KR20170033338A - 적층 가공에 의한 기계 구성요소 제조 방법 - Google Patents

적층 가공에 의한 기계 구성요소 제조 방법 Download PDF

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KR20170033338A
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이아코포 지오바네티
피에르루이지 토치
마씨모 지아노찌
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누보 피그노네 에스알엘
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Abstract

금속 기반 재료로 형성되는 기계 구성요소를 제조하는 방법이 설명된다. 상기 방법은,
적어도 하나의 금속 함유 분말 재료 및 분말 형태인 적어도 하나의 보강용 분산제(dispersor)를 포함하는 분말 혼합물을 제공하는 단계로서, 분말 형태인 보강용 분산제는 금속 함유 분말 재료의 평균 입자 크기보다 작은 평균 입자 크기를 갖는 것인 단계;
상기 분말 혼합물을 이용하여 적층 가공 과정에 의해 상기 기계 구성요소를 형성하는 단계
를 포함한다.

Description

적층 가공에 의한 기계 구성요소 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING MACHINE COMPONENTS BY ADDITIVE MANUFACTURING}
본 개시내용은, 기계 구성요소, 구체적으로는 내연기관 및 터보기계의 구성요소, 한정하는 것은 아니지만 예컨대 가스 터빈과 같이 고온 작동 상황을 겪게 되는 기계 구성요소의 제조에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본원에 개시되는 주제 대상의 예시적인 실시예는, 한정하는 것은 아니지만 터빈 회전 블레이드 또는 버클(buckle) 및 터빈 고정 블레이드 또는 버클, 터빈 노즐, 터빈 임펠러와 같이, 고온 초합금 기반의 재료를 이용한 터보기계 구성요소의 제조에 관한 것이다.
고온 피로 사이클을 겪게 되는 기계 구성요소를 제조하기 위한 적절한 재료로서 ODS(Oxide Dispersion Strengthened) 초합금을 이용하는 것이 알려져 있다(D.M.Elzey 등, “Oxide Dispersion Strengthened Superalloys: the Role of Grain Structure and Dispersion During High Temperature Low Cycle Fatigue”, 1988년에 The Metallurgical Society, Superalloys에 공개됨, 595-604 쪽 참고). 이러한 재료는 보통 기계 합금법에 의해 생산된다(H.K.D.H.Bhadeshia “Recrystallisation of Practical Mechanically Alloyed Iron-Base and Nickel- Base Superalloys”, Materials Science and Engineering A223 (1997) 64-77 쪽에 공개됨. C.Suryanarayana 등, “The Science and Technology of Mechanical Alloying”, Materials Science and Engineering A304-306 (2001) 151-158 쪽에 공개됨. B.S. Murty 등, “Novel Materials Synthesis by Mechanical Alloying/Milling”, International Materials Reviews, 1998, 43호, 3권, 101-141 쪽에 공개됨).
기계 합금법에 의해 획득되는 합금은 보통 사출된 블랭크(blank)의 형태로 이용 가능하다. 기계 합금법에 의해 생성되는 ODS 초합금의 블랭크로부터 제조된 분말은, 소결 과정에 의해 구성요소의 제조를 위해 사용된다. 후자는, 생산할 최종 제조 물품의 형상의 음형에 대응하는 형상을 갖는 몰드(mold)를 필요로 한다. 소결은 고비용의 유연하지 않은 제조 과정이다.
EP 2586887은, 적층 가공에 의해, 예컨대 레이저 금속 성형, 전자 비임 용융, 및 다른 적층 가공 과정을 이용하여, 터빈 블레이드를 제조하는 과정을 개시하고 있다. 분말 형태인 Ni 기반 초합금과 같은 고온 초합금이 전술한 종래 기술의 문헌에 제시되어 있다. 본원에 개시되는 일부 실시예에 있어서, 고온 초합금 분말은 분산형 산화물(dispersed oxide)을 포함한다. 앞서 언급한 공개물은, 초합금 분말 재료에 어떻게 산화물이 도입되는지에 대해 아무런 교시도 제공하고 있지 않고, 산화물과 관련되는 한 어떠한 중량 조성 또는 다른 상세한 사항에 대해서도 아무런 교시를 제공하고 있지 않다.
적층 가공 과정은, 저렴하고 유연하며 효율적인 제조 방법의 범주에 해당하며, 이에 따라 복잡한 형상의 기계 구성요소가 저렴한 비용으로 용이하게 생산될 수 있다. 적층 가공 방법을 이용하는 것은, 예컨대 피로 조건 하에서의 고온 크리프 내성(high-temperature creep resistance)과 같이, 가혹한 작동 조건 하에서의 기계적 내성이 관련되는 한, 엄격한 요건을 충족시켜야만 하는 터보기계 구성요소의 생산에 매우 바람직하다.
