KR20180117203A - 티타늄, 알루미늄, 바나듐, 및 철로 이루어진 bcc 재료, 및 이로 제조된 제품 - Google Patents

티타늄, 알루미늄, 바나듐, 및 철로 이루어진 bcc 재료, 및 이로 제조된 제품 Download PDF

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Abstract

신규 베타-스타일 (bcc) 티타늄 합금이 개시된다. 신규 합금은 일반적으로 2.0 ~ 6.0 중량% Al, 4.0 ~ 12.0 중량% V, 및 1.0 ~ 5.0 중량% Fe와, 잔부 Ti, 선택적인 부수적 원소, 및 불가피한 불순물을 포함한다. 신규 합금은 종래 티타늄 합금에 비해 특성들의 개선된 조합을 실현할 수 있다.

Description

티타늄, 알루미늄, 바나듐, 및 철로 이루어진 BCC 재료, 및 이로 제조된 제품
본 발명은 티타늄, 알루미늄, 바나듐, 및 철로 이루어진 BCC 재료, 및 이로 제조된 제품에 관한 것이다.
티타늄 합금은 밀도가 낮고(강 밀도의 60%) 강도가 높은 것으로 알려져 있다. 또한, 티타늄 합금은 우수한 내식성을 가질 수 있다. 순수 티타늄은 알파(hcp) 결정 구조를 갖는다.
대략적으로, 본 특허 출원은 재료의 고상선 온도 바로 아래에서 체심 입방(bcc) 고용체 구조의 단상계를 갖는 티타늄, 알루미늄, 바나듐, 및 철로 이루어진 신규 bcc(베타) 재료(예를 들어, 합금)("신규 재료")에 관한 것이다. 당업자에게 알려진 바와 같이, 그리고 도 1에 도시된 바와 같이, 체심 입방(bcc) 단위 셀은 정육면체의 8개 모서리 각각에 있는 원자 및 정육면체의 중심에 있는 하나의 원자를 갖는다. 모서리 원자 각각은 다른 정육면체의 모서리이므로 모서리 원자는 8개의 단위 셀 사이에서 공유된다. 본원에 기술된 고유 조성으로 인해, 신규 재료는 재료의 고상선 온도 바로 아래에서 bcc 고용체 구조의 단상계를 실현할 수 있다. 신규 재료는 또한 높은 액상점 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 bcc 재료는 일반적으로 2.0 ~ 6.0 중량% Al, 4.0 ~ 12.0 중량% V, 및 1.0 ~ 5.0 중량% Fe와, 잔부 티타늄, 임의의 선택적인 부수적 원소, 및 불가피한 불순물을 포함하며, 상기 재료는 bcc 결정 구조를 실현하기에 충분한 양의 티타늄, 알루미늄, 바나듐, 및 철을 포함한다. 이 합금에서 저온 고상 변태를 통해 작은 분율의 알파상(hcp)이 일부 존재할 수 있다. 아래 표는 유용한 신규 합금 재료의 일부 비제한적 예를 제공한다.
티타늄 합금의 예
합금예 Al
( 중량% ) 		V
( 중량% ) 		Fe
( 중량% ) 		잔부
합금 1 2.0 ~ 6.0 4.0 ~ 12.0 1.0 ~ 5.0 Ti, 임의의 부수적 원소 및 불순물
합금 2 2.25 ~ 5.75 5.0 ~ 11.0 1.0 ~ 4.25 Ti, 임의의 부수적 원소 및 불순물
합금 3 2.25 ~ 5.50 5.5 ~ 9.5 1.5 ~ 4.0 Ti, 임의의 부수적 원소 및 불순물
합금 4 2.5 ~ 5.25 6.0 ~ 9.0 2.0 ~ 4.0 Ti, 임의의 부수적 원소 및 불순물
합금 5 2.75 ~ 5.25 6.5 ~ 8.75 2.25 ~ 3.75 Ti, 임의의 부수적 원소 및 불순물
합금 6 3.0 ~ 5.0 7.5 ~ 8.5 2.5 ~ 3.5 Ti, 임의의 부수적 원소 및 불순물
본원에 사용된 "합금 원소"는 본원에 정의된 조성 한도 내에서의 합금 중의 알루미늄, 바나듐, 철, 및 티타늄 원소를 의미한다. 본원에 사용된 "부수적 원소"는 합금에 사용될 수 있는 결정립계 변형제, 주조 보조제, 및/또는 결정립 구조 제어 재료 등, 예컨대, 특히 실리콘, 이트륨, 에르븀, 탄소, 산소, 및 붕소를 포함한다. 일 구현예에서, 신규 합금의 베타 변태선 온도는 850℃ 이하이다. 일 구현예에서, 재료는 고온에서 추가 석출을 유도하기에 충분한 양의 다음의 부수적 원소들 중 하나 이상을 선택적으로 포함할 수 있다.
