[논문]RF 플라즈마를 이용한 순수 바나늄 분말의 구상화 거동 연구

양승민; 이민규; 김정한

doi:10.4150/kpmi.2019.26.4.305

RF 플라즈마를 이용한 순수 바나늄 분말의 구상화 거동 연구
Spheroidization of Pure-vanadium Powder using Radio Frequency Thermal Plasma Process 원문보기

한국분말야금학회지 = Journal of Korean Powder Metallurgy Institute, v.26 no.4, 2019년, pp.305 - 310

(한밭대학교 신소재공학과) , 양승민 (한국생산기술연구원 강원지역본부 적층성형가공그룹) , 이민규 (한국생산기술연구원 대경지역본부 극한가공기술그룹) , (경상대학교 나노.신소재공학부) , 김정한 (한밭대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In the present work, spheroidization of angular vanadium powders using a radio frequency (RF) thermal plasma process is investigated. Initially, angular vanadium powders are spheroidized successfully at an average particle size of $100{\mu}m$ using the RF-plasma process. It is difficult to avoid oxide layer formation on the surface of vanadium powder during the RF-plasma process. Titanium/vanadium/stainless steel functionally graded materials are manufactured with vanadium as the interlayer. Vanadium intermediate layers are deposited using both angular and spheroidized vanadium powders. Then, 17-4PH stainless steel is successfully deposited on the vanadium interlayer made from the angular powder. However, on the surface of the vanadium interlayer made from the spheroidized powder, delamination of 17-4PH occurs during deposition. The main cause of this phenomenon is presumed to be the high thickness of the vanadium interlayer and the relatively high level of surface oxidation of the interlayer.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, RF플라즈마 처리된 분말을 이용하여 AM공정을 시도할 경우 우수한 물성을 기대할 수 있다. 본 연구에서는 이러한 RF 플라즈마 공정을 이용하여 괴상의 V 분말을 구상화하고 이 구상 분말의 AM 적용성을 시험해 보고자 하였다. 구상화 전·후분말들의 형상 및 순도를 비교하였고 직접 Ti-6Al-4V 기판 위에 적층을 시도해 보았다.

제안 방법

(3) 타이타늄/바나듐/스텐인리스강의 경사기능소재를 적층 조형 하였다. V 중간층이 각형의 분말로 제조된 경우 17-4PH의 박리없이 건전한 적층이 이루어졌다.
Ti-6Al-4V과 17-4PH강을 이용한 경사기능소재의 적층조형을 위해 V층 적층을 시도해 보았다. 플라즈마 처리를하지 않은 각형의 분말과 플라즈마 처리된 D 분말을 각각 이용해 Ti-6Al-4V 위에 중간층을 적층하였다.
구상화 전·후분말들의 형상 및 순도를 비교하였고 직접 Ti-6Al-4V 기판 위에 적층을 시도해 보았다.
구상화된 V 분말을 이용해서 Ti-6Al-4V 기판 위에 적층을 시도해 보았다. 적층 시험으로는 인스텍(Insstek)의 MX3 장비를 사용하였으며 열에너지 공급을 위한 레이저는 ytterbium fiber laser를 사용하였다.
0% 수준으로 매우 양호하였다. 구형화 처리된 분말의 형상을 광학 및 주사전자 현미경(FE-SEM JSM-7800)으로 관찰하였다. 또한, X-ray diffraction(XRD) 패턴은 Panalytical 사의 Empyrean 장비를 사용하여 측정하였다.
구형화 처리된 분말의 형상을 광학 및 주사전자 현미경(FE-SEM JSM-7800)으로 관찰하였다. 또한, X-ray diffraction(XRD) 패턴은 Panalytical 사의 Empyrean 장비를 사용하여 측정하였다.
먼저 Ti-6Al-4V 기판 위에 V 중간층을 40×90×(0.4~0.8) mm 수준으로 적층하였다.
본 연구에서는 RF-플라즈마 공정을 활용하여 각형의 바나늄 분말을 구형의 분말로 제조하는 기초연구를 수행하였으며 이를 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.
Ti-6Al-4V과 17-4PH강을 이용한 경사기능소재의 적층조형을 위해 V층 적층을 시도해 보았다. 플라즈마 처리를하지 않은 각형의 분말과 플라즈마 처리된 D 분말을 각각 이용해 Ti-6Al-4V 위에 중간층을 적층하였다. 그림 6(a)는 각형의 V 분말을 이용해 적층한 후 시편의 거시적 형상을 보여주고 있다.

