KR20220006119A

KR20220006119A - 분말용 니켈계 합금 및 분말의 제조 방법

Info

Publication number: KR20220006119A
Application number: KR1020217040663A
Authority: KR
Inventors: 크리스티나 슈미트; 안드레아스 헤크만
Original assignee: 파우데엠 메탈스 인테르나티오날 게엠베하
Priority date: 2019-07-05
Filing date: 2020-07-01
Publication date: 2022-01-14
Also published as: WO2021004579A1; DE102020116858A1; CN114080459A; US20220205066A1; BR112021021432A2; JP2022532738A; JP7311633B2; EP3994287A1

Abstract

본 발명은 분말에 관한 것으로서, 여기서 함량 (중량%로)은 하기와 같이 정의되며: C 최대 0.5%, S 최대 0.15%, 특히 최대 0.03%, N 최대 0.25%, Cr 14 - 35%, 특히 17 - 28%, Ni 나머지 (> 38%), Mn 최대 4%, Si 최대 1.5%, Mo > 0 - 22%, Ti < 4%, 특히 < 3.25%, Nb 최대 6.0%, Cu 최대 3%, 특히 최대 0.5%, Fe < 50%, P 최대 0.05%, 특히 최대 0.04%, Al 최대 3.15%, 특히 최대 2.5%, Mg 최대 0.015%, V 최대 0.6%, Zr 최대 0.12%, 특히 최대 0.1%, W 최대 4.5%, 특히 최대 3%, Co 최대 28%, B < 0.125%, O > 0.00001 - 0.1% 및 제조로 인한 불순물; 여기서, Ni + Fe + Co = 56 - 80%, Nb + Ta < 6.0%이다.

Description

분말용 니켈계 합금 및 분말의 제조 방법

본 발명은 분말용 니켈계 합금에 관한 것이다.

WO 2015/110668 A2는, 하기 방법 단계를 포함하는, 원심분리기에 의해 분무되는 철계 분말의 제조 방법을 개시한다:

- 1040℃ 초과의 융점을 갖는 합금을 제공하는 단계,

- 조성물을 용융하는 단계,

- 용융된 조성물을 원심분리기 또는 회전 분무 장치에 의해 분무하는 단계.

DE 10 2015 016 729 A는, 하기 공정 단계를 포함하는, 50% 초과의 니켈을 갖는 합금으로부터 금속 반제품을 제조하는 방법을 개시한다:

- VIM에 의해 전극을 생성하는 단계,

- 응력 감소 및 과시효(overaging)를 위해, 전극을 로(furnace)에서 10 내지 336시간의 기간 동안 400 내지 1250℃의 온도 범위에서 열 처리에 가하는 단계,

- 치수에 따른, 특히 직경에 따른 방식으로, 전극을 공기 중에서 또는 로에서 실온 내지 1250℃ 미만, 특히 900℃ 미만의 온도로 냉각시키는 단계,

- 이어서, 냉각된 전극을 3.0 내지 10 kg/min의 재용융 속도에서 VAR에 의해 재용융하여 VAR 잉곳(ingot)을 얻는 단계,

- VAR 잉곳을 로에서 10 내지 336시간의 기간 동안 400 내지 1250℃의 온도 범위에서 열 처리하는 단계,

- 치수에 따른, 특히 직경에 따른 방식으로, VAR 잉곳을 공기 중에서 또는 로에서 실온 내지 1250℃ 미만, 특히 900℃ 미만의 온도로 냉각시키는 단계,

- VAR 잉곳을 3.0 내지 10 kg/min의 재용융 속도에서 다시 한번 재용융하는 단계,

- 재용융된 VAR 잉곳을 10 내지 336시간의 기간 동안 400 내지 1250℃의 온도 범위에서 열 처리에 가하는 단계,

- 이어서, VAR 잉곳을 열간 및/또는 냉간 가공에 의해 목적하는 제품 형상 및 치수가 되게 하는 단계.

일반적으로, Ni 및 Ni-Co 합금은 내식성, 및 강도, 고온 강도 및 파괴 인성(fracture toughness)과 같은 우수한 기계적 성질 측면에서 특별한 성질을 갖는 구조 부품을 제조하기 위해 사용되는 것으로 알려져 있다.

본 발명의 기본 과제는, 성분의 적층 가공을 위해, Ni 및 Ni-Co 합금의 유리한 성질을 가지며 저렴하게 제조될 수 있는 분말을 제공하는 것이다. 또한, 상술한 분말은 열간 등방 가압 (hot isostatic pressing; HIP) 또는 종래 소결 및 압출-압착 공정에 의한 구조 부품의 제조에 사용될 수 있다. 또한, 적층 가공 및 후속 HIP 처리의 방법 조합이 가능하다. 이러한 목적을 위해, 생성적인 제작(generative fabrication)을 위한 HIP 구조 부품에 대해 하기에 기술되는 후가공 단계를 적용하는 것이 가능하다. 이에 관하여, 분말의 입자 크기, 입자 형상 및 유동성(pourability)의 분포에 적용가능한 특수 요구사항을 충족시키는 것이 중요하다.

