KR20230036368A - 3D 프린터용 TiAl 베이스 플레이트의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 적층형 3D 프린터를 이용하여 금속 제품 제조 시 요구되는 베이스 플레이트 제작 기술에 관한 것으로, 용융금속의 응고 속도를 제어함으로써 내부 결함이 없는 3D 프린터 적용 TiAl 플레이트 제조 공정에 관한 것이다.

Description

3D 프린터용 TiAl 베이스 플레이트의 제조 방법 {Manufacture method of TiAl base plate for 3D printer}

본 발명은 적층형 3D 프린터를 이용하여 금속 제품 제조 시 요구되는 베이스 플레이트(base plate) 제작 기술에 관한 것으로, 제조 공정 변수를 통해 내부 결함이 없는 3D 프린터 적용되는 TiAl 베이스 플레이트 제조 방법에 관한 것이다.

현재 터빈 활용 소재로는 Ni계 초내열합금인 IN713C가 보편적으로 사용되고 있으나, 향후 터보차저에서 요구되는 950 ^oC ~ 1050 ^oC의 운용온도범위에 적용하는 데에는 소재 특성의 한계가 있다. 또한, 스포츠카, 고급 승용차 및 애프터 마켓 시장에서는 터보랙을 줄일 수 있는 경량 내열 타이타늄 소재인 TiAl 합금 터빈 휠의 수요가 증가하고 있다. 이런 복잡형상의 금속 부속품들은 기존의 정밀주조 방법에 의해 주로 주조되나 정밀주조 방식은 길고 복잡한 제조공정으로 인해 생산 비용이 높으며 생산적으로 적용화를 위한 시작품 제작에도 일련의 주조 공정 라인이 요구된다. 하지만 3D 프린팅은 디자인만 있으면 별도의 금형이나 절삭가공 없이 단시간 내에 제품을 제작할 수 있어 디자인의 한계를 극복하고 소재를 절감하며, 저비용으로 제조가 가능한 장점이 있다. 따라서, 비용이 비싸고 여러 공정을 거쳐야 하는 기존의 제조 공정 대신 3D 프린팅을 이용하여 한 번에 부품제조가 가능할 경우 엄청난 부가가치를 창출할 핵심 기술이 될 수 있다. 산업계에서는 3D 프린팅 기술 고도화를 통해 Ni계, TiAl계 등의 초내열합금에 적용하고자 하나 기술적 한계로 인해 개발 연구가 필요한 상황이다. 따라서, 본 발명에서는 TiAl 합금을 3D 프린팅에 적용하기 위한 기술을 개발하는 데 그 의의를 가진다.

3D 프린터로 TiAl 합금 금속 제품의 제조 시 제품은 베이스 플레이트 위에서 제작된다. 하지만 적층 소재와 상이한 소재의 베이스 플레이트 일 때, 용융과 응고가 반복되는 3D 프린터 특성상 열적 특성이 달라 제조되는 부품에 결함을 발생시킨다. 그러므로 베이스 플레이트는 적층 소재와 동일한 소재로 제작되어야 하며 플레이트 내 결함은 억제되어야 한다. 본 발명에서는 베이스 플레이트 제조 방법을 개선하여 내부 결함이 적은 적층형 3D 프린터용 TiAl 베이스 플레이트를 제조하고자 한다.

따라서, 상기한 목적을 달성하기 위하여, 다음과 같은 제조 방법을 제시한다.

1. 적층 소재와 동일한 소재로 베이스 플레이트를 제작한다.

2. 균질하고 고청정한 TiAl 베이스 플레이트 제조를 위해서는 유도 스컬 용융 장비를 활용한다.

3. 소재의 수축율을 고려한 흑연 몰드를 설계 및 제작하여 본 발명에 적용한다.

4. 건전한 플레이트 주조를 위해 주조 시 흑연 몰드를 모래에 깊게 장입한 뒤 용탕 금속을 출탕한다.

본 발명에서 개발된 3D 프린터용 TiAl 베이스 플레이트 주조 기술은 TiAl 이외의 적층형 3D 프린터 기술에도 적용 가능하다.

