KR20230009373A - 알루미늄 합금 부품을 제조하기 위한 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 부품을 제조하기 위한 방법으로서, 연속적인 고체 금속 층들(201…20n)의 생성을 포함하고, 각 층은, 필러 금속으로 지칭되는 금속(25)을 성막함에 의해 생성되며, 상기 필러 금속은, 적어도 뒤따르는 합금 원소들을 포함하는 알루미늄 합금으로 구성되는 것인, 방법에 관한 것이다: - 0.60 내지 1.40%의 질량 분율의 Zr, - 2.00 내지 5.00%의 질량 분율의 Mn, - 1.00 내지 5.00%의 질량 분율의 Ni, - 1.00 내지 5.00%의 질량 분율의 Cu. 본 발명은 또한, 방법에 의해 획득되는 부품에 관한 것이다. 본 발명의 부가적 제조 방법에 사용되는 합금은, 탁월한 속성을 갖는 부품들을 획득하는 것을 가능하도록 한다.
Description
본 발명의 기술 분야는, 부가적 제조 기법을 사용하여, 알루미늄 합금 부품을 제조하기 위한 방법이다.
1980년대부터, 부가적 제조 기법들이 개발되어 왔다. 이들은, 재료를 부가함에 의해 부품을 형성하는 것으로 구성되고, 이는, 재료를 제거하는 것을 목적으로 하는, 기계가공 기법의 반대이다. 이전에 프로토타입 제작에 국한되던, 부가적 제조는, 이제, 금속 부품을 포함하는, 대량 생산된 산업용 제품들을 제조하기 위해 운영되고 있다.
용어 "부가적 제조"는, 프랑스 표준 XP E67-001에 따라, 층층으로, 재료를 부가함에 의해, 디지털 개체로부터 물리적 개체를 생성하는 한 세트의 방법들로, 정의된다. 표준 ASTM F2792(2012년 1월)가 또한, 부가적 제조를 정의한다. 다양한 부가적 제조 방법들이 또한, 표준 ISO/ASTM 17296-1에 정의된다. 낮은 다공성을 갖는, 알루미늄 부품을 생성하기 위한 부가적 제조의 사용은, 문헌 WO2015/006447에 설명되어 있다. 연속적인 층들의 적용은, 일반적으로, 소위 필러 재료를 적용함에 의해, 이어서 레이저 빔, 전자 빔, 플라즈마 토치 또는 전기 아크와 같은 에너지 공급원을 사용하여, 필러 재료를 용융 또는 소결함에 의해, 수행된다. 적용되는 부가적 제조 방법과 무관하게, 부가되는 각 층의 두께는, 수십 내지 수백 미크론의 정도이다.
부가적 제조의 수단은, 분말의 형태를 취하는 필러 재료를 용융 또는 소결하는 것이다. 이는, 에너지 빔을 사용하는 레이저 용융 또는 소결로 구성될 수 있을 것이다.
선택적 레이저 소결 기법들이 공지되며(선택적 레이저 소결(SLS) 또는 직접적 금속 레이저 소결(DMLS)), 여기서, 금속 분말 또는 금속 합금의 층이, 제조될 부품 상에 적용되며, 그리고 레이저 빔으로부터의 열 에너지로 디지털 모델에 따라 선택적으로 소결된다. 다른 유형의 금속 형성 방법이, 선택적 레이저 용융(SLM) 또는 전자 빔 용융(EBM)을 포함하고, 여기서 레이저 또는 표적화된 전자 빔에 의해 공급되는 열 에너지는, 금속 분말을 (소결 대신에) 선택적으로 용융시키기 위해 사용되고, 따라서 금속 분말이 냉각되고 응고될 때 금속 분말이 용융된다.
레이저 용융 성막(LMD)이 또한 공지되고, 여기서 분말이 분사되며 그리고 동시에 레이저 빔에 용융된다.
특허 출원 WO2016/209652는, 하나 이상의 요구되는 대략적 분말 크기 및 대략적 형태를 갖는 미분화된 알루미늄 분말을 준비하는 것; 부가적 제조에 의해 제품을 형성하기 위해 분말을 소결하는 것; 용체화 열처리; 담금질; 및 부가적 프로세스로 제조되는 알루미늄의 시효를 포함하는, 고 기계적 강도 알루미늄을 제조하기 위한 방법을 설명한다.
SLM 적용을 위해 높은 온도에서 사용 가능한 고강도 알루미늄 합금에 대한 성장하는 수요가 존재한다. 4xxx 합금들(본질적으로, Al10SiMg, Al7SiMg 및 Al12Si)이, SLM 적용을 위한 가장 성숙한 알루미늄 합금들이다. 이러한 합금들은, SLM 방법에 대한 매우 우수한 적합성을 제공하지만, 제한된 기계적 속성을 겪는다.
APWorks에 의해 개발된 Scalmalloy®(DE102007018123A1)는, (325℃에서의 4시간의 제조 후 열처리에 의해) 주변 온도에서 우수한 기계적 속성을 제공한다. 그러나, 이러한 해법은, 그의 높은 스칸듐 함량 및 특정 미분화 프로세스에 대한 필요성과 연관되는 분말 형태의 높은 비용을 겪는다. 이러한 해법은 또한, 높은 온도에서, 예를 들어 150℃ 초과의 온도에서, 열악한 기계적 속성을 겪는다.
NanoAl에 의해 개발된 AddalloyTM(WO201800935A1)는, Al Mg Zr 합금이다. 이러한 합금은, 높은 온도에서 제한된 기계적 속성을 겪는다.
Honeywell(US201313801662)에 의해 개발된 8009 합금(Al Fe V Si)은, 주변 온도 및 최고 350℃까지의 높은 온도 양자 모두에서 제조된 대로의 성질에서의 우수한 기계적 속성을 제공한다. 그러나, 8009 합금은, 아마도 제조된 대로의 성질에서의 그의 상당한 경도와 연관되는, 가공성 문제점(균열 생성의 위험)을 겪는다.
부가적 제조에 의해 획득되는 알루미늄 부품들의 기계적 속성은, 필러 금속을 형성하는 합금에, 그리고 더욱 구체적으로, 합금의 조성, 부가적 제조 방법의 파라미터들, 뿐만 아니라 가해지는 열처리들에 의존한다. 본 발명자들은, 부가적 제조 방법에 사용되는, 놀라운 특성을 갖는 부품들을 획득할 수 있도록 하는, 합금 조성을 결정했다. 특히, 본 발명에 따라 획득되는 부품들은, 특히 SLM 방법 도중의 균열생성 민감도 및 200℃에서의 항복 강도의 관점에서, 종래 기술에 비해 향상된 특성들을 갖는다.
본 발명자들은, 선택적으로 제조 온도(그리고 특히 제조 안정기)의 최적화와 연관되는, Zr 함량의 최적화가:
- 균열생성 민감도 문제점을 제거하는 것;
- 제조된 대로의 성질에서의 항복 강도를 제어하는 것;
- 경화 능력(제조된 대로의 성질과 대략 400℃에서의 열처리 이후의 성질 사이의, 주변 온도에서의 기계적 강도의 차이)을 향상시키는 것; 및
- 주변 온도에서 그리고 높은 온도에서 우수한 기계적 성능을 제공하는 것
을 가능하도록 한다는 것을 발견했다.
본 발명은 첫 번째로, 부품을 제조하기 위한 방법으로서, 서로 중첩되는 연속적인 고체 금속 층들의 생성을 포함하고, 각 층은 디지털 모델을 사용하여 한정되는 패턴을 표시하며, 각 층은, 필러 금속으로 지칭되는, 금속을 성막함에 의해 생성되고, 필러 금속은, 용융되도록 하기 위해 그리고 응고 시 상기 층을 구성하도록 하기 위해, 에너지의 공급에 종속되며, 필러 금속은 분말의 형태를 취하고, 에너지 빔에 대한 그의 노출은, 고체 층을 형성하도록 하기 위한 응고가 뒤따르게 되는, 용융을 야기하는 것인, 방법에 있어서,
상기 필러 금속은, 적어도 뒤따르는 합금 원소들을 포함하는 알루미늄 합금인 것을 특징으로 하는 방법에 관한 것이다:
- 0.60 내지 1.40%, 바람직하게 0.70 내지 1.30%, 바람직하게 0.80 내지 1.20%, 더욱 바람직하게 0.85 내지 1.15%; 더욱 더 바람직하게 0.90 내지 1.10%의 질량 분율의, Zr;
- 2.00 내지 5.00%, 바람직하게 3.00 내지 5.00%, 바람직하게 3.50 내지 4.50%의 질량 분율의, Mn;
- 1.00 내지 5.00%, 바람직하게 2.00 내지 4.00%, 바람직하게 2.50 내지 3.50%의 질량 분율의, Ni;
- 1.00 내지 5.00%, 바람직하게 1.00 내지 3,00%, 바람직하게 1.50 내지 2.50%의 질량 분율의, Cu;
- 선택적으로, 각각, 5% 이하, 바람직하게 3.00% 이하의, 그리고 총, 15.00% 이하, 바람직하게 12.00% 이하, 더욱 더 바람직하게 5.00% 이하의 질량 분율의, Hf, Cr, Ti, Er, W, Nb, Ta, Y, Yb, Nd, Ce, Co, Mo, Lu, Tm, V 및/또는 미슈 메탈(mischmetal)로부터 선택되는, 적어도 하나의 원소;
- 선택적으로, 각각, 1.00% 이하, 바람직하게 0.50% 이하, 바람직하게 0.30% 이하, 더욱 바람직하게 0.10% 이하, 더욱 더 바람직하게 700 ppm 이하의, 그리고 총, 2.00% 이하, 바람직하게 1.00% 이하의 질량 분율의, Fe, Si, Mg, Zn, Sc, La, Sr, Ba, Sb, Bi, Ca, P, B, In 및/또는 Sn으로부터 선택되는, 적어도 하나의 원소;
- 선택적으로, 0.06 내지 1.00%의 질량 분율의 Ag, 0.06 내지 1.00%의 질량 분율의 Li로부터 선택되는, 적어도 하나의 원소;
- 선택적으로, 각각 0.05%(즉, 500 ppm) 미만의 그리고 총 0.15% 미만의 질량 분율의 불순물;
- 알루미늄인 나머지.
