KR20200101984A - 분말 기반 적층 가공을 이용한 벌크 금속 유리 복합 재료의 제조 - Google Patents

분말 기반 적층 가공을 이용한 벌크 금속 유리 복합 재료의 제조 Download PDF

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KR20200101984A
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Abstract

본 발명은 벌크 금속 유리 복합 재료(bulk metallic glass composite material)의 제조 방법에 관한 것이다. 벌크 금속 유리 복합 재료는 적어도 2개의 상을 포함하며, 여기서 제1 상은 벌크 금속 유리이고, 적어도 하나의 다른 상은 결정성 금속, 금속 유리, 비금속 유리 및 세라믹으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 본 발명은 제조가 분말 기반 적층 가공 공정(powder-based additive manufacturing process)을 사용하여 수행되는 것을 특징으로 한다.

Description

분말 기반 적층 가공을 이용한 벌크 금속 유리 복합 재료의 제조
본 발명은 분말 기반 적층 가공 공정(powder-based additive manufacturing process)을 통해 벌크 금속 유리 복합 재료(bulk metallic glass composite material)를 제조하기 위한 방법, 및 이러한 방법에 의해 제조된 벌크 금속 유리 복합 재료에 관한 것이다. 본 발명은 또한 본 발명에 따른 복합 재료로 제조된 3차원 부품에 관한 것이다.
약 50년 전에 캘리포니아 공과 대학(California Institute of Technology)에서 발견된 이후로, 금속 유리는 광범위한 연구 대상이 되었다. 수 년에 걸쳐, 이러한 재료 등급의 가공성과 특성이 지속적으로 개선되었다. 최초의 금속 유리는 그 제조가 초당 106 Kelvin (K/s) 범위의 냉각 속도를 요구하는, 아직 단순한 이원(2개의 성분으로 구성된) 합금이었고, 보다 새롭고 복잡한 합금은 몇 K/s 범위의 훨씬 낮은 냉각 속도에서 이미 유리 상태로 전환될 수 있다. 이는 공정 가이드 및 구현 가능한 부품에 상당한 영향을 준다. 용융체의 결정화가 발생하지 않고 용융체가 유리로서 고화되기 시작하는 냉각 속도는 임계 냉각 속도로 지칭된다. 이는 용융체의 조성에 크게 의존하는 시스템 고유 변수이고, 이러한 변수는 또한 달성 가능한 최대 부품 두께를 결정한다. 용융체에 저장된 열 에너지가 시스템에 의해 충분히 빠르게 방출되어야 한다는 점을 생각하면, 임계 냉각 속도가 높은 시스템에서는 단지 두께가 작은 부품만이 제조될 수 있다는 것이 분명해진다. 따라서, 금속 유리는 초기에 주로 용융 방사 공정(melt spinning)에 따라 제조되었다. 여기서 용융체는 회전하는 구리 휠 상으로 벗겨지고, 100분의 몇 내지 10분의 몇 밀리미터 범위의 두께를 가진 얇은 스트립 또는 포일 형태의 유리 형태로 응고된다. 임계 냉각 속도가 현저히 낮은 새롭고 복잡한 합금을 개발함으로써, 다른 제조 공정이 점점 더 많이 사용될 수 있다. 오늘날의 유리 성형 금속 합금은 냉각된 구리 몰드 내로 용융체가 주조됨으로써 유리 상태로 전환될 수 있다. 구현 가능한 부품 두께는 여기서 합금에 따라 수 밀리미터 내지 수 센티미터의 범위에 있다. 이러한 유형의 합금은 금속 벌크 유리(Bulk Metallic Glasses)(BMG)로 지칭된다. 오늘날 다수의 이러한 합금 시스템이 공지되어 있다. 이들은 일반적으로 조성에 따라 세분화되며, 여기서 중량비가 가장 높은 합금 원소는 기본 원소로 지칭된다. 기존 시스템은, 예를 들어 금, 백금 및 팔라듐 기반 벌크 금속 유리와 같은 귀금속 기반 합금, 예를 들어 티타늄 또는 지르코늄 기반 벌크 금속 유리와 같은 앞 전이 금속(early transition metal) 기반 합금, 구리, 니켈 또는 철을 기반으로 한 후 전이 금속(late transition metal) 기반 시스템뿐만 아니라, 네오디뮴 또는 테르븀과 같은 희토류를 기반으로 한 시스템도 또한 포함한다.
벌크 금속 유리는 전형적인 결정성 금속과 비교하여 일반적으로 다음과 같은 특성을 포함한다:
- 더 높은 비강도 - 이는 예를 들어 더 얇은 벽 두께를 가능하게 함 -,
- 더 높은 경도 - 이를 통해, 표면이 특히 긁힘 방지가 될 수 있음 -,
- 훨씬 높은 신축성 및 탄력성,
- 열가소성 성형성 및
- 더 높은 내식성.
벌크 금속 유리는 적용에 따라, 단점들도 또한 포함할 수 있다.
예를 들어 벌크 금속 유리는 인장 응력이 가해지면, 종종 부서지기 쉽고, 치명적인 재료 파손을 보인다. 따라서, 벌크 금속 유리의 구체적 재료 적용 분야들은 개별 모놀리식 벌크 금속 유리가 충족시킬 수 없거나, 또는 단지 부분적으로만 충족시킬 수 있는 요구 사항을 종종 포함한다.
다른 재료 구성 요소와 함께 벌크 금속 유리를 함유하는 복합 재료가 여기서 도움이 될 수 있다. 2개 이상의 출발 물질을 조합하여 복합 재료를 형성함으로써, 출발 물질들의 특성 프로파일이 하나의 재료로 조합될 수 있다. 결과적으로, 복합 재료는 단일 재료의 특성과는 상당히 상이한 특성 프로파일을 갖는다. 따라서, 복합 재료는 전기적, 자기적, 열적, 기계적 또는 다른 특성이 각각의 요구 사항에 구체적으로 적응될 수 있게 한다.
벌크 금속 유리로 부품을 제조하기 위한 종래의 방법은 주조 공정이다. 이러한 주조 공정은 부분적으로 벌크 금속 유리 복합 재료에도 또한 사용된다. 종래 기술로부터, 벌크 금속 유리 복합 재료가 제조될 수 있는 다양한 방법이 공지되어 있다. 여기에는 특히 침전 공정, 다양한 주조 공정, 강소성 가공(Severe plastic deformation)(SPD) 및 열간 등방압 가압법(hot isostatic pressing)(HIP)이 포함된다.
침전 공정은 예를 들어 Scientific Reports 3:2097 (DOI:10.1038/srep02097)로부터 공지되어 있다. 여기서, 금속성 유리 매트릭스로부터 산소를 제거하고 결합시키기 위해, 용융체로부터의 지르콘 침전이 설명된다. 용융체로부터 냉각될 때 벌크 금속 유리 매트릭스에 수지상 침전물을 형성하는 다양한 합금이 Journal of Materials Volume 2013, Article ID 517904, (제목: 벌크 금속 유리 및 그 합성물: 발산 분야의 간략한 역사(Bulk Metallic Glasses and Their Composites: A Brief History of Diverging Fields))로부터 공지되어 있다.
