KR20160140692A - 사전-제조된 본체들에 의해 금속 컴포넌트를 제조하기 위한 방법 - Google Patents

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마르틴 외스트룬드
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산드빅 인터렉츄얼 프로퍼티 에이비
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Abstract

본 개시는 금속 컴포넌트 (50) 를 제조하기 위한 방법에 관한 것이고, 상기 방법은 - 상기 금속 컴포넌트 (50) 의 형상의 적어도 일부를 규정하는 캡슐 (5) 을 제공하는 단계 (100), - 상기 캡슐 (5) 에 금속 재료 (7) 를 배열하는 단계 (200), - 상기 캡슐 (5) 을 밀봉하는 단계 (300), - 상기 캡슐 (5) 을 사전 결정된 시간 동안, 사전 결정된 압력에서 그리고 사전 결정된 온도에서 열간 정수압 소결법으로 처리하는 단계 (400), - 선택적으로, 상기 캡슐 (5) 을 제거하는 단계 (500) 를 포함하고, 상기 금속 재료 (7) 는 적어도 하나의 사전-제조된 코히런트 본체 (1, 2, 3, 4) 를 포함하고, 상기 사전-제조된 코히런트 본체 (1, 2, 3, 4) 는 금속 파우더로 이루어지고, 상기 금속 파우더의 적어도 일부는 상기 금속 파우더가 사전-제조된 코히런트 본체 (1, 2, 3, 4) 내로 함께 유지되도록 강화되고, 상기 사전-제조된 코히런트 본체 (1, 2, 3, 4) 의 적어도 하나의 부분은 금속 파우더의 중첩된 층들을 후속적으로 배열함으로써 적층 가공에 의해 제조되는 것을 특징으로 한다.

Description

사전-제조된 본체들에 의해 금속 컴포넌트를 제조하기 위한 방법{A METHOD FOR MANUFACTURE A METALLIC COMPONENT BY PRE-MANUFACTURED BODIES}
본 개시는 제 1 항의 서문에 따른 금속 컴포넌트를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
열간 정수압 소결법 (HIP) 은 높은 성능 재료들로 그리고 네트 형상에 가깝게 컴포넌트들을 제조하기 위한 바람직한 방법이다. HIP 에서, 캡슐은 컴포넌트의 형상을 규정하고 전형적으로 스틸 시트들로부터 제조된다. 캡슐은 금속- 또는 복합재 파우더로 충전되고 높은 온도 및 높은 정수압 압력을 거쳐서 금속 파우더는 단조와 같은 강도를 갖는 밀집형 컴포넌트에 금속 가공학적으로 본딩된다.
열간 정수압 소결법은 상이한 재료의 영역들을 갖는 컴포넌트들을 제조하기 위해 적절하다. 전형적으로, 그러한 컴포넌트들은 캡슐 내에 파우더 형태로 상이한 재료들을 첨가함으로써 제조된다. 이로써 각각의 별개의 재료의 원하는 특성들을 달성하도록, 상이한 파우더들의 혼합을 회피하는 것이 결정적이다.
캡슐에 상이한 파우더들을 위치시키는 일반적인 기술은 파우더 충전 중에 충전 형판을 사용하고 그 후에 캡슐을 밀봉하기 전에 형판을 제거하는 것이다. 이러한 기술이 갖는 단점은 형판이 제거될 때 파우더의 분리를 제어하는 것이 상당히 어렵다는 점이다. 상기 기술은 또한 상이한 파우더 영역들의 크기 및 기하학적 형상에 관해 상당히 제한된다.
상이한 재료의 영역들을 갖는 컴포넌트들의 제조를 용이하게 하기 위한 시도가 행해져 왔다. 예를 들면, WO2010/114474 는 금속 파우더 및 폴리머 재료의 본체가 제조되고 그 후 HIP 캡슐에서 선택된 영역들에 위치되는 방법을 도시한다. 그러나, 성공적이라고 증명되었음에도 불구하고, 이러한 방법은 본체들에서 폴리머 재료가 HIP 전에 제거될 필요가 있기 때문에 시간 소모적이다. 상기 방법은 추가로 캡슐에서 탄소가 풍부한 잔여물을 발생시킬 수 있다.
결국에, 본 개시의 양상은 종래 기술의 하나 이상의 문제점들을 해결하거나 또는 적어도 극복하는 금속 컴포넌트들을 제조하기 위한 방법을 달성하는 것이다.
특히, 본 개시의 양상은 HIP 로 금속 컴포넌트들에 대해 효과적인 제조를 허용하는 방법을 달성하는 것이다. 본 개시의 추가의 양상은 상이한 재료들의 영역들을 갖는 금속 컴포넌트의 제조를 위한 개선된 방법을 제공하는 것이다.
