KR20190104066A - 섬유-보강 세라믹 매트릭스 복합 재료를 적층 제조하는 방법 - Google Patents

섬유-보강 세라믹 매트릭스 복합 재료를 적층 제조하는 방법 Download PDF

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KR20190104066A
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밀란 브란트
젠스 디트리히
잉고마르 켈바사
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지멘스 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은 세라믹 매트릭스 복합 재료(10)를 적층 제조하는 방법에 관한 것으로서, 세라믹 섬유(3) 및 세라믹 매트릭스 복합 재료를 위한 분말 모재(2)를 제공하는 단계 및 모재(2)에 의해 형성된 분말 베드를 미리 결정된 기하학적 형태에 따라 에너지 빔(6)으로 조사함으로써 세라믹 매트릭스 복합 재료를 위한 세라믹 매트릭스 재료(5)를 층별로 축적하는 단계를 포함하고, 모재(2)는, 에너지 빔(6)의 파라미터가, 세라믹 섬유(3)와 분말 베드의 접촉 영역(CR)에서, 세라믹 섬유(3)가 부분적으로만 재용융되도록 국부적으로 선택된다는 점에서, 재용융되고, 고화되며 세라믹 섬유(3)에 접착식으로 결합된다.

Description

섬유-보강 세라믹 매트릭스 복합 재료를 적층 제조하는 방법
본 발명은 섬유-보강 재료와 같은 세라믹 매트릭스 복합 재료의 적층 제조(additive manufacture), 또는 경우에 따라, 그로부터 제조된 구성요소에 관한 것이다. 또한, 장치 및 그에 따른 구성요소가 설명된다.
바람직하게는, 구성요소는 터보 기계, 예를 들어 가스 터빈의 고온 가스 유로 하드웨어에 적용되는 구성요소를 나타낸다. 따라서, 구성요소는 바람직하게는 초합금 또는 니켈계 합금, 특히 석출 경화된 합금으로 제조된다.
적층 제조 기술은, 선택적 레이저 용융(selective laser melting)(SLM), 선택적 레이저 소결(selective laser sintering)(SLS) 또는 전자 빔 용융(electron beam melting)(EBM)과 같은 분말 베드 방법(powder bed method) 뿐만 아니라 레이저 금속 증착(laser metal deposition)(LMD)과 같은 취입 분말 방법(blown powder method)을 포함한다.
선택적 레이저 용융 방법은, 예를 들어 EP 2 601 006 B1호에 설명되어 있다.
적층 제조 방법은 프로토타입 또는 복잡한 선조 구성요소, 예를 들어 미로형 내부 구조를 포함하는 경량 설계 또는 냉각 구성요소의 제조에 유망한 것으로 입증되었다. 또한, 적층 제조는, 제조 단계가 대응하는 CAD/CAM 및/또는 설계 데이터에 기초하여 직접 수행될 수 있기 때문에, 일련의 짧은 프로세스 단계 면에서 두드러진다.
적층 제조의 맥락 내에서 해결해야 할 문제 또는 준수해야 할 과제는, 섬유-보강 세라믹 복합 재료 또는 세라믹 매트릭스 복합 재료(ceramic matrix composite)(CMC)의 유지 보수, 수리 및 점검 적용과 조합하여 재생 가능하고 실행 가능하며 적절한 제조 경로를 찾는 것이다.
CMC - 예를 들어, SiC-SiC 또는 산화물-산화물 재료 시스템, 특히 Al2O3 매트릭스 또는 상이한 재료 조합의 Al2O3 섬유는, 예를 들어 가스 터빈의 고온 가스 경로의 가혹한 환경에 대한 손상에 견딜 수 있는 짧고 긴 섬유-보강 구성요소의 생산에 유망한 후보이다. 이러한 맥락에서 극복해야 할 결점은, 특히 같은 부류의 양쪽 재료 - 즉, 한쪽의 매트릭스 분말 및 다른 쪽의 고체 섬유 - 의 용융점이 대략 동일하다는 것이다.
언급된 결점이 해결될 수 있는 경우, 적층 제조 경로는, 터빈 입구 온도의 증가 및/또는 냉각 공기 소비의 감소에 의해 가스 터빈 효율을 증가시키기 위해, 예를 들어 세라믹 재료를 위해 특별히 설계된 냉각 채널과 같은 내부 중공 구조의 적층 제조의 설계 자유도를 이용할 기회를 제공할 것으로 예상된다.
지금까지, 섬유/직물을 생산하고 일반적으로 후-침윤을 포함하는 후속 라미네이션 또는 소결 단계를 포함하는 "종래의" 방안을 제외하고는 재현 가능하고 신뢰성 있는 제조 경로가 없다.
본 발명에 의해, SLM, LMD 또는 EBM 또는 이들의 조합과 같은 공지된 적층 제조 경로에 기초하여, 예를 들어 분말 베드 기반의 CMC의 적층 축적 방안이 제공된다.
본 발명의 목적은 언급된 문제점 또는 결점을 극복하는 데에 일조하는 수단을 제공하는 것이다.
언급된 목적은 독립항의 특허대상에 의해 달성된다. 유리한 실시예는 종속항의 특허대상이다.
본 발명의 양태는, 세라믹 섬유 및 분말, 그리고 세라믹 매트릭스 복합 재료를 위한 편의상 세라믹 모재를 제공하는 단계를 포함하는, 세라믹 매트릭스 복합 재료 또는 구성요소를 적층 제조하는 방법에 관한 것이다.