또한, 이러한 분말의 제조 방법을 제안하는 것이 의도된다.

이 과제는 분말용 니켈계 합금에 의해 달성되며, 여기서 함량 (중량%로)은 하기와 같이 정의되고:

C 최대 0.5%

S 최대 0.15%, 특히 최대 0.03%

N 최대 0.25%

Cr 14 - 35%, 특히 17 - 28%

Ni 나머지 (> 38%)

Mn 최대 4%

Si 최대 1.5%

Mo > 0 - 22%

Ti ≤ 4%, 특히 ≤ 3.25%

Nb 최대 6.0%

Cu 최대 3%, 특히 최대 0.5%

Fe ≤ 50%

P 최대 0.05%, 특히 최대 0.04%

Al 최대 3.15%, 특히 최대 2.5%

Mg 최대 0.015%

V 최대 0.6%

Zr 최대 0.12%, 특히 최대 0.1%

W 최대 4.5%, 특히 최대 3%

Co 최대 28%

B ≤ 0.125%

O > 0.00001 - 0.1%

및 제조 관련 불순물;

여기서,

Ni + Fe + Co 56 - 80%

Nb + Ta ≤ 6.0%.

본 발명에 따른 분말 합금의 유리한 추가의 발전은 관련된 종속항으로부터 추론될 수 있다.

유리하게는, 본 발명에 따른 분말 합금은 하기 조성 (중량%로)을 갖도록 의도되며:

C 최대 0.25%

S 최대 0.03%

N > 0 - 0.15%

Cr 17 - 28%, 특히 17 - 24%

Ni 나머지 (38 -72%)

Mn 최대 2%, 특히 최대 1%

Si 최대 1.2%, 특히 ≤ 0.5%

Mo > 0 - 21, 특히 2.5 - 21%

Ti > 0 - < 3.25%

Nb > 0 - 5.5%

Cu 최대 3%, 특히 최대 0.5%

Fe > 0 - 38%

P 최대 0.04%

Al > 0 - 0.8%

Mg 최대 0.015%

V 최대 0.4%

Zr 최대 0.1%

W 최대 0.5%

Co ≤ 10%

B ≤ 0.01%

Pb 최대 0.001%, 특히 최대 0.0005%

Se 최대 0.0005%, 특히 최대 0.0003%

Bi 최대 0.00005%, 특히 최대 0.00003%

O > 0.00001 - 0.1%

Nb + Ta > 0 - 5.5%

및 제조 관련 불순물;

여기서,

Ni + Fe + Co 57 - 77%이다.

또한, 하기와 같이 특정 적용 상황을 위한 분말 합금을 조성하는 가능성이 존재하며:

C >0 - 0.1%, 특히 > 0 - 0.08%

S 최대 0.015%

N > 0 - 0.03%

Cr 17 - 24%

Ni 나머지 (> 50 - 63%)

Mn 최대 1.0%, 특히 최대 0.5%

Si 최대 0.5%

Mo 2.8 - 16.5%

Ti > 0 - 1.15%

Nb > 0 - ≤ 5.5%

Cu 최대 0.5%

Fe > 0 - 25%

P 최대 0.015%

Al 0.1 - 0.6%

Mg 최대 0.015%

V 최대 0.2%

Zr 최대 0.1%

W 최대 0.2%, 특히 > 0 - 0.2%

Co ≤ 2.5%, 특히 ≤ 1.0%

B ≤ 0.01%

Pb 최대 0.001%, 특히 최대 0.0005%

Se 최대 0.0005%, 특히 최대 0.0003%

Bi 최대 0.0005%, 특히 최대 0.0003%

O > 0.00001 - 0.1%

Nb + Ta > 0 - 5.5%

Al + Ti < 1.2%

및 제조 관련 불순물;

여기서,

Ni + Fe + Co 59 - 72%.

이 과제는 또한 본 발명에 따른 니켈계 합금으로부터 분말의 제조 방법에 의해 달성되며, 여기서

- 합금은 VIM 로에서 용융되고,

- 용융된 용융물은 균질화를 위해 5분 내지 2시간 동안 유지되고,

- 공급된 가스를 갖는 폐쇄 분무 시스템은 -10℃ 내지 120℃의 이슬점(dew point)으로 조정되고,

- 용융물은 2 m³/min 내지 150 m³/min의 가스 유량을 갖는 가스 스트림에서 노즐에 의해 취입되고,

- 고형화된 분말 입자는 기밀 밀폐 용기에 수집되며, 여기서

- 입자는 5 μm 내지 250 μm의 입자 크기를 갖고,

- 분말의 입자는 구형이고,

- 분말은 평가 대상물(evaluated objects)의 총 면적에 대해 0.0 내지 4% 기공 면적 (기공 > 1 μm)의 가스 개재물(gas inclusion)을 갖고,

- 분말은 2 내지 약 8 g/cm³인 합금의 밀도까지의 벌크 밀도(bulk density)를 갖고,

- 분말은 아르곤을 갖는 보호 가스 분위기 하에 기밀 포장된다.

본 발명에 따른 방법의 유리한 추가의 발전은 상기 방법에 따른 관련된 종속항으로부터 추론될 수 있다.

