KR20210090672A - 제품의 분사 성형 방법 - Google Patents

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copper
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KR1020217017684A
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스티븐 카밀레리
앤드류 두구드
Original Assignee
에퓨전테크 아이피 피티와이 엘티디
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Abstract

본 발명은:
a) 하나 이상의 금속 분말들을 저온 분사하여 중실 3차원 물품을 형성하는 단계와;
b) 분사 분말의 일부가 액화되어 물품의 하나 이상의 중실 부분들 간의 공간 및/또는 비접합부를 감소시키도록 열 소결시키는 단계와; 및
c) 가열로 액화된 분사 분말의 부분이 고체가 되도록 냉각하거나 방치하는 단계를
포함하는 3차원 중실 제품을 성형하는 방법에 관련된 것이다.

Description

제품의 분사 성형 방법
본 발명은 예를 들어 저온 분사 분말(cold 분사 분말)을 통한 제품(object)의 분사 성형(spray forming)에 관한 것이다.
3D 제품을 성형하는 저온 분사 금속 분말이 알려져 있다. 이 공정은 3D 인쇄의 하나의 종류로 간주될 수 있다. 이 분말들은 전형적으로 촉매 가스(accelerant gas)에 혼입되어(entrained) 손잡이 건(gun) 또는 로봇 장치의 노즐을 통해 분사됨으로써 제품 또는 그 부품을 생성 또는 수리한다.
적어도 많은 저온 분사 공정의 문제점은 적층된(deposited) 금속 입자의 불완전한 접합이 부적절한 강도를 갖는 완성 제품으로 결과된다는 것이다. 이는 분사된 입자들의 접합된 부분들 간의 야금학적 불연속성(metallurgical discontinuity)에 기인하는 것으로 믿어진다. 예를 들어 과도한 갭(gap) 또는 채워지지 않은 공극(void)들이 적층된 입자들 간에 남을 수 있다. 또한 입자 표면의 과도한 부분은 인접 입자들과 접합되지 못할 수 있다. 이 문제들을 해결하기 위해, 예를 들어 속도, 온도를 증가시키거나 고온 등압 프레스(hot isostatic press)를 통해 분사 분말을 압축시킴으로써 분말이 더 공격적으로(aggressively) 분사될 수 있다. 이러한 수단들은 결함을 개선할 수 있는 반면, 제조 원가 역시 수용 불가능한 수준까지 증가시킬 수 있다.
다른 문제는 양호한 기계적 경도를 갖는 합금은 분말 그 자체가 매우 단단하므로 분말의 유지(retention)(력)가 낮아(즉 낮은 적층 효율) 저온 분사로 적층시키기 매우 어렵다는 것이다. 이 문제는 때로 분말을 어닐링(annealing)하여 교정될 수 있지만 시간 소모적이고 원가가 높다.
금속 분말로 제품을 성형하는 데 야금 기법을 사용하는 것 역시 알려져 있다. 이는 가열 전 또는 가열 동안의 금속 분말의 압밀(다짐; compacting)을 포함한다. 압밀과 열의 조합은 폐쇄 또는 개방 다이(die) 내에서 분말들을 접합하도록 작용하거나 먼저 압밀시킨 다음 가열하여 중실의(solid) 금속 제품을 생성한다. 어떤 경우들에는, 분말이 먼저 폐쇄 다이 내에서 가볍게 압밀된 다음 제2 다이에서 가열 및 강하게 타격된다(이는 분말 단조(powder forging)로 알려져 있다). 그러나 이러한 다이들은 바람직하지 못하게 고가일 수 있고 제조가 시간 소모적이다.
본 발명의 바람직한 실시예의 목적은 위 문제점들의 적어도 어느 정도의 해결을 지향한다. 이 목적이 바람직한 실시예에 적용되지만, 더 광의적으로 표현된 청구항들의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다. 이 점에 있어서 본 발명의 목적 자체(per se)는 단순히 대중들에게 유용한 선택을 제공하는 것이다.
용어의 정의
"구비하는(comprising)"이라는 용어는 이 명세서에서 단계 또는 구성부(feature)들에 연계하여 사용될 때, 다른 규정되지 않은 단계 또는 구성부들을 배제하는 것으로 간주되어서는 안 된다. 이에 따라 이 용어는 배타적이 아닌 것으로 해석되어야 한다.
이 명세서에 사용된 "저온 분사(cold spraying)"라는 용어는 분말의 용융점 미만의 온도로, 그리고 분말이 목표를 충격할 때 충분한 접합을 생성하기에 충분히 높은 속도로 노즐을 통해 분말을 분사하는 것을 지칭한다.
발명의 요지
본 발명의 한 국면(aspect)에 따르면, 3차원 중실 제품(object)을 성형하는 방법이 제공되는데, 이 방법은:
a) 하나 이상의 금속 분말을 저온 분사하여 중실 3차원 물품(item)을 형성하는 단계와;
b) 이 물품을 열 소결(sintering)하여 분사 분말의 일부가 액화되어 대상의 하나 이상의 부분들 사이의 공간 및/또는 비접합부(non-adhesion)를 감소시키도록 하는 단계와; 및
c) 가열로 액화된 분사 분말의 부분이 고체가 되도록 냉각하거나 방치하는(causing or allowing) 단계를
포함한다.
