적층 제조용 티타늄 분말

티타늄 분말 은 선택적 레이저 용융(SLM) 및 전자빔 용융(EBM)과 같은 적층 제조 기술을 사용하여 고강도 경량 티타늄 부품을 프린팅하는 데 중요한 소재입니다. 이 가이드는 3D 프린팅용 티타늄 분말에 대한 포괄적인 개요를 제공합니다.

AM용 티타늄 분말 소개

티타늄 파우더를 사용하면 탁월한 특성을 지닌 티타늄 부품을 3D 프린팅할 수 있습니다:

• 높은 중량 대비 강도 비율
• 뛰어난 내식성
• 우수한 고온 특성
• 의료용 생체 적합성
• 반응형이며 제어된 처리가 필요함

AM용 일반적인 티타늄 합금:

• Ti-6Al-4V(Ti64)
• Ti-6Al-7Nb(Ti647)
• Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr(Ti5553)
• Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Ti-6-2-4-2)

주요 파우더 특성:

• 화학 및 미세 구조
• 입자 크기 및 분포
• 입자 모양 및 형태
• 순도
• 유동성 및 겉보기 밀도

Ti-6Al-4V 분말

Ti-6Al-4V는 적층 제조에 사용되는 가장 일반적인 티타늄 합금 분말입니다:

• 강도, 연성 및 내식성의 탁월한 조합을 제공합니다.
• 강도는 AM 부품의 경우 1300MPa 이상에 도달할 수 있습니다.
• 약 1600°C에서 녹으며 인쇄 시 열 관리가 필요합니다.
• 산소 흡수에 민감 - 통제된 대기가 필요함

애플리케이션:

• 항공우주 및 자동차 부품
• 정형외과용 무릎 및 고관절 치환술과 같은 생체 의학 임플란트
• 식품 및 화학 가공 산업 부품
• 소비자 제품

공급업체: AP&C, Tekna, 카펜터 첨가제, Arcam AB

Ti-6Al-7Nb 분말

Ti-6Al-7Nb 분말은 우수한 인장 강도와 크리프 저항성을 제공합니다:

• 강수량 경화로 인한 최대 1500MPa의 고강도
• 우수한 용접성
• 독성 바나듐 합금의 대안으로 사용됨
• 공극을 최소화하기 위해 열간 등방성 프레스(HIP)가 필요합니다.

애플리케이션:

• 기체 및 터빈과 같은 항공우주 부품
• 높은 스트레스를 받는 모터스포츠 부품
• 치과 임플란트 및 의료 보철
• 선박 및 프로펠러와 같은 해양 애플리케이션

공급업체: AP&C, TLS 테크닉 GmbH, 테크나

Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr 분말

Ti-5-5-5-3 분말은 뛰어난 경화성과 깊은 경화성을 제공합니다:

• 강도 수준 1400MPa 초과
• 350°C 이상에서 특성 유지
• 가공하기 어려운 티타늄 부품에 사용
• 높은 내피로성 및 크리프 강도 제공

애플리케이션:

• 항공기 랜딩기어 및 구조 부품
• 포뮬러-1 엔진 및 섀시 구성 요소
• 터빈 엔진 디스크 및 압축기 부품
• 항공우주용 패스너 및 하드웨어

공급업체: AP&C, 목수 첨가제, Arcam AB

Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo 분말

Ti-6-2-4-2 분말은 우수한 고온 가스 내식성을 제공합니다:

• 최대 600°C의 산화 및 부식에 대한 내성
• 최대 1300MPa의 뛰어난 강도
• 고온 가스에 노출되는 부품에 사용
• 최대 밀도를 달성하려면 열간 등방성 프레싱이 필요합니다.

애플리케이션:

• 항공기 엔진 블레이드 및 베인
• 로켓 엔진 노즐
• 뜨거운 가스 흐름에 노출된 미사일 부품
• 원자로 구성 요소

공급업체: AP&C, 테크나, 샌드빅 오스프리

1등급 및 2등급 티타늄

1등급 및 2등급 비합금 티타늄 분말 뛰어난 내식성을 제공합니다:

• 간극 요소가 적은 고순도
• 뛰어난 생체 적합성
• 합금에 비해 낮은 강도; 약 380MPa
• 화학, 해양 및 소비자 애플리케이션에 사용

애플리케이션:

• 두개골 판과 같은 생체 의학 임플란트
• 화학 반응기 용기 및 튜브
• 프로펠러 샤프트와 같은 선박 부품
• 식품 가공 장비

공급업체: AP&C, TLS 테크닉, 테크나 플라즈마 시스템즈

티타늄 알루미나이드 분말

Ti4522와 같은 티타늄 알루미나이드 합금은 경량 부품을 인쇄합니다:

• 저밀도 - 3.7g/cm3
• 최대 1,000 MPa의 강도
• 뛰어난 내식성
• 최대 750°C의 고온 성능
• 빠른 냉각 및 응고로 인한 까다로운 처리 과정

