Udimet 520 니켈 합금 분말: 3D 프린팅 부품

작성자:엔리케 J. 라베르니아

엔리케 라베르니아는 저명한 재료 과학자이자 텍사스 A&M 대학교의 교수로 적층 제조에 대한 선구적인 공헌을 인정받고 있습니다. 그의 연구는 금속 분말의 원자화, 특성, 부품 품질에 미치는 영향, 적층 공정 중 고급 합금의 미세 구조 변화 및 기계적 성능 등 금속 분말에 중점을 두고 있습니다.

그는 적층 제조에서 알루미늄 합금 및 고엔트로피 합금과 같은 복잡한 재료에 대한 이해와 응용을 발전시켰으며 적층 제조용 금속 분말에 대한 권위 있는 연구를 공동 저술하여 과학 연구와 산업 실무 모두에 큰 영향을 미쳤습니다.

유디멧 520 니켈 기반 합금 분말: 고온 '베테랑'을 위한 적층 제조의 새로운 장: 니켈 기반 합금 분말

A. 재료 구성 및 야금학적 특성

저는 종종 Udimet 520을 "잘 조율된 팀"에 비유하곤 합니다. 뛰어난 성능은 결코 한 가지 요소의 결과물이 아니라 모든 '선수'가 각자의 임무에서 완벽하게 협력한 결과입니다.

매트릭스로서 니켈은 의심할 여지없이 "캡틴"이지만 실제로 최고의 전투 효율성을 제공하는 것은 바로 이러한 합금 원소입니다:

• 크롬(Cr): 이것은 단순히 소재의 "부식 방지 코팅"과 "산화 방지 갑옷"입니다. 특히 수십만 도의 고온 환경에서 크롬이 없었다면 소재가 견디지 못했을 수도 있습니다. 제 개인적인 경험에 따르면 높은 크롬 함량은 인쇄물의 표면 무결성에 매우 중요합니다.
• 코발트 (Co): 저는 이를 "안정제"와 "부스터"라고 부릅니다. 오스테 나이트 계 매트릭스를 고온에서 안정적으로 만들 수 있으며 동시에 고용체 강화를 통해 재료가 적색 고온 상태에서도 충분한 강도를 유지할 수 있습니다.
• 몰리브덴(Mo) 및 텅스텐(W): 이들은 전형적인 "근육 강화제"입니다. 격자에 박힌 "리벳"과 같은 역할을 하여 탈구의 움직임을 효과적으로 방해합니다. 돌을 밀고 싶지만 수많은 작은 못에 의해 제자리에 고정되어 있어서 밀기가 어렵다고 상상해 보세요. 이것이 바로 크리프와 싸우는 방법입니다.
• 티타늄(Ti) 및 알루미늄(Al): 이 조합은 Udimet 520의 "비밀 무기"라고 할 수 있습니다! 이들에 의해 형성된 감마 프라임(γ') 상인 Ni3(Ti,Al)은 소재의 고온 강도와 크리프 저항의 "핵"입니다.". 이러한 나노 크기의 γ' 침전물은 재료에 수많은 마이크로 스캐폴드를 추가하는 것처럼 니켈 매트릭스에 고르게 분산되어 재료의 골격을 단단히지지하며 적층 제조에서 감마상의 침전, 크기 및 분포를 정밀하게 제어하는 방법은 최종 성능을 결정하는 핵심 과제라고 말씀드리고 싶습니다.
• 소량의 탄소(C), 붕소(B), 지르코늄(Zr): 내용물이 작다고 보지 말고 그 역할을 과소평가해서는 안 됩니다. 그들은 "접착제"와 같아서 입자 경계를 강화하고 재료의 파단 인성을 향상시킵니다. 3D 프린팅에서는 입자 경계가 잘 제어되고 인쇄된 부품에 균열이 생기지 않습니다.

미세 구조 측면에서 Udimet 520의 가장 고전적인 것은 γ- 오스테나이트 매트릭스의 고밀도 γ' 침전 상입니다. 이러한 γ' 단계의 분포 균일성과 크기가 인쇄물의 '상태'와 직접적으로 관련이 있다는 것을 한눈에 알 수 있습니다." 엔지니어가 프린팅 파라미터를 최적화할 때 많은 에너지를 쏟는 것은 레이저 에너지와 스캐닝 전략을 통해 감마 프라임 상을 제어하는 방법을 알아내어 "딱 맞게" 성장시키는 것입니다.

B. 기존 제조 공정에서의 성능

3D 프린팅이 '대중화'되지 않았던 시절, Udimet 520은 주로 이러한 전통적인 주조 및 단조 공정을 통해 제작되었습니다. 항공 엔진의 터빈 디스크와 가스 터빈의 블레이드를 생각해 보세요. 이러한 부품은 극한의 온도와 높은 스트레스에서 작동하는 "심장" 부품입니다. Udimet 520은 이러한 부품의 '백본'입니다.

