KR20130103383A - 티타늄 분말 생산 장치 및 방법 - Google Patents

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데일 알. 맥브라이드
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에프엠더블유 컴포지트 시스템즈, 아이엔씨.
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Abstract

용융물로부터 티타늄 금속 분말을 제조하기 위한 방법 및 장치가 제공된다. 상기 장치는 내부의 티타늄 금속 분말의 오염을 방지하기 위하여, CP-Ti로 코팅되거나 또는 완전히 CP-Ti로 형성된 내측 벽을 갖는 연무화 챔버를 포함한다. 상기 연무화 챔버에 후속하는 유동 경로 내에 있는 상기 장치의 모든 구성요소들의 내부 표면들도 CP-Ti로 코팅되거나 또는 완전히 CP-Ti로 형성될 수 있다.

Description

티타늄 분말 생산 장치 및 방법{Titanium powder production apparatus and method}
본 발명은 티타늄 분말 생산 장치 및 방법에 관한 것이고, 특히 티타늄 분말의 오염을 방지하는 티타늄 분말 생산 장치 및 방법에 관한 것이다.
분말 야금술은, 항공우주공학 등의 중요한 적용예들을 위한 티타늄으로 만들어진 부품 생산의 중요한 기술이다. 티타늄 금속 분말은 프로세스 경로(process path)에서 기본 원료이다. 아르곤 등의 불활성 가스를 이용한 연무화(煙霧化)는, 높은 팩킹 밀도(packing density)를 가지는 균일한 구형 형상의 분말들을 생산하기 위하여 흔히 사용되는 프로세스이다. 가스 연무화(gas atomization)를 위한 전형적인 장치는 액정 금속 스트림 공급원(liquid metal stream supply source), 연무화 가스 제트, 및 냉각 챔버로 구성되어 있다. 용융 티타늄의 자유 낙하 흐름(free-falling stream)이 고속으로 불활성 가스 제트와 충돌하게 되고, 티타늄의 연무화된 액적들은 상기 챔버를 통해 비행 중에 고체화되어, 상기 챔버의 저부에서 수집된다. 매우 구체적으로 제어된 구조를 얻기 위하여는, 액적들의 고체화 중에 매우 높은 냉각속도가 필요하다. 상기 연무화 챔버의 구조 및 설계에 관한 다음의 몇몇 사항들은 중요하다.
1. 상기 챔버는, 접촉시 티타늄과 반응하지 않는 재료로 제작되어야 한다.
2. 상기 챔버는, 티타늄 액적들이 상기 챔버의 벽들 또는 저부 섹션과 접촉하기 전에 티타늄 액적들이 고체화됨을 허용할 정도로 충분히 커야 한다.
3. 상기 챔버는, 대기 오염을 방지하기 위해서 완전히 비워질 수 있어야 한다.
4. 챔버의 설계형태는, 챔버 내부의 완전한 세정 및 검사를 위해서 접근이 용이해야 한다.
스테인리스 스틸은 티타늄 연무화 챔버의 제작을 위해 가장 흔히 사용되는 재료이다. 티타늄 액적들 중 일부가 고체화 전에 연무화 챔버에 부딪칠 가능성이 존재한다. 이 액적들은 스테인리스 스틸과 반응하여, 본질적으로 부서지기 쉽고 용융점이 낮은 화합물이 생성된다. 이 화합물들은 오염물로서 티타늄 분말 스트림 안으로 들어가서, 표준 품질 관리 기술에서는 검출되지 않은 채로 남아 있게 된다. 이 오염된 분말들로 만들어진 성분들은 사용중에 있어서의 치명적인 고장을 초래한다.
본 발명은 종래 기술에 비하여 개선된 티타늄 분말 생산 장치 및 방법을 제공함을 목적으로 한다.
본 발명에 따르면, 연무화 단계를 넘어서, 생산되고 있는 금속 분말을 오염시키지 않는 금속으로 금속 분말 유동 경로를 라이닝(lining)하거나 또는 금속 분말 유동 경로를 제작함으로써, 상기 분말 금속 오염이 제거될 수 있다.
