Journal Search Engine
Search Advanced Search Adode Reader(link)
Download PDF Export Citaion korean bibliography PMC previewer
ISSN : 1225-7591(Print)
ISSN : 2287-8173(Online)
Journal of Korean Powder Metallurgy Institute Vol.26 No.4 pp.305-310
DOI : https://doi.org/10.4150/KPMI.2019.26.4.305

Spheroidization of Pure-vanadium Powder using Radio Frequency Thermal Plasma Process

Nana Kwabena Adomakoa, Seungmin Yangb, Min Gyu Leec, N. S. Reddyd, Jeoung-Han Kima*
aDepartment of Materials Science & Engineering, Hanbat National University, Daejeon 34158, Republic of Korea
bAdditive Manufacturing R&D group, Korea Institute of Industrial Technology Gangwon Regional Division, Gangwon-do 25440, Republic of Korea
cUlitmate Fabrication Technology group, Korea Institute of Industrial Technology Daegyeong Regional Division, Daejeon 42994, Republic of Korea
dSchool of Materials Science and Engineering, Gyeongsang National University, Gyeongsangnam-do 52828, Republic of Korea
-

N. K. Adomako: 학생, 양승민: 선임연구원, 이민규: 연구원, N. S. Reddyㆍ김정한: 교수


Corresponding Author: Jeoung-Han Kim, TEL: +82-42-821-1240, FAX: +82-42-821-1592, E-mail: jh.kim@hanbat.ac.kr
August 2, 2019 August 14, 2019 August 19, 2019

Abstract


In the present work, spheroidization of angular vanadium powders using a radio frequency (RF) thermal plasma process is investigated. Initially, angular vanadium powders are spheroidized successfully at an average particle size of 100 μm using the RF-plasma process. It is difficult to avoid oxide layer formation on the surface of vanadium powder during the RF-plasma process. Titanium/vanadium/stainless steel functionally graded materials are manufactured with vanadium as the interlayer. Vanadium intermediate layers are deposited using both angular and spheroidized vanadium powders. Then, 17-4PH stainless steel is successfully deposited on the vanadium interlayer made from the angular powder. However, on the surface of the vanadium interlayer made from the spheroidized powder, delamination of 17-4PH occurs during deposition. The main cause of this phenomenon is presumed to be the high thickness of the vanadium interlayer and the relatively high level of surface oxidation of the interlayer.



RF 플라즈마를 이용한 순수 바나늄 분말의 구상화 거동 연구

Nana Kwabena Adomakoa, 양 승민b, 이 민규c, N. S. Reddyd, 김 정한a*
a한밭대학교 신소재공학과
b한국생산기술연구원 강원지역본부 적층성형가공그룹
c한국생산기술연구원 대경지역본부 극한가공기술그룹
d경상대학교 나노·신소재공학부

초록


    1. 서 론

    적층조형(Additive manufacturing, AM)은 기존의 가공법 과는 달리 디지털 데이터에 기반해 연속적으로 소재를 적 층하여 3차원 입체물을 제조하는 공정이다[1]. AM 기술 을 통해 복잡한 형상의 부품을 제조할 있어 에너지, 항공 우주, 바이오 및 자동차와 같은 다양한 산업에 적용이 기 대되고 있다[2]. 특히, 금속 기반 AM은 산업적으로 응용 가능성이 높아 지난 10여년 동안 전 세계적으로 큰 주목 을 받아왔다[3]. 타이타늄 합금은 금속 기반 AM에서도 핵 심적으로 연구되는 소재인데 그 이유는 높은 비강도, 우수 한 내식성, 낮은 밀도 등에 있다. 따라서, 항공기와 미래형 운송시스템에 타이타늄 합금 부품을 AM 기술로 제조하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나, 통상적인 타 이타늄 합금은 고온 강도가 낮아 300ºC 이상의 온도에서 는 사용이 어렵다는 단점이 있다[4]. 이러한 문제를 보완 하고자 타이타늄 합금에 내열강을 용접/접합하려는 연구 가 활발히 진행되었다. 그러나, 타이타늄 합금과 내열강의 용접/접합은 매우 어려운데 그 이유는 Ti와 Fe가 만나게 되면 TiFe 또는 TiFe2의 금속간화합물이 생성되기 때문이 다[5, 6]. 따라서, 타이타늄과 내열강 사이에는 금속간화합 물 생성을 막기 위한 중간층을 삽입하게 되는데 보통 Cu(구리), Ag(은), V(바나늄) 등이 중간층 소재로 사용된 다[7]. 최근, AM 분야에서도 타이타늄 위에 내열강을 적 층하기 위한 노력이 활발히 진행되고 있다. 타이타늄과 내 열강을 이용한 경사기능소재(Functionally graded material) 를 제조할 경우 내열성, 경량성, 내식성 등을 부위별로 다 르게 부여할 수 있어 설계의 자율성이 매우 높아지는 장 점을 얻을 수 있다. 최근, Nana 등은 Ti-6Al-4V 합금 위에 V 층을 적층하고 다시 그 위에 17-4PH합금을 적층하는 연구를 수행한 바가 있다[8]. 이 연구에서는 V 층을 적층 하기 위해 PBF(Powder bed fusion) 방식을 사용하였는데 사용된 V 분말의 형상이 괴상(Angular shape)이라 균질한 V층 생성이 어려웠다. 분말을 사용하는 AM 공정은 대부 분 구상(Spherical shape)의 원료 분말을 요구한다. 이는 괴상의 분말은 흐름성(Flowability)이 나쁘고 내부에 기공 이 생성되기 쉽기 때문이다. 그러나, 현재까지 상업적인 구매가 가능한 V 분말은 대부분 괴상의 형태를 가지고 있다[9].