고온 인장 강도, 크리프 파열 강도 및 피로 성능을 포함하여 700-800°C 및 더 높은 온도에서 장기간 사용 시 뛰어난 성능으로 적층 제조에 대한 매우 높은 성능의 '벤치마크'를 설정했습니다." 3D 프린팅 부품이 동일한 환경에서 기존 부품의 성능을 달성하거나 심지어 능가할 수 있다면 이것이 바로 적층 제조의 진정한 능력이자 진정한 장점이라고 생각합니다.

C. 적층 제조용 분말에 대한 특별 요구 사항

이제 적층 제조의 '생명선'에 대해 이야기해 보겠습니다. 3D 프린팅에 사용되는 유디멧 520. 이 파우더는 아무렇게나 사용할 수 없습니다. 그 요구 사항은 정말 "가혹"하고 "백만 분의 1"입니다.

입자 크기 분포(입자 크기 분포, PSD): 가장 기본적인 요소입니다. 분말 입자가 너무 거칠어서는 안 되며 레이저가 녹기 쉽지 않아야 합니다. 너무 미세해도 안 되고 유동성이 매우 떨어지며 수분을 끌어안고 흡수하기 쉽습니다. 저는 일반적으로 장비의 레이저 출력과 파우더 확산 시스템에 따라 일반적으로 사용되는 15-53미크론과 같이 매우 좁고 균일한 입자 크기 범위를 선택합니다. 제 생각에는 안정적인 입자 크기 분포가 고품질의 작품을 출력하기 위한 '첫 번째 문턱'입니다."

구형(구형): 이것은 매우 중요합니다! 파우더 입자는 둥근 "작은 강철 공"이어야 파우더를 뿌릴 때 물처럼 고르게 흐르고 부드러워집니다. 파우더의 모양이 불규칙하면 파우더 층이 균일하지 않아 틈이 생기고 인쇄 구멍이나 결함으로 직결됩니다. 새 파우더를 받을 때마다 습관적으로 현미경으로 '몸체 모양'을 확인하여 충분히 둥근지 확인합니다.

유동성(흐름성): 이는 인쇄 프로세스의 부드러움과 직접적인 관련이 있습니다. 파우더가 호퍼에서 '순조롭게' 흘러나와 인쇄판에 고르게 퍼질 수 있는지 여부는 유동성에 따라 달라집니다. 보통 홀 유량계를 사용하여 측정합니다. 분말의 유동성이 좋지 않으면 모든 종류의 문제가 인쇄되고 분말이 고르지 않게 퍼지고 중단을 형성하는 것은 악몽입니다.

느슨한 밀도(겉보기 밀도) 및 탭 밀도(탭 밀도): 이 매개변수는 파우더 포장의 "견고함"을 반영합니다. 고밀도 파우더는 동일한 부피에 더 많은 재료가 포함되어 인쇄 효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 소결 공정에서 수축 변형을 어느 정도 줄일 수 있어 부품의 정확도를 제어하는 데 매우 유용합니다.

화학적 순도 및 산소 함량: 이것은 단순히 "생명선 속의 생명선"입니다! 이 고온 합금인 Udimet 520의 경우, 작은 불순물, 특히 산소, 질소와 같은 간극 원소는 "쥐똥"과 같아서 재료의 고온 성능과 기계적 특성을 심각하게 손상시킬 수 있습니다.

따라서 공급업체에서 제공하는 유디멧 520 파우더는 고순도, 초저 산소 함량이어야 합니다. 저희 연구소에서 입고되는 각 분말 배치에 대해 가장 먼저 상세한 화학 성분 분석을 수행하고, 보관 및 사용 중에 가장 엄격한 방습 및 산화 방지 조치를 취합니다.

미세 구조 균일 성 : 고품질 분말, 입자가 더 좋을뿐만 아니라 각 입자의 화학적 구성과 미세 구조도 균일해야하며 분리가 없어야합니다. 재료에서 녹은 다음 응고되도록 보장하기 위해 성능이 안정적이고 신뢰할 수 있습니다.

적층 제조에서 유디멧 520 파우더의 적용 이점

A. 고온 성능 및 구조적 무결성

Udimet 520에 대해 말하자면, 고온 환경에서의 성능은 그야말로 놀랍습니다. 많은 금속 소재가 고온에서 "약해진다"는 것은 누구나 알고 있지만, Udimet 520은 크리프 강도, 피로 강도 및 내산화성이 뛰어나 초고온에서도 뛰어난 구조적 무결성을 유지합니다.

이것은 가벼운 발언이 아닙니다.

