KR20230057535A

KR20230057535A - Fcc 상이 균일 분산된 적층 성형 타이타늄 소재부품 제조 방법 및 적층 성형 타이타늄 소재 부품

Info

Publication number: KR20230057535A
Application number: KR1020210141293A
Authority: KR
Inventors: 김형균; 이택우; 김건희; 김원래; 함민지; 한승준; 방경배
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2021-10-21
Filing date: 2021-10-21
Publication date: 2023-05-02

Abstract

본 발명은 마이크로 구조 내의 독특한 미세구조 및 열 잔류 응력의 형성을 최소화하고, 연신률 및 인성 저하를 방지하며, 열처리를 통한 잔류 응력 해소 시 기계적 특성 저하의 발생이 최소화되고, 제품 내 기공 같은 결함의 발생 또한 최소화하는 것에 의해 기계적 특성을 현저히 향상시키는 FCC 상이 균일 분산된 타이타늄 소재 부품의 제조를 위해, 적층 성형 공정을 수행하여 적층 성형 타이타늄 소재 부품을 제조하는 소재 부품 제조 단계; 및 상기 적층 성형 타이타늄 소재 부품에 등방 가압 및 가열을 수행하여 FCC(Face Centered Cubic Lattice) 상 변태를 야기시킨 후 균일 분산시키는 열기계적 후처리 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 적층 성형 타이타늄 소재 부품 제조 방법을 제공한다.

Description

FCC 상이 균일 분산된 적층 성형 타이타늄 소재부품 제조 방법 및 적층 성형 타이타늄 소재 부품{Method for Manufacturing laminated molding titanium material parts with uniformly dispersed FCC phase and laminated molded titanium material parts}

본 발명은 적층 성형 타이타늄 소재 부품에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, FCC(Faced Centered Cubic Lattice, 면심 입방 격자) 상이 균일 분산된 적층 성형 타이타늄 소재 부품 제조 방법 및 적층 성형 타이타늄 소재 부품에 관한 것이다.

일반적으로, SLM(Selective Laser Melting)은 고출력 레이저 빔을 사용하여 3D 금속 제품을 제작하는데 사용하는 적층 성형 공정이다. 구체적으로, 불활성 가스 분위기에서 빌드 플랫폼 위에 금속 분말을 얇은 층으로 적층한 후, 고출력 레이저를 이용하여 고온으로 용융시키는 과정을 반복 수행하여 3D 금속 제품을 제작한다.

한편, 타이타늄은 내식성, 비강도, 생체적합 성 등이 우수한 금속으로 플랜트, 우주항공, 임플란트 등의 산업이 성장함에 따라 사용량이 급격히 증가되고 있다. 이에 따라, SLM 적층 성형을 위한 타이타늄 분말의 사용량 또한 급격히 증가하였으며, 다양한 SLM 적층 성형 타이타늄 소재 부품이 제공되고 있다.

이때, SLM 적층 성형 타이타늄은 10^{6 ~ 8} K/s 급의 급냉으로 인한 독특한 미세구조 및 열잔류 응력의 형성으로 강도는 높으나, 연신률 및 인성 저하가 발생한다. 또한, 열처리를 통한 잔류 응력 해소 시 기계적 특성 저하가 발생하고, 분말을 원소재로 활용하는 공정의 특성상 제품 내 기공 같은 결함의 형성으로 기계적 특성 저하가 발생하는 문제가 있다.

대한민국 등록특허 제10-1074245호 대한민국 등록특허 제10-1953042호

따라서 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예는, SLM 적층 성형 타이타늄의 기계적 물성을 유지하면서 기공과 잔류응력 제거가 가능한 열-기계적 후처리 기술로서의 FCC 상이 균일 분산된 적층 성형 타이타늄 소재 부품을 제조할 수 있도록 하는 SLM 적층 성형 타이타늄 소재 부품 제조 방법과 이에 의해 제조된 SLM 적층 성형 타이타늄 소재 부품을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.

상술한 본 발명의 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예는, 적층 성형 공정을 수행하여 적층 성형 타이타늄 소재 부품을 제조하는 소재 부품 제조 단계; 및 상기 적층 성형 타이타늄 소재 부품에 등방 가압 및 가열을 수행하여 FCC(Face Centered Cubic Lattice) 상 변태를 야기시킨 후 균일 분산시키는 열기계적 후처리 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 적층 성형 타이타늄 소재 부품 제조 방법을 제공한다.

상기 적층 성형 공정은 SLM(selective laser melting) 적층 성형 공정인 것을 특징으로 한다.

상기 열기계적 후처리 단계는, 등방변형기구를 이용하는 HIP(Hot Isostatic Pressing: 열간 등방압 가압법)을 적용하여 수행되는 것을 특징으로 한다.

상기 열기계적 후처리 단계의 상기 HIP는 500 ~1,500℃ 범위의 온도와 1,000 ~ 2,000 bar 범위의 압력 하에서 수행되는 것을 특징으로 한다.