정의들
“금속 재료들”은 금속들 또는 금속들 및 비금속 페이즈들 또는 입자들의 복합재들인 재료를 의미한다. 금속들의 예들은 순수 금속들 또는 예를 들면 스틸과 같은 금속들 및 다른 원소들의 합금들이지만 이에 제한되지 않는다. 복합재 재료의 예는 예를 들면 Ni, Co, Fe, Cr 를 포함하지만 이에 제한되지 않는 금속 매트릭스에서 경질 페이즈들 또는 예를 들면 WC, TiC, TaC, TiN 를 포함하지만 이에 제한되지 않는 경질 입자들을 포함하는 금속 매트릭스 복합재들이다.
본원에서 사용된 바와 같은“금속 파우더 재료로 이루어지는 코히런트 본체” 또는 “코히런트 본체”는 파괴없이 수동으로, 즉 손으로 핸들링되는 것을 허용하도록 충분한 강도를 갖는 본체를 상호 의미한다.
본 개시에 따르면, 상기 언급된 양상들의 적어도 하나는 금속 컴포넌트를 제조하기 위한 방법에 의해 충족되고, 상기 방법은:
금속 컴포넌트 (50) 의 형상의 적어도 일부를 규정하는 캡슐 (5) 을 제공하는 단계 (100), 캡슐 (5) 에서 금속 재료 (7) 를 배열하는 단계 (200), 캡슐 (5) 을 밀봉하는 단계 (300), 캡슐 (5) 을 사전 결정된 시간 동안, 사전 결정된 압력에서 그리고 사전 결정된 온도에서 열간 정수압 소결법으로 처리하는 단계 (400), 선택적으로, 캡슐 (5) 을 제거하는 단계 (500) 를 포함하고, 금속 재료 (7) 는 적어도 하나의 사전-제조된 코히런트 본체 (1, 2, 3, 4) 를 포함하고 상기 사전-제조된 코히런트 본체 (1, 2, 3, 4) 는 금속 파우더로 이루어지고 금속 파우더의 적어도 일부는 금속 파우더는 사전-제조된 코히런트 본체 (1, 2, 3, 4) 내로 함께 유지되도록 강화되고 사전-제조된 코히런트 본체 (1, 2, 3, 4) 의 적어도 하나의 부분은 금속 파우더의 중첩된 층들을 후속적으로 배열함으로써 적층 가공에 의해 제조되는 것을 특징으로 한다.
적층 가공은 사전 성형된 본체가 형성될 때까지 금속 파우더의 별개의 층들 이 서로의 상단에 연속적으로 위치되는 기술이다. 이러한 기술은 복잡한 기하학적 형상들의 본체의 제조를 허용한다. 이전에 또는 이후에 규정된 바와 같은 본 방법에 따르면 적층 가공은 3D 프린팅일 수 있다.
본 개시에 따르면, 사전-제조된 코히런트 본체 (1, 2, 3, 4) 의 하나 이상의 부분은 적층 가공으로 제조되고, 예를 들면 사전-제조된 코히런트 본체 (1, 2, 3, 4) 의 두개의 또는 세개의 부분들이 적층 가공에 의해 제조된다. 이전에 또는 이후에 규정된 바와 같은 방법의 추가의 실시형태에 따르면, 사전-제조된 코히런트 본체 (1, 2, 3, 4) 는 적층 가공에 의해 제조되고, 즉 상기 사전-제조된 코히런트 본체 (1, 2, 3, 4) 의 모두는 적층 가공에 의해 제조된다.
이전에 또는 이후에 규정된 바와 같은 방법에서 사용된 사전-제조된 코히런트 본체 (1, 2, 3, 4) 는 파괴의 위험 없이 핸들링될 수 있다. 이는 HIP 캡슐에 높은 정확성으로 사전-제조된 코히런트 본체를 위치시키는 것을 가능하게 하고 몇개의, 예를 들면 두개 이상의 상이한 재료들의 본체들이 캡슐에 배열될 때에, 상이한 재료들이 혼합될 위험성이 없다.
전체 사전-제조된 코히런트 본체 (1, 2, 3, 4) 는 소결된 금속 파우더로 이루어질 수 있다. 따라서, 전체 사전-제조된 코히런트 본체 (1, 2, 3, 4) 는 소결에 의해 강화될 수 있다. 소결은 사전-제조된 코히런트 본체에서 충분한 강도를 달성하기 위한 효과적인 방법이다. 또한, 적당한 소결 온도를 선택함으로써, 최종 소결된 본체에는 루즈 (loose) 금속 파우더의 공극률을 근접하게 매칭하는 공극률이 주어질 수 있다. 따라서, 캡슐이 또한 루즈 금속 파우더로 충전될 때에, 소결된 본체는 루즈 금속 파우더와 동등한 방식으로 수축되고 변형될 것이다. 이는 차례로 최종 컴포넌트의 균질하고 예측 가능한 변형을 발생시킬 것이다.
