탐험가의 서클
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구리 니켈 정복
체이스 쉴리는 SPEE3D의 적층 제조 연구 엔지니어입니다. 그는 적층 제조 스테인리스 스틸에 관한 논문으로 재료 과학 및 공학 석사 학위를 받았으며, 항공 우주 및 방위 산업에서 쌓은 귀중한 경험을 회사에서 활용하고 있습니다.
SPEE3D는 매일 콜드 스프레이 적층 제조(CSAM)의 가능성을 확장하기 위해 노력하고 있습니다.
그리고 신소재 개발의 최전선에 있는 사람으로서, 특히 SUBSAFE 소재의 경우 연구 엔지니어들이 새로운 금속과 합금을 생산하기 위해 검증하는 과정에서 겪는 어려움에 대해 이야기할 수 있습니다.
구리 니켈이 완벽한 예입니다.
해군 해상 시스템 사령부(NAVSEA)는 구리 니켈 합금에 대한 구체적인 요청을 가지고 SPEE3D에 접근했습니다. 이 소재는 해상에서 선박과 장비에 필요한 강도, 연성 및 내식성의 완벽한 균형을 제공하기 때문에 거의 70년 동안 긴밀하게 협력해 온 소재입니다.
그러나 동시에 구리 니켈 주물은 종종 낙진율이 높기 때문에 파운드리에서 매우 긴 리드 타임을 필요로 하지 않고는 제작할 수 없습니다.
주조 제작을 사내에 도입하면 해군은 긴 리드 타임을 효과적으로 제거할 수 있습니다. 그래서 CSAM은 이상적인 솔루션이었습니다.
하지만 합금을 만드는 것은 쉬운 일이 아니었습니다.
그 이유를 이해하려면 애초에 콜드 스프레이 첨가제가 금속 부품을 만드는 데 어떻게 사용되는지에 대해 조금 알아야 합니다.
일반적인 저온 스프레이 공정에서는 공급 원료 분말을 SPEE3D 프린터에 적재하고 기판에 초음속으로 분사합니다. 그런 다음 프린트된 부품을 용광로에서 가열하거나 소결하여 원하는 합금을 만들어야 합니다.
경우에 따라 열간 등압 프레스(HIP)를 사용하여 가스로 공정에 압력을 가하여 부품에 30,000psi의 힘을 균일하게 가하는데, 이는 바다 가장 깊은 곳의 바닥에서 찾을 수 있는 압력의 양을 초과하는 것입니다.
이를 통해 가열된 금속의 기공을 닫아 재료의 연성, 성능 및 신뢰성을 위협하는 산화물을 잠재적으로 분쇄할 수 있습니다.
열처리가 완료되면 부품을 냉각시켜야 합니다. 용광로에 넣어 천천히 식히거나 찬물에 '담금질'하여 미세 구조를 빠르게 고정하는 것이 두 가지 일반적인 방법입니다.
그러나 스테인리스 스틸과 같이 일반적으로 적층 제조되는 소재의 인쇄, 열처리 및 냉각 방법에 대해서는 문헌에 명확히 나와 있지만 구리 니켈에 대해서는 언급이 많지 않습니다.
이를 위한 CSAM 열처리 공식을 만들려면 미지의 영역을 탐색해야 합니다.
첫 번째 과제는 공급 원료 자체였습니다. 다른 소재와 달리 구리 니켈 공급 원료는 열처리 공정을 통해 최종 합금으로 균질화되는 순수한 원소의 혼합물입니다.
적절한 요소의 조합을 찾으려면 실험을 해야 했고, 각 실험의 성공 여부는 각 부품이 가열과 냉각을 거치기 전까지는 알 수 없었습니다. 당연히 시간이 걸렸습니다.
작업 순서에 대한 추가 실험이 필요했습니다.
먼저 가열된 부품을 용광로에 놔두고 천천히 식히면서 미세 구조에 거대한 경화 침전물을 만들어 부품을 너무 부서지게 만들었습니다.
그런 다음 냉각 과정을 가속화하기 위해 가열된 부분을 담금질해 보았지만 미세 구조에 경화 침전물이 형성되는 것을 방지할 수 없었습니다.
이로 인해 부품이 너무 연성화되었습니다.
결국 열간 등방성 프레스를 적용하기 전에 구리 니켈 부분을 균질화한 다음 냉각 속도를 적당히 조절하여 강도와 연성 사이의 적절한 균형을 맞추고 원하는 미세 구조를 만들 수 있었습니다.
하지만 우리의 작업은 계속됩니다.
구리 니켈을 적층 제조하는 올바른 순서를 확립하는 데 성공했지만, 반복성에 대한 증거를 제공하는 과정은 아직 진행 중입니다.
밀리터리 사양 표준에 따라 소재를 검증하고, 모든 검증 테스트를 통과할 수 있음을 입증하고, 수십 번 연속으로 일관된 품질을 확립하는 과정은 6개월에서 15개월까지 걸리는 고된 과정입니다.
즉, 공정을 최적화하고 다양한 중요 애플리케이션에 사용되는 기존 제조 부품을 안전하고 안정적으로 대체할 수 있는 재료 분말을 제공하기 위해 해야 할 일이 많습니다.
그동안 구리 니켈에 주력해 왔지만, 역량을 확장하고 다양한 산업 요구를 충족하기 위해 재료 과학의 새로운 지평을 지속적으로 모색하고 있습니다.