KR20180118798A - 알루미늄, 코발트, 니켈 및 티타늄의 fcc 재료, 및 그로부터 제조된 제품 - Google Patents

알루미늄, 코발트, 니켈 및 티타늄의 fcc 재료, 및 그로부터 제조된 제품 Download PDF

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Abstract

본 발명은 Al, Co, Ni 및 Ti를 포함하는 신규한 재료에 관한 것이다. 신규한 재료는 재료의 고상선 온도(solidus temperature) 바로 아래에 면심 입방(fcc) 고용체 구조의 단상 영역(single phase field)을 실현할 수 있다. 신규한 재료는 하나 이상의 침전물상(precipitate phase)을 포함할 수 있으며 고용선 온도(solvus temperature)가 1,100℃ 이상일 수 있다. 신규한 재료는 2.1 내지 8.4 중량%의 Al, 4.7 내지 60.6 중량%의 Co, 29.6 내지 89.3 중량%의 Ni, 및 3.9 내지 9.4 중량%의 Ti를 포함할 수 있다. 일 실시 형태에서, 침전물은 L12 상, B2 상, Ni3Ti 상 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된다. 신규한 합금은 개선된 고온 특성을 실현할 수 있다.

Description

알루미늄, 코발트, 니켈 및 티타늄의 FCC 재료, 및 그로부터 제조된 제품
인코넬(INCONEL) 625는 61 중량%의 Ni, 21.5 중량%의 Cr, 9 중량%의 Mo, 및 3.6 중량%의 (Nb+Ta)의 공칭 조성을 갖는 니켈계 합금이다. 인코넬 625는 초저온 내지 980℃에서의 높은 강도 및 인성(toughness), 양호한 내산화성, 피로 강도, 및 내부식성을 갖는다.
대략적으로, 본원은 재료의 고상선 온도(solidus temperature) 바로 아래에 면심 입방(fcc) 고용체 구조의 단상 영역(single phase field)을 갖는 신규한 니켈-코발트-알루미늄-티타늄 재료("신규한 재료")에 관한 것이다. 신규한 재료는 하나 이상의 침전물상(precipitate phase)을 포함할 수 있으며 고용선 온도(solvus temperature)가 1,100℃ 이상일 수 있다. 고용선 온도는 고온에서의 재료의 강도 및 열안정성의 지표이다. 일반적으로, 고용선 온도가 높을수록, 고온에서의 강도 및 열안정성이 더 높다. 신규한 재료는 2.1 내지 8.4 중량%의 Al, 4.7 내지 60.6 중량%의 Co, 29.6 내지 89.3 중량%의 Ni, 및 3.9 내지 9.4 중량%의 Ti를 포함할 수 있다. 일 실시 형태에서, 침전물은 L12 상, B2 상, Ni3Ti 상 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된다. 침전상(들)은 고체-상태 변환(solid-state transformation) 공정을 통해 형성될 수 있다. 한 가지 구체적인 접근법에서, 신규한 재료는 2.4 내지 7.6 중량%의 Al, 5.2 내지 55.1 중량%의 Co, 32.9 내지 88.1 중량%의 Ni, 및 4.3 내지 8.6 중량%의 Ti를 포함할 수 있으며, 선택적인 부수적인 원소 및 불가피한 불순물을 허용한다. 신규한 재료와 관련된 다른 태양, 접근법, 실시 형태가 하기에 상세하게 설명된다.
도 1은 bcc, fcc, 및 hcp 단위 격자의 개략도이다.
도 2a는 본 발명의 합금의 비제한적인 예를 중실 원(solid circle)으로 나타낸 4성분 조성도이다.
도 2b는 본 발명의 합금의 비제한적인 예를 중실 원으로 나타낸 일련의 2성분 조성도이다.
도 3은 신규한 재료를 제조하는 방법의 일 실시 형태의 흐름도이다.
도 4는 침전물들 중 하나 이상을 갖는 fcc 고용체 구조를 갖는 가공된 제품(wrought product)을 얻는 방법의 일 실시 형태의 흐름도이다.
상기에 언급된 바와 같이, 본원은 재료의 고상선 온도 바로 아래에 면심 입방(fcc) 고용체 구조의 단상 영역을 갖는 신규한 니켈-코발트-알루미늄-티타늄 재료("신규한 재료")에 관한 것이다. 당업자에게 공지된 바와 같이 그리고 도 1에 도시된 바와 같이, 면심 입방(fcc) 단위 격자는 정육면체의 8개의 꼭짓점 각각에 원자를 갖는 것에 더하여 정육면체의 각각의 면 상에 하나의 원자를 갖는다. 꼭짓점의 원자들의 각각은 다른 정육면체의 꼭짓점이므로, 꼭짓점의 원자는 8개의 단위 격자에서 공유되는 한편, 면의 원자는 2개의 단위 격자와 공유된다.
본원에 기재된 독특한 조성으로 인해, 신규한 재료는 재료의 고상선 온도 바로 아래에 fcc 고용체 구조의 단상 영역을 실현할 수 있다. 신규한 재료는 또한 높은 액상선 온도(liquidus temperature) 및 (예컨대, 응고 동안 미세편석(microsegregation)을 제한하기 위한) 좁은 평형 동결 범위(equilibrium freezing range)를 가질 수 있어서, 이들 재료를 통상적인 잉곳 처리뿐만 아니라 분말 야금, 형상 주조(shape casting), 적층 제조(additive manufacturing) 및 이들의 조합(하이브리드 처리)을 통한 제조에 적합하게 할 수 있다. 신규한 재료는 고온 응용에 사용될 수 있다.