본 발명의 과제는, 기계 구성요소, 구체적으로는 내연기관 및 터보기계의 구성요소, 한정하는 것은 아니지만 예컨대 가스 터빈과 같이 고온 작동 상황을 겪게 되는 기계 구성요소의 제조 방법을 제공하는 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명의 과제는, 한정하는 것은 아니지만 터빈 회전 블레이드 또는 버클 및 터빈 고정 블레이드 또는 버클, 터빈 노즐, 터빈 임펠러와 같이, 고온 초합금 기반의 재료를 이용한 터보기계 구성요소의 제조 방법을 제공하는 것이다.
일 실시예에 있어서, 금속 기반 재료로 형성되는 기계 구성요소를 제조하는 방법이 개시되며, 상기 방법은 다음의 단계, 즉
- 적어도 하나의 금속 함유 분말 재료 및 분말 형태인 적어도 하나의 보강용 분산제(dispersor)를 포함하는 분말 혼합물을 제공하는 단계로서, 분말 형태인 보강용 분산제는 금속 함유 분말 재료의 평균 입자 크기보다 작은 평균 입자 크기를 갖는 것인 단계;
- 상기 분말 혼합물을 이용하여 적층 가공 과정에 의해 상기 구성요소를 형성하는 단계
로 이루어진다.
본 명세서 및 첨부된 청구범위의 맥락에 있어서, 용어 “금속”은 또한 내화 요소 또는 내화 금속을 포함한다. 이에 따라 “금속 함유 분말 재료”는 또한 내화 금속 또는 내화 요소를 포함하는 분말 재료를 포함한다. 적절한 내화 요소 또는 내화 금속은, 한정하는 것은 아니지만, Mo, W, Ta, Nb 및 이들의 조합을 포함한다. 금속 기반 재료는, 본 명세서의 후속 설명에서 더욱 상세하게 언급되는 바와 같이 내화 금속을 비롯한 금속뿐만 아니라 알루미늄 화합물(alluminide) 또는 규화물과 같은 금속간 화합물로 이루어지는 재료를 포함하며, 본원에 개시되는 주제 대상의 예시적인 실시예를 참고한다.
본 명세서 및 첨부된 청구범위의 맥락에 있어서, “보강용 분산제”는, 분말 혼합물 내에 그리고 이후 최종 제조된 구성요소 내에 분산되어 있을 때 특히 고온 크리프에 대해 그 강도를 향상시키는 화합물이다.
일부 실시예에 따르면, 금속 함유 분말 재료는 금속 분말일 수 있다. 예를 들면, 상기 금속 분말은 초합금 기반 금속 분말, 예컨대 고온 초합금 분말일 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 금속 함유 분말 재료는 금속간 분말 재료, 즉 분말 형태의 금속간 화합물, 예컨대 알루미늄 화합물이다. 일부 실시예에 있어서, 금속 함유 분말 재료는 규화물일 수 있다. 분말 형태인 2 이상의 금속 함유 화합물의 조합이 또한 고려될 수 있다.
분말 형태인 보강용 분산제는 분말 형태인 적어도 하나의 세라믹 재료일 수 있거나, 상기 적어도 하나의 세라믹 재료로 이루어질 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 상기 세라믹 재료는 산화물일 수 있다. 2 이상의 보강용 분산제가 사용될 수 있다. 일부 실시예에서는, 산소를 함유하지 않은 세라믹 재료가 선호된다. 예를 들면, 금속 함유 분말 재료가 Mo 기반이거나 또는 Nb 기반인 경우, 산소 원자를 함유하지 않는 세라믹 재료가 선호되는데, 왜냐하면 고온 산화에 대해 더욱 높은 내성을 얻게 되기 때문이다.
적층 가공을 위해 사용되는 분말 혼합물에서 분말 형태인 보강용 분산제는 최종 응고된 구성요소에서 분산을 발생시키며, 이는 구성요소의 크리프 내성을 향상시킨다.
