3D 프린팅용 니켈 합금 분말

3D 프린팅용 니켈 합금 분말에 대해 알아야 할 모든 것

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MIM용 440C

3D 프린팅용 니켈 합금 분말 개요

3D 프린팅, 일명 적층 제조는 항공우주, 자동차, 의료, 소비재와 같은 산업 전반에 걸쳐 제품 설계 및 제조에 혁신을 가져왔습니다. 3D 프린팅은 재료를 제거하는 기존의 감산식 제조와 달리 디지털 3D 모델을 기반으로 구성 요소를 한 층씩 쌓아 올립니다.

금속 3D 프린팅에 가장 널리 사용되는 기술 중 하나는 파우더 베드 퓨전으로, 열 에너지원이 파우더 베드의 특정 영역을 선택적으로 융합합니다. 타의 추종을 불허하는 설계 자유도, 구매 대 비행 비율, 복잡한 부품의 경제적인 생산으로 인해 다음과 같은 파우더 베드 기술이 크게 채택되고 있습니다. 선택적 레이저 용융 (SLM), 직접 금속 레이저 소결(DMLS) 및 전자빔 용융(EBM).

니켈 합금은 고강도, 내식성, 내열성 등의 특성을 지닌 다용도 재료로 3D 프린팅에 이상적인 후보입니다. 파우더 베드 용융에 사용되는 가장 일반적인 니켈 합금 분말에는 인코넬 초합금, 스테인리스강, 하스텔로이, 니모닉스, 코바, 인바르, 모넬, 니켈-티타늄 합금, 니켈 기반 초합금 등이 있습니다.

니켈 합금 분말의 구성

니켈 합금은 원소 구성과 미세 구조에서 그 특성이 결정됩니다. 니켈 함량은 합금에 따라 2%에서 99%까지 다양합니다. 니켈은 내식성, 내산화성, 고온 강도와 같은 특성을 부여합니다. 용도에 따라 특정 특성을 향상시키기 위해 합금 원소가 추가됩니다.

니켈 합금 분말 조성물

합금 제품군 니켈 함량 합금 원소
인코넬 30-80% Cr, Mo, Nb, Ta, Al, Ti, Fe
스테인리스 스틸 2-20% Cr, Mo, Mn, Si, C
하스텔로이 35-60% Mo, Cr, W, Fe, Co
니모닉 50% 이상 Cr, Ti, Al, Mo
코바르 17% Fe, Co, Mn, Si
Invar 36% Fe
모넬 67% 이상 Cu, Fe, Mn, Si, C
니켈-티타늄 55% Ni, 45% Ti –
니켈 초합금 50% 이상 Cr, Co, Mo, W, Ta, Al, Ti, Nb

스테인리스강과 니켈 초합금에 함유된 크롬은 산화 및 내식성을 향상시킵니다. 몰리브덴, 텅스텐, 탄탈륨은 크리프 강도와 고온 기계적 특성을 향상시킵니다. 코바르 및 인바르와 같은 합금의 철은 열팽창 거동을 제어합니다. 알루미늄, 티타늄, 니오븀은 강수량 경화를 위해 첨가됩니다. 망간은 열연성을 개선하고 탄소는 강도와 경도를 향상시킵니다. 실리콘은 유동성과 용접성을 향상시킵니다.

합금이 미세 구조 형성 및 특성에 미치는 영향을 이해하면 응용 분야에 맞는 최적의 재료를 선택하는 데 도움이 됩니다. 미션 크리티컬 부품을 프린트하기 전에 파우더 구성과 품질에 대한 적절한 특성 분석과 검증이 중요합니다.

최적화된 분말로 인쇄된 니켈 합금의 고유한 특성 덕분에 다양한 응용 분야와 극한 환경에서 사용할 수 있습니다. 아래 표에는 일반적인 합금 제품군에 대한 일반적인 특성이 요약되어 있습니다.