· Si: 최대 1 중량%
· Y: 최대 1 중량%
· Er: 최대 1 중량%
· C: 최대 0.5 중량%
· O: 최대 0.5 중량%
· B: 최대 0.5 중량%
재료 내 이러한 선택적 추가 원소(들)의 양은 강화 석출물의 생성을 유도하기에 충분해야 하지만, 이러한 선택적 추가 원소(들)의 양은 또한 1차상 입자를 방지하기 위해 제한되어야 한다.
신규 재료는 좁은 어는 범위를 가질 수 있으며, 이로 인해 고온 균열 및/또는 미소편석이 제한될(또는 없을) 수 있다. 실제로, 아래 도 2a 및 표 1 내지 2에 나타낸 바와 같이, 신규 합금은 액체와 고체가 공존하는 불변 온도를 갖는 순수 금속과 거의 마찬가지로 응고될 수 있다.
아래 표 2 내지 3은 신규 합금의 일 구현예에 대한 액상선 온도, 고상선 온도, 평형 어는 범위, 비평형 어는 범위, 베타 변태선 온도, 고용선 온도, 석출상(들) 및 밀도의 일부 비제한적 예를 제공한다.
합금 특성(계산치)
합금 근사
액상선
(℃) 		근사
고상선
(℃) 		근사 평형
어는 범위(℃) 		근사 비평형
어는 범위(℃) 		매트릭스상
Ti-4Al-8V-3Fe 1613 1612 1 5 베타 + 알파
Ti-1Al-8V-5Fe
(종래 기술)		 1618 1596 22 542 베타 + 알파
합금 특성(계속)
합금 근사 베타
변태선 (℃) 		석출상 근사
고용선(℃) 		밀도
(g/ cm 3 )
Ti-4Al-8V-3Fe 825 Ti3Al (α2) 372 4.57
Ti-1Al-8V-5Fe
(종래 기술)		 745 FeTi 197 4.70
본원에 기술된 신규 합금은 평형 상태, 즉 액상선과 고상선 사이의 온도 범위 및 비평형 상태, 즉 액상선과 예측 응고 경로에 대한 최종 공정 변태 온도 사이의 온도 범위 모두에서 좁은 어는 범위를 갖는다. 평형 어는 범위는 인베스트먼트 주조, 단결정 성장 또는 대형 잉곳 주조 등의 느린 응고 속도 공정을 나타낼 수 있다. 비평형 상태는 고체/액체 계면에서 평형이 이루어지는, 특히 금형의 박육 주조 및 적층 가공을 포함하는 비교적 빠른 냉각 속도를 갖는 공정을 나타낼 수 있다. 종래의 합금에 비해, 본 발명의 합금은 더 높은 베타 변태선 온도를 갖는데, 이는 고온 용도에 대해 합금의 hcp (α) 상의 열 안정성이 더 높음을 나타낸다. 전술한 바와 같이, 신규 티타늄 합금은 일반적으로 1.0 ~ 5.0 중량% Fe를 포함한다. 도 2b는 Ti-4Al-8V-XFe 합금의 어는 온도 범위에 미치는 철 함량의 영향을 나타낸다. 합금은, 특히 약 3 중량% Fe에서 좁은 어는 범위를 갖는다. 평형 어는 범위는 약 1 내지 5 중량% Fe에서 약 5℃보다 좁다. 고체 상태의 Ti-4Al-8V-XFe 합금의 평형상계에 미치는 철 함량의 영향이 도 2c에 도시되어 있다. 이는 Fe가 증가함에 따라 베타(
Figure pct00001
) 및 Ti3Al (α2) 상의 안정성이 증가함을 나타낸다. 증가된 베타 안정성은 고온에서 합금의 강도를 저하시킬 수 있으며, 증가된 Ti3Al은 합금의 연성을 감소시킬 수 있다. 일 구현예에서, 합금은 적어도 1.5 중량% Fe를 포함한다. 다른 구현예에서, 합금은 적어도 2.0 중량% Fe를 포함한다. 또 다른 구현예에서, 합금은 적어도 2.25 중량% Fe를 포함한다. 다른 구현예에서, 합금은 적어도 2.5 중량% Fe를 포함한다. 일 구현예에서, 합금은 4.75 중량% 이하의 Fe를 포함한다. 다른 구현예에서, 합금은 4.5 중량% 이하의 Fe를 포함한다. 또 다른 구현예에서, 합금은 4.25 중량% 이하의 Fe를 포함한다. 다른 구현예에서, 합금은 4.0 중량% 이하의 Fe를 포함한다. 또 다른 구현예에서, 합금은 3.75 중량% 이하의 Fe를 포함한다. 다른 구현예에서, 합금은 3.5 중량% 이하의 Fe를 포함한다. 일 구현예에서, 합금은 1.0 ~ 4.25 중량% Fe를 포함한다. 다른 구현예에서, 합금은 1.5 ~ 4.0 중량% Fe를 포함한다. 또 다른 구현예에서, 합금은 2.0 ~ 4.0 중량% Fe를 포함한다. 다른 구현예에서, 합금은 2.25 ~ 3.75 중량% Fe를 포함한다. 또 다른 구현예에서, 합금은 2.5 ~ 3.5 중량% Fe를 포함한다.