하기의 초기 제조 단계가 가능하다:

- 정의된 화학 분석을 갖는 모합금 잉곳(master alloy ingot)을, VIM 로, VIM/ESR, VIM/ESR/VAR, VIM/VAR, VOD 또는 VLF에서 용융한 다음, 재료의 순도 요구사항에 따라, 필요한 경우 ESR 및/또는 VAR에서 재용융함으로써 생성하는 단계.

- 모합금 잉곳을 톱질(sawing)에 의해 작은 조각으로 절단하는 단계,

- 모합금의 조각을 VIM 로에서 용융하는 단계,

또는

- VIM 로에서 화학 분석에 해당하는 정의된 중량의 합금 원소를 용융하는 단계,

또는

- 0 내지 100% 비(ratio)로 모합금 재료, 공정 관련 스크랩(scrap) (재활용 분말 뿐만 아니라 지지 구조물 또는 결함 구조 부품과 같은 소비자로부터의 스크랩을 포함함) 뿐만 아니라 새로운 합금 원소를 조합하는 단계 (정확한 비는 정성적, 경제적 및 생태학적 측면을 고려하여 각각의 경우에 추정된다. 모합금 잉곳이 정밀한 분석(dissection) 전에 표면의 기계가공 (예를 들어, 브러싱(brushing), 연마(grinding), 피클링(pickling), 절단, 스캘핑(scalping) 등에 의해)에 가해지는 경우 유리할 수 있다. 상기 공정에서, 추가 재용융에 의해 제거되지 않고 후속 적용에 손상을 일으킬 수 있는 결함이 제거될 수 있다. 또한, 가능한 모합금의 사용은, 이전의 재용융 공정에 의해서만 보장될 수 있는 분말의 화학적 순도에 대한 최고 품질 요구의 유지를 낳는다),

- 용융된 용융물을 균질화를 위해 5분 내지 2시간 동안 유지하는 단계.

대안적인 초기 제조 단계 후, 하기의 추가 가공 단계가 일어날 수 있다:

- 폐쇄 분무 시스템을 아르곤 가스를 사용하여 -10℃ 내지 -120℃, 바람직하게는 -30℃ 내지 -100℃ 범위의 이슬점으로 조정하고,

- 용융물을 2 m³/min 내지 150 m³/min의 가스 유량을 갖는 아르곤 스트림에서 노즐에 의해 취입하고,

- 고형화된 분말 입자를 기밀 밀폐 용기에 수집하고,

- 입자는 5 μm 내지 250 μm의 입자 크기를 가지며, 여기서 바람직한 범위는 5 내지 150 μm, 또는 10 내지 150 μm이고,

- 분말의 입자는 구형이고,

- 분말은 평가 대상물의 총 면적에 대해 0.0 내지 4% 기공 면적 (기공 > 1 μm)의 가스 개재물을 가지며, 여기서 바람직한 범위는 0.0 내지 2%이다. 분말의 가스 개재물의 양은 제조된 부품의 낮은 잔류 다공도(residual porosity)를 허용하고,

- 분말은 2 내지 약 8 g/cm³인 합금의 밀도까지의 벌크 밀도를 가지며, 여기서 바람직한 범위는 4 내지 5 g/cm³의 값을 갖고,

본 발명에 따른 분말은 바람직하게는 진공 불활성 가스 분무 시스템 (VIGA)에서 제조된다. 이 시스템에서, 합금은 진공 유도 용융로 (vacuum induction melting furnace; VIM)에서 용융되어, 가스 노즐로 이어지는 주조 게이트(casting gate) 내로 향하며, 여기서 용융 금속은 5 내지 100 bar의 고압 하에 불활성 가스로 금속 입자에 분무된다. 용융물은 용융 도가니에서 5 내지 융점 초과의 400℃로 가열된다. 분무 동안 금속 유량은 0.5 내지 80 kg/min이고, 가스 유량은 2 내지 150 m³/min이다. 급속 냉각으로 인하여, 금속 입자는 볼(ball) (구형 입자) 형태로 고형화된다. 분무에 사용되는 불활성 가스는 필요한 경우 0.01 내지 100% 질소를 함유할 수 있다. 이어서, 기상(gas phase)은 사이클론(cyclone)에서 분말로부터 분리된 다음, 분말은 포장된다.

대안적으로, 본 발명에 따른 분말은 VIGA를 통하는 것 대신에 소위 EIGA 방법을 통해 제조될 수 있다. 이러한 목적을 위해, 회전 전극 형태의 사전제조된 합금 잉곳이 유도 코일에서 비접촉으로 용융된다. 용융물은 전극으로부터 가스 노즐의 가스 스트림 내로 직접 적하된다.

EIGA용 합금 잉곳은 차례로 VIM, ESR, VAR, VOD 또는 VLF 용융 방법 및 이들의 조합에 의해 제조될 수 있으며, 선택적으로(optionally) 단조(forging) 및 압연과 같은 열간 성형 공정에 가해질 수 있다. EIGA 방법에 사용하기 전에 연마 및/또는 스캘핑과 같은 처리에 의해 잉곳의 표면을 세정하는 것이 유리하다.