바람직하기로(optionally), 분사 분말은 주(main) 매트릭스 형성(matrix forming) 분말인 적어도 하나의 다량(majority) 분말과 소결 분말인 적어도 하나의 소량(minor) 분말의 혼합물(blend)을 포함한다.
바람직하기로, 다량 분말 및/또는 소량 분말은 각각 합금을 포함한다.
바람직하기로, 단계 b)에서 대상은 매트릭스 형성 분말 및 소결 분말로 형성되는 합금의 최저 용융점 이상의 온도까지 가열된다.
바람직하기로, 단계 b)에서 대상은 매트릭스 형성 분말 및 소결 분말로 형성되는 합금의 최저 용융점을 초과하기 전에 그 미만의 하나 이상의 온도들로 가열 및 유지된다(held).
바람직하기로, 성형시 대상의 형태는 매트릭스 형성 분말로 대략 결정된다.
바람직하기로, 단계 b)에서 액화되는 것은 거의 소결 분말뿐이다.
바람직하기로, 매트릭스 형성 분말은:
a) 3 중량%(% by weight) 미만;
b) 2.2 중량% 미만; 또는
c) 1.5 중량% 미만의
추가적 금속 성분을 가진다.
바람직하기로, 적어도 대부분의 매트릭스 형성 분말은 주로 하나 이상의 알루미늄, 구리, 니켈, 철 및/또는 6000 계열(series) 알루미늄 합금을 포함한다.
바람직하기로, 매트릭스 형성 분말은 세라믹 물질(ceramic substance)을 포함한다.
바람직하기로, 단계 b)의 소결 분말은 하나 이상의 알루미늄, 구리, 니켈, 주석 및 아연을 주로(a majority of) 포함한다.
바람직하기로, 단계 b)의 소결 분말은:
a) 15 중량% 미만의 분사 분말;
b) 10 중량% 미만의 분사 분말; 또는
c) 5 중량% 미만의 분사 분말을
포함한다.
바람직하기로, 매트릭스 형성 분말과 소결 분말의 조합은 단계 b)에서 소결을 제공하는 소량의 원소(element)와, 마그네슘, 실리콘, 탄소, 니켈, 구리, 아연, 주석, 알루미늄, 리튬, 크롬, 철 및 망간 중의 하나 이상의 소량을 가진다.
알루미늄, Al-Si-Mg & 구리 분말
바람직하기로, 분사 분말이 (예를 들어 6000 계열 합금 등의) 알루미늄, Al-Si-Mg 및 구리로 구성되거나 이들을 포함하고, 단계 b)에서 물품이:
a) 524-610℃에서, 바람직하기로, 적어도 1 내지 7 시간 동안 유지되고; 이어서
b) 470-550℃에 유지되며; 및 그 다음
c) 합금 원소들이 포화 고용체(saturated solid solution)가 되도록 냉각된다.
바람직하기로, 분사 분말은 (예를 들어 6000 계열 합금 등의) 알루미늄, Al-Si-Mg 및 구리로 구성되거나 이들을 포함하고, 단계 b)에서 물품이:
a) 450-525℃에서 바람직하기로 15-300 분 동안 유지되고; 이어서
b) 524-610℃에서 바람직하기로 적어도 1-7 시간 동안 유지되며; 그 다음
c) 470-550℃에 유지되고; 및 이어서
d) 합금 원소들이 포화 고용체가 되도록 냉각된다.
구리 & 알루미늄 분말
바람직하기로, 분사 분말은 구리, 및 알루미늄(약 15 중량 %까지의 알루미늄)으로 구성되거나 이들을 포함하고, 단계 b)에서 물품이 850-1000℃에서 바람직하기로 적어도 8 내지 16 시간 동안 유지된다.
바람직하기로, 분사 분말은 구리, 및 알루미늄(약 15 중량 %까지의 알루미늄)으로 구성되거나 이들을 포함하고, 단계 b)에서 물품이:
a) 325-400℃에서 바람직하기로 적어도 4-18 시간 동안 유지되고; 이어서,
b) 850-1000℃에서 바람직하기로 적어도 8-16 시간 동안 유지된다.
바람직하기로, 분사 분말은 구리, 및 알루미늄(바람직하기로 약 15 중량 %까지의 알루미늄)으로 구성되거나 이들을 포함하고, 단계 b)에서 물품이:
a) 325-400℃에서 바람직하기로 적어고 4-18 시간 동안 유지되고; 이어서
b) 850-1,000℃에서 바람직하기로 적어도 8-16 시간 동안 유지되며; 이어서
c) 800 - 1000℃에 유지되고; 및 그 다음
d) 합금 원소들이 포화 고용체가 되도록 냉각된다.
구리, 알루미늄, 철 및 니켈 또는 실리콘 분말
바람직하기로, 분사 분말은 4%까지의 철과, 3%까지의 니켈 또는 실리콘을 포함하는 구리와 알루미늄(바람직하기로, 15 중량%까지의 알루미늄)으로 구성되거나 이들을 포함한다.
구리 & 아연 분말
바람직하기로, 분사 분말은 구리와 아연(바람직하기로 15 중량%까지의 아연)으로 구성되거나 이들을 포함하고, 단계 b)에서 물품이 850-950℃에서 바람직하기로 적어도 8-14 시간 동안 유지된다.