대상 데이터

적층 시험으로는 인스텍(Insstek)의 MX3 장비를 사용하였으며 열에너지 공급을 위한 레이저는 ytterbium fiber laser를 사용하였다. AM에 사용된 Ti-6Al4V 기판과 17-4PH 분말은 각각 VSMPO와 CARPENTERS사에서 제공받았고 화학조성은 표 1과 같다. 그림 2는 V과 17-4PH의 적층형상을 개략적으로 보여주고 있다.
본 연구에서 사용된 순도 99.9% V 분말은 SigmaAldrich에서 구매하였으며 평균입도는 100 µm이었다.
구상화된 V 분말을 이용해서 Ti-6Al-4V 기판 위에 적층을 시도해 보았다. 적층 시험으로는 인스텍(Insstek)의 MX3 장비를 사용하였으며 열에너지 공급을 위한 레이저는 ytterbium fiber laser를 사용하였다. AM에 사용된 Ti-6Al4V 기판과 17-4PH 분말은 각각 VSMPO와 CARPENTERS사에서 제공받았고 화학조성은 표 1과 같다.
그림 4는 구상화 처리 후 챔버 안에서 20분간 안정화 처리된 분말들의 XRD 회절 패턴을 보여주고 있다. 총 4번의 반복 시험에 따라 각각 다른 4가지 분말 A, B, C, D가 얻어졌다. 각 분말의 차이는 RF 플라즈마 공정 중 발생한 외부로부터의 산소 침입량의 차이이다.

이론/모형

최근, Nana 등은 Ti-6Al-4V 합금 위에 V 층을 적층하고 다시 그 위에 17-4PH합금을 적층하는 연구를 수행한 바가 있다[8]. 이 연구에서는 V 층을 적층하기 위해 PBF(Powder bed fusion) 방식을 사용하였는데 사용된 V 분말의 형상이 괴상(Angular shape)이라 균질한 V층 생성이 어려웠다. 분말을 사용하는 AM 공정은 대부분 구상(Spherical shape)의 원료 분말을 요구한다.

성능/효과

(1) 각형의 바나늄 분말들은 RF-플라즈마 공정을 통해 평균 입도 100 µm 수준으로 균일하게 구상화 처리 될 수 있었다.
(2) RF-플라즈마 공정 중 바나늄 분말에는 표면산화가 발생하였다.
그림 4 상단의 사진은 각 분말의 색상변화를 보여주고 있다. Rietveld refinement 분석 결과 A 분말의 경우 산화물의 분율은 26.5% 수준이었고 어두운 황색에 가까운 색을 보였다. B시편의 경우 산화물의 양이 가장 높은 72.
입도분석기로 입도 분포를 측정한 결과 d10=72 µm, d50=102 µm, d90=142 µm 수준으로 매우 균일 하였다.
직경 120 µm 이상의 분말의 경우 구상화가 잘 일어나지 않았으나 그 이하의 분말들은 구상화가 잘 이루어진 것이 확인되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	타이타늄 합금의 단점은 무엇인가?	따라서, 항공기와 미래형 운송시스템에 타이타늄 합금 부품을 AM 기술로 제조하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나, 통상적인 타이타늄 합금은 고온 강도가 낮아 300oC 이상의 온도에서는 사용이 어렵다는 단점이 있다[4]. 이러한 문제를 보완하고자 타이타늄 합금에 내열강을 용접/접합하려는 연구가 활발히 진행되었다.
	분말을 사용하는 AM 공정이 대부분 구상(Spherical shape)의 원료 분말을 요구하는 이유는 무엇인가?	분말을 사용하는 AM 공정은 대부분 구상(Spherical shape)의 원료 분말을 요구한다. 이는 괴상의 분말은 흐름성(Flowability)이 나쁘고 내부에 기공이 생성되기 쉽기 때문이다. 그러나, 현재까지 상업적인 구매가 가능한 V 분말은 대부분 괴상의 형태를 가지고 있다[9].
	적층조형이란?	적층조형(Additive manufacturing, AM)은 기존의 가공법과는 달리 디지털 데이터에 기반해 연속적으로 소재를 적층하여 3차원 입체물을 제조하는 공정이다[1]. AM 기술을 통해 복잡한 형상의 부품을 제조할 있어 에너지, 항공우주, 바이오 및 자동차와 같은 다양한 산업에 적용이 기대되고 있다[2].

참고문헌 (11)

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10.1007/s12540-018-0071-1 B. M. Arkhurst and J. H. Kim: Met. Mater. Int., 24 (2018) 464.

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10.4150/KPMI.2013.20.3.186 S. Yang, J.-N. Gwak, J.-Y. Yun, J.-Y. Kim, S. Park, H.-S. Kim, Y.-J. Kim and Y.-H. Park: J. Korean Powder Metall. Inst., 20 (2013) 467.

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10.1016/j.matdes.2016.01.099 S. K. Everton, M. Hirsch, P. Stravroulakis, R. K. Leach and A. T. Clare: Mater. Des., 95 (2016) 431.

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