    한편, Radio frequency thermal plasma process(RF-TPP, 이하 RF플라즈마)는 약 10,000 K 이상의 고온 플라즈마를 이용하여 분말을 구상화 시킬 수 있는 공정이다[10]. RF 플라즈마 공정 중 원료 분말은 순간적으로 완전히 기화 되었다가 다시 냉각이 되면서 원자들이 다시 구형의 입자 로 재구성이 된다. 이를 통해 구형의 분말 입자를 제조할 수 있게 되는데 구름에서 비가 만들어지는 현상과 유사하 다. RF플라즈마 공정을 이용할 경우 원료 분말이 가지고 있는 오염물을 제거하여 순도를 증가시키고 각형의 분말 을 구형화 할 수 있는 장점이 있다. 따라서, RF플라즈마 처리된 분말을 이용하여 AM공정을 시도할 경우 우수한 물성을 기대할 수 있다. 본 연구에서는 이러한 RF 플라즈 마 공정을 이용하여 괴상의 V 분말을 구상화하고 이 구상 분말의 AM 적용성을 시험해 보고자 하였다. 구상화 전·후 분말들의 형상 및 순도를 비교하였고 직접 Ti-6Al-4V 기 판 위에 적층을 시도해 보았다.

    2. 실험방법

    본 연구에서 사용된 순도 99.9% V 분말은 Sigma- Aldrich에서 구매하였으며 평균입도는 100 μm이었다. 구 매된 V 분말은 미분을 제거하여 75-150 μm 수준의 평균 입도를 가지도록 체분류(Sieving) 되었다. 분류된 V 분말 은 RF플라즈마 장비(PLASNIX RF-Plasma)로 옮겨져 구 상화 처리 수행되었다. 이 때 적용된 구상화 처리 조건은 피딩량 ~400 g/h, 공정압력 90 kPa, 인가전력 10 Kw이었 다. 그림 1은 구상화 처리의 모식도 및 장비 사진을 보여 주고 있다. 구상화를 위해 투입된 각형의 분말 무게는 총 325.4 g이었고 최종적으로 얻어진 구형분말의 무게는 309.1 g이었다. 따라서, 회수율은 95.0% 수준으로 매우 양 호하였다. 구형화 처리된 분말의 형상을 광학 및 주사전자 현미경(FE-SEM JSM-7800)으로 관찰하였다. 또한, X-ray diffraction(XRD) 패턴은 Panalytical 사의 Empyrean 장비 를 사용하여 측정하였다.

    구상화된 V 분말을 이용해서 Ti-6Al-4V 기판 위에 적층 을 시도해 보았다. 적층 시험으로는 인스텍(Insstek)의 MX- 3 장비를 사용하였으며 열에너지 공급을 위한 레이저는 ytterbium fiber laser를 사용하였다. AM에 사용된 Ti-6Al- 4V 기판과 17-4PH 분말은 각각 VSMPO와 CARPENTERS 사에서 제공받았고 화학조성은 표 1과 같다. 그림 2는 V 과 17-4PH의 적층형상을 개략적으로 보여주고 있다. 먼저 Ti-6Al-4V 기판 위에 V 중간층을 40×90×(0.4~0.8) mm 수 준으로 적층하였다. 그 후 다시 17-4PH를 V층 위에 적층 하였다. 이 때 17-4PH 층의 두께는 4 mm 수준이었다. 적 층 시험 중 챔버내 분위기 가스는 Ar을 사용하였다. 레이 저 스캔속도는 480 mm/min, 챔버 주입가스량은 7.5 lit/ min, 분말수송 가스량은 1.8 lit/min, 분말공급량은 5 g/min 으로 고정하였고, 레이저 출력은 210W였다.