신규한 재료는 일반적으로 fcc 결정 구조를 가지며 2.1 내지 8.4 중량%의 Al, 4.6 내지 89.6 중량%의 Co, 4.6 내지 89.6 중량%의 Ni, 및 3.7 내지 9.7 중량%의 Ti("합금화 원소")를 포함하며, 이때 재료는 fcc 고용체 구조를 실현하기에 충분한 양의 Al, Co, Ni 및 Ti를 포함한다. 이 재료는 Al, Co, Ni 및 Ti로 이루어질 수 있으며, 부수적인 원소 및 불가피한 불순물을 허용한다. 본원에 사용되는 바와 같이, "부수적인 원소"는 합금에 사용될 수 있는, 탄소, 붕소, 지르코늄, 하프늄 등과 같은, 결정립계 변경제(grain boundary modifier), 주조 보조제, 및/또는 결정립 구조 제어 재료를 포함한다. 예를 들어, 탄소, 붕소, 지르코늄, 하프늄 등 중 하나 이상이 결정립계 변경을 제공하기에 충분한 양으로 첨가될 수 있다. 첨가되는 양은 금속간 형성(intermetallic formation)과 같은 재료의 특성을 부적절하게 저하시키지 않으면서 결정립계 변경을 제공하기에 충분한 양으로 제한되어야 한다. 한 가지 비제한적인 예로서, 첨가되는 양이 재료 특성을 부적절하게 저하시키지 않는다면, 0.15 중량% 이하의 C, 0.15 중량% 이하의 B, 0.5 중량% 이하의 Hf 및 0.5 중량% 이하의 Zr이 재료에 첨가될 수 있다. 신규한 재료의 다양한 조성 실시 형태가 도 2a 및 도 2b에 나타나 있다. 중실 원이 본 발명의 합금의 비제한적인 예이다. 하기 표 1은 도 2a 및 도 2b의 합금들 중 일부에 상응하며, 본원에 따라 유용한 합금의 유형의 비제한적인 예이다. 합금 1 내지 합금 6은 티어(Tier) 1 합금이고, 합금 7 내지 합금 12는 티어 2 합금이고, 나머지 합금은 티어 3 합금이다.
[표 1]
Figure pct00001
[표 2]
Figure pct00002
한 가지 접근법에서, 신규한 재료는 하나 이상의 침전물상을 포함하며 고용선 온도가 1,100℃ 이상이다. 이러한 접근법에서, 신규한 재료는 2.1 내지 8.4 중량%의 Al, 4.7 내지 60.6 중량%의 Co, 29.6 내지 89.3 중량%의 Ni, 및 3.9 내지 9.4 중량%의 Ti를 포함할 수 있다. 일 실시 형태에서, 침전물은 L12 상, B2 상, Ni3Ti 상 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된다. 침전상(들)은 고체 상태 침전 동안 형성될 수 있다. 한 가지 구체적인 접근법에서, 신규한 재료는 2.4 내지 7.6 중량%의 Al, 5.2 내지 55.1 중량%의 Co, 32.9 내지 88.1 중량%의 Ni, 및 4.3 내지 8.6 중량%의 Ti를 포함할 수 있다.
한 가지 접근법에서, 신규한 재료는 하나 이상의 침전물을 포함하고, 고용선 온도가 1,100℃ 이상이고, 300℃ 이하의 비-평형 동결 범위를 실현한다. 이러한 접근법에서, 신규한 재료는 2.1 내지 5.4 중량%의 Al, 4.7 내지 41.3 중량%의 Co, 47.9 내지 89.3 중량%의 Ni, 및 3.9 내지 9.4 중량%의 Ti를 포함할 수 있다. 일 실시 형태에서, 침전물은 L12 상, Ni3Ti 상 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된다. 침전상(들)은 고체 상태 침전 동안 형성될 수 있다. 한 가지 구체적인 접근법에서, 신규한 재료는 2.4 내지 4.9 중량%의 Al, 5.2 내지 37.5 중량%의 Co, 53.3 내지 88.1 중량%의 Ni, 및 4.3 내지 8.6 중량%의 Ti를 포함할 수 있다. 일 실시 형태에서, 이 재료의 비-평형 동결 범위는 250℃ 이하이다.
한 가지 접근법에서, 신규한 재료는 하나 이상의 침전물을 포함하고, 고용선 온도가 1,100℃ 이상이고, 200℃ 이하의 비-평형 동결 범위를 실현한다. 이러한 접근법에서, 신규한 재료는 2.1 내지 5.4 중량%의 Al, 4.7 내지 28.9 중량%의 Co, 56.5 내지 89.3 중량%의 Ni, 및 3.9 내지 9.4 중량%의 Ti를 포함할 수 있다. 일 실시 형태에서, 침전물은 L12 상, Ni3Ti 상 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된다. 침전상(들)은 고체 상태 침전 동안 형성될 수 있다. 한 가지 구체적인 접근법에서, 신규한 재료는 2.4 내지 4.9 중량%의 Al, 5.2 내지 26.3 중량%의 Co, 62.7 내지 85.4 중량%의 Ni, 및 4.3 내지 8.6 중량%의 Ti를 포함할 수 있다.
