제어하고,
    레이저가 이동하는 레이저 스캔 경로 사이의 간격인 해칭 공간(hatching space)을 50 내지 100 ㎛로 제어되고,
    적층 시 하나의 레이어 두께(layer thickness)는 20 내지 40 ㎛이고,
    항복강도가 1,000 내지 1,100 MPa 이고,
    인장강도가 1,100 내지 1,200 MPa 이며,
    연신율이 6% 이상으로 제조하되,
    Ti-6Al-4V 합금분말은 30 내지 50 ㎛의 입도로 제조되는 것을 특징으로 하는 Ti-6Al-4V 합금 적층 조형물.

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  10. 삭제
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