전술한 바와 같이, 신규 티타늄 합금은 일반적으로 2.0 ~ 6.0 중량% Al을 포함한다. Ti-8V-3Fe-XAl 합금의 평형 어는 범위에 미치는 알루미늄 함량의 영향이 도 2d에 제공된다. 이는 약 4 중량% Al에서 최소 어는 범위가 존재함을 나타낸다. 어는 범위는 약 2 내지 6 중량% Al에서 약 5℃보다 좁다. 도 2e는 고체 상태의 Ti-8V-3Fe-XAl 합금의 평형상계에 미치는 알루미늄 함량의 영향을 도시한다. 도 2e에 나타낸 바와 같이, hcp (α) 및 Ti3Al (α2) 모두 합금 내 알루미늄 함량이 증가함에 따라 안정화된다. 전술한 바와 같이, hcp (α)는 고온에서의 강도를 증가시키지만, Ti3Al (α2)은 합금의 연성을 감소시킬 수 있다. 일 구현예에서, 합금은 적어도 2.0 중량% Al을 포함한다. 다른 구현예에서, 합금은 적어도 2.25 중량% Al을 포함한다. 또 다른 구현예에서, 합금은 적어도 2.5 중량% Al을 포함한다. 다른 구현예에서, 합금은 적어도 2.75 중량% Al을 포함한다. 또 다른 구현예에서, 합금은 적어도 3.0 중량% Al을 포함한다. 일 구현예에서, 합금은 6.0 중량% 이하의 Al을 포함한다. 다른 구현예에서, 합금은 5.75 중량% 이하의 Al을 포함한다. 또 다른 구현예에서, 합금은 5.5 중량% 이하의 Al을 포함한다. 다른 구현예에서, 합금은 5.25 중량% 이하의 Al을 포함한다. 또 다른 구현예에서, 합금은 5.0 중량% 이하의 Al을 포함한다. 일 구현예에서, 합금은 2.25~5.75 중량% Al을 포함한다. 다른 구현예에서, 합금은 2.25 ~ 5.5 중량% Al을 포함한다. 또 다른 구현예에서, 합금은 2.5 ~ 5.25 중량% Al을 포함한다. 다른 구현예에서, 합금은 2.75~`5.25 중량% Al을 포함한다. 다른 구현예에서, 합금은 3.0~5.0 중량% Al을 포함한다.
전술한 바와 같이, 신규 티타늄 합금은 일반적으로 4.0 ~ 12.0 중량% V을 포함한다. Ti-4Al-3Fe-XV 합금의 평형 어는 범위에 미치는 바나듐 함량의 영향이 도 2f에 제공된다. 도 2g는 고체 상태의 Ti-4Al-3Fe-XV 합금의 평형상계에 미치는 바나듐 함량의 영향을 도시한다. 도 2g에 나타낸 바와 같이, 베타(
Figure pct00002
)는 합금 내 바나듐 함량이 증가함에 따라 안정화된다. 전술한 바와 같이, 베타(
Figure pct00003
)는 특히 고온에서, 합금의 강도를 감소시킬 수 있다. 일 구현예에서, 합금은 적어도 5.0 중량% V을 포함한다. 다른 구현예에서, 합금은 적어도 5.5 중량% V을 포함한다. 또 다른 구현예에서, 합금은 적어도 6.0 중량% V을 포함한다. 다른 구현예에서, 합금은 적어도 6.5 중량% V을 포함한다. 또 다른 구현예에서, 합금은 적어도 7.5 중량% V을 포함한다. 일 구현예에서, 합금은 적어도 12.0 중량% 이하의 V을 포함한다. 다른 구현예에서, 합금은 적어도 11.0 중량% 이하의 V을 포함한다. 또 다른 구현예에서, 합금은 적어도 10.0 중량% 이하의 V을 포함한다. 다른 구현예에서, 합금은 적어도 9.5 중량% 이하의 V을 포함한다. 또 다른 구현예에서, 합금은 적어도 9.0 중량% 이하의 V을 포함한다. 다른 구현예에서, 합금은 적어도 8.75 중량% 이하의 V을 포함한다. 또 다른 구현예에서, 합금은 적어도 8.5 중량% 이하의 V을 포함한다. 일 구현예에서, 합금은 적어도 5.0~11.0 중량% V을 포함한다. 다른 구현예에서, 합금은 적어도 5.0~10.0 중량% V을 포함한다. 또 다른 구현예에서, 합금은 적어도 5.5~9.5 중량% V을 포함한다. 다른 구현예에서, 합금은 적어도 6.0~9.0 중량% V을 포함한다. 또 다른 구현예에서, 합금은 적어도 6.5~8.75 중량% V을 포함한다. 또 다른 구현예에서, 합금은 적어도 7.0~8.75 중량% V을 포함한다. 다른 구현예에서, 합금은 적어도 7.5~8.5 중량% V을 포함한다.