대안예에 따르면, 단지 사전-제조된 코히런트 본체 (1, 2, 3, 4) 의 표면 부분만이 강화될 수 있다. 따라서, 사전-제조된 코히런트 본체 (1, 2, 3, 4) 의 표면 부분은 강화된 금속 파우더로 이루질 것이다.
추가로, 하나의 대안예에 따르면, 바인더는 금속 파우더 및 바인더의 중첩된 층들을 후속적으로 배열함으로써 적층 가공하기 전에 사전-제조된 코히런트 본체 (1, 2, 3, 4) 의 표면 부분에 첨가된다. 바인더는 소결이 수행되기 전에 예를 들면 열처리에 의해 증발될 수 있다.
대안예에 따르면, 사전-제조된 코히런트 본체의 표면 부분에서 금속 파우더는 용융후에 냉각에 의해 강화될 수 있다. 추가로, 이전에 또는 이후에 규정된 바와 같은 본 방법에 따르면, 표면 부분과 같은 사전-제조된 본체 (1, 2, 3, 4) 의 부분들은 레이저 빔 또는 전자 빔 조사를 사용함으로써 강화될 수 있다.
이전에 또는 이후에 규정된 바와 같은 방법이 밸브 디스크 (52) 및 밸브 스템 (53) 을 포함하는 밸브 스핀들 (50) 을 제조하기 위해 채용될 수 있고,
- 캡슐 (5) 은 밸브 디스크 (52) 의 적어도 일부를 규정하고,
- 금속 재료 (7) 는 밸브 시트 (1), 밸브 디스크 (52) 의 내부 부분을 규정하는 코어 헤드 (11) 를 포함하는 코어 본체 (2), 클래딩 층 (4) 및 코어 헤드 (11) 에 배열된 버퍼 층 (3) 으로 이루어지고,
밸브 시트 (1), 버퍼 층 (3) 및 클래딩 층 (4) 의 적어도 하나는 금속 파우더의 사전-제조된 코히런트 본체들이다.
대안예에 따르면, 밸브 시트 (1), 버퍼 층 (3) 및 클래딩 층 (4) 의 두개는 금속 파우더의 사전-제조된 코히런트 본체들일 수 있고 나머지 금속 재료는 루즈 금속 파우더일 수 있다. 이로써 오히려 상이한 재료들의 세개의 컴포넌트들을 구비한 복잡한 구성을 갖는 밸브 스핀들이 상이한 재료들을 혼합할 위험성 없이 제조될 수 있도록 달성된다. 사전 제조된 본체들은 바람직하게 소결되고, 이는 루즈 파우더와의 조합으로 HIP된 밸브 스핀들의 균질하고 예상 가능한 변형을 발생시킨다.
예를 들면, 적어도 밸브 시트 (1) 및 버퍼 층 (3) 은 금속 파우더의 사전-제조된 코히런트 본체들이고 클래딩 층 (4) 은 루즈 금속 파우더이다. 대안적으로, 적어도 밸브 시트 (1) 및 클래딩 층 (4) 은 금속 파우더의 사전-제조된 코히런트 본체들이고 버퍼 층 (3) 은 루즈 금속 파우더이다. 대안적으로, 적어도 버퍼 층 (3) 및 클래딩 층 (4) 은 금속 파우더의 사전-제조된 코히런트 본체들이고 밸브 시트는 루즈 금속 파우더이다. 대안적으로, 적어도 밸브 시트 (1), 버퍼 층 (3) 및 클래딩 층 (4) 은 금속 파우더의 사전-제조된 코히런트 본체들이다.
코어 본체 (2) 는 또한 금속 파우더의 사전-제조된 코히런트 본체일 수 있다. 그러나, 코어 본체는 또한 고체 금속 재료의 단조에 의해 제조될 수 있다.
이전에 또는 이후에 규정된 바와 같은 본 방법에 따르면, 밸브 시트 (1) 및/또는 버퍼 층 (3) 및/또는 클래딩 층 (4) 은 금속 파우더를 소결함으로써 사전-제조되고, 소결은 금속 파우더의 용융점 미만의 온도에서 그리고 대기압에서 수행된다. 코어 본체 (2) 는 금속 파우더의 사전-제조된 본체인 경우에 또한 코어 본체 (2) 는 소결될 수 있다.
