가스 분무법에 의한 금속 분말 제조 원리 및 분말 성능에 영향을 미치는 요인

적층 제조의 핵심 원료인 금속 분말의 품질은 제품의 최종 품질을 크게 좌우합니다. 적층 제조 기술의 급속한 발전과 공정 특수성으로 인해 금속 분말에 대한 품질 요구 사항은 점점 높아지고 있으며, 높은 구형도, 우수한 유동성, 낮은 가스 및 불순물 함량 등이 요구됩니다. 동시에 적층 제조의 적용 분야가 지속적으로 확대됨에 따라 점점 더 다양한 종류의 금속 분말이 필요해지고 있습니다. 금속 분말을 제조하는 방법에는 여러 가지가 있으며, 그중 가스 분무법은 고성능 금속 및 합금 분말을 제조하는 주요 방법이 되었습니다.

다른 분말 제조 방법과 비교할 때 가스 분무법은 다음과 같은 장점이 있습니다. 적용 범위가 넓어 다른 방법으로는 제조할 수 없는 다양한 금속 분말과 사전 합금화 분말을 제조할 수 있으며, 냉각 속도가 빠르고(10^4 ~10^6 ℃/s) 과냉각도가 높습니다. 또한 제조된 분말은 구형도가 높고 분말 입자 크기를 제어할 수 있습니다.

가스 분무 분말 제조의 원리 가스 분무법의 기본 원리는 고속 기류로 용융 금속에 충격을 가하여, 충돌을 통해 기체의 운동 에너지를 용융 금속의 표면 에너지로 변환하는 것입니다. 이를 통해 용융 금속의 흐름을 미세한 액적으로 분해한 후, 기류 분위기에서 빠르게 냉각 및 응고시켜 분말을 형성합니다.

모합금 원료는 가스 분무 분말 제조 과정에서 용해, 분무, 응고의 세 가지 주요 공정을 거칩니다. 현재 주류 분무 공정은 분말 내 산소 함량과 불순물 함량을 줄이고 분말의 순도를 높이기 위해 진공 또는 불활성 가스 환경에서 수행됩니다. 연구에 따르면 분말 내 산소는 대부분 제련 과정에서 유입됩니다. 따라서 모합금 제조 과정이든 분무 공정이든 진공 또는 불활성 가스 환경을 유지해야 합니다. 모합금이 용해되면 고압·고속 기류(불활성 가스)에 의해 작은 액적으로 분쇄 및 분산됩니다. 작은 액적은 낙하 과정에서 빠르게 열을 잃고 표면 장력의 작용으로 신속하게 구형 분말로 응고됩니다.

분말 형상에 영향을 미치는 요인

분무 분말의 형상은 규칙적인 구형과 불규칙한 형상으로 나눌 수 있으며, 이는 금속 용탕이 분해된 후 형성된 액적의 구상화 시간과 응고 시간의 상대적인 크기와 관련이 있습니다. 금속 액적의 구상화 시간이 응고 시간보다 짧으면 액적은 응고 전에 충분히 구상화될 수 있으므로, 응고 후 형성되는 분말 입자는 형상이 더 규칙적이고 표면이 더 매끄럽습니다. 반대로 분무 액적의 구상화 시간이 응고 시간보다 길면 액적은 응고 전에 충분히 구상화되지 못하고, 응고 후 불규칙한 분말 입자가 형성됩니다. 액적의 구상화 시간은 주로 액체 금속의 점도, 표면 장력 및 액적 크기에 좌우되며, 응고 시간은 주로 액적의 비열, 열전도율 및 금속의 과열도에 좌우됩니다.

1. 용탕의 과열도가 미치는 영향. 일부 연구에 따르면 과열도가 증가함에 따라 분말은 불규칙한 아령형 및 막대형에서 구형으로 변합니다. Zhu Jianyong 등은 가스를 사용하여 납땜 분말을 분무할 때 금속 액체 흐름의 과열도가 분말 형상에 일정한 영향을 미친다는 사실을 발견했습니다. 분무 온도를 높이면 분말의 구상화율이 증가하며, 그 이유도 제시했습니다. 분무 온도를 높이면 응고 시간이 연장될 뿐만 아니라 금속 액체 흐름의 점도가 낮아져 구상화 시간이 단축됩니다.