한 가지 접근법에서, 그리고 이제 도 3을 참조하면, 신규한 fcc 재료를 제조하는 방법은, Al, Co, Ni 및 Ti를 포함하며 상기에 기재된 조성 범위 이내인 혼합물을, 이 혼합물의 액상선 온도 초과로 가열하여 액체를 형성하는 단계(100); 이 혼합물을 액상선 온도 초과로부터 고상선 온도 미만으로 냉각하는 단계로서, 이 냉각으로 인해, 이 혼합물은 (잠재적으로, 미세편석으로 인한 다른 상을 갖는) fcc(면심 입방) 고용체 구조를 갖는 고형물을 형성하고 이 혼합물은 fcc 고용체 구조를 실현하기에 충분한 양의 Al, Co, Ni 및 Ti를 포함하는, 단계(200); 및 이 고형물을 이 혼합물의 침전물상의 고용선 온도 미만으로 냉각하여, 이 고형물의 fcc 고용체 구조 내에 침전물상을 형성하는 단계로서, 이 혼합물은 fcc 고용체 구조 내의 침전물상을 실현하기에 충분한 양의 Al, Co, Ni 및 Ti를 포함하는, 단계(300)를 포함한다. 일 실시 형태에서, fcc 고용체는 액체로부터 형성되는 제1 상이다.
일 실시 형태에서, 적절한 최종 제품의 실현을 용이하기 위해 재료의 제어된 냉각이 사용된다. 예를 들어, 방법은 이 혼합물을 주위 온도로 냉각하는 단계(400)를 포함할 수 있으며, 방법은 단계(400)의 종결 시에, 즉, 주위 온도에 도달한 때에, 무균열(crack-free) 잉곳이 실현되도록 적어도 냉각 단계(300) 및 냉각 단계(400) 동안 냉각의 속도를 제어하는 것을 포함할 수 있다. 제어된 냉각은, 예를 들어, 적절한 수냉식 주형을 사용하여 달성될 수 있다.
본원에 사용되는 바와 같이, "잉곳"은 임의의 형상의 주조된 제품을 의미한다. 용어 "잉곳"은 빌릿(billet)을 포함한다. 본원에 사용되는 바와 같이, "무균열 잉곳"은 제조용 잉곳으로서 사용될 수 있도록 균열이 충분히 없는 잉곳을 의미한다. 본원에 사용되는 바와 같이, "제조용 잉곳"은 최종 제품으로의 후속 가공(working)에 적합한 잉곳을 의미한다. 후속 가공은, 예를 들어, 압연, 단조, 압출뿐만 아니라, 압축 및/또는 신장에 의한 응력 제거(stress relief) 중 임의의 것을 통한 열간 가공 및/또는 냉간 가공을 포함할 수 있다.
일 실시 형태에서, 무균열 제품, 예를 들어 무균열 잉곳은 재료로부터 최종의 가공된 제품을 얻도록 적절하게 처리될 수 있다. 예를 들어, 그리고 이제 도 3 및 도 4를 참조하면, 상기에 기재된 도 3의 단계(100) 내지 단계(400)는, 상기에 기재된 무균열 잉곳을 제조하는, 도 4에 나타나 있는 주조 단계(10)로 간주될 수 있다. 다른 실시 형태에서, 무균열 제품은, 예를 들어, 형상 주조, 적층 제조 또는 분말 야금에 의해 제조되는 무균열 프리폼(preform)일 수 있다. 임의의 경우에, 무균열 제품은, 침전물상 중 하나 이상을 선택적으로 갖는, fcc 고용체 구조를 갖는 가공된 최종 제품을 얻도록 추가로 처리될 수 있다. 이러한 추가의 처리는, 최종 제품 형태를 달성하기에 적절하게, 하기에 기재된 용해 단계(20)와 가공 단계(30)의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 일단 최종 제품 형태가 실현되면, 재료는 침전 경화되어(40) 강화 침전물(strengthening precipitate)을 나타나게 할 수 있다. 최종 제품 형태는, 예를 들어 압연 제품, 압출 제품 또는 단조 제품일 수 있다.
도 4를 계속 참조하면, 주조 단계(10)의 결과로서, 잉곳은 약간의 제2 상 입자를 포함할 수 있다. 따라서, 본 방법은, 잉곳, 중간 제품 형태 및/또는 최종 제품 형태를, 적용가능한 침전물(들)의 고용선 온도 초과로 그러나 재료의 고상선 온도 미만으로 가열하여, 제2 상 입자 중 일부 또는 전부를 용해시키는 하나 이상의 용해 단계(20)를 포함할 수 있다. 용해 단계(20)는 적용가능한 제2 상 입자를 용해시키기에 충분한 시간 동안 재료를 침지(soaking)시키는 것을 포함할 수 있다. 침지 후에, 재료는 후속 가공을 위해 주위 온도로 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 형태를 열간 가공 및/또는 냉간 가공하는 것을 수반한다. 열간 가공 및/또는 냉간 가공은, 예를 들어, 재료의 압연, 압출 또는 단조를 포함할 수 있다. 가공(30)은 임의의 용해 단계(20) 전에 및/또는 후에 일어날 수 있다. 예를 들어, 용해 단계(20)의 종결 후에, 재료를 주위 온도로 냉각되게 둘 수 있고, 이어서 열간 가공을 위해 적절한 온도로 재가열할 수 있다. 대안적으로, 재료를 대략 주위 온도에서 냉간 가공할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 재료를 열간 가공하고, 주위 온도로 냉각하고, 이어서 냉간 가공할 수 있다. 또 다른 실시 형태에서, 열간 가공을 위해 제품의 재가열이 필요하지 않도록, 열간 가공은 용해 단계(20)의 침지 후에 시작될 수 있다.
가공 단계(30)는 제2 상 입자의 침전을 가져올 수 있다. 이와 관련하여, 가공 단계(30)로 인해 형성되었을 수 있는 제2 상 입자 중 일부 또는 전부를 용해시키기 위해, 적절하게, 임의의 수의 가공-후 용해 단계(20)가 이용될 수 있다.
