니켈 기반 고온 합금 분말 제조 기술

고온 합금은 내열 합금 또는 초합금이라고도 하며, 철, 니켈 및 코발트를 기반으로 하는 합금을 말합니다. 이 합금은 600°C 이상의 고온에서 산화, 부식 및 크리프에 견딜 수 있으며, 높은 기계적 응력하에서 장시간 작동할 수 있습니다. 특히 니켈 기반 고온 합금은 650~1000°C의 고온에서 더 우수한 강도, 내산화성 및 내식성을 나타낼 수 있습니다. 따라서 고온 합금은 현재 피라미드 꼭대기에 위치한 최첨단 산업 소재입니다. 고온 합금은 항공 엔진의 고온부 부품과 항공우주 로켓 엔진의 다양한 고온 부품에 사용되는 핵심 소재일 뿐만 아니라 산업용 가스터빈, 에너지, 화학 산업 및 기타 산업 분야에도 널리 사용됩니다.

1. 분말 고온 합금은 첨단 항공 엔진의 핵심 고온부 부품에 사용되는 우선 소재입니다. 주로 터빈 디스크, 압축기 디스크, 드럼 샤프트 및 터빈 디스크 고압 배플과 같은 엔진 고온부의 고온 하중 지지 부품을 제조하는 데 사용됩니다. 분말 고온 합금은 금속 분말을 원료로 사용하며, 이후 열처리를 거쳐 제조됩니다. 이 합금은 높은 인장 강도와 우수한 피로 저항성을 갖습니다. 분말 초합금은 세 세대에 걸쳐 발전해 왔으며, 첨단 군용 및 민간 항공 엔진의 터빈 디스크와 같은 다양한 핵심 부품에 널리 사용되어 왔습니다. 현재 분말 초합금에 대한 국제적인 연구개발은 4세대에 진입했습니다. 분말 초합금 잉곳은 거시적 편석이 없고 미세조직이 균일하며 결정립이 미세하고, 기계적 특성과 열간 가공 특성이 우수합니다. 따라서 엔진의 신뢰성과 내구성을 효과적으로 보장할 수 있고, 준정형에 가깝게 제조할 수 있으며 제조 주기가 짧고 생산 비용이 낮습니다.

1.1 분말 초합금 생산 공정 분말 초합금 생산 공정의 기본 구상은 불활성 분위기에서 분말을 제조 및 처리한 다음 열간 성형 공정을 통해 분말을 응고 및 치밀화하는 것입니다. 수년간의 발전을 거쳐 기본적으로 두 가지 공정 경로가 형성되었습니다. 하나는 유럽과 미국 등 서방 국가를 대표하는 "아르곤 분무법(AA) 분말 제조 + 열간 압출(HEX) + 등온 단조(ITF)" 공정이고, 다른 하나는 러시아를 대표하는 "회전 전극법(PREP) 분말 제조 + 열간 정수압 성형(HIP) 직접 성형" 공정입니다.

우리나라에서 개발한 공정 경로는 "플라즈마 회전 전극법(PREP) 분말 제조 + 열간 정수압 성형(IP) + 재킷 단조/열처리"입니다. 이 공정은 대형 FGH4095 분말 터빈 디스크 생산에 성공적으로 사용되었습니다. 직접 HIP 성형 공정으로 제조한 분말 고온 합금 터빈 배플과 소형 터빈 디스크는 시험 운전을 통과했으며 양산 능력을 확보했습니다. 2세대 분말 고온 합금 FGH4096 이중 성능 터빈 디스크에 대한 연구도 획기적인 진전을 이루었습니다. "PREP+직접 HIP+등온 단조" 공정은 분말 순도와 같은 핵심 기술을 돌파했으며, 높은 추력 대 중량비 엔진용 FGH4096 합금 터빈 디스크를 개발했습니다. 미세 결정립 단조 및 구배 열처리 공정을 사용하여 림의 결정립 크기가 5~6이고 허브의 결정립 크기가 10~11인 이중 미세조직 디스크 블랭크를 얻었습니다. 분말 고온 합금 터빈 디스크에서 발생하는 과도한 개재물 크기와 초음파 검사 불합격 문제를 해결하기 위해 우리나라는 "압출 + 등온 단조" 공정에 대한 연구를 수행했으며 중요한 진전을 이루었습니다. 최근 우리나라는 북방중공업그룹의 36,000톤 철금속 압출기에서 항공기 엔진 터빈 디스크용 분말 고온 합금 빌릿의 압출에 성공했습니다. 이는 우리나라 분말 고온 합금 기술의 중대한 돌파구를 의미합니다. 연구에 따르면 압출 과정에서 원래 입자 경계(PPB)가 제거되고 개재물이 압출 방향을 따라 효과적으로 파쇄됩니다. 이후 단조 과정에서 개재물은 더욱 파쇄되어 단조 방향에 수직인 평면에 분산됩니다. 우리나라는 특히 유한요소 시뮬레이션 기술을 중심으로 분말 고온 합금의 압출 변형 공정에 대한 탐색적 연구도 시작했습니다. 클래딩 압출 공정을 시뮬레이션하면 금형 구조 매개변수와 같은 요인이 압출 공정에 미치는 영향을 체계적으로 분석하여 금형 구조의 최적 조합을 결정할 수 있습니다 [9]. "압출 빌릿 + 등온 단조" 공정은 우리나라 분말 고온 합금 터빈 디스크의 중요한 발전 방향 중 하나가 되었습니다.