분말 제조를 위한 불활성 가스는 선택적으로 아르곤, 또는 아르곤과 0.01 내지 100% 질소의 혼합물일 수 있다. 질소 함량의 가능한 제한은 하기일 수 있다:

0.01 내지 80%

0.01 내지 50%

0.01 내지 30%

0.01 내지 20%

0.01 내지 10%

0.1 내지 5%

0.5 내지 10%

1 내지 5%

2 내지 3%.

대안적으로, 불활성 가스는 선택적으로 헬륨일 수 있다.

불활성 가스는 바람직하게는 적어도 99.996 부피%의 순도를 가질 수 있다. 특히, 질소 함량은 0.0 내지 10 ppmv여야 하며, 산소 함량은 0.0 내지 4 ppmv여야 하고, ≤ 5 ppmv의 H2O 함량을 가져야 한다.

특히, 불활성 가스는 바람직하게는 적어도 99.999 vol%의 순도를 가질 수 있다. 특히, 질소 함량은 0.0 내지 5 ppmv여야 하며, 산소 함량은 0.0 내지 2 ppmv여야 하고, ≤ 3 ppmv의 H2O 함량을 가져야 한다.

시스템에서 이슬점은 -10 내지 -120℃ 범위이다. 이는 바람직하게는 -30 내지 -100℃ 범위이다.

분말 분무 동안 압력은 바람직하게는 10 내지 80 bar일 수 있다.

적층 가공에 의해 제조된 구조 부품 및 성분, 또는 구조 부품 및 성분 상의 층은 5 내지 500 μm의 층 두께로 적층되고, 제조 직후에 구조 방향으로 연장되며 2 μm 내지 1000 μm의 평균 결정립 크기를 갖는 결정립을 갖는 텍스쳐화된(textured) 미세구조를 갖는다. 바람직한 범위는 5 μm 내지 500 μm이다.

적층 가공에 의해 제조된 구조 부품 및 성분, 및 구조 부품 및 성분 상의 층은 선택적으로, 예를 들어 필요한 경우 아르곤 또는 수소와 같은 차폐 가스 하에 0.1분 내지 70시간 동안 700℃ 내지 1250℃의 온도 범위에서 용액 어닐링에 가해질 수 있으며, 이어서 공기 중에서, 교반된 어닐링 분위기에서 또는 수조에서 냉각된다. 그 후, 표면은 선택적으로 피클링, 블라스팅(blasting), 연마, 터닝(turning), 박리(peeling), 밀링(milling)에 의해 세정되거나 또는 기계가공될 수 있다. 선택적으로, 이러한 기계가공은 심지어 어닐링 전에 부분적으로 또는 완전히 이미 일어날 수 있다.

적층 가공에 의해 제조된 구조 부품 및 성분, 또는 구조 부품 및 성분 상의 층은 선택적으로 균질화, 응력 제거(stress-relief), 용액 및/또는 석출-경화 어닐링에 가해질 수 있다. 열 처리는, 예를 들어 필요한 경우 아르곤 또는 수소와 같은 차폐 가스 하에 일어날 수 있으며, 이어서 필요한 경우 차폐 가스 하에 로에서, 공기 중에서, 교반된 어닐링 분위기에서 또는 수조에서 냉각될 수 있다.

적층 가공에 의해 제조된 구조 부품 및 성분, 또는 구조 부품 및 성분 상의 층은 어닐링 후 2 μm 내지 2000 μm의 평균 결정립 크기를 갖는다. 바람직한 범위는 20 μm 내지 500 μm이다.

적층 가공에 의해 본 발명에 따라 생성된 분말로부터 제조된 구조 부품 및 성분, 및 구조 부품 및 성분 상의 층은, 재료가 또한 관련 분석과 함께 단련용 또는 주조용 합금으로서 사용되는 분야에서 바람직하게 사용되도록 의도된다.

적층 가공 하에, 생성적인 제작, 신속 기술, 신속 툴링(rapid tooling), 신속 조형(rapid prototyping) 등과 같은 용어가 또한 이해된다.

일반적으로, 하기는 본원에서 구별된다:

분말을 사용한 3D 프린팅,

선택적 레이저 소결 및

선택적 레이저 용융

레이저 증착 용접

선택적 전자 빔 용접.

본원에 사용된 약어는 하기와 같이 정의된다:

VIM 진공 유도 용융

VIGA 진공 불활성 가스 분무 시스템

VAR 진공 아크 재용융

VOD 진공 산소 탈탄

VLF 진공 레이들로(Vacuum Ladle Furnace)

EIGA 전극 유도 용융 가스 분무.

본 발명에 따른 방법의 유리한 추가의 발전은 종속항으로부터 추론될 수 있다.

분말의 입자 크기에 대한 값의 범위는 5 내지 250 μm이며, 여기서 바람직한 범위는 5 내지 150 μm, 또는 10 내지 150 μm이다.

분말은 평가 대상물의 총 면적에 대해 0.0 내지 4% 기공 면적 (기공 > 1 μm)의 가스 개재물을 가지며, 여기서 바람직한 범위는 하기이다:

0.0 내지 2%

0.0 내지 0.5%

0.0 내지 0.2%

0.0 내지 0.1%

0.0 내지 0.05%.

