가스 분무 구형 분말: 기술적 및 실용적 과제 해결

1. 소개

구형 금속 분말은 균질성, 유동성 등 우수한 특성으로 인해 적층 제조(AM)의 중요한 원료가 되어 인쇄 부품의 품질과 성형 효율을 향상시킵니다. 동시에 재활용 및 재사용이 가능하여 비용과 환경에 미치는 영향을 줄일 수 있습니다.

2 구형 파우더

2.1 구형 파우더란 무엇인가요?

금속 3D 프린팅은 구형 금속 분말에 크게 의존하며, 이는 기본 재료로 사용되며 업계 공급망의 중요한 구성 요소를 구성합니다. 3D 프린팅 기술의 발전은 이러한 금속 분말의 개발과 밀접한 관련이 있습니다. 현재 금속 3D 프린팅에 사용되는 주요 재료는 철, 티타늄, 코발트, 구리, 니켈 및 이들의 다양한 합금을 포함합니다.

2.2 구형 파우더의 특성은 무엇인가요?

구형 분말의 독특한 구조로 인해 일반 분말과 비교할 수없는 몇 가지 고유 한 특성을 가지며 재료 구조에 대한 요구 사항이 더 높은 응용 분야에 사용할 수 있습니다.

1.높은 균일성: 구형 구조로 인해 구형 분말의 입자 크기 분포가 상대적으로 좁습니다. 이 구조는 성형 공정에서 분말 입자의 높은 균일 성을 보장하여 준비된 재료의 정밀도와 품질을 크게 향상시키고 재료의 물리적 및 화학적 특성을 최대한 활용할 수 있습니다.

2.압축성: 구형 분말의 구조는 콤팩트하고 압축성과 가소성이 매우 우수하여 구형 분말이 재료의 다양한 복잡한 구조를 준비하고 생산 공정에서 스크랩 률을 줄입니다.

3.유동성: 구형 분말은 입자 모양 규칙으로 인해 유동성이 우수하고 구형 입자 크기 분포가 더 균일합니다. 입자가 엇갈리거나 쌓이지 않으므로 생산 공정이 더 효율적이므로 생산 시간과 비용이 절감됩니다.

2.3 구형 분말의 용도는 무엇인가요?

앞서 언급한 3D 프린팅 외에도 구형 분말은 분말 야금, 재료 첨가제 및 촉매 담체에도 사용할 수 있습니다.

1.금속 3D 프린팅: 구형 금속 분말은 금속 3D 프린팅 기술의 핵심 원료 중 하나입니다. 파우더 베드 소결(예: 선택적 레이저 소결) 및 직접 에너지 증착(예: 레이저 용융)과 같은 공정에서 구형 분말은 우수한 유동성과 적층성은 물론 고밀도 및 성형 품질을 제공할 수 있습니다.

2.분말 야금: 구형 분말은 금속 부품 및 재료의 제조를 위한 분말 야금 공정에서 널리 사용됩니다. 구형 분말의 균질성과 유동성은 성형된 부품의 밀도와 기계적 특성을 보장하는 데 도움이 됩니다.

3.코팅 및 분사: 구형 분말은 일반적으로 열 스프레이, 냉간 스프레이 및 플라즈마 스프레이와 같은 코팅 재료의 준비에 사용됩니다. 구형 분말의 모양과 입자 크기 분포는 균일한 스프레이 코팅을 보장하고 코팅 접착력과 내마모성을 향상시킵니다.

4.복합재 제조: 구형 분말은 수지, 세라믹, 폴리머 및 기타 재료와 결합하여 자동차, 항공 우주, 건설 및 기타 분야의 구조 및 기능 부품 제조에 사용하기 위한 복합재를 준비할 수 있습니다.

5.촉매: 화학 산업 분야에서 구형 분말은 종종 화학 반응, 환경 보호 및 에너지 변환에 적용되는 촉매의 운반체로 사용됩니다.