1.2 분말 초합금의 결함과 그 영향
개재물, PPB 및 열 유발 기공(TIP)은 분말 초합금의 세 가지 주요 결함으로, 분말 초합금 부품의 성능에 심각한 영향을 미칩니다. 국내외 연구자들은 결함의 발생원과 합금 특성에 미치는 영향에 대해 광범위한 연구와 분석을 수행했으며, 결함을 줄이고 제거하기 위한 상응하는 조치와 방법을 제시했습니다.

개재물은 분말 초합금의 다양한 기계적 특성, 특히 저주기 피로 특성에 중요한 영향을 미칩니다. 분말 초합금의 개재물에는 산화물, 유기물, 외래 금속 및 기타 입자가 포함됩니다. 이 중 세라믹, 슬래그 및 기타 산화물 개재물은 주로 모합금 용해 및 분말 제조 장치의 도가니, 래들 및 노즐 내화재에서 유래하며, 용해 과정의 탈산 생성물과 아르곤 내 고체 불순물에서도 유래합니다. 고무, 섬유 및 기타 유기물은 분말 저장 탱크, 밸브, 분말 제조 및 처리 장비의 진공 시스템 오염에서 유래하며, 외래 금속은 이전 배치의 분무 합금 또는 피복재에서 유래합니다.

PPB는 열간 정수압 성형 과정에서 분말 입자 표면에 흡착된 O 및 C 원소와 분말 구성 원소 사이의 화학 반응으로 인해 입자 경계에 석출된 탄소 산화물의 망상 조직입니다 [10]. 이 취약한 계면은 금속 입자 사이의 확산과 결합을 방해하고 합금의 파괴 기점 및 균열 전파 경로가 되며, 합금의 소성 및 피로 수명을 감소시킵니다. PPB의 근본 원인은 분말 표면의 O 및 C 함량입니다. C 함량을 줄이고 Nb 및 Hf와 같은 강한 탄화물 형성 원소를 첨가하며 분말을 진공 탈기하는 것이 PPB를 제거하는 주요 방법입니다. 열처리와 열간 정수압 성형 공정 최적화를 통해서도 제거할 수 있습니다.

TIP는 열간 정수압 성형 중 합금에 용해되지 않은 아르곤 가스가 팽창하여 형성되는 불연속적인 기공입니다. 이는 가공물의 변형을 일으키고 합금의 인장, 내구성, 크리프 저항성 및 기타 특성을 크게 저하시킵니다. 분말 고온 합금에 잔류하는 아르곤 가스는 주로 분무 분말 제조 과정에서 액적에 둘러싸여 형성된 중공 분말에서 유래합니다. 또한 분말 표면에 흡착된 아르곤 가스가 완전히 제거되지 않거나 포장의 밀봉이 충분히 견고하지 않아도 TIP가 발생할 수 있습니다.

요약하면 분말 고온 합금의 세 가지 주요 결함은 합금 분말의 품질과 직접적인 관련이 있습니다. 개재물이 없고 중공 분말이 없으며 가스 함량이 낮은 고품질 고온 합금 분말의 제조 기술은 분말 고온 합금의 개발과 응용에 있어 핵심입니다.

