KR20180122026A - 티타늄, 알루미늄, 니오븀, 바나듐 및 몰리브덴의 bcc 재료, 및 그로부터 제조된 제품 - Google Patents

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Abstract

새로운 베타-스타일(bcc) 티타늄 합금이 개시된다. 새로운 합금은 일반적으로 4 내지 8 중량%의 Al, 4 내지 8 중량%의 Nb, 4 내지 8 중량%의 V, 1 내지 5 중량%의 Mo, 임의적으로 2 내지 6 중량%의 Cr을 포함하며, 잔부는 티타늄, 임의적인 부수적인 원소, 및 불가피한 불순물이다. 새로운 합금은 통상적인 티타늄 합금과 비교하여 특성들의 개선된 조합을 실현할 수 있다.

Description

티타늄, 알루미늄, 니오븀, 바나듐 및 몰리브덴의 BCC 재료, 및 그로부터 제조된 제품
티타늄 합금은 그의 낮은 밀도(강의 밀도의 60%) 및 그의 높은 강도에 대해 알려져 있다. 추가로, 티타늄 합금은 양호한 내부식성 특성을 가질 수 있다. 순수한 티타늄은 알파(hcp) 결정 구조를 갖는다.
광범위하게, 본 특허 출원은 재료의 고상선 온도(solidus temperature) 바로 아래에 체심 입방(bcc) 고용체 구조의 단상 영역(single phase field)을 갖는, 티타늄, 알루미늄, 니오븀, 바나듐, 및 몰리브덴과, 임의적으로(optionally) 크롬으로 제조되는 새로운 bcc(베타) 재료(예를 들어, 합금)("새로운 재료")에 관한 것이다. 당업자에게 공지된 바와 같이 그리고 도 1에 도시된 바와 같이, 체심 입방(bcc) 단위 격자는 정육면체의 8개의 꼭짓점 각각에 원자를 갖는 것에 더하여 정육면체의 중심에 하나의 원자를 갖는다. 꼭짓점의 원자들의 각각은 다른 정육면체의 꼭짓점이므로, 꼭짓점의 원자는 8개의 단위 격자에서 공유된다. 본 명세서에 기재된 독특한 조성으로 인해, 새로운 재료는 재료의 고상선 온도 바로 아래에 bcc 고용체 구조의 단상 영역을 실현할 수 있다. 새로운 재료는 또한 높은 액상점(liquidus point) 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 생성에 적합하게 할 수 있다.
이 새로운 재료는 일반적으로 bcc 결정 구조를 가지며 4 내지 8 중량%의 Al, 4 내지 8 중량%의 Nb, 4 내지 8 중량%의 V, 1 내지 5 중량%의 Mo, 임의적으로 2 내지 6 중량%의 Cr을 포함하고, 잔부는 티타늄, 임의적인(optional) 부수적인 원소, 및 불가피한 불순물이고, 상기 재료는 bcc 결정 구조를 실현하기에 충분한 양의 티타늄, 알루미늄, 니오븀, 바나듐, 몰리브덴, 및 임의적인 크롬을 포함한다. 알파상(hcp)의 몇몇 작은 부분이 합금에서 저온에서의 고체-상태 변환(solid-state transformation)을 통해 존재할 수 있다. 하기 표는 유용한 새로운 합금 재료의 일부 비제한적인 예를 제공한다.
[표 1]
Figure pct00001
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "합금화 원소"는 본 명세서에 정의된 조성 한계 이내인, 합금의 알루미늄, 니오븀, 바나듐, 몰리브덴, 크롬(사용되는 경우), 및 티타늄의 원소를 의미한다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "부수적인 원소"는 특히 규소, 철, 이트륨, 에르븀, 탄소, 산소, 및 붕소와 같은, 합금에 사용될 수 있는, 결정립계 변경제(grain boundary modifier), 주조 보조제, 및/또는 결정립 구조 제어 재료를 포함한다. 그러한 재료는 낮은 베타 트랜서스 온도(beta transus temperature)를 가질 수 있어서, 안정한 고용체 강화된 매트릭스를 야기할 수 있다. 일 실시 형태에서, 새로운 합금의 베타 트랜서스 온도는 850℃ 이하이다. 일 실시 형태에서, 재료는 승온에서 추가적인 침전물을 유도하기에 충분한 양의 하기 원소들 중 하나 이상을 임의적으로 포함할 수 있다:
Figure pct00002
Si: 1 중량% 이하
Figure pct00003
Fe: 2 중량% 이하
Figure pct00004
Y: 1 중량% 이하
Figure pct00005
Er: 1 중량% 이하
Figure pct00006
C: 0.5 중량% 이하
Figure pct00007
O: 0.5 중량% 이하
Figure pct00008
B: 0.5 중량% 이하
재료 중 그러한 임의적인 추가 원소(들)의 양은 강화 침전물(strengthening precipitate)의 생성을 유도하기에 충분해야 하지만, 그러한 임의적인 추가 원소(들)의 양은 또한 일차 상(primary phase) 입자를 피하도록 제한되어야 한다.