임의의 적절한 용해 단계(20) 및 가공 단계(30) 후에, 최종 제품 형태는 침전 경화될(40) 수 있다. 침전 경화(40)는 가공으로 인해 침전된 적어도 일부의 제2 상 입자를 용해시키기에 충분한 시간 동안 최종 제품 형태를 적용가능한 침전물(들)의 고용선 온도 초과로 가열하고, 이어서 최종 제품 형태를 적용가능한 침전물(들)의 고용선 온도 미만으로 급속 냉각하여 침전물 입자를 형성하는 것을 포함할 수 있다. 침전 경화(40)는 강화 침전물을 형성하기에 충분한 시간 동안 제품을 목표 온도에서 유지하고, 이어서 제품을 주위 온도로 냉각하여, 강화 침전물을 갖는 최종 시효 제품을 실현하는 것을 추가로 포함할 것이다. 일 실시 형태에서, 최종 시효 제품은 0.5 부피% 이상의 강화 침전물을 함유한다. 강화 침전물은 바람직하게는 fcc 고용체 구조의 매트릭스 내에 위치되어, 전위(dislocation)와의 상호작용을 통해 제품에 강도를 부여한다.
신규한 fcc 재료의 구조 및 조성으로 인해, 신규한 재료는 특성들의 개선된 조합, 예를 들어, 특히 밀도, 연성(ductility), 강도, 파괴 인성(fracture toughness), 내산화성, 내피로성, 내크리프성(creep resistance), 및 내고온성(elevated temperature resistance) 중 둘 이상의 개선된 조합을 실현할 수 있다. 따라서, 신규한 재료는, 몇 가지 예를 들자면, 자동차(승용차, 트럭, 및 임의의 다른 육상 차량) 및 항공우주 산업에서 이용되는 고온 응용에서의 사용과 같은 다양한 응용에 사용될 수 있다. 예를 들어, 신규한 재료는 엔진 또는 다른 고온 응용에서 터빈 구성요소로서 적용가능할 수 있다. 다른 구성요소에는 블레이드, 디스크, 베인, 링 및 엔진용 케이싱이 포함된다. 일 실시 형태에서, 신규한 재료는 600℃ 내지 1,000℃ 또는 그 보다 높은 온도에서의 작업을 필요로 하는 응용에서 이용된다.
상기에 기재된 신규한 fcc 재료는 또한 형상 주조된 제품 또는 프리폼을 제조하는 데 사용될 수 있다. 형상 주조된 제품은 주조 공정 후에 그의 최종 제품 형태 또는 거의 최종 제품 형태를 달성하는 제품이다. 신규한 재료는 임의의 원하는 형상으로 형상 주조될 수 있다. 일 실시 형태에서, 신규한 재료는 자동차 또는 항공우주 구성요소로 형상 주조된다(예컨대, 엔진 구성요소로 형상 주조된다). 주조 후에, 형상 주조된 제품은 상기에 기재된 바와 같이 임의의 적절한 용해 단계(20) 또는 침전 경화 단계(40)를 거칠 수 있다. 일 실시 형태에서, 형상 주조된 제품은 Al, Co, Ni 및 Ti로 본질적으로 이루어지며, 상기에 기재된 조성 범위 이내이다. 일 실시 형태에서, 형상 주조된 제품은 0.5 부피% 이상의 강화 침전물을 포함한다.
본원은 일반적으로 상기에 열거된 침전물상(들) 중 하나 이상을 갖는 fcc 매트릭스 합금 재료에 관한 것으로서 기재되었지만, 다른 경화상(hardening phase)이 신규한 fcc 매트릭스 합금 재료에 적용가능할 수 있으며 그러한 모든 경화상(응집성(coherent) 또는 비응집성)이 본원에 기재된 fcc 합금 재료에 유용함이 있다는 것이 이해되어야 한다.
신규한 fcc 재료의 적층 제조
상기에 기재된 신규한 재료를 적층 제조에 의해 제조하는 것이 또한 가능하다. 본원에 사용되는 바와 같이, "적층 제조"는, "적층 제조 기술에 대한 표준 용어"(Standard Terminology for Additively Manufacturing Technologies)라는 제목의 ASTM F2792-12a에 정의된 바와 같이, "절삭 제조(subtractive manufacturing) 방법론과 대조적으로, 보통 층층이(layer upon layer) 재료들을 결합하여 3D 모델 데이터로부터 물체(object)를 제조하는 공정"을 의미한다. 신규한 재료는 이러한 ASTM 표준에 기재된 임의의 적절한 적층 제조 기술, 예를 들어, 특히 결합제 분사(binder jetting), 직접 에너지 증착(directed energy deposition), 재료 압출, 재료 분사, 분말층 융합(powder bed fusion), 또는 시트 라미네이션(sheet lamination)을 통해 제조될 수 있다.
일 실시 형태에서, 적층 제조 공정은 하나 이상의 분말의 연이은 층들을 침착하고, 이어서 분말을 선택적으로 용융 및/또는 소결시켜, 적층 제조된 물체(body)(제품)를 층상으로(layer-by-layer) 형성하는 것을 포함한다. 일 실시 형태에서, 적층 제조 공정은 특히 선택적 레이저 소결(Selective Laser Sintering; SLS), 선택적 레이저 용융(Selective Laser Melting; SLM), 및 전자 빔 용융(Electron Beam Melting; EBM) 중 하나 이상을 사용한다. 일 실시 형태에서, 적층 제조 공정은 에오에스 게엠베하(EOS GmbH; 독일 82152 뮌헨/크라일링 로베르트-스털링-링 1 소재)로부터 입수가능한 EOSINT M 280 다이렉트 메탈 레이저 신터링(Direct Metal Laser Sintering; DMLS) 적층 제조 시스템 또는 비견되는 시스템을 사용한다.
