탄탈륨과 탄탈륨 합금은 높은 밀도, 내식성, 우수한 고온 강도, 뛰어난 가공성, 낮은 연성-취성 전이 온도와 같은 탁월한 특성을 지니고 있습니다. 주로 고온 구조 재료 및 내식 재료에 사용되며, 항공우주 및 화학 산업에서 널리 활용됩니다. 탄탈륨과 탄탈륨 합금은 분말 야금 또는 제련 공정과 전통적인 기계 가공 방법을 결합하여 부품으로 성형됩니다.
급속도로 발전하는 오늘날의 재료 과학 분야에서는 첨단 금속 재료에 대한 요구가 더욱 높아지고 있습니다. 극초음속 항공기, 원자력 산업의 열전도 부품, 고온 엔진, 가스 터빈과 같은 응용 분야에서는 효율과 안정성을 향상시키기 위해 더 높은 작동 온도가 요구됩니다. 그러나 코발트계 및 니켈계 합금과 같은 기존의 고온 합금은 성능 한계에 거의 도달하여 고온 응용 분야의 요구를 충족하기에 부족합니다. 내화 금속 및 그 합금은 높은 강도, 높은 융점, 고온 산화 저항성 등의 특성을 지니고 있으며, 특히 1500℃ 이상의 고온 환경에서도 높은 강도와 내식성을 유지합니다. 이러한 특성으로 인해 내화 금속은 고온 환경용 신소재로서 가장 유망한 소재로 여겨집니다. 내화 금속 중에서도 탄탈륨-니오븀 합금은 제조가 가장 까다로우면서도 성능의 균형이 가장 잘 잡혀 있어 다양한 고온 열전도 장치에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 그러나 중국에서 이 분야의 연구는 아직 초기 단계에 머물러 있습니다.
내화 금속 및 그 합금은 주로 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈륨, 니오븀 및 이들의 합금을 지칭합니다. 이들은 2000℃ 이상의 융점을 가지며 고온 산화 및 부식에 대한 저항성이 우수합니다. 현재 가장 많이 연구되는 내화 금속 재료는 일반적으로 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈륨, 니오븀 및 텅스텐 합금과 같은 원소입니다. 그러나 내화 금속은 높은 융점과 강도로 인해 가공 및 용접이 어려워 실제 적용에 한계가 있습니다. 적층 제조 기술의 발전과 보급으로 복잡한 금속 부품을 성형할 수 있게 되면서 탄탈륨-니오븀 합금의 응용에 새로운 가능성이 열렸습니다. 하지만 적층 제조 기술은 원료의 특성과 적층 공정 매개변수에 대한 요구 조건이 높습니다.
탄탈륨-니오븀 합금은 적층 제조 과정에서 온도 변화에 민감하기 때문에 열전도율이 우수한 티타늄 합금 기판을 사용하면 성형 부품의 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있습니다. 티타늄 합금 기판은 바람직한 실시예일 뿐이며, 당업자는 유사하게 우수한 열전도율을 가진 다른 기판을 사용할 수 있습니다.
탄탈륨-니오븀 합금 부품 제조 방법에 따르면, 레이저 적층 제조를 이용하여 분말을 성형하기 전에 기판과 분말을 예열한다. 연구 결과에 따르면 예열 온도가 높을수록 적층 제조 과정에서 발생하는 변형 및 균열이 줄어든다. 탄탈륨-니오븀 합금 부품 제조 방법의 바람직한 실시예에서, 분말과 기판은 200℃ 이상으로 예열된다. 예열 온도의 상한은 장비, 적층 제조용 분말의 융점, 그리고 기판의 융점을 고려하여 결정할 수 있다. 예열 온도는 장비의 허용 오차 범위, 분말의 융점, 또는 기판의 융점을 초과해서는 안 된다. 바람직한 실시예에서, 기판의 예열 온도는 200℃~500℃이다. 레이저 적층 제조의 스캐닝 출력은 300W 이상이다. 바람직한 실시예에서, 레이저 적층 제조의 스캐닝 출력은 300W~360W이다.
순수 탄탈륨의 높은 가격 때문에 실제 응용 분야에서는 비용을 고려하여 탄탈륨에 일정량의 니오븀을 합금 원소로 첨가한다. 탄탈륨과 니오븀은 서로 무한히 용해되는 원소이므로 니오븀 함량을 증가시키면 재료 비용을 절감하면서도 재료 성능이 요구 사항을 충족하도록 할 수 있다. 그러나 연구 결과에 따르면 니오븀 함량이 지나치게 높으면 가공 성능과 합금 제품의 전반적인 성능에 심각한 영향을 미칠 수 있다. 본 발명에 따른 방법으로 고성능 분말 재료를 제조하기 위해서는 Ta40Nb60과 Ta80Nb20 사이의 조성, 더욱 바람직하게는 Ta55Nb45와 Ta65N35 사이의 조성이 가장 유리한 것으로 연구 결과가 나타났다.
탄탈륨과 니오븀의 높은 융점 때문에, 탄탈륨-니오븀 합금 분말의 제조 방법은 아크 용융 또는 전자빔 용융을 이용하여 합금 잉곳을 용융시켜 탄탈륨-니오븀 합금 잉곳을 제조하는 것이 바람직하다. 이 잉곳은 수소화 처리를 거친다. 탄탈륨-니오븀 합금 분말 제조 방법의 한 단계에서, 수소화 방법은 가압 및 가열을 통해 얻은 고온 수소 분위기를 이용하여 잉곳을 수소화하는 것을 포함한다.
탄탈륨-니오븀 합금 분말 제조 방법에서 고온 수소 분위기는 300°C 이상의 온도를 갖는 수소 분위기를 의미한다. 더욱 바람직하게는, 고온 수소 분위기는 340°C 이상의 온도를 갖는 수소 분위기를 의미한다. 목적은 탄탈륨-니오븀 합금을 수소화하는 것이지만, 수소화 분쇄 장비의 요구 사항에 따라 고온 저압 방식도 수소화 분쇄에 사용할 수 있다. 탄탈륨-니오븀 합금 분말 제조 방법의 2단계에서, 바람직한 방법은 물리적 분쇄를 통해 초기 분쇄된 수소화 탄탈륨-니오븀 합금 분말을 얻은 후, 유동 밀링을 이용하여 추가 분쇄하는 것이다.
탄탈륨-니오븀 합금 분말 제조 방법의 2단계에서는 입자 크기가 10~60 마이크로미터인 탄탈륨-니오븀 합금 분말을 얻는다. 수소화 탄탈륨-니오븀 합금 분말의 플라즈마 처리는 원료 분말을 DC 플라즈마 구상화 장치에 투입하는 것을 포함한다. 공급 속도와 공급 튜브 길이를 조절함으로써, 수소화 분말은 고온 DC 플라즈마를 이용하여 탈수소화 및 구상화됩니다. 그런 다음 분말을 재용융시키면 용융물의 표면 장력에 의해 구형으로 응고됩니다. 플라즈마 처리는 DC 층상 플라즈마 구상화와 고압 가스 냉각을 결합한 방식입니다. 고온 플라즈마와 상온 불활성 가스 냉각의 조합은 분말의 구상화 속도를 극대화하는 동시에 기화 과정에서 생성되는 나노 입자를 줄여 제품 품질을 향상시킵니다.
