개요 TC4 ELI 파우더
5등급 티타늄 합금으로도 알려진 TC4 ELI 분말은 분말 베드 융합 적층 제조에 사용되는 고급 경량 티타늄 합금 분말입니다. 고강도, 경량, 내식성, 피로 성능 및 생체 적합성의 탁월한 조합을 제공합니다.
TC4 ELI는 6% 알루미늄, 4% 바나듐, 나머지는 티타늄으로 구성됩니다. 이 소재는 중량 대비 강도가 우수하고 신뢰할 수 있는 기체 및 엔진 부품에 대한 항공우주 업계의 요구에 부응하기 위해 개발되었습니다.
TC4 ELI 파우더는 선택적 레이저 용융(SLM) 및 전자빔 용융(EBM)을 사용하여 3D 프린팅할 수 있어 CAD 데이터에서 직접 미세한 미세 구조를 가진 강력하고 복잡한 티타늄 부품을 제작할 수 있습니다. 적층 가공을 통해 TC4 ELI는 기존 티타늄 제조 방식으로는 불가능했던 차세대 설계를 가능하게 합니다.
이 문서에서는 TC4 ELI 파우더 커버링에 대한 종합적인 가이드를 제공합니다:
- 속성 및 구성
- 다양한 산업 분야에서의 애플리케이션
- 파우더 생산 방법
- 레이저 및 전자 빔 인쇄 프로세스
- 기계적 특성
- 후처리 절차
- 미세 구조 분석
- 공급업체 및 비용 요소
- 설계 원칙 및 이점
- 한계와 과제
- 다른 티타늄 합금과의 비교
- 자료의 향후 전망
TC4 ELI 파우더의 구성 및 특성
TC4 ELI는 다음과 같은 원소 성분을 포함하고 있습니다:
| 요소 | 무게 % | 역할 |
|---|---|---|
| 티타늄 | 잔액 | 내식성 및 생체 적합성을 제공하는 주요 요소 |
| 알루미늄 | 5.5-6.75% | 강화제 및 알파 안정제 |
| 바나듐 | 3.5-4.5% | 열처리를 가능하게 하는 베타 안정제 |
| 철 | <0.25% | 불순물 요소 |
| 산소 | <0.13% | 기계적 특성에 영향을 미치는 불순물 |
낮은 산소 함량으로 인해 "ELI" 또는 초저간극 버전은 표준 TC4에 비해 향상된 파단 인성을 제공합니다. 주요 특성은 다음과 같습니다:
- 밀도 - 4.43g/cm3, 강철보다 45% 가볍습니다.
- 뛰어난 중량 대비 강도 비율
- 높은 인장 및 피로 강도
- 우수한 골절 인성
- 뛰어난 내식성
- 뛰어난 생체 적합성 및 골유착성
- 최대 약 350°C의 열 안정성
이러한 특성으로 인해 TC4 ELI는 의료, 항공우주, 자동차 및 에너지 산업 전반의 까다로운 애플리케이션에 적합합니다.
SLM 및 EBM을 사용하여 프린트한 TC4 ELI 부품의 응용 분야
3D 프린팅 TC4 ELI는 복잡한 형상의 완제품 부품을 직접 생산할 수 있습니다:
항공우주
- 기체 구조 구성 요소
- 극한의 환경에 노출되는 엔진 부품
- 등각 냉각 터빈 블레이드
- 무인 항공기(UAV) 섹션
의료
- 무릎, 고관절, 척추 케이지와 같은 정형외과 임플란트
- 치과 임플란트 및 보철물
- 고강도 및 내식성이 요구되는 수술 기구
자동차
- 경량 섀시, 휠, 구동계 구성품
- 승객 안전 셀 구조
- 배기 및 엔진 시스템
에너지
- 해수에 노출된 오일 추출 성분
- 부식성 환경용 밸브, 파이프, 펌프
기타
- 로보틱스 및 UAV 구성 요소
- 명품 및 소비재
- 화학 및 공정 산업 애플리케이션
인쇄된 통합 어셈블리를 사용하여 하드웨어 설치를 줄이면 이러한 영역에서 리드 타임과 비용을 크게 절감할 수 있습니다.
