KR20200021097A

KR20200021097A - 커스텀 티타늄 합금, ti-64, 23+

Info

Publication number: KR20200021097A
Application number: KR1020207004052A
Authority: KR
Inventors: 찰스 에프. 욜톤; 에릭 보노
Original assignee: 카펜터테크날러지코오퍼레이션
Priority date: 2017-07-18
Filing date: 2018-07-18
Publication date: 2020-02-27
Also published as: EP3655558A1; US20220025485A1; US20190024217A1; WO2019018458A1; CA3069771A1; BR112020000891A2; EP3655558A4; CN110997957A; JP2020527650A; IL272001A

Abstract

본 개시 내용은 새로운 합금 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 새로운 합금은 하기 조성을 중량 퍼센트로 갖는 향상된 강도의 Ti-6Al-4V 등급 23+ 티타늄 합금이다: 알루미늄- 6.0 중량% 내지 6.5 중량%; 바나듐 - 4.0 중량% 내지 4.5 중량%; 철 - 0.15 중량% 내지 0.25 중량%; 산소 - 0.00 중량% 내지 0.10 중량%; 질소 - 0.01 중량% 내지 0.03 중량%; 탄소 - 0.04 중량% 내지 0.08 중량%; 수소 - 0.0000 중량% 내지 0.0125 중량%; 기타 원소들, 각각 - 0.0 중량% 내지 0.1 중량%; 기타 원소들, 총 - 0.0 중량% 내지 0.4 중량%; 및 티타늄 - 잔여량.

Description

커스텀 티타늄 합금, TI-64, 23+

(관련 출원의 상호 참조)

본 출원은 "3-D 인쇄용 커스텀 티타늄 합금, Ti-64, 23+" 표제의 2017년 7월 18일에 출원된 미국 가출원 제62/533,695의 우선권을 주장하고, 이 내용은 전체가 본 명세서에 참조로 인용된다.

3-D 인쇄 기술은 폴리머 기반 재료 시스템의 주류 제조분야로 발전해왔고, 컴퓨터 기반 제조분야에 혁명을 가져왔다. 폴리머 기반 3-D 제조의 성숙(maturation)은 기본 인쇄 기술 및 기존의 폴리머 제형으로 시작되었다. 성숙됨에 따라, 기술 및 폴리머 제형은 상승적으로 발달하여 바람직한 성능을 제공했다. 금속 기반의 3-D 인쇄는 덜 성숙되었지만, 빠른 성장 곡선을 따르기 시작했다. 금속 인쇄 기술은 전자빔, 및 레이저 직접 용융 및 바인더-제트(binder-jet) 기술에 기반하여 주로 분말층 인쇄 시스템으로 좁혀졌다. 성숙의 초기 단계인 것에 기인하여, 전체적인 3-D 제조 부품(part)의 성능을 최적화하기 위해 합금 조성물을 주문 제작하는 작업은 거의 이루어지지 않았다. 적용되는 합금 중에서, 티타늄과 같은 합금은 이 점에서 가장 성숙하지 않은 합금이다.

문제점: 티타늄 부품의 3가지 주요 3-D 제조 방법의 주요 비용 요인은 티타늄 분말의 비용이다. 따라서, 티타늄 분말의 효율적인 사용은 해당 제품의 성공적인 시장 확장에 필수적이다. 분말층(powder bed) 인쇄 방법은 구성 요소가 분말로부터 층별로 구축되는 조립 상자(build box)를 사용한다. 완료 시, 조립 상자는 분말로 가득 차고, 생성된 부품은 분말로 채워진 상자 내에 있다. 인쇄 후, 느슨한(loose) 분말은 부품 주위에서 제거되고, 부품에 대한 마무리 작업이 수행된다. 조립 상자 내의 분말 중 아주 작은 부분만이 부품에 포함되므로, 과도한 고비용 분말을 재사용하는 것에 상당한 인센티브가 있다.

티타늄 합금에 적용된 3가지 주요 3-D 인쇄 방법 중, 전자빔 및 레이저 용융을 기반으로 한 직접 용융 기술은 티타늄 부품 제조의 대부분을 차지하지만, 잉여 티타늄 분말는 공정을 통해 각 사이클마다 산소 픽업(oxygen pickup)을 겪는다. 티타늄 부품의 가장 일반적인 합금은 0.2 중량%의 최대 허용 산소 함량을 갖는 Ti-6Al-4V, ASTM 등급(grade) 5이다. Ti-6Al-4V의 더욱 도전적인 등급은 0.13 중량%의 훨씬 낮은 산소 한계를 갖는 등급 23이다. 제조업체들은 산소 함량이 사양 한계를 초과하기 전에 분말에 대한 최대 재사용 사이클의 수가 가능하도록, 가능한 한 분말에 산소 함량을 낮추어 개시하기를 원하기 때문에, Ti-6Al-4V, 등급 23은 Ti-6Al-4V, 등급 5보다 분말의 재활용에 더 큰 어려움을 보인다.

