18ni300 합금 분말 스테인레스 스틸 니켈

저자: 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.

18ni300 합금 분말의 깊이 분석

자료의 기본 구성 및 분류:

"18Ni300"이라는 이름은 사실 매우 직관적입니다. 두 가지 핵심 메시지를 담고 있습니다: 18% 니켈 함량 및 300ksi(약 2070MPa) 인장 강도 마침내 달성할 수 있습니다.

여기서 한 가지 중요한 점을 강조해야 합니다. 18Ni300 스테인리스 스틸이 아닌 1 마레이징 스틸(마레이징 스틸)입니다.. 엄격한 재료 분류 측면에서 볼 때 고강도 니켈 기반 합금 범주에 속합니다. 스테인리스강은 주로 부식에 저항하는 수동막을 형성하기 위해 크롬에 의존하는 반면, 마레이징강은 완전히 다른 1입니다.

이렇게 좋은 성능의 비결은 무엇일까요? 주로 이러한 합금 원소 때문입니다:

• 니켈(Ni)약 18%인 마르텐사이트 매트릭스를 형성하는 핵심 원소이며 인성이 뛰어납니다.
• 코발트 (Co) 는 일반적으로 8-12% 사이입니다. 주요 기능은 마르텐사이트 변환 온도를 높이고 노화 과정에서 금속 간 화합물의 침전을 촉진하는 것입니다.
• 몰리브덴(Mo)는 일반적으로 3-5% 사이로 고용체 강화에 기여하고 니켈 및 코발트와 함께 노화 경화를 촉진합니다.
• 티타늄(Ti) 그리고 알루미늄(Al) 은 일반적으로 적은 양으로 존재하지만 필수적인 성분입니다. 이들은 노화 처리 과정에서 미세한 금속 간 화합물(예: Ni3Ti, Ni3Al)을 형성하며, 이러한 나노 크기의 침전물이 18Ni300에 매우 높은 강도를 부여합니다.

고유한 성능 이점: 왜 그렇게 중요한가?

제 생각에 18Ni300이 적층 제조 분야에서 선호될 수 있는 이유는 주로 그 특성의 조합 때문이라고 생각합니다.

• 다음과 결합된 초고강도 인성: 가장 눈부신 라벨입니다. 적층 제조(예: SLM 또는 EBM)가 완료된 후 간단한 열처리를 통해 재료의 인장 강도가 거의 2000MPa까지 치솟을 수 있다는 점을 고려하세요. 노화 치료 -일반적으로 480-500°C에서 몇 시간 동안 유지되면서도 뛰어난 골절 인성을 유지합니다. 강도와 인성의 완벽한 조합은 기존 소재에서는 극히 드문 경우입니다. 3D 프린팅을 하는 우리에게 이는 가볍고 매우 튼튼한 부품을 설계할 수 있다는 것을 의미합니다.
• 뛰어난 치수 안정성: 18Ni300은 열처리, 특히 노화 처리 시 변형이 매우 적습니다. 이는 정밀 부품 제조에 큰 도움이 됩니다. 많은 소재가 열처리 후 상당한 수축 또는 팽창을 겪기 때문에 치수 정확도를 제어하기 어렵다는 것은 누구나 알고 있지만 18Ni300은 이 점에서 매우 안정적입니다.
• 우수한 작업성: 주로 3D 프린팅 후의 성능에 초점을 맞추고 있지만 1 문장에 대해서도 언급 할 필요가 있습니다. 어닐링 상태 (즉, 노화되지 않은 상태)에서는 경도가 상대적으로 낮고 선삭, 밀링과 같은 기계 가공이 매우 쉽습니다. 이것은 의심 할 여지없이 후 처리가 필요한 일부 복잡한 부품에 대한 플러스입니다.
• 내식성: 현실적으로 18Ni300의 내식성은 스테인리스 스틸이 아니기 때문에 주요 장점은 아니라고 말씀드리고 싶습니다. 일부 특정 환경에서는 잘 작동하지만 내식성에 대한 요구 사항이 높은 애플리케이션의 경우 표면 처리를 결합하거나 다른 보다 전문적인 내식성 합금을 고려해야 할 수 있습니다. 316L 스테인리스 스틸처럼 "가죽"이 될 것이라고 기대하지 마세요.

