티타늄 적층 제조(AM) 분말은 항공우주, 의료 및 자동차 분야에서 강하고 가벼운 티타늄 부품의 3D 프린팅을 가능하게 합니다. 이 가이드에서는 티타늄 AM 파우더의 구성, 특성, 원자화 생산 방법, 응용 분야, 사양, 가격 및 비교를 다룹니다.
개요 티타늄 AM 분말
티타늄 AM 파우더는 레이저 분말 베드 용융(L-PBF) 및 직접 에너지 증착(DED)과 같은 적층 제조 공정에 특별히 최적화된 미세 티타늄 입자를 말합니다.
고순도(>99% Ti), 제어된 입자 크기 분포, 우수한 유동 특성을 갖춘 티타늄 AM 분말은 얇은 층으로 퍼져 레이저로 층별로 선택적으로 용융되어 그물 모양에 가까운 3D 프린팅 부품으로 응고되는 전구체 원료 소재입니다.
티타늄을 AM에 매력적으로 만드는 주요 특성:
- 높은 중량 대비 강도 비율
- 뛰어난 내식성
- 생체 적합성 및 무독성
- 고온을 견디는 능력
- 사용자 지정 지오메트리 가능
- 설계 유연성을 통한 비용 절감
- 바이투플라이 비율 개선
AM은 항공우주, 의료, 해양 및 화학 공정 산업 분야에서 단조 및 주조를 넘어 티타늄 응용 분야를 확장하고 있습니다.
티타늄 AM 파우더 배리언트 구성
화학에 따른 일반적인 티타늄 AM 파우더 변형은 다음과 같습니다:
표 1: 티타늄 AM 파우더의 주요 성분
| 등급 | 구성 | 특성 |
|---|---|---|
| Ti 6Al 4V ELI | 6% Al, 4% V, 0.08% 최대 O | 가장 널리 사용되는 티타늄 합금 |
| Ti 6Al 4V | 6% Al, 4% V, 0.2%max O | 항공우주 압출 합금 |
| 순수 티타늄 | 99.7% Ti, 0.10%max O | 임플란트에 적합한 높은 내화학성 |
| Ti 5553 | 5% Al, 5% Mo, 4% V | 더 높은 강도 |
| Ti 64 | 6% Al, 4% V | 제트 엔진에 사용되는 열처리 가능 |
산소 외에 Fe, C, N, H와 같은 다른 미량 불순물이 최소화됩니다. 이 합금은 강도와 온도 저항성을 제공하며 순수 티타늄은 생체 적합성을 제공합니다.
Ti 5553 및 Ti 64와 같은 특수 합금은 기능 향상이 필요한 우주 및 방위 분야의 틈새 애플리케이션에 적합합니다.
티타늄 AM 분말의 생산 방법
가스 분무는 적층 제조 공정에 적합한 구형 티타늄 분말을 생산하는 데 주로 사용되는 상업적 규모의 공정입니다:
표 2: 가스 분무를 통한 티타늄 AM 분말 생산 개요
| 단계 | 설명 |
|---|---|
| 공급 원료 용융 | 보호 아르곤에서 플라즈마 아크를 사용하여 용융된 티타늄 잉곳/스카프 |
| 용융물 붓기 | 용융 금속 스트림이 분무기 노즐에 부어집니다. |
| 가스 분무 | 고속 불활성 아르곤 제트가 용융물을 미세한 물방울로 분해합니다. |
| 파우더 수집 | 구형 입자가 고형화되어 챔버에 모입니다. |
| 체질 | 진동 스크린을 사용하여 분리한 특정 입자 크기 분포 |
질소 대신 아르곤으로 분무하여 분말 오염을 최소화합니다. 불활성 가스는 또한 발열 위험을 방지하여 분말을 더 안전하게 취급할 수 있습니다.
특수 시스템을 통해 생산되는 100미크론 미만의 미세 입자 수를 개선하여 파우더 베드 패킹 및 레이어 해상도를 향상시킴으로써 AM 공정 생산성을 높입니다.