이론에 얽매이지 않고, 본 발명에 따른 합금들은, 균열생성 민감도와, 기계적 강도, 특히 인장 강도 사이의 우수한 절충안을 갖는 데 특히 유리한 것으로 보인다.
이하의 예들에 나타난 바와 같이, Zr의 양은, 알루미늄 합금의 균열생성 민감도에 지배적으로 영향을 미치는 인자인 것으로 보인다. 다른 원소들이 Zr의 것과 균등한 효과를 갖는다는 것이, 당업자에게 공지된다. 특히, Ti, V, Sc, Hf, Er, Tm, Yb 또는 Lu이, 언급될 수 있다. 따라서, 본 발명의 대안적인 실시예에 따르면, Zr은, 부분적으로, 바람직하게 Zr의 질량 분율의 최대 90%까지, Ti, V, Sc, Hf, Er, Tm, Yb 및 Lu로부터 선택되는 적어도 하나에 의해, 대체될 수 있다.
본 발명의 이러한 대안적인 실시예에 따라, 본 발명은 두 번째로, 부품을 제조하기 위한 방법으로서, 서로 중첩되는 연속적인 고체 금속 층들(201…20n)의 생성을 포함하고, 각 층은 디지털 모델(M)을 사용하여 한정되는 패턴을 표시하며, 각 층은, 필러 금속으로 지칭되는, 금속(25)을 성막함에 의해 형성되고, 필러 금속은, 용융되도록 하기 위해 그리고 응고 시 상기 층을 구성하도록 하기 위해, 에너지의 공급에 종속되며, 필러 금속은 분말(25)의 형태를 취하고, 에너지 빔(32)에 대한 그의 노출은, 고체 층(201…20n)을 형성하도록 하기 위한 응고가 뒤따르게 되는, 용융을 야기하는 것인, 방법에 있어서,
상기 필러 금속(25)은, 적어도 뒤따르는 합금 원소들을 포함하는 알루미늄 합금인 것을 특징으로 하는 방법에 관한 것이다:
- Zr 그리고, Ti, V, Sc, Hf, Er, Tm, Yb 및 Lu로부터 선택되는 적어도 하나의 원소로서, Zr이 이상에 주어진 퍼센트 범위의 10 내지 100% 미만을 나타낸다는 지식에서, 총, 0.60 내지 1.40%, 바람직하게 0.70 내지 1.30%, 바람직하게 0.80 내지 1.20%, 더욱 바람직하게 0.85 내지 1.15%; 더욱 더 바람직하게 0.90 내지 1.10%의 질량 분율의, Ti, V, Sc, Hf, Er, Tm, Yb 및 Lu로부터 선택되는 적어도 하나의 원소;
- 2.00 내지 5.00%, 바람직하게 3.00 내지 5.00%, 바람직하게 3.50 내지 4.50%의 질량 분율의, Mn;
- 1.00 내지 5.00%, 바람직하게 2.00 내지 4.00%, 바람직하게 2.50 내지 3.50%의 질량 분율의, Ni;
- 1.00 내지 5.00%, 바람직하게 1.00 내지 3,00%, 바람직하게 1.50 내지 2.50%의 질량 분율의, Cu;
- 선택적으로, 각각, 5% 이하, 바람직하게 3.00% 이하의, 그리고 총, 15.00% 이하, 바람직하게 12.00% 이하, 더욱 더 바람직하게 5.00% 이하의 질량 분율의, Cr, W, Nb, Ta, Y, Nd, Ce, Co, Mo 및/또는 미슈 메탈로부터 선택되는, 적어도 하나의 원소;
- 선택적으로, 각각, 1.00% 이하, 바람직하게 0.50% 이하, 바람직하게 0.30% 이하, 더욱 바람직하게 0.10% 이하, 더욱 더 바람직하게 700 ppm 이하의, 그리고 총, 2.00% 이하, 바람직하게 1.00% 이하의 질량 분율의, Fe, Si, Mg, Zn, La, Sr, Ba, Sb, Bi, Ca, P, B, In 및/또는 Sn으로부터 선택되는, 적어도 하나의 원소;
- 선택적으로, 0.06 내지 1.00%의 질량 분율의 Ag, 0.06 내지 1.00%의 질량 분율의 Li로부터 선택되는, 적어도 하나의 원소;
- 선택적으로, 각각 0.05%(즉, 500 ppm) 미만의 그리고 총 0.15% 미만의 질량 분율의 불순물들;
- 알루미늄인 나머지.
바람직하게, 본 발명에 따른, 특히 본 발명의 제1 대상 및 제2 대상에 따른, 합금은, 적어도 80%, 더욱 바람직하게 적어도 85%의 질량 분율의 알루미늄을 포함한다.
분말의 용융은, 부분적이거나 완전할 수 있다. 바람직하게, 노출된 분말의 50 내지 100%가, 더욱 바람직하게 80 내지 100%가, 용융된다.
각 층은, 특히, 디지털 모델에 기초하여 한정되는 패턴을 표시할 수 있다.
원소들 Hf, Cr, Ti, Er, W, Nb, Ta, Y, Yb, Nd, Ce, Co, Mo, Lu, Tm, V 및 미슈 메탈은, 획득되는 재료의 경도를 증가시킬 수 있도록, 분산질들(dispersoid) 또는 미세한 금속간 상들의 형성을 야기할 수 있다. 당업자에게 공지된 방식에서, 미슈 메탈의 조성은, 일반적으로, 약 45 내지 50%의 세륨, 25%의 란탄, 15 내지 20%의 네오디뮴, 및 5%의 프라세오디뮴이다.
실시예에 따르면, La, Bi, Mg, Er, Yb, Y, Sc 및/또는 Zn의 첨가가 회피되고, 이러한 원소들 각각의 바람직한 질량 분율은, 이때, 0.05% 미만, 그리고 바람직하게 0.01% 미만이다.
다른 실시예에 따르면, Fe 및/또는 Si의 첨가가, 회피된다. 그러나, 이러한 2가지 원소는 일반적으로 이상에 한정되는 바와 같은 함량으로 통상적인 알루미늄 합금들 내에 존재한다는 것이, 당업자에게 공지되어 있다. 이상에 설명된 바와 같은 함량들은, 그에 따라, Fe 및 Si에 대한 불순물 함량들에 또한 대응한다.
원소들 Ag 및 Li는, 석출 경화에 의해 또는 고용체의 속성들에 관한 자체의 영향에 의해, 재료의 저항에 작용할 수 있다.
선택적으로, 합금은 또한, 각각, 50 kg/ton 이하, 바람직하게 20 kg/ton 이하, 더욱 더 바람직하게 12 kg/ton 이하의, 그리고 총, 50 kg/ton 이하, 바람직하게 20 kg/ton 이하의 양에 따라, 결정립들을, 예를 들어 (예를 들어, AT5B 또는 AT3B 형태의) AlTiC 또는 AlTiB2를, 정제하기 위한 적어도 하나의 원소를 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 방법은, 층들의 생성에 뒤따르는:
- 전형적으로 적어도 100℃ 및 최대 500℃의, 바람직하게 300 내지 450℃의, 온도에서의 열처리;
- 및/또는 열간 등압 압축(HIC)
을 포함할 수 있다.
열처리는, 특히, 잔류 응력의 응력 제거 및 경화 상들의 부가적인 석출을 가능하게 할 수 있다.
