분무형성

Spray forming

스프레이 주조, 스프레이 증착[1] 및 현장 압축이라고도 하는 스프레이 성형(Spray Forming)은 반고형 분무 방울을 형질 기질에 증착하여 균일한 미세구조를 가진 순 형태 금속 구성품 근처에 주조하는 방법이다.[2] 스프레이에서 합금을 형성하는 과정에서 일반적으로 유도로에서 용해된 금속은 원뿔형 툰디쉬를 통해 작은 보어 세라믹 노즐로 천천히 주입된다. 용해된 금속은 용광로에서 얇은 자유낙하천으로 나와 환형제트의 가스제트에 의해 물방울로 분해되며, 이 물방울들은 기질에 충격을 주기 위해 가스제트에 의해 가속되어 아래로 흐른다. 이 프로세스는 반고체 상태에서 방울이 기질에 부딪히도록 배치되며, 이는 고형분수를 '붙일' 수 있는 충분한 액체 분율을 제공한다. 증착은 계속되며 점차적으로 기질에 분무 형태로 형성된 금속이 쌓인다.

가스 분무형성(GASF) 공정은 일반적으로 용융 합금 유량이 1-20 kg/min이지만, 트윈 분무기는 최대 80 kg/min의 금속 유량을 달성할 수 있다. 1톤 이상의 특수강 빌렛은 최대 500kg의 Ni 슈퍼 알로이 링 블랭크, 최대 400kg의 알로이 압출 빌렛과 함께 상업적으로 스프레이를 형성하여 생산되었다.

역사

싱어 스완지대 교수는 1970년대에 고압가스제트가 안정적인 용해천에 충돌해 분자를 유발하는 기체 분무형성 아이디어를 처음 개발했다. 그런 다음, 그 결과로 생긴 물방울을 표적에 수집하는데, 이 물방울은 스프레이 안에서 조작될 수 있고 근사치 형태의 빌렛을 형성하는 데 사용될 수 있다. 스프레이 성형에서는 소각로 튜브의 스테인리스강 피복재, 항공우주용 니켈 슈퍼앨로이 디스크 및 링, 알루미늄-티타늄, 알루미늄-네오디뮴 및 알루미늄-실버 스퍼터 표적, 실린더 라이너용 알루미늄-실리콘 합금, 고속 강철과 같은 전문 산업에서 용도가 발견되었다. 분무형성의 역사는 현재 널리 사용되고 있는 산업 프로세스의 혁신을 생산하기 위해 많은 연구자들의 창조적 기여가 몇 년에 걸쳐 얼마나 필요했는지를 보여주는 사례다.

이점

스프레이 형성은 기존의 잉곳 금속과 분말 금속과 같은 보다 전문화된 기술 모두에 비해 일정한 장점을 제공한다. 첫째, 유연한 공정으로 광범위한 재료 제조에 사용할 수 있으며, 그 중 일부는 Al-5wt% Li 합금 또는 Al-SiC, Al-AlO23 금속 매트릭스 복합 재료(MMCs)와 같은 다른 방법으로 생산하기 어렵다. 용융 흐름을 직경 10-500 μm의 물방울로 원자화하며, 그 중 일부는 직경에 따라 고형 및 반고형 상태로 빠르게 냉각하여 빌렛 상단 표면에 분무 형성 물질의 잔류 액체 분율을 위한 많은 수의 핵물질을 제공한다. 스프레이의 급속 냉각과 충돌 스프레이의 고형 핵물질의 대량 발생은 일반적으로 10-100μm의 범위에서 내부 용액 분할의 낮은 수준과 짧은 길이의 척도로 미세한 등축 미세 구조를 유도한다. 이러한 미세구조적 측면은 미세한 입자 크기, 분산형 및/또는 이차 침전 단계의 정제된 분포, 불순물 '트램프' 요소에 대한 내성 때문에 재료 강도에 장점을 제공한다. '분무 시' 상태의 이 미세 구조는 균질화 열처리를 피할 수 있다는 것을 의미한다. 스프레이 형성 재료의 복잡한 고체화 경로(즉, 과열 용융에서 고형, 액체 또는 반고형 방울에서 반고형 빌렛 상단의 온도 등정, 최종 저온 냉각에서 완전 고형으로의 신속한 전환), 합금 원소의 확장된 용해성 및 전이성 및 준결정성 형성) 때문이다. 단계도 보고되었다.

