DC 열플라즈마 토치를 이용한 티타늄 가공칩으로부터 구형 티타늄 분말 제조 = Preparation of spherical titanium powders from titanium machining chips by using DC thermal plasma torch

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 실험실 규모의 티타늄 스크랩을 분쇄 하는 기계적 밀링 시스템과, DC 플라즈마 구형화 시스템을 설계 제작하였다. 설계 제작된 기계적 밀링 시스템과 DC 플라즈마 구형화 시스템은, 분말 주입을 위한 분말 공급기, 역극성 공동형 DC 플라즈마 토치, DC 전원 공급기, 원통형 급냉 챔버로 구성 되었으며, 리액터 후단에, 수집 챔버, 메탈 필터, 열교환기, 팬을 사용하였다.
설계된 기계적 밀링 시스템은 로터리 커터밀, 행성 볼밀 장비로 구성 되었으며, 로터리 커터밀 장비를 사용해 다양한 크기 및 길이를 가진 티타늄 스크랩을 mm 크기의 칩으로 절단 하였다. mm 크기로 절단된 티타늄 칩은 행성 볼밀 장비에서 밀링 되었으며, 해당 조건으로 mm 크기의 티타늄 칩은 수십~수백 마이크로 미터 크기의 티타늄 분말을 제조하였다. 또한 제조된 수십~수백 마이크로 미터 크기의 티타늄 분말은 체 분리를 통해 분류 하여 50 um급, 80 um급 크기의 티타늄 분말을 수집하였다.
설계 된 DC 플라즈마 구형화 시스템은 구리 전극의 침식을 최소화하기 위해 선택된 아크전류 70 A에서 11.4 kW의 전력을 제공하며, 100 m/s의 플라즈마 제트 속도, 10 mm의 플라즈마 제트 길이를 제공한다. 집중용량법에 기반한 간단한 계산 결과 50um 및 80um 크기의 티타늄 분말은 각 0.08 ms, 0.2 ms의 체류시간이 필요하며, 설계된 DC 플라즈마 토치 시스템은 약 1 ms의 체류시간을 제공한다.
해당 출력 범위와 Gas-1 70 lpm, Gas-2 20 lpm 총 90 lpm, 아르곤과 헬륨 분위기에서 실험을 진행 하였다. 그 결과 설계된 DC 플라즈마 토치 시스템은 약 6000 K의 온도를 가지는 플라즈마 제트를 생성하며, 스크랩으로부터 제조된 50 um급 크기를 가지는 티타늄 분말을 60 g/hr의 조건에서 성공적으로 구형화시키는 것을 확인하였다.
하지만 80 um급 크기를 가지는 티타늄 분말은 60 g/hr 조건에서 구형화 되지 않는 것을 확인하였으며, 이는 플라즈마 속도의 증가 없이 길이와 폭이 대폭 증가할 필요가 있음을 시사한다.
또한, XRD, EDX의 분석을 통해 제조된 구형 티타늄 분말의 산소와 구리에 대한 오염을 확인하였다. XRD에서는 순수 티타늄의 주요 피크만 관찰 되어 분말의 결정성의 변화는 관찰되지 않았다. EDX에서는 산소가 검출 되었지만, 구형화 공정 이후 산소가 감소하는 경향을 보이는 것을 확인 할 수 있다. 이는 티타늄 분말이 가열 및 용융되며 표면의 산화층에 영향을 주어 산소가 감소하는 것으로 판단된다. 또한, 구리는 구형화된 티타늄 분말에서 검출 되지 않았으며, 이는 저전류-고전압운전 특성이 가능한 역극성 공동형 DC 플라즈마 토치를 사용하여 구리 전극의 침식을 최소화 하였기 때문이다.
따라서 설계된 기계적 밀링 공정을 사용하여 티타늄 스크랩을 수십~수백 마이크로 미터 크기의 티타늄 분말로 제조하고, 50um급 크기를 가지는 티타늄 분말에 대해 60 g/hr 조건에서 성공적으로 구형 티타늄 분말이 생산 되는 것을 확인하였다. 따라서 본 연구에 사용된 자체 제작된 DC 플라즈마 구형화 시스템은 AM 공정에 사용될 구형 티타늄 분말의 제조에 새로운 경로를 제공하는 시스템으로서 사용될 수 있을 것이라 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 표 목 차 ⅱ
• 그 림 목 차 ⅲ
• 요 약 문 Ⅴ
• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 절 티타늄 소재와 적층 제조 공정의 특징 1
• 1.2 절 플라즈마 구형화 기술 및 연구 동향 1
• 제 2 장 실험장치의 구성 및 실험 조건 4
• 2.1 절 DC 플라즈마 구형화 시스템의 이론적 배경 4
• 2.2 절 구형화를 위한 DC 플라즈마 토치 시스템의 구성 7
• 2.3 절 기계적 밀링을 통한 티타늄 가공칩의 미립자화 11
• 2.4 절 실험 조건 15
• 제 3 장 실험 결과 및 고찰 17
• 3.1 절 50 um 급 티타늄 분말의 구형화 실험 결과 및 특성 분석 17
• 3.2 절 50 um 급 티타늄 분말의 주입속도가 구형화에 미치는 영향 21
• 3.3 절 80 um 급 티타늄 분말의 구형화 실험 결과 24
• 제 4 장 결 론 26
• 참 고 문 헌 28
• 초 록 32