    3. 결과 및 고찰

    3.1 바나늄 분말의 RF-플라즈마 구상화 처리

    그림 3은 RF-플라즈마 처리 전·후의 V 분말 형상을 비 교한 광학과 SEM 사진이다. 직경 120 μm 이상의 분말의 경우 구상화가 잘 일어나지 않았으나 그 이하의 분말들은 구상화가 잘 이루어진 것이 확인되었다. 입도분석기로 입 도 분포를 측정한 결과 d10=72 μm, d50=102 μm, d90= 142 μm 수준으로 매우 균일 하였다. 여기에서, d10, d50, d90 은 입자크기 누적분포에서 각각 10%, 50%, 90%에 해당 하는 입도 크기를 의미한다. 또한, 구상화된 분말들의 크 기는 일반적으로 투입 분말에 미분이 섞여 있는 경우 구 상화 분말 표면에 미세한 위성분말이 형성될 수 있다. 그 러나, 본 실험의 경우 사전에 미분이 제거되어 위성분말은 거의 발견되지 않았다. 그림 3(b)의 광학 사진으로는 일부 분말끼리 뭉쳐서 응집된 것처럼 보였으나 그림 3(d)와 같 이 SEM으로 자세히 분석해 본 결과 분말끼리의 응집은 발생하지 않은 것이 확인되었다.

    그림 4는 구상화 처리 후 챔버 안에서 20분간 안정화 처 리된 분말들의 XRD 회절 패턴을 보여주고 있다. 총 4번 의 반복 시험에 따라 각각 다른 4가지 분말 A, B, C, D가 얻어졌다. 각 분말의 차이는 RF 플라즈마 공정 중 발생한 외부로부터의 산소 침입량의 차이이다. 통상적으로 미세 분말들은 고온환경에서 산화가 매우 쉽다. 따라서, 구상화 공정에서도 산화를 방지하기 위한 불활성 분위기 연출에 매우 세심한 주의를 기울인다. 그러나, 본 연구에서는 동 일한 공정변수를 사용했음에도 특정할 수 없는 원인으로 A, B, C, D 각 분말의 고온산화도가 다르게 얻어졌다. 분 말 A, B, C의 경우 상당한 수준의 V3O16의 바나늄 산화물 이 XRD 회절 패턴에서 검출되었다. 그림 4 상단의 사진 은 각 분말의 색상변화를 보여주고 있다. Rietveld refinement 분석 결과 A 분말의 경우 산화물의 분율은 26.5% 수 준이었고 어두운 황색에 가까운 색을 보였다. B시편의 경 우 산화물의 양이 가장 높은 72.2% 였으며 푸른색을 띄고 있었다. 한편, D 분말의 경우는 산화물이 거의 검출되지 않았으며 색상도 원료 분말과 유사한 희색이었다. 기존 연 구에서 유사한 공정으로 타이타늄 분말을 구상화하였을 때 고온산화의 문제가 발생하지 않았던 것을 고려하면 [10] 바나늄 분말은 타이타늄 대비 고온산화에 더 취약한 것으로 판단된다. 그림 5는 상대적으로 고온산화도가 낮 은 D 분말의 표면상태를 SEM-EDX로 분석한 결과이다. RF-플라즈마 처리 전과 비교하면 표면이 매우 매끄럽고 둥근 것을 할 수 있다. 거시적으로 EDX-spectra를 통해 확 인하면 플라즈마 처리 후에도 V외에 다른 원소에 의한 오 염이 두드러지지 않았다. 그러나, EDX 맵을 통해 관찰해 보면 분말 표면의 일부에 산화물들이 소량 생성되어 있는 것이 확인되었다.