항공 엔진 부품, 가스터빈 블레이드 및 원자로 부품과 같은 주요 응용 분야에서는 소재의 고온 저항성에 대한 요구 사항이 매우 엄격합니다. Udimet 520은 이러한 극한 조건에서 장시간 안정적으로 작동할 수 있어 안전에 매우 중요한 "안심"할 수 있는 소재입니다.

B. 설계의 자유와 복잡한 형상의 구현

적층 가공의 가장 매력적인 점 중 하나는 기존 제조의 한계를 뛰어넘어 한때 '불가능'으로 여겨지던 복잡한 형상을 구현할 수 있다는 점입니다. 유디멧 520과 같은 고성능 소재를 적층 제조와 결합하면 이러한 장점은 무한히 확대됩니다.

부품 내부에 매우 복잡한 냉각 채널을 설계하거나 더 가벼운 격자 구조를 구현할 수 있다고 상상해 보세요.

이는 외관의 변화뿐만 아니라 기능의 비약적인 발전이기도 합니다. 고성능 소재와 디자인의 자유가 결합되어 이전에는 상상할 수 없었던 더 가볍고 강하며 효율적인 부품을 만들 수 있게 되었습니다.

C. 재료 활용 및 비용 효율성

Udimet 520과 같은 고가의 니켈 합금의 경우 재료 활용도는 항상 고려해야 할 중요한 요소였습니다. 밀링과 같은 전통적인 감산 제조 방식은 많은 양의 스크랩을 발생시키며, 이는 의심할 여지 없이 비용을 증가시킵니다. 적층 제조는 재료 활용도를 크게 향상시키고 '주문형 제조' 기능으로 재료 낭비를 줄입니다. 이 고가의 합금의 경우 경제적 이점이 매우 큽니다.

특히 소량 생산 및 프로토타입 제조에서 Udimet 520과 결합된 적층 제조의 장점은 더욱 분명하게 드러납니다. 고성능 맞춤형 부품을 빠르고 경제적으로 생산하기 위해 복잡한 금형에 많은 투자를 할 필요가 없으며, 이는 현재와 같은 빠른 반복 개발에서 특히 중요합니다.

사례 연구 및 성능 검증

A. 항공우주 분야에서의 적용 사례

유디멧 520이라고 하면 가장 먼저 떠오르는 것은 단연 항공우주 분야입니다. 이 합금은 고온, 고압 환경을 위해 탄생했습니다. 우리 팀은 몇 년 전 항공 엔진용 터빈 블레이드를 프린팅하기 위해 SLM 기술을 사용하는 프로젝트에 참여한 적이 있습니다.

아시다시피 기존의 주조 또는 단조 터빈 블레이드는 설계 유연성이 항상 제한적이며 재료 활용도가 높지 않습니다. "Udimet 520 파우더를 사용한 3D 프린팅을 통해 기존 공정으로는 거의 불가능했던 매우 복잡한 내부 냉각 채널 설계를 구현할 수 있었습니다.

구체적인 예로, 고온 고압의 가스 흐름에서 작동하는 새로운 터빈 노즐 블레이드를 프린팅했습니다. 미세한 토폴로지 최적화와 내부 격자 구조 설계를 통해 블레이드의 무게를 약 15%까지 줄이는 데 성공했습니다. 동시에 시뮬레이션 조건에서 고온 크리프 저항과 열 피로 수명이 크게 개선되었습니다. 이는 결코 작은 숫자가 아닙니다.

에어로 엔진에서 1g의 무게 감소는 연료 효율의 엄청난 증가를 의미합니다. 이 부품들은 엄격한 비파괴 검사 및 성능 테스트를 거쳐 실제로 우수한 성능을 입증했습니다. 3D 프린팅 유디멧 520 부품은 에어로 엔진의 설계와 제조 패턴을 조용히 바꾸고 있다고 할 수 있습니다.

B. 에너지, 의료 및 기타 분야의 잠재적 응용 분야 - 나의 적층 제조 관점

수년간 적층 제조(3D 프린팅)의 베테랑으로서 저는 항상 Udimet 520의 잠재력이 항공 우주에만 국한되지 않는다고 느꼈습니다. 솔직히 이 니켈 기반 초합금 분말의 데이터를 볼 때마다 "이렇게 프린팅하고 저렇게 최적화할 수 있겠다"는 생각이 머릿속에 수없이 떠올랐습니다.

에너지 부문에 대해 이야기해 봅시다. 연소실 라이닝, 터빈 블레이드, 원자로의 특정 주요 구조물 등 가스 터빈의 핵심 구성 요소는 모두 고온, 고압, 부식이라는 칼날 위에서 춤을 추는 것과 같습니다. Udimet의 520 고온 강도와 내식성은 이러한 극한 조건에 맞게 설계되었습니다.