분말 형태인 금속 함유 재료 및 분말 형태인 보강용 분산제의 혼합물을 제공함으로써, 2가지 혼합물 성분의 입자 크기 분포(granulometry)는 주의 깊게 제어될 수 있으며, 이에 따라 2가지 혼합물 성분에 대해 최적의 평균 입자 크기 분포가 사용될 수 있다. 구체적으로, 금속 함유 분말 재료는 적층 가공 중에 최적의 용융 및 응고를 달성하기 위해 선택되는 평균 입자 크기를 나타낼 수 있다. 분말 형태인 보강용 분산제, 예컨대 분말 형태의 세라믹 재료는, 그 파손성(fragility)에 악영향을 주지 않으면서, 최종 기계 구성요소에서 달성되는 크리프 내성을 개선하도록 선택되는 평균 입자 크기를 나타낼 수 있다.
예컨대 불활성 가스를 이용한 제어된 대기 하에서의 적층 가공, 또는 진공 상태 하에서의 적층 가공는, 보강용 분산제의 화학적 변성을 방지한다. 더욱이, 적층 가공을 특징짓는 적층식 과정(layer-by-layer process)은 보강용 분산제, 예컨대 산화물 재료 또는 다른 세라믹 재료가, 용융된 금속의 상부에서 부유함으로써 분리되는 것을 방지하며, 이에 따라 최종 제조 물품에서 보강용 분산제의 실질적으로 균일한 분포가 달성될 수 있다.
이하 본원에서는 다수의 특징 및 실시예가 개시되며, 본 설명과 일체를 이루는 첨부된 청구범위에 다수의 특징 및 실시예가 추가로 기재된다. 본 발명의 다양한 실시예의 특징을 기술하는 이상의 간단한 설명은, 후속하는 상세한 설명이 더욱 양호하게 이해될 수 있도록 하려는 것이며, 당업계에 대한 본 개시내용의 기여가 더욱 양호하게 인식될 수 있도록 하려는 것이다. 물론, 이하에서 설명되며 첨부된 청구범위에 기재되어 있는 본 발명의 다른 특징도 있다. 이러한 관점에서, 본 발명의 여러 가지 실시예를 상세하게 설명하기에 앞서, 본 발명의 실시예는, 그 적용에 있어서, 후술하는 설명에 기술되어 있거나 또는 도면에 예시되어 있는 구성요소의 배치 및 구성의 세부사항으로 한정되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 본 발명은 다른 실시예로 가능하며, 다양한 방식으로 실시 및 실행될 수 있다. 또한, 본원에서 채용하는 문구 및 용어는 설명의 목적으로 사용된 것이며, 한정하려는 것으로 간주되어서는 안 된다는 것을 이해해야 한다.
이에 따라, 당업자는, 본 개시내용의 기초가 되는 개념이 본 발명의 여러 가지 목적을 달성하기 위한 다른 구조, 방법 및/또는 시스템을 설계하기 위한 기초로서 용이하게 이용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 본원의 청구범위는, 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않는 한, 그 등가적인 구성을 포함하는 것으로 간주되어야 한다는 점은 중요하다.
본 발명의 개시된 실시예 및 이에 수반되는 다수의 장점에 대한 보다 완전한 이해는, 첨부 도면과 함께 고려하여 후술하는 상세한 설명을 참고함으로써 더욱 양호하게 이해될 수 있는 바와 같이, 용이하게 이루어질 것이다.
도 1은 기계 구성요소의 제조를 위해, 전자 비임 용융 기술을 이용하는 적층 가공 디바이스의 개략도를 예시한 것이다.
도 2는 적층 가공을 위한 직접 금속 레이저 용융 디바이스의 개략도를 예시한 것이다.
도 3은 본 개시내용에 따른 방법의 흐름도를 예시한 것이다.
본원 명세서 전반에 걸쳐 “일 실시예” 또는 “하나의 실시예” 또는 “일부 실시예”라 함은, 해당 실시예와 관련하여 설명된 구체적인 특징, 구조, 또는 특성이, 개시된 주제 대상의 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전반에 걸쳐 다양한 위치에서 문구 “일 실시예에 있어서” 또는 “하나의 실시예에 있어서” 또는 “일부 실시예에 있어서”가 있으면, 반드시 동일한 실시예를 언급하는 것이 아닐 수 있다. 또한, 구체적인 특징, 구조 또는 특성은 하나 이상의 실시예에 있어서 임의의 적절한 방식으로 조합될 수 있다.
수치와 관련하여 사용되는 수식어 “약”은, 언급된 값을 포함하는 것이며, 문맥에 따라 지시되는 의미를 갖는다(예컨대, 특정 수량의 측정과 관련된 공차 범위를 포함함).