일 구현예에서, 신규 bcc 재료는 2.0 ~ 6.0 중량% Al, 6.0 ~ 8.75 중량% V, 및 1.0 ~ 4.25 중량% Fe와, 잔부 티타늄 및 불가피한 불순물을 포함하며, 상기 재료는 bcc 결정 구조를 실현하기에 충분한 양의 티타늄, 알루미늄, 바나듐, 및 철을 포함한다.
하나의 접근법에서, 이제 도 3을 참조하면, 신규 재료를 제조하는 방법은 전술한 조성의 범위 내에서 Ti, Al, V, 및 Fe를 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) bcc(체심 입방) 고용체 구조를 갖는 고체 생성물을 형성하고, 혼합물은 bcc 고용체 구조를 실현하기에 충분한 양의 Ti, Al, V, 및 Fe를 포함함), 및 bcc 고용체 구조 내에 석출상을 실현하기에 충분한 양의 Ti, Al, V, 및 Fe를 포함하는 혼합물의 석출상(들)의 고용선 온도 아래로 고체 생성물을 냉각시켜 고체 생성물의 bcc 고용체 구조 내에 하나 이상의 석출상을 형성하는 단계(300)를 포함한다. 일 구현예에서, bcc 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 최종 제품으로 후속 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 석출상(들)이 존재하는 bcc 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 가공을 위해 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 고용선 온도(들) 위로 최종 제품 형태를 가열하고, 이어서 적용 가능한 고용선 온도(들) 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 열처리 제품을 실현하는 것을 더 포함할 것이다. 일 구현예에서, 최종 열처리 제품은 0.5 부피% 이상의 강화 석출물을 함유한다. 강화 석출물은 바람직하게는 bcc 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, 및 파괴 인성 중 적어도 두 개의 개선된 조합을 실현할 수 있다. 따라서, 신규 재료는 저온 용도(예를 들어, 자동차 또는 항공우주 부품용 등의 저온 차량 용도)에서의 사용과 같은 다양한 용도로 사용될 수 있다.
전술한 신규 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 Ti, Al, V, 및 Fe로 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 bcc 매트릭스 합금 재료에 관한 것으로 설명되었지만, 신규 bcc 매트릭스 합금 재료에 다른 경화상이 적용될 수 있고, 이러한 경화상(정합 또는 부정합)은 모두 본원에 기술된 bcc 합금 재료에 활용될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
신규 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 bcc 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 bcc 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 대해 조성이 변하는 전이 구역을 나타내어, 생성된 조합은 합금 제품으로 간주될 수 있다.
본질적으로 bcc 고용체 구조로 이루어진 신규 재료
상기 개시 내용은 내부에 석출상(들)을 갖는 신규 bcc 재료를 제조하는 방법을 일반적으로 기술하고 있지만, 본질적으로 bcc 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 bcc 고용체 재료, 즉 본질적으로 bcc 고용체 구조로 이루어진 재료를 실현할 수 있다.
합금 특성
신규 재료는 특성들의 개선된 조합을 실현할 수 있다. 여기서, 달리 명시하지 않는 한, 기계적 특성은 길이(L) 방향으로 측정된다. 여기서, "열처리된"은 용액 열처리한 다음 물로 ?칭하고 나서 515℃에서 2시간 동안 열처리한 다음 공냉한 것을 의미한다.
하나의 접근법에서, 신규 재료는 실온(RT)에서 ASTM E8에 따라 시험했을 때 715 MPa 이상의 주물 인장 항복 강도(TYS)를 실현한다. 일 구현예에서, 신규 재료는 725 MPa 이상의 주물 RT TYS를 실현한다. 다른 구현예에서, 신규 재료는 735 MPa 이상의 주물 RT TYS를 실현한다. 또 다른 구현예에서, 신규 재료는 745 MPa 이상의 주물 RT TYS를 실현한다. 다른 구현예에서, 신규 재료는 755 MPa 이상의 주물 RT TYS를 실현할 수 있다. 또 다른 구현예에서, 신규 재료는 765 MPa 이상의 주물 RT TYS를 실현할 수 있다. 다른 구현예에서, 신규 재료는 775 MPa 이상의 주물 RT TYS를 실현할 수 있다. 또 다른 구현예에서, 신규 재료는 785 MPa 이상의 주물 RT TYS를 실현할 수 있다. 다른 구현예에서, 신규 재료는 795 MPa 이상의 주물 RT TYS를 실현할 수 있다. 또 다른 구현예에서, 신규 재료는 805 MPa 이상의 주물 RT TYS를 실현할 수 있다. 다른 구현예에서, 신규 재료는 815 MPa 이상의 주물 RT TYS를 실현할 수 있다. 임의의 이들 구현예에서, 신규 재료는 0.5% 이상의 주물 RT 연신율을 실현할 수 있다. 임의의 이들 구현예에서, 신규 재료는 1.0% 이상의 주물 RT 연신율을 실현할 수 있다. 임의의 이들 구현예에서, 신규 재료는 1.5% 이상의 주물 RT 연신율을 실현할 수 있다. 임의의 이들 구현예에서, 신규 재료는 2.0% 이상의 주물 RT 연신율을 실현할 수 있다. 임의의 이들 구현예에서, 신규 재료는 2.5% 이상의 주물 RT 연신율을 실현할 수 있다. 임의의 이들 구현예에서, 신규 재료는 3.0% 이상의 주물 RT 연신율을 실현할 수 있다. 임의의 이들 구현예에서, 신규 재료는 3.5% 이상의 주물 RT 연신율을 실현할 수 있다. 임의의 이들 구현예에서, 신규 재료는 4.0% 이상의 주물 RT 연신율을 실현할 수 있다.