한 가지 예로서, 합금화 원소 및 임의의 임의적인 부수적인 원소를 포함하며(또는 그로 본질적으로 이루어지며) 상기에 기재된 조성 범위 이내인 분말 또는 와이어와 같은 공급원료를 적층 제조 장치에 사용하여, 임의적으로 침전물상(들)을 갖는, fcc 고용체 구조를 포함하는 적층 제조된 물체를 제조할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 적층 제조된 물체는 무균열 프리폼이다. 분말을 재료의 액상선 온도 초과로 선택적으로 가열하고, 이어서 합금화 원소 및 임의의 임의적인 부수적인 원소를 갖는 용융 풀(molten pool)을 형성한 후에, 용융 풀을 급속 응고시킬 수 있다.
상기에 언급된 바와 같이, 적층 제조는, 예를 들어 금속 분말층을 통해, 금속 제품(예컨대, 합금 제품)을 층상으로 형성하는 데 사용될 수 있다. 일 실시 형태에서, 금속 분말층은 제품(예컨대, 맞춤형 합금 제품)을 형성하는 데 사용된다. 본원에 사용되는 바와 같이, "금속 분말층" 등은 금속 분말을 포함하는 층을 의미한다. 적층 제조 동안, 동일하거나 상이한 조성의 입자들이 용융(예컨대, 급속 용융)되고, 이어서 (예컨대, 균질한 혼합의 부재 하에) 응고될 수 있다. 따라서, 균질하거나 불균질한 미세구조를 갖는 제품이 제조될 수 있다. 적층 제조된 물체를 제조하는 방법의 일 실시 형태는 (a) 합금화 원소 및 임의의 임의적인 부수적인 원소를 포함하는 분말을 분산시키는 단계, (b) 분말의 일부분을 (예컨대, 레이저를 통해) 형성될 특정 물체의 액상선 온도 초과의 온도로 선택적으로 가열하는 단계, (c) 합금화 원소 및 임의의 임의적인 부수적인 원소를 갖는 용융 풀을 형성하는 단계, 및 (d) 용융 풀을 1초당 1,000℃ 이상의 냉각 속도로 냉각하는 단계를 포함할 수 있다. 일 실시 형태에서, 냉각 속도는 1초당 10,000℃ 이상이다. 다른 실시 형태에서, 냉각 속도는 1초당 100,000℃ 이상이다. 다른 실시 형태에서, 냉각 속도는 1초당 1,000,000℃ 이상이다. 물체가 완성될 때까지, 즉 최종의 적층 제조된 물체가 형성/완성될 때까지 단계 (a) 내지 단계 (d)가 필요한 대로 반복될 수 있다. 선택적으로 침전물상(들)을 갖는, fcc 고용체 구조를 포함하는 최종의 적층 제조된 물체는 복잡한 기하학적 형태의 것일 수 있거나, 단순한 기하학적 형태(예컨대, 시트 또는 플레이트의 형태)의 것일 수 있다. 제조 후에 또는 제조 동안에, 적층 제조된 제품은 (예컨대, 압연, 압출, 단조, 신장, 압축 중 하나 이상에 의해) 변형될 수 있다.
신규한 재료를 적층 제조하는 데 사용되는 분말은 신규한 재료의 재료(예컨대, 잉곳 또는 용융물)를 사용될 적층 제조 공정에 대해 적절한 치수의 분말로 미립자화(atomizing)시킴으로써 제조될 수 있다. 본원에 사용되는 바와 같이, "분말"은 복수의 입자를 포함하는 재료를 의미한다. 분말을 분말층에 사용하여 적층 제조를 통해 맞춤형 합금 제품을 제조할 수 있다. 일 실시 형태에서, 적층 제조 공정 전반에서 동일한 일반 분말을 사용하여 금속 제품을 제조한다. 예를 들어, 최종 맞춤형 금속 제품은 적층 제조 공정 동안 일반적으로 동일한 금속 분말을 사용하여 제조되는 단일 영역/매트릭스를 포함할 수 있다. 최종 맞춤형 금속 제품은 대안적으로 2개 이상의 개별적으로 제조된 별개의 영역을 포함할 수 있다. 일 실시 형태에서, 상이한 금속 분말층 유형들이 금속 제품을 제조하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 제1 금속 분말층은 제1 금속 분말을 포함할 수 있고, 제2 금속 분말층은 제1 금속 분말과는 상이한 제2 금속 분말을 포함할 수 있다. 제1 금속 분말층은 합금 제품의 제1 층 또는 부분을 제조하는 데 사용될 수 있고, 제2 금속 분말층은 합금 제품의 제2 층 또는 부분을 제조하는 데 사용될 수 있다. 본원에 사용되는 바와 같이, "입자"는 분말층의 분말에 사용하기에 적합한 크기(예컨대, 5 μm 내지 100 μm의 크기)를 갖는 물질의 미세한 단편을 의미한다. 입자는, 예를 들어, 미립자화를 통해 제조될 수 있다.