후술하는 설명에서는, 터보기계 구성요소의 제조를 참고한다. 그러나, 본원에 개시되는 방법은 또한 다른 기계 구성요소, 구체적으로 고온 작동 조건 및 피로 사이클을 겪게 되는 기계 구성요소, 예컨대 왕복식 내연기관의 구성요소의 제조에도 적용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
도 1은, 본 개시내용의 방법에 따라, 터빈 블레이드(B), 터빈 노즐, 터빈 슈라우드(turbine shroud), 또는 다른 터빈 구성요소와 같은 터보기계 구성요소를 제조하기 위해 사용될 수 있는, 예시적인 적층 가공 기계 또는 적층 가공 디바이스의 개략도이다.
당업자에게 알려져 있는 바와 같이, 적층 가공이란, 복잡한 형상을 갖는 물품이 분말 재료로부터 시작하여 적층식으로 제조되고 상기 분말 재료는 에너지 원을 이용하여 국지적으로 용융되는 것인 과정이다. 도 1의 실시예에 있어서, 에너지 원은 전자 비임 건(electron beam gun)이다. 다른 실시예에 있어서, 에너지 원은 레이저일 수 있다.
도 1의 적층 가공 기계는 전체적으로 도면부호 100으로 지시된다. 적층 가공 기계의 구조 및 작동은 자체로 알려져 있으며, 본원에서는 더 상세하게 설명되지는 않는다. 요컨대, 도 1의 적층 가공 기계(100)는 에너지 원을 포함하며, 본원에 개시되는 예시적인 실시예에서 상기 에너지 원은 전자 방출기(103)를 포함하는 전자 비임 건(101)을 포함하고, 상기 전자 방출기는 전자 비임(EB)을 발생시킨다. 전자 비임(EB)은, 전자 비임 건(101) 아래에 배치된 목표 표면(TS)을 향해 지향된다. 전자 비임 경로를 따라, 집속 코일(focusing coil; 105) 및 편향 코일(107)이 배치될 수 있다. 분말 재료가 용융 및 응고되어야 하는지에 따라, 집속 코일(105)은 목표 표면(TS) 상에 전자 비임을 집속시키며 편향 코일(107)은 패턴을 따라 전자 비임(EB)의 이동을 제어한다. 컴퓨터 디바이스(computer device; 109)는 편향 코일(107)을 제어하고 전자 비임(EB)의 이동을 제어한다. 전자 비임(EB)의 이동은, 제조될 3차원 제품을 표시하는 파일로부터의 데이터에 기초하여 컴퓨터 디바이스(109)에 의해 제어된다.
에너지 원(101) 아래에, 감금 구조(confinement structure; 111)가 배치될 수 있다. 감금 구조(111)는, 온도 제어 수단, 예컨대 113으로 개략적으로 도시된 히터, 예컨대 전기 히터를 포함하는 온도 제어 수단과 조합될 수 있다. 이동 가능한 테이블(115)이 감금 수단(111) 내에 배치될 수 있다. 이동 가능한 테이블(115)은 이중 화살표(f115)를 따라 수직으로 이동하게 제어될 수 있다. 이동 가능한 테이블(115)의 수직 이동은 컴퓨터 디바이스(109)에 의해 제어될 수 있다. 분말 재료 용기(117)는 목표 표면(TS) 위에 배치될 수 있고, 예컨대 컴퓨터 디바이스(109)의 제어 하에서 이중 화살표(f117)를 따라 수평으로 이동하게 제어된다.
적층 가공 기계(100)에 의해 행해지는 적층 가공 과정은 다음과 같이 요약될 수 있다. 분말 재료 용기(117)로부터의 분말 재료의 제1 층이, 이동 가능한 테이블(115)을 따라서 1회 이상 화살표(f117)를 따라 분말 재료 용기(117)를 이동시킴으로써 이동 가능한 테이블(115) 상에 분배되며, 이동 가능한 테이블은 목표 표면(TS)의 높이에 배치된다. 일단 분말 재료의 제1 층이 분배되었으면, 전자 비임 건(101)이 활성화되고, 제조될 제품의 단면에 대응하는, 상기 제1 층의 제한된 부분에서 분말 재료를 국지적으로 용융시키기 위해 편향 코일(107)에 의해 전자 비임(EB)이 제어된다. 용융 이후에, 용융된 분말 재료는 냉각 및 응고되도록 허용된다. 제조될 제품의 단면의 경계 외부에 있는 분말 재료는 분말 형태로 유지된다.
