KR20190090019A - 티타늄 분말 제조 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
용융물로부터 티타늄 금속 분말을 제조하는 방법 및 장치. 상기 장치는 상기 장치 내의 티타늄 금속 분말의 오염을 방지하도록 티타늄 금속 분말과 동일한 티타늄 합금으로 코팅되거나, 전체가 티타늄 합금으로 형성되는 내벽을 갖는 분무화 챔버를 포함한다. 또한, 상기 분무화 챔버 이후의 유동 경로에서 장치의 일부 또는 전체 부품의 내표면은 티타늄 합금 또는 CP-Ti로 코팅되거나 내표면 전체가 티타늄 합금 또는 CP-Ti로 형성될 수 있다.
Description
(관련 출원의 상호 참조)
본 출원은 2016년 12월 21일에 출원된 "티타늄 분말 제조 장치 및 방법" 표제의 미국 가출원 제62/437,129의 우선권을 주장한다.
본 발명은 티타늄 분말 제조 장치 및 방법, 더욱 구체적으로 티타늄 분말의 오염을 방지하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
분말 야금은 우주 항공과 같은 중요한 응용 분야에서 티타늄으로 제조된 부품을 생산하는 중요한 기술이다. 티타늄 금속 분말은 이러한 공정 경로의 기본 원료이다. 아르곤과 같은 불활성 가스를 사용하는 분무화(Atomization)는 일반적으로 높은 충전 밀도(packing densities)를 갖는 균일한 구형 분말을 제조하는데 사용된다. 가스 분무화를 위한 일반적인 장치는 액체 금속 스트림 공급원, 분무화 가스 제트 및 냉각 챔버로 구성된다. 용융된 티타늄의 자유-낙하(free-falling) 스트림은 불활성 가스 제트와 고속으로 충돌되고, 티타늄의 분무화된 액적은 챔버를 통해 비행 중에 응고되고, 챔버의 바닥에서 수집된다. 매우 특이하고 제어된 구조체를 얻기 위해서 액적의 고형화 동안 매우 높은 냉각 속도의 값이 요구된다. 분무화 챔버의 설계 및 구성에 대한 몇 가지 측면이 중요하다:
1. 챔버는 접촉 시 티타늄과 반응하지 않는 물질로 구성되어야 하고;
2. 챔버는 티타늄 액적이 챔버의 벽 또는 바닥 부분과 접촉하기 전에 응고될 수 있도록 충분히 커야하고;
3. 대기 오염을 방지하기 위해 챔버는 완전한 배기가 허용되어야 하고;
4. 챔버 설계는 챔버 내부를 완전히 청소하고 검사하기 위해 쉽게 접근할 수 있어야 한다.
스테인리스 스틸은 티타늄 분무화 챔버의 구성에서 가장 일반적으로 사용되는 물질이다. 티타늄 액적의 일부가 응고 전에 분무화 챔버를 히팅(hit)할 가능성이 존재한다. 이러한 액적은 본래 부서지기 쉬운 저융점 화합물을 생성하는 스테인레스 스틸과 반응한다. 이러한 화합물은 오염 물질로서 티타늄 분말 스트림으로 들어가고, 표준 품질 관리 기술에서 감지되지 않는다. 이러한 오염된 분말로 구성된 부품은 가동 중에 파국 고장을 경험하게 된다.
본 발명에 따르면, 분말 금속 오염은 금속 분말 유동 경로를 라이닝(lining)하거나 생성되는 금속 분말에 오염되지 않은 금속으로 분무화 단계 이후의 금속 분말 유동 경로를 제조함으로써 제거될 수 있다.
티타늄 금속 분말의 경우에, 분무화 챔버의 벽은 바람직하게는 티타늄 금속 분말과 동일한 티타늄 합금으로부터 제조되거나 라이닝된다. 예를 들어, Ti-6Al-4V와 같은 티타늄 합금은 제조되는 티타늄 분말 금속이 Ti-6Al-4V인 경우 라이너(liner) 또는 챔버 벽에 사용될 수 있다.
챔버 세정 조작에서 금속 오염이 생길 수 있기 때문에, 이러한 해결책은 임의의 분말 금속 제조 시스템에 적용되고, 이러한 방법은 가끔 분말 볼을 챔버 벽 본딩에 사용하기 때문에 용융물로부터 금속 분말을 제조하는데 특히 적용 가능하다.
용융물로부터의 분무화는 금속의 용융된 스트림이 고속 불활성 가스에 의해 충돌되어 분말을 형성하는 가스 분무화(GA), 및 금속 바(bar)가 금속 액적을 빠르게 던지면서 회전할 때 금속 바의 단부가 용융되는 스피닝 전극법(PREP)을 포함한다.
어느 경우에도, 용융은 전자 빔, 플라즈마 토치(plasma torch), 전기 아크(electrical arc), 유도 가열, 레이저 가열 또는 임의의 다른 충분히 강력한 가열법에 의해 달성될 수 있다.
도 1은 티타늄 분말의 제조 장치의 일부의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 티타늄 분말의 제조 장치(10)는 냉각 벽 유도 가이딩 시스템(cold wall induction guiding system), 전극 유도 용융 가스 분무화 공정(electrode induction melting gas atomization process), 플라즈마-용융 유도 가이딩 가스 분무화법(plasma-melting induction-guiding gas atomization method), 3중 용융 공정 또는 임의의 다른 공지된 시스템과 같은 공지된 시스템으로부터 분무화된 액체 금속 스트림 공급을 수용하기 위한 분무화 또는 핫 스프레이 챔버(hot spray chamber)(12)를 포함한다. 분무화 챔버(12)로부터의 분말은 도 1에 도시되는 바와 같이, 수송 튜브(14)를 통해, 사이클론 세퍼레이터(16)를 통해, 그 후 분말 컨테이너(18)로 통과한다.