TC4 ELI용 분말 생산 방법
TC4 ELI 파우더 3D 프린팅을 위한 다양한 공정을 통해 제작할 수 있습니다:
가스 분무
- 고압 불활성 가스는 용융된 TC4 ELI 금속을 미세한 방울로 분해합니다.
- 파우더 입자 모양은 매우 구형이며 표면 형태가 매끈합니다.
- 우수한 파우더 흐름과 높은 포장 밀도를 제공합니다.
- 내부 다공성이 낮아 순도가 우수합니다.
- 일반적으로 10~45미크론 사이의 촘촘한 입자 크기 분포.
플라즈마 원자화
- 플라즈마 토치를 사용하여 금속을 분해하기 위해 더 높은 온도를 생성합니다.
- 불규칙한 분말 모양은 입자 간 결합력을 향상시킵니다.
- 최대 150미크론까지 더 넓은 입자 크기 분포.
- 열처리가 필요한 더 높은 산소 픽업.
- 가스 분무에 비해 비용이 저렴한 프로세스.
수화물-탈수화물(HDH)
- 티탄화수소 분말을 분해하여 구형 TC4 ELI 분말을 생산합니다.
- 간극을 줄이면서 매우 높은 화학적 순도를 달성합니다.
- 분말 표면은 분무된 가스보다 더 매끄러울 수 있습니다.
- 63마이크론 미만의 작은 입자 크기로 제한됩니다.
가스 및 플라즈마 루트는 산업용 TC4 ELI 분말의 대량 생산을 위한 확장 가능한 생산을 제공합니다. HDH는 고순도 연구용/의료용 분말을 제공합니다.
선택적 레이저 용융 공정 개요
선택적 레이저 용융(SLM)은 TC4 ELI 티타늄 합금 분말에 주로 사용되는 3D 프린팅 공정입니다:
- 고출력 레이저는 각 층의 단면을 기준으로 파우더 베드의 영역을 선택적으로 융합합니다.
- TC4 ELI 파우더는 리코터 블레이드 또는 고무 롤러를 사용하여 빌드 플레이트 전체에 층을 형성합니다.
- 레이저가 각 레이어를 스캔하여 파우더를 완전히 녹여 견고한 3D 물체를 만듭니다.
- 부품은 용융된 파우더로 한 층씩 적층적으로 제작됩니다.
- 융합되지 않은 파우더는 빌드 중에 서포트를 제공합니다.
- 불활성 아르곤 분위기가 처리 중 산화를 방지합니다.
- 프린팅 후 후처리를 위해 파우더 케이크에서 부품을 제거합니다.
SLM은 최적화 시 50미크론까지 뛰어난 분해능과 우수한 기계적 특성을 제공합니다. 이를 통해 복잡한 TC4 ELI 부품을 단일 부품으로 통합할 수 있습니다.
TC4 ELI 티타늄의 SLM 공정 파라미터
TC4 ELI의 주요 SLM 인쇄 프로세스 파라미터는 다음과 같습니다:
| 매개변수 | 일반적인 범위 | 역할 |
|---|---|---|
| 레이저 파워 | 100-400 W | 각 파우더 층을 완전히 녹이기 위한 에너지 투입 |
| 스캔 속도 | 800-1200 mm/s | 각 레이어에 대한 레이저의 통과 속도 |
| 해치 간격 | 80-120 μm | 겹침 제어를 위한 스캔 트랙 간 거리 |
| 레이어 두께 | 30-50 μm | 얇은 레이어로 해상도 향상, 빌드 시간 단축 |
| 빔 직경 | 50-100 μm | 초점 레이저 스팟 크기, 용융 풀 폭에 영향을 미침 |
| 가스 흐름 | 8-12 L/min | 불활성 아르곤이 티타늄 분말의 산화를 방지합니다. |
99% 이상의 고밀도, 우수한 표면 마감 및 균형 잡힌 기계적 특성을 달성하려면 주어진 TC4 ELI 분말에 맞게 SLM 공정 파라미터를 광범위하게 최적화해야 합니다.