방법은 모재에 의해 형성된 분말 베드를 구성요소의 요망되고 미리 결정된 기하학적 형태에 따라 에너지 빔으로 조사함으로써 세라믹 매트릭스 복합 재료를 위한 세라믹 매트릭스 재료(모재)를 층별로 축적 또는 제조하는 단계를 더 포함하고, 모재는 재용융되고 고화되어 세라믹 섬유에 접착식으로 결합된다. 이는, 에너지 빔의 (조사) 파라미터가 바람직하게는 국부적으로 선택되어, 세라믹 섬유와 분말 베드의 접촉 영역에서, 세라믹 섬유가 부분적으로만 재용융되고, 바람직하게는 완전히 재용융되지 않는다는 점에서 수행된다. 오직 부분적인 재용융 절차에 의해, 세라믹 섬유가 파괴되지 않고 그 재료가 여전히 무손상이며, 동시에 고화된 매트릭스 재료에 접착식으로 결합되는 것이 편의상 달성된다. 다시 말해서, 본 발명은 조사 프로세스의 제어에 관한 것으로서, 세라믹 섬유는 실제로 최종 CMC의 탁월한 특성을 잃지 않고 접착식으로 결합될 수 있다.
가스 터빈 기술의 경우, 적층 제조 능력이 설명된 바와 같이 공지된 고온 내구성을 갖는 세라믹으로 전달될 수 있는 것이 물론 매우 바람직하다.
실시예에서, 섬유는 조사 또는 축적 전에 적층 제조를 위한 축적 공간 내에 미리-위치 결정되거나 미리-배치된다. 상기 미리-위치 결정하는-배치는, 예를 들어 본 기술 분야의 숙련자에게 공지된 임의의 수단에 의해 수행될 수 있다.
실시예에서, 섬유는 이동 가능한 장비 또는 장치에 의해 적층 제조 동안 분말 베드, 특히 분말 베드의 미리 퇴적된 층에 놓이거나 배치된다. 이 실시예는 적층 제조 동안 더 큰 설계 자유도를 이용하게 할 수 있기 때문에 바람직하다. 상기 장치는, 바람직하게는 조사 또는 스캐닝 장비와 같은 임의의 추가 디바이스 하드웨어와 별도로 이동 가능하다. 상기 장치는, 바람직하게는, 임의의 배치가 조사 고화 단계와 함께 분말 모재층에서의 인-시튜 섬유 배치와 관련하여 많은 설계 자유도를 허용하도록, 예를 들어 단지 몇 밀리미터 또는 센티미터의 외부 연장부를 이용하여 매우 콤팩트한 방식으로 추가로 구현될 수 있다.
본 발명의 다른 양태는 설명된 바와 같은 적층 제조 장치에 관한 것으로서, 상기 장치는 분말 베드 내로의 섬유의 배치를 위해 구성되고, 장치는 또한 조사 장치와 같은 임의의 다른 디바이스 하드웨어와 별도로 이동 가능하다.
실시예에서, 섬유의 두께, 또는 필라멘트 섬유의 경우, 섬유의 직경은 층별 축적을 위해 모재의 층 두께의 절반 이상에 달한다. 이 실시예에 의해, 조사 단계 동안 섬유가 완전히 재용융되지 않는 조사 파라미터를 선택하는 것이 유리할 수 있다. 다른 한편으로, 섬유의 두께 또는 직경이 층 두께와 비교하여 훨씬 더 작게 선택된다면, 섬유는 또한 조사 동안 용융될 가능성이 있다.
실시예에서, 섬유는 필라멘트 또는 필라멘트형 형상을 갖는다. 이는 바람직한 실시예이다.
실시예에서, 섬유는 층형 또는 시트형 형상을 갖는다.
실시예에서, 모재의 입자의 직경, 예를 들어 평균 직경은 섬유의 두께 또는 직경보다 작다.
실시예에서, 모재의 입자의 직경 평균은 섬유의 두께보다 적어도 2 배 작다.
실시예에서, 예를 들어 모재의 입자의 평균 직경은 섬유의 두께 또는 직경보다 5 내지 10 배 작다.
이들 실시예에 의해, - 섬유 및 모재(매트릭스 재료)의 재료들이 유사하거나 동일하더라도 - 섬유의 재료가 조사 동안 손상되지 않고, 입자만이 크기-의존성 또는 용융점 감소로 인해 재용융될 수 있다는 것이 달성될 수 있다. 정해진 임계값 미만의 재료의 공간 치수의 감소는 그 용융점을 감소시킬 수 있는 것으로 알려져 있다.
실시예에서, 분말 베드 영역, 예를 들어 분말 베드 상에 평면도로 관찰된 층 영역으로부터 접촉 영역으로의 천이에서 에너지 빔에 의한 조사 모드는, 섬유의 재료가 일반적으로 모재의 고화에서와 같이 완전히 재용융되는 대신에 부분적으로만 재용융되도록 변화된다.
실시예에서, 분말 베드 영역에서, 에너지 빔에 의한 조사는 연속파 모드에서 수행된다.
실시예에서, 접촉 영역에서, 에너지 빔에 의한 조사는 맞춤형 펄스 모드와 같은 펄스 모드에서 수행된다.