바람직하기로, 분사 분말은 구리와 아연(바람직하기로 15 중량%까지의 아연)으로 구성되거나 이들을 포함하고, 단계 b)에서 물품이:
a) 320-400℃에서 바람직하기로 적어도 1 내지 8 시간 동안 유지되고; 및 이어서
b) 850-950℃에서 바람직하기로 적어도 8 내지 14 시간 동안 유지된다.
바람직하기로, 분사 분말은 구리와 아연(바람직하기로 약 15 중량%까지의 아연)으로 구성되거나 이들을 포함하고, 단계 b)에서 물품이:
a) 320-400℃에서 바람직하기로 적어도 1 내지 8 시간 동안 유지되고; 이어서
b) 420-550℃에서 바람직하기로 적어고 5-25분 동안 유지되며; 및 이어서
c) 850-950℃에서 바람직하기로 적어도 8 내지 14 시간 동안 유지된다.
구리 & 주석 분말
바람직하기로, 분사 분말은 구리와 주석(바람직하기로 약 10 중량%까지의 주석)으로 구성되거나 이들을 포함하고, 단계 b)에서 물품은 850-950℃에서 바람직하기로 적어도 8 내지 14 시간 동안 유지된다.
바람직하기로, 분사 분말은 구리와 주석(바람직하기로 약 10 중량%까지의 주석)으로 구성되거나 이들을 포함하고, 단계 b)에서 물품은:
a) 200-230℃에서 바람직하기로 적어도 1-8 시간 동안 유지되고; 및 이어서
b) 850-950℃에서 바람직하기로 적어도 8 내지 14 시간 동안 유지된다.
바람직하기로, 분사 분말은 구리와 주석(바람직하기로 약 10 중량%까지의 주석)으로 구성되거나 이들을 포함하고, 단계 b)에서 물품은:
a) 231-400℃에서 바람직하기로 적어도 5-25분 동안 유지되고; 및 이어서
b) 850-950℃에서 바람직하기로 적어도 8 내지 14 시간 동안 유지된다.
구리 & 철 분말
바람직하기로, 분사 분말은 철과 구리(바람직하기로 약 5 중량%까지의 구리)로 구성되거나 이들을 포함하고, 단계 b)에서 물품은 1,096-1,200℃에서 바람직하기로 적어도 8 내지 14 시간 동안 유지된다.
바람직하기로, 분사 분말은 철과 구리(바람직하기로 약 5 중량%까지의 구리)로 구성되거나 이들을 포함하고, 단계 b)에서 물품은:
a) 800-1,096℃에서 바람직하기로 적어도 1-8 시간 동안 유지되고; 및 이어서
b) 1,096-1,200℃에서 바람직하기로 적어도 8 내지 14 시간 동안 유지된다.
바람직하기로, 분사 분말은 철과 구리(바람직하기로 약 5 중량%까지의 구리)로 구성되거나 이들을 포함하고, 단계 b)에서 물품은:
a) 1,096-1,200℃에서 바람직하기로 적어도 8-14 시간 동안 유지되고; 이어서
b) 750-900℃에서 유지되며; 및 이어서 바람직하기로
c) 마르텐사이트(martensite) 조직을 산출하도록 냉각된다.
철 & 니켈 분말
바람직하기로, 분사 분말은 철과 니켈(바람직하기로 약 5 중량%까지의 니켈)로 구성되거나 이들을 포함하고, 단계 b)에서 물품이 1,455-1,490℃에서 바람직하기로 적어도 8-14 시간 동안 유지된다.
바람직하기로, 분사 분말은 철과 니켈(바람직하기로 약 5 중량%까지의 니켈)로 구성되거나 이들을 포함하고, 단계 b)에서 물품이:
a) 1,000-1,455℃에서 바람직하기로 1-8 시간 동안 유지되고; 및 이어서
b) 1,455-1,490℃에서 바람직하기로 8-14 시간 동안 유지된다.
바람직하기로, 분사 분말은 철과 니켈(바람직하기로 약 5 중량%까지의 니켈)로 구성되거나 이들을 포함하고, 단계 b)에서 물품이:
a) 1,455-1,490℃에서 바람직하기로 적어도 8-14 시간 동안 유지되고; 이어서
b) 750-900℃에 유지되고; 및 이어서
c) 마르텐사이트 조직을 산출하도록 냉각된다.
니켈 & 구리 분말
바람직하기로, 분사 분말은 니켈과 구리(바람직하기로 약 15 중량%까지의 구리)로 구성되거나 이들을 포함하고, 단계 b)에서 물품이 1,100-1,300℃에서 바람직하기로 적어도 8-14 시간 동안 유지된다.
바람직하기로, 분사 분말은 니켈과 구리(바람직하기로 약 15 중량%까지의 구리)로 구성되거나 이들을 포함하고, 단계 b)에서 물품이:
a) 900-1,100℃에서 바람직하기로 적어도 1-8 시간 동안 유지되고; 및 이어서
b) 1,100-1,300℃에서 바람직하기로 적어도 8-14 시간 동안 유지된다.
