KR20180114226A - 알루미늄, 코발트, 크롬, 및 니켈로 이루어진 fcc 재료, 및 이로 제조된 제품 - Google Patents

알루미늄, 코발트, 크롬, 및 니켈로 이루어진 fcc 재료, 및 이로 제조된 제품 Download PDF

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Abstract

본 발명은 Al, Co, Cr, 및 Ni을 포함하는 신규 재료에 관한 것이다. 신규 재료는 이 재료의 고상선 온도 바로 아래에서 면심 입방(fcc) 고용체 구조의 단상계를 실현할 수 있다. 신규 재료는 적어도 하나의 석출상을 포함할 수 있고, 적어도 1000℃의 고용선 온도를 가질 수 있다. 신규 재료는 2.2 ~ 8.6 중량% Al, 4.9 ~ 65.0 중량% Co, 4.3 ~ 42.0 중량% Cr, 및 4.8 ~ 88.6 중량% Ni을 포함할 수 있다. 일 구현예에서, 석출물은 L12 상, B2 상, 시그마 상, bcc 상, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된다. 신규 합금은 개선된 고온 특성을 실현할 수 있다.

Description

알루미늄, 코발트, 크롬, 및 니켈로 이루어진 FCC 재료, 및 이로 제조된 제품
인코넬 625는 61 중량% Ni, 21.5 중량% Cr, 9 중량% Mo, 및 3.6 중량% (Nb+Ta)의 공칭 조성을 갖는 니켈계 합금이다. 인코넬 625는 우수한 내산화성, 피로 강도, 및 내식성을 가지며, 극저온부터 980℃까지 고강도 및 고인성을 갖는다.
대략적으로, 본 특허 출원은 재료의 고상선 온도 바로 아래에서 면심 입방(fcc) 고용체 구조의 단상계를 갖는 신규 알루미늄-코발트-크롬-니켈 재료("신규 재료")에 관한 것이다. 신규 재료는 적어도 하나의 석출상을 포함하고, 적어도 1000℃의 고용선 온도를 가질 수 있다. 고용선 온도는 고온에서의 재료의 강도 및 열 안정성의 지표이다. 일반적으로, 고용선 온도가 높을수록 고온에서의 강도 및 열 안정성이 높아진다. 신규 재료는 2.2 ~ 8.6 중량% Al, 4.9 ~ 65.0 중량% Co, 4.3 ~ 42.0 중량% Cr, 및 4.8 ~ 88.6 중량% Ni을 포함할 수 있다. 일 구현예에서, 석출물은 L12 상, B2 상, 시그마 상, bcc 상, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된다. 석출상(들)은 고상 변태 공정을 통해 형성될 수 있다. 하나의 특정 접근법에서, 신규 재료는 2.4 ~ 7.8 중량% Al, 5.5 ~ 59.1 중량% Co, 4.8 ~ 38.2 중량% Cr, 및 5.3 ~ 82.2 중량% Ni을 포함할 수 있고, 선택적인 부수적 원소 및 불가피한 불순물을 허용한다. 신규 재료에 관한 다른 양태, 접근법, 및 구현예를 이하 상세히 설명한다.
도 1은 bcc, fcc, 및 hcp 단위 셀의 개략적 도시이다.
도 2a는 본 발명 합금의 비제한적 예를 솔리드 서클로 표시하는 3원계 조성 다이어그램이다.
도 2b는 본 발명 합금의 비제한적 예를 솔리드 서클로 표시하는 2원계 조성 다이어그램 세트이다.
도 3은 신규 재료를 제조하는 방법의 일 구현예에 대한 흐름도이다.
도 4는 내부에 하나 이상의 석출물이 존재하는 fcc 고용체 구조를 갖는 가공 제품을 얻기 위한 방법의 일 구현예에 대한 흐름도이다.
전술한 바와 같이, 본 특허 출원은 재료의 고상선 온도 바로 아래에서 면심 입방(fcc) 고용체 구조의 단상계를 갖는 신규 알루미늄-코발트-크롬-니켈 재료("신규 재료")에 관한 것이다. 당업자에게 알려진 바와 같이, 그리고 도 1에 도시된 바와 같이, 면심 입방(fcc) 단위 셀은 정육면체의 8개 모서리 각각에 있는 원자 및 정육면체의 각각의 면에 있는 하나의 원자를 갖는다. 모서리 원자 각각은 다른 정육면체의 모서리이므로 모서리 원자는 8개의 단위 셀 사이에서 공유되는 한편, 면 원자는 2개의 단위 셀과 공유된다.
본원에 기술된 고유 조성으로 인해, 신규 재료는 재료의 고상선 온도 바로 아래에서 fcc 고용체 구조의 단상계를 실현할 수 있다. 신규 재료는 또한 높은 액상선 온도 및 좁은 평형 어는 범위를 가질 수 있어(예를 들어, 응고 중 미소편석을 제한하기 위함), 종래의 잉곳 가공, 뿐만 아니라 분말 야금, 형상 주조, 적층 가공, 및 이들의 조합(하이브리드 가공)을 통한 제조에 적합하다. 신규 재료는 고온 용도로 사용될 수 있다.