다양한 벌크 금속 유리 복합 재료는 사이언스(Science) 329호, 5997권, 2010, 1294-1295쪽으로부터 공지되어 있고, 이러한 벌크 금속 유리 복합 재료는 수지상 구조를 포함하고, 용융 주조에 의해 제조된다. "벌크 금속 유리 복합 재료"라는 제목의 박사 논문(ETH Zuerich, 2007, https://doi.org/10.3929/ethz-a-005348591)에서, 흑연 입자에 의해 강화된 벌크 금속 유리 복합재가 공지되어 있다. 여기서, 시판되는 Vitralloy 105 합금이 매트릭스로서 사용된다. 벌크 금속 유리 및 비금속 성분을 포함하는 복합 재료도 또한 CN101967613B호로부터 공지되어 있다.
Scientific Reports, 7: 6651(DOI:10.1038/s41598-017-06424-4)는 고압 비틀림(high-pressure torsion)(HPT)을 통해 제조되는 벌크 금속 유리 복합 재료를 개시하고 있다. HPT는 분말 혼합물이 매우 높은 전단력에 노출되고, 이에 의해 분말 입자가 서로 결합되는 공정이다. HPT 공정은 SPD 공정으로도 또한 언급된다. 지르콘 기반 벌크 금속 유리 및 결정성 구리 입자의 분말로부터 시작하여, HPT에 의해 벌크 금속 유리 복합 재료가 생성된다. 이러한 방식으로, 각각의 상의 크기가 마이크로 내지 나노미터 범위로 변화될 수 있는 비정질/결정성 복합 재료를 제조할 수 있는 것이 설명된다. 장방형 형상 및 100 ㎛의 전단 방향을 따른 범위 및 전단 방향에 직교하는 10 ㎛의 폭을 갖는 금속성 유리 상이 관찰된다.
US7361239B2호는 금속성 유리를 결정성 내열성 금속 텅스텐과 결합시키는 벌크 금속 유리 복합 재료를 개시하고 있다. 금속 분말의 열간 등방압 가압법(hot isostatic pressing)(HIP)이 제조를 위해 사용된다.
종래 기술은 복수의 단점을 갖는다. 침전 방법은, 예를 들어 잔류 용융체의 유리 형성 기능이 후속적으로 비정질 매트릭스의 형성으로 더 이상 이어지지 않도록 감소되지 않으면서, 1차 상의 침전이 이루어지도록 하는 합금의 적응을 필요로 한다. 이를 통해, 이러한 공정에서는 부품의 제조를 위한 재료 선택이 매우 제한적이다. 이 경우, 부품의 달성 가능한 기하학적 형상은 유리 형성 기능 및 예를 들어 냉경 주조 공정에서의 냉각 속도와 같은 종래의 제조 공정에서의 제한에 의해 한계가 있다.
주조 방법에서는 추가의 상이 유리를 형성하는 상보다 명백히 더 높은 융점 또는 더 작은 용해도를 갖는 조합만이 구현될 수 있는데, 왜냐하면 그렇지 않으면 추가의 상이 유리를 형성하는 상의 용융체에 용해될 것이기 때문이다. 이는 유리를 형성하는 상의 특성에 바람직하지 않은 변화를 야기하거나 또는 심지어 유리를 형성하는 상의 유리 형성 특성이 완전히 상실된다는 사실로 이어질 수 있다. 따라서, 벌크 금속 유리 복합 재료의 제조 공정은 용융 온도가 서로 크게 상이한 다른 재료 조합으로 제한된다.
열간 등방압 가압법은 다른 야금 공정, 예를 들어 흡입 주조 또는 다이 캐스팅으로 달성될 수 있는 것보다 훨씬 더 넓은 부품 공차를 허용하는 부품에만 적합하다는 단점을 갖는다. 완성된 부품의 치수를 정확하게 설정하는 것은 전혀 가능하지 않거나, 또는 매우 큰 노력으로만 가능하다. 또한, 한 피스로부터 복잡한 기하학적 형상을 가진 3D 오브젝트를 제조할 수는 없는데, 예를 들어 언더컷 및 공동이 있는 부품은 더 이상, 부품 또는 몰드를 손상시키지 않고는, 압축 몰드로부터 제거될 수 없기 때문이다.
본 발명의 과제는 종래 기술의 하나 이상의 단점을 극복하는 벌크 금속 유리 복합 재료를 제조하기 위한 개선된 방법을 제공하는 것이다.
특히, 등방성 기계적 특성을 포함하는 벌크 금속 유리 복합 재료를 제공하는 것이 본 발명의 과제이다.
다른 바람직한 과제는, 넓은 범위에 걸쳐 설정될 수 있는 기계적 특성을 포함하는 벌크 금속 유리 복합 재료의 제조 방법을 제공하는 것이다.
다른 바람직한 과제는, 3차원 부품을 벌크 금속 유리 복합 재료로 제조할 수 있게 하는 방법을 제공하는 것이며, 여기서 부품은 복잡한 기하학적 형상을 포함한다. 복잡한 부품 기하학적 형상은 특히 다음의 특성들 중 적어도 하나를 포함하는 구조일 수 있다:
- 언더컷 또는 내부 공동
- 종횡비(예를 들어 길이 대 직경, 길이 대 폭, 길이 대 두께)가 큰 기하학적 형상
- 통합된 채널 또는 부시를 갖는 부품 및
- 네트워크 또는 격자 구조, 특히 침투 네트워크.
또한, 제조될 수 있는 최대 주조 두께보다 큰 치수를 포함하는 3차원 부품이 제조될 수 있는 방법을 제공하는 것이 본 발명의 과제이다. 최대 주조 두께는 무엇보다도 재료의 임계 냉각 속도로부터 발생된다. 임계 냉각 속도의 미만이 되면, 유리를 형성하는 합금이 부분적으로 또는 완전히 결정화될 수 있다.
예를 들어 크로스빔과 같은 높은 종횡비를 갖는 구조는 강하게 냉각된 금속 용융체의 유동성으로 인해, 기존의 냉경 주조(예를 들어 압력 또는 흡입 주조)을 통해서는 제조될 수 없는데, 왜냐하면 용융체의 유리 형성에 필요한 빠른 응고로 인해 점도가 크게 증가하기 때문이다. 점도가 증가하여 용융체가 좁은 채널 내로는 흐를 수 없게 된다.
또한, 바람직한 과제는 벌크 금속 유리 복합 재료를 제공하는 것이고, 여기서 재료는 등방성 기계적 특성을 포함한다. 등방성 재료 특성은 국부적 기계적 특성이 보다 예측 가능하기 때문에, 3차원 부품의 구조를 용이하게 할 수 있다.
다른 바람직한 과제는 벌크 금속 유리 복합 재료를 함유하는 3차원 부품을 제공하는 것이며, 여기서 벌크 금속 유리 복합 재료는 적어도 2개의 상을 포함하고, 이들의 융점들은 200 ℃ 이하, 특히 150 ℃ 이하만큼 서로 차이가 있다.
언급된 과제 중 적어도 하나는 벌크 금속 유리 복합 재료를 제조하기 위한 방법에 의해 달성되고, 여기서 벌크 금속 유리 복합 재료는 적어도 2개의 상을 포함하고, 제1 상은 벌크 금속 유리이고, 적어도 하나의 다른 상은 결정성 금속, 금속 유리, 비금속 유리 및 세라믹으로 이루어진 그룹으로부터 선택되고, 그 제조는 분말 기반 적층 가공 공정을 통해 수행되는 것을 특징으로 한다.