HIC 처리는, 특히 연신 속성 및 피로 속성을 향상시키는 것을 가능하도록 할 수 있다. 열간 등압 압축은, 열처리 이전, 열처리 이후, 열처리 대신에, 수행될 수 있다.
유리하게, 열간 등압 압축은, 250℃ 내지 550℃, 바람직하게 300℃ 내지 450℃의 온도에서, 500 내지 3000bar의 압력에서, 그리고 0.5 내지 10시간 동안 수행된다.
구조적 경화 합금들에 적합한, 다른 실시예에 따르면, 형성된 부품의 담금질 및 시효 및/또는 열간 등압 압축이 뒤따르게 되는, 용체화 열처리가, 수행될 수 있다. 열간 등압 압축은, 이러한 경우에, 유리하게, 용체화 열처리를 대체할 수 있다. 그러나, 발명에 따른 방법은, 바람직하게, 담금질이 뒤따르게 되는 용체화 열처리를 필요로 하지 않음에 따라 유리하다. 용체화 열처리는, 분산질들 또는 미세한 금속간 상들의 성장에 기여함에 의해, 특정 경우에, 기계적 강도에 관한 해로운 영향을 가질 수 있다.
더불어, 복잡한 형상의 부품들에 관해, 담금질 작업은, 부품들의 뒤틀림을 생성할 수 있고, 이는, 직접적으로 그의 최종적인 또는 거의 최종적인 형태의 부품들을 획득하는 것인, 부가적 제조의 1차적 장점을 제한할 것이다.
실시예에 따르면, 본 발명에 따른 방법은, 추가로 선택적으로, 기계가공 처리, 및/또는, 화학적, 전기화학적 또는 기계적 표면 처리, 및/또는 마찰 마감(tribofinishing)을 포함한다. 이러한 처리들은, 특히 거칠기를 감소시키기 위해, 및/또는 부식 저항성을 향상시키기 위해, 및/또는 피로 균열 개시에 대한 저항성을 향상시키기 위해, 수행될 수 있다.
선택적으로, 예를 들어 부가적 제조 이후에 및/또는 열처리 이전에, 부품의 기계적 변형을 수행하는 것이 가능하다.
선택적으로, 공지의 결합 방법들에 의한, 하나 이상의 다른 부품과의 결합 작업을 수행하는 것이, 가능하다. 예를 들어 뒤따르는 결합 작업이, 언급될 수 있다:
- 볼트 체결, 리벳팅, 또는 다른 기계적 결합 방법들;
- 융합 용접;
- 마찰 용접;
- 브레이징.
바람직하게, 부품은, 25 내지 150℃, 바람직하게 50 내지 130℃, 더욱 바람직하게 80 내지 110℃의 온도에서, 또는 250 초과 내지 350℃ 미만, 바람직하게 280℃ 내지 330℃의 온도에서, 제조된다. 최적화된 온도에 대한 이러한 선택은, 이하의 예들에서 더욱 상세하게 설명된다. 부가적 제조로 부품(그리고 그에 따라 분말 베드)을 제조하기 위해 챔버를 가열하기 위한 여러 수단들이 존재한다. 예를 들어, 가열 구축 슬래브, 또는 레이저에 의한, 유도에 의한, 구축 슬래브의 아래 및/또는 내부, 및/또는 분말 베드 둘레에 배치될 수 있는, 가열 램프들에 의한 또는 가열 요소들에 의한 것이, 언급될 수 있다.
실시예에 따르면, 방법은, 높은 적용 속도를 갖는 구축 방법일 수 있다. 적용 속도는, 예를 들어, 4 mm3/s 초과, 바람직하게 6 mm3/s 초과, 더욱 바람직하게 7 mm3/s 초과일 수 있다. 적용 속도는, (mm/s 단위의) 스캔 속도, (mm 단위의) 벡터 편차 및 (mm 단위의) 층 두께(mm)의 곱셈으로 계산된다.
실시예에 따르면, 방법은, 레이저를, 그리고 선택적으로 여러 개의 레이저를, 사용할 수 있다.
본 발명은, 세 번째로, 본 발명의 제1 대상 또는 제2 대상에 따른 방법으로 획득되는 금속 부품에 관한 것이다.
본 발명은, 네 번째로, 적어도 뒤따르는 합금 원소들을 포함하는 알루미늄 합금을 포함하는, 바람직하게 그러한 알루미늄 합금으로 이루어지는, 분말에 관한 것이다:
- 0.60 내지 1.40%, 바람직하게 0.70 내지 1.30%, 바람직하게 0.80 내지 1.20%, 더욱 바람직하게 0.85 내지 1.15%; 더욱 더 바람직하게 0.90 내지 1.10%의 질량 분율의, Zr;
- 2.00 내지 5.00%, 바람직하게 3.00 내지 5.00%, 바람직하게 3.50 내지 4.50%의 질량 분율의, Mn;
- 1.00 내지 5.00%, 바람직하게 2.00 내지 4.00%, 바람직하게 2.50 내지 3.50%의 질량 분율의, Ni;
- 1.00 내지 5.00%, 바람직하게 1.00 내지 3,00%, 바람직하게 1.50 내지 2.50%의 질량 분율의, Cu;
- 선택적으로, 각각, 5% 이하, 바람직하게 3.00% 이하의, 그리고 총, 15.00% 이하, 바람직하게 12.00% 이하, 더욱 더 바람직하게 5.00% 이하의 질량 분율의, Hf, Cr, Ti, Er, W, Nb, Ta, Y, Yb, Nd, Ce, Co, Mo, Lu, Tm, V 및/또는 미슈 메탈로부터 선택되는, 적어도 하나의 원소;
- 선택적으로, 각각, 1.00% 이하, 바람직하게 0.50% 이하, 바람직하게 0.30% 이하, 더욱 바람직하게 0.10% 이하, 더욱 더 바람직하게 700 ppm 이하의, 그리고 총, 2.00% 이하, 바람직하게 1.00% 이하의 질량 분율의, Fe, Si, Mg, Zn, Sc, La, Sr, Ba, Sb, Bi, Ca, P, B, In 및/또는 Sn으로부터 선택되는, 적어도 하나의 원소;
- 선택적으로, 0.06 내지 1.00%의 질량 분율의 Ag, 0.06 내지 1.00%의 질량 분율의 Li로부터 선택되는, 적어도 하나의 원소;
- 선택적으로, 각각 0.05%(즉, 500 ppm) 미만의 그리고 총 0.15% 미만의 질량 분율의 불순물들;
- 알루미늄인 나머지.
본 발명은, 다섯 번째로, 적어도 뒤따르는 합금 원소들을 포함하는 알루미늄 합금을 포함하는, 바람직하게 그러한 알루미늄 합금으로 이루어지는, 분말에 관한 것이다:
- Zr 그리고, Ti, V, Sc, Hf, Er, Tm, Yb 및 Lu로부터 선택되는 적어도 하나의 원소로서, Zr이 이상에 주어진 퍼센트 범위의 10 내지 100% 미만을 나타낸다는 지식에서, 총, 0.60 내지 1.40%, 바람직하게 0.70 내지 1.30%, 바람직하게 0.80 내지 1.20%, 더욱 바람직하게 0.85 내지 1.15%; 더욱 더 바람직하게 0.90 내지 1.10%의 질량 분율의, Ti, V, Sc, Hf, Er, Tm, Yb 및 Lu로부터 선택되는 적어도 하나의 원소;
- 2.00 내지 5.00%, 바람직하게 3.00 내지 5.00%, 바람직하게 3.50 내지 4.50%의 질량 분율의, Mn;
- 1.00 내지 5.00%, 바람직하게 2.00 내지 4.00%, 바람직하게 2.50 내지 3.50%의 질량 분율의, Ni;
- 1.00 내지 5.00%, 바람직하게 1.00 내지 3,00%, 바람직하게 1.50 내지 2.50%의 질량 분율의, Cu;
- 선택적으로, 각각, 5% 이하, 바람직하게 3.00% 이하의, 그리고 총, 15.00% 이하, 바람직하게 12.00% 이하, 더욱 더 바람직하게 5.00% 이하의 질량 분율의, Cr, W, Nb, Ta, Y, Nd, Ce, Co, Mo 및/또는 미슈 메탈로부터 선택되는, 적어도 하나의 원소;
- 선택적으로, 각각, 1.00% 이하, 바람직하게 0.50% 이하, 바람직하게 0.30% 이하, 더욱 바람직하게 0.10% 이하, 더욱 더 바람직하게 700 ppm 이하의, 그리고 총, 2.00% 이하, 바람직하게 1.00% 이하의 질량 분율의, Fe, Si, Mg, Zn, La, Sr, Ba, Sb, Bi, Ca, P, B, In 및/또는 Sn으로부터 선택되는, 적어도 하나의 원소;
- 선택적으로, 0.06 내지 1.00%의 질량 분율의 Ag, 0.06 내지 1.00%의 질량 분율의 Li로부터 선택되는, 적어도 하나의 원소;
- 선택적으로, 각각 0.05%(즉, 500 ppm) 미만의 그리고 총 0.15% 미만의 질량 분율의 불순물들;
- 알루미늄인 나머지.