모든(any) 분말들
바람직하기로, 분사 분말은 단계 a)에서 구형(sphere) 또는 난형 타원체(oblate spheroid) 등의 구상 입자(spheroidal particle)들로 구성되거나 이들을 포함한다.
바람직하기로, 분사 분말은 단계 a)에서 불규칙하거나, 뾰족하거나, 또는 거칠지 않은 입자들로 구성되거나 이를 포함한다.
바람직하기로, 분사 분말은 단계 a)에서 그 적어도 90%가 15-80 μm의 (예를 들어 직경 등의) 폭(span)을 갖는 입자들로 구성되거나 이들을 포함한다.
바람직하기로, 분사 분말은 단계 a)에서 그 적어도 90%가 15-45 μm의 (예를 들어 직경 등의) 폭을 갖는 입자들로 구성되거나 이들을 포함한다.
바람직하기로, 매트릭스 형성 분말은 200HV 미만의 경도(hardness)를 갖는다.
바람직하기로, 매트릭스 형성 분말은 150HV 미만의 경도를 갖는다.
바람직하기로, 매트릭스 형성 분말은 100HV 미만의 경도를 갖는다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예들이 예로서 첨부된 도면을 참조하여 설명될 것인데, 도면에서:
도 1은 구리에 대한 상태도;
도 2는 Al-Si10-Mg 분말 + 3% Cu 분말의 혼합물의 저온 분사로 조성된 일련의 블록들을 보이는 사진들;
도 3은 Al-Si10-Mg에 대한 상태도; 및
도 4는 Al-Si10-Mg + 3% Cu의 혼합물의 저온 분사로 조성된 추가적인 블록들을 보이는 사진.
여러 가지 3차원 제품(object)들이 이하에 명시된 상세들에 따라 저온 분사(cold spraying)로 형성되었다.
예 1
저온 분사 알루미늄 합금 6061 분말
알루미늄 합금 6061은 예를 들어 https://en.wikipedia.org/wiki/6061_aluminium_alloy에 기재된 상업적으로 입수 가능한 제품이다.
알루미늄 합금 6061은 때로 약 2.7 g/cm3의 밀도와 대략 580℃의 용융점, 약 70-80 GPA의 탄성계수, 약 0.33의 프아송비(Poissons ratio), 약 173 W/m.K의 열전도율(thermal conductivity), 및 약 3.7-4.0 x10-6 Ω.cm의 전기저항(electrical resistivity)을 갖는 중실(solid) "전신(展伸; wrought)" 제품으로 사용된다.
알루미늄 합금 6061은 오스트레일리아에서 Kymera International (https://www.kymerainternational.com/)의 자회사인 Ecka Granules Germany로부터 분말로 입수할 수 있고, 대략 다음 표에 보인 조성을 갖는다.
성분 양 (%wt)
알루미늄 잔량(Balance)
마그네슘 0.8-1.2
실리콘 0.4 - 0.8
철 최대 0.7
구리 0.15-0.40
아연 최대 0.25
티타늄 최대. 0.15
망간 최대 0.15
크롬 0.04-0.35
기타 0.05
저온 분사 분말이 된(powdered) 알루미늄 합금 6061은 흔히 완성 제품의 인장 강도의 면에서 전신 알루미늄의 표준이다. 이는 저온 분사된 물품의 미세구조에 있어서 층 내부 및/또는 분사 층들 간의 입자들의 불완전한 접합에 기인하는 것으로 믿어진다.알루미늄 합금 6061 분말은 30 바(bar)의 압축공기와 500℃를 사용하여 저온 분사됨으로써 일련의 표준 인장 시험 바(bar)들을 제조하였다. 이들은 다음과 같이 열처리된다:
어닐링(anneal): 575℃ x 4 시간 + 공기 냉각
용해(Solutionise): 530℃ x 1 시간 + 물 ??칭(Water Quench)
에이징(Age): 200℃ x 1 시간
이어서 바들은 파단(break) 및 신장(elongation) 시험을 받게 되는데, 평균적인 결과들은 아래 표에 보이는 바와 같다. 이 표는 또한 신전 알루미늄 6061과의 비교도 제공한다.
저온 분사된 알루미늄 합금 6061 분말 신전 알루미늄 합금 6061
파단응력, MPa 147 310
파단시 신장, % 0.33 8
표에 보이는 바와 같이, 알루미늄 합금 6061로부터 물품을 유효하게 저온 분사할 수 있다. 이들은 유효하게 적층되어 구축되지만 포함된 입자들이 아주 잘 접합되어 신전 알루미늄과 동일한 강도를 제공하지는 않는다.예 2
저온 분사 알루미늄 합금 6061 분말 + 4% Cu 분말
구리 입자는 저온 분사시 잘 증착되는 것이 파악되었다. 그러나 순수 구리는 열 경화(thermal hardening)가 되지 않거나 불충분한 듯하며, 이에 따라 구조 응용에는 사용이 제한되는 것으로 믿어진다. 충분한 강도를 가질 것이 요구되는 저온 분사 물품이 될 가능성이 낮은 후보였다.