복합 재료는 복합체 재료로도 또한 지칭되고, 서로 결합된 2개 이상의 재료 성분으로 이루어진 재료이며, 복합 재료는 그 단일 성분들과는 상이한 재료 특성을 갖는다. 본 발명의 맥락에서, 복합 재료의 결합된 재료들은 상으로도 또한 지칭된다. 상은 재료의 특정 물리적 파라미터와 화학적 조성이 균일한 재료 시스템의 공간적 영역이다.
벌크 금속 유리 복합 재료는 제1 상 및 적어도 하나의 다른 상을 포함한다. 제1 상은 벌크 금속 유리를 포함하거나 또는 벌크 금속 유리로 이루어진다. 특히, 제1 상은 연속적인 상, 즉 인접한 상이며, 이러한 경우 매트릭스로도 또한 지칭될 수 있다. 연속적인 제1 상에서, 다른 상은 분산될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 벌크 금속 유리 복합 재료의 제1 상은 또한 불연속적으로 존재할 수 있으며, 즉 복수의 분리된 영역으로 분리될 수 있다.
벌크 금속 유리는 금속성 결합 특성을 포함하며 동시에 비정질, 즉 비결정성 상을 포함하는 합금으로 이해될 수 있다. 벌크 금속 유리는 상이한 요소들에 기반할 수 있다. 이와 관련하여 "기반"이라 함은, 각각 언급된 요소가 합금의 중량을 기준으로 가장 큰 비율을 나타내는 것을 의미한다. 바람직하게는 합금의 기초를 형성하는 전형적인 성분은 다음으로부터 선택될 수 있다:
A. 주기율표의 II 족 및 IIA 족 금속, 예를 들어 마그네슘, 칼슘,
B. 주기율표의 IIIA 족 및 IVA 족 금속, 예를 들어 알루미늄 또는 갈륨,
C. 주기율표의 IVB 족 내지 VIIIB 족 앞 전이 금속, 예를 들어 티타늄, 지르콘, 하프늄, 니오브, 탄탈륨, 크롬, 몰리브덴, 망간,
D. 주기율표의 VIIIB, IB, IIB 족 후 전이 금속, 예를 들어 철, 코발트, 니켈, 구리, 팔라듐, 백금, 금, 은, 아연,
E. 희토류 금속, 예를 들어 스칸듐, 이트륨, 테르븀, 란타넘, 세륨, 네오디뮴, 가돌리늄, 및
F. 비금속, 예를 들어 붕소, 탄소, 인, 실리콘, 게르마늄, 황.
벌크 금속 유리의 바람직한 원소 조합은 다음으로부터 선택된다:
·후 전이 금속 및 비금속 - 후 전이 금속은 예를 들어 Ni-P, Pd-Si, Au-Si-Ge, Pd-Ni-Cu-P, Fe-Cr-Mo-P-C-B와 같은 기초를 형성함 -
·앞 및 후 전이 금속 - 2개의 금속은 예를 들어 Zr-Cu, Zr-Ni, Ti-Ni, Zr-Cu-Ni-Al, Zr-Ti-Cu-Ni-Be와 같은 기초를 형성할 수 있음 -
·희토류 금속을 갖는 B족 금속 - 금속 B는 예를 들어 Al-La, AI-Ce, Al-La-Ni-Co, La-(Al/Ga)-Cu-Ni와 같은 기초를 형성함 -
·후 전이 금속을 갖는 A족 금속 - 금속 A는 예를 들어 Mg-Cu, Ca-Mg-Zn, Ca-Mg-Cu와 같은 기초를 형성함 -.
벌크 금속 유리를 형성하는 합금에 대한 특히 바람직한 다른 예는 Ni-Nb-Sn, Co-Fe-Ta-B, Ca-Mg-Ag-Cu, Co-Fe-B-Si-Nb, Fe-Ga-(Cr,Mo)(P,C,B), Ti-Ni-Cu-Sn, Fe-Co-Ln-B, Co-(Al,Ga)-(P,B,Si), Fe-B-Si-Nb 및 Ni-(Nb,Ta)-Zr-Ti로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 특히, 벌크 금속 유리는 Zr-Cu-Al-Nb 합금일 수 있다. 바람직하게는, 이러한 Zr-Cu-Al-Nb 합금은 지르콘 외에도, 23.5 - 24.5 중량% 구리, 3.5 - 4.0 중량% 알루미늄, 및 1.5 - 2.0 중량% 니오브를 추가적으로 포함하고, 여기서 중량 비율은 100 중량%까지 가산된다. 후자의 합금은 Heraeus Deutschland GmbH 사의 AMZ4®라는 이름으로 시판되고 있다.
본 발명에 따르면, 벌크 금속 유리 복합 재료는 적어도 하나의 다른 상을 함유한다. 적어도 하나의 다른 상은 복수의 재료로부터 선택될 수 있다. 본 발명에 따르면, 적어도 하나의 다른 상은 결정성 금속, 벌크 금속 유리, 비금속 유리 및 세라믹으로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다. 바람직하게는, 적어도 하나의 다른 상은 제1 상의 융점보다 높은 융점을 포함한다.
결정성 금속은 재료 공학으로부터 공지된 바와 같은 전형적인 금속이다. 결정성 금속으로의 한정은 여기서 벌크 금속 유리 - 또한 비정질 금속이라고도 함 - 가 아님을 분명히 하기 위해서만 수행된다. 결정성 금속은 장거리 질서를 갖는 하나 이상의 결정성 영역을 포함하고, 열 및 전기 전도성 모두와 관련하여 금속 거동을 포함한다. 이러한 경우에, "결정성 금속"이라 함은 순수한 금속 및 금속 합금 모두인 것으로 이해되어야 한다. 본 발명에 따른 분말에서, 금속으로서 순수한 금속, 복수의 유형의 순수한 금속, 한 가지 유형의 금속 합금, 복수의 유형의 금속 합금 또는 이들의 혼합물이 포함될 수 있다. 본 발명의 맥락에서, "순수한 금속"이라는 용어는 원소의 주기율표에서 붕소와 동일한 주기에, 그러나 붕소의 왼쪽, 실리콘과 동일한 주기에, 그러나 실리콘의 왼쪽, 게르마늄과 동일한 주기에, 그러나 게르마늄의 왼쪽, 그리고 안티몬과 동일한 주기에, 그러나 안티몬의 왼쪽에 있는 기본 화학 원소, 및 55보다 더 높은 원자 번호를 포함하는 모든 원소들과 관련된다.
순수한 금속은 또한 불가피한 불순물을 포함할 수 있다. "순수한 금속"이라는 용어는 금속이 불순물을 포함하는 것을 배제하지 않는다. 바람직하게는, 불순물의 총량은 순수한 금속의 총량을 기준으로 1 중량% 이하, 특히 0.1 중량% 이하, 및 특히 매우 바람직하게는 0.01 중량% 이하이다. 특히 바람직한 실시예에서, 순수한 금속은 의도적으로 첨가된 원소를 함유하지 않는다.