본 발명에 따르면, 분무화 챔버(12)의 전체 내표면(20)은 상술한 바와 같이 티타늄 분말 금속을 포함하는 용융물로부터 제조되는 티타늄 금속 분말과 동일한 티타늄 합금으로 코팅되거나 티타늄 합금으로 형성된다. 실시예로서, 분무화 챔버(12)의 내표면(20) 상에 티타늄 합금의 코팅은 약 2 mm의 두께를 가질 수 있다. 분무화 챔버는 스테인리스 스틸과 같은 임의의 적합한 물질로 형성될 수 있다. 또는, 분무화 챔버(12)는 다른 물질로 형성된 내표면 상에 합금을 코팅하는 것 대신에 티타늄 합금으로 형성될 수 있다.
티타늄 분말의 오염에 대항하는 것을 더욱 보증하기 위해, 분무화 챔버(12) 이후의 유동 경로의 전체 또는 일부를 티타늄 분말 또는 시판되는 순수한 티타늄(CP-Ti)과 동일한 티타늄 합금으로 코팅하거나 티타늄 합금으로 형성할 수 있다. 예를 들어, 수송 튜브(14), 사이클론 세퍼레이터(16) 및/또는 분말 컨테이너(18) 중 하나 이상은 티타늄 분말의 임의의 오염을 방지하도록 티타늄 합금 또는 CP-Ti로 형성되거나 티타늄 합금 또는 CP-Ti로 내측을 코팅할 수 있다.
실시예로서, 가공되는 티타늄 분말 금속이 Ti-6Al-4V인 경우, Ti-6Al-4V와 같은 티타늄 합금은 분무화 챔버(12) 또는 이후의 유동 경로의 전체 또는 일부에서 라이너 또는 챔버 벽(20)에 사용될 수 있다.
본 발명은 현재 가장 실용적이고 바람직한 양태로 간주되는 것과 관련하여 설명되었지만, 본 발명은 개시된 양태에 한정되지 않으며, 반대로 다양한 수정 및 균등한 배열이 첨부된 청구 범위의 사상 및 범위 내에 포함되는 것으로 이해될 것이다.
Claims (8)
- 티타늄 분말 금속을 포함하는 용융물(melt)로부터 티타늄 금속 분말을 제조하는 장치로서,
상기 제조 장치 내의 티타늄 금속 분말의 오염을 방지하도록 티타늄 금속 분말과 동일한 티타늄 합금으로 코팅되거나 전체가 티타늄 합금으로 형성된 내벽(inner wall)을 갖는 분무화 챔버(atomization chamber)를 포함하는, 티타늄 금속 분말의 제조 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 분무화 챔버의 출구 개구부에 연결된 분말 수송 튜브(powder conveying tube), 상기 분말 수송 튜브에 연결된 사이클론 세퍼레이터(cyclone separator) 및 상기 사이클론 세퍼레이터에 연결된 분말 컨테이너(powder container)를 더 포함하고,
상기 분말 수송 튜브, 사이클론 세퍼레이터 및/또는 분말 컨테이너 중 하나 이상의 내표면은 티타늄 합금 또는 CP-Ti로 코팅되거나, 내표면 전체가 티타늄 합금 또는 Cp-Ti로 형성되는 것인, 티타늄 금속 분말의 제조 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 분무화 챔버의 내벽은 약 2 mm의 두께를 갖는 티타늄 합금으로 코팅되는 것인, 티타늄 금속 분말의 제조 장치.
- 티타늄 분말 금속을 포함하는 용융물로부터 티타늄 분말을 제조하기 위한 장치에서 티타늄 분말의 오염을 방지하는 방법으로서,
상기 장치는 내벽을 갖는 분무화 챔버를 가지며,
상기 방법은 티타늄 분말과 동일한 티타늄 합금으로 내벽을 코팅하거나 내벽 전체를 티타늄 합금으로 형성하는 단계를 포함하는 것인, 티타늄 분말의 오염 방지 방법.
- 제4항에 있어서,
상기 내벽 상에 티타늄 합금의 코팅은 약 2 mm인 것인, 티타늄 분말의 오염 방지 방법.
- 제4항에 있어서,
상기 장치는 상기 분무화 챔버 이후의 유동 경로에서 수송 튜브, 사이클론 세퍼레이터 및 분말 컨테이너를 더 포함하고,
상기 방법은 상기 수송 튜브, 사이클론 세퍼레이터 및/또는 분말 컨테이너 중 하나 이상의 내표면을 티타늄 합금 또는 CP-Ti로 코팅하거나 내표면 전체를 티타늄 합금 또는 CP-Ti로 형성하는 단계를 더 포함하는 것인, 티타늄 분말의 오염 방지 방법.
- 용융물로부터 티타늄 금속 분말을 제조하는 장치로서,
용융된 티타늄의 스트림은 내벽을 갖는 분무화 챔버에서 고속으로 불활성 기체와 충돌되고, 상기 내벽은 금속 분말의 오염을 방지하도록 티타늄 금속 분말과 동일한 티타늄 합금으로 코팅되거나 내벽 전체가 티타늄 합금으로 형성되는 것인, 티타늄 금속 분말의 제조 장치.
- 제4항에 있어서,
상기 분무화 챔버 이후의 유동 경로에서의 장치들 중 하나 이상의 부품의 내표면을 티타늄 합금 또는 CP-Ti로 코팅하거나 내표면 전체를 티타늄 합금 또는 CP-Ti로 형성하는 단계를 더 포함하는, 티타늄 분말의 오염 방지 방법.
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