1. 고온 금속 분말의 일반적인 생산 공정

금속 분말을 생산하는 방법에는 고체 분쇄, 볼 밀링, 분무, 전기분해 및 화학적 방법 등이 있습니다. 적층 제조에는 구형 분말이 필요하며, 분무법은 적층 제조용 금속 분말을 생산하는 가장 이상적인 방법으로 여겨집니다. 또한 회전 전극법은 적층 제조용 분말 소재의 제조에 점차 사용되고 있습니다.

니켈 기반 고온 합금 구형 분말 제조의 기본 공정 흐름은 다음과 같습니다. 모합금 용해 및 처리 → 분말 제조 → 분말 선별 → (정전 분리 및 불순물 제거) → 분말 성능 검사. 이 중 모합금 용해, 분무 분말 제조, 정전 분리 및 불순물 제거가 고품질 분말을 얻기 위한 핵심 공정입니다.
2.1 모합금 용해 기술
고온 합금 모합금 용해 기술은 고품질 구형 분말 제조에 결정적인 역할을 합니다. 원료의 불순물, 산소, 질소 및 수소 함량은 분말 품질에 직접적인 영향을 미칩니다. 고온 합금 모합금의 용해에는 일반적으로 진공 유도 용해 기술이 사용되며, 이는 합금 조성을 정확하게 제어하고 합금 내 가스 불순물과 유해 원소를 제거하는 데 상당한 이점이 있습니다. 그러나 세라믹 도가니를 사용하기 때문에 세라믹 및 슬래그 개재물 결함이 모합금에 불가피하게 유입됩니다. 또한 모합금은 응고 과정에서 수축, 느슨함 및 편석과 같은 결함도 생성합니다.

위 결함은 주조 고온 합금을 부품 블랭크로 제조하는 후속 유도 용해 및 주입 공정에서 제거할 수 있지만, 고온 합금 분말의 제조에는 더 큰 영향을 미칩니다. 모합금의 개재물은 분말 제조 과정에서 제거할 수 없으며, 수축 및 느슨함과 같은 결함은 중공 분말과 분말 표면의 산화를 유발합니다. 따라서 진공 유도 용해 모합금의 개재물과 결함을 제거하기 위한 상응하는 조치를 취해야 합니다. 고순도 주조 및 단조 고온 합금 생산 산업에서는 일반적으로 이중 또는 삼중 공정, 즉 진공 유도 용해 + 일렉트로슬래그 재용해/진공 아크 재용해가 사용됩니다. 진공 유도 용해는 적절한 화학 조성의 소모성 전극을 제조합니다. 일렉트로슬래그 재용해 공정은 취성 산화물 개재물을 제거하여 더 높은 순도를 얻습니다. 마지막으로 진공 아크 재용해를 사용하여 거시적 편석이 없고 조직이 균일한 블랭크를 얻습니다. 일렉트로슬래그 재용해 공정은 합금 내 비금속 개재물을 제거하는 가장 효과적인 정련 공정 중 하나입니다. 대형 외래 개재물을 효과적으로 제거하고 내인성 개재물을 분산 및 미세화할 수 있으며, 분말 고온 합금 모합금의 2차 정련에 선호되는 공정입니다.

러시아는 1990년대부터 진공 유도 용해 + 일렉트로슬래그 재용해 공정을 널리 사용하여 분말 고온 합금 모합금 잉곳을 생산하기 시작했습니다. 2002년 중국철강연구총원은 세계 최초의 초소형 단면(50 mm) 진공/불활성 가스 보호 고속 일렉트로슬래그로를 설계 및 건설했으며, 2004년 고온 합금 일렉트로슬래그 잉곳 제조에 성공했습니다. 연구에 따르면 불활성 가스 보호 일렉트로슬래그 재용해 공정으로 제조한 FGH95 모합금은 O 함량이 낮고 Al 및 Ti 소모량이 적으며 비금속 개재물의 크기와 수가 크게 감소했습니다.