바람직한 실시예에서, 순수한 금속은 귀금속일 수 있다. 특히 바람직한 실시예에서, 귀금속은 백금 금속, 금 또는 은이다. 백금 금속은 백금, 이리듐, 팔라듐, 루테늄, 로듐 및 오스뮴으로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다.
다른 바람직한 실시예에서, 순수한 금속은 내열성 금속일 수 있다. 본 발명의 맥락에서, 내열성 금속은 제4 분족(예를 들어 티타늄, 지르코늄 및 하프늄), 제5 분족(예를 들어 바나듐, 니오븀 및 탄탈륨), 및 제6 분족(예를 들어 크롬, 몰리브덴 및 텅스텐)의 원소로부터 선택될 수 있다.
다른 바람직한 실시예에서, 순수한 금속은 비철 금속 또는 철일 수 있다. 비철 금속은 카드뮴, 코발트, 구리, 니켈, 납, 주석 및 아연으로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 금속은 금속 합금일 수 있다. 본 발명에 따르면, 금속 합금은 적어도 2개의 원소의 금속 혼합물인 것으로 이해되고, 그 중 적어도 하나는 금속이다. 이러한 맥락에서, "금속성"은 관련된 요소들 사이에 금속성 결합 특성이 주로 존재한다는 것을 의미한다.
바람직한 실시예에서, 금속 합금은 귀금속 합금일 수 있다. 특히 바람직한 실시예에서, 귀금속 합금은 백금 금속, 금 및 은으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 원소를 함유한다.
귀금속 합금에서 바람직한 백금 금속은 백금, 이리듐, 팔라듐, 루테늄, 로듐 및 오스뮴으로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다. 다른 바람직한 실시예에서, 귀금속 합금은 이들 백금 금속 중 적어도 2개의 합금(예를 들어 백금-이리듐 또는 백금-로듐 합금)일 수 있다.
금속 합금은 바람직하게는 내열성 금속, 비철 금속, 철 및 이들 금속 중 적어도 2개의 조합으로부터 선택된 원소를 함유할 수 있다.
특히 바람직한 금속 합금은 또한 알루미늄 합금, 구리 합금, 니켈 기반 합금, 코발트 기반 합금, 티타늄-알루미늄 합금, 구리-주석 합금, 스테인리스강 합금, 공구 강철 합금 및 고온 응용을 위한 초합금으로부터 선택될 수 있다.
또한, 적어도 하나의 다른 상은 제1 상과 상이한 화학적 조성 및 상이한 물리적 특성을 갖는 벌크 금속 유리일 수 있다. 예를 들어 제1 상은 지르콘 기반 벌크 금속 유리일 수 있고, 적어도 하나의 다른 상은 티타늄 기반 벌크 금속 유리일 수 있다.
다른 바람직한 실시예에서, 다른 상은 비금속 유리일 수 있다. 본 발명의 맥락에서, 비금속 유리라 함은 금속 결합 특성을 포함하지 않는 무기 비정질 재료인 것으로 이해되어야 한다. 유리는 산화 유리일 수 있다. 산화 유리는 실리케이트 유리, 붕산염 유리, 인산 유리로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다. 이러한 바람직한 산화 유리의 명칭은 중량을 기준으로 어느 성분이 가장 빈번하게 발생하는지를 나타낸다. 예를 들어 규산염(SiO4 4 -)은 규산염 유리에서 가장 일반적인 성분이다. 유리의 언급된 유형의 각각은 산화물로서 추가 원소를 함유할 수 있으며, 여기서 이러한 추가 원소는 바람직하게는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 알루미늄, 붕소, 납, 아연 및 티타늄으로부터 선택될 수 있다.
본 발명의 가능한 실시예에서, 적어도 하나의 다른 상은 세라믹일 수 있다. 본 발명의 맥락에서, 세라믹이라 함은 금속 특성을 포함하지 않은 결정성 무기 재료인 것으로 이해되어야 한다. 바람직한 실시예에서, 세라믹은 천연 미네랄을 포함할 수 있다. 세라믹은 예를 들어 산화물 세라믹, 질화물 세라믹, 카바이드 세라믹 및 이들 세라믹 중 적어도 2개의 혼합 형태로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다. 산화물 세라믹은 바람직하게는 마그네슘, 칼슘, 알루미늄, 규소, 티타늄, 지르코늄 및 아연으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 원소의 산화물을 포함할 수 있다. 산화물 세라믹은 순수한 원소 산화물 또는 혼합 산화물을 포함할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 원소 산화물은 산화 마그네슘, 산화 칼슘, 산화 알루미늄, 산화 규소, 산화 티타늄, 산화 지르코늄 및 산화 아연으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 다른 바람직한 실시예에서, 혼합 산화물은 마그네슘, 칼슘, 알루미늄, 규소, 티타늄, 지르코늄 및 아연으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 2개의 원소를 함유한다. 혼합 산화물은 원소 주기율표의 제3 내지 제6 주족 원소로 이루어진 그룹으로부터 선택된 추가 원소를 선택적으로 함유할 수 있다.
본 발명에 따른 방법으로 생성된 벌크 금속 유리 복합 재료는 적어도 2개의 상을 포함하며, 여기서 제1 상은 벌크 금속 유리고, 적어도 하나의 다른 상은 결정성 금속, 벌크 금속 유리, 비금속 유리 및 세라믹으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 생성된 벌크 금속 유리 복합 재료는 또한 하나 이상의 다른 상을 포함할 수 있으며, 여기서 각각의 다른 상은 적어도 하나의 다른 상의 재료 그룹으로부터 선택된다.
필요한 적용에 따라, 제1 상 및 적어도 하나의 다른 상의 다음의 조합이 바람직할 수 있다:
1) 벌크 금속 유리와 연성 결정성 상(예를 들어 Cu, Nb, Nb-Zr)의 조합은 복합 재료의 연성을 향상시킬 수 있다.
2) 금속 유리와 강성 상(예를 들어 W, WC, SiC)의 조합은 내마모성을 향상시킬 수 있다.
3) 금속 유리와 전도성 재료(예를 들어 구리 또는 알루미늄, 및 이들 금속의 합금)의 조합은 전기 또는 열 전도성을 향상시킬 수 있다.
벌크 금속 유리 복합 재료가 제1 비정질 상을 포함한다는 증거는 예를 들어 시차 주사 열량 측정법(DSC)에 의해 제공될 수 있다. 벌크 금속 유리 복합 재료가 비정질 상을 함유하는 경우, 유리 전이에 대한 흡열 신호는 온도 증가에 따른 DSC 측정법에서 그리고 온도 증가에 따른 결정화에 대한 발열 신호에서 먼저 관찰될 수 있다. 흡열 신호는 재료, 특히 복합 재료가 열을 흡수한다는 것을 의미하고, 발열 신호는 재료, 특히 복합 재료가 열을 방출한다는 것을 의미한다. 이러한 거동은 DSC 측정법에서 제1 상의 순수한 재료에서도 또한 관찰될 수 있다. 한편, 결정성 금속은 DSC에 유리 전이 또는 결정화에 할당될 수 있는 신호를 포함하지 않는다. 비정질 상은 또한 전자 현미경(REM, TEM), 및 X-선 회절 분석법에 의해 검출될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 금속 유리는 적어도 50%까지, 특히 적어도 70%까지, 특히 매우 바람직하게는 적어도 90%까지가 비정질인 상으로 이해되어야 한다.