    3.2 바나늄 분말을 이용한 타이타늄/바나듐/스텐인리스강 경사기능소재 제조

    Ti-6Al-4V과 17-4PH강을 이용한 경사기능소재의 적층 조형을 위해 V층 적층을 시도해 보았다. 플라즈마 처리를 하지 않은 각형의 분말과 플라즈마 처리된 D 분말을 각각 이용해 Ti-6Al-4V 위에 중간층을 적층하였다. 그림 6(a)는 각형의 V 분말을 이용해 적층한 후 시편의 거시적 형상을 보여주고 있다. 각형의 V 분말이 중간층 제조에 사용된 경우 V층이 박리(Delamination) 현상 없이 Ti-6Al-4V 위 에 안정적으로 적층되었고 최종 적층 두께는 0.4~0.6 mm 수준이었다. 이어서 V층 위에 17-4PH 층을 추가로 적층 하였다. 이 경우에도 17-4PH는 박리 없이 건전하게 적층 되었다. 17-4PH 층의 두께는 4.5 mm 수준이었다. 한편, 그 림 6(b)는 플라즈마 처리된 구형의 V 분말을 이용해 중간 층을 형성한 경우를 보여주고 있다. V 중간층 자체는 Ti- 6Al-4V 위에서 박리를 일으키지 않고 잘 적층되었다. 그 러나, 구형분말 V층의 표면은 각형분말 층 대비 상대적으 로 짙은 푸른색을 띄고 있어서 표면산화의 정도가 더 심 했던 것으로 보인다. 또한, 적층 두께는 구상의 분말을 사 용했을 때보다 더 두꺼운 1.0~1.2 mm 수준이었다. 이는 동 일 분말 분사조건에서 구형의 분말이 흐름성 flowability) 이 더 우수해 더 많은 양의 분말이 노즐에서 분사되었기 때문으로 추측된다. 한편, 구형 분말로 제조된 중간층 위 에 17-4PH 층을 추가로 적층하였다. 이 경우 당초 예상과 달리 적층시 17-4PH의 박리가 발생하였다(그림 6(b)의 빨 간 화살표 지점). 그림 6(c)는 각형의 V 분말을 사용했을 경우 적층부의 단면을 관찰한 SEM사진이다. 기공의 분율 이 매우 낮으며 Ti-6Al-4V 뿐만 아니라 17-4PH와의 접합 부도 매우 건전한 것을 알 수 있다. 특히, 17-4PH쪽의 접 합면은 표면거칠기가 높아 기계적인 체결(Mechanical locking) 효과도 있을 것으로 판단된다. 반면, 그림 6(d)는 구상화 처리된 V 분말이 사용된 경우이다. V층 내부에 기 공의 생성이 매우 심하게 발생한 것이 관찰되었다. 또한, 불완전 용융(Incomplete melting)된 V 분말 입자들도 다수 발견되었다(파란색 화살표). 이러한 불건전한 V층 형성의 17-4PH층의 박리를 유발한 것으로 보인다.

    구상의 V 분말을 활용하여 제조한 중간층 위에서 여러 결함이 발생한 이유는 (1) 구상화 분말에 상대적으로 산소 농도가 높아 V3O16 산화물이 발생하였고 이것이 분말의 용 융을 방해했기 때문으로 보인다[11]. 또한, (2) 비교적 두꺼 운 중간층 형성으로 내부에 상대적으로 높은 수준의 잔류 응력이 발생하여 균열을 유발하였다[10]. 그림 4-5에서 D 분말의 경우 표면에 V3O16 산화층 형성이 거의 억제된 것 으로 나타났다. 그러나, 그림 5의 SEM-EDX에서 보이듯이 RF-플라즈마의 고온 처리 중 미량의 산소 침입을 완전히 피하기는 어려웠을 것으로 추측된다. 표면에서는 V3O16 산 화층의 분율이 낮아 XRD에서는 검출되지 않은 것으로 보 인다. 적층공정 중 추가로 유입되는 산소로 인해 플라즈마 처리된 분말을 활용한 중간층에서는 바나늄 산화물 생성이 보다 촉진되었고 이것이 17-4PH의 박리를 유발했을 것으 로 사료된다. 보다 우수한 경사기능소재 제조를 위해서는 (1) V의 플라즈마 구상화 공정 중 산소 유입을 최대한 억 제하고 (2) AM공정 중 분말공급량을 정밀히 제어하여 중 간층 두께를 적정 수준으로 낮추어야 할 것으로 보인다.

    4. 결 론

    본 연구에서는 RF-플라즈마 공정을 활용하여 각형의 바 나늄 분말을 구형의 분말로 제조하는 기초연구를 수행하 였으며 이를 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.