해결 방안: 본 개시 내용의 제1 측면은 하기 조성을 중량 퍼센트로 갖는 향상된 강도의 Ti-6Al-4V 등급 23+ 티타늄 합금("Ti-6Al-4V 등급 23+ 티타늄 합금" 또는 "Ti-6Al-4V 등급 23+"라고도 함)이다: 알루미늄- 6.0 중량% 내지 6.5 중량%; 바나듐 - 4.0 중량% 내지 4.5 중량%; 철 - 0.15 중량% 내지 0.25 중량%; 산소 - 0.00 중량% 내지 0.10 중량%; 질소 - 0.01 중량% 내지 0.03 중량%; 탄소 - 0.04 중량% 내지 0.08 중량%; 수소 - 0.0000 중량% 내지 0.0125 중량%; 기타 원소들, 각각(Other Elements, each) - 0.0 중량% 내지 0.1 중량%; 기타 원소들, 총(Other Elements, total) - 0.0 중량% 내지 0.4 중량%; 및 티타늄 - 잔여량(balance).

본 개시 내용의 임의의 측면에서, "잔여량"은 다른 모든 성분의 중량%에 첨가될 때 총 100%가 되는 나머지 중량%를 말한다. 이 경우에, "티타늄-잔여량"은 티타늄이 남은 성분이고, 함께 첨가되는 모든 성분이 100 중량%가 되는 것을 나타낸다.

본 개시 내용의 임의의 측면에서, 향상된 강도의 Ti-6Al-4V 등급 23+ 티타늄 합금은 0.00 중량% 내지 0.10 중량%의 산소(상기 기재된 바와 같이); 0.00 중량% 내지 0.06 중량%의 산소; 0.01 중량% 내지 0.10 중량%의 산소; 또는 0.01 중량% 내지 0.06 중량%의 산소를 가질 수 있다. 본 개시 내용의 임의의 측면에 기재된 향상된 강도의 Ti-6Al-4V 등급 23+ 티타늄 합금은 분말 합금; 또는 개시 바 스톡(starting bar stock)일 수 있다. 본 개시 내용의 임의의 측면에 기재된 향상된 강도의 Ti-6Al-4V 등급 23+ 티타늄 합금은 Ti-6Al-4V 등급 23 합금 이상의 강도를 가지며, 동시에 0.10 중량% 이하의 산소를 가질 수 있다. Ti-6Al-4V 등급 23+ 합금은 Ti-6Al-4V 등급 23 합금에서 하기 원소들의 조합을 제어함으로써 생성된다: 알루미늄; 철; 질소; 및 탄소. 즉, 원소들의 조합은, 예를 들어 알루미늄 - 6.0 중량% 내지 6.5 중량%; 철 - 0.15 중량% 내지 0.25 중량%; 질소 - 0.01 중량% 내지 0.03 중량%; 및 탄소 - 0.04 중량% 내지 0.08 중량%일 수 있다.

다른 측면은 Ti-6Al-4V 등급 23 티타늄 합금의 산소 함량을 감소시키거나 강도를 증가시켜 Ti-6Al-4V 등급 23+ 티타늄 합금을 제조하는 방법과 관련되고, 상기 방법은, Ti-6Al-4V 등급 23 합금 내에서 하기 원소들의 조합을 조절하는 단계를 포함한다: 알루미늄; 철; 질소; 및 탄소. 본 개시 내용에서 조합을 조절하는 단계는 원소의 중량%를 0으로 조절하는 것을 포함하여 중량%를 조절하는 것을 말한다. 예를 들어, 조합을 조절하는 단계는 알루미늄; 철; 질소; 및 탄소를 하기 중량%로 조절하는 단계를 포함한다: 알루미늄- 6.0 중량% 내지 6.5 중량%; 철 - 0.15 중량% 내지 0.25 중량%; 질소 - 0.01 중량% 내지 0.03 중량%; 탄소 - 0.04 중량% 내지 0.08 중량%. 다른 실시예로서, 조합을 조절하는 단계는 하기 중량%로 조절하는 단계를 포함한다: 알루미늄- 6.0 중량% 내지 6.5 중량%; 바나듐 - 4.0 중량% 내지 4.5 중량%; 철 - 0.15 중량% 내지 0.25 중량%; 산소 - 0.00 중량% 내지 0.10 중량%; 질소 - 0.01 중량% 내지 0.03 중량%; 탄소 - 0.04 중량% 내지 0.08 중량%; 수소 - 0.0000 중량% 내지 0.0125 중량%; 기타 원소들, 각각 - 0.0 중량% 내지 0.1 중량%; 기타 원소들, 총 - 0.0 중량% 내지 0.4 중량%; 및 티타늄 - 잔여량(balance). 본 개시 내용에서, 기타 원소들은 언급되는 화학식, 조성물 또는 청구항에 나열된 원소들 이외의 하나 이상의 원소들을 말한다. "기타 원소들, 각각"은 언급되는 화학식, 조성물 또는 청구항에 나열되지 않은 하나의 원소인 단독 원소를 말한다.