스프레이 형성의 주요 매력 중 하나는 용해와 완제품 사이의 공정 단계 수를 줄임으로써 얻을 수 있는 잠재적인 경제적 이익이다. 스프레이 성형법을 사용하여 스트립, 튜브, 링, 클래드 바/롤 및 원통형 압출 피드 스톡 제품을 생산할 수 있으며, 각각의 경우 대형 교차점에서도 비교적 미세한 미세 구조를 가지고 있다. 분말 야금성 대비 가스F의 이점은 분말 체이빙, 누름, 탈가스화 및 취급 단계와 그 수행자의 안전 및 오염 문제를 제거할 수 있는 프로세스 단계의 감소된 수에서 나타난다.

단점들

가스 분무 스프레이 형성 과정에는 크게 두 가지 단점이 있다. 가장 큰 단점은 공정수익률이 상대적으로 낮으며, 전형적 손실은 ~30%에 달한다. 손실이 발생하는 이유는 과잉분사(이머징 빌렛을 놓치는 방울), 빌렛 표면에서 재료가 튀는 현상, 반고체 상단 표면에서 재료가 '붕괴'되기 때문이다. 분무 형성 공정의 많은 운영자들은 현재 입자 인젝터 시스템을 사용하여 과분사 분말을 재주입하고, 그렇게 하지 않으면 손실될 물질을 재활용하거나 과분사 분말을 그 자체로 제품으로서 판매한다. 두 번째 주요 단점은 공정 관리 중 하나이다. 본질적으로 상호의존적인 변수가 많은 자유형성 과정이기 때문에 주어진 합금의 형태, 다공성 또는 증착률을 예측하는 것이 어렵다는 것이 입증되었다. 제어의 많은 부분은 운영자 경험과 경험적 관계에 기초한다. 이 프로세스의 광범위한 상용화를 방해한 것은 부분적으로 프로세스 복잡성과 강력한 프로세스 제어의 부족이다. 피드백 컨트롤을 사용한 일부 개발은 빌렛 직경의 변화를 개선하고 특정 시스템의 수율을 개선하는 데 성공했다는 것이 입증되었지만, 이러한 개발은 아직 광범위한 구현을 찾지 못했다.

가스 끼임과 고체화 수축으로 인한 다공성은 스프레이 형성 물질에서 중요한 문제다. 일반적인 분무 형성 빌렛은 합금 동결 범위 및 다양한 공정 매개변수에 따라 모공 크기의 1~2% 다공성을 포함한다. 뜨거운 이소스타틱 누르기(HIP)나 열-기계 가공은 이러한 모공이 작을 경우(30μm 이하) 치유할 수 있다. 이러한 단점에도 불구하고, 스프레이 형성은 제조하기 어려운 틈새 합금의 생산을 위한 경제적 과정으로 남아 있다. 대규모 다공성은 효과적으로 치료하기 더 어려우며 세심한 공정 제어를 통해 최소화해야 한다. 어떤 경우에 다공성은 용해 및 압착 가스와 반응하여 고체 위상을 형성하는 합금 첨가물에 의해 제어된다. 예를 들어 구리 빌렛에 첨가되어 용해 및 압착된 질소 가스로 질화 티타늄을 형성한다. 연결 후에도 다공성은 분무 형성 물질의 적용을 제한할 수 있다. 예를 들어 회전하는 가스 터빈 구성품은 HCF(고주기 피로)에 대한 해로운 영향 때문에 제로 다공성을 가져야 한다.