3 구형 분말의 준비

에어로졸화 공정은 가스 분사 또는 기계적 진동 등을 이용하여 고체 분말을 작은 입자로 분무하고 공기 중에 부유 액체 미스트를 형성하는 공정입니다. 가스 분무는 고압 가스 흐름(일반적으로 불활성 가스)을 사용하여 분말을 분무합니다.

가스의 비열 용량이 물보다 작기 때문입니다. 물방울이 냉각되고 응결되는 데 더 많은 시간이 걸립니다. 결과적으로 가스 분무로 생성되는 분말은 물 분무(WA)보다 더 구형이며, 일반적으로 생성되는 분말은 불규칙하고 3D 프린팅에 사용되지 않습니다.

원자화는 용광로에서 원재료 합금/금속(어떤 형태든 가능)을 녹이는 것으로 시작됩니다. 그런 다음 용융 액체가 고르게 분포되도록 일정 시간 동안 유지합니다. 그 후 유속이 제어된 내화 노즐이 있는 도가니로 액체를 옮깁니다. 노즐이 열리고 액체가 분무 챔버로 들어가도록 허용됩니다. 액체는 자유롭게 떨어지고 고속 공기 흐름에 의해 냉각, 분무, 응고됩니다. 마지막으로 챔버 바닥에서 분말을 수집할 수 있습니다. 나중에 필요한 또 다른 단계는 분말을 건조하는 것입니다.

3.1 불활성 가스 분무

원리는 용융 금속 액체 흐름이 고속 기류에 의해 충격을 받고 부서져 빠른 냉각에 의해 금속 분말을 형성하는 것입니다. 가스 분무용 노즐에는 자유 낙하 노즐과 밀착 결합 노즐의 두 가지 주요 유형이 있습니다. 자유 낙하 노즐 설계는 비교적 간단하고 노즐이 막히기 쉽지 않으며 제어 프로세스가 비교적 간단하지만 분무 효율은 낮습니다. 밀착 결합 노즐 설계는 콤팩트하고 가스의 비행 거리를 단축하며 에너지 손실이 적고 가스 분무 프로세스를 줄이고 유체 매체가 완전히 분쇄 된 금속 액체 흐름이 될 수 있으며 노즐 분무 효율이 높습니다.

3.1.1 플라즈마 불활성 가스 분무(PIGA)

원료는 사전 합금 봉으로 형성되고 수냉식 구리 도가니에서 플라즈마 아크 열을 사용하여 용융되며, 바닥은 유도 가열 노즐에 연결되어 용융 금속의 액체 흐름을 가스 분무 노즐에 도입하여 분무하는 세라믹 프리 노즐 시스템인 PIGA 기술의 장점은 용융 과정에서 플라즈마 건이 원료 봉과 접촉하지 않아 공정의 순도를 보존할 수 있다는 것입니다.

3.1.2 전극 유도 가스 원자화(EIGA)

전극 유도 용융 가스 분무(EIGA)는 전통적인 가스 분무 기술에서 파생된 혁신적인 접근 방식입니다. 도가니를 사용하여 용융 금속을 담는 기존 방식과 달리, EIGA는 유도 가열을 통해 용융된 회전 금속봉을 주 공급 원료로 사용하고 용융된 재료가 분무 챔버로 직접 들어갑니다. 이 설계는 용융 과정에서 도가니와의 접촉을 피하여 오염을 방지하고 분무된 분말의 순도를 보장합니다.

EIGA 기술은 원료 오염 최소화, 빠른 가열 속도, 간소화된 공정, 간편한 장비 유지보수 등 기존의 도가니 분무 방식에 비해 여러 가지 장점을 제공합니다.

하지만 EIGA 기술에도 도전 과제가 있습니다:

1.유도 코일은 유도 전극의 원료 바 직경에 제한이 있습니다. 직경이 큰 전극은 더 높은 유도 가열 전원 공급 장치와 코일이 필요하므로 비용이 증가하여 대구경 막대 원자화 개발을 방해합니다.