발포 세라믹 여과 기술도 고온 합금에서 비금속 개재물을 제거하는 효과적인 방법입니다. 이 기술은 주로 치밀한 세라믹 가지 골격으로 구성된 3차원 연속 망상 발포 세라믹 판 필터를 사용하여 금속 용탕을 여과합니다. 이를 통해 개재물 입자, 액상 플럭스 개재물 및 합금 용탕 내 일부 유해 금속 원소를 걸러낼 수 있습니다. 베이징과학기술대학교, 잉커우 마그네슘재료연구소, 둥베이대학교, 중국과학원 금속연구소 및 기타 연구기관은 알루미나 기반 세라믹 필터를 사용하여 고온 합금을 여과 및 정제했으며, 고온 합금 내 개재물을 효과적으로 제거할 수 있었습니다.

또한 일본에서 개발한 회전 잉곳 주조 공정, 베이징항공재료연구원이 개발한 고품질 고온 합금 잉곳 생산 및 제조 기술(BIAM 고품질 공정), 노스웨스턴공과대학교가 개발한 전자기 연성 접촉 성형 정화 기술 및 복합 용융염 정화 기술도 개재물 제거와 합금 정제에 좋은 효과를 나타냅니다. 최근 몇 년 동안 빠르게 발전한 전자기 정화 기술과 초음파 처리 기술과 같은 새로운 정화 기술은 합금 정화 분야의 새로운 연구 주제로 부상하고 있습니다.

위 합금 정화 기술 중 일부는 고온 합금 정화에 널리 사용되고 있으며, 나머지는 추가적인 개선과 개발이 필요합니다. 항공우주 엔진의 발전은 분말 고온 합금에 더 높은 기계적 특성과 신뢰성을 요구하며, 모합금의 순도에도 더 높은 기준을 제시합니다. 분말 고온 합금 모합금의 생산을 위해 고효율, 저비용, 고순도 및 무개재물 모합금 잉곳 용해 및 정화 기술의 연구개발은 향후 발전의 중요한 방향입니다.

2.2 분말 제조

분말 제조는 분말 고온 합금 생산의 첫 번째 공정이자 가장 중요한 공정 중 하나입니다. 크기가 작고 균일하며 구형도가 우수하고 가스 및 개재물 함량이 낮은 고온 합금 분말을 제조하면 합금 내 PPB 및 개재물과 같은 결함을 줄이거나 제거할 수 있으며, 합금 디스크의 조직과 성능을 크게 향상할 수 있습니다. 따라서 첨단 분말 제조 기술은 고품질 고온 합금 분말을 얻고 합금 내부의 야금학적 결함을 제거하며 고온 합금 디스크의 품질을 보장하는 핵심 공정입니다.
분말 고온 합금 분야의 연구자들은 다양한 분말 제조 공정에 대해 광범위하고 심층적인 연구를 수행했습니다. 현재 구형 금속 분말을 제조하는 주요 방법에는 진공 유도 용해 가스 분무법(VIGA법), 플라즈마 회전 전극 분말 제조 기술(PREP법), 전극 유도 가스 분무법(EIGA법) 및 플라즈마 분무법(PA법)이 있습니다.

2.2.1 진공 유도 용해 가스 분무법(VIGA법)
진공 유도 용해 가스 분무법은 코일 유도 가열 원리를 사용하여 진공 환경에서 장입물을 용해하는 방법입니다. 일정한 온도에 도달하면 용해실과 분무실에 분무 가스를 주입한 다음 용강을 턴디시에 주입합니다. 금속 용탕은 노즐을 통해 분무실로 유입되고, 이어서 고압 불활성 가스를 분무 매체로 사용하여 연속적인 금속 액류를 분쇄합니다. 그 결과 금속 액류는 빠르게 응고되어 미세 입자, 즉 금속 분말이 됩니다.

니켈 기반 고온 합금 분말 외에도 다른 금속 분말 소재로는 스테인리스강 316L, 174PH; 코발트 기반 합금 CoCrMo, CoCrW, CoCrMoW; 티타늄 및 티타늄 합금 TC4, TC11TA15, TiAl4822, Ti2AlNb; 니켈 기반 합금 FGH95, FGH96, FGH97, GH4169, 희소 금속 등이 있습니다. 2.2.2 플라즈마 회전 전극 분말 제조 기술(PREP법) 플라즈마 회전 전극 분말 제조 기술은 고활성 금속, 내열 니켈 및 티타늄 합금과 같은 금속 분말을 제조하는 데 사용됩니다. 이 기술은 원심 분무 원리를 채택합니다. 불활성 가스 환경에서 플라즈마 발생기와 전극이 아크를 생성합니다. 아크의 온도는 빠르게 회전하는 봉을 신속하게 용융시킬 수 있습니다. 용융 금속은 표면 장력의 작용으로 원심 분무되며, 원심 분무된 액체의 작은 액적은 비산실에서 빠르게 응고되어 입자가 됩니다. 마지막으로 입자는 침전되어 분말 수집 탱크로 떨어집니다.