2. 분무 매체의 영향 Xu Tianhao 등은 공기, 아르곤, 질소 및 헬륨을 서로 다른 네 가지 분무 매체로 사용하여 SnAgCu 분말을 분무하고, 생성된 분말의 구형도가 순서대로 향상된다는 사실을 발견했습니다. 공기를 분무 매체로 사용하여 제조한 분말의 구형도가 가장 낮았으며, 형상도 매우 불규칙했습니다. 또한 분무 매체의 순도는 분말 구상화율에 직접적인 영향을 미칩니다. 분무 매체의 순도가 낮으면 용융 액적 표면에 산화막이 형성되어 용융 액적의 점도가 증가하기 때문입니다. Pu Youfu 등도 공기, 헬륨, 질소, 아르곤, 질소-헬륨 혼합물 및 질소-아르곤 혼합물 분위기에서 분무된 납땜 분말의 입도 분포를 비교하여 유사한 결론을 도출했습니다. Nichiporenko는 분무 매체를 변경하여 납을 분무했으며, 공기로 분무하여 얻은 분말은 모두 비구형이었지만 분무 매체를 아르곤으로 변경하자 85%의 분말이 구형이 된다는 사실을 발견했습니다.

3. 분무 압력의 영향 분무 압력도 분말 형상에 일정한 영향을 미칩니다. 분무 압력이 높을수록 금속 분말의 입자 크기는 더 미세해지고, 많은 미세 분말이 서로 달라붙습니다. 이는 분무 가스 압력이 높을 때 분무 가스와 금속 액적의 에너지가 더 커지고, 가스가 금속 액체 흐름에 더 많은 에너지를 제공하여 이를 미세 액적으로 분해하므로 분말이 더 미세해지기 때문입니다. 동시에 분무 가스와 금속 액체 흐름 사이의 열교환이 증가하여 금속 분말이 더 빠르게 응고되고, 미세 분말 사이에 부착과 응집이 발생합니다.

중공 분말 형성 메커니즘 및 제어 방법

중공 분말은 분무 분말에서 흔히 발생하는 결함 유형입니다. 분말 내부의 기공은 일반적으로 두 가지 형태로 존재합니다. 하나는 분무 가스가 분말 내부에 갇혀 형성된 폐쇄 기공으로, 그 크기는 일반적으로 분말 크기의 10%에서 90%이며, 비교적 큰 입자 크기(>70 μm)의 분말에서 가장 흔하게 나타납니다. 다른 하나는 수지상정 사이의 응고 및 수축으로 형성된 기공으로, 그 크기는 일반적으로 분말 크기의 5% 미만이며 분말 내부와 표면에 분포합니다. 일반적으로 분말 입자 크기가 증가할수록 분말 내 기공의 수, 크기 및 가스 함량도 함께 증가합니다. 중공 분말의 형성은 분무 중 액적의 분해 메커니즘과 관련이 있습니다. 분무 과정에서는 분무 가스와 용융 금속 사이의 상호작용 에너지가 서로 다르기 때문에 여러 유형의 액적 분해 메커니즘이 동시에 발생합니다. 가장 높은 에너지를 가진 메커니즘 중 하나인 백 파쇄가 발생하면, 큰 액적은 기류의 작용으로 주머니 모양의 박막을 형성하고 기체 흐름에 수직인 방향으로 퍼집니다. 액체의 점도가 낮을 때는 액막의 외측이 파열되어 미세 액적을 형성하지만, 분무 과정에서는 액적이 매우 빠르게 냉각되고 액적 온도가 급격히 낮아지면서 점도가 크게 증가합니다. 액적 점도가 충분히 높아지면 주머니 모양 박막의 파열이 억제되고, 액막 양쪽의 파열구가 서로 결합하여 분무 가스로 둘러싸인 중공 액적을 형성합니다. 아래 그림과 같습니다. 따라서 중공 분말의 생성을 억제하려면 백형 파쇄가 발생하지 않도록 분쇄 과정의 에너지를 줄여야 하지만, 분무 공정을 정밀하게 제어하지 않고는 이를 실현하기 어렵습니다.

위성 분말 형성의 메커니즘 및 제어 방법 위성 분말은 큰 분말 표면에 작은 분말이 부착되어 위성 형태의 분말 구조를 형성한 것을 말하며, 아래 그림과 같습니다. 위성 분말은 분말의 구형도, 유동성 및 벌크 밀도를 저하시키며, 분무 분말 제조에서 또 다른 흔한 결함입니다. 현재 위성 분말의 발생을 설명하는 두 가지 이론이 있습니다. 고전적인 이론은 위성 분말의 발생 원인을 분무 챔버에서 하강 비행하는 동안 미세 분말과 조대 분말이 충돌하고 부착되기 때문이라고 설명합니다. 연구에 따르면 분무 과정에서 미세 액적은 큰 액적보다 먼저 냉각 및 응고되고, 고속 기류 속에서 가속된 후 결국 아직 용융 상태인 큰 액적과 충돌하여 용접되면서 위성 분말을 형성합니다. Ozbilen은 분무 분말의 입도 분포가 넓고 큰 입자 분말의 표면이 거칠 때 위성 분말이 발생할 확률이 증가한다는 사실을 발견했습니다.

