티타늄 합금 분말 은 선택적 레이저 소결(SLS) 및 전자빔 용융(EBM) 등의 적층 제조 공정에 사용되는 분말 형태의 티타늄 기반 금속 소재를 말합니다. 분말 야금을 사용하면 단조 제품에 비해 우수한 기계적 특성을 가진 복잡한 티타늄 부품을 만들 수 있습니다.
티타늄 합금은 높은 중량 대비 강도, 내피로성, 내식성으로 인해 높은 가치를 인정받고 있습니다. 미세 분말로 가공하면 항공우주, 의료, 치과, 자동차 및 기타 응용 분야를 위한 복잡하고 가벼운 부품을 3D 프린팅하는 데 사용할 수 있습니다.
이 가이드는 티타늄 합금 분말의 다양한 유형, 특성, 응용 분야, 사양, 공급업체, 비용, 분말 기반 적층 제조 장비의 설치, 작동 및 유지보수 등에 대해 포괄적으로 살펴봅니다.
티타늄 합금 분말의 종류
티타늄 합금은 일반적으로 알파, 알파-베타, 베타 합금으로 분류됩니다. 일반적인 티타늄 분말에는 다음이 포함됩니다:
| 유형 | 구성 | 특성 |
|---|---|---|
| TI-6AL-4V | 6% 알루미늄, 4% 바나듐 | 강도와 용접성 때문에 항공우주 부품에 가장 많이 사용되는 알파-베타 합금 |
| Ti-6Al-7Nb | 6% 알루미늄, 7% 니오븀 | 알파-베타 합금, Ti-6Al-4V보다 높은 강도 |
| Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr | 알루미늄, 몰리브덴, 바나듐, 크롬 각각 5% 함유 | 니어 알파 합금, 우수한 내식성 및 고온 강도 |
| Ti-5553 | 알루미늄 5%, 몰리브덴 5%, 니오븀 4%, 바나듐 3%, 지르코늄 1% | 피로 강도 때문에 압축기 부품에 사용되는 니어 알파 합금 |
| Ti-10V-2Fe-3Al | 바나듐 10%, 철 2%, 알루미늄 3% | 베타 합금, 모든 티타늄 합금 중 강도는 가장 높지만 연성은 낮습니다. |
티타늄 합금 분말의 특성
티타늄 합금 분말의 주요 특성:
| 특징 | 세부 정보 |
|---|---|
| 파티클 모양 | 대부분 구형, 일부 불규칙한 모양으로 유동성 및 포장 밀도에 영향을 미칩니다. |
| 입자 크기 분포 | 일반적으로 15~45미크론의 좁은 분포로 최종 부품 밀도 및 품질에 영향을 미침 |
| 흐름성 | 모양, 크기 분포, 표면 구조에 따라 다름 &8211; 구상화 및 유동제를 사용하면 개선됩니다. |
| 겉보기 밀도 | 성분, 가공 방법에 따라 약 2.5-3.5g/cc &8211; 높을수록 좋습니다. |
| 탭 밀도 | 포장 기준 이론 밀도의 약 60~80% & 더 높을수록 최종 부품 밀도 향상 |
| 산화물 콘텐츠 | 얇은 표면층으로 존재하며, 레벨이 높을수록 최종 부품에 결함이 발생할 수 있습니다. |
| 재활용 가능성 | 산소 및 질소 흡수에 따라 다르며, 최대 20회까지 재사용이 가능한 경우가 많습니다. |
티타늄 합금 분말의 응용 분야
티타늄 합금 분말은 산업 전반에 걸쳐 중요한 부품을 적층 제조하는 데 사용됩니다:
| 산업 | 애플리케이션 |
|---|---|
| 항공우주 | 기체 구조 부품, 제트 엔진 부품, 기체, 터빈 |
| 의료 | 정형외과 및 치과 임플란트, 보철물, 수술 기구 |
| 자동차 | 엔진 부품, 파워트레인 부품, 언더후드 부품 |
| 산업 | 툴링, 금형 제작, 로봇 공학, 제조 장비 |
| 석유 및 가스 | 밸브, 펌프, 웰헤드 구성품, 파이프 |
| 화학 | 공정 장비, 원자로, 열교환기 |
기존 제조 방식에 비해 무게 절감, 맞춤화, 조립 간소화, 빠른 프로토타입 제작, 수명 주기 비용 개선 등의 이점이 있습니다.