제1 상과 적어도 하나의 다른 상 사이의 중량비는 본 발명에 따라 추가로 제한되지 않는다. 제1 상의 비율은 바람직하게는 50 중량% 이상, 특히 70 중량% 이상, 특히 매우 바람직하게는 90 중량% 이상이다. 이를 통해, 벌크 금속 유리 복합 재료는 순수한 벌크 금속 유리의 가능한 많은 유리한 특성을 유지하는 것이 달성될 수 있다.
대안적인 실시예에서, 전체 벌크 금속 유리 복합 재료에서 제1 상의 중량 비율은 50 중량% 미만, 특히 25 중량% 미만, 특히 매우 바람직하게는 10 중량% 미만일 수 있다. 제1 상 및 적어도 하나의 다른 상의 상이한 중량 비율을 설정함으로써, 이용 가능한 벌크 금속 유리 복합 재료의 재료 특성이 목표 방식으로 설정될 수 있다.
본 발명에 따르면, 벌크 금속 유리 복합 재료는 적어도 하나의 다른 상을 함유한다. 적어도 하나의 다른 상은 연속적이거나 또는 불연속적으로 존재할 수 있다. 적어도 하나의 다른 상이 불연속적으로 존재하는 경우, 이러한 다른 상의 복수의 분리된 영역이 벌크 금속 유리로 이루어진 매트릭스에서 발견된다. 적어도 하나의 다른 상이 연속적으로 존재하는 경우, 네트워크, 특히 연속적으로 인접하는 네트워크 구조를 형성할 수 있다. 적어도 하나의 다른 상은 제1 상의 매트릭스에 미세하게 분산된 방식으로 또는 응집된 방식으로 존재할 수 있다. 이와 관련하여, 응집된 것은 적어도 하나의 다른 상의 영역이 적어도 부분적으로 서로 접촉하고 있다는 것을 의미한다.
벌크 금속 유리 복합 재료는 바람직하게는 등방성 기계적 특성을 포함할 수 있다. 등방성은 재료 특성이 방향과 무관하다는 것을 의미한다. 등방성 재료 특성은 특히 구형 또는 대략 구형 분말이 제1 상 및 적어도 하나의 다른 상을 생성하기 위해 사용되는 경우에 얻을 수 있다. 이는, 용융 온도가 서로 근접하는 분말이 또한 벌크 금속 유리 복합 재료로 가공될 수 있지만 그러나 등방성 기계적 특성이 달성되지 않는 전단 공정(SPD)에 비해 본 발명에 따른 공정의 특별한 이점이다. 이는 특히 이러한 SPD 공정에서 전단 방향으로 인한 것이다.
제1 상 및 적어도 하나의 다른 상은 서로에 대해 바람직하게는 200 ℃ 이하, 특히 150 ℃ 이하인 용융 온도들을 포함한다. 적어도 하나의 다른 상은 특히 바람직하게는 제1 상보다 높은 용융 온도를 포함한다.
바람직하게는, 벌크 금속 유리 복합 재료는 함유된 모든 고체의 이론적으로 달성 가능한 재료 밀도를 기준으로 95% 이상, 특히 97% 이상의 상대 밀도를 포함한다.
본 발명에 따르면, 벌크 금속 유리 복합 재료의 제조는 분말 기반 적층 가공 공정에 의해 수행된다. 분말 기반 적층 가공 공정의 기본 원리는 바람직하게는 적어도 다음 단계를 포함한다.
1) 먼저, 분말의 얇은 층이 생성된다.
2) 이어서, 분말 층은 고-에너지 방사선에 의해 가열되어, 분말 층의 개별 입자가 가열된 영역에서 서로 결합되고, 특히 융합되고, 이에 의해 응집성 재료 층이 획득될 수 있다.
3) 다음 단계에서, 이전에 생성된 재료 층에 다른 분말 층이 선택적으로 도포될 수 있다.
4) 단계 2)와 유사하게, 도포된 추가의 분말 층은 또한 고-에너지 방사선에 의해 가열되어, 분말의 입자가 가열된 영역에서 다른 응집성 재료 층과 결합되고, 특히 융합된다.
5) 임의의 수의 추가의 재료 층을 반복적으로 생성 및 서로에 대해 적층함으로써, 임의의 두께의 벌크 금속 유리 복합 재료가 선택적으로 획득될 수 있다.
6) 부품의 제작이 완료된 후, 재료 층의 일부가 아닌 느슨하고 가열되지 않은 분말은 부품으로부터 제거될 수 있다.
단계 1)에서, 분말의 층은 바람직하게는 구조 플레이트라고도 언급하는 베이스 플레이트 상에 도포된다. 분말 또는 분말 혼합물의 얇은 층의 층 두께는 바람직하게는 5 ㎛ 내지 500 ㎛의 범위이다. 분말 층이 도포되는 베이스 플레이트 또는 구조 챔버는 선택적으로 가열될 수 있다. 분말 층의 도포는 바람직한 방식으로는 닥터 블레이드 코팅 또는 롤링을 통해 수행된다.
단계 2)에서, 이전에 생성된 분말 층이 가열된다. 바람직하게는, 고-에너지 방사선에 의한 가열은 사전 정의된 영역에서 선택적으로 수행된다. 바람직한 실시예에서, 단일 분말 층으로부터 단일 재료 층의 생성은 이미 분말 기반 적층 가공 공정을 나타낸다. 특정 실시예에 따라, 다양한 분말 기반 적층 가공 공정이 사용될 수 있다. 분말이 레이저 방사선에 의해 가열되는 경우, 이를 선택적 레이저 용융(Selective Laser Melting)(SLM)이라고 한다. 반면, 분말이 전자 방사선에 의해 가열되는 경우, 이를 전자 빔 용융(Electron Beam Melting)(EBM)이라고 한다. EBM 공정은 바람직하게는 진공 하에 수행된다. SLM은 바람직하게는 불활성 가스 대기, 예를 들어 질소 또는 아르곤 대기 하에 수행된다. SLM 공정에 사용되는 레이저 방사선은, 본 발명에 따라 추가로 제한되지 않으며, 다양한 파장 및 전력을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 사용된 레이저 방사선은 400 nm 내지 10 ㎛ 범위, 바람직하게는 800 nm 내지 10 ㎛ 적외선 범위의 파장을 포함한다. 레이저 방사선은 펄스형이거나 또는 연속적일 수 있다. 특히 바람직하게는, 레이저 방사선은 적외선 범위의 파장을 갖는 Yb 광섬유 레이저에 의해, 예를 들어 대략 1060 nm에서 생성된다. Yb 광섬유 레이저의 주파수가 2배가 되면, 예를 들어 대략 530 nm의 파장이 사용될 수 있다. 레이저 출력은 또한 본 발명에 따라 더 제한되지 않는다. 그러나, 레이저 출력은 벌크 금속 유리의 적어도 하나의 상이 용융될 수 있도록 높은 것이 바람직하다. 분말 층의 가열은 바람직하게는 고-에너지 방사선에 의해 사전 정의된 영역에서 선택적으로 수행된다.