실시예에서, 에너지 빔에 의한 조사가 수행되며, 출력, 출력 밀도, 주파수, 펄스 지속 시간, 반복 속도 및 펄스 형상으로부터 선택된 조사 파라미터들 중 적어도 하나는 조정되며, 특히 본 발명에 따른 원하는 또는 미리 결정된 열 입력에 맞게 조정된다. 예를 들어, 접촉 영역의 조사를 위해, 예를 들어 사인파, 삼각형, 다른 형상의 정사각형으로부터 선택된 펄스 형상이 선택된다는 점에서 출력 밀도가 감소될 수 있다.
실시예에서, 에너지 빔의 출력 또는 출력 밀도는 분말 베드 영역으로부터 접촉 영역으로의 천이에서 감소됨으로써, 바람직하게는 - 상기 감소로 인해 - 섬유가 세라믹 매트릭스를 위한 모재와 비교하여 완전히 재용융되지 않는다.
실시예에서, 섬유는 필라멘트 형상을 가지며, 섬유의 직경은, 예를 들어 산화 코팅에 의해 층별 축적 전에 증가되고, 각각의 코팅 재료는 조사 동안 재용융, 증발 및/또는 희생된다.
일 실시예에서, 섬유 및 모재는 재료 계통 C/C, SiC/SiC, Al2O3/Al2O3, ZrO2/ZrO2 또는 멀라이트/멀라이트와 같은 유사한 세라믹 재료로 구성되거나 이를 포함한다.
실시예에서, 섬유 및 모재는 재료 계통 C/SiC, Al2O3/ZrO2와 같은 이종 세라믹 재료로 구성되거나 이를 포함한다.
실시예에서, 분말 베드는 파열 및/또는 응력의 방지를 위해, 예를 들어 CO2- 또는 Nd:YAG-레이저와 같은 레이저, 전자 빔, 또는 유도 가열 수단에 의해 1500℃ 초과, 특히 2000℃ 초과의 온도로 예열된다.
실시예에서, 세라믹 매트릭스 복합 재료는, 예를 들어 층별 축적 후에 열간 등압 프레싱 및/또는 후-침윤에 의해 구조적으로(열적으로) 후처리되지 않는다.
본 발명의 다른 양태는 설명된 방법에 의해 제조되거나 제조될 수 있는 구성요소에 관한 것이다.
실시예에서, 구성요소 또는 그 구성요소의 재료는 95% 이상, 예컨대 98% 이상의 밀도를 더 포함한다. 바꿔 말해서, 구성요소 또는 그 재료는 바람직하게는 5% 미만, 바람직하게는 2% 미만의 기공률을 포함한다. 상기 백분율은 바람직하게는 체적 백분율에 관한 것일 수 있다.
실시예에서, 구성요소는 800 MPa 초과, 바람직하게는 1000 MPa 초과 또는 심지어는 1100 MPa 초과의 굽힘 강도를 갖는 재료를 포함한다.
실시예에서, 재료는 100 ㎛ 미만, 바람직하게는 70 ㎛ 미만의 평균 표면 거칠기를 갖는 재료를 포함한다. 상기 거칠기는 대안적으로 거칠기의 깊이 또는 거칠기 깊이, 또는 평균 또는 제곱근 거칠기 또는 평균 표면 마무리와 관련될 수 있다.
설명된 방법 및/또는 설명된 재료 또는 구성요소와 관련하여 본원에 설명된 양태, 실시예 또는 장점은 물론 설명된 장치와 관계가 있을 수 있으며 그 반대도 마찬가지이다.
추가 특징, 편의성 및 유리한 개선은 도면과 관련하여 예시적인 실시예의 다음 설명으로부터 명백해진다.
도 1은 적층 제조 동안 구성요소의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 2는 설명된 방법에 의해 제조되는 세라믹 매트릭스 복합 재료의 개략적인 측단면도를 도시한다.
도 3은 제조 하드웨어의 대안 실시예에서 도 2에 따른 구성요소의 개략적인 측단면도를 도시한다.
도 4는 분말 모재의 베드에 배치된 세라믹 섬유의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 5는 도 4에 도시된 섬유에 대한 대안 실시예의 층상 섬유 및 대응하는 코팅을 도시한다.
도 6은 분말 베드 층에 배치된 섬유의 단면을 도시하는데, 섬유는 조사 장치 또는 시스템(20)에 의해 조사되고 있다.
도면에서 동일한 요소, 동일한 종류의 요소 및 동일하게 작용하는 요소에 동일한 참조 번호가 제공될 수 있다.
도 1은 구성요소(10)를 적층 제조하기 위한 분말 베드 프로세스를 개략적으로 나타낸다. 프로세스는 적층 제조 디바이스(100)에서 수행될 수 있다. 프로세스는 또한, 예를 들어 선택적 레이저 용융, 선택적 레이저 소결 및/또는 전자 빔 용융에 관한 것일 수 있다.
구성요소는, 바람직하게는 터보 기계 구성요소이며, 특히 가스 터빈의 유로 하드웨어에 적용된다.
