연구원들은 레이저 지향 에너지 증착(Laser Directed Energy Deposition) 3D 프린팅을 사용하여 새로운 종류의 지속 가능한 티타늄 합금을 개발합니다.

RMIT 대학과 시드니 대학의 연구원들은 강력하고 연성이며 조정 가능하고 지속 가능한 새로운 종류의 티타늄 합금을 개발했습니다. 이 연구는 홍콩 폴리테크닉 대학교(Hong Kong Polytechnic University) 및 스웨덴 소프트웨어 개발자인 Hexagon의 제조 인텔리전스(Manufacturing Intelligence) 부서와 공동으로 수행되었습니다.

티타늄 합금은 매우 유용한 재료이며 강도, 가벼운 무게, 부식 및 고온에 대한 저항성으로 인해 높은 평가를 받고 있습니다. 그러나 전통적으로 제조된 티타늄 합금은 생산 비용이 많이 듭니다.

이 새로운 연구는 항공우주, 생물 의학, 화학 공학, 우주 및 에너지 응용 분야에 사용할 수 있는 새로운 종류의 지속 가능하고 저렴한 고성능 티타늄 합금에 대한 잠재력을 제공한다고 합니다. 팀은 L-DED(레이저 지향 에너지 증착)를 사용하여 금속 분말에서 3D 프린팅되는 새로운 티타늄 합금을 개발하기 위해 합금과 3D 프린팅 공정 설계를 통합했습니다.

RMIT의 수석 연구원 Ma Qian 교수에 따르면 연구팀은 순환 경제를 설계에 포함시켰습니다. 이러한 새로운 합금은 바나듐이나 알루미늄과 같은 고가의 첨가물이 필요 없이 폐기물과 저등급 재료로 생산될 수 있습니다. 대신 값싸고 풍부한 산소와 철이 사용된다.

Qian은 “폐기물과 품질이 낮은 재료를 재사용하면 경제적 가치를 추가하고 티타늄 산업의 높은 탄소 배출량을 줄일 수 있는 잠재력이 있습니다.”라고 말했습니다.

RMIT의 수석 저자인 Tingting Song 박사는 이 팀이 "우리의 새로운 개념 증명부터 산업 응용을 향한 주요 여정의 시작 단계에 있다"고 주장했습니다.

“흥미를 느낄만한 근거가 있습니다. 3D 프린팅은 새로운 합금을 만드는 근본적으로 다른 방법을 제공하며 기존 접근 방식에 비해 뚜렷한 이점을 가지고 있습니다. 업계에서는 우리의 접근 방식을 사용하여 폐 스펀지 티타늄-산소-철 합금, '사양을 벗어난' 재활용 고산소 티타늄 분말 또는 고산소 스크랩 티타늄으로 만든 티타늄 분말을 재사용할 수 있는 잠재적인 기회가 있습니다.”라고 Song은 덧붙였습니다.

'적층 제조에 의한 강하고 연성인 티타늄-산소-철 합금'이라는 제목의 연구팀의 연구 논문은 Nature 저널에 게재되었습니다.

새로운 3D 프린팅 티타늄 합금 개발

팀의 합금은 Ti-6Al-4V라고 불리는 알파-티타늄 상과 베타-티타늄 상이라는 두 가지 형태의 티타늄 결정의 혼합물로 구성됩니다. 각 형태는 원자의 특정 배열에 해당합니다.

가장 일반적인 티타늄 합금인 Ti-6Al-4V는 전통적으로 알루미늄 6%와 바나듐 4%를 사용하여 생산되었으며 전체 티타늄 시장의 50% 이상을 차지합니다. 이 새로운 연구는 알루미늄과 티타늄을 산소와 철로 대체합니다. 쉽게 구할 수 있고 저렴할 뿐만 아니라, 이러한 원소는 알파 및 베타 티타늄 상의 가장 강력한 안정제 및 강화제 중 두 가지입니다.

전통적으로, 높은 수준의 티타늄과 산소를 ​​포함하는 티타늄 합금은 개발과 채택을 방해하는 문제에 직면해 왔습니다.

Qian은 "한 가지 과제는 '티타늄의 크립토나이트'로 구어체로 설명되는 산소가 티타늄을 부서지기 쉽게 만들 수 있다는 점이며, 다른 하나는 철을 추가하면 베타 티타늄의 큰 패치 형태로 심각한 결함이 발생할 수 있다는 것입니다."라고 Qian은 말했습니다.

크고 복잡한 부품을 제조하는 데 일반적으로 사용되는 프로세스인 L-DED 3D 프린팅을 통해 연구원들은 이러한 과제를 극복할 수 있었습니다.

L-DED를 사용하여 팀은 합금의 기계적 특성을 조정할 수 있었습니다. 과학자들은 산소와 철 원자의 분포를 조심스럽게 제어하면서 합금 내에서 나노 크기의 티타늄 결정을 생성했습니다. 이로 인해 합금의 일부 특정 부분은 강하고 다른 부분은 연성을 갖게 되어 재료가 장력 하에서 부서지지 않도록 보장합니다.

팀은 Hexagon의 Simufact Welding 프로그램의 DED 모듈을 사용하여 이러한 일련의 구성을 3D 프린팅하고 테스트했습니다. 테스트 후 연구원들은 그들의 합금이 다른 상업용 티타늄 합금의 연성과 강도에 필적할 수 있다는 것을 발견했습니다.