PolyU 연구진, DED 적층 제조를 통해 Ti 합금 개발

2023년 7월 31일

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홍콩 폴리테크닉 대학교(PolyU)의 공학 과학자들은 RMIT 대학교 및 시드니 대학교와 협력하여 적층 제조를 사용하여 티타늄 합금 생산 시 직면하는 품질 및 폐기물 관리 문제를 해결했습니다. "적층 가공에 의한 강력하고 연성인 티타늄-산소-철 합금"이라는 제목의 연구 결과가 최근 네이처(Nature)에 게재되었습니다.

연구팀은 새롭고 강하며 연성이며 지속 가능한 합금인 α-β Ti-O-Fe 합금을 만들기 위해 적층 가공을 활용했습니다. 이러한 특성은 α-β 상 티타늄 합금의 가장 강력한 두 가지 안정화 요소이자 강화제인 저렴하고 풍부한 산소와 철을 통합함으로써 달성됩니다. 이 새로운 티타늄 합금은 항공우주 및 해양 공학, 가전제품, 생체의학 장치 등 다양한 응용 분야에 대한 잠재력을 제시합니다.

저자는 “AM 공정 선택 측면에서 우리는 고충실도 시뮬레이션의 도움을 받아 레이저 금속 분말 지향성 에너지 증착(DED)을 선택했습니다. 이를 통해 일관된 형상으로 거의 그물 모양에 가까운 대규모 구성 요소를 제작할 수 있습니다. 미세구조.”

보고서에 따르면 새로운 티타늄 합금은 1954년에 공식화되어 널리 사용되는 Ti-6AI-4V 벤치마크 재료에 비해 더 나은 기계적 성능, 더 높은 강도 및 비슷한 연성을 나타냅니다.

주조와 같은 전통적인 제조 방법을 사용하여 새로운 티타늄 합금을 생산할 수 있지만 결과 재료의 특성이 열악하여 실제 엔지니어링에 부적합할 수 있습니다. 반면 적층 제조는 전통적인 생산 방법과 관련된 이러한 한계를 극복하고 합금의 특성을 향상시키는 것으로 알려졌습니다.

일반적으로 티타늄 합금을 생산하는 데 사용되는 Kroll 공정은 에너지 집약적이며 등급이 낮은 스폰지 티타늄을 생성합니다. 이 폐기물은 전체 스펀지 티타늄의 약 10%를 차지하며 상당한 폐기물을 발생시키고 생산 비용을 증가시킵니다. 그러나 적층 제조는 비등급 스폰지 티타늄을 재활용함으로써 효과적인 솔루션을 제공합니다. 이 기술은 폐기물을 분말로 변환하여 원료로 사용함으로써 폐기물 및 생산 비용을 절감합니다.

Zibin Chen 박사는 “우리의 연구를 통해 금속 합금 생산 산업에서 발생하는 폐기물의 10% 이상을 재활용할 수 있습니다. 이는 산업의 자재 및 에너지 비용을 크게 낮추어 환경 지속 가능성과 탄소 배출량 감소에 기여할 수 있습니다.”

이 연구에서는 새로운 티타늄 합금(α-β Ti-O-Fe 합금)에 대한 적층 제조 공정-미세 구조-특성 공간을 탐색하기 위해 합금 설계, 계산 시뮬레이션 및 실험적 특성 분석을 통합합니다.

이 연구에서는 적층 가공을 통해 복잡하고 기능성이 뛰어난 금속 부품을 한 번에 생산할 수 있어 제품 개발을 가속화하고 비용을 절감할 수 있다는 점을 강조합니다. 또한 이 기술은 기존 방법으로는 달성할 수 없는 독특한 구조와 구성을 가진 금속 부품을 제작할 수 있습니다.

적층 제조를 통해 금속 합금의 미세 구조를 조정하여 강도, 유연성, 부식 및 물에 대한 저항성을 향상할 수 있습니다. 또한, 복잡한 패턴을 지닌 가벼우면서도 강한 금속 부품을 제작할 수 있습니다. 이 연구 혁신은 적층 제조를 통해 촉진되는 지속 가능하고 전체적인 재료 설계 전략을 위한 새로운 기회를 제시할 수 있습니다.

Keith KC Chan 교수는 “이 연구는 3D 프린팅을 사용하여 특성을 향상시키고 적용 가능성을 확장하는 다른 금속 합금의 모델 또는 벤치마크 역할을 할 수 있습니다. 금속 3D 프린팅은 신흥 분야이며 재료 제조에 널리 채택되기까지는 시간이 걸릴 것입니다.”

www.polyu.edu.hk

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