최종 포스트로서의 텀블 마무리의 효율성

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 4602(2023) 이 기사 인용

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레이저 분말층 용융 AlSi10Mg 샘플의 피로 성능에 대한 내부 및 표면 결함의 악영향을 완화하기 위해 쇼트 피닝 및 열처리 후 최종 단계로 텀블 마무리를 결합한 하이브리드 후처리가 개발되었습니다. V-노치 AlSi10Mg 샘플의 미세 구조, 표면 형태 및 거칠기, 경도, 잔류 응력, 다공성 및 회전 굽힘 피로 거동에 대한 각 후처리의 효과를 개별적으로 그리고 시너지적으로 조사했습니다. 결과는 텀블 마무리가 건조 상태 및 열처리 상태에 비해 표면 거칠기를 28% 및 32% 크게 감소시키는 동시에 추가 표면층 경화 및 압축 잔류 응력을 유도할 수 있음을 보여줍니다. 열처리 + 숏 피닝 + 텀블 마감의 하이브리드 후처리를 통해 준공 시리즈에 비해 샘플의 피로 수명을 500배 이상 크게 늘렸습니다.

널리 사용되는 AM(적층 가공) 기술인 레이저 기반 금속 분말층 융합(PBF-LB/M)은 복잡한 형상의 부품 제조에 상당한 관심을 불러일으켰습니다1,2,3. 그러나 PBF-LB 재료는 층별 용융 및 응고 과정에서 복잡한 열물리 현상으로 인해 내부 및 표면 결함이 여러 개 있는 것으로 알려져 있습니다4,5,6. 준공된 재료는 불균일한 미세 구조7, 갇힌 가스에 의해 형성된 다양한 유형의 다공성, 융합 부족 및 키홀 효과8,9,10, 인장 잔류 응력11,12 및 표면 불규칙성13을 특징으로 합니다. 표면 결함의 주요 원인은 녹지 않거나 부분적으로 녹은 분말, 스패터 및 볼링 결함의 형성과 관련이 있습니다. 이러한 결함은 마모, 긁힘, 내식성 및 피로 거동과 같은 PBF-LB 재료의 성능에 잠재적으로 영향을 미칩니다. 일반적으로 표면 결함은 국부적인 응력 집중 영역으로 작용하여 초기 균열 핵생성을 유발하여 피로 파괴2,20,21,22를 유발합니다. 따라서 이러한 문제를 극복하고 PBF-LB 재료의 기계적 특성과 관련된 문제를 해결하기 위해 다양한 후처리 방법이 제안되었습니다.

후처리 방법을 다루는 데 있어 열처리(HT)는 일반적으로 PBF-LB 재료의 내부 결함 중 일부를 조절하는 데 사용됩니다. HT는 미세 구조를 균질화하여 이방성을 제거하고 잔류 응력을 해제하도록 설계할 수 있습니다. 또한 PBF-LB 재료의 연성 및 신율은 적절한 HT를 통해 향상되어 향상된 피로 거동을 보장할 수 있다고 보고되었습니다.

재료 제거 없이 표면 결함을 조절하기 위한 후처리를 고려하면, 쇼트 피닝(SP)28,29,30, 초음파 피닝(UP)31, 캐비테이션 피닝(CP)32,33, 심한 진동 피닝과 같은 피닝 기반 표면 처리( SVP)34 및 레이저 충격 피닝(LSP)35,36,37은 표면 불규칙성을 고도로 제거하고 완성된 재료의 표면 형태를 균질화할 수 있습니다. 또한, 위에서 언급한 많은 후처리는 현저한 표면층 결정립 미세화와 높은 압축 잔류 응력을 유도하여 피로 거동 향상에 기여할 수 있습니다. 예를 들어, Almen 강도가 10A[0.001인치]이고 강철 매체를 사용하여 100% 적용 범위를 갖는 SP 공정으로 표면에 심한 소성 변형을 적용하면 PBF-LB AlSi10Mg 샘플의 표면 거칠기가 Ra30 기준으로 9μm에서 4.5μm로 감소했습니다. 70MPa 인장 응력의 준공 상태와 비교하여 감소된 표면 형태, 표면 경화 및 최대 압축 잔류 응력(최대 -155MPa)의 결합 효과로 인해 준공 상태의 36MPa에서 176MPa로 피로 강도가 크게 향상되었습니다. SP 처리 후 MPa. 또 다른 연구에서는 PBF-LB AlSi10Mg에 주파수 17kHz, 전력 1000W, 진폭 80μm의 UP를 적용한 결과 기공률이 현저하게 감소하고 표면 경화가 나타났으며 초기 인장에 비해 높은 표면 압축 잔류 응력이 유도되었습니다. 현저한 내식성 향상으로 이어지는 응력31. V-노치 PBF-LB AlSi10Mg 샘플에 4.5 J의 레이저 빔 에너지, 9 GW/cm2의 레이저 에너지 밀도 및 50%의 펄스 중첩을 갖는 LSP를 적용하면 기존 샘플에 비해 최대 380 μm 깊이까지 상당한 기공 폐쇄가 나타났습니다. 빌드된 상태입니다. 노치 루트 영역의 Ra 기준 초기 표면 거칠기는 LSP 적용 후 4.34μm에서 3.98μm로 감소되었습니다. 또한 초기응력 -11~-178MPa에서 25%의 표면경화와 압축표면잔류응력이 유도되어 준공상태에 비해 피로수명이 최대 약 200배 향상되는 것으로 나타났다.