상술한 본 발명의 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예는, 적층 성형 공정을 수행하여 제조된 적층 성형 타이타늄 소재 부품을, 열기계적 후처리를 수행하여 FCC(Face Centered Cubic Lattice) 상이 균일 분산된 타이타늄 소재 부품을 제공한다.

상기 열기계적 후처리는 등방변형기구를 이용하는 HIP(Hot Isostatic Pressing: 열간 등방압 가압법)을 적용한 후처리인 것을 특징으로 한다.

상술한 본원 발명에 따르면, 타이타늄 소재 부품의 SLM 적층 성형에 의한 제조 시, 타이타늄 소재 부품의 마이크로 구조 내의 독특한 미세구조 및 열잔류 응력의 형성을 최소화하고, 연신률 및 인성 저하를 방지하는 효과를 제공한다.

또한, 본원 발명에 따라 제조된 타이타늄 소재 부품은 열처리를 통한 잔류 응력 해소 시 기계적 특성 저하의 발생이 최소화되며, 제품 내 기공 같은 결함의 발생 또한 최소화하는 것에 의해 기계적 특성을 현저히 향상시키는 효과를 제공한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예의 SLM 적층 성형 타이타늄 소재 부품 제조 방법의 처리과정을 나타내는 순서도이다.
도 2는 900℃ 온도 및 500bar 이하의 압력에서 HIP 수행 후의 변형기구가 쌍정(twin)으로 생성되는 것을 나타내는 타이타늄 소재 부품의 마이크로 구조(micro structure)를 나타내는 도면이다.
도 3은 FCC 상을 균일 분산시키기 위해 등방변형기구를 적용한 HIP 공정의 수행 과정을 나타내는 도면이다.
도 4는 종래기술의 열처리와 본 발명의 실시예의 열기계적 후처리가 수행된 SLM 적층 성형 타이타늄 소재 부품의 특성을 비교한 그래프이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

본 명세서에서 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 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예의 SLM 적층 성형 타이타늄 소재 부품 제조 방법의 처리과정을 나타내는 순서도이다.

도 1과 같이, 상기 SLM 적층 성형 타이타늄 소재 부품 제조 방법은, 적층 성형 공정을 수행하여 적층 성형 타이타늄 소재 부품을 제조하는 단계(S10); 및 상기 적층 성형 타이타늄 소재 부품에 등방 가압 및 가열을 수행하여 FCC(Face Centered Cubic Lattice) 상 변태를 야기시킨 후 균일 분산시키는 열기계적 후처리 단계(S20);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 적층 성형 타이타늄 소재 부품을 제조하는 단계(S10)는 SLM 적층 성형 공정을 적용하여 타이타늄 소재 부품을 제조하는 단계일 수 있다.

상기 열기계적 후처리 단계(S20)는 열간에 적용되는 기계적 압력에 의해 제조된 타이타늄 소재 부품의 마이크로 구조 내에서 FCC 상을 균일 분산시키는 단계일 수 있다.

도 2는 900℃ 온도 및 500bar 이하의 압력에서 HIP 수행 후의 변형기구가 쌍정(twin)으로 생성되는 것을 나타내는 타이타늄 소재 부품의 마이크로 구조(micro structure)를 나타내는 도면이다.

도 2의 경우, 500 bar 이하에서는 변형기구가 쌍정으로 생성되었다. 즉, 적층 성형 타이타늄 소재 부품에서 FCC 상의 형성 및 균일 분산을 위해서는 500bar 이상 기계적 압력이 가해질 것을 필요로 한다.

따라서 적층 성형 타이타늄 소재 부품의 FCC 상의 균일 분산을 위해서는 상기 열기계적 후처리 단계(S20)에서 온도는 500 ~ 1,500℃ 범위이고, 압력은 1,000 ~ 2,000 bar 범위인 것이 바람직하다.

다시 도 1을 참조하여 설명하면, 적층 성형 타이타늄 소재 부품의 FCC 상을 균일 분산시키는 상기 열기계적 후처리 단계(S20)는, 등방변형기구를 이용하는 HIP를 적용하여 타이타늄 소재 부품의 마이크로 구조 내에 FCC 상을 형성한 후 균일하게 분산시킨다.

도 3은 FCC 상을 균일 분산시키기 위해 등방변형기구를 적용한 HIP 공정의 수행 과정을 나타내는 도면이다.

상기 등방변형기구는 고압챔버(high pressure vessel)(10)일 수 있으며, 상기 고압챔버(10)의 내부에 적층 성형 타이타늄 소재 부품이 장입되어 등방 변형에 의한 가압과 가열을 수행한다. 이때, 상기 적층 성형 타이타늄 소재 부품만이 고압챔버(10)의 내부에 장입될 수도 있고, 로와의 직접적인 접촉을 피하고 오염을 방지하기 위해 도 3과 같이, 캡슐, 캔, 도가니 등의 등방변형캡슐(20)에 장입된 후 상기 고압챔버(10)의 내부에 장입되어 열기계적 후 처리가 수행될 수도 있다.