신규 재료는 일반적으로 fcc 결정 구조를 가지며, 2.2 ~ 8.6 중량% Al, 4.9 ~ 65.0 중량% Co, 4.3 ~ 42.0 중량% Cr, 및 4.8 ~ 88.6 중량% Ni("합금 원소")을 포함하고, 이 재료는 fcc 고용체 구조를 실현하기에 충분한 양의 Al, Co, Cr, 및 Ni을 포함한다. 이 재료는 부수적 원소 및 불가피한 불순물을 허용하며, Al, Co, Cr, 및 Ni로 이루어질 수 있다. 본원에 사용된 "부수적 원소"는 합금에 사용될 수 있는 탄소, 붕소, 지르코늄, 하프늄 등의 결정립계 변형제, 주조 보조제, 및/또는 결정립 구조 제어 재료를 포함한다. 예를 들어, 탄소, 붕소, 지르코늄, 하프늄 등 중 하나 이상이 결정립계 변형을 제공하기에 충분한 양으로 첨가될 수 있다. 첨가량은, 예컨대 금속간 화합물 형성에 의해, 재료의 특성을 부적절하게 저하시키지 않고 결정립계 변형을 제공하기에 충분한 양으로 제한되어야 한다. 하나의 비제한적 예로서, 첨가량이 재료 특성의 부적절한 저하를 초래하지 않는다면, 최대 0.15 중량% C, 최대 0.15 중량% B, 최대 0.5 중량% Hf 및 최대 0.5 중량% Zr이 재료에 첨가될 수 있다. 신규 재료의 다양한 조성 구현예가 도 2a 내지 2b에 도시되어 있다. 솔리드 서클은 본 발명 합금의 비제한적 예이다. 아래 표 1은 도 2a 내지 2b의 합금 중 일부에 해당하며, 본 특허 출원에 따른 유용한 합금 유형의 비제한적 예이다. 합금 1~2는 등급 1의 합금이고, 합금 3~6은 등급 2의 합금이고, 합금 7~10은 등급 3의 합금이고, 나머지 합금은 등급 4의 합금이다.
Figure pct00001
Figure pct00002
하나의 접근법에서, 신규 재료는 적어도 하나의 석출상을 포함하고, 적어도 1000℃의 고용선 온도를 갖는다. 이 접근법에서, 신규 재료는 2.2 ~ 8.6 중량% Al, 4.9 ~ 65.0 중량% Co, 4.3 ~ 42.0 중량% Cr, 및 4.8 ~ 88.6 중량% Ni을 포함할 수 있다. 일 구현예에서, 석출물은 L12 상, B2 상, 시그마 상, bcc 상, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된다. 석출상(들)은 고상 석출 중에 형성될 수 있다. 하나의 특정 접근법에서, 신규 재료는 2.4 ~ 7.8 중량% Al, 5.5 ~ 59.1 중량% Co, 4.8 ~ 38.2 중량% Cr, 및 5.3 ~ 82.2 중량% Ni을 포함할 수 있다.
하나의 접근법에서, 신규 재료는 적어도 하나의 석출상을 포함하고, 적어도 1100℃의 고용선 온도를 가지며, 적어도 하나의 석출상은 우선적으로 L12 상이다. 이 접근법에서, 신규 재료는 6.7 ~ 8.5 중량% Al, 4.9 ~ 24.4 중량% Co, 4.3 ~ 16.2 중량% Cr, 및 54.4 ~ 84.1 중량% Ni을 포함할 수 있다. 하나의 특정 접근법에서, 신규 재료는 7.5 ~ 7.7 중량% Al, 5.5 ~ 22.2 중량% Co, 4.8 ~ 14.8 중량% Cr, 및 60.5 ~ 82.2 중량% Ni을 포함할 수 있다.
하나의 접근법에서, 신규 재료는 적어도 하나의 석출상을 포함하고, 적어도 1100℃의 고용선 온도를 가지며, 이 재료의 비평형 어는 범위는 300℃ 이하이고, 적어도 하나의 석출상은 우선적으로 L12이다. 이 접근법에서, 신규 재료는 6.8 ~ 8.5 중량% Al, 4.9 ~ 24.4 중량% Co, 8.7 ~ 16.2 중량% Cr, 및 54.4 ~ 79.6 중량% Ni을 포함할 수 있다. 일 구현예에서, 석출물은 L12 상이다. 하나의 특정 접근법에서, 신규 재료는 7.5 ~ 7.7 중량% Al, 5.5 ~ 22.2 중량% Co, 9.7 ~ 14.8 중량% Cr, 및 60.5 ~ 77.3 중량% Ni을 포함할 수 있다. L12 상(및/또는 다른 경화상)은 고상 석출 중에 형성될 수 있다. 일 구현예에서, 이 재료의 비평형 어는 범위는 250℃ 이하이다. 다른 구현예에서, 이 재료의 비평형 어는 범위는 200℃ 이하이다. 다른 구현예에서, 이 재료의 비평형 어는 범위는 150℃ 이하이다. 다른 구현예에서, 이 재료의 비평형 어는 범위는 100℃ 이하이다. 다른 구현예에서, 이 재료의 비평형 어는 범위는 80℃ 이하이다.
하나의 접근법에서, 신규 재료는 적어도 하나의 석출상을 포함하고, 적어도 1100℃의 고용선 온도를 가지며, 이 재료의 비평형 어는 범위는 70℃ 이하이고, 적어도 하나의 석출상은 우선적으로 L12이다. 이 접근법에서, 신규 재료는 6.8 ~ 8.5 중량% Al, 5.0 ~ 12.3 중량% Co, 13.2 ~ 16.2 중량% Cr, 및 59.8 ~ 75.0 중량% Ni을 포함할 수 있다. 일 구현예에서, 석출물은 L12 상이다. 하나의 특정 접근법에서, 신규 재료는 7.5 ~ 7.7 중량% Al, 5.5 ~ 11.2 중량% Co, 14.6 ~ 14.8 중량% Cr, 및 66.5 ~ 72.4 중량% Ni을 포함할 수 있다. L12 상(및/또는 다른 경화상)은 고상 석출 중에 형성될 수 있다.