하나의 접근법에서, 신규 재료는 실온(RT)에서 ASTM E8에 따라 시험했을 때 840 MPa 이상의 주물 최대 인장 강도(UTS)를 실현할 수 있다. 일 구현예에서, 신규 재료는 850 MPa 이상의 주물 RT UTS를 실현할 수 있다. 다른 구현예에서, 신규 재료는 860 MPa 이상의 주물 RT UTS를 실현할 수 있다. 또 다른 구현예에서, 신규 재료는 870 MPa 이상의 주물 RT UTS를 실현할 수 있다. 다른 구현예에서, 신규 재료는 880 MPa 이상의 주물 RT UTS를 실현할 수 있다. 또 다른 구현예에서, 신규 재료는 890 MPa 이상의 주물 RT UTS를 실현할 수 있다. 다른 구현예에서, 신규 재료는 900 MPa 이상의 주물 RT UTS를 실현할 수 있다. 임의의 이들 구현예에서, 신규 재료는 0.5% 이상의 주물 RT 연신율을 실현할 수 있다. 임의의 이들 구현예에서, 신규 재료는 1.0% 이상의 주물 RT 연신율을 실현할 수 있다. 임의의 이들 구현예에서, 신규 재료는 1.5% 이상의 주물 RT 연신율을 실현할 수 있다. 임의의 이들 구현예에서, 신규 재료는 2.0% 이상의 주물 RT 연신율을 실현할 수 있다. 임의의 이들 구현예에서, 신규 재료는 2.5% 이상의 주물 RT 연신율을 실현할 수 있다. 임의의 이들 구현예에서, 신규 재료는 3.0% 이상의 주물 RT 연신율을 실현할 수 있다. 임의의 이들 구현예에서, 신규 재료는 3.5% 이상의 주물 RT 연신율을 실현할 수 있다. 임의의 이들 구현예에서, 신규 재료는 4.0% 이상의 주물 RT 연신율을 실현할 수 있다.
하나의 접근법에서, 신규 재료는 실온에서 ASTM E8에 따라 시험할 때, 열처리된 조건에서 900 MPa 이상의 TYS를 실현할 수 있다. 일 구현예에서, 신규 재료는 950 MPa 이상의 열처리된 RT TYS를 실현할 수 있다. 다른 구현예에서, 신규 재료는 1000 MPa 이상의 열처리된 RT TYS를 실현할 수 있다. 또 다른 구현예에서, 신규 재료는 1025 MPa 이상의 열처리된 RT TYS를 실현할 수 있다. 다른 구현예에서, 신규 재료는 1050 MPa 이상의 열처리된 RT TYS를 실현할 수 있다. 또 다른 구현예에서, 신규 재료는 1075 MPa 이상의 열처리된 RT TYS를 실현할 수 있다. 다른 구현예에서, 신규 재료는 1100 MPa 이상의 열처리된 RT TYS를 실현할 수 있다. 또 다른 구현예에서, 신규 재료는 1125 MPa 이상의 열처리된 RT TYS를 실현할 수 있다. 다른 구현예에서, 신규 재료는 1150 MPa 이상의 열처리된 RT TYS를 실현할 수 있다. 또 다른 구현예에서, 신규 재료는 1175 MPa 이상의 열처리된 RT TYS를 실현할 수 있다. 다른 구현예에서, 신규 재료는 1200 MPa 이상의 열처리된 RT TYS를 실현할 수 있다. 또 다른 구현예에서, 신규 재료는 1225 MPa 이상의 열처리된 RT TYS를 실현할 수 있다. 다른 구현예에서, 신규 재료는 1250 MPa 이상의 열처리된 RT TYS를 실현할 수 있다. 또 다른 구현예에서, 신규 재료는 1275 MPa 이상의 열처리된 RT TYS를 실현할 수 있다. 다른 구현예에서, 신규 재료는 1300 MPa 이상의 열처리된 RT TYS를 실현할 수 있다. 임의의 이들 구현예에서, 신규 재료는 0.5% 이상의 열처리된 RT 연신율을 실현할 수 있다. 임의의 이들 구현예에서, 신규 재료는 1.0% 이상의 열처리된 RT 연신율을 실현할 수 있다. 임의의 이들 구현예에서, 신규 재료는 1.5% 이상의 열처리된 RT 연신율을 실현할 수 있다. 임의의 이들 구현예에서, 신규 재료는 2.0% 이상의 열처리된 RT 연신율을 실현할 수 있다. 임의의 이들 구현예에서, 신규 재료는 2.5% 이상의 열처리된 RT 연신율을 실현할 수 있다. 임의의 이들 구현예에서, 신규 재료는 3.0% 이상의 열처리된 RT 연신율을 실현할 수 있다. 임의의 이들 구현예에서, 신규 재료는 3.5% 이상의 열처리된 RT 연신율을 실현할 수 있다. 임의의 이들 구현예에서, 신규 재료는 4.0% 이상의 열처리된 RT 연신율을 실현할 수 있다.