본 발명의 이러한 다섯 번째 대상은, 뒤따르는 것들로부터 선택되는 적어도 하나의 원소가 사용되는, 본 발명의 네 번째 대상의 대안적인 실시예에 대응한다: Zr의 부분적인 대체물로서, 바람직하게 Zr의 질량 분율의 최대 90%의, Ti, V, Sc, Hf, Er, Tm, Yb 및 Lu.
바람직하게, 본 발명에 따른 분말의 합금은, 적어도 80%, 더욱 바람직하게 적어도 85%의 질량 분율의 알루미늄을 포함한다.
본 발명에 따른 분말의 알루미늄 합금은, 또한, 단독으로 또는 조합으로, 뒤따르는 옵션들 중의 하나를 포함할 수 있다:
- La, Bi, Mg, Er, Yb, Y, Sc 및/또는 Zn의 첨가가 회피되고, 이러한 원소들 각각의 바람직한 질량 분율은, 이때, 0.05% 미만, 그리고 바람직하게 0.01% 미만이라는 것; 및/또는
- Fe 및/또는 Se의 첨가가 회피된다는 것. 그러나, 이러한 2가지 원소는 일반적으로 이상에 한정되는 바와 같은 함량으로 통상적인 알루미늄 합금들 내에 존재한다는 것이, 당업자에게 공지되어 있다. 이상에 설명된 바와 같은 함량들은, 그에 따라, Fe 및 Si에 대한 불순물 함량들에 또한 대응한다; 및/또는
- 적어도 하나의 원소가, 각각, 50 kg/ton 이하, 바람직하게 20 kg/ton 이하, 더욱 더 바람직하게 12 kg/ton 이하의, 그리고 총, 50 kg/ton 이하, 바람직하게 20 kg/ton 이하의 양에 따라, 결정립들을, 예를 들어 (예를 들어, AT5B 또는 AT3B 형태의) AlTiC 또는 AlTiB2를, 정제하기 위해 부가된다는 것.
추가적 장점들 및 특징은, 뒤따르는 설명으로부터 그리고 이하에 열거된 도면들에 나타나는 비제한적 예들로부터, 보다 명확하게 드러날 것이다.
도 1은 SLM, 또는 EBM 타입 부가적 제조 방법을 예시하는 도면이다.
도 2는 예에서 사용되는 바와 같은 균열생성 시험편을 보여준다. 참조 부호 '1'은, 금속학적 관찰을 위해 사용되는 면에 대응하며, 그리고 참조 부호 '2'는, 임계 균열생성 측정 영역에 대응하며, 참조 부호 '3'은, 제조 방향에 대응한다.
도 3은, 크랙 생성에 관한 부가적 원소 Ni, Cu 및 Zr의 영향들을 결정하기 위한, 예 1의 실험 계획에 기초한 통계적 분석의 결과를 보여주는 그래프이다. y-축은㎛ 단위의 균열 길이를 나타내며 그리고x-축은 질량 백분율을 나타낸다.
도 4는, 예 2에 사용되는 바와 같은, 인장 시험을 실행하기 위해 사용되는 시험편 기하형상이다.
도 2는 예에서 사용되는 바와 같은 균열생성 시험편을 보여준다. 참조 부호 '1'은, 금속학적 관찰을 위해 사용되는 면에 대응하며, 그리고 참조 부호 '2'는, 임계 균열생성 측정 영역에 대응하며, 참조 부호 '3'은, 제조 방향에 대응한다.
도 3은, 크랙 생성에 관한 부가적 원소 Ni, Cu 및 Zr의 영향들을 결정하기 위한, 예 1의 실험 계획에 기초한 통계적 분석의 결과를 보여주는 그래프이다. y-축은㎛ 단위의 균열 길이를 나타내며 그리고x-축은 질량 백분율을 나타낸다.
도 4는, 예 2에 사용되는 바와 같은, 인장 시험을 실행하기 위해 사용되는 시험편 기하형상이다.
설명에서, 달리 구체화되지 않는 한:
- 알루미늄 합금들은, 알루미늄 협회에서 제정한 명명법에 따라 지정되고;
- 화학 원소 함량은, %로 지정되며 그리고 질량 분율을 나타낸다.
도 1은 개괄적으로, 본 발명에 따른 부가적 제조 방법이 사용되는, 실시예를 설명한다. 이러한 방법에 따르면, 필러 재료(25)는, 본 발명에 따른 합금 분말의 형태로 제공된다. 에너지 공급원, 예를 들어 레이저 공급원 또는 전자 공급원(31)은, 에너지 빔, 예를 들어 레이저 빔 또는 전자 빔(32)을 방출한다. 에너지 공급원은, 광학적 또는 전자기적 렌즈 시스템(33)에 의해 필러 재료와 커플링되고, 빔의 이동은, 그에 따라, 디지털 모델(M)에 따라 결정될 수 있다. 에너지 빔(32)은, 디지털 모델(M)에 의존하는 패턴을 표시하도록, 종방향 평면(XY)을 따르는 이동에 추종한다. 분말(25)은, 구축 슬래브(10) 상에 퇴적된다. 에너지 빔(32)의 분말(25)과의 상호 작용은, 층(201…20n)의 생성을 야기하도록, 응고가 뒤따르게 되는, 그의 선택적 용융을 유도한다. 층이 형성되었을 때, 필러 금속 분말(25)로 코팅되며, 그리고, 앞서 생성된 층 상에 중첩되는, 추가의 층이, 형성된다. 층을 형성하는 분말의 두께는, 예를 들어, 10 내지 200㎛일 수 있다. 제조 도중에, 분말 베드는, 가열될 수 있다. 이러한 부가적 제조 모드는, 일반적으로, 에너지 빔이 레이저 빔일 때, 선택적 레이저 용융(SLM)으로 알려져 있고, 방법은, 이러한 경우에, 대기압에서 실행되는 것이 유리하며, 그리고 에너지 빔이 전자 빔일 때, 전자 빔 용융(EBM)으로 알려져 있고, 방법은, 이러한 경우에, 일반적으로 0.01 bar 미만의, 그리고 바람직하게 0.1 mbar 미만의, 감소된 압력에서, 실행되는 것이 유리하다.
추가의 실시예에서, 층은, 선택적 레이저 소결(SLS) 또는 직접적 금속 레이저 소결(DMLS)에 의해 획득되고, 본 발명에 따른 합금 분말의 층은, 레이저 빔에 의해 공급되는 열 에너지에 의해 선택된 디지털 모델에 따라 선택적으로 소결된다.
도 1에 의해 설명되지 않는 추가의 실시예에서, 분말은, 일반적으로 레이저 빔에 의해 동시에 분사 및 용융된다. 이러한 방법은, 레이저 용융 성막으로 공지된다.
추가의 방법들이, 특히 직접적 에너지 성막(DED), 직접적 금속 성막(DMD), 직접적 레이저 성막(DLD), 레이저 성막 기법(LDT), 레이저 금속 성막(LMD), 레이저 엔지니어링 네트 쉐이핑(LENS), 레이저 클래딩 기법(LCT), 또는 레이저 프리폼 제조 기법(LFMT)으로 공지되는 것들이, 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 본 발명에 따른 방법은, 선택적으로 기계가공이 뒤따르게 되는 통상적인 압연 및/또는 압출 및/또는 주조 및/또는 단조를 사용하여 획득되는 부분 및 부가적 제조에 의해 획득되는 단단히 연결되는 부분을 포함하는, 하이브리드 부품을 생성하기 위해 사용된다. 이러한 실시예는 또한, 통상적인 방법들을 사용하여 획득되는 부품들을 수리하는 데 적합할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 부가적 제조에 의해 획득되는 부품들을 수리하기 위해 본 발명에 따른 방법을 사용하는 것이, 또한 가능하다.
연속적인 층들의 형성에 뒤따라, 가공되지 않은 부품 또는 제조된 대로의 성질의 부품이, 획득된다.
바람직하게, 본 발명에 따른 제조된 대로의 성질의 부품의 항복 강도는, 450 MPa 미만, 바람직하게 400 MPa 미만, 더욱 바람직하게 200 내지 400 MPa, 그리고 더욱 더 바람직하게 200 내지 350 MPa이다.
바람직하게, 용체화 열처리 또는 담금질 작업을 포함하지 않는 열처리 이후의, 본 발명에 따른 부품의 항복 강도는, 제조된 대로의 성질의 동일한 부품의 항복 강도보다 더 크다. 바람직하게, 이상에 인용된 것과 같은 열처리 이후의, 본 발명에 따른 부품의 항복 강도는, 350 MPa 초과 바람직하게 400 MPa 초과이다.