하나의 접근법에서, 이제 도 3을 참조하면, 신규 재료를 제조하는 방법은 전술한 조성의 범위 내에서 Al, Co, Cr, 및 Ni을 포함하는 혼합물을 혼합물의 액상선 온도 위로 가열하여 액체를 형성하는 단계(100), 혼합물을 액상선 온도 위로부터 고상선 온도 아래까지 냉각시키는 단계(200) (냉각으로 인해 혼합물은 (미소편석으로 인해 잠재적으로 다른 상들을 갖는) fcc(면심 입방) 고용체 구조를 갖는 고체 생성물을 형성하고, 혼합물은 fcc 고용체 구조를 실현하기에 충분한 양의 Al, Co, Cr, 및 Ni을 포함함), 및 fcc 고용체 구조 내에 석출상을 실현하기에 충분한 양의 Al, Co, Cr, 및 Ni을 포함하는 혼합물의 석출상의 고용선 온도 아래로 고체 생성물을 냉각시켜 고체 생성물의 fcc 고용체 구조 내에 석출상을 형성하는 단계(300)를 포함한다. 일 구현예에서, fcc 고용체는 액체로부터 형성하는 제1상이다.
일 구현예에서, 적절한 최종 제품의 실현을 용이하게 하기 위해 재료의 제어된 냉각이 사용된다. 예를 들어, 방법은 혼합물을 상온으로 냉각시키는 단계(400)를 포함할 수 있고, 방법은 단계(400)의 종료시, 즉 상온에 도달했을 때, 균열 없는 잉곳이 실현되도록 적어도 냉각 단계 (300) 및 (400) 중에 냉각 속도를 제어하는 단계를 포함할 수 있다. 제어된 냉각은 예를 들어, 적절한 수냉 주조 몰드를 사용하여 달성될 수 있다.
본원에 사용된 "잉곳"은 임의의 형상의 주조 제품을 의미한다. 용어 "잉곳"은 빌렛을 포함한다. 본원에 사용된 "균열 없는 잉곳"은 가공 잉곳으로 사용될 수 있도록 균열이 충분히 없는 잉곳을 의미한다. 본원에 사용된 "가공 잉곳"은 이후 최종 제품으로 가공하기에 적합한 잉곳을 의미한다. 후속 가공은 예를 들어, 압연, 단조, 압출 중 하나를 통한 열간 가공 및/또는 냉간 가공, 뿐만 아니라 압축 및/또는 연신에 의한 응력 완화를 포함할 수 있다.
일 구현예에서, 균열 없는 잉곳 등의 균열 없는 제품은 재료로부터 최종 가공 제품을 얻기 위해 적절히 가공될 수 있다. 예를 들어, 이제 도 3 내지 4를 참조하면, 전술한 도 3의 단계 (100) 내지 (400)은 전술한 균열 없는 잉곳을 생성하는, 도 4에 도시된 주조 단계(10)로 간주될 수 있다. 다른 구현예에서, 균열 없는 제품은, 예를 들어 형상 주조, 적층 가공 또는 분말 야금에 의해 제조된 균열 없는 프리폼일 수 있다. 어떤 경우든, 균열 없는 제품은, 선택적으로 내부에 하나 이상의 석출상이 존재하는 fcc 고용체 구조를 갖는 최종 가공 제품을 얻기 위해 추가로 가공될 수 있다. 최종 제품 형태를 달성하기 위해 이러한 추가 가공은 이하 기술되는 용해(20) 및 가공(30) 단계의 임의의 조합을 적절히 포함할 수 있다. 최종 제품 형태가 실현되면, 재료는 강화 석출물을 나타나게 하도록 석출 경화(40)될 수 있다. 최종 제품은, 예를 들어 압연 제품, 압출 제품 또는 단조 제품일 수 있다.
도 4를 계속 참조하면, 주조 단계(10)의 결과로서, 잉곳은 일부 제2상 입자를 포함할 수 있다. 따라서, 방법은 잉곳, 중간 제품 형태 및/또는 최종 제품 형태를 적용 가능한 석출물(들)의 고용선 온도 위로(단, 재료의 고상선 온도 미만으로) 가열하여 제2상 입자의 일부 또는 전부를 용해시키는 하나 이상의 용해 단계(20)를 포함할 수 있다. 용해 단계(20)는 적용 가능한 제2상 입자를 용해시키기에 충분한 시간 동안 재료를 침지시키는 단계를 포함할 수 있다. 침지 후에, 재료는 후속 가공을 위해 상온으로 냉각될 수 있다. 대안적으로, 침지 후에, 재료는 가공 단계(30)를 통해 즉시 열간 가공될 수 있다.
가공 단계(30)는 일반적으로 잉곳 및/또는 중간 제품 형태의 열간 가공 및/또는 냉간 가공을 포함한다. 열간 가공 및/또는 냉간 가공은, 예를 들어 재료의 압연, 압출 또는 단조를 포함할 수 있다. 가공(30)은 임의의 용해 단계(20) 전 및/또는 후에 발생할 수 있다. 예를 들어, 용해 단계(20)의 종료 후, 재료는 상온으로 냉각되도록 한 후 가공에 적절한 온도로 재가열될 수 있다. 대안적으로, 재료는 상온 주위에서 냉간 가공될 수 있다. 일부 구현예에서, 재료는 열간 가공되고, 상온으로 냉각된 후, 냉간 가공될 수 있다. 또 다른 구현예에서, 열간 가공은 용해 단계(20)의 침지 후에 시작되어 열간 가공에 제품의 재가열이 필요하지 않을 수 있다.