그러나 본 발명자는 구리 분말이 알루미늄 합금 6061과 조합되어 저온 분사되면 우수한 효과를 나타냄을 발견하였다. 알루미늄 합금 6061과의 혼합물로 분사되면, 구리 분말은 결과적인 3D 제품에서 (도 1에 도시된 바와 같이) 548℃ 이상에서 액상을 형성한다. 놀랍게도 구리는 알루미늄 합금 6061 단독보다 훨씬 더 단단한 완성 물품을 가져오는 것이 발견되었다. 구리는 알루미늄 내에 적절한 확산성(diffusivity)을 가져 소결 준비가 된(ready sinterering) 액상을 형성하며, 단순히 알루미늄 매트릭스 내로 용해될 가능성은 낮다.
알루미늄 합금 6061과 중량으로 4% Cu 분말의 혼합물(blend)이 30 바(bar) 및 500℃의 압축공기를 사용하여 저온 분사됨으로써 일련의 표준 인장 시험 바(bar)들을 형성하였다. 이들은 다음과 같이 열처리되었다:
소결: 610℃ x 3 시간 + 로내 냉각(Furnace cool)
용해: 505℃ x 1 시간 + 물 ??칭
에이징: 160℃ x 1 시간
결과적인 소재를 인장 시험하여 현저한 강도를 가짐을 파악하였다. 이는 예 1의 결과와의 비교를 포함하여 아래 표 1에 표시되었다.
4% Cu 분말을 갖는 저온 분사 알루미늄 합금 6061 분말 저온 분사 알루미늄 합금 6061 분말 신전 알루미늄 합금 6061
파단응력, MPa 293 147 310
파단시 신장, % 1.5 0.33 8
예 2의 물품, 즉 혼합물 내의 구리는 예 1의 물품보다 훨씬 더 강하고, 또한 신전 물품에 대해 매우 잘 비교된다. 한 마디로, '분사 후 열처리'와 함께 구리 분말의 첨가는 파단 응력 및 신장 파라미터들을 현저하게 개선한다.예 3
6061 + 4% Cu의 공극(porosity)은 열처리에 좌우된다
도 2에서, 일련의 블록들이 알루미늄 합금 6061 분말과 중량으로 4% Cu 분말의 혼합물이 30 바 및 500℃에서 저온 분사로 구성되었다. 이들은 이어서 다음과 같이 열처리되었다.
도 2에 대한 소결 처리
시료 번호 열처리 상세
A 열처리 없음
B 555℃ x 6 시간 + (FC + 530℃) x 1 시간 + WQ
C 570℃ x 6 시간 + (FC + 530℃) x 1 시간 + WQ
D 605℃ x 1 시간 + FC + 530℃ x 1 시간 + WQ
* FC = 로내 냉각(Furnace Cool) WQ = 물 ??칭(Water Quench).
도 2에 도시된 바와 같이, 시료 A는 어떤 가시적인 공극을 보이지 않는다. 그러나 시료 B는 열처리 동안 상당한 전체 공극(gross porosity)을 나타내 그 밀도를 낮추고 완성된 물품을 많은 기계적 응용들에 부적합하게 만든다. 이에 비해 놀랍게도 시료 D는 가시적인 공극을 나타내지 않아 이를 기계적 응용들의 후보가 되게 한다.
예 4
Al-Si10-Mg + 3% Cu 저온 분사에 실패
(예를 들어 선택적 레이저 용융(Selective Laser Melting) 등의) 3D 인쇄에 흔히 사용되는 분말 합금은 Al-10Si-Mg이다. 그 전형적인 조성을 아래에 보인다.
성분 양(% wt)
알루미늄 잔량
마그네슘 0.25-0.35
실리콘 9.5 - 10.5
철 최대 0.7
구리 0.05 최대
아연 최대 0.25
티타늄 최대 0.15
망간 최대 0.15
크롬 0.04-0.35
기타 0.05
Al-10Si-Mg 합금은 융합(fuse)되도록 설계되어 저온 분사 맥락에서의 액상 소결에 적합하다고 생각되었다. 도 3에 도시된 바와 같이, 이는 액체 형성에 적합한 큰 2상(two-phase) 영역(즉 고체 또는 액체가 될 수 있는 큰 온도 영역)을 갖는다. 뿐만 아니라, 이는 분사 알루미늄 합금 6061과 유사한 방식으로 경화될 수 있다. Cu의 첨가는 소결 액체가 처음(first) 존재하는 온도를 최소한 524℃로 낮추기에 충분하다고 생각되었다(도 X). 이는 액상 소결의 작용을 촉진할 뿐 아니라 전술한 바와 같이 최종 소결에 대한 경화 반응을 강화할 것으로 생각되었다.이상을 시험하기 위해, Al-10Si-Mg 분말과 중량으로 3%의 Cu 분말의 혼합물을 사용하여 소재의 블록이 저온 분사되었다. 이 분말이 30 바 및 500℃에서 도포되었다(applied). 그러나 이 블록은 도 4에 도시된 바와 같이 제대로 형성되지 않았다. 이는 Al-Si10-Mg가 도포된 소재의 겨우 약 15%만이 블록에 성공적으로 포함되고 나머지는 튀어나올 정도로 낮은 적층 효율을 갖기 때문인 것으로 파악되었다. 이 놀라울 정도로 불량한 결과는 알루미늄 분말 내의 경질의 실리콘 입자의 과도한 비율에 기인하였다.
