분말 베드 적층 제조(PB-AM)로 생산된 항공우주 부품은 일반적으로 핫 등압 성형(HIP)을 거칩니다. 그 이유는 인쇄 과정에서 구조적 무결성을 손상시키는 미세 결함이 남기 때문입니다. 이 후처리 단계에서는 부품에 고온과 고압 가스를 동시에 적용합니다. 이 환경은 재료를 효과적으로 치유하여 잔류 미세기공을 닫고 부품이 비행에 필요한 엄격한 안전 표준을 충족하도록 보장합니다.
적층 제조는 복잡한 형상을 만들지만, HIP 처리는 이러한 부품이 기존 단조품의 성능과 동등하거나 능가하는 데 필요한 내부 밀도와 피로 저항을 갖도록 하는 중요한 단계입니다.
인쇄된 부품의 물리적 문제
잔류 미세기공
첨단 PB-AM 기술을 사용하더라도 "인쇄된" 부품은 완벽하게 단단한 경우가 거의 없습니다. 층별 융합 과정에서 종종 잔류 미세기공이 남습니다. 이러한 작은 공극은 응력 집중점으로 작용하여 응력 하에서 균열 발생 부위가 될 수 있습니다.
내부 느슨함
뚜렷한 기공 외에도, 주요 참조 문헌에서는 부품이 내부 느슨함을 겪을 수 있다고 언급합니다. 재료 구조 내에서의 이러한 결합 부족은 부품이 이론적 최대 밀도를 달성하는 것을 방지합니다. 안전 여유가 빠듯한 항공우주 응용 분야에서는 이러한 불일치는 용납될 수 없습니다.
HIP가 재료를 최적화하는 방법
동시 열 및 압력
HIP 장비는 고온과 고압 가스를 동시에 적용하여 이러한 결함을 해결합니다. 이 조합은 열처리만으로는 효과가 없습니다. 외부 압력은 내부 공극을 닫고, 열은 재료가 닫힌 틈을 따라 결합되도록 합니다.
미세 구조 최적화
구멍을 닫는 것 외에도, 이 공정은 재료의 미세 구조를 최적화합니다. 결정립 구조를 정제하고 균일성을 보장함으로써 HIP는 인쇄된 부품을 융합된 층의 집합체에서 균질하고 고성능의 부품으로 변환합니다.
항공우주 분야의 성능 결과
피로 수명 개선
항공우주 부품, 특히 주기적 하중(시간 경과에 따른 반복 응력)을 받는 부품의 경우 피로 수명이 가장 중요합니다. 균열 발생 부위가 되는 미세기공을 제거함으로써 HIP 처리는 부품의 유효 수명을 크게 연장합니다.
단조 수준의 밀도 달성
HIP 사용의 궁극적인 목표는 재료 밀도를 최대화하는 것입니다. 이 공정은 PB-AM 부품이 기존 단조품의 기계적 성능 수준과 동등하거나 능가하도록 하여, 전통적으로 제조된 하드웨어의 실행 가능한 대체품이 되도록 합니다.
공정 함의 이해
후처리 필요성
PB-AM이 중요 응용 분야에 대한 "인쇄 및 비행" 솔루션이 아님을 인식하는 것이 중요합니다. HIP에 대한 의존성은 현재 인쇄 공정만으로는 항공우주에 필요한 내부 건전성을 보장할 수 없음을 나타냅니다.
가장 약한 고리 제거
내부 결함을 제거함으로써 초기 고장의 통계적 가능성을 제거하는 것입니다. 이 단계를 건너뛰면 외부 형상이 얼마나 잘 인쇄되었는지에 관계없이 부품이 예측 불가능한 구조적 문제에 취약해집니다.
비행 준비 완료 신뢰성 보장
생산 체인에서 HIP의 역할을 결정하려면 부품의 특정 기계적 요구 사항을 고려하십시오.
- 주요 초점이 주기적 내구성인 경우: 균열 발생 부위 역할을 하는 미세기공을 제거하여 피로 수명을 크게 개선하기 위해 HIP를 사용해야 합니다.
- 주요 초점이 재료 밀도인 경우: HIP를 사용하여 내부 느슨함을 닫고 전통적인 주조 및 단조 부품과 비슷하거나 능가하는 기계적 특성을 달성하십시오.
HIP는 단순한 마무리 단계가 아니라, 인쇄된 형상을 고성능 항공우주 부품으로 변환하는 다리입니다.
요약 표:
| 특징 | 인쇄된 PB-AM 부품 | HIP 후처리 후 |
|---|---|---|
| 재료 밀도 | 잔류 미세기공/느슨함 포함 | 최대 이론 밀도 달성 |
| 내부 구조 | 층별 융합 결함 | 균질하고 최적화된 미세 구조 |
| 피로 수명 | 균열 발생 부위로 인해 낮음 | 주기적 하중에 대해 크게 연장됨 |
| 성능 수준 | 가변적/단조 품질 이하 | 전통적인 단조품과 동등하거나 능가함 |
| 안전 상태 | 중요 비행 응력에 부적합 | 고성능 항공우주 사용에 검증됨 |
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참고문헌
- Alexander Katz‐Demyanetz, Andrey Koptyug. Powder-bed additive manufacturing for aerospace application: Techniques, metallic and metal/ceramic composite materials and trends. DOI: 10.1051/mfreview/2019003
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