상기에 언급된 바와 같이, 새로운 재료는 850℃ 이하의 베타(β) 트랜서스 온도를 가질 수 있다. 표 2a 및 표 2b는 본 발명의 2종의 합금에 대한 액상선, 고상선, 평형 동결 범위, 비-평형 동결 범위, 베타 트랜서스, 고용선, 침전물상(precipitate phase) 및 밀도의 일부 비제한적인 예를 제공한다. 본 발명이 아닌 1종의 합금(Ti-6Al-4V)이 비교를 위해 포함되어 있다.
나타낸 바와 같이, 본 발명의 2종의 합금의 베타(β) 트랜서스 온도는 850℃ 미만인 반면, 종래 기술의 Ti-6Al-4V 합금은 베타(β) 트랜서스 온도가 995℃이다. 본 발명의 2종의 합금은 또한 제조 동안 고온 균열 및 미세편석(microsegregation)을 최소화하기에 적절한 평형 및 비-평형 동결 범위를 나타낸다.
[표 2a]
Figure pct00009
[표 2b]
Figure pct00010
도 2a는 Ti-3Mo-6Nb-6V-XAl 합금의 평형상 영역을 나타낸다. 합금의 동결 범위는 Al 함량에 의해 영향을 받지 않는다. Al 함량이 증가함에 따라 hcp(α)의 안정성이 증가한다. 그러나, Al 함량이 증가함에 따라 Ti3Al(α2)의 안정성이 또한 증가한다. 증가된 양의 Ti3Al(α2)은 합금의 연성(ductility)을 저하시킬 수 있다. 일 실시 형태에서, 합금은 4.5 중량% 이상의 Al을 포함한다. 다른 실시 형태에서, 합금은 5.0 중량% 이상의 Al을 포함한다. 일 실시 형태에서, 합금은 7.5 중량% 이하의 Al을 포함한다. 다른 실시 형태에서, 합금은 7.0 중량% 이하의 Al을 포함한다. 한 가지 접근법에서, 합금은 5 내지 7 중량%의 Al을 포함한다.
도 2b는 Ti-6Al-3Mo-6Nb-XV 합금의 평형상 영역을 나타낸다. 합금의 동결 범위는 V 함량에 의해 영향을 받지 않는다. V 함량이 증가함에 따라 베타(β)의 안정성이 증가한다. 그러나, V 함량이 증가함에 따라 Ti3Al(α2)의 안정성이 또한 증가한다. 증가된 양의 Ti3Al(α2)은 합금의 연성을 저하시킬 수 있다. 일 실시 형태에서, 합금은 4.5 중량% 이상의 V를 포함한다. 다른 실시 형태에서, 합금은 5.0 중량% 이상의 V를 포함한다. 일 실시 형태에서, 합금은 7.5 중량% 이하의 V를 포함한다. 다른 실시 형태에서, 합금은 7.0 중량% 이하의 V를 포함한다. 한 가지 접근법에서, 합금은 5 내지 7 중량%의 V를 포함한다.
도 2c는 Ti-6Al-3Mo-6V-XNb 합금의 평형상 영역을 나타낸다. 니오븀은 베타(β) 및 Ti3Al(α2)의 상 안정성에 대해 바나듐과 유사한 영향을 미친다. 일 실시 형태에서, 합금은 4.5 중량% 이상의 Nb를 포함한다. 다른 실시 형태에서, 합금은 5.0 중량% 이상의 Nb를 포함한다. 일 실시 형태에서, 합금은 7.5 중량% 이하의 Nb를 포함한다. 다른 실시 형태에서, 합금은 7.0 중량% 이하의 Nb를 포함한다. 한 가지 접근법에서, 합금은 5 내지 7 중량%의 Nb를 포함한다.
도 2d는 Ti-6Al-6V-6Nb-XMo 합금의 평형상 영역을 나타낸다. 베타(β) 및 Ti3Al(α2)의 상 안정성에 대한 Mo 함량의 영향은 V 및 Nb의 영향과 유사하다. 일 실시 형태에서, 합금은 1.5 중량% 이상의 Mo를 포함한다. 다른 실시 형태에서, 합금은 2.0 중량% 이상의 Mo를 포함한다. 일 실시 형태에서, 합금은 4.5 중량% 이하의 Mo를 포함한다. 다른 실시 형태에서, 합금은 4.0 중량% 이하의 Mo를 포함한다. 일 실시 형태에서, 합금은 2 내지 4 중량%의 Mo를 포함한다.
도 2e는 Ti-6Al-6V-6Nb-3Mo-XCr 합금의 평형상 영역을 나타낸다. 크롬의 첨가는 베타(β) 상을 계속 안정화시키며, 즉 더 낮은 베타 트랜서스 온도를 촉진한다. 약 3 중량% 초과의 Cr의 크롬 함량에 대해 크롬 함량을 증가시킴에 따라 Ti3Al(α2) 및 hcp(α) 상 둘 모두가 불안정하게 됨에 또한 유의한다. 일 실시 형태에서, 합금은 2.5 중량% 이상의 Cr을 포함한다. 다른 실시 형태에서, 합금은 3.0 중량% 이상의 Cr을 포함한다. 일 실시 형태에서, 합금은 5.5 중량% 이하의 Cr을 포함한다. 다른 실시 형태에서, 합금은 5.0 중량% 이하의 Cr을 포함한다. 일 실시 형태에서, 티타늄 합금은 3 내지 5 중량%의 Cr을 포함한다.