상용화

스프레이 형성 과정과 관련된 문제에도 불구하고 지난 35년 동안 스프레이 형성에 대한 지속적인 산업적 관심이 있었다. 사우스웨일스주 네이트의 샌드빅-오스프리(옛 오스프리 메탈스)가 이 과정에 대한 특허를 보유하고 있으며, 다양한 산업에 이 기술을 허가했다. 현재 전 세계적으로 약 25명의 면허소지자가 운영되고 있으며, 소규모 연구 개발공장에서 본격적인 상업운영에 이르기까지 다양하다. 주요 용도는 저온 NbSn3 슈퍼 컨덕터(CuSn), 오일 시추 장비(고강도 소재 CuMnNi) 및 성형 공구(Al-content가 높은 CuAlFe)에 대한 사전 재료다. 이러한 모든 애플리케이션에서, 연구는 스프레이 형성의 비용 단점과 복잡성의 차이와 틈새 애플리케이션에서 고성능 합금에 대한 수요의 조화에 관한 것이다.

녹는

초기 분무형성 작업은 저항성 가열 전기 홀딩로에 기초했다. 그리고 나서 용융은 직경 3 mm의 AlO23 노즐을 통과했다. 그러나 유량이 낮아 노즐의 응고 방지를 위해 필요한 높은 과열도를 만들었다. 스프레이 성형 용도에 사용되는 차세대 용해 절차는 많은 이점을 제공하는 바텀 붓 유도 장치였다. 이 시스템에서 용해 도가니는 아토마이저 헤드 바로 위에 있으며, 용해로에서 아토마이저로 직접 공급되는 세라믹 노즐이 있다. 스토퍼 로드는 용융을 통해 주입 노즐의 상단으로 흐르며 용융이 분무를 위해 지정된 온도에 도달하면, 일반적으로 합금 액상 위로 50~150°C(122~302°F)가 되면 용융이 철회된다. 또는 노즐을 차단하기 위해 미리 준비된 합금 플러그를 사용하며, 지정된 과열도에서 이 플러그는 용해로 내용물이 노즐을 통해 배출되도록 한다. 바닥 부수로와 관련된 또 다른 문제는 도가니 내 금속 정전기 헤드의 감소와 관련된 유량의 변화다. 주입 중에 불활성 기체 과압을 도입하면 이러한 효과를 보상할 수 있는 경우도 있다.

다른 접근방법은 용융로를 기울여 용융을 원뿔형 툰디쉬에 붓고 용융된 금속을 용융 공급 노즐로 전달하는 틸트-푸어 용해로다. 틸트 주입 시스템은 용융 문제와 해결책이 용융 전달 노즐의 중요한 설정에 영향을 미치거나 방해되지 않도록 분사 절차에서 용융이 분리된다는 장점을 제공한다.

가장 복잡한 용해 배열에서, 분무 형성, 진공 유도 용해, 전기 슬래그 재융해 및 냉난로 십자가형에 의한 공극 단조 니켈 슈퍼앨로이 터빈 생산에만 사용되며, GE는 용해된 금속 공급기의 합금 불순도 수준과 내화성 포함물의 존재를 제어하기 위해 결합되었다. CMSF(Clean Metal Spray Forming, CMSF)는 전기슬래그 정제 공정, 냉벽 유도 가이드, 기체 분무형성을 결합한다. 이러한 접근방식은 용해 관련 결함(포어, 포함물 등), 미세한 평균 곡물 크기, 더 큰 주괴 생산 능력 및 광범위한 합금 처리 능력의 감소로 이어졌다.

원자화

용해된 금속의 분무화에는 여러 가지 기법이 있는데, 그 중 많은 기법이 분말 야금 산업에서 파생되어 다른 곳에서 광범위하게 검토되어 왔다. 스프레이 형성에 사용되는 두 가지 주요 원자화 기법이 있다: 근순 형태 링 제조를 위한 원심 분무와 빌렛, 튜브 및 스트립 제조를 위한 가스 분무.

원심 원자화

원심원심 원자화는 녹은 금속을 회전판, 접시 또는 디스크에 비교적 낮은 유량(0.1–2 kg/min)으로 주입하는 것을 포함한다. 회전 속도는 주변부에 높은 원심력을 생성하고 표면 장력과 점성력을 극복하기에 충분하여 용융이 물방울로 분해된다. 원심 분자에 의해 발생하는 드롭트 직경은 주로 회전 속도(최대 20,000 rpm)에 따라 달라지며, 일반적으로 20–1000 μm 범위에 있으며, 냉각 속도는 104 Ks이다−1. 원심 분자는 일반적으로 미세한 물방울의 산화를 방지하기 위해 AR 또는 N의2 불활성 대기에서 수행되거나 진공 상태에서 작동할 수 있다.

