KR102588736B1 - Manufacture method of TiAl base plate for 3D printer - Google Patents

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Abstract

본 발명은 적층형 3D 프린터를 이용하여 금속 제품 제조 시 요구되는 베이스 플레이트 제작 기술에 관한 것으로, 용융금속의 응고 속도를 제어함으로써 내부 결함이 없는 3D 프린터 적용 TiAl 플레이트 제조 공정에 관한 것이다. The present invention relates to a base plate manufacturing technology required when manufacturing metal products using a stacked 3D printer, and to a TiAl plate manufacturing process using a 3D printer that has no internal defects by controlling the solidification speed of molten metal.

Description

3D 프린터용 TiAl 베이스 플레이트의 제조 방법 {Manufacture method of TiAl base plate for 3D printer}{Manufacture method of TiAl base plate for 3D printer}

본 발명은 적층형 3D 프린터를 이용하여 금속 제품 제조 시 요구되는 베이스 플레이트(base plate) 제작 기술에 관한 것으로, 제조 공정 변수를 통해 내부 결함이 없는 3D 프린터 적용되는 TiAl 베이스 플레이트 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a base plate manufacturing technology required when manufacturing metal products using a stacked 3D printer, and to a method of manufacturing a TiAl base plate applied to a 3D printer without internal defects through manufacturing process variables.

현재 터빈 활용 소재로는 Ni계 초내열합금인 IN713C가 보편적으로 사용되고 있으나, 향후 터보차저에서 요구되는 950 oC ~ 1050 oC의 운용온도범위에 적용하는 데에는 소재 특성의 한계가 있다. 또한, 스포츠카, 고급 승용차 및 애프터 마켓 시장에서는 터보랙을 줄일 수 있는 경량 내열 타이타늄 소재인 TiAl 합금 터빈 휠의 수요가 증가하고 있다. 이런 복잡형상의 금속 부속품들은 기존의 정밀주조 방법에 의해 주로 주조되나 정밀주조 방식은 길고 복잡한 제조공정으로 인해 생산 비용이 높으며 생산적으로 적용화를 위한 시작품 제작에도 일련의 주조 공정 라인이 요구된다. 하지만 3D 프린팅은 디자인만 있으면 별도의 금형이나 절삭가공 없이 단시간 내에 제품을 제작할 수 있어 디자인의 한계를 극복하고 소재를 절감하며, 저비용으로 제조가 가능한 장점이 있다. 따라서, 비용이 비싸고 여러 공정을 거쳐야 하는 기존의 제조 공정 대신 3D 프린팅을 이용하여 한 번에 부품제조가 가능할 경우 엄청난 부가가치를 창출할 핵심 기술이 될 수 있다. 산업계에서는 3D 프린팅 기술 고도화를 통해 Ni계, TiAl계 등의 초내열합금에 적용하고자 하나 기술적 한계로 인해 개발 연구가 필요한 상황이다. 따라서, 본 발명에서는 TiAl 합금을 3D 프린팅에 적용하기 위한 기술을 개발하는 데 그 의의를 가진다. Currently, IN713C, a Ni-based heat-resistant superalloy, is commonly used as a turbine material, but there are limitations in the material properties when applied to the operating temperature range of 950 o C to 1050 o C required for future turbochargers. Additionally, demand for TiAl alloy turbine wheels, a lightweight, heat-resistant titanium material that can reduce turbo lag, is increasing in the sports car, luxury car, and aftermarket markets. These complex-shaped metal parts are mainly cast using the existing investment casting method, but the investment casting method has high production costs due to a long and complex manufacturing process, and a series of casting process lines are required to produce prototypes for productive application. However, 3D printing has the advantage of overcoming design limitations, saving materials, and manufacturing at low cost because it can produce a product in a short time without a separate mold or cutting process as long as it has a design. Therefore, if it is possible to manufacture parts at once using 3D printing instead of the existing manufacturing process, which is expensive and requires multiple processes, it can be a core technology that will create tremendous added value. The industry is trying to apply it to super heat-resistant alloys such as Ni-based and TiAl-based by advancing 3D printing technology, but development research is necessary due to technical limitations. Therefore, the significance of the present invention is to develop a technology for applying TiAl alloy to 3D printing.