분말은 2 내지 약 8 g/cm³인 합금의 밀도까지의 벌크 밀도를 가지며, 여기서 바람직한 범위는 하기 값을 가질 수 있다:

4-5 g/cm³

2-8 g/cm³

2-7 g/cm³

3-6 g/cm³.

분말의 가스 개재물의 양은 제조된 부품의 낮은 잔류 다공도를 허용한다.

선행기술과 비교하여, 원심분리 방법이 생략되며, 이에 의해 시스템의 작동 시간이 최적화된다. 후속 정제 공정은 적층 가공을 위한 분말의 품질을 최적화한다.

잉곳이 정밀한 분석 전에 표면의 기계가공 (예를 들어, 브러싱, 연마, 피클링, 절단, 스캘핑 등에 의해)에 가해지는 경우 유리할 수 있다. 상기 공정에서, 추가 재용융에 의해 제거될 수 없으며 후속 적용에 손상을 일으킬 수 있는 결함이 제거될 수 있다.

본 발명에 따른 방법은 임의의 Ni계 또는 Ni-Co계 합금에 적용될 수 있다.

하기에서, 본 발명에 따른 방법 파라미터에 의해 분말로서 제조될 수 있는 합금 조성물이 제시된다. 모든 값은 중량%로 표시된다:

C 최대 0.5%

S 최대 0.150%, 특히 최대 0.03%

Cr 17-32%, 특히 17 - 26%

Ni 45-72%, 특히 45 - 71%

Mn 최대 1%

Si 최대 1%

Mo > 0-10%

Ti 최대 3.25%, 특히 최대 2.7%

Nb 최대 5.5%

Cu 최대 5%, 특히 최대 0.5%

Fe 최대 25%

Al 최대 3.15%, 특히 최대 2.5%

V 최대 0.6%

Zr 최대 0.12%, 특히 최대 0.1%

Co 최대 28%

O 0.00001-0.1%

및 제조 관련 불순물.

이 외에도, 하기 원소가 존재할 수 있다 (중량%로의 값):

Nb+Ta 최대 6%

B 최대 0.02%, 특히 최대 0.006%

Se 최대 0.0005%

Bi 최대 0.00005%

Pb 최대 0.002%

P 최대 0.03%, 특히 최대 0.02%.

유리하게는, 하기 원소가 하기에 나타낸 바와 같이 조정될 수 있다 (중량%로의 값):

C 0.015 - 0.5%; 특히 0.015 - 0.2%

S 최대 0.1%, 특히 최대 0.02%

Cr 17-25%

Ni 45-58%

Mn 최대 0.6%

Si 최대 0.4%

Mo 0-6.1%

Ti 0.1-2.7%

Al 최대 1.7%

Co 최대 13%.

기계적 성질의 개선을 위해, 원소 보론 및 탄소가 또한 하기와 같이 조정될 수 있다:

C 0.015 - 0.5%

B 0.006 - 0.125%.

이와 관련하여, C + B의 합이 0.1875 내지 0.530%, 0.156 내지 0.625%이며, 특히 0.16 내지 0.6% 범위, 특히 0.1875 내지 0.530% 범위이고, C/B의 비가 12 내지 18인 경우 더욱 유리하다.

하기에, 합금 718을 기반으로 하는 Ni 합금으로부터의 분말의 예가 제시된다 (중량%로의 값):

C 최대 0.08%

S 최대 0.015%

Cr 17-21%

Ni 50-55%

Mn 최대 0.35%

Si 최대 0.35%

Mo 2.8-3.3%

Ti 0.65-1.15%

Nb 4.75-5.5

Cu 최대 0.3%

Fe 6-25%

P 최대 0.015%

Al 0.2-0.8%

Co 최대 1%

B 최대 0.006%

Ta 최대 0.05%

O 0.00001-0.1%

Pb 최대 0.001%, 특히 최대 0.0005%

Se 최대 0.0005%, 특히 최대 0.0003%

Bi 최대 0.00005%, 특히 최대 0.00003%.

대안적으로, 이 합금은 또한 더 높은 Ni 함량 (중량%로의 값)을 가질 수 있으며:

C 최대 0.1%

S 최대 0.03%, 특히 최대 0.02%

Cr 17-32%, 특히 17 - 30%

Ni 58-79, 특히 58 - 72%

Nb 최대 4.1%, 특히 최대 0.6%

Fe 최대 18%

C 최대 0.1%

S 최대 0.02%

Mn 최대 1%

Si 최대 1%

Mo > 0-10%

Ti 최대 3.25%, 특히 최대 2.7%

Cu 최대 0.5%

Al 최대 3.15%

V 최대 0.6%

Zr 최대 0.1%

Co 최대 15%, 특히 최대 7%

O 0.00001-0.1%;

뿐만 아니라, 선택적으로 하기 (중량%로의 값)를 가질 수 있다:

B 최대 0.008%, 특히 최대 0.006%

Se 최대 0.0005%

Bi 최대 0.00005%

Pb 최대 0.002%

P 최대 0.03%, 특히 최대 0.02%.