한 가지 접근법에서, 그리고 이제 도 3을 참조하면, 새로운 재료를 생성하는 방법은, Ti, Al, V, Nb, Mo와, 임의적으로 Cr을 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) bcc(체심 입방) 고용체 구조를 갖는 고형물을 형성하고 이 혼합물은 bcc 고용체 구조를 실현하기에 충분한 양의 Ti, Al, V, Nb, Mo와, 임의적으로 Cr을 포함하는, 단계(200); 및 이 고형물을 이 혼합물의 침전물상(들)의 고용선 온도 미만으로 냉각하여, 이 고형물의 bcc 고용체 구조 내에 하나 이상의 침전물상을 형성하는 단계로서, 이 혼합물은 bcc 고용체 구조 내의 침전물상(들)을 실현하기에 충분한 양의 Ti, Al, V, Nb, Mo와, 임의적으로 Cr을 포함하는, 단계(300)를 포함한다. 일 실시 형태에서, bcc 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.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "잉곳"은 임의의 형상의 주조된 제품을 의미한다. 용어 "잉곳"은 빌릿(billet)을 포함한다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "무균열 잉곳"은 제조용 잉곳으로서 사용될 수 있도록 균열이 충분히 없는 잉곳을 의미한다. 본 명세서에 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 제품(wrought product)을 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 생성하는, 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 생성되는 무균열 프리폼(preform)일 수 있다. 임의의 경우에, 무균열 제품은, 침전물상(들) 중 하나 이상을 임의적으로 갖는, bcc 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 침전물을 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 고용선 온도(들) 초과로 가열하고, 이어서 최종 제품 형태를 적용가능한 고용선 온도(들) 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 열처리 제품을 실현하는 것을 추가로 포함할 것이다. 일 실시 형태에서, 최종 열처리 제품은 0.5 부피% 이상의 강화 침전물을 함유한다. 강화 침전물은 바람직하게는 bcc 고용체 구조의 매트릭스 내에 위치되어, 전위(dislocation)와의 상호작용을 통해 제품에 강도를 부여한다.
새로운 재료의 구조 및 조성으로 인해, 새로운 재료는 특성들의 개선된 조합, 예를 들어, 특히 밀도, 연성, 강도, 및 파열 인성(fracture toughness) 중 적어도 둘의 개선된 조합을 실현할 수 있다. 따라서, 새로운 재료는 저온 응용(예를 들어, 자동차 또는 항공우주 구성요소를 위한 것과 같은, 저온 차량 응용)에서의 사용과 같은 다양한 응용에서 사용될 수 있다.
상기에 기재된 새로운 재료는 또한 형상 주조된 제품 또는 프리폼을 생성하는 데 사용될 수 있다. 형상 주조된 제품은 주조 공정 후에 그의 최종 제품 형태 또는 거의 최종 제품 형태를 달성하는 제품이다. 새로운 재료는 임의의 원하는 형상으로 형상 주조될 수 있다. 일 실시 형태에서, 새로운 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 Ti, Al, V, Nb, Mo와, 임의적으로 Cr로 본질적으로 이루어지며, 상기에 기재된 조성 범위 이내이다. 일 실시 형태에서, 형상 주조된 제품은 0.5 부피% 이상의 강화 침전물을 포함한다.
본 특허 출원은 일반적으로 상기에 열거된 침전물상(들) 중 하나 이상을 갖는 bcc 매트릭스 합금 재료에 관한 것으로서 기재되었지만, 다른 경화상(hardening phase)이 새로운 bcc 매트릭스 합금 재료에 적용가능할 수 있으며 그러한 모든 경화상(응집성(coherent) 또는 비응집성)이 본 명세서에 기재된 bcc 합금 재료에 유용함이 있다는 것이 이해되어야 한다.
새로운 재료의 적층 제조
상기에 기재된 새로운 재료를 적층 제조에 의해 제조하는 것이 또한 가능하다. 본 명세서에 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. 새로운 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(selectively) 용융 및/또는 소결시켜, 적층 제조된 물체(body)(제품)를 층상으로(layer-by-layer) 생성하는 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 이오에스 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, bcc 고용체 구조를 포함하는 적층 제조된 물체를 생성할 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 생성하는 데 사용될 수 있다. 일 실시 형태에서, 금속 분말층은 제품(예컨대, 맞춤형 합금 제품)을 생성하는 데 사용된다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "금속 분말층" 등은 금속 분말을 포함하는 층을 의미한다. 적층 제조 동안, 동일하거나 상이한 조성의 입자들이 용융되고(예컨대, 급속 용융)되고, 이어서 (예컨대, 균질한 혼합의 부재 하에) 응고될 수 있다. 따라서, 균질하거나 불균질한 미세구조를 갖는 제품이 생성될 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 초당 1,000℃ 이상의 냉각 속도로 냉각하는 단계를 포함할 수 있다. 일 실시 형태에서, 냉각 속도는 초당 10,000℃ 이상이다. 다른 실시 형태에서, 냉각 속도는 초당 100,000℃ 이상이다. 다른 실시 형태에서, 냉각 속도는 초당 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. 임의적으로 침전물상(들)을 갖는, bcc 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. 생성 후에 또는 생성 동안에, 적층 제조된 제품은 (예컨대, 압연, 압출, 단조, 신장, 압축 중 하나 이상에 의해) 변형될 수 있다.