SLM 프로세스에서, 구성요소(10)는 기판 또는 축적 플랫폼(build platform)(1)의 상부 상에 제조된다는 것이 일반적으로 알려져 있다. 특히, 금속 구성요소로 제조될 제1 층은 기판(1)에 접착식으로 결합되거나 야금학적으로 접합된다. 구성요소(10)는 부분적으로 제조된 상태로 도시될 수 있다. 구성요소(10)는 또한 분말 모재(2)에 의해 형성된 분말 베드로부터 층별로 축적된다. 스크레이퍼(scraper) 또는 임의의 다른 퇴적 장비(명시적으로 나타내지 않음)에 의해 모재(2)의 층을 공급한 후에, 각각의 층은, 바람직하게는 조사 디바이스(20)에 의해 제공되는 에너지 빔에 의해 조사된다. 에너지 빔(6)은 레이저 빔일 수 있다. 대안적으로, 에너지 빔은 전자 빔일 수 있고, 따라서 조사 디바이스는 전자 빔 소스일 수 있다.
조사로 인해, 퇴적된 대로의 층(참조 번호 4)의 모재(2)는 용융되고 이어서 고화된다. 층 두께는 분말 베드 위에서, 예를 들어 자동으로 이동하여 과잉 재료를 제거하는 스크레이퍼(명시적으로 나타내지 않음)에 의해 결정될 수 있다. 통상적인 층 두께는 20 ㎛ 또는 40 ㎛에 달한다. 제조 중에, 상기 레이저 또는 에너지 빔(6)은 분말 베드의 표면 위를 스캐닝하고 특히 구성요소(10)의 원하는 기하학적 형태에 대응하는 선택된 영역 상의 분말을 용융시킨다. 상기 기하학적 형태는 대응하는 CAM- 및/또는 CAD-파일에 의해 미리 결정될 수 있다.
구성요소(10)는, 분말 베드 프로세스에 따라, 축적 방향(Z)(수직 방향)을 따라 축적 공간(BS)에서 축적(층별)된다.
선택적 레이저 용융 프로세스는 주로 금속 구성요소의 제조에 적용된다. 그러나, 최종 재료의 기공률이 상당히 낮은 경우에도, 세라믹 재료의 분말 베드 기반의 선택적 용융이 또한 가능하다는 것이 이미 입증되었다.
본 발명은 앞서 설명한 바와 같이 가스 터빈 구성요소를 위한 섬유-보강 재료와 같은 세라믹 재료 및/또는 세라믹 매트릭스 복합 재료(CMC)의 적층 제조에 중점을 둔다.
구성요소(10)의 단일 층(참조 번호 4)에서, 도 1에 도시된 바와 같이, 세라믹 섬유(3)가 표시되어 있다. 이 실시예에 따르면, 모재(2)는 편의상 최종 CMC 구성요소를 위한 세라믹(매트릭스) 모재이다.
본 발명에 따르면, 세라믹 섬유(3)는, 바람직하게는 섬유의 길이방향 축선이, 예를 들어 터빈의 작동 시에, 예를 들어 로터 구성요소의 경우에 구성요소에 가해지는 원심력의 작용에 평행하거나 또는 이를 따라 예상되는 가장 높은 기계적 하중의 방향을 따라 적어도 부분적으로 또는 비례적으로 배치되도록 최종 구성요소에 위치되거나 배치된다. 따라서, 섬유의 길이방향 축선은 바람직하게는 XY 평면(도 4 내지 도 6 참조)에 평행하게, 즉 분말 베드 표면에 평행하게 배치된다.
여기서, 모재의 용융/소결의 결과로서 재료의 수축은 도면에서 무시된다는 점이 유념된다.
고화된 모재 및 섬유(3)를 나타낼 수 있는 매트릭스(5)(도 2 및 도 3 참조)의 재료를 위해, 다음의 재료 계통이 현재 고려되고 있고, X/Y의 명명은 재료 Y의 매트릭스를 보강하는 X-섬유를 나타낸다.
따라서, 유사한 재료 계통에 대해, 예를 들어, C/C, SiC/SiC, Al2O3/Al2O3, ZrO2/ZrO2 또는 멀라이트/멀라이트와 같은 재료가 적용될 수 있다.
이종 재료의 경우, 예를 들어 계통 C/SiC, Al2O3/ZrO2가 적용될 수 있다.
재료의 목록은 배타적이지 않으며, 본 기술 분야의 숙련자에게 공지된 임의의 조합이 본 발명에 따라 고려될 수 있다.
도 2 및 도 3은 도 1과 비교하여, 제시된 방법을 더 상세히 설명한다.
도 1과 달리, 도 2는 본원에 설명된 CMC를 적층 제조하는 방법을 보다 상세히 도시한다. 특히, 섬유가 분말 베드 내로 반입되고 최종적으로 매트릭스(5)에 또는 매트릭스와 결합되는 방법이 예시되어 있다.
언급된 방법은 설명된 바와 같이 세라믹 섬유(3) 및 분말 모재(2)를 제공하는 단계를 포함하고, 상기 섬유(3) 및 모재(2)는 적층 프로세스에서 CMC에 결합되어야 하고, 그러나, 섬유(3)는 반드시 적층 수단에 의해 제조될 필요는 없다.
방법은 모재(2)에 의해 형성된 분말 베드를 구성요소(10)의 미리 결정되고 원하는 기하학적 형태에 따라 에너지 빔(6)으로 조사함으로써 CMC를 위한 세라믹 매트릭스 재료(5)를 층별로 축적하는 단계를 더 포함하고, 모재(2)는, 에너지 빔(6)의 파라미터가, 세라믹 섬유(3)와 분말 베드의 접촉 영역(CR)에서, 세라믹 섬유(3)가 부분적으로만 재용융되도록 국부적으로 선택된다는 점에서, 재용융되고, 고화되며 세라믹 섬유(3)에 접착식으로 결합된다.