본 개시 내용의 임의의 방법에서, 원소들의 조합을 조절하는 단계는 다른 조절 전, 후, 또는 동안에 수행되는 임의의 단계를 함유할 수 있다. 임의의 단계는 최종 조성물의 산소 중량%를 조절하는, 즉 Ti-6Al-4V 등급 23의 조성을 조절하여 Ti-6Al-4V 등급 23+를 제조하는 것이다. 산소 중량%는 0.00 중량% 내지 0.10 중량% 산소; 0.00 중량% 내지 0.06 중량% 산소; 0.01 중량% 내지 0.10 중량% 산소; 또는 0.01 중량% 내지 0.06 중량% 산소일 수 있다.

본 개시 내용의 방법 및 조성물의 일 측면은, 개선된 합금, Ti-6Al-4V 등급 23+ 티타늄 합금이 제조되는 것이다. 일 측면에서, Ti-6Al-4V 등급 23+ 티타늄 합금은 Ti-6Al-4V 등급 23 티타늄 합금과 동일한 강도를 갖지만, 더 낮은 산소 함량을 갖는다. 본 개시 내용의 방법 및 조성물의 다른 측면은 Ti-6Al-4V 등급 23 티타늄 합금보다 더 강한 합금이 생성물인 것이고-이러한 더 강한 합금은 Ti-6Al-4V 등급 23+ 티타늄 합금이다. 중요하게는, 이러한 더 강한 합금(Ti-6Al-4V 등급 23+ 티타늄 합금)은 Ti-6Al-4V 등급 23 티타늄 합금보다 더 많은 산소 중량%를 함유하지 않는다. 본 개시 내용의 방법 및 조성물의 다른 측면은 두 가지 효과 모두를 보이는 것이다. 즉, 이 방법은 Ti-6Al-4V 등급 23 티타늄 합금의 강도를 증가시켜 Ti-6Al-4V 등급 23+ 티타늄 합금을 제조하고, Ti-6Al-4V 등급 23+ 티타늄 합금은 Ti-6Al-4V 등급 23 티타늄 합금보다 더 강하지만, Ti-6Al-4V 등급 23 티타늄 합금과 동일하거나 더 적은 산소 중량%를 갖는다.

상기 기재된 이유로, 제조업체는 가능한 낮은 개시 산소 함량을 원하지만, 동시에 3-D 인쇄된 Ti-6Al-4V 부품의 고객은 최대 강도를 원한다. 고강도의 Ti-6Al-4V 부품을 달성하는 일반적인 접근법은, Ti-6Al-4V 등급 23의 산소 상한 0.13%로 산소 드리프트(drift)를 위한 공간을 많이 남기지 않으면서 상한에 근접한 산소 함량을 증가시키는 것이다. 강화제로서 산소를 사용하는 것은 물론, 산소 함량이 사양에서 허용되는 것을 신속하게 초과하기 때문에 최소 재사용 사이클 수를 초래한다. 이는 표준 T-6AI-4V 등급 23 조성물과 경쟁하고, 초기 낮은 산소 함량을 가져 최대 재사용 사이클의 수를 허용할 때 등급 5에 도달하면서, 고강도를 달성하기 위해 커스텀 Ti-6Al-4V 등급 23 분말 합금 조성물이 필요하게 된다.