니켈 합금 분말 제품군의 특성

합금 제품군 밀도 융점 인장 강도 열 전도성 열 팽창 산화 저항 내식성
인코넬 8.2-8.4g/cc 1300-1450°C 750-1380 MPa 11-16 W/mK 12-16 μm/m°C 우수 우수
스테인리스 스틸 7.5-8.1g/cc 1375-1500°C 450-1100 MPa 15-30W/mK 10-18 μm/m°C 양호 양호-우수
하스텔로이 8.1-9.2g/cc 1260-1350°C 550-1000 MPa 6-22 W/mK 12-16 μm/m°C 양호-우수 우수
니모닉 8.1-8.7g/cc 1260-1400°C 500-1200 MPa 10-30W/mK 12-17 μm/m°C 양호 양호
코바르 8.2g/cc 1450°C 550 MPa 17W/mK 5.9μm/m°C Poor Poor
Invar 8g/cc 1427°C 200-450 MPa 10.5W/mK 1.2 μm/m°C 공정 공정
모넬 8.8g/cc 1350-1370°C 550-950 MPa 21-48W/mK 13-17 μm/m°C 공정 우수
니켈-티타늄 6.4g/cc 1240-1310°C 600-900 MPa 8-18W/mK 11 μm/m°C 공정 우수
니켈 초합금 8-9g/cc 1260-1350°C 750-1400 MPa 11-61 W/mK 12.5-17 μm/m°C 양호-우수 보통-좋음

니켈 합금의 높은 융점은 가공 중 부품의 뒤틀림이나 변형을 방지합니다. 넓은 온도 범위에 걸친 강도 수준은 하중을 견디는 구조물 적용을 가능하게 합니다. 열팽창 거동이 제어되어 공차가 엄격한 정밀 부품을 제작할 수 있습니다. 내식성 및 내산화성이 뛰어나 해양, 화학, 석유 및 가스 등 혹독한 환경에서도 사용이 가능합니다.

파우더 구성과 공정 파라미터를 조정하여 재료 특성을 설계 요구 사항에 맞게 최적화할 수 있습니다. 그러나 적층 제조의 이방성 특성으로 인해 방향에 따라 특성이 달라질 수 있습니다. 원하는 성능을 달성하려면 적절한 설계와 품질 보증이 핵심입니다.

니켈 합금은 다재다능한 특성 덕분에 항공우주, 방위, 자동차, 해양, 석유 및 가스, 화학 처리, 발전, 의료, 금형 및 기타 일반 엔지니어링 분야의 다양한 응용 분야에 적합합니다.

산업 니켈 합금 분말의 응용 분야 가족

합금 제품군 산업 애플리케이션
인코넬 항공우주, 방위, 자동차, 화학 공정, 석유 및 가스, 발전, 로켓, 미사일, 원자력
스테인리스 스틸 항공우주, 방위, 자동차, 의료, 해양, 건축, 화학, 식품 가공, 금형, 툴링, 금형
하스텔로이 항공우주, 방위, 화학 처리, 오염 제어, 발전, 석유 및 가스
니모닉 항공우주, 방위, 발전, 화학 공정, 툴링
코바르 전자, 반도체, 집적 회로, 패키징
Invar 전자, 광학, 정밀 기기, 항공 우주
모넬 해양, 석유 및 가스, 화학 처리, 발전, 펄프 및 제지
니켈-티타늄 의료 기기, 액추에이터, 센서, 항공 우주, 석유 및 가스
니켈 초합금 항공우주, 방위, 발전, 석유 및 가스, 자동차, 툴링

3D 프린팅으로 생산되는 니켈 합금 부품의 몇 가지 예는 다음과 같습니다:

  • 항공우주: 터빈 블레이드, 노즐, 연소기, 밸브, 브래킷, 열유체 구성품
  • 자동차: 터보차저 로터, 매니폴드, 밸브, 구동계 부품
  • 의료: 임플란트, 보철물, 수술 기구, 환자 전용 기기
  • 석유 및 가스: 다운홀 공구, 밸브, 유정 구성품, 파이프 피팅
  • 툴링: 사출 금형, 압출 금형, 지그 및 픽스처, 프레스 도구
  • 일반: 열교환기, 유체 취급 부품, 패스너, 하우징, 인클로저

3D 프린팅 니켈 합금은 뛰어난 소재 특성, 복잡한 형상, 짧은 리드 타임, 비용 절감, 설계 유연성 덕분에 여러 중요 응용 분야에서 매우 매력적인 옵션으로 활용되고 있습니다.