하나의 접근법에서, 신규 재료는 실온에서 ASTM E8에 따라 시험할 때, 열처리된 조건에서 1000 MPa 이상의 UTS를 실현할 수 있다. 일 구현예에서, 신규 재료는 1050 MPa 이상의 열처리된 RT UTS를 실현할 수 있다. 다른 구현예에서, 신규 재료는 1100 MPa 이상의 열처리된 RT UTS를 실현할 수 있다. 또 다른 구현예에서, 신규 재료는 1150 MPa 이상의 열처리된 RT UTS를 실현할 수 있다. 다른 구현예에서, 신규 재료는 1200 MPa 이상의 열처리된 RT UTS를 실현할 수 있다. 또 다른 구현예에서, 신규 재료는 1225 MPa 이상의 열처리된 RT UTS를 실현할 수 있다. 다른 구현예에서, 신규 재료는 1250 MPa 이상의 열처리된 RT UTS를 실현할 수 있다. 또 다른 구현예에서, 신규 재료는 1275 MPa 이상의 열처리된 RT UTS를 실현할 수 있다. 다른 구현예에서, 신규 재료는 1300 MPa 이상의 열처리된 RT UTS를 실현할 수 있다. 임의의 이들 구현예에서, 신규 재료는 0.5% 이상의 열처리된 RT 연신율을 실현할 수 있다. 임의의 이들 구현예에서, 신규 재료는 1.0% 이상의 열처리된 RT 연신율을 실현할 수 있다. 임의의 이들 구현예에서, 신규 재료는 1.5% 이상의 열처리된 RT 연신율을 실현할 수 있다. 임의의 이들 구현예에서, 신규 재료는 2.0% 이상의 열처리된 RT 연신율을 실현할 수 있다. 임의의 이들 구현예에서, 신규 재료는 2.5% 이상의 열처리된 RT 연신율을 실현할 수 있다. 임의의 이들 구현예에서, 신규 재료는 3.0% 이상의 열처리된 RT 연신율을 실현할 수 있다. 임의의 이들 구현예에서, 신규 재료는 3.5% 이상의 열처리된 RT 연신율을 실현할 수 있다. 임의의 이들 구현예에서, 신규 재료는 4.0% 이상의 열처리된 RT 연신율을 실현할 수 있다.
하나의 접근법에서, 신규 재료는 실온에서 ASTM E8에 따라 시험할 때 동일한 제품 형태의 Ti-6Al-4V 합금에 비해 개선된 특성을 실현할 수 있다. 일 구현예에서, 신규 재료는 동일한 제품 형태의 열처리된 Ti-6Al-4V 제품에 비해 적어도 3.0% 더 높은 RT TYS를 실현할 수 있다. 일 구현예에서, 신규 재료는 동일한 제품 형태의 열처리된 Ti-6Al-4V 제품에 비해 적어도 5.0% 더 높은 RT TYS를 실현할 수 있다. 일 구현예에서, 신규 재료는 동일한 제품 형태의 열처리된 Ti-6Al-4V 제품에 비해 적어도 7.0% 더 높은 RT TYS를 실현할 수 있다. 일 구현예에서, 신규 재료는 동일한 제품 형태의 열처리된 Ti-6Al-4V 제품에 비해 적어도 9.0% 더 높은 RT TYS를 실현할 수 있다. 일 구현예에서, 신규 재료는 동일한 제품 형태의 열처리된 Ti-6Al-4V 제품에 비해 적어도 11.0% 더 높은 RT TYS를 실현할 수 있다. 일 구현예에서, 신규 재료는 동일한 제품 형태의 열처리된 Ti-6Al-4V 제품에 비해 적어도 13.0% 더 높은 RT TYS를 실현할 수 있다. 일 구현예에서, 신규 재료는 동일한 제품 형태의 열처리된 Ti-6Al-4V 제품에 비해 적어도 15.0% 더 높은 RT TYS를 실현할 수 있다. 임의의 이들 구현예에서, 신규 재료는 동등한 연신율에서 더 높은 TYS를 실현할 수 있다.