도 1 및 도 3과 같이, 상기 열기계적 후처리 단계(S20)는 상기 등방변형기구의 등방변형캡슐(20)에 적층 성형에 직후의 적층 성형 타이타늄 소재 부품을 장입한 후 HIP 공정을 적용하여 고온 및 고압으로 열간 등방압 가압을 수행하는 것에 의해 FCC 상을 균일하게 분산시킨다. 이때, 상기 열기계적 후처리 단계(S20)의 HIP 공정은 500 ~ 1,500℃ 범위의 온도와 1,000 ~ 2,000bar 범위의 압력하에서 수행되는 것을 특징으로 한다. 이는 온도가 500℃ 미만이거나, 압력이 500bar 미만인 경우에는 FCC의 균일 분산이 이루어지지 않기 때문이다.

본 발명의 다른 실시예는, 적층 성형 공정을 수행하여 적층 성형 타이타늄 소재 부품을, 열기계적 후처리를 수행하여 FCC(Face Centered Cubic Lattice) 상이 균일 분산된 타이타늄 소재 부품을 제공한다.

도 4는 종래기술의 열처리와 본 발명의 실시예의 열기계적 후처리가 수행된 SLM 적층 성형 타이타늄 소재 부품의 특성을 비교한 그래프이다.

ASTM F67 Grade 2 타이타늄을 이용하여 도 1 내지 도 3에 의해 제조된 본 발명의 일 실시예의 SLM 적층 성형 타이타늄 소재 부품은 도 4와 같이, 적층 성형 직후, 종래 기술의 열처리를 수행하는 경우 및 본 발명의 실시예에 따른 HIP 공정에 의한 열기계적 후처리(S20)를 수행한 경우에 따라 각각 다른 물리적 특성을 가진다.

구체적으로, 적층 성형 직후의 적층 성형 타이타늄 소재 부품(도 4의 (a))은 인장 강도는 700 ~ 750MPa, 항복 강도는 600 ~ 650MPa, 연신율(elongation)은 15 ~ 20%, 탄성계수는 110 ~ 120GPa, 잔류 응력은 0.3 ~ 0.6 YS, 밀도는 98.5 ~ 99.5%로 나타났다.

다음으로, 적층 성형 타이타늄 소재 부품을 종래기술에 따른 열처리를 수행한 타이타늄 소재 부품(도 4의 (b))은 인장 강도는 600 ~ 650MPa, 항복 강도는 550 ~ 600MPa, 연신율은 20 ~ 25%, 탄성계수는 110 ~ 120GPa, 잔류 응력은 0.1 YS 미만, 밀도는 98.5 ~ 99.5 %로 나타났다.

다음으로, 적층 성형 후 본 발명의 실시예에 따른 열기계적 후처리를 수행한 타이타늄 소재 부품은 인장 강도는 650 ~ 700MPa, 항복 강도는 550 ~ 600MPa, 연신율은 25 ~ 30%, 탄성계수는 110 ~ 120GPa, 잔류 응력은 0.1YS 미만, 밀도는 99.9% 초과로 나타났다.

즉, SLM 적층 성형 타이타늄 소재 부품을 본 발명의 실시예에 따라 열기계적 후처리(S20)를 수행하게 되면, 종래기술의 열처리를 수행한 것에 비해 연신율, 잔류응력 특성 및 밀도 특성이 현저히 향상됨을 확인할 수 있었다.

상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술적 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

10: 고압챔버
20: 등방변형캡슐(PM 스틸 캡슐)

Claims

적층 성형 공정을 수행하여 적층 성형 타이타늄 소재 부품을 제조하는 소재 부품 제조 단계; 및
상기 적층 성형 타이타늄 소재 부품에 등방 가압 및 가열을 수행하여 FCC(Face Centered Cubic Lattice) 상 변태를 야기시킨 후 균일 분산시키는 열기계적 후처리 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 적층 성형 타이타늄 소재 부품 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 적층 성형 공정은 SLM(selective laser melting) 적층 성형 공정인 것을 특징으로 하는 적층 성형 타이타늄 소재 부품 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 열기계적 후처리 단계는,
등방변형기구를 이용하는 HIP(Hot Isostatic Pressing: 열간 등방압 가압법)을 적용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 적층 성형 타이타늄 소재 부품 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 열기계적 후처리 단계의 상기 HIP는,
500 ~1,500 ℃ 범위의 온도와 1,000 ~ 2,000 bar 범위의 압력하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 적층 성형 타이타늄 소재 부품 제조 방법.
적층 성형 공정을 수행하여 제조된 적층 성형 타이타늄 소재 부품에 대한 열기계적 후처리에 의해 FCC(Face Centered Cubic Lattice) 상이 균일 분산된 것을 특징으로 하는 타이타늄 소재 부품.
제 5항에 있어서, 상기 적층 성형 공정은 SLM(selective laser melting) 적층 성형인 것을 특징으로 하는 타이타늄 소재 부품.
제 5항에 있어서, 상기 열기계적 후처리는 등방변형기구를 이용하는 HIP(Hot Isostatic Pressing: 열간 등방압 가압법) 처리인 것을 특징으로 하는 타이타늄 소재 부품.