하기와 같은 추가의 제한이 가능하다 (중량%로의 값):

C 0.01-0.04%

Mn 최대 0.5%

Si 최대 0.5%

Cu 최대 0.2%.

뿐만 아니라, 선택적으로 필요한 경우 하기 (중량%로의 값)가 가능하다:

Mo 8-10%.

선택적으로, 생성된 합금의 산소 함량은 0.00001 - 0.1%, 0.0001 - 0.1%, 0.001 - 0.1%, 0.001 - 0.002%, 또는 0.0015 - 0.002%일 수 있다.

선택적으로, 산소 함량은 또한 하기와 같이 조정될 수 있다:

- 0.00001 - 0.1

- 0.00002 - 0.1

- 0.00005 - 0.1

- 0.00008 - 0.1

- 0.0001 - 0.1

- 0.0002 - 0.1

- 0.0005 - 0.1

- 0.0008 - 0.1

- 0.001 - 0.1

- 0.002 - 0.1

- 0.005 - 0.1

- 0.008 - 0.1

- 0.010 - 0.1

- 0.00001 - 0.10

- 0.00001 - 0.08

- 0.00001 - 0.05

- 0.00001 - 0.03

- 0.00001 - 0.02.

합금의 제조성 및 유용성을 보장하기 위해 질소 함량은 0.100% 이하여야 한다. 너무 높은 질소 함량은 질화물의 형성을 낳으며, 이는 합금의 성질에 부정적으로 영향을 미친다. 너무 낮은 질소 함량은 비용을 증가시킨다. 따라서, 질소 함량은 ≥ 0.00001%이다. 질소 함량의 하기 제한이 가능하다:

- 0.00001 - 0.1

- 0.00002 - 0.1

- 0.00005 - 0.1

- 0.00008 - 0.1

- 0.0001 - 0.1

- 0.0002 - 0.1

- 0.0005 - 0.1

- 0.0008 - 0.1

- 0.001 - 0.1

- 0.002 - 0.1

- 0.005 - 0.1

- 0.008 - 0.1

- 0.010 - 0.1

- 0.00001 - 0.10

- 0.00001 - 0.08

- 0.00001 - 0.05

- 0.00001 - 0.03

- 0.00001 - 0.02.

분말 및 제조된 성분 (3D 인쇄된 샘플) 둘 모두에서, 질화물 및 탄화물 둘 모두 및/또는 탄소질화물의 입자 크기는 매우 낮다 (약 < 8 μm). 일부 경우에, 상기 언급된 입자가 존재하지 않을 수 있거나 또는 열 처리 후에만 가시적일 수 있다. N-함유 침전물의 작은 입자 크기는, N-함유 침전물이 종래 제조된 합금에서 균열-개시 부위로서 작용하기 때문에, 고온 성질 및 교번 하중(alternating load) (저주기 피로(low-cycle Fatigue) - LCF)에 대한 저항성에 긍정적인 영향을 미친다.

아르곤 함량은 합금의 제조성 및 유용성을 보장하기 위해 0.08% 이하여야 한다. 아르곤은 γ-매트릭스 중에 용해될 수 없으며, 따라서 이는, 아르곤 개재물이 균열-개시 부위로서 작용할 수 있기 때문에, 구조 부품의 기계적 성질에 부정적으로 영향을 미칠 수 있다. 너무 낮은 아르곤 함량은 비용을 증가시킨다. 따라서, 아르곤 함량은 ≥ 0.0000001% (≥ 1ppb)이다. 아르곤 함량의 하기 제한이 가능하며, 여기서 분말 제조 뿐만 아니라 구조 부품 제조로부터의 아르곤 함량이 포함된다:

- 0.0000001 - 0.05

- 0.0000002 - 0.05

- 0.0000001 - 0.005

- 0.0000001 - 0.002

- 0.0000001 - 0.001.

본 발명에 따른 방법은 바람직하게는 하기 합금에 대해 사용가능하도록 의도된다:

ㆍ 합금 601

ㆍ 합금 602 CA 및 이의 변형체 MCA

ㆍ 합금 617 및 이의 변형체 617 B 및 617 OCC

ㆍ 합금 625

ㆍ 합금 690

ㆍ 합금 699XA

ㆍ 합금 718 및 이의 변형체

ㆍ 합금 780

ㆍ 합금 788

ㆍ 합금 80A

ㆍ 합금 81

ㆍ 합금 X-750

ㆍ 합금 C-263

ㆍ 합금 K-500

ㆍ 와스팔로이(Waspaloy)

ㆍFM 625

ㆍFM 617 뿐만 아니라

ㆍFM 602

ㆍ 합금 31

ㆍ 합금 31 플러스

ㆍ 합금 25

ㆍ 합금 28

ㆍ 합금 33

ㆍ 합금 59

ㆍ 합금 188

ㆍ 합금 310L

ㆍ 합금 330

ㆍ 합금 333

ㆍ 합금 400

ㆍ 합금 600 + 600 L

ㆍ 합금 800 + 800 H, HP, L

ㆍ 합금 825 + 825 CTP

ㆍ 합금 925

ㆍ 합금 926

ㆍ 합금 2120 MoN

ㆍ 합금 B2

ㆍ 합금 C 276

ㆍ 크로퍼(Crofer) 22 APU

ㆍ 크로퍼 22 H.