전자빔 용융 공정 개요
전자빔 용융(EBM)은 TC4 ELI 및 기타 반응성 티타늄 합금에 사용되는 대체 첨가제 제조 방법입니다:
- 고진공의 전자 빔이 분말 층을 선택적으로 융합합니다.
- 자기 코일은 파우더 베드를 가로질러 전자 빔에 초점을 맞추고 조향합니다.
- 빌드 챔버는 티타늄 반응성을 줄이기 위해 불활성 헬륨 가스로 다시 채워집니다.
- 최대 800°C의 높은 예열 온도(SLM의 100°C 대비)로 잔류 응력 감소
- 높은 파우더 베드 온도로 인해 지지 구조물 필요 없음
- TC4 ELI 부품은 EBM 프린팅 후 특징적인 질감의 표면을 가집니다.
SLM보다 해상도는 낮지만 EBM을 사용하면 빌드 속도가 빨라지고 파우더 처리가 더 간편해집니다.
인쇄된 상태와 열처리된 TC4 ELI의 기계적 특성
| 속성 | 인쇄된 대로 | 열처리 |
|---|---|---|
| 인장 강도 | 1050-1150 MPa | 950-1050 MPa |
| 수율 강도 | 950-1050 MPa | 860-960 MPa |
| 휴식 시 신장 | 8-15% | 15-25% |
| 피로 강도 | 500-600 MPa | 450-550 MPa |
| 골절 인성 | 55-75 MPa√m | 65-90 MPa√m |
| 경도 | 340-390 HV | 310-360 HV |
미세한 3D 프린팅 미세 구조는 높은 강도와 경도를 제공하지만 연성은 감소합니다. 용액 열처리 및 노화는 특정 용도에 필요한 강도, 연성 및 파단 인성 간의 균형을 맞춤화합니다.
TC4 ELI 부품의 후처리 방법
SLM 또는 EBM으로 인쇄된 TC4 ELI 구성 요소의 일반적인 후처리 단계는 다음과 같습니다:
- 파우더 베드에서 제거 - 손상되지 않도록 부품을 조심스럽게 제거하세요.
- 지원 제거 - 지지대를 기계적으로 잘라내거나 화학적 용해를 사용합니다.
- 스트레스 해소 - 잔류 응력을 제거하기 위해 600̊C까지 가열합니다.
- 열간 등방성 프레스 - 밀도를 높이고 연성을 향상시키기 위해 920 ̊C/103 MPa의 HIP를 사용합니다.
- 표면 마감 - 연삭, 밀링, 비드 블라스팅을 통해 표면 거칠기를 개선합니다.
- 열처리 - 용액 처리 및 숙성을 통해 기계적 특성을 맞춤화합니다.
- 품질 테스트 - CT 스캔, 현미경, 밀도, 기계적 테스트를 수행하여 요구 사항을 충족하는지 확인합니다.
응력 완화, HIP 및 열 처리의 조합은 특정 인쇄 TC4 ELI 부품 응용 분야에 필요한 강도, 연성 및 미세 구조의 최적의 균형을 만들어냅니다.
인쇄된 상태와 처리된 TC4 ELI의 미세 구조
조형 방향을 따라 길쭉하게 늘어진 미세한 원주형 선행 β 입자로 구성된 조형된 TC4 ELI 미세 구조입니다:
- 폭 10~30미크론, 길이 100~200미크론의 원주형 β 입자 크기
- 기둥 내부의 α 라스는 바스켓 직조 비드만슈테텐 패턴을 형성합니다.
- 인쇄 중 빠른 응고로 인한 높은 전위 밀도 관찰
- 텍스처 부족으로 모든 방향에서 등방성 특성 제공
열처리 후 미세 구조는 결함 밀도와 잔류 응력을 줄이면서 15~50미크론 너비의 보다 균일한 등축 알파+베타 입자로 재결정화됩니다:
- 용액 처리로 취성 마르텐사이트 α' 상 용해
- 노화로 인해 분산된 β 강화 입자가 침전됩니다.
- 위상 변환으로 파손이 중요한 애플리케이션의 연성 향상
- 입자가 거칠수록 경도는 감소하고 연성과 인성은 향상됩니다.