Anderson 등은 분무 실험에서 분무 챔버 벽을 따라 수직으로 상승하는 미세 분말 흐름을 관찰했으며, 기류가 이 미세 분말을 노즐 아래의 유동장으로 운반한다는 사실을 확인했습니다. 이에 따라 또 다른 이론이 제시되었습니다. 응고된 미세 분말이 선회 기류에 의해 노즐 아래의 분사 영역으로 빨려 들어가 아직 완전히 응고되지 않은 액적과 충돌하고, 결국 위성 분말을 형성한다는 것입니다. 그 결과 직경 30 cm의 분무 챔버가 개발되었고, 실험을 통해 위성 분말 발생 확률이 감소한다는 사실이 입증되었습니다. 그러나 이 방법은 액적이 분무 챔버 내벽과 너무 일찍 충돌하게 하여 분말 회수율을 낮춥니다.

분말 입자 크기에 영향을 미치는 요인

1. 용탕 과열도의 영향 Lv Haibo는 과열 온도가 분말 입자 크기에 미치는 영향을 연구하여 과열도가 증가할수록 분말 입자 크기가 더 미세해진다는 사실을 발견했습니다. Ouyang Hongwu도 과열도가 증가할수록 미세 입자가 증가하고 분말의 평균 입자 크기가 감소하는 경향이 있음을 확인했습니다. 금속 용탕이 특정 온도에 도달하면 금속 용탕의 온도를 변화시켜 합금 분말의 입자 크기를 증가시키는 효과는 크지 않습니다. 주된 이유는 분무 과정에서 금속 용탕이 필연적으로 공기와 접촉하기 때문일 수 있습니다. 온도가 상승하면 금속의 산화 경향도 강해집니다. 생성된 산화물이 용탕에 혼입되면 금속의 유동성이 저하되고 점도가 증가합니다. 온도 상승으로 금속 용탕의 점도가 감소하는 효과가 이러한 영향과 상쇄되면, 온도 상승에 따른 분무 분말의 입자 크기는 크게 증가하지 않습니다.

2. 분무 압력의 영향 연구에 따르면 분무 압력이 증가할수록 미세 분말의 수율이 증가합니다. 그러나 분무 압력이 일정 수준까지 증가하면 분무 압력을 더 높여도 미세 분말의 증가량은 크지 않아 분무 압력에 최적값이 있음을 보여줍니다. 다른 연구에서는 분무 압력이 최적값을 초과하면 분무 압력이 증가할수록 미세 분말 수율이 감소한다는 사실이 밝혀졌습니다. 이는 분무 압력이 지나치게 높으면 분사 가스의 흡입력이 강화되고 금속 액체 흐름의 유량이 증가하기 때문입니다. Mates 등은 분무 압력이 증가할수록 얻어진 분말의 입도 분포 표준편차가 감소한다는 사실을 발견했으며, 이는 분무 압력이 높을수록 입도 분포가 좁아진다는 것을 의미합니다.

3. 기체-액체 비율(GMR)의 영향 Wolf는 기체-액체 질량 유량비(GMR)가 증가할수록 질량 평균 입자 크기가 지속적으로 감소하지만, 비율이 특정 값을 초과하면 분무 가스 압력을 높이거나 금속 액체 흐름의 유량을 줄여도 분말 입자 크기가 더 이상 감소하지 않는다는 사실을 발견했습니다. 이 값은 사용된 분무 장비의 분무 한계이며, 초미세 분말을 분무할 때 가장 경제적인 값이기도 합니다.

4. 분무 가스 유동 특성의 영향 금속 액체 흐름과 가스 제트의 상대 속도는 전체 분무 공정에서 중요한 역할을 합니다. 상대 속도가 클수록 분무 분말의 평균 입자 크기는 작아집니다. Ünal은 분무 기류의 초음속 영역 길이를 변화시키는 것이 분말 입자 크기에 미치는 영향을 연구했습니다. 분무 기류에서 초음속 영역이 길수록 얻어지는 분말의 입자 크기가 작아진다고 설명했습니다. 이는 금속 액체 흐름의 가스 분무 공정에서 미세 분말이 주로 2차 분쇄를 통해 얻어지기 때문입니다. 2차 분쇄가 발생하는 영역에서는 분무 기류의 속도가 클수록 금속 액적의 임계 크기가 작아집니다. 즉, 분쇄 후 모액적의 크기가 작아지므로 얻어지는 분무 분말의 평균 입자 크기도 작아집니다.