가공 단계(30)로 인해 제2상 입자가 석출될 수 있다. 이와 관련하여, 가공 단계(30)로 인해 형성될 수 있는 제2상 입자의 일부 또는 전부를 용해시키기 위해 임의의 수의 가공후 용해 단계(20)가 적절히 이용될 수 있다.
임의의 적절한 용해(20) 및 가공(30) 단계 후, 최종 제품 형태는 석출 경화(40)될 수 있다. 석출 경화 단계(40)는 가공으로 인해 석출된 적어도 일부의 제2상 입자를 용해시키기에 충분한 시간 동안 적용 가능한 침전물(들)의 고용선 온도 위로 최종 제품 형태를 가열하고, 이어서 적용 가능한 침전물(들)의 고용선 온도 아래로 최종 제품 형태를 급냉시켜 석출 입자를 형성하는 것을 포함할 수 있다. 석출 경화 단계(40)는 강화 석출물을 형성하기에 충분한 시간 동안 목표 온도에서 제품을 유지하고, 이어서 제품을 상온으로 냉각시켜 내부에 강화 석출물을 갖는 최종 시효 제품을 실현하는 것을 더 포함할 것이다. 일 구현예에서, 최종 시효 제품은 0.5 부피% 이상의 강화 석출물을 함유한다. 강화 석출물은 바람직하게는 fcc 고용체 구조의 매트릭스 내에 위치하여 전위와의 상호작용을 통해 제품에 강도를 부여한다.
신규 재료의 구조 및 조성으로 인해, 신규 재료는 특성의 개선된 조합, 예컨대, 특히 밀도, 연성, 강도, 파괴 인성, 내산화성, 내피로성, 내크리프성, 및 내고온성 중 적어도 두 개의 개선된 조합을 실현할 수 있다. 따라서, 신규 재료는 다양한 용도, 예컨대 몇 가지 예를 들면, 자동차(승용차, 트럭, 및 임의의 기타 육상 차량) 및 항공우주 산업에 이용되는 고온 용도에 사용될 수 있다. 예를 들어, 신규 재료는 엔진의 터빈 부품 또는 기타 고온 용도로서 적용될 수 있다. 기타 부품은 엔진용 블레이드, 디스크, 베인, 링 및 케이싱을 포함한다. 일 구현예에서, 신규 재료는 600℃ 내지 1000℃ 이상의 온도에서의 작동을 필요로 하는 용도에 사용된다.
전술한 신규 fcc 재료는 또한 형상 주조 제품 또는 프리폼을 제조하는 데 사용될 수 있다. 형상 주조 제품은 주조 공정 후에 최종의 또는 최종에 가까운 제품 형태를 달성하는 제품이다. 신규 재료는 임의의 원하는 형상으로 형상 주조될 수 있다. 일 구현예에서, 신규 재료는 자동차 또는 항공우주 부품(예를 들어 엔진 부품) 형태로 형상 주조된다. 주조 후, 형상 주조 제품은 전술한 바와 같이 적절한 용해 단계(20) 또는 석출 경화(40) 단계를 거칠 수 있다. 일 구현예에서, 형상 주조 제품은 전술한 조성의 범위 내에서 본질적으로 Al, Co, Cr, 및 Ni로 이루어진다. 일 구현예에서, 형상 주조 제품은 0.5 부피% 이상의 강화 석출물을 포함한다.
본 특허 출원이 일반적으로 내부에 상기 열거된 석출상(들) 중 하나 이상을 갖는 fcc 매트릭스 합금 재료에 관한 것으로 설명되었지만, 신규 fcc 매트릭스 합금 재료에 다른 경화상이 적용될 수 있고, 이러한 경화상(정합 또는 부정합)은 모두 본원에 기술된 fcc 합금 재료에 활용될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
신규 fcc 재료의 적층 가공
전술한 신규 재료를 적층 가공에 의해 제조하는 것도 가능하다. 본원에 사용된 "적층 가공"은 "Standard Terminology for Additively Manufacturing Technologies(적층 가공 기술에 대한 표준 용어)"라는 제목의 ASTM F2792-12a에 정의된 바와 같이, "절삭 가공 방법과는 대조적으로 3D 모델 데이터로부터 물체를 제조하기 위해 보통 한층 한층씩 재료를 결합하는 공정"을 의미한다. 신규 재료는 이러한 ASTM 표준에 기재된 임의의 적절한 적층 가공 기술, 예컨대 특히 바인더 분사, 방향성 에너지 증착, 재료 압출, 재료 분사, 분말 베드 용융, 또는 시트 적층을 통해 제조될 수 있다.
일 구현예에서, 적층 가공 공정은 하나 이상의 분말의 연속층을 증착하고, 이어서 분말을 선택적으로 용융 및/또는 소결시켜 층층이 적층 가공 바디(제품)를 생성하는 것을 포함한다. 일 구현예에서, 적층 가공 공정은 특히 선택적 레이저 소결(SLS), 선택적 레이저 용융(SLM), 및 전자빔 용융(EBM) 중 하나 이상을 이용한다. 일 구현예에서, 적층 가공 공정은 EOS GmhH(Robert-Stirling-Ring 1, 82152 Krailling/Munich, 독일)로부터 이용 가능한, EOSINT M 280 직접 금속 레이저 소결(DMLS) 적층 가공 시스템, 또는 유사한 시스템을 이용한다.