자료 속성 문제와 기회:

• 질문:
  • 크랙 감도: 이것이 3D 프린팅을 할 때 직면하는 가장 큰 문제입니다. 18Ni300은 프린팅 공정에서 열 응력에 민감하며, 특히 두꺼운 단면이나 복잡한 기하학적 구조의 경우 내부 응력 축적으로 인해 쉽게 균열이 발생할 수 있습니다. 따라서 엔지니어는 프린팅 파라미터 최적화와 예열 전략에서 많은 탐색과 조정을 거쳐야 합니다.
  • 내부 스트레스 관리: 빠른 용융 및 응고로 인해 인쇄된 부품 내부에 잔류 응력이 발생하여 부품의 기계적 특성에 영향을 미칠 뿐만 아니라 변형이나 균열이 발생할 수도 있습니다. 따라서 프린팅 후 열처리는 매우 중요합니다.
  • 인쇄 매개변수 최적화: 최적의 인쇄 매개변수 조합을 찾는 것은 길고 비용이 많이 드는 과정입니다. 각 장치, 각 파우더 배치, 심지어 주변 온도까지 최종 결과에 영향을 미칠 수 있으므로 실험 검증을 수행하기 위해 많은 에너지를 투자해야 합니다.
• 기회:
  • 복잡한 지오메트리와 경량 설계이것이 바로 적층 제조의 가장 큰 장점입니다. 18Ni300의 초고강도 덕분에 항공우주 분야의 그리드 구조물이나 생체 공학 구조물과 같이 충분히 강하면서도 더 얇고 가벼운 구조물을 설계할 수 있습니다. 이는 기존 제조 공정의 범위를 넘어서는 것입니다.
  • 고성능 맞춤형 부품: 금형 인서트, 고성능 기계 부품 및 로켓 엔진의 일부 핵심 부품과 같이 매우 높은 성능이 필요하고 많은 출력이 필요하지 않은 일부 특수 부품의 경우 18Ni300은 3D 프린팅을 통해 빠르고 효율적으로 제조 할 수 있으며 그 성능은 기존 프로세스를 훨씬 능가합니다.

적층 제조에서 18ni300의 적용 시나리오 및 사례

항공우주 분야:

이곳이 바로 18Ni300의 본고장입니다. 인공위성 부품, 제트 엔진 터빈 블레이드, 각종 복잡한 브래킷 및 구조 부품은 모두 소재의 강도, 인성 및 경량화에 대한 엄격한 요구 사항을 가지고 있습니다. 18Ni300과 결합된 적층 제조는 기존 공정으로는 상상할 수 없는 경량 설계와 높은 강도/중량 비율을 가능하게 합니다.

더 중요한 것은 복잡한 내부 냉각 채널이 있는 부품도 프린트할 수 있다는 점인데, 이는 엔진 부품에 있어 혁신적이라고 할 수 있습니다. 또한 제조 주기도 크게 단축할 수 있어 반복 속도가 빠른 항공 우주 산업에 큰 도움이 됩니다.

예를 들어 3D 프린팅 18Ni300으로 특정 유형의 우주선 브래킷을 제조하는 프로젝트를 진행한 적이 있습니다. 최종 결과는 고무적이었는데, 기존 제조 스텐트보다 무게가 약 30% 가벼울 뿐만 아니라 주요 성과 지표에서도 더 나은 성능을 보였습니다. 그 순간 저는 이 기술의 엄청난 가치를 실감했습니다.