가스 원자화

용융 스트림은 용융 전달 노즐을 분무실로 빠져나간다. 용융 스트림은 2~4bar의 중간 불활성 가스 압력으로 작동하는 1차 가스 제트에 의해 분무실의 난류 가스 환경에 의해 불안정해지는 것을 방지하며, 그 결과 가스 흐름은 용융 스트림에 평행하여 안정화된다. 2차 원자력은 고속(250~350ms−1), 고압(6~10bar) 가스 제트를 사용하여 용해 흐름에 침투하여 원자화를 달성한다. 아토마이저 제트는 일반적으로 용융 공급 노즐에 대칭적으로 위치하거나 덜 일반적으로는 스트립 제품 생산을 위한 선형 노즐로 배열된 고리 또는 이산 제트로 배열된다. 일반적인 방울 직경은 분말 직경이 최대 600μm인 로그 정규 분포를 따르며, 질량 중위수 직경은 최대 150μm이다.

용융된 금속 질량 유량에 대한 아토마이즈 가스 질량 유량은 방울 지름과 그에 따른 냉각 속도, 빌렛 온도 및 그에 따른 고체 입자 핵 밀도를 제어하는 핵심 변수다. 가스금속비(GMR)는 일반적으로 1.5~5.5 범위에 있으며 수율이 감소하고 GMR이 증가함에 따라 분무 내 냉각수가 증가한다. 일반적으로 낮은(1.5) GMR에서 다른 모든 파라미터가 일정하게 유지된 상태에서 GMR을 5.0으로 증가시키면 공정 수율은 75%가 된다.

스캐닝 분무기는 정적 분무기로 가능한 직경의 약 2배인 600mm 직경의 빌렛을 생산할 수 있도록 개발되었다. 분무기 헤드는 25Hz의 일반적인 주파수에서 5~10°를 통하여 기계적으로 진동하며, 용융 스트림을 비껴서 평행면 빌렛을 침전시키기 위해 집열판의 회전 속도와 동기화된 살수 경로를 만든다. 프로그램 가능한 진동 원동기 드라이브를 사용함으로써 분무 형성 침전물의 형태와 형상 재현성을 개선할 수 있었다. 기질 회전과 원자 발진 주파수를 동기화하고 특정 합금 및 용융 유량에 대해 최적화할 경우 병렬 측면의 평평한 돌출 빌렛을 재현 가능한 방식으로 분사할 수 있다는 것이 입증되었다. 트윈 아토마이저 시스템은 정적 아토마이저와 스캐닝 아토마이저를 결합하여 최대 450mm 직경의 빌렛을 경제적 편익과 함께 분사할 수 있다.

Atomising 가스 스프레이 형성했다는 점에서는 일반적으로 중 N2, 또는 반응성 합금 시스템에 따라 보호 또는 아르 일반적으로 완전히 하지만 N2보다 비싼 패기가 없었다.활성 가스 소량의 atomising 가스에 분산 강화 합금 예;을 만들 수 있습니다. O2N2를 생성하는 데 0.5–10%를 사용하 소개될 수 있습니다. 산화분산 강화(ODS) 알 합금. N과2 Ar 기반 스프레이 형성을 비교한 결과, 다른 모든 요인이 일정하게 유지되면서 빌렛 상단 온도가 두 분무 기체의 열 확산성 차이 때문에 Ar보다 N으로2 낮았다. Ar의 열전도도는 0.0179 W/mK로 N보다2 약 1/3 정도 낮고 열전도도는 0.026 W/mK이다.