TC4 ELI 부품 인쇄 비용 분석
다음은 TC4 ELI 티타늄 합금을 사용한 적층 제조의 일반적인 비용 요소에 대한 개요입니다:
재료비
- TC4 ELI 파우더 - $350-$1000/kg
- 기타 빌드 재료 - $5-$20/kg
운영 비용
- 머신 요금 - $50-$300/시간
- 인건비 - $40-$150/시간
- 에너지 사용량 - $10-$30/시간
포스트 프로세싱
- 서포트 제거, 표면 마감 - 부품당 $50-$500
- 열처리, HIP - 부품당 $100-$2000
총 부품 비용
- 100g 미만의 소형 부품 - 각 $200-$2000
- 대형 복합 부품 - 각 $3000-$50,000
기계 가공과 비교했을 때, 프린트된 TC4 ELI는 감산 기술로는 불가능하지만 부품 비용이 더 높은 설계를 가능하게 합니다. 후처리를 추가하면 리드 타임도 기존 제조 방식보다 길어질 수 있습니다.
적층 제조용 TC4 ELI 공급업체
여러 분말 제조업체가 SLM 및 EBM 공정에 TC4 ELI 티타늄 합금을 공급합니다:
| 공급업체 | 입자 크기 | 순도 | 형태학 | 가격 |
|---|---|---|---|---|
| AP&C | 15-45 μm | Ti >99%, O <0.13%, N <0.05%, H <0.0125% | 구형 | $350-$800/kg |
| 목수 첨가제 | 10-45 μm | Ti >98%, O <0.14%, N <0.03%, H <0.012% | 구형 | $500-$1000/kg |
| LPW 기술 | 10-45 μm | Ti >99%, O <0.14%, N <0.03%, H <0.015% | 구형 | $400-$900/kg |
| TLS 테크닉 | 5-45 μm | Ti >99%, O <0.13%, N <0.05%, H <0.0125% | 구형 | $350-$750/kg |
가격은 순도, 입자 크기 분포, 분말 모양 및 로트 수량에 따라 kg당 $350-$1000입니다. 빌드 과정에서 상당한 양의 재료가 용융되지 않은 파우더로 낭비됩니다.
TC4 ELI 부품의 설계 원칙
다음은 SLM 또는 EBM을 사용하여 TC4 ELI 부품을 프린트할 때 고려해야 할 몇 가지 주요 설계 고려 사항입니다:
- 제거하기 어려운 지지 구조가 필요한 돌출부 최소화
- 스트레스 집중을 피하기 위해 각도(>45°)와 라운드를 포함하세요.
- 잔류 응력으로 인한 균열을 방지하기 위해 더 두꺼운 벽(>1mm)을 사용합니다.
- 지지되지 않는 스팬을 최소화하고 얇은 단면을 피하기 위해 파트의 방향을 지정합니다.
- 분말 제거를 개선하기 위해 구멍이 있는 완전 밀폐형 볼륨 설계
- 부품 치수 측정 시 200~300미크론 인쇄 공차를 고려합니다.
- 후가공을 위해 0.1~0.3mm 오버사이즈로 결합/고정 표면을 제작합니다.
- 가능한 경우 하위 어셈블리를 하나의 복잡한 인쇄 부품으로 통합합니다.
- 격자 및 세포 구조를 활용하여 무게 줄이기
설계 중에 부품의 열 및 구조 시뮬레이션을 수행하면 프린팅 후 잔류 응력이 높은 영역을 예측하는 데 도움이 됩니다.
TC4 ELI를 통한 적층 제조의 이점
3D 프린팅 TC4 ELI 티타늄 합금 부품의 주요 장점은 다음과 같습니다:
- 자유로운 디자인 - 복잡한 유기적 모양과 격자를 생성하여 중량 대비 강도 비율 최적화
- 사용자 지정 속성 - 소재 미세 구조 및 기계적 성능을 로컬로 맞춤화합니다.
- 하드웨어 감소 - 여러 부품으로 구성된 어셈블리를 단일 인쇄 구성 요소로 통합합니다.