도 1은 bcc, fcc, 및 hcp 단위 셀의 개략적 도시이다.
도 2a는 Ti-4Al-8V-3Fe 및 Ti-1Al-8V-5Fe 합금의 Scheil 모델 응고 경로의 그래프이다.
도 2b는 Ti-4Al-8V-XFe 합금의 어는 온도 범위에 미치는 철 함량의 영향을 나타내는 그래프이다.
도 2c는 고체 상태의 Ti-4Al-8V-XFe 합금의 평형상계에 미치는 철 함량의 영향을 나타내는 그래프이다.
도 2d는 Ti-8V-3Fe-XAl 합금의 평형 어는 범위에 미치는 알루미늄 함량의 영향을 나타내는 그래프이다.
도 2e는 고체 상태의 Ti-8V-3Fe-XAl 합금의 평형상계에 미치는 알루미늄 함량의 영향에 대한 그래프이다.
도 2f는 Ti-4Al-3Fe-XV 합금의 평형 어는 범위에 미치는 바나듐 함량의 영향에 대한 그래프이다.
도 2g는 Ti-4Al-3Fe-XV 합금의 평형상계에 미치는 바나듐 함량의 영향을 나타내는 그래프이다.
도 3은 신규 재료를 제조하는 방법의 일 구현예에 대한 흐름도이다.
도 4는 내부에 하나 이상의 석출물이 존재하는 bcc 고용체 구조를 갖는 가공 제품을 얻기 위한 방법의 일 구현예에 대한 흐름도이다.
실시예 1
Ti-4Al-8V-3Fe 및 종래의 Ti-6Al-4V 합금을 아크 용융 주조를 통해 로드 형태로 주조하였다. 주조 후, 주물 합금의 기계적 특성을 ASTM E8에 따라 측정하고, 그 결과를 표 3 내지 4에 나타내었다. 열처리된 Ti-4Al-8V-3Fe 합금의 시편을 760℃에서 0.5시간 동안 용액 열처리한 다음, 물로 ?칭하고 나서, 515℃에서 2시간 동안 열처리한 다음, 공냉하였다. 이어서, 열처리된 합금의 기계적 특성을 ASTM E8에 따라 시험하고, 그 결과를 아래 표 4에 나타내었다. 보고된 모든 강도 및 연신율 특성은 길이(L) 방향으로 시험한 결과이다.
종래의 Ti-6Al-4V 특성
상태 TYS (MPa) UTS (MPa) %EL
주물 715 881 11
Ti-4Al-8V-3Fe 특성
상태 TYS (MPa) UTS (MPa) %EL
주물 816 877 2
열처리 1273 1301 3
표 4 내지 5에 나타낸 바와 같이, 실온에서 시험했을 때, Ti-4Al-8V-3Fe 합금의 인장 항복 강도는 최대 인장 강도의 상응하는 감소 없이 Ti-6Al-4V 합금에 비해 향상된다.
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 (55)

  1. 2.0 ~ 6.0 중량% Al;
    4 ~ 12 중량% V; 및
    1.0 ~ 4.25 중량% Fe와
    잔부 Ti, 선택적인 부수적 원소, 및 불가피한 불순물
    을 포함하는 티타늄 합금.
  2. 제1항에 있어서, 상기 티타늄 합금은 850℃ 이하의 베타 변태선 온도를 실현하기에 충분한 양의 Ti, Al, V, 및 Fe를 포함하는, 티타늄 합금.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 합금은 적어도 1.5 중량% Fe를 포함하는, 티타늄 합금.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금은 적어도 2.0 중량% Fe를 포함하는, 티타늄 합금.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금은 적어도 2.25 중량% Fe를 포함하는, 티타늄 합금.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금은 적어도 2.5 중량% Fe를 포함하는, 티타늄 합금.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금은 4.75 중량% 이하의 Fe를 포함하는, 티타늄 합금.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금은 4.5 중량% 이하의 Fe를 포함하는, 티타늄 합금.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금은 4.25 중량% 이하의 Fe를 포함하는, 티타늄 합금.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금은 4.0 중량% 이하의 Fe를 포함하는, 티타늄 합금.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금은 3.75 중량% 이하의 Fe를 포함하는, 티타늄 합금.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금은 3.5 중량% 이하의 Fe를 포함하는, 티타늄 합금.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금은 적어도 2.25 중량% Al을 포함하는, 티타늄 합금.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금은 적어도 2.5 중량% Al을 포함하는, 티타늄 합금.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금은 적어도 2.75 중량% Al을 포함하는, 티타늄 합금.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금은 적어도 3.0 중량% Al을 포함하는, 티타늄 합금.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금은 5.75 중량% 이하의 Al을 포함하는, 티타늄 합금.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금은 5.5 중량% 이하의 Al을 포함하는, 티타늄 합금.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금은 5.25 중량% 이하의 Al을 포함하는, 티타늄 합금.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금은 5.0 중량% 이하의 Al을 포함하는, 티타늄 합금.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금은 적어도 5.0 중량% V을 포함하는, 티타늄 합금.