일단 제1 층이 앞서 설명한 바와 같이 처리되면, 이동 가능한 테이블(115)은 낮아지게 되며, 분말 재료의 후속 층이 제1의 응고된 층 위에 분배된다. 다음으로 분말 재료의 제2 층이 선택적으로 용융되며, 후속하여 냉각 및 응고되도록 허용된다. 용융 및 응고는, 각각의 층 부분이 이전에 형성된 층 부분에 부착되도록 행해진다. 이러한 과정은, 하나의 층 이후에 다른 하나의 분말 재료 층을 후속하여 추가함으로써 그리고 제품의 후속 단면에 대응하는 층 부분을 선택적으로 용융 및 응고시킴으로써, 완전한 제품이 형성될 때까지 단계적으로 반복된다.
일단 제품이 완성되면, 용융 및 응고되지 않은 분말 재료는 제거 및 재활용될 수 있다.
이상 설명한 과정은 히터(113)를 이용하여 제어된 온도 조건 하에서 행해질 수 있다. 감금 구조(111) 내에서의 온도는, 전체 과정이 높은 온도에서 수행되도록 그리고 제조 사이클의 완료 시에 제품 내에 실질적으로 어떠한 잔류 응력도 남아있지 않게 되도록 제어된다. 구성 과정이 완료된 이후에, 제품은 냉각 곡선을 따라 공정 온도로부터 환경 온도로 냉각되도록 허용될 수 있으며, 이는 최종 제품에서의 잔류 응력을 방지한다.
바람직하게는, 감금 구조(111)의 내부는 엄격한 진공 조건 하에서 유지되며, 이에 따라 분말 재료 및 용융된 재료에 의한 산소 흡착이 방지된다.
도 2는 DMLM(Direct Metal Laser Melting) 디바이스(201)의 개략도를 예시한 것이다. 상기 디바이스는 레이저 소스(203), 예컨대 이산화탄소 레이저를 포함한다. 레이저 소스(203)에 의해 발생되는 레이저 비임(LB)은 광학계(204)에 의해 집속되며 거울(205)에 의해 편향될 수 있다. 거울(205)은, 도시되지 않은, 프로그램 가능한 제어 유닛에 의해 제어되어 제조할 물품, 예컨대 터빈 블레이드의 각각의 층의 단면에 대응하는 패턴을 따른다. 수직 이동 가능한 제1 테이블(207)은 제조 중에 물품(B) 또는 공작물을 지지한다. 수직 이동 가능한 제2 테이블(209)은 분말 재료 용기의 하부를 형성한다. 수평 이동 가능한 와이퍼 블레이드(211)는 제조 중인 공작물(B) 위에서 분말 재료 용기로부터의 분말 재료를 분배한다. 테이블(207) 및 테이블(209)은 진공화된 용기 또는 불활성 가스, 예컨대 아르곤으로 충전된 용기 내에 수납될 수 있다.
디바이스(201)에 의해 행해지는 적층 가공 과정은 자체로 알려져 있으며, 다음과 같이 요약될 수 있다. 테이블(207)이 상위 위치에서 이동하게 되며, 분말 재료의 제1 층이 와이퍼 블레이드(211)에 의해 테이블(207) 상에 균일하게 분배된다. 레이저 소스(203)가 활성화되며, 레이저 비임(LB)은 테이블(207) 상에 있는 상기 제1 층의 분말 재료를 국지적으로 그리고 선택적으로 용융시키도록 제어된다. 테이블(207)은 후속 층의 두께에 대응하는 스트로크(stroke)만큼 낮아지게 된다[화살표(f207) 참고]. 용융된 재료의 제1 층이 응고되도록 허용된다. 테이블(209)은, 추가적인 분말 재료가 와이퍼 블레이드(211)에 대해 이용 가능하게 되도록 상승하게 된다[화살표(f209) 참고]. 후자에 의해, 테이블(207) 상에서 이전의 분말 재료 층 상에 다음 분말 재료 층을 분배하도록 추가로 왕복 이동[화살표(f211)]이 행해지고, 레이저 비임(LB)이 활성화되어 거울(205)에 의해 이동됨으로써 제2 층의 분말 재료가 선택적으로 용융된다.
이러한 과정은, 최종 물품을 얻을 때까지 반복된다.
도 2의 개략도에 있어서, 편향 거울(205)이 사용된다. 예시적인 다른 실시예에서는, 섬유 레이저가 사용될 수 있으며, 이때 레이저 에너지는 섬유에 의해 전달되고, 상기 섬유의 말단부는 테이블(207)에 대해 평행한 수치 제어 축, 예컨대 X 축 및 Y 축을 따라 이동하게 된다.
