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Apr 11, 2024

3D

니오븀과 같은 내화성 금속으로 정교한 이중벽 터빈 블레이드를 3D 프린팅할 수 있는 능력은 훨씬 더 높은 엔진 작동 온도를 위한 길을 열어줍니다. 카스테온에 따르면

니오븀과 같은 내화성 금속으로 정교한 이중벽 터빈 블레이드를 3D 프린팅할 수 있는 능력은 훨씬 더 높은 엔진 작동 온도를 위한 길을 열어줍니다. 카스테온

미국 금속 협회(American Society of Metals)와 ASM 금속 참고서(ASM Metals Reference Book)에 따르면 내화성 금속은 녹는점이 2,200°C 이상인 자연적으로 발생하는 금속 요소입니다.

이러한 금속(몰리브덴, 니오븀, 탄탈륨, 텅스텐, 레늄)은 내열성과 내식성이 매우 높을 뿐만 아니라 고온에서도 구조적 무결성을 유지합니다. 따라서 다양한 까다로운 항공우주, 산업 및 과학 용도에 탁월한 선택이 됩니다.

한 가지 문제는 내화 금속이 기계 가공 및 성형과 같은 전통적인 제조 방법을 통해 가공하기가 매우 어렵다는 것입니다. 이것과 상대적으로 높은 비용 사이에서 내화 금속 사용은 공작물 모양이 상대적으로 단순하고 재료 제거가 최소화되며 제조하기 쉬운 초합금이 필요에 따라 작동하지 않는 응용 분야로 오랫동안 제한되어 왔습니다.

그러나 AM(적층 가공)과 Youping Gao와 같은 연구자들의 노력 덕분에 모든 것이 곧 바뀔 것입니다.

Gao는 캘리포니아주 사우전드 오크스에 본사를 둔 AM 연구, 개발 및 생산 회사인 Castheon Inc.의 사장입니다. 그는 레이저 분말층 융합(LPBF)이 내화 금속 및 합금과 관련된 대부분의 제조 가능성 문제를 해결한다고 설명했습니다. 또한 모든 금속 AM 기술과 마찬가지로 다공성 또는 격자 구조를 통합하는 위상학적으로 최적화된 경량 부품을 생성할 수 있습니다. 그렇지 않으면 생산이 불가능하거나 불가능합니다.

INCONEL, Hastelloy 및 기타 널리 사용되는 내열초합금(HRSA)보다 녹는점이 거의 두 배인 금속 부품을 비용 효율적으로 제조하면 몇 가지 흥미로운 가능성이 열립니다. 온도가 높다는 것은 연료 효율이 높고 수명이 긴 가스 터빈 엔진을 의미하며, 이는 상용 항공 및 발전 산업에서 가장 중요합니다.

그러나 Gao와 그의 팀이 2016년 회사를 설립한 이후 진행해온 많은 프로젝트 중 하나인 극초음속 항공 여행의 가능성도 있습니다.

Gao는 "NASA, 미 공군 및 기타 기관은 오랫동안 상업용 및 군사적 용도를 위한 지속적인 극초음속 비행에 관심을 가져왔습니다."라고 말했습니다. "그러나 아주 최근까지도 마하 5 이상의 속도를 지원하는 데 필요한 정교한 형태로 내화 금속을 제작하는 것은 불가능했습니다."

그와 그의 동료들은 금속 AM이 이러한 형상을 생성할 수 있을 뿐만 아니라 니오븀 기반 합금이 단조 합금보다 훨씬 더 안정적이라는 것을 발견했습니다. 그들은 1,300℃의 온도에서 1.8배 더 큰 인장 강도를 보인다. 텅스텐과 레늄과 같은 다른 내화성 금속도 비슷한 이점을 보인다고 그는 말했다.

Gao는 이 틈새 시장에서 성공을 거두는 과정에서 어려움에 직면했습니다. 그는 내화성 금속 합금 및 분말 생산을 "악몽"이라고 불렀으며 이는 높은 비용과 재료 부족으로 이어졌습니다. 그리고 3D 프린팅은 좁은 작동 창과 "독특한 입자 제어 메커니즘" 때문에 상당히 어려운 작업이기도 합니다.

이 탄탈륨 노즐 세그먼트는 영국 우주국 프로젝트를 위해 제작되었습니다. HC 스탁

그럼에도 불구하고, 이러한 고유한 금속은 HRSA 대체 금속보다 훨씬 우수하며, Gao는 원자재 가격이 낮아지고 더 많은 사람들이 이를 인쇄하는 데 필요한 지식을 획득함에 따라 그 사용이 증가할 것이라고 확신합니다.

Faith Oehlerking은 이러한 각 사항에 동의합니다. 내화 금속 제조업체이자 부품 제조업체인 HC Starck Solutions(미시간주 콜드워터)의 적층 가공 R&D 엔지니어인 그녀는 3D 프린팅 텅스텐, 탄탈륨 및 기타 요소의 신비를 밝히는 데 하루를 보냅니다. Gao와 마찬가지로 Oehlerking과 HC Starck 팀은 Renishaw의 LPBF 기술을 사용하여 그녀가 이를 수행하도록 돕습니다. Starck는 또한 ExOne과의 협력을 통해 제공되는 바인더 제트 3D 프린터에서 내화 금속 부품과 테스트 쿠폰을 제작합니다.