3D 프린터로 TiAl 합금 금속 제품의 제조 시 제품은 베이스 플레이트 위에서 제작된다. 하지만 적층 소재와 상이한 소재의 베이스 플레이트 일 때, 용융과 응고가 반복되는 3D 프린터 특성상 열적 특성이 달라 제조되는 부품에 결함을 발생시킨다. 그러므로 베이스 플레이트는 적층 소재와 동일한 소재로 제작되어야 하며 플레이트 내 결함은 억제되어야 한다. 본 발명에서는 베이스 플레이트 제조 방법을 개선하여 내부 결함이 적은 적층형 3D 프린터용 TiAl 베이스 플레이트를 제조하고자 한다. When manufacturing TiAl alloy metal products with a 3D printer, the product is manufactured on a base plate. However, when the base plate is made of a different material from the laminated material, the thermal characteristics are different due to the nature of the 3D printer where melting and solidification are repeated, causing defects in the manufactured parts. Therefore, the base plate must be made of the same material as the laminated material, and defects within the plate must be suppressed. The present invention aims to improve the base plate manufacturing method to manufacture a TiAl base plate for a stacked 3D printer with fewer internal defects.

따라서, 상기한 목적을 달성하기 위하여, 다음과 같은 제조 방법을 제시한다. Therefore, in order to achieve the above-mentioned purpose, the following manufacturing method is proposed.

1. 적층 소재와 동일한 소재로 베이스 플레이트를 제작한다. 1. Make a base plate from the same material as the laminated material.

2. 균질하고 고청정한 TiAl 베이스 플레이트 제조를 위해서는 유도 스컬 용융 장비를 활용한다.2. Induction skull melting equipment is used to manufacture homogeneous and highly clean TiAl base plates.

3. 소재의 수축율을 고려한 흑연 몰드를 설계 및 제작하여 본 발명에 적용한다.3. Design and manufacture a graphite mold considering the shrinkage rate of the material and apply it to the present invention.

4. 건전한 플레이트 주조를 위해 주조 시 흑연 몰드를 모래에 깊게 장입한 뒤 용탕 금속을 출탕한다. 4. For sound plate casting, the graphite mold is deeply loaded into the sand during casting and then the molten metal is tapped out.

본 발명에서 개발된 3D 프린터용 TiAl 베이스 플레이트 주조 기술은 TiAl 이외의 적층형 3D 프린터 기술에도 적용 가능하다. The TiAl base plate casting technology for 3D printers developed in the present invention can also be applied to layered 3D printer technologies other than TiAl.

TiAl 제품 제작을 위한 3D 프린팅 기법이 확립되면 자동차뿐 아니라 항공기 엔진 등의 가스 터빈 블레이드 등으로 적용이 가능하며, 국내외 수요가 증가할 것이다. Once the 3D printing technique for producing TiAl products is established, it can be applied not only to automobiles but also to gas turbine blades such as aircraft engines, and domestic and international demand will increase.

도 1은 본 발명의 3D 프린터용 TiAl 베이스 플레이트 제조 공정도이다.
도 2는 본 발명의 비교예 및 실시예에 사용된 (a) TiAl 스크랩 및 (b) 흑연 몰드이다.
도 3은 비교예 및 실시예에서 주조 시 흑연 몰드의 모래 내의 위치이다.
도 4는 비교예 및 실시예로 주조된 TiAl 베이스 플레이트 주조품이다. Figure 1 is a process diagram for manufacturing a TiAl base plate for a 3D printer of the present invention.
Figure 2 shows (a) TiAl scrap and (b) graphite molds used in comparative examples and examples of the present invention.
Figure 3 shows the position in the sand of the graphite mold during casting in Comparative Examples and Examples.
Figure 4 shows TiAl base plate castings cast as comparative examples and examples.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 구성요소 등이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 구성요소 등이 존재하지 않거나 부가될 수 없음을 의미하는 것은 아니다.The terms used in this application are only used to describe specific embodiments and are not intended to limit the invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this application, terms such as “include” or “have” are intended to designate the presence of features, components, etc. described in the specification, but one or more other features or components, etc. may not be present or may be added. That doesn't mean there isn't one.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by a person of ordinary skill in the technical field to which the present invention pertains. Terms defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related technology, and unless clearly defined in the present application, should not be interpreted in an ideal or excessively formal sense. No.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the attached drawings, the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily implement it.