    • (1) 각형의 바나늄 분말들은 RF-플라즈마 공정을 통해 평균 입도 100 μm 수준으로 균일하게 구상화 처리 될 수 있었다. 휘발되거나 미분화 되어 사라진 분말의 양은 전체 의 5% 수준으로 매우 적었다.

    • (2) RF-플라즈마 공정 중 바나늄 분말에는 표면산화가 발생하였다.

    • (3) 타이타늄/바나듐/스텐인리스강의 경사기능소재를 적 층 조형 하였다. V 중간층이 각형의 분말로 제조된 경우 17-4PH의 박리없이 건전한 적층이 이루어졌다. 반면, 구 상화 처리된 V 분말이 사용된 경우는 V층에서 기공과 불 완전 용융현산이 관찰되었다. 또한, 17-4PH의 적층시 박 리가 발생하였다. 이러한 결함발생의 주원인은 V 중간층 이 상대적으로 두꺼웠고 플라즈마 공정을 거치면서 V 분 말에 산소농도가 올라갔기 때문으로 추측된다.

    Figure

    KPMI-26-4-305_F1.gif

    (a) Schematic diagram showing the principle of RF-plasma process and (b) photo of RF-plasma machine used in present work.

    KPMI-26-4-305_F2.gif

    Schematic diagram of the deposition process of V and 17-4PH on Ti-6Al-4V block.

    KPMI-26-4-305_F3.gif

    (a, b) Optical and (c, d) SEM images of (a, c) sieved angular powder before spheroidization process and (b, d) spherical powder after RF-plasma process. An inset in figure (d) represents for the powder particle size distribution.

    KPMI-26-4-305_F4.gif

    XRD patterns of V powders after RF-plasma process; (a) powder A (b) powder B, (c) powder C, (d) powder D. A photo in inset shows the color of the powders. The inset shows a photo of the color of the powders.

    KPMI-26-4-305_F5.gif

    SEM-EDX analysis of V powder before and after RF-plasma process. (a) as-received angular powder and (b) RF-plasma processed ‘D’ powder. White arrows indicate the location of impurities.

    KPMI-26-4-305_F6.gif

    Macro photo of additive manufactured samples. (a) interlayer made of angular V powder, (b) interlayer made of spherical V powder. Red arrows indicate the location of delamination. SEM images of the cross-sections of the layer deposited using (c) angular V powder and (d) spherical V powder, respectively. Blue arrows indicate the incomplete melting of powder particles.

    Table

    Chemical composition (in wt.%) of as-received Ti-6Al-4V alloy and 17-4PH powder analyzed by ICP-OES method

    Reference

    1. S. E. Back, K.-H. Noh, J. Y. Park, Y. J. Cho and J. H. Kim: J. Korean Powder Metall. Inst., 25 (2018) 220.
    2. K. Euh, B. Arkhurst, I. H. Kim, H.-G. Kim and J. H. Kim: Met. Mater. Int., 23 (2017) 1063.
    3. B. M. Arkhurst, J.-J Park, C.-H. Lee and J. H. Kim: Korean J. Met. Mater., 55 (2017) 550.
    4. T. Park and J. H. Kim: J. Korean Powder Metall. Inst., 25 (2018) 327.
    5. N. K. Adomako, J. O. Kim, S. H. Lee, K. H. Noh and J. H. Kim: Mater. Sci. Eng., A, 732 (2018) 378.
    6. J. B. Seol, D. Haley, D. T. Hoelze and J. H. Kim: Acta Mater., 153 (2018) 71.
    7. N. K. Adomako, J. O. Kim and J. H. Kim: Mater. Sci. Eng., A, 753 (2019) 208.
    8. N. K. Adomako, S. Noh, C.-S. Oh, S. Yang and J. H. Kim: Mater. Res. Lett., 7 (2019) 259.
    9. B. M. Arkhurst and J. H. Kim: Met. Mater. Int., 24 (2018) 464.
    10. S. Yang, J.-N. Gwak, J.-Y. Yun, J.-Y. Kim, S. Park, H.-S. Kim, Y.-J. Kim and Y.-H. Park: J. Korean Powder Metall. Inst., 20 (2013) 467.
    11. S. K. Everton, M. Hirsch, P. Stravroulakis, R. K. Leach and A. T. Clare: Mater. Des., 95 (2016) 431.