단계 3)에서, 제1 재료 층 상에 배치되는 추가의 분말 층이 제1 층과 유사하게 생성된다. 분말 또는 분말 혼합물의 얇은 층의 층 두께는 바람직하게는 5 ㎛ 내지 500 ㎛의 범위이다.
단계 4)에서, 추가의 선택적인 분말 층은 고-에너지 방사선에 의해 가열된다. 획득된 추가의 재료 층은 바람직하게는 그 자체로 응집성일 뿐만 아니라, 하부 재료 층에도 또한 연결된다. 추가의 분말 층의 가열은 바람직하게는 사전 정의된 영역에서 또한 선택적으로 수행된다.
추가의 재료 층의 반복적인 적층을 통해, 최대 주조 두께보다 상당히 큰 두께를 포함하는 벌크 금속 유리 복합 재료가 획득될 수 있다. 바람직하게는, 단계 2), 4)에서의 가열, 및 고-에너지 방사선에 의한 모든 추가의 선택적인 단계는 사전 정의된 영역에서 선택적으로 수행된다. 이를 통해, 복잡한 윤곽을 가진 개별 재료 층이 생성될 수 있다. 복잡한 윤곽을 가진 복수의 재료 층을 적층함으로써, 벌크 금속 유리 복합 재료로 완성된 3차원 부품이 제조될 수 있다. 재료 층을 얻기 위해 단일 분말 층이 선택적으로 가열되어야 한다는 정보는 일반적으로 컴퓨터에 의해 계산된다. 이를 위해, 제조될 부품의 가상 모델이 임의의 수의 섹션으로 분할되어, 완성된 부품에 합산된다. 사전 정의된 형상 구조에 따라 각각의 분말 층을 선택적으로 가열함으로써, 공정을 통해 바람직하게는 완성된 3차원 부품, 특히 기술 적용에서 후처리 없이 바로 사용될 수 있는 부품이 조립될 수 있다.
단계 6)에서, 느슨한 분말은 일반적인 방식으로 제거된다. 선택적으로, 획득된 재료 또는 획득된 부품은 공정의 완료 후, 예를 들어 샌드 블라스팅 또는 열간 등방압 가압법과 같은 표면 처리에 의해 후처리될 수 있다. 선택적으로, 획득된 부품은 또한 예를 들어 연삭 및 가공과 같은 절삭 공정에 의해 후처리될 수 있다.
기본적으로, 분말 기반 적층 가공 공정을 수행하기 위한 장치는 보통 유사하게 구성된다. 이러한 공정을 위해 사용될 수 있는 시스템 및 장치는 당업자에게 공지되어 있다.
분말은 바람직하게는 분말 기반 적층 가공 공정에 사용하기 위해 제1 상에 대한 전구체로서 사용된다. 분말 기반 적층 가공 공정에 사용하기 위해, 분말 또는 네트워크 구조는 적어도 하나의 다른 상에 대한 전구체로서 사용된다. 본 발명에 따른 방법에서 분말이 사용되는 경우, 이들 분말 입자의 형태는 바람직하게는 대략 구형 형상, 막대, 타원체, 섬유, 플레이크(flake), 플레이트(plate) 또는 언급된 형상의 조합을 포함할 수 있다. 대략 구형 형상이라 함은, 입자의 적어도 80%가 다음 조건을 충족하는 것을 의미하는 것으로 이해되어야 한다:
0.8 ≤ dmin/dmax ≤1.0;
여기서 dmin은 입자의 최소 직경이고, dmax는 입자의 최대 직경이다.
공정에 사용되는 분말은 다양한 방식으로 제조될 수 있다. 분말 제조를 위한 적합한 공정은 당업자에게 공지되어 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 분말은 1 ㎛ 내지 200 ㎛ 범위의 입자 크기 분포 d50를 포함한다. 분말은 바람직하게는 ≥ 10　㎛ 내지 ≥ 45　㎛ 또는 ≥ 20　㎛ 내지 ≥ 65　㎛ 범위의 입자 크기 분포를 포함하며, 여기서 값 범위의 하한값은 각각 d2 값을 나타내고, 상한값은 각각 d90 값을 나타낸다.
각각의 분말은 ISO 13320:2009에 따라 레이저 회절 입자 크기 분석에 의해 건식 분산으로서 측정될 수 있고, 체적 분포 합 곡선은 측정 데이터로부터 결정될 수 있다. ISO 9276-2:2014에 따라, 값 d2, d50 및 d90이 체적 분포 곡선으로부터 계산될 수 있다.
본 발명에 사용되는 모든 분말은 바람직하게는 분말을 닥터 블레이드에 의해 균질 층으로서 도포할 수 있도록 충분한 유동성을 포함한다.
바람직하게는, 분말 기반 적층 가공 공정은 적어도 2개의 분말의 분말 혼합물의 사용을 포함한다. 벌크 금속 유리의 적어도 하나의 제1 분말 및 적어도 하나의 다른 분말이 본 발명에 따른 방법에 바람직하게 사용된다. 본 발명의 특히 바람직한 실시예에서, 적어도 하나의 분말 및 하나 이상의 네트워크 구조의 혼합물이 또한 분말 기반 적층 가공 공정에서 사용될 수 있으며, 여기서 이러한 실시예에서 벌크 금속 유리의 적어도 하나의 분말이 사용된다. 본 발명의 맥락에서, 분말 또는 네트워크 구조는 벌크 금속 유리 복합 재료의 적어도 하나의 다른 상에 대한 전구체로서 사용될 수 있다. 사용된 네트워크의 설계 및 본 발명에 따른 방법에서의 정확한 사용에 따라, 네트워크는 벌크 금속 유리 복합 재료 또는 3차원 부품의 기계적 특성이 이방성이 될 수 있다. 복합 재료에 매립되어 있는 이러한 네트워크 구조는 복합 재료 또는 결과적인 3차원 부품에 방향 의존적 특성을 목표된 방식으로 부여하기 위해 사용될 수 있다. 분말 기반 적층 가공 공정에 사용하기 위해, 제1 상에 대한 전구체로서, 제1 상에 대해 도입부에 설명된 재료로 된 분말이 사용될 수 있다. 분말 기반 적층 가공 공정에 사용하기 위해, 적어도 하나의 다른 상에 대한 전구체로서, 적어도 하나의 다른 상에 대해 도입부에 설명된 재료로 된 분말이 사용될 수 있다.
특히 바람직한 실시예에서, 벌크 금속 유리로 된 분말 및 추가의 재료로 된 적어도 하나의 분말의 분말 혼합물이 분말 기반 적층 가공 공정에 사용되고, 여기서 적어도 하나의 다른 재료는 적어도 하나의 다른 상의 재료에 대응한다.