용융 분해와 분무의 메커니즘은 광범위하게 연구되었고, 원자화는 일반적으로 3단계로 구성된다. (1) 용융 흐름의 1차 분해, (2) 용융된 물방울과 인대는 2차 분해, (3) 입자는 냉각되고 굳는다. 방울 크기를 예측하기 위한 원자화 프로세스의 이론적 분석은 실험 데이터와 중간 정도의 일치만 제공하는 모델을 산출했다.

조사 결과, 모든 경우 용해된 금속의 기체 분무화는 일반적으로 직경 10~600μm 범위에 있는 광범위한 드롭트 직경을 산출하며 평균 직경은 ~100μm인 것으로 나타났다. 방울 직경은 비행 중 방울의 동적 거동을 지배하며, 이는 결과적으로 빌렛 미세구조를 제어하는 데 중요한 비행 중 냉각에 이용 가능한 시간을 결정한다. 300~400mm의 비행거리에서 예측에 따르면 20~150μm 범위에서 방울 지름의 방울 속도(각각 40~90ms−1)가 측정된 속도(약 100ms−1)에 비해, 원자로부터 최대 180mm 거리에서는 방울이 기체에 의해 가속되고 있었다. 물방울은 대류 및 방사선에 의해 주로 비행 중에 냉각되며 핵에 앞서 최대 300 °C(572 °F)의 저냉각을 경험할 수 있다. 모델과 실험 측정 결과 작은 물방울(<50μm)은 증착 전에 매우 빠르게 완전 고체화되며, 50~200μm의 물방울은 일반적으로 반고체, 직경 200μm 이하의 물방울은 증착 시 액체화된다. 드롭릿 동적 이력 및 열 이력의 범위는 빌릿 상단 표면이 0.3 ~ 0.6 고체 분율을 초래한다. 표면에 영향을 미치는 모든 물질이 빌렛에 통합되는 것은 아니다. 일부 고체 방울은 빌렛 상단 표면에서 튕기거나 튀어 나오거나 챔버 내의 난류 가스 이동에 의해 증착 영역 밖으로 유도된다. 빌렛에 통합되는 비율에 비해 표면에 영향을 미치는 물방울의 비율은 고착 효율이라고 불렸다: 기질에 상대적인 분사 각도의 함수인 기하학적 고착과 분무 및 빌렛 고체/액체 분수에 의존하는 열 고착 효율에 의존한다.

분무 형성 미세구조

분무 중에는 상층 표면 온도를 일정하게 유지하고 따라서 균일한 미세 구조를 가진 빌렛이 생성될 경우 정상 상태 상태를 유지하는 것이 필수적이다. 빌렛 표면에서, 살포하는 동안, 엔탈피 균형이 유지되어야 하며, 이 균형이 분무 가스로 전도되어 빌렛에서 분무되는 엔탈피 손실률(Hout)과 기질을 통해 대류 및 방사선이 분무의 물방울에서 나오는 엔탈피 입력률(Hin)과 균형을 이루어야 한다. 이러한 조건을 유지하기 위해 조절할 수 있는 다양한 요소들이 있다: 스프레이 높이, 분무기 가스 압력, 용융 유량, 용융 초열 및 분무기 구성, 그러한 변수들이 가장 쉽게 조정된다. 일반적으로 폐쇄 회로 카메라와 광학 화로메트리 같은 장비는 빌렛 크기/위치 및 상단 표면 온도를 모니터링하는 데 사용될 수 있다. H가out H가in 훨씬 크면 빌렛 상단 표면에서 일정한 온도를 유지한다. 유입되는 물방울의 고착과 고형 입자의 부분적 재융을 촉진하기 위해 상단 표면은 흐물흐물한 상태여야 한다. 고형 방울의 필요한 부분적 재융해는 최종 미세구조물의 사전 응고된 방울에서 덴드리트 잔해가 없음을 설명한다. 힌이 상당한 재융해를 일으키기에 충분하지 않을 경우 진공 플라즈마 살포(VPS), 아크 살포 및 고속 옥시 연료와 같은 열분사 공정의 전형적인 '분쇄된' 미세 구조가 형성된다. 단위 면적당 평균 퇴적률 대비 층간 시간(증착 이벤트 간 시간)의 관점에서 정상 상태 열 균형을 이용한 플라즈마 분무 및 분무 형성에 대한 처리 맵이 제작되었다. 이 지도들은 띠를 두른 미사용 마이크로 구조와 등축 동질 구조 사이의 경계를 보여준다.