바인더는 또한 사전-제조된 코히런트 본체 (1, 2, 3, 4) 의 표면 부분을 별도로 하고, 사전-제조된 코히런트 본체 (1, 2, 3, 4) 의 다른 부분에 첨가될 수 있다. 사전-제조된 코히런트 본체 (1, 2, 3, 4) 의 다른 부분들에 바인더의 첨가의 기능은 사전-제조된 코히런트 본체 (1, 2, 3, 4) 의 수동 핸들링을 위해 제공하는 것이고, 즉 상기 본체가 파괴없이 손에 의해 핸들링될 수 있다.
도 1-도 3 은 본 방법의 메인 단계들을 개략적으로 도시한다.
도 4 는 본 방법에 의해 얻어진 컴포넌트를 개략적으로 도시한다.
도 5 는 본 개시의 실시형태에 따른 사전-제조된 본체를 개략적으로 도시한다.
도 6 은 본 방법의 메인 단계들의 순서를 도시하는 플로우 차트이다.
이전에 그리고 이후에 규정된 바와 같은 방법은 다음에 밸브 스핀들의 형태로의 금속 컴포넌트의 제조를 참조하여 상세하게 설명될 것이다. 본 발명의 방법의 메인 단계들의 일반적인 순서는 도 6 의 플로우 차트에 도시된다.
도시된 실시형태는 2행정 선박용 디젤 엔진들을 위한 밸브 스핀들의 제조에 관한 것이다. 그러나, 이는 본 개시에 대한 제한으로 이해되어서는 안되고, 본 발명의 방법은 모든 타입들의 금속 컴포넌트들, 예를 들면 임펠러들, 연료 노즐들, 로터 샤프트들 및 스트레스-오-미터 (stress-o-meter) 링들의 제조를 위해 적절하는 것이 이해되어야 한다.
도 4 는 본 방법에 의해 얻어진 밸브 스핀들 (50) 의 단면 사시도를 개략적으로 도시한다. 밸브 스핀들 (50) 은 스템 (53) 및 밸브 디스크 (52) 을 포함한다. 밸브 디스크는 엔진에서 실린더실을 마주보는 플랫형 상부 표면 (54) 을 갖는다. 플랫형 표면 (54) 은 또한 배기 표면으로 불리운다. 단면도로 볼 때에, 밸브 스핀들 (50) 은 밸브 디스크 (2) 에 통합된 코어 헤드 (11) 를 갖는 코어 본체 (2) 를 포함하여서 코어 헤드 (11) 는 밸브 디스크 (52) 의 내부 부분을 형성한다. 코어 본체 (2) 는 또한 밸브 스핀들의 스템 (53) 을 형성하는 스템 부분 (12) 을 포함한다. 밸브 스핀들 (50) 은 밸브 시트 (3), 버퍼 층 (1) 및 내부식성 클래딩 (4) 을 추가로 포함한다. 버퍼 층 (1) 은 코어 본체에 배열된다. 특히 버퍼 층 (1) 은 코어 헤드 (11) 로부터 내부식성 클래딩 (4) 또는 밸브 시트 (3) 로의 탄소의 확산을 방지하도록 코어 헤드 (11) 와 내부식성 클래딩 (4) 사이의 그리고 밸브 시트 (3) 와 코어 헤드 (11) 사이의 코어 헤드 (11) 에 배열된다. 탄소는 클래딩 및 밸브 시트 (3) 의 내부식성 및 기계적 특성들에 부정적인 영향을 준다. 내부식성 클래딩 (4) 은 버퍼 층 및 밸브 시트를 커버하고 밸브 스핀들 (50) 의 밸브 디스크 (52) 의 외부 표면을 형성한다.
도 1 을 참조하면 본 방법의 제 1 단계 (100) 에서, 밸브 스핀들의 외부 형상 또는 윤곽의 적어도 일부를 규정하는 캡슐 (5) 이 제공된다. 캡슐 (5) 은 예를 들면 프레싱 또는 스핀 성형에 의해 적절한 형태로 성형되고 그 후에 함께 용접된 스틸 시트들로부터 제조된다. 바람직하게, 스틸 시트들은 저함량의 탄소를 갖는 스틸로부터 제조된다. 예를 들면, 저탄소 스틸은 0-0.09 wt% 탄소의 탄소 함량을 갖는다. 캡슐을 위해 적적한 스틸의 예들은 컴퍼니 SSAB 으로부터 입수 가능한 상업적으로 사용 가능한 스틸들 DC04, DC05 또는 DC06 이다. 그러한 스틸들은 밸브 스핀들에 최소한의 탄소 확산을 제공하기 때문에 적절하다. 이들 스틸 그레이드들의 추가의 이점은 그것들이 산에서 피클링에 의해 용이하게 제거될 수 있다는 점이다. 캡슐 (5) 은 원형 단면을 갖고 밸브 스핀들 (50) 의 스템 (53) 의 형태를 갖는 하부 원통형 부분으로 이루어진다. 캡슐 (5) 의 상부 부분은 밸브 스핀들 (1) 의 밸브 디스크 (52) 의 형태를 갖는다.
