지향성 에너지 증착 SS316l의 인쇄성 및 미세구조

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 16600(2022) 이 기사 인용

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본 논문에서는 SS316L-IN718 다중 재료의 지향성 에너지 증착에서 적층 제조-미세 구조-특성의 상호 연관된 측면을 수치 모델링 및 실험 평가를 통해 연구했습니다. 이를 위해 인쇄성 개념과 응고 원리가 사용되었습니다. 인쇄 적성 분석에 따르면 SS316L 단면은 망간의 높은 평형 증기압과 초기 층의 더 효율적인 열 손실로 인해 각각 조성 변화와 융합 부족에 더 취약한 것으로 나타났습니다. 그러나 IN718 단면은 마지막 층의 최대 열 변형률이 3.95 × 10-3인 더 큰 용융 풀의 형성으로 인해 뒤틀림이 발생하기 쉽습니다. 공정이 계속됨에 따라 용융 풀의 열 축적 및 확장으로 인해 냉각 속도는 감소하고 과냉각 수준은 증가하며, 이는 각각 실험 결과에서도 관찰된 바와 같이 미세 구조가 더 거칠어지고 구축 방향에서 응고 전면의 불안정성이 더 커집니다. . 차이점은 공융 반응 L → γ + Laves로 인해 IN718 단면의 수지상 미세구조가 SS316L 단면의 세포 미세구조에 비해 더 작은 규모로 형성된다는 것입니다. 또한 냉각 속도의 감소로 인해 각 구간(SS316L의 델타 페라이트, IN718의 Laves)의 2차 상 분율이 거의 선형적으로 증가했습니다. 그러나 경도 계산 및 측정 결과는 SS316L에서 IN718로 전환하더라도 매트릭스의 더 높은 항복 강도와 Laves 금속간 상(~260 HV0.3)의 존재로 인해 경도가 크게 증가한 것으로 나타났습니다. 각 섹션은 초기 층에서 최종 층까지 미세 구조의 조대화로 인해 약간 감소합니다.

요즘에는 많은 엔지니어링 구조물이 여러 재료로 구성됩니다. 하나의 재료로는 다양한 서비스 및 성능 요구 사항을 충족하기 어렵기 때문입니다. 따라서 서로 다른 재료를 함께 사용해야 하는 경우가 많습니다. 이로 인해 공학 과학에서 "다중 재료 구조" 개념이 일반화되었습니다. 따라서 복합재료구조의 역할이 입증되었으며 과거에도 이에 대한 많은 연구가 진행되어 왔다. 그럼에도 불구하고, 한 단계에서 거의 정형에 가까운 복잡한 부품을 통합 생산할 수 있는 능력, 소규모 생산을 위한 비용 효율성, 높은 수준의 맞춤화와 같은 뚜렷한 장점을 지닌 현대 적층 제조(AM) 기술의 발전으로 인해 많은 부분이 제거되었습니다. 기존 제조 방법의 한계를 극복하고 다중 재료 개발 및 연구에 새로운 차원을 열었습니다1,2. 오늘날 AM에서 가장 빠르게 성장하는 분야인 금속 적층 제조 공정의 하위 집합인3, 지향성 에너지 증착(DED) 및 분말층 융합(PBF)은 둘 다 다중 재료 제조에 관심이 있습니다. 그러나 DED는 처리 중에 화학 조성을 변경할 수 있는 유연성이 뛰어나기 때문에 더욱 대중화되었습니다4. 지금까지 수행된 연구에 따르면 DED로 가공된 금속 다중 재료는 합금 유형(주로 Ti, Fe 및 Ni 합금)과 제작 전략(바이메탈, 기능 등급 및 하이브리드 재료)5에 따라 분류될 수 있습니다.

스테인레스강/니켈 기반 초합금 복합 재료는 서비스 요구 사항에 맞게 조정된 비용 대비 성능 균형으로 인해 중요한 에너지 산업에서 가장 널리 사용되는 조합입니다6. 따라서 이러한 문제와 위에서 언급한 AM의 고유 특성을 고려하여 최근 몇 년 동안 이러한 유형의 다중 재료의 적층 제조에 대한 다양한 연구가 수행되었습니다. Lin 등7,8은 SS316L/Rene88DT 등급 재료의 LRF(레이저 급속 성형)에서 미세구조 진화와 상 형성을 연구했습니다. Shah 등9은 SS316L/IN718 등급 구조 개발에 대한 레이저 직접 금속 증착(LDMD) 매개변수의 영향을 조사했습니다. Savitha et al.10은 SS316/IN625 이중 재료의 적층 가공에 관한 연구에서 항복 강도가 항상 더 약한 부품(SS316)과 비슷하다는 것을 관찰했으며, 유사한 연구에서 Zhang et al.11은 항복 강도와 인장 강도를 얻었습니다. 각각 IN625 및 SS316L에 가까운 그래디언트 샘플입니다. Carroll et al.12는 DED에 의해 SS304L 및 IN625로 제작된 등급 구조에서 균열의 원인을 확인하면서 CALPHAD(CALculation of PHAse Diagrams)에 의한 열역학적 모델링을 사용하여 (Mo, Nb)C 형태의 금속 단탄화물의 역할을 입증했습니다. 방법. Su 등13은 SS316L/IN718 기능 등급 재료의 레이저 적층 가공에서 다양한 구배 구성의 효과를 조사했습니다. 그들은 10%의 조성 변화 단계에서 기계적 특성(527.05MPa의 인장 강도 및 26.21%의 연신율)의 최상의 조합이 얻어졌다고 보고했습니다. 또 다른 연구에서 Kim et al.14은 세라믹 산화물에 의해 영향을 받는 SS316L/IN718 구조의 특정 화학 조성 범위에서 결함(기공 및 균열)의 형성이 발생하고 금속간 화합물 및 탄화물 화합물 방향으로의 후속 전파가 발생한다는 것을 관찰했습니다. 더욱이, 결정립계에 집중된 열 및 잔류 응력은 이러한 결함의 형성을 악화시켰습니다.