예 5: 예비 소결 처리한 6061 + 5%Al-10Si-Mg + 1% Cu는 놀라운 성능을 나타낸다
예 1 및 2의 6061 알루미늄 분말이 5%의 Al-10Si-Mg 및 1의% Cu와 혼합된 다음, 저온 분사되었다. 분사된 물품(part)은 이어서 "예비 소결(pre-sintering)" 처리를 포함하는 다음과 같은 특별한(unusual) 열처리를 받았다:
예비 소결: 500℃ x 20분
소결: 595℃ x 4 시간
용해: 530℃ x 1 시간 + 물 ??칭
이어서 시료가 150℃ x 2.5 시간 동안 에이징되었다.
이는 이하에 표로 작성한 놀라운 결과를 나타낸다:
예 5 이전 예들
4% Cu 분말을 갖는 알루미늄 합금 6061 저온 분사 저온 분사 알루미늄 합금 6061 신전 알루미늄 합금 6061
파단응력, MPa 298 293 147 310
파단시 신장, % 7.5 1.5 0.33 8
예 6: 알루미늄 청동에 예비 소결 적용이론에 얽매이지 않고, 예 5의 예비 소결 처리는 결속력이 약한(poorly-bonded) 접속부(interface)에 걸쳐 액체의 침투를 향상시켜 공극을 감소시키도록 작용할 수 있는 것으로 믿어진다. 이 효과는 예를 들어 알루미늄 청동 등의 다양한 합금 시스템들에 일반화 될 수 있다.
순수한 구리 분말이 예 1 및 2의 6061 분말 10%에 혼합되었다, 이는 물품에 저온 분사된 다음 아래 표와 같이 처리되었다, 추가적으로, 완전히 합금된 알루미늄 청동 분말(즉 소결 작용제(sintering agent) 없는)이 저온 분사되어 비교를 위해 시험되었다. 두 단계의 예비 소결 단계들을 거친 혼합 분말이 매우 잘 수행되었다.
분말의 조성 열처리 UTS, MPa 신장, %
Cu + 10% 6061 분말들의 혼합물 400℃ x 5 시간, 이어서 950℃ x 12 시간 280 4.4
Cu + 10% 6061 분말들의 혼합물 325℃ x 16 시간, 이어서 555℃ x 0.5 시간, 이어서 950C x 16 시간 312 5.3
알루미늄 청동 합금 (Cu-10%Al) 850℃ x 10 시간 + WQ 180 0.3
개시에 있어서, 이 명세서는 각 물품, 단계 또는 이 명세서에 언급된 다른 특징들을 하나 이상의 다른 물품, 단계 또는 이 명세서에 언급된 다른 특징들 중의 하나 이상의 어느 것과 조합하여, 각 경우 이러한 조합이 청구되는지 여부와 무관하게 예상 및 개시한다.이상에서 본 발명의 일부 바람직한 형태들이 예로서 설명되었지만, 본 발명 또는 이하의 청구항들을 벗어나지 않고도 변경과 개선들이 이뤄질 수 있음을 이해해야 할 것이다.

Claims (40)

  1. 3차원 중실 제품을 성형하는 방법으로서:
    a) 하나 이상의 금속 분말을 저온 분사하여 중실 2차원 물품을 형성하는 단계와;
    b) 상기 분사 분말의 일부가 액화되어 상기 물품의 하나 이상의 중실 부분들 간의 공간 및/또는 비접합부를 감소시키도록 열 소결시키는 단계와; 및
    c) 가열로 액화된 상기 분사 분말의 부분이 고체가 되도록 냉각하거나 방치하는 단계를 포함하는
    성형 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 분사 분말이 주 매트릭스 형성 분말이 되는 적어도 하나의 다량 분말과 소결 분말이 되는 적어도 하나의 소량 분말을 포함하는
    성형 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 다량 분말 및/또는 소량 분말이 각각 합금을 포함하는
    성형 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 단계 b)에서 상기 물품이 상기 매트릭스 형성 분말과 상기 소결 분말로 형성되는 합금의 최저 용융 온도 이상의 온도로 가열되는
    성형 방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 단계 b)에서 상기 물품이 상기 매트릭스 형성 분말과 상기 소결 분말로 형성되는 합금의 최저 용융 온도를 초과하는 온도로 가열되기 전에 상기 온도 미만의 하나 이상의 온도들로 가열 및 유지되는
    성형 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 물품의 성형시 형태가 거의 상기 매트릭스 형성 분말로 결정되는
    성형 방법.
  7. 제2항 내지 제6항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 단계 b)에서 액화되는 것이 거의 상기 소결 분말뿐인 성형 방법.
  8. 제2항 내지 제7항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 매트릭스 형성 분말이:
    a) 3 중량% 미만,
    b) 2.2 중량% 미만, 또는
    c) 1.5 중량% 미만의
    추가적 금속 함량을 갖는
    성형 방법.
  9. 제3항 내지 제8항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 매트릭스 형성 분말의 적어도 대부분이 알루미늄, 구리, 니켈, 철, 및/또는 6000 계열 알루미늄 합금 중의 하나 이상을 주로 포함하는 성형 방법.