티타늄 금속 분말의 경우, 연무화 챔버의 벽은 순수 금속 티타늄인 CP-Ti 으로 라이닝 또는 제작되는 것이 바람직하다. 생산되고 있는 티타늄 금속이 Ti-6Al-4V 이라면 Ti-6Al-4V와 같은 티타늄 합금이 라이너(liner) 또는 챔버 벽으로서 사용될 수 있으나, 모든 티타늄 합금들은 주로 티타늄 금속으로 이루어지기 때문에 CP-Ti 는 임의의 티타튬 합금에 대해서 범용적으로 사용될 수 있다.
챔버 클리닝 작업(chamber cleaning operation)에서 금속 오염이 생성될 수 있기 때문에 이 해결방안은 임의의 분말 금속 생산 시스템에 적용되며, 이 방법에서는 챔버 벽에 대한 분말 볼(powder ball)의 본딩(bonding)이 때때로 있기 때문에, 특히 용융물로부터의 금속 분말 생산에 적용 가능하다.
용융물로부터의 연무화에는 가스 연무화(gas atomization; GA) 및 스피닝 전극법(spinning electrode method; PREP)이 포함되는바, 가스 연무화에서는 용융된 금속 스트림이 고속의 불활성 가스 제트와 부딪쳐서 분말을 형성하게 되고, 스피닝 전극법에서는 금속 바아(metal bar)가 고속으로 회전하는 중에 그 금속 바아의 단부가 용융되어서 금속 액적들을 발산하게 된다.
어느 경우에도, 용융은 전자빔, 플라즈마 토치, 전기 아크, 유도 가열, 레이저 가열 또는 다른 어떤 충분히 강력한 가열 방법에 의해 달성 될 수있다.
도 1 은 티타늄 분말을 생산하기 위한 장치의 일부분의 개략도이다.
도 1 을 참조하면, 티타늄 분말 생산 장치(10)는 공지된 시스템으로부터, 연무화된 액체 금속 스트림 공급(atomized liquid metal stream supply)을 받기 위한 연무화 챔버 또는 고온 스프레이 챔버(12)를 포함하는바, 상기 공지된 시스템으로서는 냉벽 유도 안내 시스템(cold wall induction guiding system), 전극 유도 용융 가스 연무화 프로세스(electrode induction melting gas atomization process), 플라즈마-용융 유도-안내 가스 연무화 방법, 3중 용융 프로세스, 또는 임의의 다른 공지된 시스템이 있다. 연무화 챔버(12)로부터의 분말은, 도 1 에 도시된 바와 같이, 운반 튜브(14)와 사이클론 분리기(16)를 통하고 나서 분말 컨테이너(18) 안으로 가게 된다.
본 발명에 따르면, 연무화 챔버(12)의 전체 내부 표면(20)은, 앞서 설명된 바와 같이 티타늄 분말 금속을 포함하는 용융물로부터 생성되는 티타늄 금속 분말의 오염을 방지하기 위하여 CP-Ti 로 형성되거나 또는 CP-Ti로 코팅된다. 예시적인 예로서, 연무화 챔버(12)의 내부 표면(20) 상의 CP-Ti 코팅은 대략 2mm 의 두께를 가질 수 있다. 연무화 챔버는 예를 들어 스테인리스 스틸과 같은 임의의 적합한 소재로 형성될 수 있다. 대안적으로는, 다른 소재로 형성된 연무화 챔버(12)의 내부 표면 상에 CP-Ti 을 코팅하는 대신에, 연무화 챔버(12)를 CP-Ti로 형성할 수도 있다.
티타늄 분말의 오염 방지를 더 보장하기 위하여, 연무화 챔버(12) 이후의 유동 경로 전체가 CP-Ti로 코팅 또는 형성될 수 있다. 예를 들어, 티타늄 분말의 오염을 방지하기 위하여, 운반 튜브(14), 사이클론 분리기(16), 및 분말 컨테이너(18) 모두가 CP-Ti로 형성되거나 또는 그 모두의 내부가 CP-Ti로 코팅될 수 있다.
처리되고 있는 티타늄 분말 금속이 Ti-6Al-4V 이라면 연무화 챔버(12) 및 후속의 유동 경로 내의 챔버 벽(20) 또는 라이너에 Ti-6Al-4V 와 같은 티타늄 합금이 사용될 수 있으나, 모든 티타늄 합금은 주로 티타늄 금속으로 구성되기 때문에 임의의 티타늄 합금에서 CP -Ti 가 보편적으로 사용될 수 있다.
본 발명은 현재로서 가장 실용적이고 바람직한 것으로 생각되는 실시예를 중심으로 설명되었으나, 본 발명이 여기에서 설명된 실시예에만 국한되는 것이 아니며, 오히려 첨부된 청구범위의 취지 및 범위 내에서의 다양한 변형예들 및 균등한 구성도 포괄한다는 점이 이해되어야 할 것이다.