도 2 를 참조하면 제 2 단계 (200) 에서, 금속 재료 (7) 는 캡슐에 배열된다. 금속 재료는 밸브 시트 (1), 코어 본체 (2), 버퍼 층 (3) 및 클래딩 층 (4) 으로 이루어진다.
밸브 시트 (1) 는 상업적으로 입수 가능한 합금 Inconel 718 으로 제조된다. 이러한 재료는 높은 인성, 높은 경도 및 고온 부식성에 대해 양호한 저항성을 갖는다. 다른 적절한 재료들은 원소들, 즉 몰리브덴, 크롬, 니오븀, 알루미늄 또는 티타늄 중 하나 또는 몇개를 포함하는 니켈계 또는 코발트계 합금들과 같은 석출 경화 합금들을 포함한다. 밸브 시트에 대해 적절한 합금의 또 다른 예는 Ni40Cr3.5NbTi 이다.
사전 성형된 코어 본체 (2) 는 0.15-0.35 wt% 의 탄소 함량을 갖는 합금된 스틸로부터 제조될 수 있다. 사전 성형된 코어 본체에 대해 적절한 스틸의 일례는 상업적으로 입수 가능한 SNCrW-스틸일 수 있다. 사전-성형된 코어 본체 (2) 는 적층 가공을 사용함으로써 제조될 수 있다. 사전-성형된 코어 본체 (2) 는 단조에 의해 제조될 수 있다.
버퍼 층 (3) 은 코어 본체 (2) 의 헤드 (11) 에 배열된다. 버퍼 층 (3) 은 코어 헤드 (11) 의 에지 부분 및 상부 측을 커버한다. 버퍼 층 (3) 은 0-0.09 wt% 탄소의 탄소 함량을 갖는 저탄소 스틸로 이루어질 수 있다. 버퍼 층은 12-25 wt%, 예를 들면 14-20 wt% 의 양의 크롬과 추가로 합금될 수 있다. 버퍼 층에 대해 하나의 적절한 재료는 상업적으로 입수 가능한 316L-스틸이다. 원칙적으로, 버퍼 층은 코어 원소로부터 탄소를 흡수하고 크롬이 풍부한 카바이드들의 형성을 통해 버퍼 층에서 탄소를 바인딩한다. 버퍼 층은 코어 원소와 밸브 시트 사이에 연속 층을 형성하도록 충분히 두꺼워야 한다. 버퍼 층의 두께는 코어 원소에서 탄소의 양 및 엔진에서 작동 조건들에 추가로 종속되고, 예를 들면 버퍼 층의 두께는 2-10 mm, 예를 들면 3-7 mm, 예를 들면 3 mm 또는 5 mm 의 범위이다.
버퍼 층 (3) 의 상단에는 클래딩 층 (4) 이 배열된다. 클래딩 층 (4) 은 밸브 디스크 (52) 의 주변 부분 및 배기 측 (4) 을 형성한다. 클래딩 층은 높은 내부식성 합금으로부터 제조된다. 합금은 Cr, Nb, Al 및 Mo 를 포함하는 니켈계 합금일 수 있다. 클래딩 층에 대해 적절한 합금들의 예들은 상업적으로 입수 가능한 합금들 Ni49Cr1Nb 또는 Inconel 657 이다.
개시에 따르면, 밸브 시트 (1), 코어 본체 (2), 버퍼 층 (3) 및 클래딩 층 (4) 의 적어도 하나는 강화된 금속 파우더로 이루어지는 사전-제조된 코히런트 본체이어서 금속 파우더는 코히런트 본체 내에서 함께 유지된다. 즉, 본체들 (1, 2, 3, 4) 은 파괴 없이 수동으로 핸들링될 정도로, 즉 손에 의해 픽업되고 캡슐에 위치될 정도로 충분히 강하다. 본체들 (1, 2, 3, 4) 의 각각은 금속 파우더로 이루어진 사전-제조된 코히런트 본체일 수 있다. 또한 두개의 또는 세개의 본체들 (1, 2, 3, 4) 은 금속 파우더로 이루어진 사전-제조된 코히런트 본체들이고 나머지 본체 또는 본체들은 루즈 파우더, 즉 접착되거나 또는 본딩되지 않는 파우더로서 제공되는 것이 가능하다. 사용된 금속 파우더는 이전 섹션들에 설명된 바와 같다. 따라서, 밸브 시트 (1) 는 Inconel 718 의 루즈 또는 강화된 파우더로 이루어질 수 있다. 버퍼 층 (3) 은 316L-스틸의 파우더로 이루어질 수 있고, 클래딩 층 (4) 은 Inconel 657 의 루즈 또는 강화된 파우더로 이루어질 수 있고 코어 본체는 SNCrW-스틸의 루즈 또는 강화된 파우더로 이루어질 수 있다. 그러나, 전형적으로 코어 본체는 SNCrW-스틸과 같은 스틸의 고체 편을 단조함으로써 제조된다.