  10. 제3항 내지 제9항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 매트릭스 형성 분말이 세라믹 물질을 포함하는
    성형 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 단계 b)에서 상기 소결이 알루미늄, 구리, 니켈, 주석, 및 아연 중의 하나 이상을 주로 포함하는 소결 분말에 이해 이루어지는 성형 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 단계 b)에서 상기 소결이:
    a) 15 중량% 미만의 분사 분말;
    b) 10 중량% 미만의 분사 분말; 또는
    c) 5 중량% 미만의 분사 분말을
    포함하는 소결 분말에 의해 이루어지는
    성형 방법.
  13. 제2항, 또는 청구항 2를 인용하는 청구항 3 내지 청구항 12 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 매트릭스 형성 분말과 소결 분말의 조합이 상기 단계 b)에서 상기 소결을 제공하는 소량의 원소들을 가지며, 상기 소량의 원소들이 마그네슘, 실리콘, 탄소, 니켈, 구리, 아연, 알루미늄, 리튬, 크롬, 철, 및 망간 중의 하나 이상으로 구성되는
    성형 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 분사 분말이 (예를 들어 6000 계열 합금 등의) 알루미늄과, Al-Si-Mg과, 및 구리로 구성되거나 이들을 포함하고,
    상기 단계 b)에서 상기 물품이:
    a) 524-610℃에서 적어도 1 내지 7 시간 동안 유지되고; 이어서
    b) 470-550℃ 에 유지된 다음;
    c) 합금 원소들이 포화 고용체가 되도록 냉각되는
    성형 방법.
  15. 제1항 내지 제13항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 분사 분말이 (예를 들어 6000 계열 합금 등의) 알루미늄과, Al-Si-Mg과, 및 구리로 구성되거나 이들을 포함하고,
    상기 단계 b)에서 상기 물품이:
    a) 450-525℃에서 15-300분 동안 유지되고; 이어서
    b) 524-610℃에서 적어도 1 내지 7 시간 동안 유지되고; 이어서
    c) 470-550℃ 에 유지된 다음;
    d) 합금 원소들이 포화 고용체가 되도록 냉각되는
    성형 방법.
  16. 제1항 내지 제13항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 분사 분말이 구리와 (약 15 중량%의 알루미늄까지의) 알루미늄으로 구성되거나 이들을 포함하고, 상기 단계 b)에서 상기 물품이 850-1000℃에서 적어도 8 내지 16 시간 동안 유지되는
    성형 방법.
  17. 제1항 내지 제13항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 분사 분말이 구리와 (약 15 중량%의 알루미늄까지의) 알루미늄으로 구성되거나 이들을 포함하고, 단계 b)에서 상기 물품이:
    a) 325-400℃에서 적어도 4-18 시간 동안 유지되고; 및 이어서
    b) 850-1000℃에서 적어도 8 내지 16 시간 동안 유지되는
    성형 방법.
  18. 제1항 내지 제13항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 분사 분말이 구리와 (약 15 중량%의 알루미늄까지의) 알루미늄으로 구성되거나 이들을 포함하고, 단계 b)에서 상기 물품이:
    a) 325-400℃에서 적어도 4-18 시간 동안 유지되고; 이어서
    b) 850-1000℃에서 적어도 8 내지 16 시간 동안 유지되며; 및 이어서
    c) 800-1000℃에서 유지된 다음;
    d) 합금 원소들이 포화 고용체가 되도록 냉각되는
    성형 방법.
  19. 제1항 내지 제13항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 분사 분말이 구리와 (약 15 중량%의 알루미늄까지의) 알루미늄과, 4%까지의 철과, 및 3%까지의 니켈 또는 실리콘으로 구성되거나 이들을 포함하는
    성형 방법.
  20. 제1항 내지 제13항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 분사 분말이 구리와 (약 15 중량% 아연까지의) 아연으로 구성되거나 이들을 포함하고, 상기 단계 b)에서 상기 물품이 850-950℃에서 적어도 8-14 시간 동안 유지되는
    성형 방법.
  21. 제1항 내지 제13항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 분사 분말이 구리와 (약 15 중량%의 아연까지의) 아연으로 구성되거나 이들을 포함하고, 상기 단계 b)에서 상기 물품이:
    a) 320-400℃에서 적어도 1 내지 8 시간 동안 유지되고; 및 이어서
    b) 850-950℃에서 적어도 8 내지 14 시간 동안 유지되는
    성형 방법.
  22. 제1항 내지 제13항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 분사 분말이 구리와 (약 15 중량%의 아연까지의) 아연으로 구성되거나 이들을 포함하고, 상기 단계 b)에서 상기 물품이:
    a) 320-400℃에서 적어도 1 내지 8 시간 동안 유지되고; 이어서
    b) 420-550℃에서 적어도 5-25 분 동안 유지되며; 및 이어서
    b) 850-950℃에서 적어도 8 내지 14 시간 동안 유지되는
    성형 방법.
  23. 제1항 내지 제13항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 분사 분말이 구리와 (약 10 중량%의 주석까지의) 주석으로 구성되거나 이들을 포함하고, 상기 단계 b)에서 상기 물품이 850-950℃에서 적어도 8 내지 14 시간 동안 유지되는
    성형 방법.