티타늄 합금 분말의 사양
티타늄 합금 분말은 적층 가공 공정에 사용하기 위해 엄격한 화학적, 물리적, 미세 구조 사양을 충족해야 합니다:
| 매개변수 | 일반적인 사양 |
|---|---|
| 순도 | 99% 티타늄, 낮은 O, C, N, H 오염도 |
| 파티클 모양 | 주로 구형 |
| 입자 크기 | 15~45미크론 |
| 크기 분포 | D10; 10미크론, D90; 100미크론 |
| 겉보기 밀도 | 2.5g/cc |
| 탭 밀도 | 3.5g/cc |
| 하우스너 비율 | 1.25 |
| 유량 | 25초/50g |
| 표면 산화물 | 3000ppm |
| 벌크 산소 | 2000ppm |
| 질소 | 400 ppm |
| 수소 | &t; 150 ppm |
| 마이크로 구조 | 알파, 알파-베타 또는 베타 단계 |
파우더 품질 표준을 충족하는 것은 결함 없는 빌드, 우수한 기계적 특성 및 표면 마감을 위해 매우 중요합니다.
티타늄 합금 분말 공급업체
티타늄 합금 분말의 주요 글로벌 공급업체는 다음과 같습니다:
| 공급업체 | 파우더 등급 | 품질 표준 |
|---|---|---|
| AP&C | Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb, Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr | ASTM B348, ASTM F2924, ASTM F3049 |
| 목수 첨가제 | Ti-6Al-4V ELI, Ti-6Al-4V, Ti 6-4, Ti CP2, Ti SP700 | ASTM F2924, ASTM F3001 |
| LPW 기술 | Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI, Ti-6Al-7Nb, Ti 5553 | ASTM F2924, ISO 23301 |
| 프렉스에어 | Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI, Ti CP-2, Beta-C | ASTM F2924, ASTM F3001 |
| TLS 기술 | Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI, Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr | ASTM F2924, ASTM F3001 |
특정 애플리케이션을 위해 특수 등급을 소싱할 수도 있습니다.
티타늄 합금 분말의 비용
티타늄 합금 분말 비용은 다음에 따라 다릅니다:
| 요인 | 세부 정보 |
|---|---|
| 합금 구성 | 가장 일반적이고 경제적인 Ti-6Al-4V |
| 품질 등급 | 산업용보다 비싼 항공우주 등급 |
| 주문량 | 대량 구매 시 파우더 가격 인하 |
| 입자 크기 범위 | 30미크론 미만의 미세 분말은 더 비싸다. |
| 공급업체 | 가격은 브랜드마다 다릅니다. |
| 처리 방법 | 가스 분무 분말은 플라즈마 분무보다 비용이 더 많이 듭니다. |
일반적인 가격 범위:
- Ti-6Al-4V: kg당 $150 ~ $450
- Ti-6Al-4V ELI: kg당 $250~$600
- Ti-6Al-7Nb: kg당 $400~$750
- Ti 5553: kg당 $500~$800
스크랩 티타늄을 재활용하면 비용을 40~60%까지 절감할 수 있습니다.
분말 취급, 보관 및 준비
티타늄 합금 분말의 적절한 취급, 보관 및 준비는 필수적입니다:
| 활동 | 절차 |
|---|---|
| 처리 | 파우더 후드, 진공 이송 시스템을 사용하여 노출을 최소화합니다. |
| 스토리지 | 습기가 없는 아르곤 분위기에서 밀폐된 용기를 보관하세요. |
| 블렌딩 | 분말과 재활용 재료를 올바른 비율로 혼합하기 |
| 건조 | 200°C에서 2~4시간 동안 습기를 제거하여 결함을 방지합니다. |
| 체질 | 미세한 메쉬를 통해 분말을 스크린하여 덩어리를 분해합니다. |
| 흐름 조절 | 실리카 나노 입자와 같은 유동제 0.1~0.5% 추가 |
높은 재사용 수율과 최종 부품 품질을 보장하려면 오염과 산소 섭취를 최소화해야 합니다.