사전-제조된 코히런트 본체들 (1, 2, 3, 4) 의 적어도 하나의 부분은 3D-프린팅과 같은 적층 가공에 의해 제조된다. 본 개시의 하나의 실시형태에 따르면, 사전-제조된 코히런트 본체들 (1, 2, 3, 4) 의 하나보다 많은 부분이 적층 가공에 의해 제조될 수 있다. 추가의 또 다른 실시형태에 따르면, 사전-제조된 코히런트 본체들 (1, 2, 3, 4) 은 적층 가공에 의해 제조된다.
일반적으로, 적층 가공에서 본체는 서로 상단에 놓여진 바인더 및 금속 파우더의 혼합물의 별개의 층들에 의해 빌드 업된다. 바인더는 본체로부터 증발되고 본체는 코히런트 상태로 소결된다. 적층 가공이 3D-프린팅이라면, 3D-프린팅은 예를 들면 컴퍼니 Expone Inc 로부터 상업적으로 입수 가능한 3D-프린팅 머신 “Expone M-Print”으로 수행될 수 있다.
본체들 (1, 2, 3, 4) 이 소결될 수 있다면, 본체들은 금속 파우더의 용융점 미만의 온도로 가열되는 소결로에 위치된다. 소결은 본체가 고밀화되는 것을 방지하도록 대기압 또는 진공에서 그리고 낮은 소결 온도들에서 수행된다. 정확한 온도는 논의되는 각각의 금속 재료에 대해 결정되어야만 한다. 소결 중에 금속 파우더 입자들의 접촉 표면들은 서로 접착되고 냉각 후에 사전-제조된 코히런트 본체가 달성된다. 본체는 소결되기 때문에 본체는 다공성이고, 즉 60-80 vol%, 예를 들면 65-75 vol% 의 공극률을 갖는다. 소결된 사전-제조된 본체에서 공극률의 정도는 소결 온도에 의해 영향을 받을 수 있다. 추가로, 본체들 (1, 2, 3, 4) 이 바인더를 포함한다면, 바인더는 소결을 위해 사용되는 것과 동일한 노를 사용함으로써 또는 별개의 디바인딩 장비 (debinding equipment) 를 사용함으로써 증발될 수 있다.
또 다른 실시형태에 따르면, 사전-제조된 코히런트 본체들은 금속 파우더를 포함하는 코히런트 쉘들이다. 도 5 는 개략적으로 제 2 실시형태에 따른 코히런트 본체, 본 경우에 클래딩 층 (4) 을 개략적으로 도시한다. 본체 (4) 의 전체 외부 표면은 금속 파우더 (10) 의 체적을 둘러싸는 코히런트 쉘 (9) 로 강화된다. 쉘의 두께는 본체의 치수들에 종속되어 예를 들면 1-3 mm 두께일 수 있다. 쉘 (9) 은 금속 파우더를 유지하는 컨테이너를 형성한다. 제조 방법에 종속되어, 쉘에 의해 둘러싸인 금속 파우더는 소결된 금속 파우더 또는 루즈 금속 파우더일 수 있다.
쉘들의 형태로 사전-제조된 코히런트 본체들은 또한 3D-프린팅, 즉 서로의 상단에 금속 파우더의 별개의 층들을 위치시킴으로써 제조될 수 있다. 그러나, 이러한 경우에 단지 층들의 주변만이 레이저 소결을 거쳐서 단지 최종 본체의 외부 표면만이 강화된다. 이를 위해 적절한 머신은 EOS GmbH 로부터 상업적으로 입수 가능한 EOS M 400 이다. 이러한 경우에 쉘은 소결된 코히런트 금속 파우더로 이루어지고 쉘에 의해 둘러싸여진 금속 파우더는 루즈 금속 파우더이고, 즉 소결되지 않는다.