- 리드 타임 단축 - CAD에서 직접 완제품을 신속하게 제조
- 비용 절감 - 가공 대비 구매 대 비행 비율 및 재료 낭비 감소
- 무게 감소 - 내부 격자를 사용하여 최대 75%까지 무게 감소
- 높은 강도 - 1000MPa 이상의 인쇄물 항복 강도
- 생체 적합성 - 환자별 임플란트 및 기구 활성화
- 내식성 - 석유, 가스 및 해양 애플리케이션의 까다로운 환경을 견뎌냅니다.
TC4 ELI를 사용한 적층 제조는 고강도, 경량화 및 내식성이 중요한 새로운 잠재적 응용 분야를 열어줍니다.
TC4 ELI 티타늄 인쇄의 과제
이러한 장점에도 불구하고 TC4 ELI로 인쇄하는 데에는 어려움이 있습니다:
- 불활성 대기가 필요한 고온에서 산소와 반응성이 높습니다.
- 열전도율이 낮으면 처리 중에 잔류 응력이 축적될 수 있습니다.
- 압인성 미세 구조는 경도는 높지만 연성 및 파단 인성이 감소합니다.
- 복잡한 내부 채널에서 지지 구조물을 제거하기는 어렵습니다.
- 99% 이상의 고밀도를 위해 SLM/EBM 파라미터를 최적화하는 데 상당한 노력이 필요했습니다.
- 고가의 파우더 소재는 시제품 제작 이상의 대량 생산 시 높은 부품 비용으로 이어집니다.
- 최대 파트 크기는 프린터 봉투 치수에 의해 제한됩니다.
- 추가 후처리를 통해 총 제조 리드 타임을 단축할 수 있습니다.
- 항공우주 및 의료 사양을 충족하려면 광범위한 품질 테스트가 필요합니다.
- 티타늄 인쇄 절차 및 후처리를 마스터하기 위한 가파른 학습 곡선.
결함 없는 고성능 TC4 ELI 부품을 성공적으로 인쇄하려면 세심한 공정 제어가 중요합니다.
TC4 ELI와 Ti-6Al-4V 합금의 비교
TC4 ELI는 널리 사용되는 Ti-6Al-4V와 같은 다른 티타늄 합금에 비해 장점이 있습니다:
Ti-6Al-4V
- 가장 널리 사용되는 티타늄 합금
- 저렴한 비용의 재료
- 용접성이 좋은 적당한 강도
- TC4 ELI보다 낮은 성형성
TC4 ELI
- 높은 인장 및 피로 강도
- 낮은 산소 함량으로 골절 인성 향상
- 연성 및 골절 저항성 증가
- 의료용으로 뛰어난 생체 적합성
- 보다 까다로운 항공 우주 애플리케이션에 사용
다른 주요 티타늄 합금으로는 다양한 특성을 가진 Ti-6Al-4V ELI, Ti 5553 및 Ti 64가 있습니다. TC4 ELI는 중요한 응용 분야에 가장 적합한 강도, 연성 및 내피로성을 제공합니다.
TC4 ELI 적층 제조의 향후 전망
앞으로 산업 전반에 걸쳐 TC4 ELI 파우더 베드 인쇄의 사용이 확대될 것으로 예상됩니다:
- 프로토타이핑을 넘어 프로덕션 애플리케이션까지 업계 채택이 증가하고 있습니다.
- 더 큰 부품을 제작할 수 있는 더 큰 빌드 볼륨을 갖춘 차세대 머신.
- 새로운 TC4 ELI 합금 유도체 및 복합재 추가 개발.
- 프로세스-미세 구조-속성 관계에 대한 이해도 향상.
- 소재 특성을 향상시키는 후처리 방법의 발전.
- AM과 CNC 가공을 결합한 하이브리드 제조의 사용 증가.
- 임플란트 및 의료용 기기의 의료 분야 적용 범위가 확대되었습니다.
- 규제 대상 항공우주 부품에 대한 3D 프린팅 TC4 ELI 부품 인증.
- 자동차 및 에너지 산업은 경량, 고강도 부품의 이점을 누리고 있습니다.