지금까지는, 적어도 가스 터빈 용례에 요구되는 기계적 특성을 갖도록 CMC용 세라믹 섬유를 적층식으로 제조하는 것은 불가능한 것으로 보인다. 그러나, 섬유(3)는 또한 적층 수단에 의해 제조되고 동시에 매트릭스(5)에 결합될 수 있다는 것이 본 발명의 범주 내에 있다.
방법은 CMC-구성요소(10)의 제조를 위해 섬유를 분말 베드 내로 반입하기에 적합한 장치 또는 장비(30)를 사용한다. 특히, 적층 제조를 위한 상기 장치(30)는 조사 장치(20)와 같은 다른 디바이스 장치로부터 독립적으로 이동 가능하다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 조사 장치(20)는, 바람직하게는 도 2에 도시된 바와 같이 축적 방향(Z)을 따라 거리(A1)만큼 제조 표면 또는 분말 베드 표면으로부터 떨어져 위치된다. 거리(A1)는 예를 들어 200 내지 300 mm에 달할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 장치(30)는 상당히 선조적이고 얇은 도구로서 예시되어 있으며, 이 도구 내에서 CMC용 섬유(3)는 분말 베드 내로 안내 및/또는 이송될 수 있다. 동시에, 장치(30)는 조사 디바이스(20) 또는 대응하는 에너지 빔(6)을 방해하지 않는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 장치(30)는 축적 플랫폼(1) 뿐만 아니라 조사 디바이스 또는 장치(20) 및 에너지 빔(6)과 별도로 제어 및 이동될 수 있다. 에너지 빔(6)은, 예를 들어 장치(30)에 의해 추적되도록 안내될 수 있고, 그 반대도 마찬가지이다. 이는 섬유(30)의 편의상 배치 - 바람직하게는, 제조될 각 층에 - 및 CMC를 형성하기 위해 매트릭스 재료(5)에 섬유(3)를 신뢰성 있게 "통합"하는 것을 가능하게 한다.
좌측을 가리키는 도 2의 화살표(X)에 의해, 조사 디바이스(20) 및/또는 오직 각각의 에너지 빔(6)이 조사를 위해 우측에서 좌측으로 안내될 수 있으며, 이에 따라 대응하는 벡터 또는 궤적에 따라 분말 베드를 고화시킬 수 있다는 것이 나타난다. x-방향에서의 이러한 이동 동안, 장치(30) 또는 그 배치 팁(명시적으로 나타내지 않음)은, 예를 들어 분말 베드(2) 내에 섬유(3)를 위치하기 위해 이동되거나 추적될 수 있다.
장치(30)는 와이어 공급 장치이거나 와이어 공급 장치를 포함할 수 있는데, 와이어 공급 장치에 의해 섬유(3)가 분말 베드(2) 내로 삽입된다.
장치(30)는 또한 노즐이거나 노즐을 포함할 수 있는데, 노즐에 의해 섬유(3)가 그에 따라 삽입되거나 위치된다.
도 2의 표시로부터 벗어나면, 장치(30)는 조사 디바이스(20)에 가깝게 또는 심지어는 조사 디바이스에 대해 동축으로 배치될 수 있다.
또한, 장치(30)는 앞서 설명한 바와 같이 스크레이퍼 또는 코팅 장치에 통합될 수 있다. 이 실시예에 따르면, 장치(30)는 섬유가 분말 베드(2) 내에 구성 및/또는 위치될 수 있게 하는 직조 시스템과 같은 복수의 공급기 또는 직조기에 의해 구성되거나 이를 포함할 수 있다.
또한, 도 2에는 전체 적층 제조 디바이스(100)가 개략적으로만 도시된 가열 수단(40)을 포함할 수 있다는 것이 도시되어 있다.
이러한 가열 "도구"를 이용하여, 세라믹 분말 베드는, 예를 들어 1500℃ 초과의 온도로 예열될 수 있다. 바람직하게는, 상기 수단은 분말 모재(2)를 2000℃ 초과의 온도로 가열 또는 예열할 수 있다. 이는 최종 CMC에서 파열 및/또는 응력의 방지를 위해 특히 바람직하고 및/또는 편리하다.
상기 가열 수단(40)은, 예를 들어 에너지 빔 또는 1 ㎛ 또는 10 ㎛ 파장의 CO2-레이저에 의해 구성될 수 있다. 상기 레이저는 상당한 고출력일 수 있으며, 가능하게는, 분말 베드의 모재를 균일하게 가열하기 위해 초점이 흐려진 또는 넓은 레이저 스폿을 포함할 수 있다. 언급된 가열은 예열, 즉 에너지 빔(6)에 의한 실제 조사 이전의 가열 또는 CMC의 적층 축적에 따른 가열 프로세스에 관한 것일 수 있다. 대안적으로, 가열 수단(40)은 Nd:YAG-레이저와 같은 임의의 다른 유형의 편리한 레이저 또는 심지어는 유도 가열 수단에 의해 구성될 수 있다. 예열을 위한 유도 가열 수단을 적용할 때, 전체 분말 베드 둘레에 코일 구성을 제공할 필요가 있을 수도 있다.
