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:
| 매개변수 | 사양 | 테스트 방법 |
|---|---|---|
| 입자 크기 | 10 - 45 미크론 | ASTM B214 |
| 겉보기 밀도 | 2.2 - 4.5g/cc | ASTM B212 |
| 탭 밀도 | 3.5 - 5.5g/cc | ASTM B527 |
| 유량 | 25 - 35 초/50g | ASTM B213 |
| 산소 함량 | < 0.20% | 불활성 가스 융합 |
| 질소 함량 | < 0.05% | 불활성 가스 융합 |
| 수소 함량 | < 0.015% | 불활성 가스 융합 |
| 형태학 | 구형 | SEM 이미징 |
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
| 공급업체 | 성적 | 가격 범위 |
|---|---|---|
| AP&C | Ti64, Ti64 ELI, Ti5553 | $150 - $450/kg |
| 목수 첨가제 | Ti64, Ti5553, Ti64 ELI | $200 - $500/kg |
| TLS 테크닉 | Ti64, Ti4522, Ti54M | $250 - $600/kg |
| Tekna | Ti64, Ti64 ELI, Ti45Nb | $180 - $480/kg |
- 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
| 이슈 | 가능한 원인 | 시정 조치 |
|---|---|---|
| 다공성 | 저순도 아르곤 대기 | 순도 99.99% 이상의 아르곤 수준 보장 |
| 파우더 품질 저하 | 체질과 결합된 고품질 분말 사용 | |
| 잘못된 프로세스 매개변수 | 전력, 속도, 해치 간격과 같은 파라미터 최적화 | |
| 크래킹 | 높은 잔류 스트레스 | 열 관리 최적화, 예열 사용 |
| 부서지기 쉬운 미세 구조 | 스캔 전략 조정, HIP 사용 | |
| 오염 | 분말 취급 개선, 높은 아르곤 순도 보장 | |
| 표면 마감 | 용융 풀 제어 불량 | 초점 오프셋, 레이어 두께, 파워 조정 |
| 오염된 분말 | 신선한 체로 쳐진 티타늄 분말 사용 | |
| 왜곡 | 고르지 않은 난방 | 스캔 패턴 최적화, 지원 구조 사용 |
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.