2.전극이 코일 내에서 안전하게 유지되도록 수직 공급 속도와 전극 회전 속도 간의 안정적인 협력을 유지하는 것은 해결해야 하는 복잡한 문제입니다.

3.전극 유도 가열 및 에어로졸 노즐로의 용융 중에 금속 방울의 안정적이고 중단 없는 흐름을 달성하는 것은 어려운 과제입니다. 실제 원자화 과정에서 물방울이 형성되거나 전극이 불완전하게 용융되어 도관이 막힐 수 있습니다. 따라서 액체 흐름의 안정성을 유지하는 것은 현재 EIGA 기술에서 중요한 과제입니다.

3.1.3 플라즈마 원자화(PA)

플라즈마 원자화(PA)는 플라즈마를 주 열원으로 사용하여 일반적으로 분말 또는 와이어 형태의 공급 원료를 녹입니다. 공급 원료가 플라즈마 토치에 노출되면 불활성 가스 분사로 인해 용융과 분무가 동시에 이루어집니다. 공정의 후속 단계는 가스 분무와 유사합니다.

기존 방식에 비해 플라즈마 분무는 우수한 특성을 가진 분말을 생산합니다. 플라즈마 원자화를 통해 생산된 합금 분말의 입자 크기 분포는 10~150μm로 현저히 좁으며, 분말의 약 40%가 50μm 이하로 미세 분말의 상당 부분을 차지합니다. 또한 PA 유래 분말은 구형도가 높고 불순물 함량이 최소화되어 다양한 응용 분야에 대한 품질과 적합성이 더욱 향상됩니다. ^[1]

3.2 원심 원자화

3.2.1 플라즈마 회전 전극 방식

양극 금속 막대를 고속 회전 샤프트에 놓고 플라즈마 아크의 작용으로 녹입니다. 용융 금속 방울은 원심력의 작용으로 접선 방향으로 작은 방울로 분산되어 결국 응고되어 분말로 구형이 되며, 전체 공정은 진공 또는 불활성 가스 대기의 보호 아래에서 수행됩니다^[2].

3.2.2 회전 디스크 원심 분무

원심 분무는 용융 금속 액체가 회전하는 디스크에서 접선 방향을 따라 고속으로 전단되어 구상화에 의해 분말로 응축되는 분무 방법입니다. 원심 분무로 제조된 분말의 평균 입자 크기는 100μm 이상이며, 분말의 입자 크기는 회전 디스크의 원심 속도와 관련이 있습니다. ^[3]

3.3 플라즈마 토치 분무 기술

플라즈마 분무 기술은 이중 흐름 분무 기술이며, 열원은 3 개의 플라즈마 토치로 구성되며, 원료 와이어는 플라즈마 아크에 의해 가열 및 용융 된 다음 고온 분무 가스의 작용으로 완전히 전문화되고 분말로 응고됩니다. 플라즈마 분무 기술을 사용하면 용융과 분무 공정이 동시에 이루어질 수 있으며 분말의 평균 입자 크기는 40μm로 구형도가 높은 미세 분말입니다.

3.4 초음파 분무 방법

초음파 에어로졸 화 기술로 제조 된 분말은 미세하고 냉각 속도가 빠르며 표면이 매끄럽고 위성 분말 입자가 거의 없습니다. 초음파 에어로졸 화 분말 제조 기술은 초음파 진동 에너지와 기류 충격 운동 에너지를 사용하여 액체 흐름을 부수고 분말 제조 효율을 크게 향상 시키지만 여전히 많은 불활성 가스를 소비해야합니다.

3.5 플라즈마 스페로이드화

분말 구상화 공정에서 고주파(RF) 플라즈마는 높은 온도가 열의 빠른 흡수를 통해 플라즈마 내의 분말을 녹이고 표면 장력의 작용으로 구형으로 응축되어 매우 짧은 시간에 갑자기 냉 응고되어 구형 분말을 형성하는 데 에너지를 제공합니다.