플라즈마 회전 전극 분말 제조 기술로 생산된 분말은 우수한 구형도, 집중된 입도, 높은 표면 마감도, 낮은 가스 함량 및 높은 순도라는 장점을 갖습니다.

현재 러시아의 플라즈마 회전 전극 분말 제조 장비는 세계적인 수준입니다. 그림 5는 러시아 Granule 2000 플라즈마 회전 전극 분말 제조 장비입니다. 이 장비의 정적 진공 시스템, 동적 진공 시스템, 플라즈마 발생기, 봉 회전 시스템, 챔버 설계, 공급 설계, 가스 시스템 등은 국내 PREP 장비 설계보다 우수합니다. Granule 2000 플라즈마 회전 전극 분말 제조 장비의 회전 속도는 20000~25000 r/min에 달할 수 있습니다.

2.2.3 플라즈마 분무법(PA법)
플라즈마 분무법(PA법)은 플라즈마 건으로 금속 액적을 분무하여 구형 분말을 제조하는 방법입니다. 이 방법은 M.EntezaRian 등이 처음 제안했으며 1998년에 특허를 출원했습니다. 현재 캐나다 AP&C사는 플라즈마 분무 기술 분야의 세계적인 기업입니다. 이 회사는 해당 장비에 대한 완전한 기술 특허를 보유하고 있습니다. 플라즈마 분무는 본질적으로 가스 분무 분말 제조 기술입니다. 원리는 다음과 같습니다. 불활성 가스의 보호 아래 플라즈마 건으로 합금 와이어를 가열하여 용융 및 증발시키고 금속 증기로 만든 다음, 기체 급랭 냉각 기술을 통해 포화 금속 증기를 빠르게 응집, 핵생성 및 성장시켜 초미세 합금 분말을 얻습니다[26]. 플라즈마 분무로 제조한 합금 분말의 입도 분포는 비교적 좁으며 10~150 μm 범위이고, 50 μm 이하 분말이 약 40%를 차지하며 미세 분말 수율이 매우 높습니다. 또한 PA법으로 제조한 분말은 구형도가 높고 불순물 함량이 낮습니다. PA법의 주요 단점은 원료가 더 가는 와이어라는 점입니다. 와이어 원료의 제조 비용은 모합금 봉보다 높고 분말 제조 효율도 낮습니다.

현재 캐나다 AP&C사의 플라즈마 분무 장비에는 완전 자동 모니터링 시스템과 가스 회수 장치가 장착되어 있어 분말 품질의 안정성을 보장하고 가스 회수를 통해 생산 비용을 절감합니다. 이 기술은 고품질 구형 금속 분말의 대규모 생산에 적용되었으며, 분말 종류에는 순수 티타늄 및 티타늄 합금, 니켈 기반 합금 등이 포함됩니다.

2.2.4 전극 유도 가스 분무법(EIGA) 전극 유도 용해 가스 분무법(EIGA)은 세라믹 도가니를 사용하지 않는 초청정 가스 분무 분말 제조 기술입니다. 높은 가스 분무 생산 효율, 대량 생산 및 미세한 분말 입도라는 특징을 갖습니다. EIGA 분무 분말 제조의 원리는 다음과 같습니다. 불활성 가스의 보호 아래 모합금 봉을 공급 장치에 설치하고 일정한 회전 속도와 하강 속도로 아래쪽의 원뿔형 코일에 진입시킵니다 [12]. 봉의 끝부분은 원뿔형 초고주파 유도 코일에 의해 점차 용융되어 직경을 연속적으로 제어할 수 있는 합금 액류를 형성합니다. 중력의 작용으로 용융 액류는 아래의 분무실로 직접 흘러 들어가거나 떨어집니다. 고압 불활성 가스의 작용으로 합금 액류는 작은 액적으로 분해됩니다. 분무실에서 작은 액적은 자체 표면 장력의 작용으로 빠르게 구형화 및 응고되어 금속 분말을 형성합니다. EIGA 분말 제조 기술에서는 모합금의 전체 용융 과정에서 도가니와 가이드 노즐 같은 내화재를 사용하지 않으므로 비금속 불순물의 유입을 줄일 수 있습니다. VIGA법으로 생산한 분말과 비교하면 EIGA 분말은 입도가 더 작고 다량의 박편을 포함하지 않으며, 분말 입도 Dv(50)을 약 50~100 μm로 제어할 수 있고 생산 효율이 높습니다.