  22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금은 적어도 5.5 중량% V을 포함하는, 티타늄 합금.
  23. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금은 적어도 6.0 중량% V을 포함하는, 티타늄 합금.
  24. 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금은 적어도 6.5 중량% V을 포함하는, 티타늄 합금.
  25. 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금은 적어도 7.0 중량% V을 포함하는, 티타늄 합금.
  26. 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금은 적어도 7.5 중량% V을 포함하는, 티타늄 합금.
  27. 제1항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금은 11.0 중량% 이하의 V을 포함하는, 티타늄 합금.
  28. 제1항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금은 10.0 중량% 이하의 V을 포함하는, 티타늄 합금.
  29. 제1항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금은 9.5 중량% 이하의 V을 포함하는, 티타늄 합금.
  30. 제1항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금은 9.0 중량% 이하의 V을 포함하는, 티타늄 합금.
  31. 제1항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금은 8.75 중량% 이하의 V을 포함하는, 티타늄 합금.
  32. 제1항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금은 8.5 중량% 이하의 V을 포함하는, 티타늄 합금.
  33. 제1항 내지 제32항 중 어느 한 항의 티타늄 합금을 포함하는 합금 바디.
  34. 제33항에 있어서, 상기 합금 바디는 잉곳 형태인 합금 바디.
  35. 제33항에 있어서, 상기 합금 바디는 압연 제품 형태인 합금 바디.
  36. 제33항에 있어서, 상기 합금 바디는 압출품 형태인 합금 바디.
  37. 제33항에 있어서, 상기 합금 바디는 단조품 형태인 합금 바디.
  38. 제33항에 있어서, 상기 합금 바디는 형상 주조품 형태인 합금 바디.
  39. 제33항에 있어서, 상기 합금 바디는 적층 가공 제품 형태인 합금 바디.
  40. (a) 제1항 내지 제32항 중 어느 한 항의 티타늄 합금을 포함하는 공급 원료를 적층 가공 장치에서 사용하는 단계; 및
    (b) 상기 공급 원료를 사용하여 상기 적층 가공 장치에서 금속 제품을 제조하는 단계를 포함하는 방법.
  41. 제40항에 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 형성하는 단계(상기 냉각은 초당 100℃ 이상의 냉각 속도로 냉각하는 것을 포함); 및
    (d) 상기 금속 제품이 완성될 때까지 단계 (a) 내지 (c)를 반복하는 단계를 포함하는, 방법.
  42. 제41항에 있어서, 상기 가열은 방사선원으로 가열하는 것을 포함하고, 상기 냉각 속도는 초당 1000℃ 이상인, 방법.
  43. 제40항에 있어서, 상기 공급 원료는 와이어 원료를 포함하고, 상기 방법은,
    (a) 방사선원을 이용해 상기 와이어 원료를 액상점 위로 가열하여, Ti, Al, V, 및 Fe를 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) 내지 (b)를 반복하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  44. 제41항 내지 제43항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각 속도는 적어도 하나의 석출상을 형성하기에 충분한, 방법.
  45. 제44항에 있어서, 상기 적어도 하나의 석출상은 Ti3Al을 포함하는, 방법.
  46. 제44항 내지 제45항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 제품은 적어도 0.5 부피%의 상기 석출상을 포함하는, 방법.
  47. 제40항에 있어서, 상기 적층 가공 장치는 바인더 분사 장치를 포함하는, 방법.
  48. 제40항에 있어서, 상기 적층 가공 장치는 방향성 에너지 증착 장치인, 방법.
  49. 제48항에 있어서, 상기 방향성 에너지 증착 장치는 전자빔 장치 또는 플라즈마 아크 장치를 포함하는, 방법.
  50. 제40항에 있어서,
    상기 금속 제품을 가공하는 단계를 포함하는 방법.
  51. 제50항에 있어서, 상기 금속 제품은 최종 적층 가공 바디이고, 상기 가공은 상기 최종 적층 가공 바디의 가공인, 방법.
  52. 제50항에 있어서, 상기 제조 단계는,
    상기 공급 원료를 사용하여 상기 금속 제품의 일부를 1차 제조하는 단계; 및
    상기 공급 원료를 사용하여 상기 금속 제품의 다른 부분을 2차 제조하는 단계
    를 포함하되,
    상기 가공은 적어도 상기 1차 또는 2차 제조 단계 후에 발생하는, 방법.
  53. 제52항에 있어서, 상기 가공은 상기 1차 제조 단계와 상기 2차 제조 단계 사이에 발생하는, 방법.
  54. 제50항 내지 제53항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가공은 열간 등압 가압성형을 포함하는, 방법.
  55. 제50항 내지 제53항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가공은 압연, 단조, 및 압출 중 하나 이상을 포함하는, 방법.
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