주요 속성 및 특성
티타늄 AM 파우더의 두드러진 특징은 다음과 같습니다:
표 3: 티타늄 AM 파우더가 나타내는 일반적인 특성
| 속성 | 특성 |
|---|---|
| 순도 | >99% 티타늄 함량 |
| 불순물 | <산소 1000ppm 미만 선호 |
| 파티클 모양 | 주로 구형 |
| 입자 크기 | 15-45미크론 공통 |
| 유량 | 28-35초/50g 홀 유량계 속도 보조 인쇄 가능 |
| 탭 밀도 | ≥2.5g/cc 이상이면 베드 패킹이 개선됩니다. |
| 하우스너 비율 | <1.25 미만은 우수한 파우더 흐름 보장 |
| 겉보기 밀도 | 일관성을 위한 밀도 범위 <5%의 좁은 분포 |
화학 성분 외에도 일관된 구형 형태, 매끄러운 크기 분포, 파우더 유량 및 밀도와 같은 입자 특성이 정밀한 3D 프린팅을 위한 채택률을 결정합니다.
생체 적합성, 표면 마감, 모듈러스 범위, 경도 및 동적 하중 지지력과 관련된 애플리케이션 요구 사항을 충족하는 것은 우수한 파우더 품질에 달려 있습니다.
티타늄 AM 파우더의 응용 및 용도
티타늄 AM 파우더를 사용하여 만든 복잡하고 가벼운 프린트 부품은 다음과 같은 중요한 응용 분야에 사용됩니다:
표 4: 티타늄 AM 파우더의 주요 응용 분야
| 산업 | 애플리케이션 |
|---|---|
| 항공우주 | 터빈 블레이드, 임펠러, 기체 및 엔진 부품 |
| 의료 | 정형외과 및 치과용 임플란트, 보철물, 수술 도구 |
| 자동차 | 커넥팅 로드, 밸브, 기어박스 구성품 |
| 화학 | 컬럼, 촉매 하우징, 부식 방지 용기 |
| 석유 및 가스 | 해수 배관/펌프 하우징, 해저 구성품 |
| 방어 | 헬리콥터 스핀들과 같은 전투 차량 예비품이 현장에서 인쇄됩니다. |
기존 티타늄 가공의 장점 - 신속한 프로토타입 제작으로 리드 타임 단축, 토폴로지 최적화를 통한 복잡한 중공형 또는 생체 공학 형상 제작 능력, 감산 공정이 필요 없어 낭비 감소.
사양 기준 티타늄 AM 분말
티타늄 AM 파우더 배치를 인증하는 전 세계적으로 통용되는 사양은 다음과 같습니다:
표 5: 티타늄 AM 분말에 따른 주요 사양 표준
| 표준 | 측정 측면 및 허용 기준 |
|---|---|
| ASTM F3049 | 레이저 회절, SEM, 유동성 및 조성 분석과 같은 방법을 통해 테스트된 AM 파우더 속성을 정의합니다. |
| ASTM B809 | 입자 크기 분포를 결정하기 위한 체 분석 방법론 개요 |
| ISO 13879-1 | 가역적 투과성(하우즈너) 테스트 절차를 지정합니다. |
| ASM F3301 | Eli 등급 조성과 같은 적층 제조 티타늄 합금을 위한 표준 |
| AMS 7008 | 가스 분무 티타늄 합금 분말 유형을 다루는 항공우주 재료 사양 |
이러한 표준은 각 분말 로트의 특성을 파악하기 위한 적절한 테스트 방법, 장비 교정, 측정 절차, 샘플링 계획 및 규정 준수 기준을 안내합니다.
글로벌 공급업체 및 가격
티타늄 AM은 아직 신흥 시장이기 때문에, 파우더 비용은 다음과 같습니다. kg당 $70 ~ $270 를 기반으로 합니다:
표 6: 티타늄 AM 파우더 가격의 주요 결정 요인
| 매개변수 | 가격 동향 |
|---|---|
| 구성 | 가장 비싼 Ti 6 4 엘리 등급 |
| 생산 방법 | 가스 분무는 플라즈마 분무보다 비용이 더 많이 듭니다. |
| 구형성 일관성 | 더 높은 순환성 배포 제어로 비용 증가 |
| 입자 크기 분포 | 더 엄격한 배포 허용 오차 프리미엄 |
| 순도 수준 | 산소 및 질소 불순물 감소로 가격 상승 |
| 주문 수량 | 중간 규모에서 대량 구매 시 할인 혜택 |
표 7: 주요 글로벌 티타늄 AM 파우더 공급업체 및 가격대
| 회사 | 성적 | 가격 범위 |
|---|---|---|
| AP&C | Ti 6 4, Ti 6 4 엘리 | $100-270/kg |
| Tekna | Ti 6 4, Ti 6 4 엘리 | $150-250/kg |
| 카펜터 기술 | Ti 6 4 엘리, 퓨어 Ti 등급 | $80-220/kg |
| VSMPO | Ti 6 4, Ti 6 Al 4 바나듐 | $75-180/kg |
| ATI 파우더 메탈 | Ti 6 4 엘라이, Ti 알모 합금 | $90-240/kg |
가격은 구매자 자격 시험의 정도, 유통 채널 마크업 및 적절한 분무 용량의 가용성에 따라 달라집니다.