일례로서, 전술한 조성의 범위 내에서 합금 원소 및 임의의 선택적인 부수적 원소를 포함하는(또는 본질적으로 이들로 이루어진) 분말 또는 와이어 등의 공급 원료를 적층 가공 장치에서 사용하여, 선택적으로 내부에 석출상(들)이 존재하는 fcc 고용체 구조를 포함하는 적층 가공 바디를 제조할 수 있다. 일부 구현예에서, 적층 가공 바디는 균열 없는 프리폼이다. 분말을 선택적으로 재료의 액상선 온도 위로 가열하여, 합금 원소 및 임의의 선택적인 부수적 원소를 갖는 용융 풀(pool)을 형성한 후, 용융 풀을 급속 응고시킬 수 있다.
전술한 바와 같이, 적층 가공은, 예컨대 금속 분말 베드를 통해, 층층이 금속 제품(예를 들어, 합금 제품)을 생성하는 데 이용될 수 있다. 일 구현예에서, 제품(예를 들어, 맞춤형 합금 제품)을 생성하는 데 금속 분말 베드가 사용된다. 본원에 사용된 "금속 분말 베드" 등은 금속 분말을 포함하는 베드를 의미한다. 적층 가공 중에, 동일한 또는 상이한 조성의 입자가 용융(예를 들어, 급속 용융)된 다음 (예를 들어, 균질 혼합의 부재 하에) 응고될 수 있다. 따라서, 균질 또는 비균질 미세구조를 갖는 제품이 생성될 수 있다. 적층 가공 바디를 제조하는 방법의 일 구현예는 (a) 합금 원소 및 임의의 선택적인 부수적 원소를 포함하는 분말을 분산시키는 단계, (b) 형성될 특정 바디의 액상선 온도 초과의 온도로 (예를 들어, 레이저를 통해) 분말의 일부를 선택적으로 가열하는 단계, (c) 합금 원소 및 임의의 선택적인 부수적 원소를 갖는 용융 풀을 형성하는 단계, 및 (d) 용융 풀을 초당 1000℃ 이상의 냉각 속도로 냉각시키는 단계를 포함할 수 있다. 일 구현예에서, 냉각 속도는 초당 10,000℃ 이상이다. 다른 구현예에서, 냉각 속도는 초당 100,000℃ 이상이다. 다른 구현예에서, 냉각 속도는 초당 1,000,000℃ 이상이다. 단계 (a) 내지 (d)는 바디가 완성될 때까지, 즉 최종 적층 가공 바디가 형성/완성될 때가지 필요에 따라 반복될 수 있다. 선택적으로 내부에 석출상(들)이 존재하는 fcc 고용체 구조를 포함하는 최종 적층 가공 바디는 복잡한 기하학적 구조이거나 간단한 기하학적 구조(예를 들어, 시트 또는 플레이트 형태)일 수 있다. 제조 후 또는 제조 중에, 적층 가공 제품은 (예를 들어, 압연, 압출, 단조, 연신, 압축 중 하나 이상에 의해) 변형될 수 있다.
신규 재료를 적층 가공하는 데 사용되는 분말은 신규 재료의 재료(예를 들어, 잉곳 또는 용융물)를 이용될 적층 가공 공정과 관련된 적절한 치수의 분말로 분무화함으로써 제조될 수 있다. 본원에 사용된 "분말"은 복수의 입자를 포함하는 물질을 의미한다. 분말은 적층 가공을 통해 맞춤형 합금 제품을 제조하기 위해 분말 베드에서 사용될 수 있다. 일 구현예에서, 금속 제품을 제조하기 위해 적층 가공 공정 전체에 걸쳐 동일한 일반 분말이 사용된다. 예를 들어, 최종 맞춤형 금속 제품은 적층 가공 공정 중에 일반적으로 동일한 금속 분말을 사용하여 생성된 단일 영역/매트릭스를 포함할 수 있다. 대안적으로, 최종 맞춤형 금속 제품은 적어도 두 개의 개별적으로 생성된 별개의 영역을 포함할 수 있다. 일 구현예에서, 금속 제품을 제조하기 위해 상이한 금속 분말 베드 유형이 사용될 수 있다. 예를 들어, 제1 금속 분말 베드는 제1 금속 분말을 포함할 수 있고, 제2 금속 분말 베드는 제1 금속 분말과 상이한 제2 금속 분말을 포함할 수 있다. 제1 금속 분말 베드는 합금 제품의 제1의 층 또는 부분을 제조하는 데 사용될 수 있고, 제2 금속 분말 베드는 합금 제품의 제2의 층 또는 부분을 제조하는 데 사용될 수 있다. 본원에 사용된 "입자"는 분말 베드의 분말에 사용하기에 적합한 크기(예를 들어, 5 마이크론 내지 100 마이크론의 크기)를 갖는 미세한 물질 조각을 의미한다. 입자는, 예를 들어 분무화를 통해 제조될 수 있다.