  24. 제1항 내지 제13항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 분사 분말이 구리와 (약 10 중량%의 주석까지의) 주석으로 구성되거나 이들을 포함하고, 상기 단계 b)에서 상기 물품이:
    a) 200-230℃에서 적어도 1-8 시간 동안 유지되고; 및 이어서
    b) 850-950℃에서 적어도 8 내지 14 시간 동안 유지되는
    성형 방법.
  25. 제1항 내지 제13항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 분사 분말이 구리와 (약 10 중량%의 주석까지의) 주석으로 구성되거나 이들을 포함하고, 상기 단계 b)에서 상기 물품이:
    a) 231-400℃에서 적어도 5-25분 동안 유지되고; 및 이어서
    b) 850-950℃에서 적어도 8 내지 14 시간 동안 유지되는
    성형 방법.
  26. 제1항 내지 제13항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 분사 분말이 철과 (약 5 중량%의 구리까지의) 구리로 구성되거나 이들을 포함하고, 상기 단계 b)에서 상기 물품이 1096-1,200℃에서 적어도 8 내지 14 시간 동안 유지되는
    성형 방법.
  27. 제1항 내지 제13항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 분사 분말이 철과 (약 5 중량%의 구리까지의) 구리로 구성되거나 이들을 포함하고, 상기 단계 b)에서 상기 물품이:
    a) 800-1,096℃에서 적어도 1-8 시간 동안 유지되고; 및 이어서
    b) 1,096-1,200℃에서 적어도 8 내지 14 시간 동안 유지되는
    성형 방법.
  28. 제1항 내지 제13항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 분사 분말이 철과 (약 5 중량%의 구리까지의) 구리로 구성되거나 이들을 포함하고, 상기 단계 b)에서 상기 물품이:
    a) 1,096-1,200℃에서 적어도 8-14 시간 동안 유지되고; 이어서
    b) 750-900℃에서 유지되며; 및 이어서
    c) 마르텐사이트 조직을 산출하도록 냉각되는
    성형 방법.
  29. 제1항 내지 제13항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 분사 분말이 철과 (약 5 중량%의 니켈까지의) 니켈로 구성되거나 이들을 포함하고, 상기 단계 b)에서 상기 물품이 1,455-1,490℃에서 적어도 8-14 시간 동안 유지되는
    성형 방법.
  30. 제1항 내지 제13항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 분사 분말이 철과 (약 5 중량%의 니켈까지의) 니켈로 구성되거나 이들을 포함하고, 상기 단계 b)에서 상기 물품이:
    a) 1,000-1,455℃에서 적어도 1-8 시간 동안 유지되고; 및 이어서
    b) 1,455-1,490℃에서 적어도 8-14 시간 동안 유지되는
    성형 방법.
  31. 제1항 내지 제13항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 분사 분말이 철과 (약 5 중량%의 니켈까지의) 니켈로 구성되거나 이들을 포함하고, 상기 단계 b)에서 상기 물품이:
    a) 1,455-1,490℃에서 적어도 8-14 시간 동안 유지되고; 이어서
    b) 750-900℃에서 유지되며; 및 이어서
    c) 마르텐사이트 구조를 산출하도록 냉각되는
    성형 방법.
  32. 제1항 내지 제13항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 분사 분말이 니켈과 (약 15 중량%의 구리까지의) 구리로 구성되거나 이들을 포함하고, 상기 단계 b)에서 상기 물품이 1,100-1,300℃에서 적어도 8-14 시간 동안 유지되는
    성형 방법.
  33. 제1항 내지 제13항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 분사 분말이 니켈과 (약 15 중량%의 구리까지의) 구리로 구성되거나 이들을 포함하고, 상기 단계 b)에서 상기 물품이;
    a) 900-1,100℃에서 적어도 1-8 시간 동안 유지되고; 및 이어서
    b) 1,100-1,300℃에서 적어도 8-14 시간 동안 유지되는 성형 방법.
  34. 제1항 내지 제13항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 분사 분말이 상기 단계 a)에서 예를 들어 구형 또는 난형 타원체 등의 구상 입자들로 구성되거나 이들을 포함하는
    성형 방법.
  35. 제1항 내지 제34항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 분사 분말이 상기 단계 a)에서 불규칙하거나, 뾰족하거나, 또는 거칠지 않은 입자들로 구성되거나 이를 포함하는
    성형 방법.
  36. 제1항 내지 제35항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 분사 분말이 상기 단계 a)에서 그 적어도 90%가 15-80 μm의 (예를 들어 직경 등의) 폭을 갖는 입자들로 구성되거나 이들을 포함하는
    성형 방법.
  37. 제1항 내지 제36항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 분사 분말이 상기 단계 a)에서 그 적어도 90%가 15-45 μm의 (예를 들어 직경 등의) 폭을 갖는 입자들로 구성되거나 이들을 포함하는
    성형 방법.
  38. 제1항 내지 제37항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 매트릭스 형성 분말이 200HV 미만의 경도를 갖는
    성형 방법.
  39. 제1항 내지 제38항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 매트릭스 형성 분말이 150HV 미만의 경도를 갖는
    성형 방법.
  40. 제1항 내지 제39항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 매트릭스 형성 분말이 100HV 미만의 경도를 갖는
    성형 방법.
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