현장에서의 금형 제조 및 도구:

높은 경도, 내마모성 및 냉각 효율에 대한 금형 업계의 요구로 인해 18Ni300은 적층 제조에 유용합니다. 사출 금형 인서트, 다이캐스팅 금형 및 일부 툴링 픽스처에도 이 소재와 공정의 이점을 활용할 수 있습니다. 가장 눈에 띄는 장점은 컨포멀 냉각 채널을 설계하고 출력할 수 있다는 점입니다. 즉, 냉각수를 금형 캐비티에 최대한 가깝게 만들 수 있어 냉각 효율을 크게 개선하고 사출 성형 주기를 단축할 수 있습니다. 동시에 높은 경도와 내마모성으로 금형의 서비스 수명도 보장합니다.

한 사출 금형 제조업체에서 3D 프린팅 18Ni300 금형 인서트를 사용해 냉각 시간을 15% 단축한 것으로 기억합니다. 이 15%는 대량 생산에 있어 실질적인 효율성 개선과 비용 절감 효과를 가져왔습니다. 이러한 직관적인 개선을 통해 적층 제조의 미래에 대한 확신을 갖게 되었습니다.

의료 기기 분야:

티타늄 합금은 정형외과용 임플란트에 더 많이 사용되지만, 18Ni300의 고강도 특성 덕분에 특정 의료기기 분야, 특히 하중을 견뎌야 하는 부품에서 큰 잠재력을 발휘할 수 있습니다.

3D 프린팅의 강점인 개인 맞춤형 제작은 의료 분야에서 특히 중요하며 환자의 해부학적 구조에 따라 정확하게 프린팅할 수 있습니다. 물론 생체 적합성을 최적화하기 위해서는 추가적인 표면 처리가 필요하지만 고강도 기판으로서의 잠재력은 의심할 여지가 없습니다.

기타 고성능 애플리케이션:

위의 분야 외에도 18Ni300은 자동차 산업, 군사 분야, 고급 스포츠 장비 등에서도 폭넓은 응용 가능성을 가지고 있습니다. 이러한 분야는 모두 극한의 성능과 경량화를 추구하며, 18Ni300과 적층 제조의 조합은 이러한 요구를 충족시킬 수 있습니다.

적층 제조의 공정 흐름 및 주요 고려 사항 18ni300

3D 프린팅 프로세스 선택:

18Ni300 3D 프린팅에 대해 이야기할 때 가장 먼저 해야 할 일은 올바른 프린팅 공정을 선택하는 것입니다. 현재 가장 많이 사용하는 두 가지 공정은 레이저 파우더 베드 용융(L-PBF/SLM)과 전자빔 용융(EBM)입니다.

L-PBF(SLM): 현재 가장 널리 사용되는 기술입니다. 고에너지 밀도의 레이저 빔을 통해 금속 분말을 한 층씩 녹입니다. L-PBF는 밀도 측면에서 매우 우수한 성능을 발휘합니다.

프린트된 부품은 정밀도가 높고 표면 품질이 비교적 우수합니다. 하지만 문제는 L-PBF가 18Ni300을 프린트할 때 잔류 응력이 빠르게 냉각되어 부품이 쉽게 변형되거나 심지어 균열을 일으킬 수 있기 때문에 큰 골칫거리라는 것입니다. 일반적으로 예열 조치를 취하거나 스캐닝 전략을 조정하여 이를 완화하지만 완전히 제거하는 것은 거의 불가능합니다.

EBM: 이와 달리 EBM은 전자빔을 열원으로 사용하고 진공 환경에서 작동하며 예열 온도가 더 높습니다. 따라서 EBM이 18Ni300을 처리할 때 잔류 응력 문제가 훨씬 개선되고 변형 위험이 크게 줄어듭니다. 또한 EBM의 성형 효율은 일반적으로 조금 더 높습니다. 그러나 EBM은 L-PBF보다 표면 거칠기가 더 나쁜 경향이 있으며 장비 비용과 운영 복잡성이 상대적으로 높습니다.