표 1 다양한 준비 방법 비교

4 처리의 도전 과제

4.1 중공 분말

중공 분말은 에어로졸화 분말의 일반적인 결함 유형으로, 분말의 구멍은 일반적으로 두 가지 형태로 존재합니다: 하나는 원자화 된 가스가 폐쇄 된 기공의 형성 내부에 분말에 싸여 있으며, 그 크기는 일반적으로 분말의 10 % ~ 90 %이며, 일반적으로분말의더 거친 입자 크기 (＞ 70μm)가 가장 일반적입니다. 다른 하나는 기공의 수축의 수상 돌기 사이에 기공을 형성하는 것으로, 그 크기는 일반적으로 분말 크기의 5 % 미만이며 분말의 내부와 표면에 모두 분포되어 있습니다. 다른 하나는 수상 돌기 사이의 응고 및 수축에 의해 형성된 기공으로, 그 크기는 일반적으로 분말 크기의 5 % 미만이며 분말과 표면에 분포되어 있습니다. 일반적으로 분말 입자 크기가 증가함에 따라 분말 내 기공의 수, 크기 및 가스 함량도 그에 따라 증가합니다.

중공 분말의 형성은 분무 공정 중 액적 조각화 메커니즘과 관련이 있습니다. 에어로졸화 과정에서 분무 가스와 용융 금속 사이의 상호 작용 에너지에 따라 여러 가지 유형의 액적 조각화 메커니즘이 동시에 발생합니다. 가장 에너지가 높은 메커니즘 중 하나인 백 크러싱이 발생하면 가스 흐름의 작용으로 큰 방울이 백 모양의 시트를 형성하여 가스 흐름에 수직인 방향으로 퍼집니다. 액체의 점도가 작으면 액체막의 바깥쪽이 부서져 작은 물방울이 형성되지만, 에어로졸화 과정에서 물방울은 매우 빠르게 냉각되고 물방울 온도가 급격히 떨어지면서 점도가 급격히 상승합니다. 액적 점도가 충분히 높으면 백킹 필름의 분쇄가 억제되고 액체 필름 양쪽의 포트가 결합하여 원자화된 가스로 감싸진 속이 빈 액적을 형성합니다. 따라서 백 파쇄를 방지하기 위해 중공 분말의 생성을 억제하기 위해 파쇄 공정의 에너지를 줄여야 합니다.

4.2 위성 분말

위성 분말은 큰 입자의 표면에 부착되어 분말 내에 인공위성과 같은 구조를 형성하는 작은 입자를 말합니다. 이 현상은 분말의 구형도, 유동성 및 부피 밀도를 감소시켜 에어로졸화된 분말의 일반적인 결함을 나타냅니다. 또한 위성 분말이 형성되면 흡착 및 표면 장력으로 인해 더 큰 입자가 응집되는 경우가 많습니다. 결과적으로 이러한 부착된 위성 입자는 후속 처리 단계에서 효과적인 분리에 어려움을 겪게 됩니다.

이 문제를 해결하기 위해 현재 연구에서는 위성 분말 형성을 줄이기 위한 두 가지 주요 방법에 초점을 맞추고 있습니다. 첫째, 분무 공정과 용융 재료의 특성을 세밀하게 제어하여 분무된 분말의 입자 크기 분포를 좁히려는 노력입니다. 이러한 입자 크기 편차 감소는 분말 운동 상태의 변화를 최소화하여 분말 입자와 액체 방울 사이의 충돌 빈도를 감소시키는 것을 목표로 합니다. 둘째, 분무 챔버에 보조 기류를 도입하거나 챔버 구조를 최적화하면 내부 기류 난류를 억제하여 분말 입자와 액체 방울 사이의 충돌 가능성을 낮추는 역할을 합니다.

4.3 파우더 크기 분포 제어

사전 스크리닝을 거친 후 파우더의 큰 입자는 제거됩니다. 파우더 크기의 분포 폭을 좁히면 파우더 수율이 향상되어 파우더 제조와 관련된 생산 비용을 효과적으로 절감할 수 있습니다.