Claims (8)

  1. 티타늄 분말 금속을 포함하는 용융물(melt)로부터 티타늄 금속 분말을 생산하기 위한 장치로서,
    내부에 있는 티타늄 금속 분말의 오염을 방지하기 위하여 CP-Ti 으로 코팅되거나 또는 완전히 CP-Ti 으로 형성된 내측 벽을 가진 연무화 챔버(atomization chamber)를 포함하는, 티타늄 분말 생산 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 티타늄 분말 생산 장치는 상기 연무화 챔버의 배출 개구에 연결된 분말 운반 튜브(powder conveying tube), 상기 분말 운반 튜브에 연결된 사이클론 분리기(cyclone separator), 및 상기 사이클론 분리기에 연결된 분말 컨테이너를 더 포함하고, 상기 운반 튜브, 사이클론 분리기, 및 분말 컨테이너의 내부 표면들은 CP-Ti으로 코팅되거나 완전히 CP-Ti으로 형성된, 티타늄 분말 생산 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연무화 챔버의 내측 벽에는 CP-Ti가 2mm 초과의 두께로 코팅된, 티타늄 분말 생산 장치.
  4. 티타늄 분말 금속을 포함하는 용융물로부터 티타늄 분말을 생산하기 위한 장치에서 티타늄 분말의 오염을 방지하기 위한 방법으로서, 상기 장치는 내측 벽을 가진 연무화 챔버를 구비하고,
    상기 방법은 상기 내측 벽을 CP-Ti로 코팅함 또는 상기 내측 벽을 완전히 CP-Ti로 형성함을 포함하는, 티타늄 분말 생산 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 내측 벽 상의 CP-Ti의 코팅은 대략 2mm 인, 티타늄 분말 생산 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 티타늄 분말 생산 장치는 연무화 챔버에 후속되는 유동 경로에 운반 튜브, 사이클론 분리기, 및 분말 컨테이너를 더 포함하고,
    상기 티타늄 분말 생산 방법은 상기 운반 튜브, 사이클론 분리기, 및 분말 컨테이너의 내부 표면들을 CP-Ti으로 코팅함 또는 상기 운반 튜브, 사이클론 분리기, 및 분말 컨테이너의 내부 표면들을 완전히 CP-Ti으로 형성함을 포함하는, 티타늄 분말 생산 방법.
  7. 용융물로부터 티타늄 금속 분말을 생산하기 위한 장치로서,
    내측 벽을 갖는 연무화 챔버 내에서, 용융된 티타늄의 스트림(stream)이 고속으로 불활성 가스와 부딪치고,
    상기 내측 벽은, 상기 금속 분말의 오염을 방지하기 위하여, CP-Ti로 코팅되거나 또는 완전히 CP-Ti로 형성된, 티타늄 분말 생산 장치.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 티타늄 분말 생산 방법은, 상기 연무화 챔버에 후속하는 유동 경로에 있는 상기 장치의 모든 구성요소들의 내부 표면들을 CP-Ti로 코팅함, 또는 상기 내부 표면들을 완전히 CP-Ti로 형성함을 더 포함하는, 티타늄 분말 생산 방법.
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