새로운 재료를 적층 제조하는 데 사용되는 분말은 새로운 재료의 재료(예컨대, 잉곳 또는 용융물)를 사용될 적층 제조 공정에 대해 적절한 치수의 분말로 미립자화(atomizing)시킴으로써 생성될 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "분말"은 복수의 입자를 포함하는 재료를 의미한다. 분말을 분말층에 사용하여 적층 제조를 통해 맞춤형 합금 제품을 생성할 수 있다. 일 실시 형태에서, 적층 제조 공정 전반에서 동일한 일반 분말을 사용하여 금속 제품을 생성한다. 예를 들어, 최종 맞춤형 금속 제품은 적층 제조 공정 동안 일반적으로 동일한 금속 분말을 사용하여 생성되는 단일 영역/매트릭스를 포함할 수 있다. 최종 맞춤형 금속 제품은 대안적으로 적어도 2개의 개별적으로 생성된 별개의 영역을 포함할 수 있다. 일 실시 형태에서, 상이한 금속 분말층 유형들이 금속 제품을 생성하는 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 생성하는 데 사용될 수 있고, 제2 금속 분말층은 합금 제품의 제2 층 또는 부분을 생성하는 데 사용될 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "입자"는 분말층의 분말에 사용하기에 적합한 크기(예컨대, 5 마이크로미터 내지 100 마이크로미터의 크기)를 갖는 물질의 미세한 단편을 의미한다. 입자는, 예를 들어, 미립자화를 통해 생성될 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, 임의적으로 0.5 부피% 이상의 침전물상(들)을 갖는다.
다른 실시 형태에서, 새로운 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 생성할 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 생성하는 데 이용된다. 전자 빔 기술은 레이저 적층 제조 기술을 통해 용이하게 생성되는 것보다 더 큰 부품의 생성을 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 초과로 와이어를 가열한 후에, 용융 풀을 (예컨대, 초당 100℃ 이상으로) 급속 응고시켜 침착된 재료를 형성한다. 와이어는 통상적인 잉곳 공정에 의해 또는 분말 압밀 공정에 의해 제작될 수 있다. 이들 단계는 최종 제품이 생성될 때까지 필요한 대로 반복될 수 있다. 플라즈마 아크 와이어 공급물이 본 명세서에 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 초당 100℃ 이상의 냉각 속도에서의 냉각을 포함한다. 일 실시 형태에서, 냉각 속도는 초당 1,000℃ 이상이다. 다른 실시 형태에서, 냉각 속도는 초당 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 생성하는 데(예컨대, 합금 제품을 생성하는 데) 사용될 수 있다. 일 실시 형태에서, 제품은 상이한 조성의 복수의 금속 성분의 형태로 전구체 재료에 적용되는 용융 작업에 의해 생성된다. 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.
bcc 고용체 구조로 본질적으로 이루어진 새로운 재료
상기 개시 내용은 침전물상(들)을 갖는 새로운 bcc 재료를 생성하는 방법을 일반적으로 기재하지만, bcc 고용체 구조로 본질적으로 이루어진 재료를 생성하는 것이 또한 가능하다. 예를 들어, 잉곳, 가공된 물체, 형상 주조품, 또는 적층 제조된 물체의 생성 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 bcc 고용체 재료, 즉 bcc 고용체 구조로 본질적으로 이루어진 재료를 실현할 수 있다.
합금 특성
새로운 재료는 특성들의 개선된 조합을 실현할 수 있다. 이 섹션에서, 모든 기계적 특성은 달리 명시되지 않는 한 길이 방향(L 방향)으로 측정된다.
한 가지 접근법에서, 새로운 재료는 실온(RT)에서 ASTM E8에 따라 시험할 때 715 MPa 이상의 주조 후(as-cast) 인장 항복 강도(TYS)를 실현한다. 일 실시 형태에서, 새로운 재료는 735 MPa 이상의 주조 후 RT TYS를 실현할 수 있다. 다른 실시 형태에서, 새로운 재료는 755 MPa 이상의 주조 후 RT TYS를 실현할 수 있다. 또 다른 실시 형태에서, 새로운 재료는 775 MPa 이상의 주조 후 RT TYS를 실현할 수 있다. 다른 실시 형태에서, 새로운 재료는 795 MPa 이상의 주조 후 RT TYS를 실현할 수 있다. 또 다른 실시 형태에서, 새로운 재료는 815 MPa 이상의 주조 후 RT TYS를 실현할 수 있다. 다른 실시 형태에서, 새로운 재료는 835 MPa 이상의 주조 후 RT TYS를 실현할 수 있다. 또 다른 실시 형태에서, 새로운 재료는 855 MPa 이상의 주조 후 RT TYS를 실현할 수 있다. 다른 실시 형태에서, 새로운 재료는 875 MPa 이상의 주조 후 RT TYS를 실현할 수 있다. 또 다른 실시 형태에서, 새로운 재료는 895 MPa 이상의 주조 후 RT TYS를 실현할 수 있다. 다른 실시 형태에서, 새로운 재료는 915 MPa 이상의 주조 후 RT TYS를 실현할 수 있다. 또 다른 실시 형태에서, 새로운 재료는 935 MPa 이상의 주조 후 RT TYS를 실현할 수 있다. 다른 실시 형태에서, 새로운 재료는 940 MPa 이상의 주조 후 RT TYS를 실현할 수 있다. 크롬이 이용되는 경우 더 높은 강도가 실현될 수 있다. 임의의 이들 실시 형태에서, 새로운 재료는 2.0% 이상의 주조 후 RT 연신율을 실현할 수 있다. 임의의 이들 실시 형태에서, 새로운 재료는 4.0% 이상의 주조 후 RT 연신율을 실현할 수 있다. 임의의 이들 실시 형태에서, 새로운 재료는 6.0% 이상의 주조 후 RT 연신율을 실현할 수 있다. 임의의 이들 실시 형태에서, 새로운 재료는 8.0% 이상의 주조 후 RT 연신율을 실현할 수 있다. 임의의 이들 실시 형태에서, 새로운 재료는 9.0% 이상의 주조 후 RT 연신율을 실현할 수 있다.