선택적 레이저 소결 공정
SLS 프로세스 개요:
- 파우더가 얇은 층으로 퍼지고 고출력 레이저로 선택적으로 융합됩니다.
- 서포트 구조는 부품과 동시에 구축됩니다.
- 부품은 완성될 때까지 융합되지 않은 파우더 베드에 내장됩니다.
- 과도한 파우더를 제거하여 3D 부품을 드러냅니다.
티타늄 합금의 SLS가 필요합니다:
- 구형 형태의 15~45미크론 입자 크기
- 낮은 산소 및 질소 함량
- 정밀한 레이저 에너지 밀도 최적화
- 오염을 방지하는 불활성 가스 환경
- 부품의 스트레스 완화 열처리
SLS는 복잡한 형상을 구현할 수 있지만 표면 마감과 공차가 EBM보다 낮습니다.
전자빔 용융 공정
EBM 프로세스 개요:
- 티타늄 분말 층은 융합 전에 예열됩니다.
- 열 방출을 개선하기 위해 플랫폼 대신 플레이트 위에 부품을 제작합니다.
- 전자 빔이 진공 상태에서 분말을 선택적으로 녹입니다.
- 지지 구조물이 필요하지 않으며 사용하지 않은 파우더를 재활용할 수 있습니다.
티타늄 합금의 EBM에는 다음이 필요합니다:
- 45-105 미크론의 미세 분말 크기
- 3kW 이상의 하이빔 출력 및 30-60kV의 가속 전압
- 5 x 10-5 mbar 미만의 진공 수준
- 최대 750°C의 고온 예열
EBM은 SLS에 비해 더 빠른 제작 속도, 더 나은 재료 특성 및 표면 마감을 제공합니다.
티타늄 부품 후처리
AM으로 제작한 티타늄 부품은 후처리가 필요합니다:
| 프로세스 | 목적 |
|---|---|
| 파우더 제거 | 내부 공동에서 느슨한 분말 제거 |
| 열 스트레스 완화 | 열처리를 통한 잔류 응력 감소 |
| 열간 등방성 프레스 | 내부 공극 제거 및 밀도 증가 |
| 가공 | 치수 정확도 및 표면 마감 개선 |
| 표면 처리 | 특성에 맞게 코팅 또는 처리 적용 |
지지 구조는 동일한 티타늄 재질로 만들어져 쉽게 제거할 수 있습니다.
금속 3D 프린팅 장비의 운영 및 유지보수
금속 AM 시스템의 안정적인 작동과 유지보수가 필요합니다:
- 기계 기능, 소프트웨어, 재료에 대한 작업자 교육
- 파라미터 최적화, 품질 관리, 워크플로우를 위한 SOP 수립
- 센서, 카메라를 사용한 빌드 프로세스 모니터링 및 문서화
- 필터, 체, 와이퍼, 롤러의 정기적인 교체
- 레이저 광학 장치, 전자빔 방출기 및 초점 확인
- 파우더 레이어 및 에너지 전달 시스템 보정
- 아르곤, 헬륨, 질소 공급 추적 및 교체
- 빌드 챔버 및 자재 취급 시스템 청소
- OEM 권장 사항에 따른 주기적 유지 관리
사전 유지보수를 통해 가동 시간을 개선하고 장비 수명을 극대화하며 인쇄 부품의 품질을 최적으로 유지할 수 있습니다.
티타늄 합금 분말 공급업체 선택
티타늄 합금 분말 공급업체를 선택하는 요소:
| 고려 사항 | 세부 정보 |
|---|---|
| 파우더 등급 | 지원되는 합금 및 구성의 범위 |
| 품질 인증 | ASTM, ISO 및 기타 표준 준수 |
| 사용자 지정 | 애플리케이션을 위한 특수 분말 생산 능력 |
| 배치 분석 보고서 | 각 로트의 구성, 특성 및 테스트 결과 |
| 테스트 기능 | 입고 자재에 대한 품질 테스트 수행 범위 |
| 샘플링 서비스 | 평가를 위한 무료 샘플 제공 |
| 리드 타임 | 배송 목표를 달성하기 위한 재고 수준 및 생산 속도 |
| 최소 주문 수량 | 소규모 평가판 주문의 유연성 |
| 기술 전문성 | 고객을 지원하기 위한 야금 및 응용 지식 |
| 고객 서비스 | 문의, 문제 및 사용자 지정 요구 사항에 대한 응답성 |
| 가격 책정 | 경쟁력 있고 투명한 가격, 대량 구매 시 할인 혜택 |
엄격한 품질 관리를 통해 평판이 좋은 공급업체를 선택하면 적층 제조 공정에 맞는 고성능 티타늄 합금 분말을 안정적으로 공급받을 수 있습니다.