본 발명에 따른 분말은, 뒤따르는 특징들 중 적어도 하나를 가질 수 있다:
- 3 내지 100㎛, 바람직하게 5 내지 25㎛, 또는 20 내지 60㎛의, 평균 입자 크기. 주어진 값들은, 적어도 80%의 입자들이 특정된 범위 이내의 평균 크기를 갖는다는 것을 의미한다;
- 구형 형상. 분말의 구형도는, 예를 들어, 형태과립계(morphogranulometer)를 사용하여 결정될 수 있다;
- 우수한 주조성. 분말의 주조성은, 예를 들어, 표준 ASTM B213 또는 표준 ISO 4490:2018에 따라, 결정될 수 있다. 표준 ISO 4490:2018에 따르면, 유동 시간은, 바람직하게 50초 미만이다;
- 바람직하게 체적 기준 0 내지 5%, 더욱 바람직하게 0 내지 2%, 더욱 더 바람직하게 0 내지 1%의, 낮은 다공성. 다공성은, 특히, 주사 전자 현미경에 의해 또는 헬륨 비중측정법(표준 ASTM B923 참조)에 의해 결정될 수 있다;
- 더 큰 입자들에 부착되는, 작은, 소위 위성 입자들(분말의 평균 크기의 1 내지 20%)의 부재 또는 작은 양(체적 기준 10% 미만, 바람직하게 5% 미만).
본 발명에 따른 분말은, 액체 또는 고체 형태의 본 발명에 따른 합금을 사용하는 통상적인 미분화 방법들에 의해 획득될 수 있거나, 또는 대안적으로, 분말은, 에너지 빔에 대한 노출 이전에 1차적 분말들을 혼합함에 의해 획득될 수 있고, 상이한 조성의 1차적 분말들은, 본 발명에 따른 합금의 조성에 대응하는 평균 조성을 갖는다.
분말을 미분화하기 이전 및/또는 분말의 성막 도중 및/또는 1차적 분말들의 혼합 도중에, 욕(bath) 내에, 불용성, 불용성 입자들, 예를 들어 이브롬화티타늄 TiB2의 산화물들 또는 입자들, 또는 탄화티타늄 TiC 입자들을 첨가하는 것이, 또한 가능하다. 이러한 입자들은, 미세구조를 정제하는 역할을 할 수 있습니다. 이들은 또한, 이들이 나노미터 크기의 것인 경우, 합금을 경화시키는 역할을 할 수 있다. 이러한 입자들은, 체적 분율에 따르면, 30% 미만, 바람직하게 20% 미만, 더욱 바람직하게 10% 미만으로 제공될 수 있다.
본 발명에 따른 분말은, 예를 들어, 가스 제트 미분화, 플라즈마 미분화, 워터 제트 미분화, 초음파 미분화, 원심 미분화, 전기 분해 및 구상화, 또는 분쇄 및 구상화에 의해 획득될 수 있다.
바람직하게, 본 발명에 따른 분말은, 가스 제트 미분화에 의해 획득된다. 가스 제트 미분화 방법은, 노즐을 통해 용융 금속을 주조하는 것으로 시작된다. 용융 금속은, 이어서, 선택적으로 다른 기체들과 동반되는, 질소 또는 아르곤과 같은, 불활성 가스 제트에 도달되며, 그리고 미분화 탑 내부에서 낙하함에 의해 냉각 및 응고되는 매우 작은 액적들로 미분화된다. 분말들은, 이어서, 캔 내에 수집된다. 가스 제트 미분화 방법은, 불규칙적인 형상을 갖는 분말을 생성하는 워터 제트 미분화와 상이하게, 구형 형상을 갖는 분말을 생성하는 장점을 갖는다. 가스 제트 미분화의 추가의 장점은, 특히 구형 형상 및 입자 크기 분포 덕분인, 우수한 분말 밀도이다. 이러한 방법의 추가의 장점은, 입자 크기 분포의 우수한 재현성이다.
그의 제조 이후에, 본 발명에 따른 분말은, 특히 그의 수분을 감소시키도록 하기 위해, 오븐 건조될 수 있다. 분말은 또한, 그의 제조와 사용 사이에, 포장되고 저장될 수 있다.
본 발명에 따른 분말은, 특히 뒤따르는 적용들에서 사용될 수 있다:
- 선택적 레이저 소결 또는 SLS;
- 직접적 금속 레이저 소결 또는 DMLS;
- 선택적 열 소결 또는 SHS;
- 선택적 레이저 용융 또는 SLM;
- 전자 빔 용융 또는 EBM;
- 레이저 용융 성막;
- 직접적 에너지 성막 또는 DED;
- 직접적 금속 성막 또는 DMD;
- 직접적 레이저 성막 또는 DLD;
- 레이저 성막 기법 또는 LDT;
- 레이저 엔지니어링 네트 쉐이핑 또는 LENS;
- 레이저 클래딩 기법 또는 LCT;
- 레이저 프리폼 제조 기법 또는 LFMT;
- 레이저 금속 성막 또는 LMD;
- 냉간 분사 통합(Cold Spray Consolidation) 또는 CSC;
- 첨가제 마찰 교반(Additive Friction Stir) 또는 AFS;
- 현장 지원 소결 기법(Field Assisted Sintering Technology), FAST 또는 스파크 플라즈마 소결; 또는
- 관성 회전식 마찰 용접 또는 IRFW.
본 발명은, 이하의 예에서 더욱 상세하게 설명될 것이다.
본 발명은, 이상의 설명에서 그리고 이하의 예들에서 설명되는 실시예들로 국한되지 않으며, 그리고 본 설명에 첨부되는 청구범위에 의해 한정되는 바와 같은 본 발명의 범위 이내에서 광범위하게 변할 수 있다.
예들
예 1:
3-변수 다구찌(Taguchi) 유형 실험 계획(%Ni, %Cu 및 %Zr)의 일부로서, 4가지 합금(B, C, D 및 E)에 대한 연구가, 수행되었다. 질량%로 ICP(유도 결합 플라즈마)에 의해 결정되는, 조성들은, 이하의 표 1에 주어진다. 이러한 4가지 합금은, 가스 제트 미분화(Ar)를 사용하여 SLM 방법 분말 형태로 획득되었다. 입자 크기는, 본질적으로, 3㎛ 내지 100㎛이었고, D10은 8 내지 10㎛, D50은 24 내지 28㎛ 그리고 D90은 48 내지 56㎛이었다.
| 합금 | %Mn | %Ni | %Cu | %Zr |
| B | 3.57 | 0.00 | 1.97 | 1.30 |
| C | 3.52 | 2.00 | 3.84 | 1.26 |
| D | 3.53 | 0.00 | 3.85 | 1.02 |
| E | 3.56 | 1.94 | 1.97 | 1.00 |
EOS290 유형 SLM 기계(공급자 EOS)를 사용하여, 균열생성 시험편들이, 균열생성에 대한 이러한 합금들의 민감도를 연구하는 관점에서 생성되었다.
도 2에 나타나는, 이러한 시험편들은, 균열 개시가 쉬운 임계 지점을 갖는 특정 기하형상을 갖는다. 이러한 시험편들을 인쇄할 때, 사용되는 주된 레이저 파라미터들은, 다음과 같았다: 370 W의 레이저 출력; 1400 mm/s의 스캔 속도; 0.11 mm의 벡터 편차; 60㎛의 층 두께. 사용되는 EOSM290 기계는, 최대 200℃의 온도까지 가열 요소들에 의해 구축 슬래브를 가열하는 것을 가능하도록 한다. 균열생성 시험편들은, 200℃의 플래토 온도를 동반하는 이러한 기계를 사용하여 인쇄되었다. 모든 경우에, 시험편들은, 300℃에서 4시간의 제조-후 응력 제거 처리를 받았다.
제조 이후에, 시험편들은, 도 2에 도시된 면(참조 부호 1) 상에서 1㎛까지 기계적으로 연마되었다. 시험편들의 임계 개시 지점 상에 존재하는 균열의 총 길이는, X50의 배율을 갖는 광학 현미경을 사용하여 측정되었다. 결과들은 이하의 표 2에 정리된다.
| 합금 | 슬래브 가열 온도 (℃) |
균열 길이 (㎛) |
| B | 200 | 1456 |
| C | 200 | 1609 |
| D | 200 | 1051 |
| E | 200 | 543 |
이러한 실험 계획으로부터의 결과들에 대한 통계적 분석이, 도 3에 도시된 바와 같이, 첨가 원소들의 주된 영향에 대한 그래프들의 형태로 수행되었다. 이러한 그래프는, 어떻게 인자(여기서는, 첨가 원소 함량)가 관찰된 응답(여기서는, 균열 샘플들 상에서 측정되는 균열 길이)에 영향을 미치는지를 보여준다. 이를 위해, 각 인자 레벨에 대한 평균 응답이, 계산되고 그래프 상에 배치되며, 그리고 선이 인자 레벨들 각각의 지점들을 연결한다.