본 발명은 흑연 몰드를 적용하고 유도 스컬 용융로(Induction Skull Melting, ISM)를 사용하여 주조 시 온도의 급격한 변화를 억제하여 내부결함이 없는 3D 프린터용 TiAl 베이스 플레이트 제조 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method of manufacturing a TiAl base plate for a 3D printer without internal defects by applying a graphite mold and suppressing rapid changes in temperature during casting using an induction skull melting (ISM) furnace.

도 1은 본 발명의 3D 프린터용 TiAl base plate 제조 공정도이다. Figure 1 is a manufacturing process diagram of a TiAl base plate for a 3D printer of the present invention.

구체적으로, 본 발명의 제조 방법은 하기 단계들을 포함할 수 있다.
(S-1) 수냉식 구리 도가니에 TiAl 스크랩을 장입하는 단계;
(S-2) 상기 수냉식 구리 도가니에 장입된 TiAl 스크랩을 1650 ~ 1850 ℃에서 5 분간 용해시킨 후, 500 ~ 600초간 유지시켜 완전 용해시키는 단계:
(S-3) 상기 완전 용해시킨 TiAl 용탕을 모래 내부에 완전히 장입시킨 베이스 플레이트 주조용 흑연몰드로 출탕시키는 단계; Specifically, the manufacturing method of the present invention may include the following steps.
(S-1) charging TiAl scrap into a water-cooled copper crucible;
(S-2) Step of dissolving the TiAl scrap charged in the water-cooled copper crucible at 1650 to 1850°C for 5 minutes and then maintaining it for 500 to 600 seconds to completely dissolve:
(S-3) tapping the completely dissolved TiAl molten metal into a graphite mold for casting a base plate completely filled with sand;

((S-4) 상기 베이스 플레이트 주조용 흑연몰드로 출탕시킨 TiAl 용탕을 응고시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 TiAl 베이스 플레이트 제조 방법의 개발에 관한 것이다. It relates to the development of a method for manufacturing a TiAl base plate for a 3D printer, comprising ((S-4) solidifying the TiAl molten metal tapped with the graphite mold for casting the base plate.

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상기 (S-1) 단계 이전에, TiAl 스크랩 표면에 존재하는 불순물을 제거하는 단계를 포함할 수 있다. Before step (S-1), a step of removing impurities present on the surface of TiAl scrap may be included.

상기 (S-1) 단계에서, 사용되는 TiAl 스크랩은 터빈 휠, 터보차저 등의 다양한 형태의 원료를 사용할 수 있다. In the step (S-1), various types of raw materials such as turbine wheels and turbochargers can be used as TiAl scrap.

상기 (S-3)와 (S-4) 단계에서, 베이스 플레이트 주조용 몰드는 주조품의 품질향상을 위해 세라믹 몰드 대신 흑연 몰드를 사용하는 것을 특징으로 한다. In steps (S-3) and (S-4), the mold for casting the base plate is characterized by using a graphite mold instead of a ceramic mold to improve the quality of the cast product.

또한, 상기 (S-3) 단계에서, 흑연 몰드는 용탕 금속의 냉각속도 제어를 위해 모래 내에 완전히 장입하는 것을 특징으로 한다. 일반적인 주조에 있어 용융금속의 몰드로의 출탕 후 용탕의 빠른 냉각에 의해 용탕 내에서 발생된 가스가 주조품 내부로 무분별하게 자리를 잡아 주조품의 결함을 초래한다. 따라서 본 발명에서는 출탕 몰드를 모래 깊이 장입하여 용탕의 냉각속도를 감소시켜 건전한 TiAl 베이스 플레이트를 제조하고자 한다. 이것은 내부 결함을 줄임과 동시에 결함을 주조품 상부로 집중시켜 주조품 회수율을 향상시킬 수 있다. In addition, in the step (S-3), the graphite mold is completely charged into the sand to control the cooling rate of the molten metal. In general casting, after the molten metal is poured into the mold, the gas generated within the molten metal is rapidly cooled and settles indiscriminately inside the casting, causing defects in the casting. Therefore, in the present invention, a sound TiAl base plate is manufactured by charging the tapping mold deeply with sand to reduce the cooling rate of the molten metal. This can reduce internal defects and improve casting recovery rate by concentrating defects at the top of the casting.