티타늄 합금 분말의 장단점
장점:
- 높은 중량 대비 강도 비율
- 내식성 및 내피로성
- 의료용 생체 적합성
- 맞춤형 합금 제조 가능
- AM으로 생성된 복잡하고 가벼운 지오메트리
- 감산 가공보다 빠르고 저렴합니다.
- 리드 타임 및 재고 감소
제한 사항:
- 파우더는 다른 재료에 비해 가격이 비쌉니다.
- 제한된 공급업체 및 AM 장비 가용성
- 고밀도 및 표면 마감을 달성하기 어려움
- 종종 필요한 2차 처리
- 취급 중 오염에 취약함
- 후처리는 비용과 시간이 많이 소요될 수 있습니다.
- 품질 관리를 위한 코드 및 표준 부족
적층 가공 기술의 지속적인 발전으로 티타늄 합금 분말은 지속적으로 개선되고 있는 가공 과제에 맞서 제조 부문 전반에 걸쳐 흥미로운 잠재력을 제공합니다.
자주 묻는 질문
Q: 분말 야금에 사용되는 주요 티타늄 합금은 무엇인가요?
A: Ti-6Al-4V는 우수한 강도, 내식성 및 용접성으로 인해 가장 일반적인 티타늄 합금 분말입니다. 다른 합금으로는 더 높은 강도를 위한 Ti-6Al-7Nb와 생체 의학 용도의 Ti 6-4 ELI가 있습니다.
Q: 티타늄 합금 분말 품질이 AM 부품의 특성에 어떤 영향을 미치나요?
A: 입자 크기 분포, 모양, 탭 밀도, 산소 함량과 같은 분말 특성은 최종 부품의 밀도, 표면 마감, 미세 구조 및 기계적 성능에 직접적인 영향을 미칩니다.
질문: 티타늄 분말을 취급할 때 어떤 예방 조치가 필요하나요?
A: 티타늄 분말은 공기에 노출되면 오염될 수 있으므로 장갑과 호흡기를 사용하여 습기가 없는 불활성 가스 환경에서 취급해야 합니다. 보관 용기는 반드시 진공 밀봉해야 합니다.
Q: Ti-6Al-4V 합금 분말의 일반적인 가격 범위는 어떻게 되나요?
A: AM에 적합한 표준 산업용 등급 Ti-6Al-4V 분말의 경우, 가격은 일반적으로 수량과 공급업체에 따라 kg당 $150에서 $450 사이입니다. 항공우주 등급은 더 비쌉니다.
Q: 티타늄 합금에 대해 SLS와 EBM의 주요 장점은 무엇인가요?
A: SLS는 지지대 없이도 복잡하고 가벼운 형상을 제작할 수 있습니다. EBM은 더 빠른 제작 속도, 더 나은 재료 특성 및 표면 마감을 가능하게 합니다.
Q: AM 티타늄 부품에 후처리가 필요한 이유는 무엇인가요?
A: 열간 등방성 프레스, 열처리 및 가공과 같은 단계는 응력 완화, 내부 공극 폐쇄, 치수 정확도 개선 및 표면 마감 향상에 도움이 됩니다.
Q: 파우더 재활용성과 재사용 수율을 극대화하려면 어떻게 해야 하나요?
A: 취급 시 공기 노출을 최소화하고, 파우더를 재사용하기 전에 건조시키고, 불순물이 쌓이지 않도록 소량의 신선한 파우더와 혼합하여 사용합니다.
질문: 티타늄 합금 분말의 품질을 지정하는 데 어떤 표준이 사용되나요?
A: 주요 표준은 성분 제한, 허용 가능한 테스트 방법 및 샘플링 절차를 제공하는 ASTM F2924, ASTM F3001 및 ISO 23301입니다.