한 가지 접근법에서, 새로운 재료는 실온(RT)에서 ASTM E8에 따라 시험할 때 880 MPa 이상의 주조 후 최대 인장 강도(UTS)를 실현할 수 있다. 일 실시 형태에서, 새로운 재료는 890 MPa 이상의 주조 후 RT UTS를 실현할 수 있다. 다른 실시 형태에서, 새로운 재료는 900 MPa 이상의 주조 후 RT UTS를 실현할 수 있다. 또 다른 실시 형태에서, 새로운 재료는 910 MPa 이상의 주조 후 RT UTS를 실현할 수 있다. 다른 실시 형태에서, 새로운 재료는 920 MPa 이상의 주조 후 RT UTS를 실현할 수 있다. 또 다른 실시 형태에서, 새로운 재료는 930 MPa 이상의 주조 후 RT UTS를 실현할 수 있다. 다른 실시 형태에서, 새로운 재료는 940 MPa 이상의 주조 후 RT UTS를 실현할 수 있다. 또 다른 실시 형태에서, 새로운 재료는 950 MPa 이상의 주조 후 RT UTS를 실현할 수 있다. 다른 실시 형태에서, 새로운 재료는 960 MPa 이상의 주조 후 RT UTS를 실현할 수 있다. 또 다른 실시 형태에서, 새로운 재료는 970 MPa 이상의 주조 후 RT UTS를 실현할 수 있다. 다른 실시 형태에서, 새로운 재료는 980 MPa 이상의 주조 후 RT UTS를 실현할 수 있다. 임의의 이들 실시 형태에서, 새로운 재료는 2.0% 이상의 주조 후 RT 연신율을 실현할 수 있다. 임의의 이들 실시 형태에서, 새로운 재료는 4.0% 이상의 주조 후 RT 연신율을 실현할 수 있다. 임의의 이들 실시 형태에서, 새로운 재료는 6.0% 이상의 주조 후 RT 연신율을 실현할 수 있다. 임의의 이들 실시 형태에서, 새로운 재료는 8.0% 이상의 주조 후 RT 연신율을 실현할 수 있다. 임의의 이들 실시 형태에서, 새로운 재료는 9.0% 이상의 주조 후 RT 연신율을 실현할 수 있다.
한 가지 접근법에서, 새로운 재료는 실온에서 ASTM E8에 따라 시험할 때, 열처리된 상태에서의 1100 MPa 이상의 TYS를 실현할 수 있다. 일 실시 형태에서, 새로운 재료는 1150 MPa 이상의 열처리 후(heat treated) RT TYS를 실현할 수 있다. 다른 실시 형태에서, 새로운 재료는 1200 MPa 이상의 열처리 후 RT TYS를 실현할 수 있다. 또 다른 실시 형태에서, 새로운 재료는 1250 MPa 이상의 열처리 후 RT TYS를 실현할 수 있다. 다른 실시 형태에서, 새로운 재료는 1300 MPa 이상의 열처리 후 RT TYS를 실현할 수 있다. 또 다른 실시 형태에서, 새로운 재료는 1350 MPa 이상의 열처리 후 RT TYS를 실현할 수 있다. 다른 실시 형태에서, 새로운 재료는 1400 MPa 이상의 열처리 후 RT TYS를 실현할 수 있다. 또 다른 실시 형태에서, 새로운 재료는 1450 MPa 이상의 열처리 후 RT TYS를 실현할 수 있다. 다른 실시 형태에서, 새로운 재료는 1500 MPa 이상의 열처리 후 RT TYS를 실현할 수 있다. 임의의 이들 실시 형태에서, 새로운 재료는 1.0% 이상의 열처리 후 RT 연신율을 실현할 수 있다. 임의의 이들 실시 형태에서, 새로운 재료는 2.0% 이상의 열처리 후 RT 연신율을 실현할 수 있다. 임의의 이들 실시 형태에서, 새로운 재료는 3.0% 이상의 열처리 후 RT 연신율을 실현할 수 있다. 임의의 이들 실시 형태에서, 새로운 재료는 4.0% 이상의 열처리 후 RT 연신율을 실현할 수 있다. 임의의 이들 실시 형태에서, 새로운 재료는 5.0% 이상의 열처리 후 RT 연신율을 실현할 수 있다.