선이 수평일 때, 주된 영향이 존재하지 않는다(즉, 각 인자 레벨이 측정된 응답에 동일한 방식으로 영향을 미침). 선이 수평이 아닐 때, 주된 영향이 존재한다(그에 따라, 2개의 인자 레벨이 측정된 응답에 상이하게 영향을 미침). 이러한 선의 기울기가 더 크면, 주된 영향은 더 크다.
도 3의 그래프는, 연구되는 조성 범위에서, Ni의 1% 감소가 90㎛의 평균 균열 길이의 증가를 유발하고; Cu의 1% 감소가, 175㎛의 평균 균열 길이의 감소를 유발하며, 그리고 Zr의 1% 감소가 2724㎛의 평균 균열 길이의 감소를 유발하는 것을, 보여준다.
이러한 예의 결과들은, 연구되는 조성 범위에서, Zr이 균열에 지배적인 영향을 갖는다는 것을 보여준다. 더욱 구체적으로, Zr 함량의 감소가, 균열생성에 대한 민감도를 제한하기 위해 바람직하다.
이러한 예에서, 본 발명자들은, 균열생성에 대한 민감도에 관한 첨가 원소들의 영향을 효과적으로 비교할 수 있도록 하기 위해, 의도적으로 균열생성을 촉진하는 데 도움이 되는 조건에 그들 자체를 배치했다는 점에 주목할 가치가 있다. 덜 복잡한 형상을 갖는 시험편들의 사용은, 충분히 구별되는 것을 가능하도록 할 수 없었을 것이다. 그에 따라, 제시된 예는, 단지 균열생성에 대한 민감도에 관한 첨가 원소들의 영향을 입증하는 역할을 할 뿐이다.
예 2:
연구가, 6가지 합금(A, F, G, H, I 및 J)에 관해 수행되었다. 질량%로 ICP(유도 결합 플라즈마)에 의해 결정되는, 6가지 합금의 조성들은, 이하의 표 3에 주어진다. 이러한 6가지 합금은, 가스 제트 미분화(Ar)를 사용하여 SLM 방법 분말 형태로 획득되었다. 입자 크기는, 본질적으로, 3㎛ 내지 100㎛이었고, D10은 8 내지 36㎛, D50은 24 내지 48㎛ 그리고 D90은 48 내지 67㎛이었다.
| 합금 | %Mn | %Ni | %Cu | %Zr |
| A | 3.52 | 2.93 | 1.99 | 1.53 |
| F | 3.77 | 2.77 | 1.90 | 1.02 |
| G | 2.89 | 2.44 | 1.90 | 0.40 |
| H | 3.07 | 4.13 | 1.94 | 0.63 |
| I | 3.97 | 2.51 | 1.95 | 0.66 |
| J | 3.94 | 4.00 | 1.92 | 0.34 |
(예 1의 것과 동일한) 균열생성 시험편들 및 (이하에 주어지는 설명에 따른) 원통형 시험편들이, 이상의 표 3의 합금으로 생성되었다.
EOSM290 유형 SLM 기계(공급자 EOS)를 사용하여, 구축의 방향(Z 방향)에 대해 수직의 원통형 샘플들이, 합금의 기계적 특성들을 결정하기 위해 생성되었다. 이러한 샘플들은, 11 mm의 직경 및 46 mm의 높이를 갖는다. 이러한 샘플들을 인쇄할 때, 사용되는 주된 레이저 파라미터들은, 다음과 같았다: 370 W의 레이저 출력; 1400 mm/s의 스캔 속도; 0.11 mm의 벡터 편차; 60㎛의 층 두께. 제조 슬래브 가열 온도는, 100℃이었다. 모든 경우에, 샘플들은, 300℃에서 4시간의 제조-후 응력 제거 처리를 받았다.
원통형 샘플들은, 이하의 표 4 및 도 4에 설명되는 바와 같은, 뒤따르는 특성들을 갖는 인장 시험편들을 획득하기 위해 기계가공되었다.
| 시험편 유형 | Ø(mm) | M(mm) | LT(mm) | R(mm) | Lc(mm) | F(mm) |
| TOR 4 | 4 | 8 | 45 | 3 | 22 | 8.7 |
이상의 표 4 및 도 4에서, Ø는, 시험편의 중앙 부분의 직경을 나타내고; M은, 시험편의 두 단부의 폭을 나타내며; LT는, 시험편의 총 길이를 나타내고; R은, 중앙 부분과 시험편의 단부들 사이의 곡률 반경을 나타내며; Lc는, 시험편의 중앙 부분의 길이를 나타내고, 그리고 F는, 시험편의 두 단부의 길이를 나타낸다.
시험편들은, 이어서, 표준 NF EN ISO 6892-1(2009-10)에 따른 (응력 제거 이외의 부가적인 열처리를 동반하지 않는) 응력 제거된 대로의 성질로, 주변 온도(25℃)에서, 인장 시험을 받았다. 주된 결과들이, 이하의 표 5에 나타난다.
| 합금 | 슬래브 가열 온도 (℃) |
균열 길이 (㎛) |
응력 제거된 대로의 성질에서의 MPa 단위의 25℃에서 측정되는 RP02 |
| A | 100 | 490 | 372 |
| F | 100 | 0 | 303 |
| G | 100 | 0 | 184 |
| H | 100 | 0 | 267 |
| I | 100 | 0 | 235 |
| J | 100 | 0 | 245 |
이상의 표 5의 결과들은, 100℃의 제조 슬래브 온도에 대해, 1.3% 이하의 Zr 함량(합금들 F 내지 J)이, 균열생성 시험편들 상에서 균열생성을 완전히 제거하는 것을 가능하도록 한다는 것을, 보여준다.
표 5의 결과들은, 또한, 400 MPa 미만의, 그리고 바람직하게 370 MPa 미만의, 응력 제거된 대로의 성질에서의 RP02 값이, 균열생성에 대한 민감도를 제한하는 데 유리할 것이라는 것을 보여준다.
예 3:
예 2와 유사한 연구가, 5가지 5 합금에 관해 수행되었다. 질량%로 ICP(유도 결합 플라즈마)에 의해 결정되는, 이러한 5가지 합금의 조성들은, 이하의 표 6에 주어진다.
이러한 5가지 합금은, 가스 제트 미분화(Ar)를 사용하여 SLM 방법 분말 형태로 획득되었다. 입자 크기는, 본질적으로, 3㎛ 내지 100㎛이었고, D10은 8 내지 36㎛, D50은 24 내지 48㎛ 그리고 D90은 48 내지 67㎛이었다.
| 합금 | %Mn | %Ni | %Cu | %Zr |
| F | 3.77 | 2.77 | 1.90 | 1.02 |
| G | 2.89 | 2.44 | 1.90 | 0.40 |
| H | 3.07 | 4.13 | 1.94 | 0.63 |
| I | 3.97 | 2.51 | 1.95 | 0.66 |
| J | 3.94 | 4.00 | 1.92 | 0.34 |
EOSM290 유형 SLM 기계(공급자 EOS)를 사용하여, 구축의 방향(Z 방향)에 대해 수직의 원통형 샘플들이, 합금의 기계적 특성들을 결정하기 위해 생성되었다. 이러한 샘플들은, 11 mm의 직경 및 46 mm의 높이를 갖는다. 이러한 샘플들을 인쇄할 때, 사용되는 주된 레이저 파라미터들은, 다음과 같았다: 370 W의 레이저 출력; 1400 mm/s의 스캔 속도; 0.11 mm의 벡터 편차; 60㎛의 층 두께. 구축 슬래브는, 100℃의 온도로 가열되었다.
모든 경우에, 샘플들은, 300℃에서 4시간의 제조-후 응력 제거 처리를 받았다.
원통형 샘플들은, 이상의 예 2와 유사한 인장 시험편들을 획득하기 위해 기계가공되었다.
기계가공 이후에, 일부 시험편들은, 400℃에서의 1시간의 열처리를 받았다. 400℃에서의 1시간의 열처리는, 제조-후 열간 등압 압축 작업 또는 최종 부품의 100℃ 내지 300℃ 사이의 작동 온도에서의 장기간의 시효를 시뮬레이션하는 것으로 가능하도록 한다.
