금속 3D 프린팅의 일반적인 열처리 방법은 무엇입니까? - 지식

1. 어닐링 처리: 잔류 응력을 제거하고 치수를 보다 안정적으로 만듭니다.
어닐링 과정에는 부품을 특정 온도(보통 재결정 온도보다 낮은)로 가열하고, 일정 시간 동안 유지한 다음 천천히 냉각시키는 과정이 포함됩니다. 이는 재료의 내부 응력을 완화하고 입자를 미세화하거나 재결정화하며 가공 성능과 치수 안정성을 향상시킵니다.
사용처:
응력 완화: 레이저 분말층 용융(SLM) 방법은 너무 빨리 냉각되므로 잔류 응력이 남을 수 있습니다. 어닐링은 나중에 처리하거나 사용하는 동안 재료가 구부러지거나 갈라지는 것을 방지하기 위해 응력 수준을 낮추는 데 도움이 될 수 있습니다. 예를 들어, 항공기 구조 부품은 인쇄 후 600~650도에서 어닐링되는 경우가 많으며 이는 응력을 80% 이상 낮춥니다.
가소성 향상: 어닐링은 인쇄된 티타늄 합금 부품(예: Ti6Al4V)의 입자 크기를 미세화하고 연신율을 15~20% 증가시켜 냉간 성형이 필요한 부품에 더 적합합니다.
치수 안정화: 정밀 금형이나 광학 부품은 어닐링 처리를 통해 장력을 풀 때 발생하는 치수 드리프트를 방지할 수 있으며 이는 높은-정밀도 기준을 충족합니다.
GE 항공은 LEAP 엔진용 연료 노즐 제작 시 어닐링 기술을 사용해 인쇄된 부품의 잔류 응력을 300MPa에서 50MPa 미만으로 낮췄습니다. 이로 인해 고압-압력 및 고온-온도 설정에서 부품이 훨씬 더 안정적이게 되었습니다.
2. 용액 처리 및 노화: 합금을 더 강하게 만들기
프로세스 원리:
고용체 처리: 합금을 고온-단상 영역으로 가열하여 용질 원자를 완전히 용해시켜 과포화 고용체를 생성한 후 급속 냉각(예: 물 담금질)하여 고온 구조를 보존합니다.-
시간 처리: 과포화 고용체를 더 낮은 온도(일반적으로 100~500도)에서 유지하여 분해하고 '상'과 같은 강화 단계를 형성합니다. 이렇게 하면 재료가 훨씬 더 강해지고 단단해집니다.
사용 예:
Inconel 718과 같은 니켈-계 고온 합금은 인쇄 후 고용체 처리(980-1010도)와 시효 처리(720도 × 8h+620도 × 8h)가 필요합니다. 인장강도는 1500MPa 이상으로 항공기 엔진 터빈 디스크에 사용하기에 충분한 강도를 가지고 있습니다.
AlSi10Mg와 같은 알루미늄 합금은 T6 열처리(505도 고용체 + 170도 노화) 후에 30% 더 단단해집니다. 이는 경량 구조 부품에 적합합니다.
강도와 인성의 최상의 조합을 얻기 위해 Ti6Al4V 티타늄 합금은 고용체(950도) 및 노화(550도)로 처리됩니다. 이는 정형외과 임플란트에 적합합니다.
예를 들어 SpaceX의 Raptor 엔진 연소실은 Inconel 718 인쇄 부품으로 구성되어 오랫동안 섭씨 2000도까지 가열된 후에도 견고함을 유지하므로 로켓을 반복해서 사용할 수 있습니다.
3. HIP(Hot Isostatic Pressing): 내부 결함을 제거하고 재료의 밀도를 높입니다.
공정 원리: HIP에서는 부품을 고압 용기에 넣고 고온(일반적으로 1000~1200도) 및 고압(100~200MPa)의 불활성 가스(아르곤 등) 대기에 노출시킵니다. 이로 인해 재료의 모양이 바뀌고 기공과 미세 균열이 닫히고 밀도가 거의 100%에 도달합니다.
사용 사례:
터빈 블레이드와 연소실은 매우 높은 온도와 변형을 처리할 수 있어야 하는 항공기의 두 가지 중요한 부분입니다. HIP 처리를 하면 층간 접착 문제를 해결하고 피로 수명을 3~5배 더 늘릴 수 있습니다.
HIP 처리는 비구 컵 및 척추 유합 장치를 포함한 의료용 임플란트에 사용되어 재료에 구멍이 없는지 확인하고, 금속 이온 방출 위험을 낮추며, 생체 적합성에 대한 FDA의 엄격한 기준을 충족시킵니다.