예로서, 하기 표 1은 상기 언급된 합금의 분석 범위를 나타낸다.

<표 1>

5 μm 내지 250 μm의 입자 크기를 갖는 분말이 얻어진다.

5 μm 미만의 너무 작은 입자 크기는 유동 거동을 손상시키며, 따라서 방지되어야 하고; 250 μm 초과의 너무 큰 입자 크기는 적층 가공 동안 거동을 손상시킨다.

2 g/cm³의 너무 낮은 벌크 밀도는 적층 가공 동안 거동을 손상시킨다. 약 8 g/cm³의 가능한 최대 벌크 밀도는 합금의 밀도에 의해 부여된다.

합금의 제조성 및 유용성을 보장하기 위해 산소 함량은 0.100% 이하여야 한다. 너무 낮은 산소 함량은 비용을 증가시킨다. 따라서, 산소 함량은 ≥ 0.0001%이다. 이 방법에 따라 제조된 분말은 기본 합금의 성질을 갖는 성분의 구성을 위한 적층 가공에 사용될 수 있다.

또한, 상술한 분말은 또한 열간 등방 압착 (HIP) 또는 종래 소결 및 압출-압착 공정에 의한 구조 부품의 제조에 사용될 수 있다. 또한, 적층 가공 및 후속 HIP 처리의 방법 조합이 가능하다. 이러한 목적을 위해, 생성적인 제작을 위한 HIP 구조 부품에 대해 하기에 기술되는 후가공 단계를 적용하는 것이 가능하다.

이 방법에 따라 제조된 분말 및 또한 이 분말로부터 제조된 성분 (3D 인쇄된 샘플)은 질화물 및 또한 탄화물 및/또는 탄소질화물을 함유하지 않는다. 그럼에도 불구하고, 질화물 및 또한 탄화물이 존재해야 하는 경우, 이들은 < 100 nm, 특히 < 50 nm 직경의 입자 크기를 갖는다.

1시간 초과 동안 900℃ 초과, 특히 1000℃ 초과, 이상적으로는 1100℃ 초과에서의 균질화, 확산 어닐링을 위한 이 분말로부터 제조된 성분 (3D 인쇄된 샘플)의 열 처리 후, 질화물 및 또한 탄화물 및/또는 탄소질화물은 제조된 성분 (3D 인쇄된 샘플)에서 나타날 수 있다. 이들은 < 8 μm, 또는 각각 < 5 μm, 이상적으로는 < 1 μm, 특히 < 500 nm 직경의 입자 크기를 갖는다. 예로서, 본 발명에 따른 방법은 하기와 같이 설명된다:

본 발명에 따른 방법으로 하기의 용융물이 생성되고, 분말로서 제조되었다 (중량%로의 값):

<표 2>

본 발명에 따른 방법으로 제조된 분말의 화학 조성을 상기 표 2에 나타내었다.

분말 및 또한 제조된 성분 (3D 인쇄된 샘플) 둘 모두 질화물 및 또한 탄화물을 함유하지 않았다.

1시간 동안 1100℃의 온도에서의 어닐링에 이어서 물 중에서의 켄칭 후, 질화물 및 탄화물 및/또는 탄소질화물과 같은 입자가 제조된 성분 (3D 인쇄된 샘플) 중에 존재하였다. 이들은 1 μm 미만 직경의 입자 크기를 가졌다.

