인코넬 825에 대한 기계적, 미세구조 및 파괴 연구

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 5321(2023) 이 기사 인용

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이 논문은 기능적으로 등급이 매겨진 Inconel 825-SS316L 벽을 제작하기 위해 냉간 금속 전사 기반 와이어 아크 적층 제조 공정을 사용하는 새로운 방법을 제시합니다. Inconel 825의 광학 현미경 사진은 연속적이고 불연속적인 수지상 구조를 나타냅니다. SS316L 영역은 1차 오스테나이트(γ) 수상돌기에서 5%의 δ-페라이트로 구성되어 있으며 이는 Creq/Nieq 비율 1.305로 확인되었습니다. 기능적으로 등급이 매겨진 인터페이스는 길쭉한 수상돌기에서 미세한 등축 수상돌기로 전환되는 부분적으로 혼합된 영역을 나타냅니다. 제작된 벽의 인장 특성은 Inconel 825, SS316L 및 경계면 영역에서 추출한 시편을 사용하여 실온에서 결정되었습니다. 인장 시험된 시편의 형태는 상당한 소성 변형을 보여 연성 파괴를 나타냅니다. 벽의 파괴인성은 CTOD(Crack Tip Open Displacement) 테스트를 사용하여 실험적으로 조사되었습니다. 균열 형태는 균열 발생 방향에 수직인 줄무늬가 있는 연성 파괴 모드를 나타냅니다. 원소 매핑을 통해 파괴된 표면에 원소 분리의 증거가 없으며 원소가 균일하게 분산되어 있음이 나타났습니다. CTOD는 Inconel 825 측과 SS316L 측에서 각각 0.853mm, 0.873mm를 측정합니다. 테스트 결과는 인코넬 825와 SS316L 측면 모두 우수한 파괴인성을 갖고 있음을 확인시켜 줍니다.

역사를 통틀어 재료를 이해하고 조작하는 능력은 기술 발전에 매우 중요했습니다. 오늘날의 과학자와 엔지니어들은 경제와 환경 측면에서 새로운 소재의 가치를 이해하고 있습니다. FGM(기능 등급 재료)은 요소 구성의 지속적인 변화를 나타내는 부품의 정교하고 매우 기능적인 영역으로, 결과적으로 새롭고 맞춤형 기계적 또는 열적 특성을 제공합니다1. 항공우주, 해양, 원자력 공학, 고온 보호 코팅 등 다양한 응용 분야에 적합한 향상된 특성을 지닌 재료를 개발할 수 있는 능력으로 인해 FGM에 대한 관심이 크게 높아졌습니다2. 크기와 구조적 특성은 경사 재료를 분류하는 데 사용할 수 있는 두 가지 요소입니다. 그라데이션은 부피가 크거나 얇은 단면(예: 표면 코팅)일 수 있으므로 별도의 처리 기술이 필요합니다. 구조에 따라 연속형과 불연속형의 두 그룹으로 구분됩니다. 불연속적인 구배를 갖는 재료에서는 미세구조나 화학적 조성이 점진적으로 변하며, 경계면은 일반적으로 인식 가능하고 관찰 가능합니다. 반대로, 연속 구배를 갖는 재료에서는 화학적 조성이나 미세 구조가 위치에 따라 지속적으로 변경되므로 구배 구조를 가로지르는 경계면으로 뚜렷한 경계를 인식하는 것이 거의 불가능합니다3.

최근 많은 연구자들이 금속 기반 FGM에 중점을 두고 있습니다. Sobczak et al.4는 금속 기반 FGM의 기본 제조 공정에 대해 논의했습니다. Domack 등5은 인코넬 718-Ti-6Al-4V FGM을 생성하기 위해 세 가지 독특한 제조 기술을 사용했습니다. 레이저 직접 금속 증착 샘플은 주목할만한 원소 분리와 거친 수지상 미세 구조를 보였다고 보고되었습니다. 냉간 금속 전사 용접을 사용하여 Tian et al.6은 서로 다른 Ti-6Al-4 V 및 AlSi5 합금의 기계적 및 미세 구조적 거동을 조사하고 인터페이스 층에서 균열을 발견했습니다. 이는 Al과 Ti 사이의 합금 수축 차이로 인해 계면층에서 시작되어 Al 쪽으로 확장되었습니다. Niendorf 등7은 선택적 레이저 용융(SLM)이 다양한 국지적 기능을 갖춘 스테인리스강 부품을 만드는 데 사용된다고 보고했습니다. 그들은 가파른 미세구조적 구배가 뚜렷한 국소적 기계적 특성을 가져온다는 것을 발견했습니다. Inconel 625 및 SS304L에서 FGM을 제조하는 데 지향성 에너지 증착이 사용될 수 있으며 이러한 재료의 특성과 열역학적 모델이 Carroll et al.8에 의해 조사되었다는 것이 입증되었습니다. 인코넬 합금은 가공 중에 경화되고 절삭 공구에 부착되는 경향이 있기 때문에 작업하기가 어렵습니다9,10. Inconel825와 SS316L은 크롬 함량이 높은 오스테나이트 소재로 고온 부식에 대한 저항성이 뛰어납니다11. 이 두 재료의 융합 용접 중에 응고 균열이 발생할 수 있습니다. 이 문제를 방지하기 위해 CMT(냉간 금속 이송) 기반 WAAM 프로세스를 사용할 수 있습니다12. CMT 공정은 오스트리아 Fronius International이 2004년에 개발한 수정된 가스 금속 아크 용접 공정입니다. 이름에서 알 수 있듯이 CMT 기반 WAAM은 벽을 제작하기 위해 매우 작은 열 입력으로 용융 금속을 이송하는 공정입니다. 스마트 자동화 시스템과 컨트롤러가 내장된 용접 헤드는 필러가 접촉할 때 용융 풀에서 필러를 끌어당겨 용융 금속을 기계적으로 전달함으로써 관련 열량을 줄입니다. 또한 냉각 속도를 높이기 위해 기판 홀더 아래에 알루미늄으로 만들어진 핀과 송풍기가 설치됩니다. 이는 인쇄된 부품의 품질을 향상시킵니다. 또한 CMT 기반 WAAM 프로세스는 흔들리지 않는 아크, 향상된 프로세스 안정성 및 제한된 희석을 제공합니다13. 따라서 CMT 기반 WAAM은 높은 증착 속도로 인해 대량 생산 가능성이 엄청난 고도로 전문화된 적층 제조 공정으로, 다른 적층 제조 공정보다 빠른 제작이 가능합니다.