상기 (S-2) 단계의 TiAl의 완전하고 균일한 용융을 위해 유도 스컬 용융 방식을 적용한다. 이 때의 용융온도는 1650 ~ 1850 ℃에서 용용시키는 것을 특징으로 한다. For complete and uniform melting of TiAl in step (S-2), an induction skull melting method is applied. The melting temperature at this time is characterized by melting at 1650 ~ 1850 ℃.

상기 (S-4) 단계 이후, 주조된 TiAl 베이스 플레이트에서 흑연 몰드를 탈사하는 단계를 포함할 수 있다. After step (S-4), a step of removing the graphite mold from the cast TiAl base plate may be included.

도 2는 본 발명의 비교예 및 실시예에 사용된 (a) TiAl 스크랩 및 (b) 흑연 몰드이다. Figure 2 shows (a) TiAl scrap and (b) graphite molds used in comparative examples and examples of the present invention.

이하, 도 1과 2를 참고하여 3D 프린터용 TiAl 베이스 플레이트 제조 방법을 구체적으로 설명하고자 한다.Hereinafter, a method for manufacturing a TiAl base plate for a 3D printer will be described in detail with reference to FIGS. 1 and 2.

[비교예][Comparative example]

TiAl 베이스 플레이트 주조를 위해 TiAl 터빈휠 스크랩 10 kg을 준비한다. 이 후 TiAl 터빈휠 스크랩 10 kg을 수냉식 구리 도가니에 장입 한 후 1650 ~ 1850

Figure 112021103536072-pat00002
에서 5 분간 용해시킨 후 500 ~ 600초의 유지 시간을 가진다. 완전히 용융된 TiAl 스크랩을 모래 내부에 장입하지 않은 150mm × 150mm × 10mm의 흑연 몰드로 출탕하여 2시간 동안 응고시킨 후 몰드를 탈사하여 3D 프린터용 TiAl base plate를 주조한다. Prepare 10 kg of TiAl turbine wheel scrap for TiAl base plate casting. Afterwards, 10 kg of TiAl turbine wheel scrap was charged into a water-cooled copper crucible and heated for 1650 ~ 1850.
Figure 112021103536072-pat00002
After dissolving for 5 minutes, the holding time is 500 to 600 seconds. The completely melted TiAl scrap is tapped into a 150mm

[실시예][Example]

TiAl 베이스 플레이트 주조를 위해 TiAl 터빈휠 스크랩 10 kg을 준비한다. 이 후 TiAl 터빈휠 스크랩 10 kg을 수냉식 구리 도가니에 장입 한 후 1650 ~ 1850

Figure 112021103536072-pat00003
에서 5 분간 용해시킨 후 500 ~ 600초의 유지 시간을 가진다. 완전히 용융된 TiAl 스크랩을 모래 내부에 완전히 장입된 150mm × 150mm × 10mm의 흑연 몰드로 출탕하여 2시간 동안 응고시킨 후 몰드를 탈사하여 3D 프린터용 TiAl 베이스 플레이트를 주조한다. Prepare 10 kg of TiAl turbine wheel scrap for TiAl base plate casting. Afterwards, 10 kg of TiAl turbine wheel scrap was charged into a water-cooled copper crucible and heated for 1650 ~ 1850.
Figure 112021103536072-pat00003
After dissolving for 5 minutes, the holding time is 500 to 600 seconds. The completely melted TiAl scrap is tapped into a 150 mm