또한 전자 빔 (EB) 용융 후에 냉각에 의해 층들의 주변에서 금속 파우더를 강화함으로써 쉘을 형성하는 것이 가능하다. 이는 컴퍼니 Arcam AB 로부터 상업적으로 입수 가능한 Arcam Q20 장치에서 달성될 수 있다. 이러한 경우에 쉘은 용융되고 응고된 코히런트 금속 파우더로 이루어지고 쉘에서의 금속 파우더는 전자 빔 프로세스에 의해 생성된 열로 낮은 정도로 소결된다.
캡슐 (5) 에 금속 파우더 재료 (1, 2, 3, 4) 의 사전-제조된 코히런트 본체들을 배열한 후에, 캡슐은 캡슐의 상단에 리드 (6) 를 배열함으로써 폐쇄된다. 리드는 캡슐에 용접되고 진공이 캡슐 내에 생성된다. 최종적으로, 캡슐은 임의의 개구들이 폐쇄되도록 용접함으로써 밀봉된다. 용접 후에, 캡슐은 가스 기밀성으로 되어야 한다.
제 3 단계 (300) 에서, 충전된 캡슐은 사전 결정된 시간 동안, 사전 결정된 압력에서 그리고 사전 결정된 온도에서 열간 정수압 소결법을 거쳐서 금속 재료는 고밀화된다. HIP 중에, 사전-제조된 코히런트 본체들 (1, 2, 3, 4) 및 캡슐 (5) 은 서로 금속 가공학적으로 본딩되고 이로써 밀집형, 확산 본딩된, HIP 된 코히런트 금속 컴포넌트가 달성된다.
이로써 충전되고 밀봉된 캡슐 (5) 은 HIP-챔버 (80) 에 위치된다 (도 3 을 참조). HIP-챔버는 500 bar 를 넘는 정수압 압력에서 가스, 예를 들면 아르곤 가스로 가압된다. 전형적으로 정수압 압력은 900-1200 bar 이다. 챔버는 형성될 수 있는 페이즈들 또는 가장 낮은 용융 재료의 용융점 미만인 온도로 가열된다. 온도가 용융점에 보다 가까워질수록, 용융된 재료 및 원치않는 페이즈들의 형성에 대한 위험성이 보다 높아진다. 따라서, 온도는 HIP 중에 로에서 가능한 낮아야만 한다. 그러나, 낮은 온도들에서 확산 프로세스는 느려지고 재료는 잔여 공극률을 포함할 것이고 입자들 사이에 금속 가공학적 본드는 약해진다. 따라서, 온도는 바람직하게 가장 낮은 용융 재료의 용융점 미만의 100-300℃, 예를 들면 900-1150℃, 또는 1000-1150℃ 이다. HIP 중에 캡슐에서의 재료들 사이에서 발생하는 확산 프로세스들은 시간 종속적이고 따라서 긴 시간들이 바람직하다. 너무 긴 시간들은 예를 들면 그레인 성장 또는 페이즈들의 과도한 용해로 인해 HIP된 재료를 양호하지 못한 특성들에 이르게 할 수 있다. 바람직하게, HIP 프로세스는 논의되는 컴포넌트의 단면 치수들에 종속되어 0.5-4 시간의 시간 기간 동안 실행되어야만 한다.
선택적인 단계 (500) 에서, HIP 및 냉각 후에, 캡슐 (5) 및 리드 (6) 는 예를 들면 피클링 또는 기계 가공에 의해 금속 컴포넌트 (50) 로부터 제거될 수 있다.
특정한 대안예들 및 실시형태들이 상세하게 도시되지만, 이는 단지 예시적인 목적으로만 행해지고 제한으로 의도된 것은 아니다. 특히 다양한 대체들, 대안들 및 변경들이 첨부된 청구항들의 범위 내에서 행해질 수 있다는 것이 고려된다.
예를 들면, 금속 파우더의 완전 사전-제조된 코히런트 본체들 대신에, 또한 본체, 예를 들면 밸브 시트를 섹션별로 제조하고 캡슐에 섹션들을 배열하는 것이 가능하다. 이는 3D 프린팅 머신들이 본체들의 최대 사이즈에 대해 제한되기 때문에 큰 컴포넌트들이 제조될 때에 필수적일 수 있다.
고체, 즉 단조된 코어 본체 (2) 가 사용될 때에, 코어 본체는 캡슐의 부분을 형성할 수 있다. 이러한 경우에 캡슐은 예를 들면 캡슐의 바닥을 형성하는 고체 코어 본체 (2) 에 용접된다.