바람직하게는, 특히 분말 혼합물에 사용되는 분말은 고-에너지 방사선, 특히 동일한 방사선에 노출될 때 분말 기반 적층 가공 공정에 사용하기 위해 각각 상이한 용융 거동을 포함한다. 고-에너지 방사선은 전자기 방사선 또는 전자 방사선일 수 있다. 특히, 분말 기반 적층 가공 공정에 사용하기 위한 상이한 분말은 전자기 방사선에 대해 상이한 흡수 계수를 포함한다. 바람직하게는, 전자기 방사선은 적외선을 포함할 수 있다. 적외선이라 함은, 800 nm 내지 10 ㎛의 파장 범위, 예를 들어 1064 nm의 전자기 방사선인 것으로 이해되어야 한다. 전자기 방사선의 영향 하에서 상이한 용융 거동은 상이한 투과 및/또는 반사 특성에 기인할 수 있다. 대안적인 실시예에서, 고-에너지 방사선의 영향 하에서 용융 거동은 다른 물리적 특성, 예를 들어 상이한 전기 또는 열 전도성에 또한 기인할 수 있다. 전자기 방사선과 상이한 상호 작용을 갖는 분말 재료의 이러한 사용을 통해, 또는 상이한 전도성을 갖는 분말의 사용을 통해, 서로 가까운 융점들을 포함하는 재료들이 벌크 금속 유리 복합 재료를 형성하도록 가공될 수 있다. 이는, 예를 들어 벌크 금속 유리를 제조하기 위한 분말은 레이저 방사선의 영향 하에 용융될 수 있는 반면, 적어도 하나의 다른 상을 제조하기 위한 분말은 고체로 유지될 수 있다는 것을 의미한다. 분말의 가열은 바람직하게는 너무 짧고 열 소산이 너무 높아서, 바람직하게는 제1 상을 생성하기 위한 분말만이 용융되는 반면, 적어도 하나의 다른 상을 생성하기 위한 분말은 부분적으로 또는 완전히 고체로 유지될 수 있다. 특히 적어도 하나의 다른 상을 생성하기 위한 재료, 특히 분말은 제1 상의 재료의 용융체에 적어도 완전히 용해되지 않는 것이 바람직하다. 용융 온도들이 서로 근접하는 이러한 재료 조합의 예는 Heraeus Additive Manufacturing GmbH 사의 상용 합금 AMZ4 (Smp. 915 ℃) 및 구리(Smp. 1085 ℃)이다. 이러한 재료들의 용융 온도들은 단지 170 ℃만큼 차이가 있다. 주조 공정에 의해 이들 재료의 벌크 금속 유리 복합 재료를 제조하고자 시도하는 경우, 구리는 합금의 용융체에서 용융 또는 용해될 것이다.
본 발명에 따른 벌크 금속 유리 복합 재료로부터, 상이한 방식으로 3차원 부품이 제조될 수 있다. 바람직하게는, 생성된 부품은 벌크 금속 유리 복합 재료를 함유하거나 또는 이러한 재료로 이루어진다.
본 발명에 따르면, 3차원 부품은 그 기하학적 형상 및 범위가 더 제한되지 않는다. 바람직하게는, 3차원 몸체는 전이 재료 없이, 즉 한 부분으로 형성된다. 바람직한 실시예에서, 3차원 몸체는 고체이며, 즉 내재된 공동을 포함하지 않는다. 다른 바람직한 실시예에서, 3차원 몸체는 예를 들어 채널, 부싱 등과 같은 내부 공동을 포함할 수 있다.
가장 간단한 경우에, 본 발명에 따른 방법에 의해 제조될 수 있는 3차원 부품은 분말 기반 적층 가공 공정을 통해 단일 분말 층으로 생성된 단일 재료 층으로 이루어질 수 있다.
대안적인 실시예에서, 3차원 부품의 전구체는 임의의 수의 재료 층을 서로 위에 적층시킴으로써, 본 발명에 따른 벌크 금속 유리 복합 재료로 생성될 수 있다. 또한, 블랭크로도 간주될 수 있는 본 발명에 따른 벌크 금속 유리 복합 재료로 이루어진 이러한 전구체는 예를 들어 본 발명에 따른 벌크 금속 유리 복합 재료로 완성된 3차원 부품을 형성하도록, 절삭 공정(밀링 또는 절단)과 같은 공지된 제조 공정에 의해 후속적으로 가공될 수 있다. 대안적으로, 블랭크는 또한 열가소성 성형에 의해 추가적으로 가공될 수 있다.
그러나 바람직하게는, 3차원 부품을 생성하기 위해 또한 복합 재료를 생성하는 것과 병행하여 본 발명에 따른 분말 기반 적층 가공 공정을 사용할 수 있다. 즉, 각각의 재료 층을 생성할 때 결합된 재료 층이 이미 완성된 3차원 부품이 되도록 윤곽이 선택된다는 것을 의미한다.
본 발명에 따른 분말 기반 적층 가공 공정이 3차원 부품의 제조를 위해 사용되는 경우, 다른 공정에 비해 3차원 부품은 특히 복잡한 기하학적 형상을 포함하거나 또는 임계 주조 두께라고도 또한 언급되는 달성 가능한 최대 주조 두께를 초과하는 특히 큰 두께를 포함하는 벌크 금속 유리 복합 재료로 생성될 수 있다.
분말 기반 적층 가공 공정에 의해, 특히 본 발명에 따른 복합 재료의 복수의 재료 층이 조합됨으로써, 보다 복잡한 기하학적 형상이 생성될 수 있고, 여기서 각각의 재료 층은 사전 정의된 영역에서 분말 층을 선택적으로 가열함으로써 생성된다. 따라서 복잡한 윤곽을 갖는 연속적인 재료 층을 결합함으로써, 복잡한 3차원 부품이 생성될 수 있다. 일반적으로 복잡한 윤곽을 갖는 개별 재료 층은 부품의 가상 모델이 특정 개수의 섹션으로 분할됨으로써 획득되므로, 부품을 통한 각각의 개별 섹션이 재료 층으로서 제조될 수 있다.
특히, 언더컷을 포함하는 벌크 금속 유리 복합 재료로 이루어진 3차원 부품이 본 발명에 따른 방법에 의해 획득될 수 있다. 언더컷은 주조 공정에 의해 제조될 수 없거나, 또는 단지 매우 어렵게만 제조될 수 있는데, 왜냐하면 완성된 부품이 주조 몰드로부터 제거될 수 없기 때문이다. 언더컷의 단순한 예는 후크일 수 있고, 이러한 후크는 단일 피스의 주조 몰드로부터 제거될 수 없다. 예를 들어 공동을 갖는 단일 피스의 부품도 또한 본 발명에 따른 방법에 의해 가능하다. 특히, 본 발명에 따른 부품은 또한 종횡비가 높은 구조를 포함할 수 있다. 예를 들어 종횡비는 20 이상일 수 있다. 종횡비는 구조의 가장 큰 연장 방향 대 구조의 가장 작은 연장 방향의 비이다. 예를 들어 본 발명에 따른 방법에 의해, 벌크 금속 유리 복합 재료를 위한 다른 처리 방법으로는 접근할 수 없는 격자 또는 네트워크 구조가 생성될 수 있다. 예를 들어 분말 기반 적층 가공 공정을 통해 적어도 하나의 연장 방향, 특히 2개의 연장 방향으로 100 - 500 ㎛의 치수를 포함하는 벌크 금속 유리 복합 재료로 이루어진 부품이 간단한 방식으로 제조될 수 있는 반면, 다른, 특히 제3 연장 방향은 센티미터 이상의 치수를 포함할 수 있다.
분말 기반 적층 가공 공정의 특별한 이점은, 생성 가능한 부품의 크기가 최대 주조 두께로 제한되지는 않는다는 것이다. 특히, 이러한 방법은 벌크 금속 유리 복합 재료에 대해 다른 처리 방법으로는 이루어질 수 없는 부품의 유연한 구조의 가능성을 제공한다.