한 가지 접근법에서, 새로운 재료는 실온에서 ASTM E8에 따라 시험할 때 열처리된 상태에서 1100 MPa 이상의 UTS를 실현할 수 있다. 일 실시 형태에서, 새로운 재료는 1150 MPa 이상의 열처리 후 RT UTS를 실현할 수 있다. 다른 실시 형태에서, 새로운 재료는 1200 MPa 이상의 열처리 후 RT UTS를 실현할 수 있다. 또 다른 실시 형태에서, 새로운 재료는 1250 MPa 이상의 열처리 후 RT UTS를 실현할 수 있다. 다른 실시 형태에서, 새로운 재료는 1300 MPa 이상의 열처리 후 RT UTS를 실현할 수 있다. 또 다른 실시 형태에서, 새로운 재료는 1350 MPa 이상의 열처리 후 RT UTS를 실현할 수 있다. 다른 실시 형태에서, 새로운 재료는 1400 MPa 이상의 열처리 후 RT UTS를 실현할 수 있다. 또 다른 실시 형태에서, 새로운 재료는 1450 MPa 이상의 열처리 후 RT UTS를 실현할 수 있다. 또 다른 실시 형태에서, 새로운 재료는 1500 MPa 이상의 열처리 후 RT UTS를 실현할 수 있다. 임의의 이들 실시 형태에서, 새로운 재료는 1.0% 이상의 열처리 후 RT 연신율을 실현할 수 있다. 임의의 이들 실시 형태에서, 새로운 재료는 2.0% 이상의 열처리 후 RT 연신율을 실현할 수 있다. 임의의 이들 실시 형태에서, 새로운 재료는 3.0% 이상의 열처리 후 RT 연신율을 실현할 수 있다. 임의의 이들 실시 형태에서, 새로운 재료는 4.0% 이상의 열처리 후 RT 연신율을 실현할 수 있다. 임의의 이들 실시 형태에서, 새로운 재료는 5.0% 이상의 열처리 후 RT 연신율을 실현할 수 있다.
한 가지 접근법에서, 새로운 재료는 실온에서 ASTM E8에 따라 시험할 때 동일한 제품 형태 및 열처리된 상태의 Ti-6Al-4V 합금에 비해 개선된 특성을 실현할 수 있다. 일 실시 형태에서, 새로운 재료는 동일한 제품 형태 및 열처리된 상태의 Ti-6Al-4V 제품과 비교하여 5.0% 이상 더 높은 실온 TYS를 실현할 수 있다. 일 실시 형태에서, 새로운 재료는 동일한 제품 형태 및 열처리된 상태의 Ti-6Al-4V 제품과 비교하여 10% 이상 더 높은 RT TYS를 실현할 수 있다. 일 실시 형태에서, 새로운 재료는 동일한 제품 형태 및 열처리된 상태의 Ti-6Al-4V 제품과 비교하여 20% 이상 더 높은 RT TYS를 실현할 수 있다. 일 실시 형태에서, 새로운 재료는 동일한 제품 형태 및 열처리된 상태의 Ti-6Al-4V 제품과 비교하여 25% 이상 더 높은 RT TYS를 실현할 수 있다. 일 실시 형태에서, 새로운 재료는 동일한 제품 형태 및 열처리된 상태의 Ti-6Al-4V 제품과 비교하여 30% 이상 더 높은 RT TYS를 실현할 수 있다. 일 실시 형태에서, 새로운 재료는 동일한 제품 형태 및 열처리된 상태의 Ti-6Al-4V 제품과 비교하여 35% 이상 더 높은 RT TYS를 실현할 수 있다. 최대 인장 강도에 대해 유사한 결과가 실현될 수 있다.
한 가지 접근법에서, 새로운 재료는 650℃에서 ASTM E21에 따라 시험할 때 동일한 제품 형태 및 열처리된 상태의 Ti-6Al-4V 합금에 비해 개선된 특성을 실현할 수 있다. 일 실시 형태에서, 새로운 재료는 동일한 제품 형태 및 650℃에서 열처리된 상태의 Ti-6Al-4V 제품과 비교하여 1.0% 이상 더 높은 TYS를 실현할 수 있다. 일 실시 형태에서, 새로운 재료는 동일한 제품 형태 및 650℃에서 열처리된 상태의 Ti-6Al-4V 제품과 비교하여 2.0% 이상 더 높은 TYS를 실현할 수 있다. 일 실시 형태에서, 새로운 재료는 동일한 제품 형태 및 650℃에서 열처리된 상태의 Ti-6Al-4V 제품과 비교하여 3.0% 이상 더 높은 TYS를 실현할 수 있다. 일 실시 형태에서, 새로운 재료는 동일한 제품 형태 및 650℃에서 열처리된 상태의 Ti-6Al-4V 제품과 비교하여 4.0% 이상 더 높은 TYS를 실현할 수 있다. 일 실시 형태에서, 새로운 재료는 동일한 제품 형태 및 650℃에서 열처리된 상태의 Ti-6Al-4V 제품과 비교하여 5.0% 이상 더 높은 TYS를 실현할 수 있다. 임의의 이들 실시 형태에서, 새로운 재료는 동등한 연신율에서 더 높은 TYS를 실현할 수 있다. 최대 인장 강도에 대해 유사한 결과가 실현될 수 있다.
도 1은 bcc, fcc, 및 hcp 단위 격자의 개략도이다.