애플리케이션:

• 항공우주 압축기 부품
• 자동차 터보차저 휠
• 연소실 라이너
• 미사일 및 항공기 구조

공급업체: 케나메탈, AP&C, 샌드빅

티타늄 분말 생산 방법

1. 가스 분무

• 용융 금속을 미세한 방울로 분무하는 데 사용되는 불활성 가스
• AM에 이상적인 구형 분말, 10-100미크론
• 고순도, 고가일 수 있음

2. 플라즈마 원자화

• 플라즈마 가스를 사용하여 용융 금속을 원자화합니다.
• 제어된 입자 모양 및 크기
• 가스 분무보다 낮은 산소 흡입량

3. 3. 수화물-탈수화물(HDH)

• 분쇄된 티타늄 하이드레이드는 탈수됩니다.
• 불규칙한 모양, 큰 입자 크기
• 낮은 비용, 높은 불순물 함유 가능

기술 사양

일반 티타늄 분말 AM에 대한 사양:

입자 크기 분포, 모양, 화학적 특성, 밀도를 제어하는 것은 매우 중요합니다.

티타늄 분말의 취급 및 보관

산화와 습기 흡수를 방지하기 위해 특별한 취급이 필요합니다:

• 스테인리스 스틸 용기 및 이송 용기 사용
• 불활성 가스 글러브박스에서만 분말 취급
• 고순도 아르곤 분위기 사용
• 공기 및 물에 직접 노출되지 않도록 주의
• 모든 자재 취급 장비 접지
• 보관 온도 -10°C ~ 30°C 유지
• 프린터가 유휴 상태일 때 파우더 베드를 동결하여 산소 흡수를 방지합니다.

적절한 보관을 통해 티타늄 분말의 재사용 수명을 크게 연장할 수 있습니다.

분말 체질

체질은 일관된 입자 크기 분포를 얻기 위해 사용됩니다:

혜택

• 덩어리 해체
• 위성 입자 제거
• 결함 발생 가능성 감소
• 파우더 흐름 및 포장 개선

절차

• 20미크론 정도의 고운 망에 파우더를 체로 걸러줍니다.
• 회전 체질 또는 진동 체질 사용
• 불활성 커버 가스에서 수행
• 남은 분말 중량 비율 문서화

체질과 결합된 고품질 스타팅 파우더는 최종 부품 결함을 최소화합니다.

공급업체 및 가격

• 1등급 및 2등급 비합금 분말의 가격은 ~$150-250/kg입니다.
• Ti-6Al-4V 및 Ti-6Al-7Nb 비용 ~$250-450/kg
• 특수 합금 비용 $500-650/kg

가격은 주문량, 품질 수준, 미세 구조 및 형태에 따라 달라집니다.

프린터 설치 및 시운전

티타늄 AM 프린터를 설치하려면 다음이 필요합니다:

• 철저한 청소 및 누수 점검
• 아르곤 시스템의 순도 확인
• 분말 처리 시스템 로딩 및 테스트
• 빌드 플레이트 보정 및 수평 조정
• 냉각기, 가스 공급, 체질 스테이션 통합
• 프로그래밍 프로세스 파라미터
• 테스트 부품 인쇄를 통한 품질 검증

벤더는 이상적인 머신 설정을 보장하기 위해 설치 지원을 제공합니다.

인쇄 모범 사례

프린터 작동:

• 고순도 아르곤 수준 유지
• 용융 풀 및 열 거동에 대한 세심한 모니터링
• 모든 중요 차원에 대한 검증
• 필터 및 소모품 정기 교체
• 파우더 재사용 수준 모니터링

직원 안전:

• 분말을 취급할 때는 마스크와 같은 PPE를 사용하세요.
• 미세한 티타늄 분말과의 접촉을 피하세요.
• 사용한 티타늄 분말의 적절한 폐기

파트 후처리:

• 섬세한 부품에서 지지대 조심스럽게 제거
• 합금 및 용도에 맞는 열처리
• 밀도 향상을 위한 열간 등방성 프레싱
• 필요한 경우 CNC 가공 및 마감 단계

티타늄 합금으로 결함 없는 프린팅 부품을 제작하려면 공급업체에서 권장하는 절차를 따르는 것이 중요합니다.

유지 관리 및 검사

정기적인 유지 관리 활동이 필요합니다:

매일:

• 광학 장치의 손상 및 침전물 검사
• 아르곤 수준 및 산소 센서 모니터링
• 분말 처리 시스템 씰 및 센서 점검
• 빌드 챔버 청소 및 파우더 잔여물 체로 걸러내기

매주:

• 계측기 및 센서 보정
• 움직이는 부품 윤활 및 검사
• 전기 단자 및 접지 점검

월간:

• 아르곤 시스템에 대한 누출 테스트 수행
• 안전 장치 및 알람 점검
• 필터 상태 확인 및 필요 시 교체
• 전반적인 시스템 상태 모니터링

연간:

• 예방적 유지 관리 예약
• 소모품 및 광학 장치 교체
• 하드웨어 검사 및 업그레이드

사전 예방적 유지보수는 장비의 안정성과 수명을 향상시킵니다.