Ti-6Al-4V 등급 23 합금에 대한 ASTM 사양을 리뷰하면서, 합금 사양에서 다른 강도 향상 원소들이 산소와 독립적으로 강도를 향상시키기 위해 사용될 수 있음을 발견했다. 표 1은 ASTM B348 사양에서 정의되는 바와 같이 Ti-6Al-4V 등급 23 합금에 대한 표준 화학 조성물 사양을 나타낸다. 산소는 일반적으로 강도를 향상시키는데 사용되는데, 이는 쉽고, 단독 원소로서 산소는 강도에 대해 상당한 효과를 갖기 때문이다. 다른 잠재적인 강도 향상제는 알루미늄, 철, 질소 및 탄소를 포함한다. 질소는 산소보다 더 강한 강화제이지만, 허용되는 수준이 훨씬 더 낮다. 이 그룹에서 다른 원소들은 강도에 더 적은 효과를 갖는다. 이들 원소들이 3-D 인쇄 공정에 유의미한 영향을 미치지 않고, 등급 23 사양 내에서 이들 원소들의 조절된 조합은 산소 향상과 동일한 강도 향상 결과를 달성할 수 있다.

[표 1] Ti-6Al-4V ASTM B348 등급 23

표 1. ASTM B348 사양에서 정의되는 Ti-6Al-4V 등급 23 티타늄 합금의 조성

출원인의 가설에 기초하여, 신규한 조성물을 제형했다. 표 2는 이러한 신규한 조성물을 나타낸다-Ti-6Al-4V 등급 23+ 티타늄 분말 합금의 카펜터(Carpenter) 사양. 이러한 Ti-6Al-4V 등급 23+ 티타늄 분말 합금은 혼합 시, 높은 개시 산소 함량 없이 합금에서 목적하는 강도 향상을 제공하는 범위의 알루미늄, 철, 질소 및 탄소 조성물을 포함한다. 따라서, 카펜터 Ti-6Al-4V 등급 23+로 제조된 3-D 인쇄된 Ti-6Al-4V 부품의 기준 강도는 더 높은 산소 Ti-6Al-4V 및 등급 23 부품과 동일하지만, 분말의 최대 재사용에 요구되는 낮은 산소를 가질 것이다. 예측 모델링에 기초하여, 등급 23+의 강도는 Ti-6Al-4V 등급 5에 달할 수 있다. 강도는 재사용의 결과로 분말이 산소를 픽업하여 전체적으로 더 높은 강도의 곡선 및 현저히 낮은 제조 비용을 초래함으로써 더욱 증가할 것이다.

[표 2] 등급 23+, 개선된 강도의 낮은 산소 Ti-6Al-4V 분말

표 2. 카펜터 Ti-6Al-4V 등급 23+ 향상된 강도의 티타늄 합금의 조성

달리 정의되지 않으면, 본 명세서에 사용되는 모든 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 본 명세서에서 본 개시 내용에 언급되는 모든 특허, 특허 출원 및 공개물은 이들 전체가 참조로 포함된다. 본 명세서에서 용어에 대해 복수의 정의가 존재하는 경우, 본 개시에서의 정의가 우선한다.

본 발명은 현재 가장 실용적이고 바람직한 양태로 간주되는 것과 관련하여 기재되지만, 본 발명은 개시된 양태에 한정되지 않으며, 반대로, 첨부되는 청구항의 사상 및 범위 내에 포함되는 다양한 변형 및 균등한 배열을 포함하는 것으로 이해해야 한다.