시험편들은, 이어서, 표준 NF EN ISO 6892-1(2009-10)에 따른 주변 온도(25℃)에서 그리고 표준 NF EN ISO 6892-2(2018)에 따른 높은 온도(200℃)에서, 인장 시험을 받았다. 주된 결과들이, 이하의 표 7에 나타난다.
| 합금 | 구축 슬래브 온도 (℃) |
400℃에서의 열처리의 지속시간 (h) |
인장 시험 온도 (℃) |
RP02(MPa) |
| F | 100 | 0 | 25 | 303 |
| G | 100 | 0 | 25 | 184 |
| H | 100 | 0 | 25 | 267 |
| I | 100 | 0 | 25 | 235 |
| J | 100 | 0 | 25 | 245 |
| F | 100 | 1 | 25 | 420 |
| G | 100 | 1 | 25 | 187 |
| H | 100 | 1 | 25 | 291 |
| I | 100 | 1 | 25 | 291 |
| J | 100 | 1 | 25 | 222 |
| F | 100 | 0 | 200 | 270 |
| G | 100 | 0 | 200 | 179 |
| H | 100 | 0 | 200 | 242 |
| I | 100 | 0 | 200 | 218 |
| J | 100 | 0 | 200 | 235 |
| F | 100 | 1 | 200 | 238 |
| G | 100 | 1 | 200 | 175 |
| H | 100 | 1 | 200 | 208 |
| I | 100 | 1 | 200 | 211 |
| J | 100 | 1 | 200 | 192 |
이상의 표 7에 따르면, (응력 제거 이외의 제조-후 열처리를 동반하지 않는) 응력 제거된 대로의 성질에서, 시험되는 합금들은 모두, 310 MPa 미만의 25℃에서의 항복 강도를 가지며, 이는, 제조 도중의 잔류 응력의 레벨을 제한함에 의해 합금들의 가공성에 유리하다. 400℃에서의 1시간의 열처리 이후의 주변 온도에서의 최상의 기계적 속성은, 합금 F(420 MPa의 RP02)에 대해 획득되고, 합금 H 및 합금 I(291 MPa)가 뒤따른다. 가장 열악한 성능들이, 개별적으로, 187 및 222 MPa의, 합금 G 및 합금 J에 대해 획득된다. 이러한 결과들은, 경화 처리 이후의 기계적 성능에 관한 Zr 함량의 긍정적인 영향을 보여준다. 0.6%의 최소 Zr 함량이, 그에 따라, 400℃에서의 1시간의 열처리 이후에 250 MPa의 최소 RP02를 획득하기 위해 요구된다.
200℃에서의 인장 시험들에 대해, 이상의 표 7의 결과들은, 시험되는 모든 합금들에 대해, 응력 제거된 대로의 성질은, 400℃에서의 1시간의 제조-후 열처리와 함께 성질에 관련하여 유리하다는 것을 보여준다.
400℃에서의 1시간의 열처리는, 200℃에서의 매우 장기간의 시효의 영향을 시뮬레이션하는 것을 가능하도록 한다. 400℃에서의 1시간의 열처리 이후의 200℃에서의 최상의 성능은, 합금 F에 대해 획득되었고, 합금 H 및 합금 I가 뒤따랐다. 가장 열악한 성능들이, 다시 한번 합금 G 및 합금 J에 대해 획득된다(RP02< 200 MPa).
0.6%의 최소 Zr 함량이, 그에 따라, 200℃에서의 기계적 속성의 우수한 열적 안정을 획득하는 데 바람직한 것으로 보인다.
본 명세서에 나타나지 않은, 부가적인 시험들의 범위 이내에서, 최대 500℃의 온도까지의 가열 슬래브를 구비하는 다른 SLM 기계 상에서 본 발명에 따른 조성들을 동반하는 경우, 본 발명자들은, 250 내지 350℃의, 그리고 바람직하게 280 내지 330℃의, 슬래브 온도가, 또한, 주변 온도에서의 그리고 200℃에서의 기계적 성능을 낮추지 않는 가운데, 균열생성 시험편들 상에서 균열생성을 방지하는 것을 가능하도록 한다는 것을, 입증했다. 놀랍게도, 슬래브 온도의 증가에도 불구하고, 가공되지 않은 성질에서 또는 열처리 이후에 기계적 속성의 감소가 존재하지 않았다. 이론에 얽매이지 않고, 이러한 조건들 하에서, 본 발명에 따른 합금들은, 고용체 내에 첨가 원소들을, 그리고 특히 Zr을 포획하는 우수한 능력을 유지하는 것을 가능하도록 하는 것으로 보인다. 예를 들어 400℃까지 또는 500℃까지의, 슬래브 온도의 부가적 증가가, SLM 방법 도중에 응고 속도를 감소시키는 것을, 그리고 그에 따라, 가공되지 않은 성질에서 기계적 특성 및 예를 들어 400℃에서의 제조 후 열처리 도중의 부가적인 경도에 대한 합금들의 능력을 저하시키는 것으로 보이는, 고용체 내에서의 Zr의 포획을 제한하는 것을 가능하도록 하는 것으로 보인다. 결론적으로, 균열생성 민감도를 최대화하는 것으로 보이는 슬래브 온도 범위는, 150℃ 내지 250℃ 사이에 위치된다.
따라서, 본 발명에 따라 추천되는 구축 슬래브의 온도 범위들은, 즉, 250 초과 내지 350℃ 미만의, 바람직하게 280 내지 330℃의 온도에서, 25 내지 150℃, 바람직하게 50 내지 130℃, 더욱 바람직하게 80 내지 110℃이다.
Claims (9)
- 부품을 제조하기 위한 방법으로서, 서로 중첩되는 연속적인 고체 금속 층들(201…20n)의 생성을 포함하고, 각 층은 디지털 모델(M)을 사용하여 한정되는 패턴을 표시하며, 각 층은, 필러 금속으로 지칭되는, 금속(25)을 성막함에 의해 생성되고, 필러 금속은, 용융되도록 하기 위해 그리고 응고 시 상기 층을 구성하도록 하기 위해, 에너지의 공급에 종속되며, 필러 금속은 분말(25)의 형태를 취하고, 에너지 빔(32)에 대한 그의 노출은, 고체 층(201…20n)을 형성하도록 하기 위한 응고가 뒤따르게 되는, 용융을 야기하는 것인, 방법에 있어서,
상기 필러 금속(25)은, 적어도 뒤따르는 합금 원소들을 포함하는 알루미늄 합금인 것을 특징으로 하는 방법:
- 0.60 내지 1.40%, 바람직하게 0.70 내지 1.30%, 바람직하게 0.80 내지 1.2 %, 더욱 바람직하게 0.85 내지 1.15%; 더욱 더 바람직하게 0.90 내지 1.10%의 질량 분율의, Zr;
- 2.00 내지 5.00%, 바람직하게 3.00 내지 5.00%, 바람직하게 3.50 내지 4.50%의 질량 분율의, Mn;
- 1.00 내지 5.00%, 바람직하게 2.00 내지 4.00%, 바람직하게 2.50 내지 3.50%의 질량 분율의, Ni;
- 1.00 내지 5.00%, 바람직하게 1.00 내지 3,00%, 바람직하게 1.50 내지 2.50%의 질량 분율의, Cu;
- 선택적으로, 각각, 5% 이하, 바람직하게 3.00% 이하의, 그리고 총, 15.00% 이하, 바람직하게 12.00% 이하, 더욱 더 바람직하게 5.00% 이하의 질량 분율의, Hf, Cr, Ti, Er, W, Nb, Ta, Y, Yb, Nd, Ce, Co, Mo, Lu, Tm, V 및/또는 미슈 메탈(mischmetal)로부터 선택되는, 적어도 하나의 원소;
- 선택적으로, 각각, 1.00% 이하, 바람직하게 0.50% 이하, 바람직하게 0.30% 이하, 더욱 바람직하게 0.10% 이하, 더욱 더 바람직하게 700 ppm 이하의, 그리고 총, 2.00% 이하, 바람직하게 1.00% 이하의 질량 분율의, Fe, Si, Mg, Zn, Sc, La, Sr, Ba, Sb, Bi, Ca, P, B, In 및/또는 Sn으로부터 선택되는, 적어도 하나의 원소;
- 선택적으로, 0.06 내지 1.00%의 질량 분율의 Ag, 0.06 내지 1.00%의 질량 분율의 Li로부터 선택되는, 적어도 하나의 원소;
- 선택적으로, 각각 0.05%(즉, 500 ppm) 미만의 그리고 총 0.15% 미만의 질량 분율의 불순물들;
- 알루미늄인 나머지. - 부품을 제조하기 위한 방법으로서, 서로 중첩되는 연속적인 고체 금속 층들(201…20n)의 생성을 포함하고, 각 층은 디지털 모델(M)을 사용하여 한정되는 패턴을 표시하며, 각 층은, 필러 금속으로 지칭되는, 금속(25)을 성막함에 의해 생성되고, 필러 금속은, 용융되도록 하기 위해 그리고 응고 시 상기 층을 구성하도록 하기 위해, 에너지의 공급에 종속되며, 필러 금속은 분말(25)의 형태를 취하고, 에너지 빔(32)에 대한 그의 노출은, 고체 층(201…20n)을 형성하도록 하기 위한 응고가 뒤따르게 되는, 용융을 야기하는 것인, 방법에 있어서,