도 3은 도 2와 비교하여 조사 디바이스(20)의 대안 실시예를 도시한다. 대조적으로, 조사 디바이스는 모재(2)를 조사 및 고화시키기 위해 레이저 바아 또는 레이저 다이오드 바아에 의해 제공되거나 구성될 수 있다. 상기 바아는 개략적으로만 나타나 있다. 바아(20) 위의 이중 화살표는 각각의 바아가 X- 및 Y-방향(분말 베드의 표면에 평행한 측방향)으로 분말 베드 위에서 편리하게 이동 가능하다는 것을 나타낼 수 있다. 도 2에 도시된 바와 조사 장치와 달리, 바아 장치(20)는 바람직하게는 언급된 거리(A1)보다 상당히 작은 매우 가까운 거리(A2)에서 분말 베드 위에서 안내되거나 안내될 수 있다. 거리(A2)는 1 또는 3 mm에 불과할 수 있다. 그러한 작은 거리라도, 앞서 설명한 바와 같이, 이에 따라 구성된 배치 장치(30)에 의한 섬유(3)의 신뢰성 있고 편리한 배치를 허용할 수 있다.
본원에 설명된 바와 같은 섬유(3)는 필라멘트형 섬유 또는 층형 섬유와 같은 임의의 다른 섬유일 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 설명된 배치 장치(30)에 대한 대안으로서, 본 발명은 물론 구성요소(10)가 제조될 축적 공간(BS)에 섬유(3)가 미리-위치 결정되거나 미리-배치된다는 점에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 섬유(3)는 나중에 고화된 매트릭스 층 내에 적절히 배치되는 방식으로 축적 공간(BS)에서 클램핑되거나 걸쳐 있을 수 있다.
도 4는 설명된 바와 같이 모재(2)의 분말 베드 내에 배치되는 단면 또는 필라멘트형 섬유(3) 또는 경우에 따라 섬유 와이어를 나타낸다. 바람직하게는, 단일 층(4)의 두께(D2)만이 도시되어 있다. 섬유(3)는 층 두께(D2)의 대략 절반에 달하는 두께 또는 직경(D1)을 갖는다. SLM 프로세스에서 통상적인 층 두께는 20 내지 40 ㎛에 달하므로, 섬유의 직경 또는 두께(D1)는, 예를 들어 10 내지 20 ㎛, 예를 들어 13 ㎛에 달할 수 있다. 섬유의 직경(D1)은 물론 100 ㎛ 이상에 달할 수도 있다.
이러한 크기 관계는, 구성요소(10)가 설명된 실시예의 복수의 층에 의해 제조되는 경우, 섬유에 의한 CMC의 편리한 강화 또는 보강을 허용할 수 있기 때문에, 특히 유리할 수 있다. 동시에, - 조사 파라미터의 변동에 의해 -, 조사 동안 에너지 빔(6)에 노출될 때 섬유(3)가 완전히 재용융되거나 손상되지 않는 것이 달성될 수 있다.
두께(D1)는 물론 두께(D2)의 절반 미만에 달할 수도 있다. 그러나, 바람직하게는, 두께 또는 직경(D1)은 두께(D2)의 절반을 초과한다.
단일 모재 입자는 또한 도 4에 개략적으로 도시되어 있다. 이들 입자는 분말 베드층 내에서 섬유(3)를 둘러싼다. 도 4의 표시와 달리, 섬유는 물론 층(4) 내에 배치되거나 센터링될 수도 있다. 모재(2)의 입자의 직경은 섬유(3)의 두께(D1)보다 작고, 바람직하게는 2 내지 10 배, 더 바람직하게는 5 내지 10 배 작다. 이에 의해, 통상의 조사 모드에 따라 레이저 빔(6)으로 조사하는 동안 어떻든 섬유(3)보다 낮은 온도에서 입자가 용융되는 것이 달성될 수 있다. 이는 섬유 및 모재의 재료들이 동일하더라도, 섬유(3)와 비교하여 분말 입자의 용융점이 감소되게 하는 "크기 효과" 때문일 수 있다.
또한, 도 4에는 섬유(3)가 코팅 재료(7)의 코팅으로 코팅(섬유의 점선 둘레를 참조)된 것으로 도시되어 있다. 이 코팅은 섬유와 매트릭스 사이에 결합된 접착제가 최종적으로 달성될 수 있게 하는 임의의 세라믹 또는 결합제 재료일 수 있다. 바람직하게는, 코팅은 산화 코팅일 수 있다. 또한, 바람직하게는, 코팅은 레이저 빔으로 조사하는 동안 재용융된다. 이에 의해, 언급된 결합이 용이해질 수 있다. 추가로 또는 대안적으로, 코팅(7)은 조사 동안 희생되거나 증발될 수 있는 임의의 재료일 수 있다.
도 5는 단면으로 섬유(3)의 대안 실시예, 특히 타원 또는 층별 형상을 갖는 섬유를 도시한다. 그러한 섬유 실시예는, 그러한 섬유가 조사 동안 매트릭스 재료에 (전체적으로) 거의 접착식으로 결합되지 않을 수 있기 때문에, 섬유가 어떻든 축적 공간에 미리-배치될 것으로 예상되는 경우에 특히 바람직하다.
도 6은, 도 2 및 도 3에 의해 이미 부분적으로 설명된 바와 같이, 적층 수단에 의해 언급된 매트릭스(5)에 설명된 섬유를 접착식으로 결합시킴으로써 CMC를 인-시튜 형성하는 프로세스를 또한 도시한다.