니켈 합금 분말은 3D 프린팅 요구 사항에 맞는 다양한 크기 분포, 형태 및 품질 수준으로 시판되고 있습니다. 일반적인 사양은 다음과 같습니다:

일반적인 니켈 합금 분말 사양

속성 일반적인 값
합금 구성 맞춤형 합금, ASTM/ASME에 따른 등급
파티클 모양 구형, 구형에 가까운
입자 크기 10-45 미크론
입자 크기 분포 D10: 15-25μm, D50: 25-35μm, D90: 35-45μm
겉보기 밀도 2.5-5.5g/cc
탭 밀도 4-8g/cc
유동성 우수한 홀당 유량계
잔류 산소 100-400 ppm
잔류 질소 50-150 ppm
잔류 탄소 100-300 ppm

특정 인쇄 공정에 이상적인 범위의 D10, D50 및 D90 값을 갖는 구형 형태와 좁은 입자 크기 분포는 우수한 밀도 및 기계적 특성을 달성하는 데 도움이 됩니다. 유동성이 높아 재코팅 시 파우더 응집 및 확산성 문제를 방지합니다. 잔류 산소, 질소 및 탄소가 낮아 오염과 다공성을 최소화합니다.

파우더 품질, 크기 매개변수 및 기타 특성은 최종 부품 특성에 큰 영향을 미치며 프린터 및 응용 분야 요구 사항에 부합해야 합니다. 대부분의 공급업체는 사용자 사양을 충족하기 위해 맞춤형 합금 구성과 입자 최적화를 제공합니다.

니켈 합금 분말을 처리하는 데 사용되는 가장 일반적인 적층 제조 방법은 다음과 같습니다:

니켈 합금 분말 프린트 공정

방법 설명
선택적 레이저 용융(SLM) 집속 레이저 빔으로 융합된 파우더 베드
직접 금속 레이저 소결(DMLS) SLM과 유사하지만 저출력 레이저
전자빔 용융(EBM) 진공 상태에서 전자빔으로 융합된 파우더 베드
레이저 금속 증착(LMD) 레이저로 생성된 용융 풀에 분말 주입
직접 에너지 증착(DED) 분말 또는 와이어 피드를 사용하는 LMD와 유사
바인더 분사 파우더 베드에 선택적으로 인쇄되는 액체 접착제

SLM과 DMLS는 고출력 밀도 레이저를 사용하여 금속 분말을 층별로 조밀한 부품으로 완전히 녹입니다. EBM은 전자 빔을 전원으로 사용하여 진공 상태에서 부품을 제작합니다. 와이어 공급식 LMD는 집속 레이저를 사용하여 들어오는 금속 와이어를 용융합니다. 바인더 젯팅은 액체 바인더를 프린팅하여 부품을 형성한 후 소결합니다.

선택한 특정 기술은 부품 크기, 형상 복잡성, 표면 마감, 피처 해상도, 생산 속도 및 비용과 같은 요소에 따라 달라집니다. 각 공정에는 분말 합금 구성에 맞는 프린터 설정과 파라미터를 최적화해야 합니다.

니켈 합금 분말 공정 파라미터

밀도, 강도, 정밀도 및 표면 마감을 최적화해야 하는 니켈 합금의 중요한 프린터 파라미터에는 다음이 포함됩니다:

일반적인 SLM/DMLS 프로세스 파라미터

매개변수 일반적인 범위
레이어 두께 20-60 μm
레이저 파워 100-400 W
스캔 속도 400-1200 mm/s
해치 간격 80-200 μm
빔 크기 50-200 μm
스캔 전략 체스, 스트라이프, 윤곽선
지원 구조 일반, 조각화, 하이브리드

일반적인 EBM 프로세스 매개변수

매개변수 일반적인 범위
레이어 두께 50-200 μm
전자빔 파워 3-15 kW
속도 기능 20-200 mm/s
라인 오프셋 0.1-0.3mm
초점 오프셋 15-35 mA
스캔 전략 단방향, 양방향
지원 구조 일반, 무거운

더 낮은 레이어 두께와 빔 크기가 더 빠른 스캔 속도와 결합되어 해상도, 정확도 및 표면 마감이 향상됩니다. 체스 또는 스트립 스캔 패턴이 일반적으로 사용됩니다. 주변 윤곽은 가장자리 품질을 개선합니다. 최적화된 지지 구조는 변형을 방지하지만 제거가 더 쉽습니다. 예열 및 분말 재활용은 밀도와 재료 품질을 향상시킬 수 있습니다.