노즐 구조 설계를 최적화하는 것은 분말 크기 분포를 제어하는 데 있어 가장 중요합니다. 슈웬크 등 ^[4] 은 0.8mm 및 0.4mm 직경의 기존 수축-팽창 링심 노즐과 대비되는 0.8mm 직경의 수축-팽창 링심 노즐을 고안했습니다. 그 결과 수축-팽창 링심 노즐에서 생성된 분말은 기존 노즐에서 생성된 분말에 비해 평균 입자 크기가 더 작은 것으로 나타났습니다.

또한 분말 크기의 기하학적 표준편차가 2.14에서 1.87로 감소하여 분말 크기 분포가 더 좁아지고 분말 수율이 높아졌습니다. 또한 이 연구에서는 고온 가스 분무의 영향을 조사하여 가스를 320°C로 가열하면 분말 입자 크기와 분포가 더욱 감소하여 분말 수율이 향상된다는 사실을 밝혀냈습니다.

구형 분말 제조 기술 개발의 5가지 전망

적층 제조(AM)는 3D 프린팅 기술이라고도 하는 첨단 금속 소재 고속 프로토타이핑 기술로, 디지털 모델 파일에서 작동하며 금속 분말 소재를 사용하여 한 층씩 인쇄하여 부품을 제작합니다. 3D 프린팅에 사용되는 원료는 일상 생활에서 흔히 볼 수 있는 플라스틱 외에도 고강도 및 부식 방지 부품을 위한 금속과 세라믹, 의학 및 생물학에 사용되는 생체 재료 등이 있습니다.

적층 제조 제품은 미세 입자 크기, 균일 한 구성, 우수한 성능, 부품 성능을 포인트별로 제어 할 수 있으며 벽 두께 위치 효과가 없으며 전통적인 주조 및 단조의 거시 야금 결함 및 분리를 줄이는 동시에 합금 구성의 한계에 대한 전통적인 야금 공정을 제거 할 수 있습니다.

구형 분말 가공 기술의 정교함이 증가함에 따라 금속 부품을 만들기 위해 적층 제조에 사용되는 공정은 더 높은 수준의 정밀도, 순도 및 응용 분야에 대한 적합성을 갖습니다. 구형 분말 제조 기술의 발전은 적층 제조 분야의 발전과도 밀접한 관련이 있다고 할 수 있습니다.

6 결론

적층 제조의 중요한 원료 인 구형 분말의 품질은 완성 된 부품의 성능 품질을 직접 결정하므로 준비 공정의 제어와 구형 분말의 기술 업그레이드가 중요합니다. 현재 구형 분말을 제조하는 주류 방법은 가스 분사 또는 기계적 진동에 의해 고체 분말을 작은 입자로 분무하고 공기 중에 서스펜션 미스트를 형성하고 표면 장력의 작용으로 분말 입자가 구형에 가까운 에어로졸 화를 기반으로합니다. 이 과정에서 발생하는 문제는 주로 중공 분말 문제와 위성 분말 문제에 집중되어 있으며 분말 입자 크기 제어는 분말의 품질에 영향을 미치는 핵심 단계이기도 합니다.

관련 자료

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참고자료

[1] KROEGER J, 마리온 F. 레이머 AP&C: MIM용 플라즈마 원자화 Ti 구형 분말의 선도적 역할[J]. 분말 사출 성형 국제, 2011, 5(4): 55.

[2] Savage S J. 급속 응고 금속 및 합금의 생산 [J]. 금속 저널, 1984, 36(4): 20.

[3] 레오 V M 안토니, 라마나 G 레디. 고순도 금속 분말 생산 공정 [J]. 고순도 금속, 2003, 3: 14.

[4] 슈벤크 D, 엘렌트 N, 피셔-뷔너 J 등. 밀착 분무를 위한 새로운 수렴-발산 환형 노즐 설계 [J]. 분말 야금학, 2017, 60(3): 198-207.