도 2a는 Ti-3Mo-6Nb-6V-XAl 합금의 평형상 영역에 대한 Al 함량의 영향을 나타내는 그래프이다.
도 2b는 Ti-6Al-3Mo-6Nb-XV 합금의 평형상 영역에 대한 V 함량의 영향을 나타내는 그래프이다.
도 2c는 Ti-6Al-3Mo-6V-XNb의 평형상 영역에 대한 V 함량의 영향을 나타내는 그래프이다.
도 2d는 Ti-6Al-6V-6Nb-XMo 합금의 평형상 영역에 대한 Mo 함량의 영향을 나타내는 그래프이다.
도 2e는 Ti-6Al-6V-6Nb-3Mo-XCr 합금의 평형상 영역에 대한 Cr 함량의 영향을 나타내는 그래프이다.
도 3은 새로운 재료를 생성하는 방법의 일 실시 형태의 흐름도이다.
도 4는 침전물들 중 하나 이상을 갖는 bcc 고용체 구조를 갖는 가공된 제품을 얻는 방법의 일 실시 형태의 흐름도이다.
실시예 1: 본 발명의 합금 및 통상적인 합금의 시험
본 발명의 2종의 합금(Ti-6Al-3Mo-6Nb-6V, 및 Ti-6Al-3Mo-6Nb-6V-4Cr), 및 통상적인 Ti-6Al-4V 합금을 아크 용융 주조를 통해 봉(rod)으로 주조하였다. 주조 후에, 주조 후 합금의 기계적 특성을 ASTM E8에 따라 측정하였고, 그 결과가 표 3 내지 표 5에 나타나 있다. Ti-6Al-3Mo-6Nb-6V 합금 및 Ti-6Al-3Mo-6Nb-6V-4Cr 합금의 시편을 500℃에서 8시간 동안 열처리하고, 이어서 공기 냉각하였다. 이어서, 열처리된 합금의 기계적 특성을 시험하였고, 그 결과가 하기 표 4에 나타나 있다. 모든 보고된 강도 및 연신율 특성은 길이 방향으로 시험한 것이었다. 기계적 특성 시험 중에 생성된 응력-변형률 곡선으로부터 추정된 인성이 또한 나타나 있다. Ti-6Al-3Mo-6Nb-6V-4Cr 합금에 대해 650℃에서의 인장 특성을 또한 시험하였고, 이는 하기 표 5에 제공되어 있다.
[표 3]
Figure pct00011
[표 4]
Figure pct00012
[표 5]
Figure pct00013
나타난 바와 같이, 본 발명의 새로운 합금은 통상적인 합금과 비교하여 개선된 특성을 실현하였다.
본 명세서에 기재된 새로운 기술의 다양한 실시 형태가 상세하게 설명되었지만, 당업자에게는 그러한 실시 형태의 변경 및 수정이 일어날 것임이 명백하다. 그러나, 그러한 변경 및 수정은 본 명세서에 개시된 기술의 사상 및 범주 내에 속하는 것으로 명백히 이해되어야 한다.

Claims (46)

  1. 4 내지 8 중량%의 Al;
    4 내지 8 중량%의 Nb;
    4 내지 8 중량%의 V;
    1 내지 5 중량%의 Mo; 및
    임의적으로(optionally) 2 내지 6 중량%의 Cr을 포함하며;
    잔부는 Ti, 임의적인(optional) 부수적인 원소, 및 불가피한 불순물인, 티타늄 합금.
  2. 제1항에 있어서, 상기 티타늄 합금은 850℃ 이하의 베타 트랜서스 온도(beta transus temperature)를 실현하기에 충분한 양의 상기 Ti, 상기 Al, 상기 Nb, 상기 V, 상기 Mo, 및 상기 임의적인 Cr을 포함하는, 티타늄 합금.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 합금은 4.5 중량% 이상의 Al을 포함하는, 티타늄 합금.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금은 5.0 중량% 이상의 Al을 포함하는, 티타늄 합금.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금은 7.5 중량% 이하의 Al을 포함하는, 티타늄 합금.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금은 7.0 중량% 이하의 Al을 포함하는, 티타늄 합금.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금은 4.5 중량% 이상의 Nb를 포함하는, 티타늄 합금.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금은 5.0 중량% 이상의 Nb를 포함하는, 티타늄 합금.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금은 7.5 중량% 이하의 Nb를 포함하는, 티타늄 합금.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금은 7.0 중량% 이하의 Nb를 포함하는, 티타늄 합금.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금은 4.5 중량% 이상의 V를 포함하는, 티타늄 합금.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금은 5.0 중량% 이상의 V를 포함하는, 티타늄 합금.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금은 7.5 중량% 이하의 V를 포함하는, 티타늄 합금.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금은 7.0 중량% 이하의 V를 포함하는, 티타늄 합금.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금은 1.5 중량% 이상의 Mo를 포함하는, 티타늄 합금.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금은 2.0 중량% 이상의 Mo를 포함하는, 티타늄 합금.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금은 4.5 중량% 이하의 Mo를 포함하는, 티타늄 합금.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금은 4.0 중량% 이하의 Mo를 포함하는, 티타늄 합금.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금은 2 내지 6 중량%의 Cr을 포함하는, 티타늄 합금.