본원에 개시된 실시예에 따르면, 적층 가공 과정에서 사용되는 분말 재료는, 적어도 2가지의 분말 재료, 즉 금속 함유 분말 및 분말 형태의 보강용 분산제로 이루어진 분말 혼합물이다. 앞서 언급한 바와 같이, 상기 금속 함유 분말은, 앞서와 같이 형성된 기계 구성요소의 고온 작동 조건에 적합한 금속간 분말 또는 금속 분말, 예컨대 초합금일 수 있다. 보강용 분산제는 세라믹 재료일 수 있고, 한정하는 것은 아니지만 예컨대 산화물 분말일 수 있다.
예시적인 일부 실시예에 따르면, 금속 함유 분말은 초합금 분말, 바람직하게는 고온 초합금 분말이다. 상기 초합금 분말은 Ni 기반 초합금, Co 기반 초합금, Fe 기반 초합금, Mo 기반 초합금, W 기반 초합금; Ta 기반 초합금; Nb 기반 초합금 중 하나일 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 상기 금속 함유 분말 재료는 Nb3Si, MoSi2, TaSi, MoSiNb 또는 다른 규화물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 또 다른 실시예에 있어서, 상기 금속 함유 분말 재료는 NiAl 또는 FeAl과 같은 알루미늄 화합물일 수 있다.
상기 금속 함유 분말 재료는 마스터 초합금(master superalloy)의 잉곳 또는 바아로부터 시작하여 얻을 수 있으며, 이 잉곳 또는 바아는 후속하여 용융 및 미립화(atomization)된다. 예시적인 일부 실시예에 따르면, 마스터 초합금 잉곳은 진공 유도 용융에 의해 제조될 수 있다.
일부 실시예에 따르면, 미립화는 진공 불활성 가스 미립화에 의해 달성되며, 이는 낮은 산소 함량 및 구 형상의 입자를 갖는 초합금 분말의 생성을 보장한다. 마스터 초합금 잉곳은 용융되고, 노즐을 통해 미립화 챔버로 공급되며, 미립화 챔버 내에서는 불활성 가스의 압축 제트가 용융된 금속 유동에 대해 지향되고, 이에 따라 상기 금속 유동은 복수 개의 작은 금속 입자로 분리된다.
얻어진 분말의 입자 크기는 미립화 챔버 내에서 가스/금속 유동 비율을 조절함으로써 제어될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 시작 잉곳(starting ingot)의 미립화는 VIGA(Vacuum Induction Gas Atomization), PREP(Plasma Rotating Electrode Process), PA(Plasma Atomization), RDA(Rotating Disc Atomization)로 이루어진 군으로부터 선택되는 과정에 의해 달성될 수 있다.
유리한 실시예에 있어서, 요구되는 입도 분포, 즉 미립화된 최종적인 금속 함유 분말 재료의 입자 치수는, 예컨대 사이클론 분류기에 의해 얻어질 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 상기 입도 분포는, 금속 함유 분말 재료의 평균 입자 크기가 약 10 마이크로미터 내지 약 100 마이크로미터로 이루어지도록 선택된다. 예시적인 일부 실시예에 있어서, 평균 입자 크기는 약 10 마이크로미터 내지 약 60 마이크로미터로 이루어진다.
앞서 언급한 바와 같이, 분말 혼합물은 분말 형태인 적어도 하나의 분산제, 예컨대 세라믹 재료를 더 포함한다. 일부 실시예에서는, 분말 형태인 단일 세라믹 재료가 사용될 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 분말 형태이며 상이한 화학적 조성을 갖는 2 이상의 상이한 분말 재료의 혼합물이 사용될 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 상기 세라믹 분말 재료는 산화물 분말일 수 있다.
본원에 개시되는 방법의 예시적인 실시예에 따르면, 분말 형태인 적어도 하나의 보강용 분산제는 금속 산화물일 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 보강용 산화물은 Y2O3, Al2O3, Th2O4, Zr2O3, La2O3, Yb2O3, Dy2O3 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된다. 다른 비-산화물 세라믹 재료는 Si3N4, AlN, SiC, TaC, WC 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
분말 형태인 보강용 분산제는 금속 함유 분말 재료의 평균 입자 크기보다 작은 평균 입자 크기를 가질 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 분말 형태인 보강용 분산제는 약 5 마이크로미터 이하의 평균 입자 크기를 갖는다. 현재로서 바람직한 실시예에 있어서, 분말 형태인 보강용 분산제는 약 1 마이크로미터 이하, 바람직하게는 약 0.5 마이크로미터 이하의 평균 입자 크기를 가질 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 분말 형태인 보강용 분산제는 나노미터 수준의 평균 입자 크기, 예컨대 약 60 nm 이하의 평균 입자 크기 또는 그렇지 않으면 약 50 nm 이하의 평균 입자 크기를 갖는다. 바람직한 실시예에 있어서, 평균 입자 크기는 약 5 nm보다 작지는 않다.