적층 가공 바디는 전술한 바와 같이, 임의의 적절한 용해 단계(20), 가공 단계(30) 및/또는 석출 경화 단계(40)를 거칠 수 있다. 용해(20) 및/또는 가공(30) 단계가 이용되는 경우, 이 단계들은 적층 가공 바디의 중간 형태 및/또는 적층 가공 바디의 최종 형태로 수행될 수 있다. 석출 경화 단계(40)가 이용되는 경우, 이 단계는 일반적으로 적층 가공 바디의 최종 형태에 대해 수행된다. 일 구현예에서, 적층 가공 바디는 본질적으로 합금 원소 및 임의의 부수적 원소 및 불순물, 예컨대 전술한 임의의 재료 조성으로 이루어지고, 선택적으로 내부에 0.5 부피% 이상의 석출상(들)을 갖는다.
다른 구현예에서, 신규 재료는 후속 가공을 위한 프리폼이다. 프리폼은 잉곳, 형상 주조품, 적층 가공 제품, 또는 분말 야금 제품일 수 있다. 일 구현예에서, 프리폼은 최종 제품의 최종 원하는 형상에 가까운 형상이지만, 프리폼은 최종 제품 형상을 얻기 위해 후속 가공이 가능하도록 설계된다. 따라서, 프리폼은 중간 제품 또는 최종 제품을 제조하기 위해 단조, 압연, 또는 압출 등에 의해 가공(30)될 수 있고, 이 중간 또는 최종 제품은 최종 제품을 얻기 위해, 전술한 바와 같이 임의의 적절한 용해 단계(20), 가공 단계(30) 및/또는 석출 경화 단계(40)를 더 거칠 수 있다. 일 구현예에서, 가공은 부품을 압축하기 위해 열간 등압 가압성형(히핑)을 포함한다. 일 구현예에서, 합금 프리폼이 압축될 수 있고, 공극률이 감소할 수 있다. 일 구현예에서, 히핑 온도는 합금 프리폼의 초기 융점 미만으로 유지된다. 일 구현예에서, 프리폼은 최종 형상에 가까운 제품일 수 있다.
하나의 접근법에서, 적층 가공 바디의 적어도 일부를 제조하기 위해 전자빔(EB) 또는 플라즈마 아크 기술이 이용된다. 전자빔 기술은 레이저 적층 가공 기술을 통해 용이하게 제조되는 것보다 더 큰 부품의 제조를 용이하게 할 수 있다. 일 구현예에서, 방법은 작은 직경의 와이어(예를 들어, 직경 2.54 mm 이하)를 전자빔 건(gun)의 와이어 피더부에 공급하는 단계를 포함한다. 와이어는 전술한 조성을 가질 수 있다. 전자빔(EB)은 와이어를 형성될 바디의 액상점 위로 가열하고, 이어서 용융 풀을 급속 응고시켜(예를 들어, 초당 100℃ 이상) 증착 재료를 형성한다. 와이어는 종래의 잉곳 공정 또는 분말 압밀 공정에 의해 제조될 수 있다. 이들 단계는 최종 제품이 제조될 때까지 필요에 따라 반복될 수 있다. 본원에 개시된 합금과 함께 플라즈마 아크 와이어 피드가 유사하게 사용될 수 있다. 도시되지 않은 일 구현예에서, 전자빔(EB) 또는 플라즈마 아크 적층 가공 장치는 여러 상이한 와이어 및 대응하는 여러 상이한 방사선원을 이용할 수 있고, 합금 원소 및 임의의 선택적인 부수적 원소를 갖는 금속 매트릭스를 갖는 제품을 제조하기 위해 와이어와 방사선원은 각각 적절히 공급되고 활성화된다.
다른 접근법에서, 방법은 (a) 하나 이상의 금속 분말을 조립 기판을 향해 또는 그 위에 선택적으로 분무하는 단계, (b) 방사선원을 통해 금속 분말 및 선택적으로 조립 기판을 형성될 제품의 액상선 온도 위로 가열하여 용융 풀을 형성하는 단계, (c) 용융 풀을 냉각시켜 금속 제품의 고체 부분을 형성하는 단계를 포함할 수 있고, 냉각은 초당 100℃ 이상의 냉각 속도로 냉각하는 것을 포함한다. 일 구현예에서, 냉각 속도는 초당 1000℃ 이상이다. 다른 구현예에서, 냉각 속도는 초당 10,000℃ 이상이다. 냉각 단계(c)는 방사선원을 용융 풀로부터 멀리 이동시키고/시키거나, 용융 풀을 갖는 조립 기판을 방사선원으로부터 멀리 이동시켜 달성될 수 있다. 단계 (a) 내지 (c)는 금속 제품이 완성될 때까지 필요에 따라 반복될 수 있다. 분무 단계(a)는 하나 이상의 노즐을 통해 달성될 수 있으며, 금속 분말의 조성은 합금 원소 및 임의의 선택적인 부수적 원소를 갖는 금속 매트릭스를 갖는 맞춤형 최종 금속 제품을 제공하기 위해 적절히 달라질 수 있다. 임의의 시간에 가열되는 금속 분말의 조성은 상이한 노즐에서 상이한 분말을 사용하여 실시간으로 달라질 수 있고/있거나 실시간으로 임의의 노즐에 제공되는 분말 조성(들)을 변화시켜 달라질 수 있다. 공작물은 임의의 적절한 기판일 수 있다. 일 구현예에서, 조립 기판은 그 자체로 금속 제품(예를 들어, 합금 제품)이다.