Claims

하기 조성을 중량 퍼센트로 갖는, 향상된 강도의 Ti-6Al-4V 등급 23+ 티타늄 합금:
알루미늄- 6.0 중량% 내지 6.5 중량%;
바나듐 - 4.0 중량% 내지 4.5 중량%;
철 - 0.15 중량% 내지 0.25 중량%;
산소 - 0.00 중량% 내지 0.10 중량%;
질소 - 0.01 중량% 내지 0.03 중량%;
탄소 - 0.04 중량% 내지 0.08 중량%;
수소 - 0.0000 중량% 내지 0.0125 중량%;
기타 원소들, 각각 - 0.0 중량% 내지 0.1 중량%;
기타 원소들, 총 - 0.0 중량% 내지 0.4 중량%; 및
티타늄 - 잔여량.
제1항에 있어서,
상기 합금은,
0.00 중량% 내지 0.06 중량%의 산소;
0.01 중량% 내지 0.10 중량%의 산소; 또는
0.01 중량% 내지 0.06 중량%의 산소를 갖는 것인, 향상된 강도의 Ti-6Al-4V 등급 23+ 티타늄 합금.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 합금은 분말 합금인 것인, 향상된 강도의 Ti-6Al-4V 등급 23+ 티타늄 합금.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 합금은 개시 바 스톡(starting bar stock)인 것인, 향상된 강도의 Ti-6Al-4V 등급 23+ 티타늄 합금.
Ti-6Al-4V 등급 23 합금 이상의 강도를 가지며, 0.10 중량% 이하의 산소를 갖는 향상된 강도의 Ti-6Al-4V 등급 23+ 합금으로서,
상기 Ti-6Al-4V 등급 23+ 합금은 Ti-6Al-4V 등급 23 합금 내에서 하기 원소들의 조합을 조절함으로써 생성되는 것인, 향상된 강도의 Ti-6Al-4V 등급 23+ 합금:
알루미늄;
철;
질소; 및
탄소.
제5항에 있어서,
상기 원소들의 중량 퍼센트는,
알루미늄 - 6.0 중량% 내지 6.5 중량%;
철 - 0.15 중량% 내지 0.25 중량%;
질소 - 0.01 중량% 내지 0.03 중량%; 및
탄소 - 0.04 중량% 내지 0.08 중량%인 것인, 향상된 강도의 Ti-6Al-4V 등급 23+ 합금.
제5항 또는 제6항에 있어서,
상기 합금은 분말 합금인 것인, 향상된 강도의 Ti-6Al-4V 등급 23+ 합금.
제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 합금은 개시 바 스톡인 것인, 향상된 강도의 Ti-6Al-4V 등급 23+ 합금.
제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 합금은,
0.00 중량% 내지 0.06 중량%의 산소;
0.01 중량% 내지 0.10 중량%의 산소; 또는
0.01 중량% 내지 0.06 중량%의 산소를 갖는 것인, 향상된 강도의 Ti-6Al-4V 등급 23+ 합금.
Ti-6Al-4V 등급 23 티타늄 합금의 산소 함량을 감소시키거나 강도를 증가시켜 Ti-6Al-4V 등급 23+ 티타늄 합금을 제조하는 방법으로서,
상기 방법은,
상기 Ti-6Al-4V 등급 23 합금 내에서 하기 원소들의 조합을 조절하는 단계를 포함하는 것인, Ti-6Al-4V 등급 23+ 티타늄 합금의 제조방법:
알루미늄;
철;
질소; 및
탄소.
제10항에 있어서,
상기 Ti-6Al-4V 등급 23+ 티타늄 합금은 하기 조성을 중량 퍼센트로 갖는 것인, Ti-6Al-4V 등급 23+ 티타늄 합금의 제조방법:
알루미늄 - 6.0 중량% 내지 6.5 중량%;
바나듐 - 4.0 중량% 내지 4.5 중량%;
철 - 0.15 중량% 내지 0.25 중량%;
산소 - 0.00 중량% 내지 0.10 중량%;
질소 - 0.01 중량% 내지 0.03 중량%;
탄소 - 0.04 중량% 내지 0.08 중량%;
수소 - 0.0000 중량% 내지 0.0125 중량%;
기타 원소들, 각각 - 0.0 중량% 내지 0.1 중량%;
기타 원소들, 총 - 0.0 중량% 내지 0.4 중량%; 및
티타늄 - 잔여량.
제10항 또는 제11항에 있어서,
상기 방법은,
0.00 중량% 내지 0.06 중량%의 산소;
0.01 중량% 내지 0.10 중량% 산소; 또는
0.01 중량% 내지 0.06 중량%의 산소를 갖도록 Ti-6Al-4V 등급 23의 조성을 조절하는 단계를 더 포함하는 것인, Ti-6Al-4V 등급 23+ 티타늄 합금의 제조방법.
제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방법은 Ti-6Al-4V 등급 23 티타늄 합금의 산소 함량을 감소시켜, Ti-6Al-4V 등급 23+ 티타늄 합금을 제조하고, Ti-6Al-4V 등급 23+ 티타늄 합금은 Ti-6Al-4V 등급 23 티타늄 합금과 동일한 강도를 갖는 것인, Ti-6Al-4V 등급 23+ 티타늄 합금의 제조방법.
제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방법은 Ti-6Al-4V 등급 23 티타늄 합금의 강도를 증가시켜, Ti-6Al-4V 등급 23+ 티타늄 합금을 제조하고, Ti-6Al-4V 등급 23+ 티타늄 합금은 Ti-6Al-4V 등급 23 티타늄 합금보다 더 강하지만, Ti-6Al-4V 등급 23 티타늄 합금과 동일하거나 더 적은 산소 중량%를 갖는 것인, Ti-6Al-4V 등급 23+ 티타늄 합금의 제조방법.
제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 Ti-6Al-4V 등급 23+ 티타늄 합금은 분말 합금인 것인, Ti-6Al-4V 등급 23+ 티타늄 합금의 제조방법.
제10항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 Ti-6Al-4V 등급 23+ 티타늄 합금은 개시 바 스톡인 것인, Ti-6Al-4V 등급 23+ 티타늄 합금의 제조방법.