나노미터 수준의 치수를 갖는 보강용 분산제는 알려진 방법에 의해 얻어질 수 있다. A. Lorke 등(편저)의, Nanoparticles from the Gas Phase, NanoScience and Technology, Springer-Verlag Berlin Heidelberg(2012년, 2장); Christina Raab 등의, Production of Nanopartiles and Nanomaterials, NanoTrust Dossiers(제6호, 2011년 2월); Takuya Tsuzuki의 Commercial Scale Produton of Inorganic Nanoparticles, Int. J. Nanotechnol.(제6권, 제5/6호 2009년); Francois Bozon-Verduraz 등의, “Nanoparticles of Metal and metal Oxides: Some Peculiar Synthesis Methods, Size and Shape Control, Application to Catalysts Preparation”, Brazilian Journal of Physics(제39호, 1A권, 2009년 4월)에 적절한 방법이 개시되어 있다.
분말 형태인 조대한 금속 함유 재료와 분말 형태인 미세한 보강용 분산제를 조합하면, 적층 가공에 의해 생성되는 최종 구성요소의 기계적 특성의 향상을 달성할 수 있다. 분산제 분말 입자가 작으면, 금속 매트릭스에서 분산제의 양호한 분포를 얻게 되어, 최종 재료의 파손성이 높아질 위험을 줄이거나 방지하게 된다.
최종 혼합물에서 분말 형태인 보강용 분산제의 양은 예컨대 약 0.01 중량% 내지 약 48 중량% 범위일 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 보강용 분산제 분말은 약 0.1 중량% 내지 약 30 중량%, 예컨대 약 0.1 중량% 내지 약 2 중량% 범위의 양으로 존재한다.
다음의 표 1은 적절한 분말 혼합물의 예시적인 조성을 나열한 것이다. 혼합물의 초합금 금속 성분은 Ni 기반 초합금이다. 이하의 조성은 중량%로 제시되어 있다.
Figure pct00001
이하의 표 2는 본원에 개시된 방법과 함께 사용될 수 있는 조성의 추가적인 예시적 실시예를 나열하고 있다. 이들 조성은 Mo 기반 합금, Ni 기반 합금, W 기반 합금, Ta 기반 합금, 및 Nb 기반 합금으로 이루어진다.
Figure pct00002
이상에 개시된 바와 같은 적층 가공에 의해 제조된 터보기계 구성요소는 하나 이상의 추가적인 과정 단계를 거치게 될 수 있다. 일부 실시예에 따르면, 용융 및 응고된 재료 내부에서 공극을 제거하거나 줄이기 위해 최종 HIP(Hot Isostatic Pressing) 단계가 행해질 수 있다. HIP 단계 또는 HIP 처리는, 예컨대 약 80 MPa 내지 약 200 MPa의 압력 하에 있는 불활성 가스의 대기에서 행해질 수 있다.
일부 실시예에 따르면, 터보기계 구성요소는, 원하는 재료 특성의 달성, 예컨대 석출 경화 초합금[즉, 감마 프라임 포머(gamma prime former)]을 위한 석출 경화 보강을 달성하기 위한 마이크로구조의 균일화 및 후속하는 재료의 시효(aging)를 달성하려는 목적으로 진공 하에서의 후속 열 처리를 거치게 된다. 국지적인(특정한 구성요소 영역에서의) 균일화 및 열 처리를 적용하여, 특정 영역(통상적으로 가스 터빈 버킷의 에어포일 영역)에서의 조대한 입자 크기 특성을 극대화하도록 입자 크기를 국지적으로 증가시킬 수 있다.
도 2는 앞서 개시된 바와 같은 방법의 예시적인 실시예를 요약한 흐름도를 예시한 것이다.
본원에 설명된 주제 대상의 개시된 실시예는 몇 가지 예시적인 실시예와 관련하여 구체적으로 상세하게 충분히 앞서 설명되고 도면에 도시되어 있지만, 본 발명의 교시, 본원에 기술된 원리 및 사상, 그리고 첨부된 청구범위에 기재된 주제 대상의 장점으로부터 현저하게 벗어나지 않으면서 다수의 변형, 변경 및 생략이 가능하다는 것은 당업자에게 명확할 것이다. 따라서, 개시된 개선의 적절한 범위는, 이러한 모든 변형, 변경 및 생략을 포괄하도록, 첨부된 청구범위의 최대한 넓은 해석에 의해서만 결정되어야 한다. 추가적으로, 임의의 과정 단계 또는 방법 단계의 순서 혹은 시퀀스(sequence)는 변형예에 따라 변경될 수도 있고 재정렬될 수도 있다.

