직접 에너지 증착(DED) 공정은 주로 용접 가능한 금속 및 금속 합금을 사용합니다. 이 재료들은 미세 분말 또는 얇은 와이어 형태로 공정에 공급됩니다. 가장 일반적인 범주에는 티타늄 합금, 니켈 기반 초합금, 스테인리스강 및 공구강이 포함되며, 이는 항공우주, 방위 및 산업 수리와 같은 까다로운 응용 분야에서 높은 성능을 위해 선택됩니다.
DED 재료를 지배하는 핵심 원리는 용접성입니다. 이 공정은 재료를 층별로 녹이고 융합하는 과정을 포함하므로, 성공적으로 용접될 수 있는 모든 금속 또는 합금은 DED의 강력한 후보입니다. 분말 또는 와이어 공급 재료를 사용하는 것 사이의 선택은 또 다른 핵심 변수입니다.
"이유": 용접성이 핵심입니다
DED 재료를 이해하려면 이 공정을 고도로 정밀하고 자동화된 층별 용접 작업으로 보는 것이 필수적입니다. 이 단일 개념이 거의 모든 재료 제약과 가능성을 결정합니다.
마이크로 용접으로서의 DED 공정
DED 시스템은 집중된 에너지원(일반적으로 레이저 또는 전자빔)을 사용하여 기판 또는 이전에 증착된 층에 작은 용융 금속 풀을 생성합니다.
새로운 재료(분말 또는 와이어)는 이 용융 풀에 정밀하게 공급됩니다. 에너지원이 이동함에 따라 녹고 기존 재료와 융합되며 응고되어 부품을 층별로 쌓아 올립니다.
재료 선택에 미치는 영향
이러한 마이크로 용접 특성으로 인해 급속한 가열 및 냉각 시 균열이 발생하거나 취성 상이 형성되기 쉬운 재료는 DED에 적합하지 않습니다.
반대로, Ti-6Al-4V 또는 Inconel 718과 같이 용접성이 우수한 합금은 이러한 강렬한 열 사이클을 견딜 수 있기 때문에 산업에서 널리 사용됩니다.
DED의 핵심 재료 범주
잠재적인 목록은 길지만, 몇 가지 주요 범주는 입증된 성능과 확립된 공정 매개변수 덕분에 DED 응용 분야의 대부분을 차지합니다.
티타늄 합금
티타늄, 특히 Ti-6Al-4V는 DED의 초석입니다. 탁월한 강도 대 중량비와 내식성으로 인해 항공우주 및 의료 산업에서 광범위하게 사용됩니다.
니켈 기반 초합금
인코넬(625, 718) 및 하스텔로이와 같은 합금은 극한 온도에서 기계적 강도를 유지하는 능력으로 높이 평가됩니다. 이는 터빈 블레이드, 엔진 부품 및 화학 처리 장비에 이상적입니다.
스테인리스 및 공구강
다양한 등급의 스테인리스강(예: 316L)은 비용, 내식성 및 기계적 특성 간의 우수한 균형을 제공하여 산업 부품 및 프로토타입에 널리 사용됩니다.
공구강(예: H13)은 경도와 내마모성 때문에 사용되며, 다이, 금형 및 절삭 공구의 수리 및 제조에 사용됩니다.
코발트-크롬 합금
이 합금은 놀라운 내마모성, 경도 및 생체 적합성으로 알려져 있습니다. 종종 하드페이싱 응용 분야(부품에 내구성 있는 코팅 추가) 및 의료 임플란트 제작에 사용됩니다.
분말 대 와이어: DED 재료의 두 가지 형태
재료의 물리적 형태는 장비, 공정 및 최종 부품 특성에 영향을 미치는 중요한 차이점입니다.
금속 분말
분말 기반 DED(예: LENS)는 불활성 가스 흐름을 사용하여 미세 금속 분말을 용융 풀에 전달합니다. 분말은 일관된 공급 속도를 위해 우수한 구형도와 유동성을 가져야 합니다.