TiAl 제품 제작을 위한 3D 프린팅 기법이 확립되면 자동차뿐 아니라 항공기 엔진 등의 가스 터빈 블레이드 등으로 적용이 가능하며, 국내외 수요가 증가할 것이다.

도 1은 본 발명의 3D 프린터용 TiAl 베이스 플레이트 제조 공정도이다.
도 2는 본 발명의 비교예 및 실시예에 사용된 (a) TiAl 스크랩 및 (b) 흑연 몰드이다.
도 3은 비교예 및 실시예에서 주조 시 흑연 몰드의 모래 내의 위치이다.
도 4는 비교예 및 실시예로 주조된 TiAl 베이스 플레이트 주조품이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 구성요소 등이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 구성요소 등이 존재하지 않거나 부가될 수 없음을 의미하는 것은 아니다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

본 발명은 흑연 몰드를 적용하고 유도 스컬 용융로(Induction Skull Melting, ISM)를 사용하여 주조 시 온도의 급격한 변화를 억제하여 내부결함이 없는 3D 프린터용 TiAl 베이스 플레이트 제조 방법에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 3D 프린터용 TiAl base plate 제조 공정도이다.

구체적으로, 본 발명의 제조 방법은 하기 단계들을 포함할 수 있다.

(S-1) 수냉식 구리 도가니에 TiAl 스크랩을 장입하는 단계;

(S-2) 몰드를 모래 내부에 장입하는 단계;

(S-3) 상기 수냉식 구리 도가니에 장입된 TiAl 스크랩을 용해하는 단계;

(S-4) 상기 용해된 TiAl 용탕을 몰드로 출탕하는 단계;

(S-5) 상기 출탕된 TiAl 용탕을 응고시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 3D 프린터용 TiAl 베이스 플레이트 제조 방법 개발에 관한 것이다.

상기 (S-1) 단계 이전에, TiAl 스크랩 표면에 존재하는 불순물을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 (S-1) 단계에서, 사용되는 TiAl 스크랩은 터빈 휠, 터보차저 등의 다양한 형태의 원료를 사용할 수 있다.

상기 (S-2)와 (S-4) 단계에서, 몰드는 주조품의 품질향상을 위해 세라믹 몰드 대신 흑연 몰드를 사용하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 (S-2) 단계에서, 흑연 몰드는 용탕 금속의 냉각속도 제어를 위해 모래 내에 완전히 장입하는 것을 특징으로 한다. 일반적인 주조에 있어 용융금속의 몰드로의 출탕 후 용탕의 빠른 냉각에 의해 용탕 내에서 발생된 가스가 주조품 내부로 무분별하게 자리를 잡아 주조품의 결함을 초래한다. 따라서 본 발명에서는 출탕 몰드를 모래 깊이 장입하여 용탕의 냉각속도를 감소시켜 건전한 TiAl 베이스 플레이트를 제조하고자 한다. 이것은 내부 결함을 줄임과 동시에 결함을 주조품 상부로 집중시켜 주조품 회수율을 향상시킬 수 있다.

상기 (S-3) 단계의 TiAl의 완전하고 균일한 용융을 위해 유도 스컬 용융 방식을 적용한다. 이 때의 용융온도는 1650 ~ 1850

에서 용용시키는 것을 특징으로 한다.

상기 (S-5) 단계 이후, 주조된 TiAl 베이스 플레이트에서 흑연 몰드를 탈사하는 단계를 포함할 수 있다.

도 2는 본 발명의 비교예 및 실시예에 사용된 (a) TiAl 스크랩 및 (b) 흑연 몰드이다.

이하, 도 1과 2를 참고하여 3D 프린터용 TiAl 베이스 플레이트 제조 방법을 구체적으로 설명하고자 한다.

[비교예]

TiAl 베이스 플레이트 주조를 위해 TiAl 터빈휠 스크랩 10 kg을 준비한다. 이 후 TiAl 터빈휠 스크랩 10 kg을 수냉식 구리 도가니에 장입 한 후 1650 ~ 1850

에서 5 분간 용해시킨 후 500 ~ 600초의 유지 시간을 가진다. 완전히 용융된 TiAl 스크랩을 모래 내부에 장입하지 않은 150mm × 150mm × 10mm의 흑연 몰드로 출탕하여 2시간 동안 응고시킨 후 몰드를 탈사하여 3D 프린터용 TiAl base plate를 주조한다.