전술한 바와 같이, 금속 제품을 제조하기 위해(예를 들어, 합금 제품을 제조하기 위해) 용접이 사용될 수 있다. 일 구현예에서, 제품은 상이한 조성의 복수의 금속 성분 형태의 전구체 재료에 적용되는 용융 작업에 의해 제조될 수 있다. 전구체 재료는 동시 용융 및 혼합을 가능하게 하기 위해 서로 병치되어 존재할 수 있다. 일례에서, 용융은 전기 아크 용접 중에 발생한다. 다른 예에서, 용융은 적층 가공 중에 레이저 또는 전자빔에 의해 수행될 수 있다. 용융 작업의 결과 복수의 금속 성분이 용융 상태로 혼합되고, 합금 형태 등의 금속 제품이 형성된다. 전구체 재료는 복수의 물리적으로 분리된 형태, 예컨대 상이한 조성의 금속 또는 금속 합금의 복수의 연신 스트랜드 또는 섬유, 또는 제1 조성의 연신 스트랜드 또는 튜브와, 예를 들어 튜브 내에 포함된 제2 조성의 인접 분말, 또는 하나 이상의 클래드층을 갖는 스트랜드 형태로 제공될 수 있다. 전구체 재료는 구조체, 예를 들어 여러 스트랜드 또는 섬유를 갖는 연선(twisted) 또는 편조(braided) 케이블 또는 와이어, 또는 외피 및 그 내부 공간에 포함된 분말을 갖는 튜브 형태로 형성될 수 있다. 이어서, 구조체는 그 일부, 예를 들어 팁을, 예를 들어 적층 가공을 위한 공급 원료로서 또는 용접봉으로서 사용하여, 그 일부가 용융 작업 처리되도록 취급될 수 있다. 그렇게 사용될 경우, 구조체 및 그 성분 전구체 재료는, 예를 들어 연속 또는 불연속 공정에서 용융되어, 적층 가공을 위해 증착되는 재료의 라인 또는 도트 또는 용접 비드를 형성할 수 있다.
일 구현예에서, 금속 제품은 재료 또는 용접될 재료 사이에 삽입되어 결합된 필러 또는 용접 바디, 예를 들어 동일하거나 상이한 재료의 두 바디 또는 필러가 적어도 부분적으로 채워지는 개구를 갖는 단일 재료의 바디이다. 다른 구현예에서, 필러는 용접되는 재료에 비해 조성이 변하는 전이 구역을 나타내어, 생성된 조합은 합금 제품으로 간주될 수 있다.
본질적으로 fcc 고용체 구조로 이루어진 신규 fcc 재료
상기 개시 내용은 내부에 석출상(들)을 갖는 신규 fcc 재료를 제조하는 방법을 일반적으로 기술하고 있지만, 본질적으로 fcc 고용체 구조로 이루어진 재료를 제조하는 것도 가능하다. 예를 들어, 전술한 바와 같이, 잉곳, 가공 바디, 형상 주조품, 또는 적층 가공 바디의 제조 후, 재료는 상기 용해 단계(20)에 대해 기술된 방식 등으로 균질화될 수 있다. 적절한 급냉으로, 임의의 제2상 입자의 석출이 억제/제한되어, 임의의 제2상 입자가 본질적으로 없는 fcc 고용체 재료, 즉 본질적으로 fcc 고용체 구조로 이루어진 재료를 실현할 수 있다.
본원에 기술된 신규 기술의 다양한 구현예가 상세히 설명되었지만, 이러한 구현예의 변형 및 변경이 이루어질 수 있음은 당업자에게 명백하다. 그러나, 이러한 변형 및 변경은 본원에 개시된 기술의 사상 및 범위 내에 있음이 명백하게 이해되어야 한다.

Claims (35)

  1. 2.2 ~ 8.6 중량% Al;
    4.9 ~ 65.0 중량% Co;
    4.3 ~ 42.0 중량% Cr; 및
    4.8 ~ 88.6 중량% Ni과
    잔부 임의의 선택적인 부수적 원소 및 불순물을 포함하는 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 부수적 원소는 최대 0.15 중량% C, 최대 0.15 중량% B, 최대 0.5 중량% Hf 및 최대 0.5 중량% Zr을 포함하는 조성물.
  3. 제1항에 있어서, 상기 조성물은 2.4 ~ 7.8 중량% Al, 5.5 ~ 59.1 중량% Co, 4.8 ~ 38.2 중량% Cr, 및 5.3 ~ 82.2 중량% Ni을 포함하는 조성물.
  4. 제1항에 있어서, 상기 조성물은 6.7 ~ 8.5 중량% Al, 4.9 ~ 24.4 중량% Co, 4.3 ~ 16.2 중량% Cr, 및 54.4 ~ 84.1 중량% Ni을 포함하는 조성물.
  5. 제1항에 있어서, 상기 조성물은 6.8 ~ 8.5 중량% Al, 4.9 ~ 24.4 중량% Co, 8.7 ~ 16.2 중량% Cr, 및 54.4 ~ 79.6 중량% Ni을 포함하는 조성물.
  6. 제5항에 있어서, 상기 조성물은 5.0 ~ 12.3 중량% Co, 13.2 ~ 16.2 중량% Cr, 및 59.8 ~ 75.0 중량% Ni을 포함하는 조성물.
  7. 제1항에 있어서, 상기 조성물은 7.5 ~ 7.7 중량% Al, 5.5 ~ 22.2 중량% Co, 4.8 ~ 14.8 중량% Cr, 및 60.5 ~ 82.2 중량% Ni을 포함하는 조성물.
  8. 제7항에 있어서, 상기 조성물은 9.7 ~ 14.8 중량% Cr, 및 60.5 ~ 77.3 중량% Ni을 포함하는 조성물.