Claims (16)

  1. 금속 컴포넌트 (50) 를 제조하기 위한 방법으로서,
    - 상기 금속 컴포넌트 (50) 의 형상의 적어도 일부를 규정하는 캡슐 (5) 을 제공하는 단계 (100),
    - 상기 캡슐 (5) 에 금속 재료 (7) 를 배열하는 단계 (200),
    - 상기 캡슐 (5) 을 밀봉하는 단계 (300),
    - 상기 캡슐 (5) 을 사전 결정된 시간 동안, 사전 결정된 압력에서 그리고 사전 결정된 온도에서 열간 정수압 소결법 (Hot Isostatic Pressing) 으로 처리하는 단계 (400),
    - 선택적으로, 상기 캡슐 (5) 을 제거하는 단계 (500) 를 포함하고,
    상기 금속 재료 (7) 는 적어도 하나의 사전-제조된 코히런트 (coherent) 본체 (1, 2, 3, 4) 를 포함하고, 상기 사전-제조된 코히런트 본체 (1, 2, 3, 4) 는 금속 파우더로 이루어지고,
    상기 금속 파우더의 적어도 일부는 상기 금속 파우더가 사전-제조된 코히런트 본체 (1, 2, 3, 4) 내로 함께 유지되도록 강화되고 (consolidated),
    상기 사전-제조된 코히런트 본체 (1, 2, 3, 4) 의 적어도 하나의 부분은 금속 파우더의 중첩된 층들을 후속적으로 배열함으로써 적층 가공 (Additive Manufacturing) 에 의해 제조되는, 금속 컴포넌트를 제조하기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 사전-제조된 코히런트 본체 (1, 2, 3, 4) 는 적층 가공에 의해 제조되는, 금속 컴포넌트를 제조하기 위한 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 금속 파우더는 소결에 의해 강화되는, 금속 컴포넌트를 제조하기 위한 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    전체 상기 사전-제조된 코히런트 본체 (1, 2, 3, 4) 는 소결된 금속 파우더로 이루어지는, 금속 컴포넌트를 제조하기 위한 방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 사전-제조된 코히런트 본체 (1, 2, 3, 4) 의 표면 부분은 강화된 금속 파우더로 이루어지는, 금속 컴포넌트를 제조하기 위한 방법.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 사전-제조된 코히런트 본체의 표면 부분에서 상기 금속 파우더는 용융 후에 냉각에 의해 강화되는, 금속 컴포넌트를 제조하기 위한 방법.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 사전-제조된 코히런트 본체 (1, 2, 3, 4) 는 금속 파우더 (10) 를 포함하는 쉘 (9) 이고,
    상기 쉘 (9) 은 용융되고 응고된 금속 파우더로 이루어지는, 금속 컴포넌트를 제조하기 위한 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적층 가공은 3D-프린팅인, 금속 컴포넌트를 제조하기 위한 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 재료 (7) 는 적어도 두개의 사전-제조된 코히런트 본체들 (1, 2, 3, 4) 을 포함하는, 금속 컴포넌트를 제조하기 위한 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 재료 (7) 는 적어도 세개의 사전-제조된 코히런트 본체들 (1, 2, 3, 4) 을 포함하는, 금속 컴포넌트를 제조하기 위한 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 재료 (7) 는 루즈 (loose) 금속 파우더를 포함하는, 금속 컴포넌트를 제조하기 위한 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 컴포넌트는 밸브 디스크 (52) 및 밸브 스템 (53) 을 포함하는 밸브 스핀들 (50) 이고,
    - 상기 캡슐 (5) 은 상기 밸브 디스크 (52) 의 적어도 일부를 규정하고,
    - 상기 금속 재료 (7) 는 밸브 시트 (1), 코어 헤드 (11) 를 포함하는 코어 본체 (2), 클래딩 층 (4) 및 상기 코어 헤드 (11) 에 배열되는 버퍼 층 (3) 으로 이루어지고,
    상기 밸브 시트 (1), 상기 버퍼 층 (3) 및 상기 클래딩 층 (4) 의 적어도 하나는 금속 파우더의 사전-제조된 코히런트 본체들인, 금속 컴포넌트를 제조하기 위한 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    밸브 시트 (1), 버퍼 층 (3) 및 클래딩 층 (4) 의 적어도 두개는 금속 파우더의 사전-제조된 코히런트 본체들인, 금속 컴포넌트를 제조하기 위한 방법.
  14. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    나머지 금속 재료 (7) 는 루즈 금속 파우더인, 금속 컴포넌트를 제조하기 위한 방법.
  15. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 코어 본체 (2) 는 단조된 본체인, 금속 컴포넌트를 제조하기 위한 방법.
  16. 제 12 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 밸브 시트 (1) 및/또는 상기 버퍼 층 (3) 및/또는 상기 클래딩 층 (4) 은 금속 파우더를 소결함으로써 사전-제조되고,
    소결은 상기 금속 파우더의 용융점 미만의 온도에서 그리고 대기압에서 수행되는, 금속 컴포넌트를 제조하기 위한 방법.
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