도 4와 유사하게, 도 6은 모재(2)의 분말 베드 내에 배치되는 섬유의 단면을 도시한다. 바람직하게는, 단일 층(4)만이 대표적으로 도시되어 있다. 섬유(3)는 상기 층의 중간에 대략 배치된다.
조사 모드는 다음과 같이 설명될 수 있다:
에너지 빔(6)은, 예를 들어 분말 베드 영역, 즉 - 예를 들어 분말 베드 상의 평면도에서 관찰했을 때 - 각각의 섬유(3)가 배치되는 접촉 영역(CR)을 향해 섬유가 배치되지 않는, 모재(2)의 층의 영역 위에서 분말 베드에 평행하게, 예를 들어 X- 또는 Y-방향(도 6의 상부 부분에서의 화살표 참조)으로 측방향으로 안내될 수 있다. 도 6의 평행한 수직 점선은 설명된 접촉 영역(CR)의 예시적인 한계를 규정한다. 따라서, 접촉 영역(CR)은 도시된 바와 같이 섬유(3)의 실제 물리적 치수로부터 벗어날 수 있다.
분말 베드 영역(PR), 즉 분말 베드 상의 평면도에서 관찰된 층 영역으로부터 접촉 영역(CR)으로의 천이에서 또는 그 천이로부터 비롯되어, 조사 모드는 예를 들어 섬유가 에너지 빔에 의해 완전히 용융될 때에 열 충격에 의해 섬유의 기계적 특성이 파괴되지 않도록 변경될 수 있다.
설명된 바와 같이 조사 모드의 전환을 용이하게 하는 많은 방법이 있다. 예를 들어, 가장 용이한 방법은 레이저 빔이 통과할 때 섬유가 용융되기 쉽다면 레이저 출력을 감소시키는 것일 수 있다. 예를 들어, 모재 입자와 섬유의 용융점이 동일하면, 그러한 조사 출력의 감소가 유리할 수 있다.
바람직하게는, 조사 모드는 분말 베드 영역(PR)으로부터 접촉 영역(CR)으로 통과할 때 연속 조사에서 펄스 조사로 전환될 수 있다. 이는 도 6에서 분말 베드 영역(PR)에 레이저 출력(P2)보다 큰 레이저 출력(P1)이 표시되어 있다는 점에서 나타나 있다.
따라서, 분말 베드 영역(PR)에서, 조사는 연속파 모드에서 편리하게 수행되고, 접촉 영역(CR)에서, 조사는 맞춤형 펄스 모드와 같은 펄스 모드에서 편리하게 수행되고, 예를 들어, 출력, 출력 밀도, 주파수, 펄스 지속 시간, 반복 속도 및 펄스 형상으로부터 선택된 조사 파라미터는 원하는 용융 결과, 즉 상황에 따라 조정되며, 섬유(3)는 섬유(3)가 (오직) 부분적으로 재용융된다는 점에서 고화된 분말 또는 모재(2)에 편리하게 접합된다. 즉, 섬유(3)가 배치되는 접촉 영역에서, 설명된 바와 같이 섬유(3)의 편리한 접합 또는 접착을 허용하기 위해, 에너지 빔의 에너지, 출력 또는 출력 밀도는 매우 정확하게 주입되거나 충전되고, (분말 베드 영역(PR)에서의 조사와 비교하여) 편리하게 감소된다.
본 발명에 따르면, 용이하게 제조되는 또는 제조된 대로 세라믹 매트릭스 복합 재료는, 예를 들어 층별 축적 또는 제조 후에 또는 도중에 예를 들어 열간 등압 프레싱 및/또는 후-침윤 단계에 의해 구조적으로 또는 열적으로 후처리되지 않는다는 것이 규정된다. 이에 의해, 총 제조 시간의 현저하고 유리한 감소가 제공될 수 있다.
제시된 방법과 함께, 용이하게 제조되는 구성요소에는 혁신적이거나 신규한 기계적 또는 열역학적 특성이 제공될 수 있다는 점은 물론이다.
예를 들어, - 설명된 방법에 의해 제조되는 - 구성요소(10)는 98% 이상의 상대 밀도가 부여될 수 있다. 즉, 상기 구성요소의 재료는 5% 미만, 바람직하게는 2% 미만의 기공률을 포함하도록 쉽게 제조될 수 있다.
더욱이, 상기 재료는 1000 메가파스칼(MPa) 초과, 바람직하게는 1100 MPa 초과의 굽힘 강도를 갖도록 제조될 수 있다.
더 나아가, 상기 재료는 내부면 뿐만 아니라 외부면의 평균 표면 거칠기가 100 ㎛ 미만, 바람직하게는 80 ㎛ 미만, 또는 심지어는 예를 들어 70㎛ 이하가 되도록 제조될 수 있다.
물론, 큰 표면 거칠기는 특히 복잡한 금속의 적어도 부분적으로 중공인 구성요소의 내부면과 관련될 때 주요 단점을 이룬다. 이는 최신 기술의 선택적 레이저 용융 프로세스의 경우와 같이 내부 통로의 표면이 일반적으로 후처리될 수 없기 때문이다. 따라서, 주어진 범위에서 유리한 표면 거칠기를 갖는 세라믹 매트릭스 복합 재료를 본질적으로 제공하는 방법은 동시에 훨씬 우수한 진동 유체 특성을 갖는 재료를 제공한다. 언급된 양태는 터빈 블레이드의 경우와 같이 구성요소에 냉각 채널 등이 형성될 때 특히 중요하다.