[실시예]

TiAl 베이스 플레이트 주조를 위해 TiAl 터빈휠 스크랩 10 kg을 준비한다. 이 후 TiAl 터빈휠 스크랩 10 kg을 수냉식 구리 도가니에 장입 한 후 1650 ~ 1850

에서 5 분간 용해시킨 후 500 ~ 600초의 유지 시간을 가진다. 완전히 용융된 TiAl 스크랩을 모래 내부에 완전히 장입된 150mm × 150mm × 10mm의 흑연 몰드로 출탕하여 2시간 동안 응고시킨 후 몰드를 탈사하여 3D 프린터용 TiAl 베이스 플레이트를 주조한다.

도 3은 비교예 및 실시예에 의해 TiAl 베이스 플레이트 주조 시 흑연 몰드의 모래 내의 위치이다. 비교예의 경우 몰드 내에서 생성된 기공이 용융금속의 급속한 냉각에 의해 베이스 플레이트 내부에 불균일하게 트랩되어져 베이스 플레이트 전체에 결함을 발생시킨다. 하지만, 실시예에서는 몰드가 모래에 장입되어져 용융 금속의 응고 속도를 감소시켜 용탕 내에서 생성된 기공이 베이스 플레이트의 표면으로 이동된다. 따라서, 베이스 플레이트의 내부 결함을 줄임과 동시에 기공을 베이스 플레이트 상부로 집중시켜 베이스 플레이트 회수율을 증대시킨다.

도 4는 비교예 및 실시예로 주조된 TiAl 베이스 플레이트 주조품이다. 비교예에서는 빠른 냉각으로 인해 다수의 기공이 확인되었으나 실시예에서는 느린 냉각으로 베이스 플레이트의 건전한 표면을 확보하였다.

이는 용융금속의 냉각속도가 주조품의 결함 및 특성에 영향을 주기 때문에 주조 시 용탕의 냉각속도의 제어가 중요함을 의미한다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위, 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (7)

1. (S-1) 수냉식 구리 도가니에 TiAl 스크랩을 장입하는 단계;
   (S-2) 몰드를 모래 내부에 장입하는 단계;
   (S-3) 상기 수냉식 구리 도가니에 장입된 TiAl 스크랩을 용해하는 단계;
   (S-4) 상기 용해된 TiAl 용탕을 몰드로 출탕하는 단계;
   (S-5) 상기 출탕된 TiAl 용탕을 응고시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 3D 프린터용 TiAl 베이스 플레이트의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 (S-1) 단계 이전에, TiAl 스크랩 표면에 존재하는 불순물을 제거하는 단계를 포함할 수 있는 것을 특징으로 하는, 3D 프린터용 TiAl 베이스 플레이트의 제조 방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 (S-1) 단계에서, 사용되는 TiAl 스크랩은 터빈 휠, 터보차저 등의 다양한 형태의 원료를 사용하는 것을 특징으로 하는, 3D 프린터용 TiAl 베이스 플레이트의 제조 방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 (S-2) 및 (S-4) 단계에서 TiAl 베이스 플레이트의 주조는 흑연 몰드를 적용하는 것을 특징으로 하는, 3D 프린터용 TiAl 베이스 플레이트의 제조 방법.
5. 제4항에 있어서,
   상기 (S-2) 단계에서, 상기 흑연 몰드는 모래 내에 완전히 장입하는 것을 특징으로 하는, 3D 프린터용 TiAl 베이스 플레이트의 제조 방법.
6. 제5항에 있어서,
   상기 흑연 몰드의 모래 내부로의 장입으로 용탕의 응고 속도를 제어하는 것을 특징으로 하는, 3D 프린터용 TiAl 베이스 플레이트의 제조 방법.
7. 제1항에 있어서,
   상기 (S-3) 단계의 TiAl 금속의 용융은 유도 스컬 용융 방식을 적용하는 것을 특징으로 하는, 3D 프린터용 베이스 플레이트의 제조 방법.

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