상기 필러 금속(25)은, 적어도 뒤따르는 합금 원소들을 포함하는 알루미늄 합금인 것을 특징으로 하는 방법:
- Zr 그리고, Ti, V, Sc, Hf, Er, Tm, Yb 및 Lu로부터 선택되는 적어도 하나의 원소로서, Zr이 이상에 주어진 퍼센트 범위의 10 내지 100% 미만을 나타낸다는 지식에서, 총, 0.60 내지 1.40%, 바람직하게 0.70 내지 1.30%, 바람직하게 0.80 내지 1.20%, 더욱 바람직하게 0.85 내지 1.15%; 더욱 더 바람직하게 0.90 내지 1.10%의 질량 분율의, Ti, V, Sc, Hf, Er, Tm, Yb 및 Lu로부터 선택되는 적어도 하나의 원소;
- 2.00 내지 5.00%, 바람직하게 3.00 내지 5.00%, 바람직하게 3.50 내지 4.50%의 질량 분율의, Mn;
- 1.00 내지 5.00%, 바람직하게 2.00 내지 4.00%, 바람직하게 2.50 내지 3.50%의 질량 분율의, Ni;
- 1.00 내지 5.00%, 바람직하게 1.00 내지 3,00%, 바람직하게 1.50 내지 2.50%의 질량 분율의, Cu;
- 선택적으로, 각각, 5% 이하, 바람직하게 3.00% 이하의, 그리고 총, 15.00% 이하, 바람직하게 12.00% 이하, 더욱 더 바람직하게 5.00% 이하의 질량 분율의, Cr, W, Nb, Ta, Y, Nd, Ce, Co, Mo 및/또는 미슈 메탈로부터 선택되는, 적어도 하나의 원소;
- 선택적으로, 각각, 1.00% 이하, 바람직하게 0.50% 이하, 바람직하게 0.30% 이하, 더욱 바람직하게 0.10% 이하, 더욱 더 바람직하게 700 ppm 이하의, 그리고 총, 2.00% 이하, 바람직하게 1.00% 이하의 질량 분율의, Fe, Si, Mg, Zn, La, Sr, Ba, Sb, Bi, Ca, P, B, In 및/또는 Sn으로부터 선택되는, 적어도 하나의 원소;
- 선택적으로, 0.06 내지 1.00%의 질량 분율의 Ag, 0.06 내지 1.00%의 질량 분율의 Li로부터 선택되는, 적어도 하나의 원소;
- 선택적으로, 각각 0.05%(즉, 500 ppm) 미만의 그리고 총 0.15% 미만의 질량 분율의 불순물들;
- 알루미늄인 나머지. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
La, Bi, Mg, Er, Yb, Y, Sc 및/또는 Zn의 첨가가 회피되고, 이러한 원소들 각각의 바람직한 질량 분율은, 이때, 0.05% 미만, 그리고 바람직하게 0.01% 미만인 것인, 방법. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
알루미늄 합금은 또한, 각각, 50 kg/ton 이하, 바람직하게 20 kg/ton 이하, 더욱 더 바람직하게 12 kg/ton 이하의, 그리고 총, 50 kg/ton 이하, 바람직하게 20 kg/ton 이하의 양에 따라, 결정립들을, 예를 들어 AlTiC 또는 AlTiB2를, 정제하기 위한 적어도 하나의 원소를 포함하는 것인, 방법. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 층들(201…20n)의 형성에 뛰따르는,
- 전형적으로 적어도 100℃ 및 최대 500℃의, 바람직하게 300 내지 450℃의, 온도에서의 열처리; 및/또는
- 열간 등압 압축
을 포함하는 것인, 방법. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
부품은, 25 내지 150℃, 바람직하게 50 내지 130℃, 더욱 바람직하게 80 내지 110℃의 온도에서, 또는 250 초과 내지 350℃ 미만, 바람직하게 280℃ 내지 330℃의 온도에서, 제조되는 것인, 방법. - 금속 부품으로서,
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 획득되는 것인, 금속 부품. - 분말로서, 적어도 뒤따르는 합금 원소들을 포함하는 알루미늄 합금을 포함하는 것인, 분말:
- 0.60 내지 1.40%, 바람직하게 0.70 내지 1.30%, 바람직하게 0.80 내지 1.20%, 더욱 바람직하게 0.85 내지 1.15%; 더욱 더 바람직하게 0.90 내지 1.10%의 질량 분율의, Zr;
- 2.00 내지 5.00%, 바람직하게 3.00 내지 5.00%, 바람직하게 3.50 내지 4.50%의 질량 분율의, Mn;
- 1.00 내지 5.00%, 바람직하게 2.00 내지 4.00%, 바람직하게 2.50 내지 3.50%의 질량 분율의, Ni;
- 1.00 내지 5.00%, 바람직하게 1.00 내지 3,00%, 바람직하게 1.50 내지 2.50%의 질량 분율의, Cu;
- 선택적으로, 각각, 5% 이하, 바람직하게 3.00% 이하의, 그리고 총, 15.00% 이하, 바람직하게 12.00% 이하, 더욱 더 바람직하게 5.00% 이하의 질량 분율의, Hf, Cr, Ti, Er, W, Nb, Ta, Y, Yb, Nd, Ce, Co, Mo, Lu, Tm, V 및/또는 미슈 메탈로부터 선택되는, 적어도 하나의 원소;
- 선택적으로, 각각, 1.00% 이하, 바람직하게 0.50% 이하, 바람직하게 0.30% 이하, 더욱 바람직하게 0.10% 이하, 더욱 더 바람직하게 700 ppm 이하의, 그리고 총, 2.00% 이하, 바람직하게 1.00% 이하의 질량 분율의, Fe, Si, Mg, Zn, Sc, La, Sr, Ba, Sb, Bi, Ca, P, B, In 및/또는 Sn으로부터 선택되는, 적어도 하나의 원소;
- 선택적으로, 0.06 내지 1.00%의 질량 분율의 Ag, 0.06 내지 1.00%의 질량 분율의 Li로부터 선택되는, 적어도 하나의 원소;
- 선택적으로, 각각 0.05%(즉, 500 ppm) 미만의 그리고 총 0.15% 미만의 질량 분율의 불순물들;
- 알루미늄인 나머지. - 분말로서, 적어도 뒤따르는 합금 원소들을 포함하는 알루미늄 합금을 포함하는 것인, 분말:
- Zr 그리고, Ti, V, Sc, Hf, Er, Tm, Yb 및 Lu로부터 선택되는 적어도 하나의 원소로서, Zr이 이상에 주어진 퍼센트 범위의 10 내지 100% 미만을 나타낸다는 지식에서, 총, 0.60 내지 1.40%, 바람직하게 0.70 내지 1.30%, 바람직하게 0.80 내지 1.20%, 더욱 바람직하게 0.85 내지 1.15%; 더욱 더 바람직하게 0.90 내지 1.10%의 질량 분율의, Ti, V, Sc, Hf, Er, Tm, Yb 및 Lu로부터 선택되는 적어도 하나의 원소;
- 2.00 내지 5.00%, 바람직하게 3.00 내지 5.00%, 바람직하게 3.50 내지 4.50%의 질량 분율의, Mn;
- 1.00 내지 5.00%, 바람직하게 2.00 내지 4.00%, 바람직하게 2.50 내지 3.50%의 질량 분율의, Ni;
- 1.00 내지 5.00%, 바람직하게 1.00 내지 3,00%, 바람직하게 1.50 내지 2.50%의 질량 분율의, Cu;
- 선택적으로, 각각, 5% 이하, 바람직하게 3.00% 이하의, 그리고 총, 15.00% 이하, 바람직하게 12.00% 이하, 더욱 더 바람직하게 5.00% 이하의 질량 분율의, Cr, W, Nb, Ta, Y, Nd, Ce, Co, Mo 및/또는 미슈 메탈로부터 선택되는, 적어도 하나의 원소;
- 선택적으로, 각각, 1.00% 이하, 바람직하게 0.50% 이하, 바람직하게 0.30% 이하, 더욱 바람직하게 0.10% 이하, 더욱 더 바람직하게 700 ppm 이하의, 그리고 총, 2.00% 이하, 바람직하게 1.00% 이하의 질량 분율의, Fe, Si, Mg, Zn, La, Sr, Ba, Sb, Bi, Ca, P, B, In 및/또는 Sn으로부터 선택되는, 적어도 하나의 원소;
- 선택적으로, 0.06 내지 1.00%의 질량 분율의 Ag, 0.06 내지 1.00%의 질량 분율의 Li로부터 선택되는, 적어도 하나의 원소;
- 선택적으로, 각각 0.05%(즉, 500 ppm) 미만의 그리고 총 0.15% 미만의 질량 분율의 불순물들;
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