적층 제조된 물체는 상기에 기재된 바와 같이 임의의 적절한 용해 단계(20), 가공 단계(30) 및/또는 침전 경화 단계(40)를 거칠 수 있다. 용해 단계(20) 및/또는 가공 단계(30)는, 이용되는 경우, 적층 제조된 물체의 중간 형태에 대해 수행될 수 있고/있거나 적층 제조된 물체의 최종 형태에 대해 수행될 수 있다. 침전 경화 단계(40)는, 이용되는 경우, 일반적으로 적층 제조된 물체의 최종 형태에 대해 수행된다. 일 실시 형태에서, 적층 제조된 물체는 합금화 원소 및 임의의 부수적인 원소 및 불순물, 예를 들어 상기에 기재된 재료 조성 중 임의의 것으로 본질적으로 이루어지며, 선택적으로 0.5 부피% 이상의 침전물상(들)을 갖는다.
다른 실시 형태에서, 신규한 재료는 후속 가공을 위한 프리폼이다. 프리폼은 잉곳, 형상 주조품, 적층 제조된 제품, 또는 분말 야금 제품일 수 있다. 일 실시 형태에서, 프리폼은 최종 제품의 원하는 최종 형상에 가까운 형상을 갖지만, 이 프리폼은 후속 가공에 의해 최종 제품 형상이 달성되는 것을 가능하게 하도록 설계된다. 따라서, 프리폼은, 예를 들어 단조, 압연, 또는 압출에 의해 가공되어(30), 중간 제품 또는 최종 제품을 제조할 수 있고, 이러한 중간 또는 최종 제품은 상기에 기재된 바와 같이 임의의 추가적인 적절한 용해 단계(20), 가공 단계(30) 및/또는 침전 경화 단계(40)를 거쳐 최종 제품을 달성할 수 있다. 일 실시 형태에서, 가공은 부품을 압축하기 위해 열간 등압 압축성형(hot isostatic pressing; 히핑(hipping))을 포함한다. 일 실시 형태에서, 합금 프리폼은 압축될 수 있고 다공성이 감소될 수 있다. 일 실시 형태에서, 히핑 온도는 합금 프리폼의 초기 융점 미만으로 유지된다. 일 실시 형태에서, 프리폼은 최종형상근접(near net shape) 제품일 수 있다.
한 가지 접근법에서, 전자 빔(EB) 또는 플라즈마 아크 기술이 적층 제조된 물체의 적어도 일부분을 제조하는 데 이용된다. 전자 빔 기술은 레이저 적층 제조 기술을 통해 용이하게 제조되는 것보다 더 큰 부품의 제조를 용이하게 할 수 있다. 일 실시 형태에서, 방법은 작은 직경의 와이어(예컨대, 직경이 2.54 mm 이하)를 전자 빔 건(gun)의 와이어 피더(feeder) 부분에 공급하는 단계를 포함한다. 와이어는 상기에 기재된 조성의 것일 수 있다. 전자 빔(EB)은 형성될 물체의 액상점(liquidus point) 초과로 와이어를 가열한 후에, 용융 풀을 (예컨대, 1초당 100℃ 이상으로) 급속 응고시켜 침착된 재료를 형성한다. 와이어는 통상적인 잉곳 공정에 의해 또는 분말 압밀 공정에 의해 제작될 수 있다. 이들 단계는 최종 제품이 제조될 때까지 필요한 대로 반복될 수 있다. 플라즈마 아크 와이어 공급물이 본원에 개시된 합금과 함께 유사하게 사용될 수 있다. 도시되지 않은 일 실시 형태에서, 전자 빔(EB) 또는 플라즈마 아크 적층 제조 장치는 다수의 상이한 와이어를 상응하는 다수의 상이한 방사선원과 함께 이용할 수 있으며, 와이어 및 공급원의 각각은 합금화 원소 및 임의의 임의적인 부수적인 원소를 갖는 금속 매트릭스를 갖는 제품을 제공하도록 적절하게 공급 및 활성화된다.
다른 접근법에서, 방법은 (a) 구축 기재(building substrate)를 향해 또는 구축 기재 상으로 하나 이상의 금속 분말을 선택적으로 분무하는 단계, (b) 방사선원을 통해, 금속 분말, 및 임의적으로 구축 기재를, 형성될 제품의 액상선 온도 초과로 가열하여, 용융 풀을 형성하는 단계, (c) 용융 풀을 냉각하여, 금속 제품의 고형부를 형성하는 단계를 포함할 수 있으며, 여기서 냉각은 1초당 100℃ 이상의 냉각 속도에서의 냉각을 포함한다. 일 실시 형태에서, 냉각 속도는 1초당 1,000℃ 이상이다. 다른 실시 형태에서, 냉각 속도는 1초당 10,000℃ 이상이다. 냉각 단계 (c)는 방사선원을 용융 풀로부터 멀리 이동시킴으로써, 그리고/또는 용융 풀을 갖는 구축 기재를 방사선원으로부터 멀리 이동시킴으로써 달성될 수 있다. 단계 (a) 내지 단계 (c)는 금속 제품이 완성될 때까지 필요한 대로 반복될 수 있다. 분무 단계 (a)는 하나 이상의 노즐을 통해 달성될 수 있으며, 금속 분말의 조성은 금속 매트릭스를 갖는 맞춤형 최종 금속 제품을 제공하도록 적절하게 변화될 수 있고, 금속 매트릭스는 합금화 원소 및 임의의 임의적인 부수적인 원소를 갖는다. 어느 한 시점에 가열되는 금속 분말의 조성은, 상이한 노즐에서 상이한 분말을 사용함으로써, 그리고/또는 실시간으로 어느 하나의 노즐에 제공되는 분말 조성(들)을 변화시킴으로써 실시간으로 변화될 수 있다. 작업편(work piece)은 임의의 적합한 기재일 수 있다. 일 실시 형태에서, 구축 기재는, 그 자체로, 금속 제품(예컨대, 합금 제품)이다.