파우더 특성 및 관리:

고성능 합금인 18Ni300의 경우, 파우더의 품질이 인쇄물의 성패를 좌우합니다.

파우더 품질의 중요성: 우리의 초점은 입자 크기 분포에 있습니다. 너무 거칠고 너무 미세하면 작동하지 않으며 균일 한 입자 크기는 분말의 평탄도를 보장 할 수 있습니다. 구형성, 이것은 분말의 유동성에 직접적인 영향을 미치며 구형성이 좋을수록 분말의 유동성이 향상되고 분말 층이 더 균일하며 밀도를 보장하기가 더 쉽습니다. 산소 함량, 이것은 매우 중요한 지표이며 산소 함량이 너무 높으면 인쇄물 내부에 산화물이 포함되어 재료의 기계적 특성, 특히 피로도 특성에 심각한 영향을 미칠 수 있습니다.

분말 취급 및 보관: 분말은 매우 조심스럽게 관리해야 합니다. 18Ni300 이 합금은 산화에 민감하므로 산화와 오염을 방지하는 것이 최우선 과제입니다. 일반적으로 불활성 가스 보호 상태에서 분말을 체질하고 회수하며, 보관할 때는 밀폐된 건조한 용기에 보관해야 합니다. 파우더가 습기가 차거나 오염되면 인쇄 품질에 영향을 미치고 최악의 경우 배치가 폐기될 수 있으므로 이득을 얻을 가치가 없습니다.

인쇄 매개변수 최적화:

 주요 매개 변수:

• 레이저 파워: 너무 작으면 불충분하게 녹고, 너무 크면 과잉 연소됩니다.
• 스캔 속도: 는 에너지 밀도 및 용융 풀 동작에 영향을 줍니다.
• 레이어 두께: 는 인쇄 효율과 표면 거칠기에 직접적인 영향을 미칩니다.
• 스캔 전략: "바둑판" 스캔과 같이 잔여 스트레스를 분산시키는 데 도움이 됩니다.
• 예열 온도: L-PBF에서는 플랫폼 예열 온도를 적절히 올리면 잔류 응력을 줄이는 데 큰 도움이 될 수 있습니다.

제가 발견한 것은 이러한 매개변수 중 어느 하나도 단독으로 존재하는 것이 아니라 서로 영향을 주고받으며 복잡한 네트워크를 형성한다는 것입니다. 최고의 밀도, 최고의 기계적 특성, 최저 잔류 응력을 달성하기 위한 최적의 평형점을 찾기 위해 수많은 실험을 거쳐야 합니다.

후처리:

• 열처리: 노화 열처리는 초고강도를 달성하는 데 핵심적인 역할을 합니다. 인쇄된 18Ni300은 일반적으로 고체 용액 상태이며 강도가 높지 않습니다. 정밀한 노화 온도와 시간 제어를 통해 소재 내부에 나노 크기의 금속 간 화합물의 침전을 유도하여 경도와 강도를 크게 높여야 합니다. 저는 보통 프린팅 시 조직 불균일성을 제거하기 위해 용액 처리를 한 후 다단계 에이징을 진행합니다. 열처리를 통해 소재 내부의 미세 구조가 상변화를 일으켜 경도와 강도를 크게 향상시킬 수 있는 원리다.
• 완료: 인쇄물의 표면이 거칠고 내부에 약간의 결함이 있을 수 있습니다.
• 연마 및 샌드 블라스팅: 는 표면 거칠기를 효과적으로 개선할 수 있으며 미세한 맞춤이 필요한 부품에 매우 중요합니다.
• 열 등방성 압력(HIP): 이는 특히 적층 제조 부품에 매우 강력한 도구입니다. 고온과 고압에서 내부 기공과 미세 균열을 효과적으로 제거하여 부품의 밀도와 피로 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다.