레이저 적층 방식으로 형성된 에피택셜 Ni의 미세 구조 구배에 대한 싱크로트론 연구

Scientific Reports 5권, 기사 번호: 14903(2015) 이 기사 인용

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레이저 적층 성형은 단결정 Ni 기반 초합금 부품을 수리하여 수명을 연장하고 비용을 절감하는 유망 기술 중 하나로 간주됩니다. 단결정 특성의 보존과 열적 기계적 고장 방지는 이 기술을 적용하는 데 가장 중요한 두 가지 문제입니다. 여기에서는 싱크로트론 X선 미세 회절을 사용하여 동일한 재료의 단결정 기판에 뿌리를 둔 레이저 적층 공정으로 직접 형성된 Ni 기반 초합금 DZ125L의 결정 방향 및 결함 분포 측면에서 품질을 평가합니다. 우리는 기하학적으로 필요한 전위의 고밀도와 그에 따른 하위 입자로 인한 방향 감각 상실 구배가 에피택셜 입자와 이탈 입자 사이의 계면 영역에 존재함을 보여줍니다. 이는 표유 입자 형성과 결함 축적의 잠재적인 관계를 생성합니다. 이번 관찰은 레이저 적층 가공 초합금의 성능 제어 및 신뢰성 연구에 대한 새로운 방향을 제시합니다.

단결정 Ni 기반 초합금은 항공기 엔진 및 발전 시스템용 가스 터빈 블레이드, 블리스크 및 베인 씰 세그먼트를 제조하는 데 광범위하게 사용되었습니다1,2,3. 결정립계가 없기 때문에 고온, 진동, 부식, 크리프 파열과 같은 가혹한 조건에 노출되었을 때 뛰어난 성능을 발휘합니다4. 이러한 고가의 단결정 블레이드 또는 베인의 서비스 수명을 연장하고 전체 비용을 줄이려면 Ni 기반 초합금의 단결정 특성을 보존하면서 새로운 수리/재형성 기술이 필요합니다5. 현재 가장 유망한 기술 중 하나는 3D 프린팅, 레이저 금속 직접 성형 또는 적층 제조라고도 알려진 레이저 적층 성형입니다6,7. 레이저 적층 성형을 통한 수리 공정에서는 기판의 제어된 레이저 가열에 의해 형성된 용융 풀에 금속 분말이 주입됩니다. 공정 매개 변수를 조절함으로써 단결정 Ni 기반 초합금의 재형성 및 제조는 기판과의 에피택시에서 방향성 응고를 통해 실현될 수 있습니다8,9. 에피택셜 절차에는 주로 온도 구배와 응고 속도에 따라 달라지는 우선적인 원주형 수지상 성장이 포함됩니다. 그러나 응고 동역학의 영향으로 인해 우선 배향이 실제 성장의 축 방향에서 벗어나는 경우가 있어 레이저 직접 성형 시 기판 및 에피택셜 결정립과 결정 방향이 다른 표유 결정립이 형성되는 경우가 있습니다. 프로세스10,11. 레이저 적층 성형에 대해 답해야 할 두 가지 주요 질문은 단결정 특성을 얼마나 잘 보존할 수 있는지와 열간 균열과 같은 열 효과를 얼마나 효과적으로 피할 수 있는지입니다5,9. 따라서 에피택셜 성장 품질의 주요 지표 매개변수인 레이저 증착 층과 기판 사이의 방향 감각 상실과 레이저 직접 형성 재료의 결함 밀도를 철저히 조사하고 외부 열 및 기계적 부하에 대한 재료 저항을 결정하는 것이 중요합니다.

이전 문헌에서는 광학 및 주사 전자 현미경을 사용하여 에피택셜 및 떠돌이 입자의 형태가 관찰되었습니다. 결정 방향은 다양한 Ni 기반 초합금8,9,12에 대한 전자 후방 산란 회절(EBSD)을 사용하여 특성화되었습니다. 선택한 회절 지점 주변의 고해상도 X선 회절(HRXRD) 및 상호 공간 매핑(RSM)도 레이저 증착 층과 기판의 방향 감각 상실, 모자이크성 및 격자 불일치를 연구하는 데 사용되었습니다. 그러나 EBSD의 프로브 깊이와 HRXRD 및 RSM의 열악한 공간 분해능(보통 수백 마이크론 또는 심지어 밀리미터 규모), 특히 기판에서 레이저 증착 층의 방향 및 결함 분포 및 기울기로 인해 제한됩니다. 떠돌이 곡물 지역은 정량적으로 특성화하기가 쉽지 않습니다. 이 기사에서는 첨단 가스 터빈 엔진에 적용하기 위해 중국에서 설계된 레이저 적층 성형 DZ125L Ni 기반 초합금을 연구하기 위해 싱크로트론 기반 백색 빔 X선 Laue 미세 회절(μXRD)을 사용했습니다. 미크론 규모의 공간 분해능, 높은 방향 분해능 및 고에너지 X선 빔의 상당한 침투 깊이를 활용하여 결정 방향, 입자 경계 분포 및 결함 밀도 구배를 포함한 미세 구조 진화를 심층적으로 연구했습니다. 단결정 기판, 레이저 적층 제조에 의해 직접 형성된 에피택시 원주형 수지상 결정층 및 표유 입자를 포함하는 밀리미터 크기 영역. 에피택시-스트레이 인터페이스 근처에서 높은 밀도의 결함이 검출되었으며, 이는 에피택시-스트레이 전이가 결함 보조 이종 핵생성과 관련될 수 있음을 나타냅니다.

, <110> and <111> crystal directions, respectively. The bulk single crystalline substrate at the bottom of these inverse pole figure maps has its , and [011] directions aligned with the X-, Y- and Z-axis, respectively. This is confirmed by its {100} and {110} pole figures, shown in Fig. 2d,e. Polycrystalline grains, which are oriented nearly randomly as indicated by the pole figures shown in Fig. 2f,g, appear on top of the single crystal. In the polycrystalline region, the grains on the right side, which are closer to the edge of the specimen, are as narrow as 10–20 μm in the X-direction but elongated to up to 80 μm in Y-direction, while most of the grains farther away from the specimen edge are nearly equiaxed, with grain size ranging from 20 to 60 μm. Applying the approached developed previously16, we found that most of grain boundaries in this area are ordinary high angle ones, while twinning structures are only detected in a few grains./p>