Claims (21)

  1. 금속 기반 재료로 형성되는 기계 구성요소를 제조하는 방법으로서, 다음의 단계, 즉
    적어도 하나의 금속 함유 분말 재료 및 분말 형태인 적어도 하나의 보강용 분산제(dispersor)를 포함하는 분말 혼합물을 제공하는 단계로서, 분말 형태인 보강용 분산제는 약 5 마이크로미터 이하의 평균 입자 크기로서 금속 함유 분말 재료의 평균 입자 크기보다 작은 평균 입자 크기를 갖는 것인 단계;
    상기 분말 혼합물을 이용하여 적층 가공 과정(additive manufacturing process)에 의해 상기 기계 구성요소를 형성하는 단계
    로 이루어지는 것인 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 적층 제조 과정은, EBM(electron beam melting), SLM(selective laser melting), SLS(selective laser sintering), LMF(laser metal forming), DMLS(direct metal laser sintering), DMLM(direct metal laser melting)로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 분말 형태인 적어도 하나의 보강용 분산제는 약 0.1 마이크로미터 이하의 평균 입자 크기, 바람직하게는 약 60 nm 이하, 더욱 바람직하게는 약 50 nm 이하의 평균 입자 크기를 갖는 것인 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 분말 형태인 보강용 분산제는 약 5 nm 이상의 평균 입자 크기를 갖는 것인 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 분말 형태인 적어도 하나의 보강용 분산제는 나노미터 수준의 평균 입자 크기를 갖는 것인 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서, 적어도 하나의 금속 함유 분말 재료는 약 10 마이크로미터 내지 약 100 마이크로미터, 바람직하게는 약 10 마이크로미터 내지 약 60 마이크로미터의 평균 입자 크기를 갖는 것인 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 분말 혼합물은, 약 0.01 중량% 내지 약 48 중량%, 바람직하게는 약 0.1 중량% 내지 약 30 중량%의, 분말 형태인 적어도 하나의 상기 보강용 분산제를 포함하는 것인 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 분말 혼합물은, 약 0.2 중량% 내지 약 20 중량%, 바람직하게는 약 0.3 중량% 내지 약 6 중량%의, 분말 형태인 적어도 하나의 상기 보강용 분산제를 포함하는 것인 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 하나의 항에 있어서, 분말 형태인 보강용 분산제는 미립화된 분말(atomized powder)인 것인 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 금속 함유 분말 재료는 미립화된 분말인 것인 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 하나의 항에 있어서, 분말 형태인 적어도 하나의 보강용 분산제는 세라믹 재료인 것인 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 하나의 항에 있어서, 분말 형태인 적어도 하나의 보강용 분산제는 산화물인 것인 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 하나의 항에 있어서, 분말 형태인 적어도 하나의 보강용 분산제는 Y2O3, Al2O3, Th2O4, Zr2O3, La2O3, Yb2O3, Dy2O3, Si3N4, AlN, SiC, TaC, WC, 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것인 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 하나의 항에 있어서, 적어도 하나의 금속 함유 분말 재료는 고온 초합금인 것인 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 고온 초합금은 Ni 기반 초합금, Co 기반 초합금, Fe 기반 초합금, Mo 기반 초합금, W 기반 초합금, Ta 기반 초합금; Nb 기반 초합금, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 방법.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 금속 함유 분말 재료는 규화물, 알루미늄 화합물, 또는 내화 금속 함유 화합물인 것인 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 금속 함유 분말 재료는 Nb3Si, MoSi2, TaSi, MoSiNb, NiAl, FeAl로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 방법.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 분말 혼합물을 제공하는 단계는, 다음의 단계, 즉
    제1 평균 입자 크기를 갖는 금속 함유 분말 재료를 생성하는 단계;
    제1 평균 입자 크기보다 작은 제2 평균 입자 크기를 갖는, 분말 형태의 보강용 분산제를 생성하는 단계;
    상기 분말 혼합물을 얻기 위해 분말 형태인 보강용 분산제 및 금속 함유 분말 재료를 함께 혼합하는 단계
    를 포함하는 것인 방법.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    형성된 구성요소 상에서 행해지는 적어도 하나의 열 처리 단계
    를 더 포함하는 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 적어도 하나의 열 처리 단계는 HIP(Hot Isostatic Pressing) 단계를 포함하는 것인 방법.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 기계 구성요소는 터보기계 구성요소인 것인 방법.
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