전극 유도 가스 분무 기술 공정을 최적화하여 독일 ALD사는 티타늄 및 티타늄 합금 분말 소재의 연구와 생산을 위한 다양한 전극 유도 가스 분무 분말 제조로 장비를 설계하고 개발했습니다. 이러한 장비는 전 세계적으로 보급되었습니다. 일본 OSAKA Titanium사가 전극 유도 가스 분무법으로 제조한 Ti6Al4V 분말의 중위 입도 Dv(50)은 약 40 μm이며, 분말의 구형도가 높고 위성 입자와 비금속 개재물이 적어 적층 제조 분야에 적용되고 있습니다.

2.3 정전 분리 기술 정전 분리 기술은 분말에서 비금속 개재물을 제거하는 핵심 기술입니다. 그 원리는 코로나 방전을 통해 분말 입자에 전하를 부여한 다음, 금속 분말과 비금속 개재물 사이의 전기적 특성 차이를 이용하여 분리하는 것입니다.

정전 분리 장치는 두 개의 전극으로 구성됩니다. 하나는 음극인 가는 금속 와이어이고, 다른 하나는 접지되어 일정한 회전 속도로 회전하는 대직경 금속 롤러인 양극입니다. 두 전극 사이의 전위차가 일정 값에 도달하면 두 전극 사이에서 코로나 방전이 발생합니다. 비금속 개재물을 포함한 금속 분말이 공급기를 통해 롤러 표면에 형성된 코로나 전기장으로 떨어지면 양극으로 날아가는 전자 및 음이온과 만나 롤러의 음전하를 띠게 됩니다. 금속 분말은 전도성이 높기 때문에 얻은 음전하가 롤러와 접촉한 후 빠르게 방출되고, 중력과 원심력의 작용으로 롤러 전면에서 완제품 분말 수집 영역으로 떨어집니다. 반면 비금속 개재물은 전도성이 낮아 전하를 쉽게 잃지 않습니다. 따라서 쿨롱력과 정전 흡착의 작용으로 롤러에 흡착되며, 롤러가 뒤쪽으로 회전할 때 롤러 브러시에 의해 털어집니다.

2.4 분말 체질 분무 공정 외에도 분말 특성을 결정하는 또 다른 핵심 공정은 금속 분말 원료의 후처리입니다. 여기에는 분말 입자의 산화 피막 형성, 분급(즉, 체질 또는 공기 분급) 및 혼합을 통한 최종 균일 분말 배치 제조가 포함됩니다. 분말 체질은 필요한 분말의 크기와 불순물의 크기 차이에 따라 요구되는 입도의 분말을 얻고 일부 불순물을 제거하는 공정입니다. 체질기는 체질 과정에서 분말이 산화되는 것을 방지하기 위해 진공 상태 또는 불활성 가스 보호하에서 작동합니다. 체질 공정의 주요 매개변수는 진동 스크린의 진동 진폭과 진동 주파수입니다. 일반적으로 VIGA법의 원료 분말은 100메시로 사전 체질해야 하며, 이는 분무 과정에서 발생하는 크고 불규칙한 물체가 스크린을 손상시키거나 막는 것을 방지하기 위한 것입니다.

또한 부동태화 후 분말의 유동성을 개선하는 다양한 기술이 있습니다. 현재 분말의 유변학적 특성(유동성 및 전개성)을 정량화하는 여러 방법이 있지만, 이들 사이의 상관관계는 아직 완전히 확립되지 않았습니다. 가장 간단한 깔때기 유동법(ASTM B213/ISO 4490/ASTM B964)을 제외하면 널리 사용되는 다른 방법은 없습니다. 특정 금속 합금에 허용되는 유동값이 무엇인지에 대한 AM 분야의 이해도 부족하므로 적층 제조용 분말 유동에 대한 더 많은 정량적 연구가 필요합니다.