최적화된 니켈 합금 분말을 사용하는 적층 제조는 기존 제조 방식에 비해 많은 이점을 제공합니다:

  • 자유로운 디자인: 가공으로 불가능한 복잡한 형상
  • 무게 감소: 토폴로지 최적화를 통한 구성 요소 경량화
  • 부품 통합: 복잡한 형상 인쇄로 조립 시간 단축
  • 사용자 지정: 환자 맞춤형 의료 기기, 툴링
  • 폐기물 감소: 필요한 만큼의 재료만 사용
  • 리드 타임 단축: 생산 툴링에 소요되는 주 대 수개월
  • 프로세스 유연성: 손쉬운 디자인 반복 및 최적화
  • 성능 이점: 이방성 강점, 임베디드 기능
  • 비용 절감: 툴링 비용 제거, 소량 생산
  • 구매 대 비행 비율: 블록에서 가공하지 않고 최종 부품만 인쇄하기

3D 프린팅은 설계 범위를 확장하고 기존 기술로는 실현 불가능하거나 경제성이 없는 새로운 니켈 합금 부품을 가능하게 합니다. 3D 프린팅은 항공우주, 의료, 자동차 및 기타 산업 전반에 걸쳐 생산 혁신을 일으키고 있습니다.

현재 대부분의 주요 금속 분말 제조업체는 적층 제조에 최적화된 다양한 니켈 합금 분말을 제공합니다. 주요 공급업체는 다음과 같습니다:

주요 니켈 합금 분말 공급 업체

공급업체 주요 합금 등급
Met3DP 인코넬 625, 718, 하스텔로이 X, 스테인리스강
샌드빅 물수리 스테인리스강, 초합금, 티타늄 합금
프렉스에어 인코넬 718, 625, 하스텔로이 X, 스테인리스강
AP&C 인코넬 718, 625, 스테인리스강
LPW 기술 인코넬 718, 스테인리스강, 니켈 초합금
SLM 솔루션 스테인리스 스틸 316L, 17-4PH, 니켈 초합금
GE 애디티브 스테인리스 스틸 316L, 인코넬 718, 625, 하스텔로이

공급업체는 다양한 크기 분포, 우수한 분말 유동성, 낮은 산소 및 수분 함량, 로트 추적성, 공정 및 응용 분야 요구 사항에 맞춘 맞춤형 합금을 제공합니다. 대부분의 공급업체는 일관된 고품질 분말을 보장하기 위해 전문화된 특성화를 제공합니다.

일반적인 니켈 합금 분말의 평균 비용은 아래에 요약되어 있습니다:

니켈 합금 분말 비용

재질 kg당 비용
인코넬 718 $75-150
인코넬 625 $60-120
스테인리스 스틸 316L $35-70
스테인리스 스틸 17-4PH $45-90
하스텔로이 X $85-170
니켈 초합금 $90-200

인코넬 718 및 하스텔로이 X와 같은 고성능 합금은 프리미엄이 붙는 반면 스테인리스 스틸은 가장 저렴한 옵션인 경향이 있습니다. 하지만 소재 비용은 전체 부품 비용의 한 요소일 뿐입니다. 설계 유연성, 성능 이점 및 리드 타임 단축으로 인한 부가가치는 소량 생산 시 높은 분말 가격을 상쇄하는 경우가 많습니다.

파우더를 대량으로 구매하면 비용을 절감할 수 있습니다. 많은 공급업체가 분말 재사용 및 재활용 서비스도 제공합니다. 구매자는 적절한 니켈 합금 분말을 선택할 때 인건비, 후처리, 재료 활용도, 기계적 특성 및 기타 요인을 포함한 총 비용을 전반적으로 평가해야 합니다.

도매 가격: $20/Kg-$200/Kg

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3D 프린팅 금속 분말에 대한 FAQ

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