실제로, 최종 구성요소가 예상되는 기계적 또는 열-기계적 부하에 따라 최적화되도록, 즉 구성요소가 예를 들어 추가의 높은 응력을 흡수 또는 저항할 수 있도록 섬유(3)가 먼저 축적 방향으로 배향되는 것(그 반대도 마찬가지임)이 바람직하다. 다시 말해서, 섬유는 - 각 층에서 - 최종 용례를 고려하여 구성요소의 최적의 기계적 저항이 달성될 수 있도록, 매트릭스 또는 모재에 대해 배치될 수 있다. 예를 들어, 터빈 블레이드 또는 베인 구성요소의 경우, 섬유는 바람직하게는 상기 블레이드의 길이방향을 따라 배치될 수 있다.
본 발명의 보호 범위는 위에서 주어진 예에 제한되지 않는다. 본 발명은 각각의 신규한 특징 및 특징들의 각각의 조합으로 구현되는데, 이러한 특징 및 특징들의 조합은, 이러한 특징 또는 이러한 특징들의 조합이 청구항 또는 예에서 명시적으로 언급되지 않더라도, 특히 청구항에 언급된 임의의 특징들의 모든 조합을 포함한다.

Claims (17)

  1. 세라믹 매트릭스 복합 재료(10)를 적층 제조하는 방법이며:
    - 세라믹 섬유(3) 및 세라믹 매트릭스 복합 재료를 위한 분말 모재(2)를 제공하는 단계;
    - 모재(2)에 의해 형성된 분말 베드를 미리 결정된 기하학적 형태에 따라 에너지 빔(6)으로 조사함으로써 세라믹 매트릭스 복합 재료를 위한 세라믹 매트릭스 재료(5)를 층별로 축적하는 단계
    를 포함하고, 모재(2)는, 에너지 빔(6)의 파라미터가, 세라믹 섬유(3)와 분말 베드의 접촉 영역(CR)에서, 세라믹 섬유(3)가 부분적으로만 재용융되도록 국부적으로 선택된다는 점에서, 재용융되고, 고화되며 세라믹 섬유(3)에 접착식으로 결합되는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 섬유(3)는 조사 전에 적층 제조를 위한 축적 공간(BS) 내에 미리-위치 결정되는, 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 섬유(3)는 이동 가능한 장치에 의해 적층 제조 동안 분말 베드에 배치되는, 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 섬유(3)의 두께(D1)는 층별 축적을 위한 모재(2)의 층 두께(D2, 4)의 절반보다 큰 두께에 달하는, 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모재(2)의 입자의 직경은 상기 섬유(3)의 두께(D1)보다 5 내지 10 배 작은, 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 분말 베드 영역(PR)으로부터 접촉 영역(CR)으로의 천이에서 에너지 빔(6)에 의한 조사 모드는 섬유(3)의 재료가 부분적으로만 재용융되도록 변화되는 것인, 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 분말 베드 영역(PR)에서, 에너지 빔(6)에 의한 조사는 연속파 모드로 수행되고, 상기 접촉 영역(CR)에서, 에너지 빔(6)에 의한 조사는 펄스 모드로 수행되며, 출력, 펄스 지속 시간, 반복 속도 및 펄스 형상으로부터 선택된 조사 파라미터 중 적어도 하나가 조정되는, 방법.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 에너지 빔(6)의 출력 또는 출력 밀도는 분말 베드 영역(PR)으로부터 접촉 영역(CR)으로의 천이에서 감소되는, 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 섬유(3)는 필라멘트 형상을 가지며 상기 섬유(3)의 직경(D1)은, 예를 들어 산화 코팅에 의해 층별 축적 전에 증가되고, 각각의 코팅 재료(7)는 조사 동안 재용융되는, 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 섬유(3) 및 모재(2)는 재료 계통 C/C, SiC/SiC, Al2O3/Al2O3, ZrO2/ZrO2 또는 멀라이트/멀라이트와 같은 유사한 세라믹 재료로 구성되거나 이를 포함하는 방법.
  11. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 섬유(3) 및 모재(2)는 재료 계통 C/SiC, Al2O3/ZrO2와 같은 이종 세라믹 재료로 구성되거나 이를 포함하는, 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분말 베드는 파열 및/또는 응력의 방지를 위해, 예를 들어 CO2- 또는 Nd:YAG-레이저와 같은 레이저, 전자 빔, 또는 유도 가열 수단에 의해 1500℃ 초과의 온도로 예열되는, 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 세라믹 매트릭스 복합 재료는, 예를 들어 층별 축적 후에 열간 등압 프레싱 및/또는 후-침윤에 의해 구조적으로 후처리되지 않는, 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 제조되거나 제조될 수 있는 구성요소이며, 95% 이상의 밀도를 더 포함하는, 구성요소.
  15. 제14항에 있어서, 1000 MPa 초과의 굽힘 강도를 갖는 재료를 포함하는, 구성요소.
  16. 제14항 또는 제15항에 있어서, 70 ㎛ 미만의 평균 표면 거칠기를 갖는 재료를 포함하는, 구성요소.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 분말 베드 내로 섬유(3)를 배치하도록 구성되는 적층 제조 장치이며, 상기 장치는 또한 조사 장치(20)와 별도로 이동 가능한, 장치.
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