- 재사용 및 재활용 이니셔티브를 통해 파우더 비용 절감.
지속적인 재료 및 공정 개발을 통해 TC4 ELI 적층 제조는 향후 몇 년 동안 여러 부문에서 크게 확장될 것입니다.
결론
TC4 ELI 티타늄 합금은 높은 정적 및 피로 강도, 연성, 파단 인성, 내식성 및 생체 적합성의 탁월한 조합을 제공하여 항공, 우주, 의료, 자동차 및 에너지 산업 전반에 걸친 까다로운 응용 분야에 이상적인 소재입니다.
선택적 레이저 용융 또는 전자빔 용융 공정을 사용하는 3D 프린팅을 통해 복잡한 TC4 ELI 부품 형상을 미세한 미세 구조와 유리한 기계적 특성으로 제조할 수 있습니다. 그러나 공정 파라미터 최적화와 후처리는 특성, 치수 정확도 및 표면 마감에 매우 중요합니다.
적층 제조 방법이 발전함에 따라 TC4 ELI 부품은 시제품 제작부터 극한 조건에서 경량 강도를 요구하는 고부가가치 부품 생산에 이르기까지 그 활용 범위가 확대될 것입니다. 3D 프린팅은 설계의 자유와 커스터마이징을 통해 이 고급 티타늄 합금의 잠재력을 최대한 발휘합니다.
자주 묻는 질문
다음은 TC4 ELI 티타늄 합금 분말에 대한 몇 가지 일반적인 질문에 대한 답변입니다:
다른 티타늄 합금에 비해 TC4 ELI의 주요 장점은 무엇인가요?
TC4 ELI는 Ti-6Al-4V와 같은 주력 합금에 비해 강도, 연성, 파단 인성 및 피로 저항성이 더 높습니다. 산소 함량이 낮아 기계적 특성이 향상됩니다.
어떤 산업에서 TC4 ELI 티타늄 합금을 사용하나요?
항공우주, 의료, 자동차, 에너지 및 소비재 산업에서는 높은 중량 대비 강도, 내식성, 생체 적합성 및 피로 성능이 중요한 TC4 ELI를 사용합니다.
TC4 ELI 합금을 가공할 수 있는 3D 프린팅 방법은 무엇입니까?
선택적 레이저 용융(SLM)과 전자빔 용융(EBM)은 TC4 ELI 부품 프린팅에 사용되는 두 가지 주요 파우더 베드 융착 공정입니다.
인쇄된 TC4 ELI 부품에는 일반적으로 어떤 후처리 단계가 필요합니까?
일반적인 후처리에는 서포트 제거, 응력 완화, 열간 등방성 프레싱, 열처리, 표면 마감 및 품질 테스트가 포함됩니다. 이를 통해 미세 구조와 기계적 특성을 맞춤화합니다.
TC4 ELI 분말에 권장되는 입자 크기 범위는 어느 정도인가요?
입자 크기 범위는 10-45 미크론이 일반적입니다. TC4 ELI 파우더. 이를 통해 인쇄 중에 높은 해상도를 유지하면서 우수한 파우더 흐름을 제공합니다.
프린트된 TC4 ELI 부품의 소재 특성은 단조 또는 주조 TC4 ELI와 어떻게 다릅니까?
최적화된 SLM/EBM 파라미터와 후처리를 통해 인쇄된 TC4 ELI는 연성이 약간 낮으면서도 인장 강도와 경도는 단조 제품과 같거나 그 이상입니다.
현재 3D 프린팅되는 TC4 ELI 구성 요소에는 어떤 유형이 있나요?
인쇄된 TC4 ELI 부품에는 항공우주 기체 및 엔진 섹션, 생체 의학 임플란트, 자동차 부품, 에너지 산업용 유체 처리 부품, 소비재 등이 있습니다.
TC4 ELI 인쇄에서 향후 어떤 발전이 예상됩니까?
확장된 합금/복합재, 더 큰 제작량, 더 낮은 비용, 하이브리드 제조, 산업 전반에 걸친 새로운 응용 분야, 추가적인 물성 개선은 TC4 ELI AM의 미래 트렌드입니다.