  9. 제7항에 있어서, 상기 조성물은 5.5 ~ 11.2 중량% Co, 14.6 ~ 14.8 중량% Cr, 및 66.5 ~ 72.4 중량% Ni을 포함하는 조성물.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 조성물을 포함하는 합금 바디.
  11. 제10항에 있어서, 상기 합금 바디는 항공우주 또는 자동차 부품의 형태인 합금 바디.
  12. 제11항에 있어서, 상기 항공우주 또는 자동차 부품은 터빈인 항공우주 부품.
  13. 제10항에 있어서, 상기 합금 바디는 밀도, 연성, 강도, 파괴 인성, 내산화성, 내피로성, 내크리프성, 및 내고온성 중 적어도 두 개의 개선된 조합을 포함하는 합금 바디.
  14. 제10항에 있어서, 상기 합금 바디는 잉곳 형태인 합금 바디.
  15. 제10항에 있어서, 상기 합금 바디는 압연 제품 형태인 합금 바디.
  16. 제10항에 있어서, 상기 합금 바디는 압출품 형태인 합금 바디.
  17. 제10항에 있어서, 상기 합금 바디는 단조품 형태인 합금 바디.
  18. 제10항에 있어서, 상기 합금 바디는 형상 주조품 형태인 합금 바디.
  19. 제10항에 있어서, 상기 합금 바디는 적층 가공 제품 형태인 합금 바디.
  20. (a) 적층 가공 장치에서,
    2.2 ~ 8.6 중량% Al,
    4.9 ~ 65.0 중량% Co,
    4.3 ~ 42.0 중량% Cr, 및
    4.8 ~ 88.6 중량% Ni을 포함하는 공급 원료를 사용하는 단계; 및
    (b) 상기 공급 원료를 사용하여 상기 적층 가공 장치에서 금속 제품을 제조하는 단계를 포함하는 방법.
  21. 제20항에 있어서, 상기 공급 원료는 분말 원료를 포함하고, 상기 방법은,
    (a) 상기 분말 원료의 금속 분말을 베드에 분산시키고/시키거나 상기 분말 원료의 금속 분말을 기판을 향해 또는 기판 상에 분무하는 단계;
    (b) 상기 금속 분말의 일부를 액상선 온도 위로 선택적으로 가열하여 용융 풀(pool)을 형성하는 단계;
    (c) 상기 용융 풀을 냉각시켜 상기 금속 제품의 일부를 형성하되, 상기 냉각은 초당 100℃ 이상의 냉각 속도로 냉각하는 것을 포함하는 단계; 및
    (d) 상기 금속 제품이 완성될 때까지 단계 (a) 내지 (c)를 반복하는 단계를 포함하되, 상기 금속 제품은 금속 매트릭스를 포함하고, 상기 Al, Co, Cr, 및 Ni은 상기 매트릭스를 구성하는, 방법.
  22. 제21항에 있어서, 상기 가열은 방사선원으로 가열하는 것을 포함하고, 상기 냉각 속도는 초당 1000℃ 이상인, 방법.
  23. 제20항에 있어서, 상기 공급 원료는 와이어 원료를 포함하고, 상기 방법은,
    (a) 방사선원을 이용해 상기 와이어 원료를 액상점 위로 가열하여, Al, Co, Cr, 및 Ni을 포함하는 용융 풀을 생성하는 단계;
    (b) 상기 용융 풀을 초당 1000℃ 이상의 냉각 속도로 냉각시키는 단계; 및
    (c) 상기 금속 제품이 완성될 때까지 단계 (a) 및 (b)를 반복하는 단계를 포함하되, 상기 금속 제품은 금속 매트릭스를 포함하고, 상기 Al, Co, Cr, 및 Ni은 상기 매트릭스를 구성하는, 방법.
  24. 제21항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각 속도는 적어도 하나의 석출상을 형성하기에 충분한, 방법.
  25. 제24항에 있어서, 상기 적어도 하나의 석출상은 L12, B2, bcc 및 시그마 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
  26. 제24항 또는 제25항에 있어서, 상기 금속 제품은 적어도 0.5 부피%의 상기 석출상을 포함하는, 방법.
  27. 제20항에 있어서, 상기 적층 가공 장치는 바인더 분사 장치를 포함하는, 방법.
  28. 제20항에 있어서, 상기 적층 가공 장치는 방향성 에너지 증착 장치인, 방법.
  29. 제28항에 있어서, 상기 방향성 에너지 증착 장치는 전자빔 장치 또는 플라즈마 아크 장치를 포함하는, 방법.
  30. 제20항에 있어서, 상기 금속 제품을 가공하는 단계를 포함하는 방법.
  31. 제30항에 있어서, 상기 금속 제품은 최종 적층 가공 바디이고, 상기 가공은 상기 최종 적층 가공 바디의 가공인, 방법.
  32. 제30항에 있어서, 상기 제조 단계는,
    상기 공급 원료를 사용하여 상기 금속 제품의 일부를 1차 제조하는 단계;
    상기 공급 원료를 사용하여 상기 금속 제품의 다른 부분을 2차 제조하는 단계를 포함하되,
    상기 가공은 적어도 상기 1차 또는 2차 제조 단계 후에 발생하는, 방법.
  33. 제32항에 있어서, 상기 가공은 상기 1차 제조 단계와 상기 2차 제조 단계 사이에 발생하는, 방법.
  34. 제30항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가공은 열간 등압 가압성형을 포함하는, 방법.
  35. 제30항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가공은 압연, 단조, 및 압출 중 하나 이상을 포함하는, 방법.
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