3 분말 재사용성


항공우주 및 정형외과를 중심으로 한 산업 분야에서 AM 금속 분말을 빠르게 도입하고 있습니다. AM 금속 분말은 비용을 좌우하는 주요 요인 중 하나이며, 특히 고성능 응용 분야에서 그러하므로 분말 재사용에 대한 관심이 높습니다. 분말 중 실제로 용융되어 부품으로 융합되는 부분은 소량에 불과하므로, 남은 분말은 특정 응용 분야에서 더 이상 사용할 수 없을 때까지 여러 번 사용할 수 있습니다.



우수한 기계적 특성과 내산화성/내식성을 갖는 니켈 합금 718은 초합금의 용접성이 낮다는 단점을 극복하기 위해 1960년대에 처음 도입되었습니다. Deng 등은 니켈 합금 718 100 kg(PSD 45-106 μm)을 6회 재사용하여 분말 베드 융합(E-PBF) 장비에서 부품을 제조했습니다. 이 분말은 전극 유도 용해 불활성 가스 분무 공정(EIGA)으로 제조되었으며, 재사용 과정에서 원래 분말과 혼합하여 재생하지 않았습니다. 원래 분말과 비교했을 때 재활용 분말의 원소 조성은 크게 변하지 않았으며 산소 원소만 0.014 wt%에서 0.022 wt%로 증가했습니다. 6번째 빌드 후 서로 다른 위치에서 수집한 분말 입자의 화학 조성은 변하지 않았고, 원소 조성은 여전히 합금의 특정 요구 사항을 충족했습니다. 재사용 주기 후에도 유동성과 PSD 데이터는 크게 변하지 않았습니다. 그러나 6번째 빌드 주기 후 PSD 데이터에서는 입자의 평균 직경이 약간 증가한 것으로 나타났습니다. 이는 니켈 합금 718 분말이 전자빔 하에서 안정적이며 분말 크기와 화학 조성에 큰 변화 없이 여러 번 재사용될 수 있음을 보여줍니다.

열역학 원리에 따르면 니켈 718 합금에서는 다른 산화물의 생성보다 Al2O3의 생성이 더 유리합니다. E-PBF 공정 중 Al, Ti, Fe 또는 Cr의 산화는 불가피해 보이지만, 매우 낮은 산소 농도는 분말 표면에서 이러한 산화물의 생성을 억제할 수 있습니다. 이는 이러한 원소의 용융점에서 산소의 평형 분압이 이러한 산화를 방지하려면 10-7~10-9 mbar보다 낮아야 하기 때문입니다. 반면 E-PBE 장비의 높은 생산 온도는 산소의 확산 속도를 높입니다. 따라서 반응이 발생할 구동력이 존재합니다. L-PBF 및 E-PBF 공정 후 분말 표면에 Cr2O3와 Al2O3가 형성된 것이 관찰되었습니다. Cr2O3는 Al2O3보다 산소 친화력이 낮지만, 특히 니켈 718 합금 내 함량이 높다는 점을 고려하면 그 형성은 동역학적으로 유리합니다. 반복 사용 주기에서는 기존 산화물이 AM 공정의 고온에 노출될 때 점차 가장 안정한 산화물, 즉 Al2O3로 분해될 것으로 예상할 수 있습니다.

4 결론
우리나라는 분말 고온 합금과 다양한 핵심 기술의 연구 및 생산, 특히 고온 합금 분말 제조의 핵심 기술에서 많은 과학 연구와 기술 개발을 수행했으며 획기적인 성과를 거두었습니다. 이를 통해 우리나라 분말 고온 합금 핵심 부품의 조직과 성능을 보장하고 항공기 엔진의 국산화에 크게 기여했습니다. 분말 고온 합금의 세 가지 주요 결함을 제거하고 분말 성형 부품의 전반적인 성능을 향상하는 것을 목표로, 향후 고온 합금 분말은 고순도 미세 분말의 방향으로 발전해야 합니다.