티타늄과 대체 AM 파우더의 장단점 비교
표 8: 티타늄과 다른 금속 적층 제조 분말의 비교
| 매개변수 | 티타늄 | 스테인리스 스틸 | 알루미늄 합금 | 인코넬 |
|---|---|---|---|---|
| 밀도 | 4.5g/cc | 7.9g/cc | 2.7g/cc | 8.4g/cc |
| 힘 | 고강도 + 강성 조합 | 더 강한 | 중간 강도 | 최강 |
| 비용 | $$ | 최저 | $ | $$$$ |
| 열 속성 | 낮은 전도성 | 높은 온도에 대한 내성 | 높은 전도성 | 최고 온도 저항 |
| 내화학성 | 우수 - 바닷물 포함 | 일부 산/염화물에 취약함 | 염분에 노출되면 품질이 저하됩니다. | 최고의 내식성 |
| 자기 | 비자기 | 페라이트 등급은 자성 | 비자기 | 약간 자성 |
| 인쇄 복잡성 | 보통, 일부 지원 전략 필요 | 높은 복잡성 달성 | 까다로운 오버행 및 브리지 | 매우 복잡한 모양 인쇄 가능 |
치과용 임플란트 및 보철물과 같이 높은 경화 강도와 함께 생체 적합성이 필요한 응용 분야의 경우 티타늄 AM 분말은 맞춤형 솔루션을 제공합니다. 스테인리스강은 고온 증기 터보기계 부품에 열적으로 더 적합합니다. 인코넬은 틈새 내식성 요구 사항을 충족합니다.
자주 묻는 질문
Q: 티타늄 AM 파우더의 가격 및 가용성은 가까운 미래에 어떻게 변화할 것으로 예상되나요?
향후 10년간 적층 제조 부품 생산량 증가에 맞춰 가스 분무 용량이 확대됨에 따라 경쟁이 치열해지면 티타늄 적층 제조 분말의 가격과 가용성 역학이 개선되어 더 저렴해질 것입니다. 장비 가격 인하도 적층 제조 채택을 촉진할 것입니다.
Q: 일반적으로 3D 프린팅된 티타늄 부품에는 어떤 후처리 단계가 필요합니까?
후처리에는 기계 가공/발파를 통한 지지대 제거, 연마제 텀블링 또는 유리 비드 피닝을 통한 표면 처리로 응력을 완화하고 마감 요건을 충족합니다. 옵션 - 중요 부품의 복잡한 내부 구조를 더욱 조밀하게 만들기 위한 열간 등방성 프레싱(HIP).
Q: 반응성 티타늄 AM 파우더를 취급할 때 오염을 방지하는 방법은 무엇인가요?
불활성 가스 장갑을 착용하여 피부 오일 등과 접촉하지 않도록 합니다. 강철에 사용하지 않는 티타늄 전용 체를 준비합니다. 원래의 불활성 밀폐 용기에 보관합니다. 실내 대기에 노출을 제한합니다. 장기 보관보다 처리를 우선시합니다.
Q: 티타늄 분말 크기 또는 합금을 변경할 때 일반적으로 어떤 AM 프린팅 파라미터를 조정해야 합니까?
레이저 스폿 크기에 따른 파우더 층 두께를 일치시키면 최적의 에너지 입력에 영향을 미칩니다. Ti 6 4와 6 4 ELI 사이의 전환은 열 프로파일에 영향을 미칩니다. 파우더 크기가 클수록 제작 속도는 향상되지만 해상도는 감소하므로 파라미터 튜닝을 통해 부품 품질을 보장할 수 있습니다.