Claims

분말용 니켈계 합금으로서, 여기서 함량 (중량%로)은 하기와 같이 정의되며:
C 최대 0.5%
S 최대 0.15%, 특히 최대 0.03%
N 최대 0.25%
Cr 14 - 35%, 특히 17 - 28%
Ni 나머지 (> 38%)
Mn 최대 4%
Si 최대 1.5%
Mo > 0 - 22%
Ti ≤ 4%, 특히 ≤ 3.25%
Nb 최대 6.0%
Cu 최대 3%, 특히 최대 0.5%
Fe ≤ 50%
P 최대 0.05%, 특히 최대 0.04%
Al 최대 3.15%, 특히 최대 2.5%
Mg 최대 0.015%
V 최대 0.6%
Zr 최대 0.12%, 특히 최대 0.1%
W 최대 4.5%, 특히 최대 3%
Co 최대 28%
B ≤ 0.125%
O > 0.00001 - 0.1%
및 제조 관련 불순물;
여기서,
Ni + Fe + Co 56 - 80%;
Nb + Ta ≤ 6.0%인, 니켈계 합금.
제1항에 있어서, 하기 조성 (중량%로)을 가지며:
C 최대 0.25%
S 최대 0.03%
N > 0 - 0.15%
Cr 17 - 28%, 특히 17 - 24%
Ni 나머지 (38 -72%)
Mn 최대 2%, 특히 최대 1%
Si 최대 1.2%, 특히 ≤ 0.5%
Mo > 0 - 21, 특히 2.5 - 21%
Ti > 0 - < 3.25%
Nb > 0 - 5.5%
Cu 최대 3%, 특히 최대 0.5%
Fe > 0 - 38%
P 최대 0.04%
Al >0 - 0.8%
Mg 최대 0.015%
V 최대 0.4%
Zr 최대 0.1%
W 최대 0.5%
Co ≤ 10%
B ≤ 0.01%
Pb 최대 0.001%, 특히 최대 0.0005%
Se 최대 0.0005%, 특히 최대 0.0003%
Bi 최대 0.00005%, 특히 최대 0.00003%
O > 0.00001 - 0.1%
Nb + Ta >0 - 5.5%
및 제조 관련 불순물;
여기서,
Ni + Fe + Co 57 - 77%인, 니켈계 합금.
제1항 또는 제2항에 있어서, 하기 조성 (중량%로)을 가지며:
C >0 - 0.1%, 특히 > 0 - 0.08%
S 최대 0.015%
N >0 - 0.03%
Cr 17 - 24%
Ni 나머지 (> 50 - 63%)
Mn 최대 1.0%, 특히 최대 0.5%
Si 최대 0.5%
Mo 2.8 - 16.5%
Ti > 0 - 1.15%
Nb > 0 - ≤ 5.5%
Cu 최대 0.5%
Fe > 0 - 25%
P 최대 0.015%
Al 0.1 - 0.6%
Mg 최대 0.015%
V 최대 0.2%
Zr 최대 0.1%
W 최대 0.2%, 특히 > 0 - 0.2%
Co ≤ 2.5%, 특히 ≤ 1.0%
B ≤ 0.01%
Pb 최대 0.001%, 특히 최대 0.0005%
Se 최대 0.0005%, 특히 최대 0.0003%
Bi 최대 0.0005%, 특히 최대 0.0003%
O > 0.00001 - 0.1%
Nb + Ta >0 - 5.5%
Al + Ti < 1.2%
및 제조 관련 불순물;
여기서,
Ni + Fe + Co 59 - 72%인, 니켈계 합금.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 니켈계 합금으로부터 분말의 제조 방법으로서, 여기서
- 합금은 VIM 로(furnace)에서 제련되며,
- 용융된 용융물은 균질화를 위해 5분 내지 2시간 동안 유지되고,
- 공급된 가스를 갖는 폐쇄 분무 시스템은 -10℃ 내지 120℃의 이슬점(dew point)으로 조정되고,
- 상기 용융물은 2 m³/min 내지 150 m³/min의 가스 유량을 갖는 가스 스트림에서 노즐에 의해 취입되고,
- 고형화된 분말 입자는 기밀 밀폐 용기에 수집되며, 여기서
- 상기 입자는 5 μm 내지 250 μm의 입자 크기를 갖고,
- 상기 분말의 상기 입자는 구형이고,
- 상기 분말은 평가 대상물(evaluated objects)의 총 면적에 대해 0.0 내지 4% 기공 면적 (기공 > 1 μm)의 가스 개재물(gas inclusion)을 갖고,
- 상기 분말은 2 내지 약 8 g/cm³인 상기 합금의 밀도까지의 벌크 밀도(bulk density)를 갖고,
- 상기 분말은 아르곤을 갖는 보호 가스 분위기 하에 기밀 포장되는, 제조 방법.
제4항에 있어서, 상기 합금이 먼저, 상기 VIM 로, VIM/ESR, VIM/ESR/VAR, VIM/VAR, VOD 또는 VLF에서 용융한 다음, ESR 및/또는 VAR에서 재용융함으로써, 정의된 화학 분석을 갖는 모합금(master alloy)으로서 생성되고,
- 상기 모합금 잉곳(ingot)이 톱질(sawing)에 의해 작은 조각으로 절단되고,
- 상기 모합금의 조각이 VIM 로에서 용융되는, 제조 방법.
제4항 또는 제5항에 있어서, 불활성 가스가 상기 공급된 가스로서 사용되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 아르곤이 상기 공급된 가스로서 사용되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 분무가 일어나는 상기 가스 스트림이 아르곤으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
제4항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 분무가 일어나는 상기 가스 스트림이 질소로 이루어지는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
제4항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 분무가 일어나는 상기 가스 스트림이 질소 및 아르곤의 혼합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
제4항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 용융물의 분무가 0.5 내지 80 kg/min에서 일어나는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
성분 또는 구조 부품의 적층 가공을 위한, 제4항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 제조 방법에 의해 제조된 분말의 용도.
성분 또는 구조 부품 상의 층의 적층 가공을 위한, 제4항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 제조 방법에 의해 제조된 분말의 용도.
터빈(turbine)의 성분의 제조를 위한, 제4항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 제조 방법에 의해 제조된 분말의 용도.
오일 및 가스 뿐만 아니라 화학 공정 산업을 위한 성분의 제조를 위한, 제4항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 제조 방법에 의해 제조된 분말의 용도.
밸브 또는 플랜지(flange)의 제조를 위한, 제4항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 제조 방법에 의해 제조된 분말의 용도.