HIP는 냉각 채널이 있는 엔진 노즐을 포함하여 복잡한 구조 부품에 남은 내부 지지대로 인해 발생하는 문제를 해결하여 제대로 작동하도록 할 수 있습니다.
예를 들어, Siemens Energy는 HIP 처리를 활용하여 가스 터빈 블레이드를 만듭니다. 이는 인쇄된 부품의 다공성을 0.5%에서 0.01%로 낮추고, 고온{3}}크리프 성능을 40% 향상시키며, 블레이드 수명을 100,000시간 이상 제공합니다.
4. 담금질 및 템퍼링: 경도와 인성 사이의 적절한 균형 찾기
프로세스 원리:
담금질(Quenching): 오스테나이트로 변하는 온도까지 조각을 가열한 다음 빠르게 냉각(예: 기름이나 물로)하여 매우 단단한 마르텐사이트 조직을 만듭니다.
템퍼링: 마르텐사이트를 분해하고 담금질 응력을 제거하고 재료를 더 강하게 만들려면 더 낮은 온도(150~650도)에서 유지합니다.
사용할 수 있는 곳:
공구강: 예를 들어 H13 열간 금형강은 인쇄 후 1050도에서 담금질되고 580도에서 템퍼링됩니다. 경도가 52HRC이고 열 피로 성능이 50% 향상되어 다이캐스팅 금형에 적합합니다.-
담금질(1050도) 및 저온{1}}템퍼링(200도)은 316L과 같은 스테인리스강을 더 강하고 부식에 더 잘 견디게 만듭니다. 이는 화학 장비에 적합한 선택입니다.
고용체 및 시효 처리 후 18Ni300과 같은 마르텐사이트 시효 강철은 최대 2000MPa의 강도에 도달할 수 있습니다. 이는 고정밀 금형이나 항공우주 구조물의 부품에 활용됩니다.-
Boeing은 담금질 템퍼링 공정을 사용하여 3D 프린팅된 티타늄 합금 랜딩 기어 부품을 만듭니다. 이를 통해 FAA가 감항성 인증을 위해 요구하는 강도를 높게 유지하면서 충격(35J/cm²)에 대해 더욱 견고하게 만듭니다.
5. 순환열처리 : 초합금의 미세조직 개선
공정 원리: 재료의 미세 구조는 여러 번의 가열 및 냉각 주기를 거쳐 제어됩니다. 여기에는 입자 크기를 미세화하고 조성 분포를 보다 균일하게 만드는 것이 포함되며, 이는 기계 가공이 어려운 니켈- 기반 초합금에 좋습니다.
사용 시기:
CMSX-4 단결정 합금: 인쇄 후 다단계 열처리(1280도 2시간, 1120도 4시간, 870도 24시간)를 거쳐 수상돌기 편석을 없애고 고온에서 더 좋게 만듭니다.
순환 열처리는 탄화물 분포를 개선하고 Stellite와 같은 코발트{0}} 기반 합금의 내마모성을 6 20% 높여 밸브 밀봉 표면에 적합하게 만듭니다.
일반적인 시나리오에서 롤스로이스는 RB3025 항공기 엔진 터빈 디스크를 만들기 위해 주기적 열처리를 사용했습니다. 이는 인쇄된 부품의 낮은 사이클 피로 수명을 5000사이클에서 20000사이클로 늘려 차세대 엔진을 만드는 데 도움이 되었습니다.
6. 업계 동향 및 문제점
지능형 제어: AI 알고리즘은 온도 및 스트레스 데이터를 실시간으로 감시하여 열처리 설정을 즉시 변경합니다. 이를 통해 "하나의 용광로, 하나의 정책"을 정확하게 규제할 수 있습니다.
복합 공정: 열처리와 HIP, 표면 코팅 및 기타 공정을 결합하여 더 빠르고 효과적으로 작동하는 "인쇄 열처리 코팅"이라는 통합 솔루션을 보유하고 있습니다.
재료 적응성: 3D 프린팅을 더욱 유용하게 만들려면 고엔트로피 합금 및 비정질 합금과 같은 새로운 금속 재료를 혁신적인 방식으로 열처리해야-합니다.
어려운
비용: HIP 기술에 대한 막대한 투자 및 운영 비용으로 인해 중소기업이 감당하기 어렵습니다.{0}}
변형 제어: 열처리 중에 복잡한 구조 부품이 휘어질 수 있으므로 시뮬레이션을 통해 지지대 설계를 개선해야 합니다.
표준 부족: 업계에는 열처리 공정에 대한 단일 규칙이 없으며 재료에서 부품까지 포괄적인 체인 표준 시스템이 필요합니다.