레이저 분말층 융합으로 가공된 준안정 CrMnNi 강철: 미세 구조, 특성 및 잔류 응력에 기여하는 기본 메커니즘에 대한 실험적 평가

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 21862(2022) 이 기사 인용

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레이저 기반 금속 분말층 융합(PBF-LB/M) 공정에 의해 부과된 복잡한 열 이력은 독특한 미세 구조의 진화를 촉진하는 것으로 알려져 있습니다. 본 연구에서는 PBF-LB/M을 사용하여 니켈 함량이 다르고 상 안정성이 다른 준안정 CrMnNi 강을 제조했습니다. 결과는 적절한 재료 선택을 통해 최종적으로 열적 후처리를 중복할 수 있도록 실제 재료의 기계적 특성과 잔류 응력 상태를 맞춤화할 수 있음을 분명히 보여줍니다. 화학적 차이로 인해 준공 조건에서 서로 다른 상 구성이 발생하므로 미세구조 진화와 변형 시 기본 변형 메커니즘(예: 쌍정 및 마르텐사이트 변태)에 영향을 미칩니다. 적층 제조(AM)용으로 설계된 이러한 합금은 응력 완화 및 열간 등압 성형과 같은 후처리를 수행하지 않고도 제한된 손상 내성, 다공성 및 유해한 잔류 응력 상태와 같은 AM의 잘 알려진 문제를 해결할 수 있는 가능성을 강조합니다. AM 부품의 견고한 설계 관점에서 볼 때 실제로 AM의 공정 특성에 재료를 적용하는 것은 매우 효과적인 접근 방식인 것 같습니다.

지난 10년 동안 레이저 기반 금속 분말층 융합(PBF-LB/M)(레이저 분말층 융합(LPBF) 또는 선택적 레이저 용융(SLM)이라고도 함)과 같은 적층 가공(AM) 공정이 발전했습니다. 프로토타입부터 직접 제조까지만 사용되는 기술입니다. 전례 없는 디자인의 자유로움과 결합된 레이어별 구축은 항공우주 및 의료 공학과 같은 많은 산업 분야에서 매력적입니다. 특히 도구가 필요 없는 제조는 장점입니다. 예를 들어 개별화 측면에서 소규모 배치 생산 및 고급 토폴로지 최적화는 경량 부품에 가장 중요합니다1.

PBF-LB/M 공정의 공정 고유 냉각 조건과 용융 풀 역학은 종종 고유한 미세 구조를 초래합니다. 그러나 유리한 특징에는 일반적으로 해로운 잔류 응력과 다공성과 같은 재료 결함이 수반됩니다2,3,4. 높은 응력은 작은 용융 풀 크기와 높은 냉각 속도로 인해 발생할 수 있습니다. 다공성은 종종 부적절한 공정 매개변수 조합으로 인해 발생하거나 분말 자체에 의해 발생할 수 있습니다. 다양한 산업 부문에 따라 티타늄 합금 Ti6Al4V, 니켈 기반 초합금 인코넬 718(IN718) 및 오스테나이트 스테인리스강 316L이 수많은 연구의 초점이 되었으며 관련 공정 특성 관계가 자세히 연구되었습니다5,6,7,8. 지난 몇 년간 AM 기술로 가공된 합금의 범위는 알루미늄 합금, 공구강, 심지어 스마트 재료까지 빠르게 확장되어 연구의 초점이 되었습니다9,10,11,12,13. AM 금속은 기존에 제조된 금속과 다른 기계적 특성(예: 강도 증가 또는 영률의 변화)을 특징으로 할 수 있습니다14,15. PBF-LB/M 공정에서 316L 유형 합금의 미세 구조는 거친 입자로 발전하는 경향이 있습니다. 주로 빌드 방향(BD)으로 늘어나는 이러한 입자는 선호하는 결정학적 방향의 개발로 이어져 결국 이방성 기계적 특성을 초래합니다. 이러한 이방성 미세 구조의 개발은 주로 방향성 열 흐름, 에피택셜 응고/성장 및 급속 냉각뿐만 아니라 냉각 공정 내 상 변형이 없기 때문입니다. 유사한 미세구조적 진화, 즉 거친 입자와 강한 질감이 PBF-LB/M 및 금속의 전자빔 분말층 융합(PBF-EB/M)으로 처리된 IN718에서도 나타났습니다18,19. 거친 입자를 가진 오스테나이트 강철은 일반적으로 강도를 희생하면서 높은 연성을 나타냅니다. 그러나 적층 가공으로 제조된 316L은 기존 방식으로 제조된 제품에 비해 높은 연성과 함께 훨씬 더 높은 항복 강도(YS)를 나타냅니다. 이는 Hall-Petch 관계에 따라 결국 강도가 증가하는 서브그레인 구조에 기인합니다. 따라서 PBF/LB-M은 강도-연성 균형을 극복하기 위한 유망한 프로세스를 나타냅니다.