티타늄 인쇄 시스템 선택

티타늄 3D 프린팅 시스템의 주요 선택 기준:

1. 생산 요구 사항

• 생산할 부품의 유형
• 필요한 속성에 따른 재료 등급
• 필요한 생산량
• 정확도 및 표면 마감 요구 사항

2. 프린터 사양

• 지원 및 최적화된 합금
• 빌드 속도, 정밀도 및 반복성
• 불활성 가스 제어 및 격리
• 자동화 기능
• 크기 및 용량

3. 파우더 처리 시스템

• 통합 또는 독립형
• 선별, 저장 및 재사용 기능
• 산소 및 수분 모니터링
• 간편한 운영 및 격리

4. 표준 준수

• ASTM F2924와 같은 산업 표준
• 제조업체 품질 인증
• CE, FCC 규정 준수

5. 공급업체 자격 증명

• 티타늄 AM에 대한 전문 지식
• 로컬 애플리케이션 엔지니어링 지원
• 운영자 교육 제공
• 유지 관리 및 서비스 계약

이러한 요소를 기반으로 옵션을 평가하면 생산 요구 사항을 충족하는 이상적인 티타늄 적층 제조 시스템을 선택할 수 있습니다.

티타늄 AM의 장단점

장점

• 뛰어난 중량 대비 강도 비율
• 내식성, 생체 적합성
• 부품 수 감소, 성능 향상
• 복잡한 형상을 빠르게 처리
• 맞춤형 디자인 및 배치 생산
• 기계 가공에 비해 스크랩 감소
• 어셈블리를 하나의 부품으로 통합

단점

• 높은 재료 및 기계 비용
• 추가 후처리 단계
• 최대 부품 크기 제한
• 내부 결함을 제어하는 것은 어려울 수 있습니다.
• 소재 속성은 가공된 것과 다를 수 있습니다.
• 전문 지식 필요

티타늄 AM 문제 해결

자주 묻는 질문

Q: 반응성 티타늄 분말은 어떻게 안전하게 취급하나요?

A: 불활성 가스 글러브박스와 호퍼를 사용하고, 공기 노출을 피하고, 인쇄하는 동안 적절한 아르곤 수준을 유지합니다.

Q: 티타늄 AM 파우더에는 어떤 입자 크기가 사용되나요?

A: 일반적으로 10~45미크론이며, 20~45미크론 분포에서 더 엄격한 제어가 가능합니다.

질문: 어떤 후처리 방법이 사용되나요?

A: 지지대 제거, 열처리, 열간 등방성 프레스, 마감 가공/연마.

Q: 티타늄 분말 재사용에 영향을 미치는 오염 물질에는 어떤 것이 있나요?

A: 산소, 질소, 수소 및 탄소 흡착은 재사용 수명을 단축시킵니다. 엄격한 취급 절차가 필요합니다.

Q: 티타늄 파우더는 몇 번이나 재사용할 수 있나요?

A: 합금, 취급 및 보관에 따라 일반적으로 20~100장까지 인쇄할 수 있습니다. 23등급 티타늄은 5등급보다 재사용성이 우수합니다.

Q: 티타늄 AM 부품을 열처리할 때 어떤 온도를 사용합니까?

A: 용액 처리는 베타 트랜스수스 온도보다 50~100°C 낮은 온도에서 이루어지며, 이후 숙성 및 공기/용광로 냉각이 이루어집니다.

Q: 티타늄 AM 파우더에는 어떤 표준이 적용되나요?

A: ASTM B801, ASTM F2924, ASTM F3001, ISO 23304(개발 중).

Q: 열간 등방성 프레스가 사용되는 이유는 무엇인가요?

A: HIP는 내부 공극을 메우고 더 높은 밀도와 향상된 기계적 특성을 달성하는 데 도움이 됩니다.

결론

티타늄 분말을 사용하면 첨단 항공우주, 의료, 자동차 및 산업 응용 분야를 위한 매우 강하고 가벼운 티타늄 부품을 SLM 및 EBM과 같은 AM 기술을 사용하여 프린팅할 수 있습니다. 기존 티타늄보다 우수한 특성으로 복잡한 형상을 빠르고 효율적으로 제조할 수 있습니다. 하지만 무결점 결과를 얻으려면 반응성 파우더 취급, 제어된 공정 파라미터, 숙련된 작업자 및 부품 검증 절차가 필수적입니다. 전문성이 더욱 발전함에 따라 티타늄 분말을 사용하는 적층 가공은 리드 타임을 단축하면서 맞춤형 고성능 티타늄 부품을 제조할 수 있는 전례 없는 기능을 제공합니다.

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