더 중요한 것은 3D 프린팅이라는 강력한 무기를 통해 디자인 사고를 완전히 해방할 수 있다는 점입니다. 이전에는 상상할 수 없었던 특수한 형태의 냉각 채널, 도트 매트릭스 구조, 복잡한 기하학적 형상도 이제 통합할 수 있습니다. 이는 좋은 소재의 종류를 사용하는 것뿐만 아니라 전체 부품의 구조와 성능을 질적으로 도약시킬 수 있습니다.

저는 종종 팀 엔지니어들과 적층 제조 공정을 사용하여 가스터빈의 연소실 부품을 더 가볍게 만들고 열 방출을 개선하며 혁신적인 미세 구조를 통합할 수 있다면 전반적인 에너지 효율을 개선할 수 있다고 논의합니다. 이는 완전히 혁명적인 일입니다. 또한 친환경 에너지 솔루션을 더 빨리 달성하는 데 도움이 될 수 있습니다.

이는 단순한 '소재의 변화'가 아니라 디자인 콘셉트부터 최종 제품에 이르기까지 근본부터 포괄적으로 혁신한 것입니다.

의료 분야라고 하면 바로 임플란트를 떠올릴 수 있습니다. 솔직히 말씀드리자면, Udimet 520은 현재 인체 임플란트에 직접 사용되고 있습니다. 정말 장담할 수 없습니다. 생체 적합성은 매우 엄격한 테스트와 검증 과정의 연속이기 때문에 아무렇지도 않게 넘을 수 없습니다. 그러나 좀 더 편안하게 보면 일부 고성능 의료 장비 구성 요소의 제조에서 찾을 수 있으며 너무 유용합니다!

예를 들어 고온 고압 증기로 반복적으로 멸균해야 하는 수술 기구의 부품이나 극한의 응력을 견디고 매우 높은 강도와 내마모성이 요구되는 최소 침습 수술 기구의 정밀 구조물에서 Udimet 520의 이러한 특성을 최대한 발휘할 수 있습니다.

금속 3D 프린팅 기술을 통해 이러한 의료 기기의 전례 없는 복잡한 내부 구조를 만들고, 궁극의 경량 디자인을 달성하며, 기능과 수명을 크게 향상시킬 수 있습니다.

C. 성능 테스트 및 특성화

3D 프린팅된 Udimet 520 부품의 경우 성능 테스트와 특성화가 신뢰성 검증의 핵심입니다. 유니티는 이를 위해 많은 노력을 기울여 왔습니다.

• 인장 테스트: 이것이 가장 기본입니다. 다양한 방향으로 샘플을 채취하고 실온과 고온에서 늘려 항복 강도, 인장 강도 및 연신율을 확인합니다. 3D 프린팅된 Udimet 520은 일부 방향에서 이방성을 보이지만 프린팅 파라미터와 후처리 공정(예: 열간 등방성 프레스 HIP)을 최적화함으로써 포괄적인 기계적 특성이 기존 단조품 수준에 도달하거나 이를 능가할 수 있음을 발견했습니다.
• 피로 테스트: 피로 수명은 항공 엔진 부품에 매우 중요합니다. 실제 작동 시 부품의 주기적 하중을 시뮬레이션하기 위해 고주기 및 저주기 피로 테스트를 수행합니다. 그 결과 열처리된 3D 프린팅 Udimet 520 부품은 기존 방식으로 제조된 부품과 비슷한 피로 특성을 보이며, 심지어 3D 프린팅의 고유한 미세 입자 구조와 관련이 있을 수 있는 특정 스트레스 수준에서 더 나은 성능을 발휘하는 것으로 나타났습니다.
• 크립 테스트: 고온 및 장시간 작업 조건에서 재료가 크리프됩니다. 고온 및 고응력 하에서 크리프 테스트를 수행하여 재료의 변형 및 파단 시간을 기록합니다. Udimet 520 자체는 크리프 성능이 뛰어난 합금입니다. 3D 프린팅 후에도 입자 구조가 제어되는 한 고온 크리프 성능은 여전히 매우 높은 수준으로 유지됩니다.
• 미세 구조 분석: 이것이 바로 '본질 탐구'의 핵심입니다. SEM, TEM 및 기타 수단을 통해 3D 프린팅 부품의 입자 크기, 입자 경계 특성, 침전 상 분포 및 기공 결함을 자세히 분석합니다. 제 개인적인 경험에 따르면 레이저 출력, 스캐닝 속도 및 레이어 두께와 같은 인쇄 매개 변수는 입자의 성장 방향과 결함 형성에 직접적인 영향을 미치는 조직에 큰 영향을 미칩니다. 이러한 매개 변수를 최적화하고 열간 등방성 프레스와 결합하면 내부 밀도와 조직 균일성을 크게 개선하여 전반적인 성능을 향상시킬 수 있습니다.