도 3은 비교예 및 실시예에 의해 TiAl 베이스 플레이트 주조 시 흑연 몰드의 모래 내의 위치이다. 비교예의 경우 몰드 내에서 생성된 기공이 용융금속의 급속한 냉각에 의해 베이스 플레이트 내부에 불균일하게 트랩되어져 베이스 플레이트 전체에 결함을 발생시킨다. 하지만, 실시예에서는 몰드가 모래에 장입되어져 용융 금속의 응고 속도를 감소시켜 용탕 내에서 생성된 기공이 베이스 플레이트의 표면으로 이동된다. 따라서, 베이스 플레이트의 내부 결함을 줄임과 동시에 기공을 베이스 플레이트 상부로 집중시켜 베이스 플레이트 회수율을 증대시킨다. Figure 3 shows the position in the sand of the graphite mold when casting a TiAl base plate according to comparative examples and examples. In the comparative example, pores created within the mold are trapped unevenly inside the base plate by rapid cooling of the molten metal, causing defects throughout the base plate. However, in the embodiment, the mold is filled with sand to reduce the solidification rate of the molten metal, so that the pores created in the molten metal are moved to the surface of the base plate. Therefore, internal defects in the base plate are reduced and pores are concentrated on the upper part of the base plate, thereby increasing the base plate recovery rate.

도 4는 비교예 및 실시예로 주조된 TiAl 베이스 플레이트 주조품이다. 비교예에서는 빠른 냉각으로 인해 다수의 기공이 확인되었으나 실시예에서는 느린 냉각으로 베이스 플레이트의 건전한 표면을 확보하였다. Figure 4 shows TiAl base plate castings cast as comparative examples and examples. In the comparative example, many pores were identified due to rapid cooling, but in the example, a healthy surface of the base plate was secured through slow cooling.

이는 용융금속의 냉각속도가 주조품의 결함 및 특성에 영향을 주기 때문에 주조 시 용탕의 냉각속도의 제어가 중요함을 의미한다. This means that control of the cooling rate of the molten metal during casting is important because the cooling rate of the molten metal affects the defects and characteristics of the casting.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위, 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is indicated by the claims described below rather than the detailed description above, and all changes or modified forms derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts are interpreted to be included in the scope of the present invention. It has to be.

Claims (7)

(S-1) 수냉식 구리 도가니에 TiAl 스크랩을 장입하는 단계;
(S-2) 상기 수냉식 구리 도가니에 장입된 TiAl 스크랩을 1650 ~ 1850 ℃에서 5 분간 용해시킨 후, 500 ~ 600초간 유지시켜 완전 용해시키는 단계:
(S-3) 상기 완전 용해시킨 TiAl 용탕을 모래 내부에 완전히 장입시킨 베이스 플레이트 주조용 흑연몰드로 출탕시키는 단계 ;
(S-4) 상기 베이스 플레이트 주조용 흑연몰드로 출탕시킨 TiAl 용탕을 응고시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 TiAl 베이스 플레이트의 제조 방법.(S-1) charging TiAl scrap into a water-cooled copper crucible;
(S-2) Step of dissolving the TiAl scrap charged in the water-cooled copper crucible at 1650 to 1850°C for 5 minutes and then maintaining it for 500 to 600 seconds to completely dissolve:
(S-3) tapping the completely dissolved TiAl molten metal into a graphite mold for casting a base plate completely filled with sand;
(S-4) solidifying the TiAl molten metal tapped into the graphite mold for casting the base plate. 제1항에 있어서,
상기 (S-1) 단계 이전에, TiAl 스크랩 표면에 존재하는 불순물을 제거하는 단계를 포함할 수 있는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 TiAl 베이스 플레이트의 제조 방법.According to paragraph 1,
A method of manufacturing a TiAl base plate for a 3D printer, which may include the step of removing impurities present on the surface of the TiAl scrap before the step (S-1). 제1항에 있어서,
상기 (S-1) 단계에서, 사용되는 TiAl 스크랩은 터빈 휠 및 터보차저를 원료로 사용하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 TiAl 베이스 플레이트의 제조 방법.According to paragraph 1,
In the step (S-1), the TiAl scrap used is a method of manufacturing a TiAl base plate for a 3D printer, characterized in that a turbine wheel and a turbocharger are used as raw materials. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 (S-3) 단계의 TiAl 금속의 용융은 유도 스컬 용융 방식을 적용하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 베이스 플레이트의 제조 방법.According to paragraph 1,
A method of manufacturing a base plate for a 3D printer, characterized in that the melting of TiAl metal in step (S-3) applies an induction skull melting method.
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Citations (2)

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JP2976545B2 (en) 1991-01-30 1999-11-10 トヨタ自動車株式会社 Molding method in filling casting method
JP2015205325A (en) 2014-04-22 2015-11-19 株式会社Ihi CASTING METHOD OF TiAl ALLOY

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