이 방법은 뛰어난 기하학적 유연성을 제공하며 복잡한 형상과 기능성 경사 재료(합금 조성을 빌드 중에 변경할 수 있는)를 만드는 데 매우 적합합니다.
금속 와이어
와이어 기반 DED(예: WAAM 또는 EBAM)는 표준 용접 와이어를 공급 재료로 사용합니다. 이 접근 방식은 종종 더 빠르고 비용 효율적이며 폐기물 재료가 적은 더 깨끗한 공정을 초래합니다.
와이어 DED는 일반적으로 거친 표면 마감을 가진 부품을 생산하지만, 매우 높은 증착 속도를 허용하여 대규모 구조물을 구축하는 데 이상적입니다.
절충점 및 재료 과제 이해
강력하지만 DED는 재료 관련 복잡성이 없는 것은 아닙니다. 이러한 한계를 이해하는 것이 성공적인 구현의 핵심입니다.
높은 재료 비용
DED에 필요한 특수 가스 분무 금속 분말은 전통적인 가공에 사용되는 금속 막대와 같은 벌크 재료보다 훨씬 비쌉니다.
기공 및 결함
부적절한 공정 매개변수는 응고되는 금속 내부에 가스가 갇혀 작은 구멍이나 기공을 만들 수 있습니다. 이러한 기공은 최종 부품의 기계적 무결성을 손상시킬 수 있습니다.
잔류 응력
DED 공정의 본질적인 반복적이고 국부적인 가열 및 냉각은 부품 내부에 내부 응력을 축적합니다. 적절한 관리가 없으면 이 응력은 뒤틀림, 변형 또는 균열로 이어질 수 있습니다.
제한된 재료 포트폴리오
성장하고 있지만 DED에 적합한 재료 범위는 주조 또는 단조와 같은 기존 제조 공정에 비해 여전히 작습니다. 일부 일반적인 엔지니어링 합금, 특히 특정 알루미늄 등급은 안정적으로 가공하기 어려운 상태로 남아 있습니다.
응용 분야에 적합한 선택
올바른 재료를 선택하는 것은 재료의 특성을 부품의 의도된 기능과 일치시키는 것입니다.
- 고강도 경량 부품에 중점을 둔다면: 티타늄 합금은 항공우주 및 고성능 응용 분야의 산업 표준입니다.
- 극한 온도 및 화학적 저항성에 중점을 둔다면: 인코넬과 같은 니켈 기반 초합금은 에너지, 추진 및 처리 산업에 명확한 선택입니다.
- 내마모성 또는 부품 수리에 중점을 둔다면: 공구강 및 코발트-크롬 합금은 하드페이싱 및 마모된 부품 복원에 필요한 경도를 제공합니다.
- 비용 효율적인 프로토타이핑 또는 일반 산업용에 중점을 둔다면: 스테인리스강은 광범위한 응용 분야에 대해 신뢰할 수 있고 잘 이해된 기준을 제공합니다.
궁극적으로 직접 에너지 증착을 고급 용접의 관점에서 보는 것이 재료 선택을 마스터하고 잠재력을 최대한 발휘하는 열쇠입니다.
요약 표:
| 재료 범주 | 일반적인 예시 | 주요 특성 | 주요 응용 분야 |
|---|---|---|---|
| 티타늄 합금 | Ti-6Al-4V | 높은 강도 대 중량비, 내식성 | 항공우주, 의료 임플란트 |
| 니켈 기반 초합금 | 인코넬 625/718, 하스텔로이 | 극한 온도 강도, 내식성 | 터빈 블레이드, 엔진 부품 |
| 스테인리스 및 공구강 | 316L, H13 | 우수한 내식성, 경도, 내마모성 | 산업 부품, 금형, 다이 |
| 코발트-크롬 합금 | CoCr | 높은 내마모성, 생체 적합성 | 의료 임플란트, 하드페이싱 |
| 공급 재료 형태 | 분말 대 와이어 | 분말: 복잡한 형상, 경사 재료. 와이어: 더 빠르고, 대형 부품에 비용 효율적 | 기하학적 요구 사항 및 증착 속도에 따라 다름 |
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