  20. 제19항에 있어서, 상기 합금은 2.5 중량% 이상의 Cr을 포함하는, 티타늄 합금.
  21. 제19항에 있어서, 상기 합금은 3.0 중량% 이상의 Cr을 포함하는, 티타늄 합금.
  22. 제19항에 있어서, 상기 합금은 5.5 중량% 이하의 Cr을 포함하는, 티타늄 합금.
  23. 제19항에 있어서, 상기 합금은 5.0 중량% 이하의 Cr을 포함하는, 티타늄 합금.
  24. 제1항 내지 제23항의 티타늄 합금 중 임의의 것을 포함하는 합금체.
  25. 제24항에 있어서, 상기 합금체는 잉곳의 형태인, 합금체.
  26. 제24항에 있어서, 상기 합금체는 압연 제품의 형태인, 합금체.
  27. 제24항에 있어서, 상기 합금체는 압출품(extrusion)의 형태인, 합금체.
  28. 제24항에 있어서, 상기 합금체는 단조품(forging)의 형태인, 합금체.
  29. 제24항에 있어서, 상기 합금체는 형상 주조품(shape casting)의 형태인, 합금체.
  30. 제24항에 있어서, 상기 합금체는 적층 제조된(additively manufactured) 제품의 형태인, 합금체.
  31. (a) 적층 제조 장치에서, 제1항 내지 제23항의 티타늄 합금 중 임의의 것을 포함하는 공급원료를 사용하는 단계;
    (b) 상기 공급원료를 사용하여 상기 적층 제조 장치에서 금속 제품을 생성하는 단계
    를 포함하는 방법.
  32. 제31항에 있어서, 상기 공급원료는 분말 공급원료를 포함하고, 상기 방법은:
    (a) 상기 분말 공급원료의 금속 분말을 층(bed) 중에 분산시키고/시키거나 기재(substrate)를 향해 또는 기재 상에 상기 분말 공급원료의 금속 분말을 분무하는 단계;
    (b) 상기 금속 분말의 일부분을 금속 분말의 액상선 온도(liquidus temperature) 초과로 선택적으로(selectively) 가열하여 용융 풀(molten pool)을 형성하는 단계;
    (c) 상기 용융 풀을 냉각하여, 상기 금속 제품의 일부분을 형성하는 단계로서, 상기 냉각은 초당 100℃ 이상의 냉각 속도에서의 냉각을 포함하는, 단계; 및
    (d) 상기 금속 제품이 완성될 때까지 단계 (a) 내지 단계 (c)를 반복하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  33. 제32항에 있어서, 상기 가열은 방사선원을 사용한 가열을 포함하고, 상기 냉각 속도는 초당 1,000℃ 이상인, 방법.
  34. 제31항에 있어서, 상기 공급원료는 와이어 공급원료를 포함하고, 상기 방법은:
    (a) 방사선원을 사용하여 상기 와이어 공급원료를 공급원료의 액상점(liquidus point) 초과로 가열하고, 이로써 용융 풀을 생성하는 단계;
    (b) 상기 용융 풀을 초당 1,000℃ 이상의 냉각 속도로 냉각하는 단계; 및
    (c) 상기 금속 제품이 완성될 때까지 단계 (a) 및 단계 (b)를 반복하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  35. 제32항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각 속도는 적어도 하나의 침전물상(precipitate phase)을 형성하기에 충분한, 방법.
  36. 제35항에 있어서, 상기 적어도 하나의 침전물상은 Ti3Al을 포함하는, 방법.
  37. 제35항 또는 제36항에 있어서, 상기 금속 제품은 0.5 부피% 이상의 상기 침전물상을 포함하는, 방법.
  38. 제31항에 있어서, 상기 적층 제조 장치는 결합제 분사(binder jetting) 장치를 포함하는, 방법.
  39. 제31항에 있어서, 상기 적층 제조 장치는 직접 에너지 증착(directed energy deposition) 장치인, 방법.
  40. 제39항에 있어서, 상기 직접 에너지 증착 장치는 전자 빔 장치 또는 플라즈마 아크 장치를 포함하는, 방법.
  41. 제34항에 있어서, 상기 금속 제품을 가공(working)하는 단계를 포함하는, 방법.
  42. 제41항에 있어서, 상기 금속 제품은 최종 적층 제조된 물체이고 상기 가공은 상기 최종 적층 제조된 물체의 가공인, 방법.
  43. 제41항에 있어서, 상기 생성 단계는:
    상기 공급원료를 사용하여 상기 금속 제품의 일부분을 첫 번째로 생성하는 단계;
    상기 공급원료를 사용하여 상기 금속 제품의 다른 부분을 두 번째로 생성하는 단계
    를 포함하며;
    상기 가공은 적어도 상기 첫 번째로 생성하는 단계 또는 상기 두 번째로 생성하는 단계 후에 일어나는, 방법.
  44. 제43항에 있어서, 상기 가공은 상기 첫 번째로 생성하는 단계와 상기 두 번째로 생성하는 단계 사이에 일어나는, 방법.
  45. 제41항 내지 제44항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가공은 열간 등압 압축성형(hot isostatic pressing)을 포함하는, 방법.
  46. 제41항 내지 제44항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가공은 압연, 단조, 및 압출 중 하나 이상을 포함하는, 방법.
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