상기에 언급된 바와 같이, 용접이 금속 제품을 제조하는 데(예컨대, 합금 제품을 제조하는 데) 사용될 수 있다. 일 실시 형태에서, 제품은 상이한 조성의 복수의 금속 성분의 형태로 전구체 재료에 적용되는 용융 작업에 의해 제조된다. 전구체 재료들은 서로에 대해 나란히 제공되어 동시적인 용융 및 혼합을 가능하게 할 수 있다. 일 예에서, 용융은 전기 아크 용접의 과정 중에 일어난다. 다른 예에서, 용융은 적층 제조 동안 레이저 또는 전자 빔에 의해 수행될 수 있다. 용융 작업은 복수의 금속 성분이 용융된 상태로 혼합되게 하며, 예를 들어 합금의 형태로 금속 제품을 형성하게 한다. 전구체 재료는 복수의 물리적으로 분리된 형태, 예를 들어 상이한 조성의 금속 또는 금속 합금의 복수의 긴 스트랜드 또는 섬유, 또는 제1 조성의 긴 스트랜드 또는 튜브와, 예컨대 하나 이상의 클래드 층을 갖는 튜브 또는 스트랜드 내에 함유된 제2 조성의 인접 분말의 형태로 제공될 수 있다. 전구체 재료는 구조체, 예컨대, 다수의 스트랜드 또는 섬유를 갖는 꼬이거나 편조된 케이블 또는 와이어, 또는 외부 쉘 및 그의 관강(lumen)에 함유된 분말을 갖는 튜브로 형성될 수 있다. 이어서, 구조체는, 예컨대 구조체를 용접 전극으로서 또는 적층 제조를 위한 공급원료로서 사용함으로써 구조체의 일부분, 예컨대 팁(tip)이 용융 작업을 받도록 취급될 수 있다. 그렇게 사용될 때, 구조체 및 그의 구성요소 전구체 재료는, 예컨대 연속적인 또는 불연속적인 공정으로 용융되어, 적층 제조를 위해 침착된 재료의 용접 비드(weld bead) 또는 라인 또는 도트를 형성할 수 있다.
일 실시 형태에서, 금속 제품은 재료 또는 용접될 재료, 예컨대, 동일하거나 상이한 재료의 2개의 물체, 또는 충전재로 적어도 부분적으로 충전된 구멍을 갖는 단일 재료의 물체 사이에 개재되고 그에 결합된 용접 물체 또는 충전재이다. 다른 실시 형태에서, 충전재는 그가 용접되는 재료에 대해 조성이 변화하는 전이 구역을 나타내어, 결과로 생기는 조합은 합금 제품으로 간주될 수 있다.
fcc 고용체 구조로 본질적으로 이루어진 신규한 fcc 재료
상기 개시 내용은 침전물상(들)을 갖는 신규한 fcc 재료를 제조하는 방법을 일반적으로 기재하지만, fcc 고용체 구조로 본질적으로 이루어진 재료를 제조하는 것이 또한 가능하다. 예를 들어, 잉곳, 가공된 물체, 형상 주조품, 또는 적층 제조된 물체의 제조 후에, 상기에 기재된 바와 같이, 재료는, 예컨대 상기의 용해 단계(20)와 관련하여 기술된 방식으로 균질화될 수 있다. 적절한 급속 냉각에 의해, 임의의 제2 상 입자의 침전이 억제/제한될 수 있어서, 임의의 제2 상 입자가 본질적으로 없는 fcc 고용체 재료, 즉 fcc 고용체 구조로 본질적으로 이루어진 재료를 실현할 수 있다.
본원에 기재된 신규한 기술의 다양한 실시 형태가 상세하게 설명되었지만, 당업자에게는 그러한 실시 형태의 변경 및 수정이 일어날 것임이 명백하다. 그러나, 그러한 변경 및 수정은 본원에 개시된 기술의 사상 및 범주 내에 속하는 것으로 명백히 이해되어야 한다.

Claims (34)

  1. 2.1 내지 8.4 중량%의 Al;
    4.6 내지 89.6 중량%의 Co;
    4.6 내지 89.6 중량%의 Ni;
    3.7 내지 9.7 중량%의 Ti; 및
    임의의 임의적인 부수적인 원소 및 불순물인 잔부
    를 포함하는 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 부수적인 원소가 0.15 중량% 이하의 C, 0.15 중량% 이하의 B, 0.5 중량% 이하의 Hf 및 0.5 중량% 이하의 Zr을 포함하는, 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 조성물이 4.7 내지 60.6 중량%의 Co, 29.6 내지 89.3 중량%의 Ni, 및 3.9 내지 9.4 중량%의 Ti를 포함하는, 조성물.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 조성물이 2.1 내지 5.4 중량%의 Al, 4.7 내지 41.3 중량%의 Co, 및 47.9 내지 89.3 중량%의 Ni를 포함하는, 조성물.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 조성물이 4.7 내지 28.9 중량%의 Co, 및 56.5 내지 89.3 중량%의 Ni를 포함하는, 조성물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 조성물이 2.4 내지 7.6 중량%의 Al, 5.2 내지 55.1 중량%의 Co, 32.9 내지 88.1 중량%의 Ni, 및 4.3 내지 8.6 중량%의 Ti를 포함하는, 조성물.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 조성물이 2.4 내지 4.9 중량%의 Al, 5.2 내지 37.5 중량%의 Co, 및 53.3 내지 88.1 중량%의 Ni를 포함하는, 조성물.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 조성물이 5.2 내지 26.3 중량%의 Co, 및 62.7 내지 85.4 중량%의 Ni를 포함하는, 조성물.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 조성물을 포함하는 합금체.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 합금체가 항공우주 또는 자동차 구성요소의 형태인, 합금체.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 항공우주 또는 자동차 구성요소가 터빈인, 합금체.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 합금체가 밀도, 연성(ductility), 강도, 파괴 인성(fracture toughness), 내산화성, 내피로성, 내크리프성(creep resistance) 및 내고온성(elevated temperature resistance) 중 둘 이상의 개선된 조합을 포함하는, 합금체.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 합금체가 잉곳의 형태인, 합금체.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 합금체가 압연 제품의 형태인, 합금체.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 합금체가 압출품(extrusion)의 형태인, 합금체.