또한, 본 발명은 벌크 금속 유리를 함유하는 제1 상 및 적어도 하나의 다른 상을 포함하는 벌크 금속 유리 복합 재료로 된 3차원 부품에 관한 것으로서, 벌크 금속 유리 복합 재료는 등방성 기계적 특성을 포함하고, 제1 및 적어도 하나의 다른 상의 용융 온도들은 200 ℃ 이하만큼 서로 차이가 있는 것을 특징으로 한다.
원칙적으로, 본 발명에 따른 방법에 따라 제조된 벌크 금속 유리 복합 재료의 사용은 추가로 제한되지 않는다. 바람직한 실시예에서, 벌크 금속 유리 복합 재료는 당업자가 또한 벌크 금속 유리에 적합한 것으로 여기는 적용 분야에 사용될 수 있다. 벌크 금속 유리 복합 재료의 바람직한 적용 분야는 무-마모 및/또는 고강도 부품을 필요로 한다. 벌크 금속 유리 복합 재료에 대한 특히 바람직한 적용 분야는 예를 들어 기어, 스프링, 하우징, 시계 성분 및 의료 기술 응용 분야(예를 들어 보철)로부터 선택된다.
도 1은 본 발명에 따라 제조된 벌크 금속 유리 복합 재료의 DSC 측정을 도시한다.
도 2는 벌크 금속 유리 복합 재료의 현미경 사진의 광학 현미경 이미지를 도시한다. 어두운 영역은 벌크 금속 유리를 포함하는 제1 상을 나타내고, 밝은 영역은 제1 상에 분산된 금속(여기서는 구리)의 다른 상을 나타낸다.
예시적인 벌크 금속 유리 복합 재료를 제조하기 위해, 다음의 분말이 제공된다: 1) AMZ4(ZrCu-AlNb 합금, Heraeus Additive Manufacturing GmbH, 독일), 2) 구리 분말. AMZ4 분획의 입자 크기 d50는 22 ㎛이고, 구리 분말 입자 d50는 25 ㎛이다. 2개의 분말은 균일한 분말 혼합물로 가공되고, 여기서 이러한 혼합물은 90 중량% AMZ4 분말 및 10 중량% 구리 분말을 함유한다. 선택적 레이저 용융(SLM)에 의해, 분말은 층을 이루어 벌크 금속 유리 복합 재료를 형성하도록 가공된다. 이 경우, 레이저 출력은 AMZ4 합금의 분말 입자가 용융되고 구리로 된 분말 입자는 고체로 유지되도록 선택된다. 레이저 출력은 이러한 경우에 P=50 W, 스캔 속도 3000 mm/s이고, 라인 폭은 대략 45 ㎛이다. 지정된 매개 변수를 사용하여 가장자리 길이가 1 cm인 큐브가 완성된다. 다이아몬드 톱으로 큐브를 절단하고, 절단 표면이 연삭 및 연마됨으로써, 획득된 샘플로부터 연삭이 수행된다. 연삭 표면은 광학 현미경에 의해 검사된다. 결과는 도 2에서 볼 수 있다. 어두운 영역은 제1 비정질 상에 할당되고, 밝은 영역은 구리 상을 나타낸다. 또한, 획득된 벌크 금속 유리 복합 재료의 일 부분은 DSC에 의해 측정된다. 이를 위해, 다이아몬드 톱에 의해 큐브로부터 대략 50 mg의 얇은 플레이트가 절단된다. DSC 측정은 실온 내지 650 ℃의 온도 범위에서 20 K/분의 가열 속도로 수행된다. DSC 측정의 결과는 도 1에 나타난다. 알 수 있는 바와 같이, 측정은 온도가 증가함에 따라 먼저 유리 전이에 전형적인 흡열 신호를 포함하고, 이어서 이전에 비정질이었던 상의 결정화 과정에 전형적인 발열 신호를 포함한다. 이러한 측정은 비정질 상이 벌크 금속 유리 복합 재료에 존재한다는 증거로서 작용한다. 이에 비해, 결정성 금속의 DSC 측정에서는 유리 전이 또는 결정화가 검출될 수 없다.

Claims (11)

  1. 벌크 금속 유리 복합 재료(bulk metallic glass composite material)의 제조 방법으로서, 상기 벌크 금속 유리 복합 재료는 적어도 2개의 상을 포함하고, 제1 상은 벌크 금속 유리이고, 적어도 하나의 다른 상은 결정성 금속, 금속 유리, 비금속 유리 및 세라믹으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 벌크 금속 유리 복합 재료의 제조 방법에 있어서,
    상기 제조는 분말 기반 적층 가공 공정(powder-based additive manufacturing process)을 통해 수행되는 것을 특징으로 하는 벌크 금속 유리 복합 재료의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 분말 기반 적층 가공 공정을 위해, 적어도 2개의 분말의 혼합물이 사용되고, 적어도 하나의 분말은 벌크 금속 유리로 이루어지는 것을 특징으로 하는 벌크 금속 유리 복합 재료의 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 분말 기반 적층 가공 공정을 위한 상기 분말의 형태는 구형 형상, 섬유, 플레이크(flake), 플레이트(plate) 또는 이들의 조합을 포함하는 것인, 벌크 금속 유리 복합 재료의 제조 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적층 가공 공정을 위해, 벌크 금속 유리의 적어도 하나의 분말 및 결정성 금속의 적어도 하나의 분말이 사용되는 것인, 벌크 금속 유리 복합 재료의 제조 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분말 기반 적층 가공 공정은 선택적 레이저 용융(SLM) 및 전자 빔 용융(EBM)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것인, 벌크 금속 유리 복합 재료의 제조 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적층 가공 공정에 사용되는 상기 분말은 고-에너지 방사선에 노출될 때 서로에 대해 상이한 용융 거동을 포함하는 것인, 벌크 금속 유리 복합 재료의 제조 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 분말의 재료는 고-에너지 방사선에 대한 상이한 흡수 계수와 상이한 열 전도성 중 하나 이상을 포함하는 것인, 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 벌크 금속 유리 복합 재료는 등방성 기계적 특성을 포함하는 것인, 벌크 금속 유리 복합 재료의 제조 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 상 및 상기 적어도 하나의 다른 상은 200 ℃ 이하, 특히 150 ℃ 이하만큼 서로 차이가 있는 융점들을 포함하는 것인, 벌크 금속 유리 복합 재료의 제조 방법.
  10. 적어도 2개의 상을 포함하는 벌크 금속 유리 복합 재료로서, 제1 상은 벌크 금속 유리이고, 적어도 하나의 다른 상은 결정성 금속, 금속 유리, 비금속 유리 및 세라믹으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 벌크 금속 유리 복합 재료에 있어서,
    상기 벌크 금속 유리 복합 재료는 등방성 기계적 특성을 포함하며, 상기 제1 상 및 상기 적어도 하나의 다른 상의 용융 온도들은 200 ℃ 이하만큼 서로 차이가 있는 것을 특징으로 하는 벌크 금속 유리 복합 재료.
  11. 제10항에 따른 벌크 금속 유리 복합 재료로 이루어진 3차원 부품.
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