바이메탈의 발전

바이메탈 증착 기능은 다양한 산업에서 지향성 에너지 증착(DED)을 사용하는 주요 이유로 자주 거론됩니다. 하나의 견고한 부품에 여러 재료를 결합하면 공작물의 다양한 영역에서 필요한 성능 특성에 맞춰 재료 특성을 의도적으로 선택하여 성능을 향상시킬 수 있는 가능성이 열립니다. 이러한 이점은 결합된 금속이 서로 다르고 부품 특성을 더 많이 수정할 수 있을수록 더욱 가속화됩니다.

역사적으로 DED에서 구리의 사용은 반사 특성으로 인해 제한되어 왔습니다. 새로운 공정 전략을 통해 구리 부품에 클래딩을 조기에 적용할 수 있게 되었습니다. 그러나 구리의 더 복잡한 형상과 높은 재료 비용으로 인해 구리도 증착하는 것이 바람직합니다. 최근 레이저 산업의 발전으로 DED 기계에 블루 레이저를 활용하여 순수 구리뿐만 아니라 고급 구리 합금도 증착할 수 있게 되었습니다.

적외선 레이저(IR = 1,040nm)를 사용하면 순수 구리의 흡수 계수는 약 2%에 불과합니다. 따라서 CuAl10, CuSn8, CU18150 등과 같이 흡수를 증가시키는 구리 합금이 사용되었습니다. 그럼에도 불구하고 흡수율은 일반적으로 사용되는 강철에 비해 훨씬 낮으므로 3,000W 이상의 고출력 레이저는 이러한 응용 분야에 적합합니다. 또한, 구리 기판의 예열과 보다 효과적인 증착 각도를 활용하는 고급 클래딩 전략이 지난 몇 년 동안 성공을 거두었습니다.

일반적인 응용 분야는 다양한 우주 응용 분야(가장 일반적으로 로켓 노즐)에서 구리 기판에 인코넬을 피복하는 데 중점을 둡니다. 예를 들어 그림 1은 5축 회전식 메인 스핀들에 고정된 레이저 분말층 융합(LPBF) 시스템(DMG Mori의 LASERTEC 30 DUAL SLM)에서 CU18150으로 제작된 구리 라이너의 설정을 보여줍니다. 밀 LASERTEC 3000 DED 하이브리드 기계. CU18150의 구리 라이너는 LPBF 시스템의 1,000W 레이저를 사용하여 제작되었으며 외경 주위에 개방형 냉각 채널이 추가되었습니다. 하이브리드 DED 기계에 3,000W 레이저를 사용하여 원주 주위에 Inconel 625를 증착하고 이에 따라 냉각수 채널을 닫았습니다. 구리 라이너의 반사는 적절한 재료 결합으로 이어지는 안정적인 공정을 확립하는 데 어려움을 겪습니다.

올바른 증착 전략과 Siemens NX와 같은 5축 CAM 프로그램에서 생성된 고급 도구 경로를 사용하면 그림 2와 같이 성공적인 결과를 얻을 수 있습니다. 일관된 인코넬 레이어가 원주 주위에 적용되고 미세 구조 분석은 두 축 사이의 우수한 결합을 보여줍니다. 구리 기판과 인코넬 층.

LPBF 시스템과 DED 시스템의 조합을 사용함으로써 이러한 구성요소의 크기는 입방피트의 일반적인 봉투 크기로 제한되거나 최신 기계 개발에서는 약간 더 커집니다. 우주 산업의 요구 사항을 충족하려면 직경이 최대 1,250mm이고 스핀들 간 부품 길이가 최대 6,000mm에 달하는 DED 하이브리드 기계의 전체 범위를 활용하는 것이 바람직합니다. 결과적으로 구리를 증착하여 동일한 외피에 구리 라이너를 구축할 수 있는 DED 시스템은 매우 매력적인 경제적 이점을 갖춘 고급 우주 구성 요소에 대한 엄청난 기회를 제공합니다.

레이저 산업의 최근 발전으로 대체 파장 범위에서 더 높은 레이저 출력을 갖는 다이오드 레이저가 제공되었습니다. 특히, 가시광선 스펙트럼의 녹색광 및 청색광 레이저는 최근에야 경제적으로 실현 가능해졌습니다. 그림 3은 900~1,070nm 범위의 IR 레이저와 비교하여 450nm 파장 스펙트럼의 청색광 레이저를 사용할 때의 이점을 보여줍니다. 청색 레이저(450nm)는 녹색 레이저(515nm)보다 더욱 발전했습니다. 모든 금속의 에너지 흡수가 향상되었으며, 구리를 사용하면 가장 큰 이득을 얻을 수 있습니다.

기본 원소인 철, 니켈, 구리를 비교하면 흡수가 향상된 것으로 나타났습니다. 구리는 IR 스펙트럼의 빛을 거의 흡수하지 않으며 청색 파장 스펙트럼의 니켈 및 철과 동일한 흡수 수준으로 뛰어납니다. 또한 니켈은 청색 레이저 범위에서 19% 더 높은 효율로 빛을 흡수합니다. 결과적으로 순수 구리 및 CU18150과 같은 저합금 구리 합금의 증착이 DED 공정에서 가능해졌습니다.