  16. 제9항에 있어서,
    상기 합금체가 단조품(forging)의 형태인, 합금체.
  17. 제9항에 있어서,
    상기 합금체가 형상 주조품(shape casting)의 형태인, 합금체.
  18. 제9항에 있어서,
    상기 합금체가 적층 제조된(additively manufactured) 제품의 형태인, 합금체.
  19. (a) 2.1 내지 8.4 중량%의 Al; 4.6 내지 89.6 중량%의 Co; 4.6 내지 89.6 중량%의 Ni; 및 3.7 내지 9.7 중량%의 Ti를 포함하는 공급원료를 적층 제조 장치에서 사용하는 단계; 및
    (b) 상기 공급원료를 사용하여 상기 적층 제조 장치에서 금속 제품을 제조하는 단계
    를 포함하는 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 공급원료가 분말 공급원료를 포함하고;
    상기 방법이
    (a) 상기 분말 공급원료의 금속 분말을 층(bed) 중에 분산시키고/시키거나 상기 분말 공급원료의 금속 분말을 기재(substrate)를 향해 또는 기재 상에 분무하는 단계;
    (b) 상기 금속 분말의 일부분을 상기 금속 분말의 액상선 온도(liquidus temperature) 초과로 선택적으로 가열하여 용융 풀(molten pool)을 형성하는 단계;
    (c) 상기 용융 풀을 냉각하여 상기 금속 제품의 일부분을 형성하는 단계로서, 상기 냉각이 1초당 100℃ 이상의 냉각 속도에서의 냉각을 포함하는, 단계; 및
    (d) 상기 금속 제품이 완성될 때까지 단계 (a) 내지 단계 (c)를 반복하는 단계로서, 상기 금속 제품이 금속 매트릭스를 포함하고, 상기 Al, Co, Ni 및 Ti가 상기 매트릭스를 구성하는, 단계
    를 포함하는,
    방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 가열이 방사선원을 사용한 가열을 포함하고, 상기 냉각 속도가 1초당 1,000℃ 이상인, 방법.
  22. 제19항에 있어서,
    상기 공급원료가 와이어 공급원료를 포함하고;
    상기 방법이
    (a) 방사선원을 사용하여 상기 와이어 공급원료를 상기 와이어 공급원료의 액상점(liquidus point) 초과로 가열하여 Al, Co, Ni 및 Ti를 포함하는 용융 풀을 형성하는 단계;
    (b) 상기 용융 풀을 1초당 1,000℃ 이상의 냉각 속도로 냉각하는 단계; 및
    (c) 상기 금속 제품이 완성될 때까지 단계 (a) 및 단계 (b)를 반복하는 단계로서, 상기 금속 제품이 금속 매트릭스를 포함하고, 상기 Al, Co, Ni 및 Ti가 상기 매트릭스를 구성하는, 단계
    를 포함하는,
    방법.
  23. 제20항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각 속도가 하나 이상의 침전물상(precipitate phase)을 형성하기에 충분한, 방법.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 하나 이상의 침전물상이 L12, Ni3Ti 및 B2 중 하나 이상을 포함하는, 방법.
  25. 제23항 또는 제24항에 있어서,
    상기 금속 제품이 0.5 부피% 이상의 상기 침전물상을 포함하는, 방법.
  26. 제19항에 있어서,
    상기 적층 제조 장치가 결합제 분사(binder jetting) 장치를 포함하는, 방법.
  27. 제19항에 있어서,
    상기 적층 제조 장치가 직접 에너지 증착(directed energy deposition) 장치인, 방법.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 직접 에너지 증착 장치가 전자 빔 장치 또는 플라즈마 아크 장치를 포함하는, 방법.
  29. 제19항에 있어서,
    상기 금속 제품을 가공(working)하는 단계를 포함하는 방법.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 금속 제품이 최종 적층 제조된 물체이고, 상기 가공이 상기 최종 적층 제조된 물체의 가공인, 방법.
  31. 제29항에 있어서,
    상기 제조 단계가
    상기 공급원료를 사용하여 상기 금속 제품의 일부분을 첫 번째로 제조하는 단계; 및
    상기 공급원료를 사용하여 상기 금속 제품의 다른 부분을 두 번째로 제조하는 단계
    를 포함하고;
    상기 가공이 적어도 상기 첫 번째로 제조하는 단계 또는 상기 두 번째로 제조하는 단계 후에 일어나는,
    방법.
  32. 제31항에 있어서,
    상기 가공이 상기 첫 번째로 제조하는 단계와 상기 두 번째로 제조하는 단계 사이에 일어나는, 방법.
  33. 제29항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가공이 열간 등압 압축성형(hot isostatic pressing)을 포함하는, 방법.
  34. 제29항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가공이 압연, 단조 및 압출 중 하나 이상을 포함하는, 방법.
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