최종 고체화 단계는 물방울이 흐물흐물한 빌렛 표면에 영향을 미치고 열 등가교정이 물방울과 빌렛 사이에 이루어지면 발생한다. 이 단계에서 잔류 액체는 폴리곤 곡물 경계를 나타내는 연속적 네트워크로서 존재하며, 대표적인 액체 분율은 0.3~0.5이다. 빌렛의 응고 중 냉각 속도는 분무 중 냉각 속도보다 1-20 Ks로−1 몇 차례 더 느리다.

스프레이 형성의 이점 중 하나는 미세한 크기의 미세 분리와 알-Mg-Li-Cu 합금에 대한 거시적인 분리 작업을 통해 벌크 물질을 생산할 수 있는 능력이 있다고 알려져 있지만, 빌렛의 상호연결된 액체의 결과, 대형 스프레이 형성 알-빌렛에 상당한 거시적인 분리가 존재한다는 것을 보여주었다. 예를 들어, 알 합금 8091의 Cu, Mg, Li 분포는 놀랍게도 확연한 거시 분리를 보여주었고, 8091 빌렛을 형성했으며, 빌렛 중심에서 약 1.4에서 빌렛 주변부에서 1.92까지 다양했다. 이러한 거시적 분리 패턴은 빌렛 중심에서 용해된 풍부한 액체를 1차 알 리치 네트워크를 통해 다시 빨아들여 빌렛 주변부의 고체화 수축량을 공급하는 역분리의 관점에서 설명되었다. 이 효과는 빌렛 회전으로 인한 원심 효과에 의해 악화되는 것으로 제안되었다.

분무 시 빌렛 다공성은 기질에 인접한 스플래트 쿼치 부위의 다공성이 높은 부위에서 일반적으로 1~2%이다. 빌렛의 맨 윗부분은 분무 후 10~60초 동안 빌렛을 계속 냉각시키는 분무 가스에 의해 상단이 급속하게 냉각되기 때문에 다공성이 증가하는 경우가 많다. 또한 분무된 다공성을 제어하는 기초 물리학을 이해하고 계량화하는 데도 거의 진전이 없었다.

대부분의 경우, 빌렛 베이스와 상단의 높은 다공성은 메스를 사용하여 재활용된다. 초음파 검사는 불필요한 낭비를 방지하기 위해 냉방 구역의 깊이를 결정하는 데 이용되기도 한다. 합금 시스템과 최종 용도에 따라, 나머지 벌크 재료는 일반적으로 다공성을 닫도록 처리되고 다양한 열-기계 처리를 받는다. 분무 형성 재료는 분무 상태에서 거의 사용되지 않으며 다공성을 제거하기 위해 HIPing으로 처리되는 경우가 많다. 어떤 경우에는, 모공에 남아 있는 아토마화 가스가 합금 원소와 반응하여 유익한 단계를 형성할 수 있다. N은2 니켈 슈퍼홀로이 르네 80에 티타늄과 반응하여 TiN의 분산을 형성한다.

참조

위의 텍스트는 알 람부른 박사가 쓴 '열 관리 응용을 위한 Si-Al 합금의 스프레이 형성'에서 상당 부분 인용한 것이다.2007년 퀸즈 칼리지 필 논문 이 문서는 옥스퍼드 대학 도서관에서 공개적으로 개최되며 옥스퍼드 연구 자료실(ORA)을 통해 온라인 자료로 이용 가능하다. 이 논문에 연결하려면 다음과 같이 하십시오:[1].

메모들

  1. ^ Degarmo, Black & Kohser 2003, 페이지 446.
  2. ^ Degarmo, Black & Kohser 2003, 페이지 355.

참고 문헌 목록

  • Degarmo, E. Paul; Black, J T.; Kohser, Ronald A. (2003), Materials and Processes in Manufacturing (9th ed.), Wiley, ISBN 0-471-65653-4.

외부 링크