적층 가공된 티타늄 합금의 상 및 특성 이질성에 대비한 설계

Nature Communications 13권, 기사 번호: 4660(2022) 이 기사 인용

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적층 제조(AM)는 재료를 연속적으로 추가하여 디지털 설계 부품을 생성합니다. 그러나 본질적인 열 순환으로 인해 AM으로 생산된 금속 부품은 거의 필연적으로 공간적으로 종속적인 위상 및 기계적 특성의 이질성 문제를 겪게 되며, 이로 인해 예측할 수 없는 서비스 오류가 발생할 수 있습니다. 여기에서는 레이저 분말층 융합으로 제조된 티타늄 합금에서 이 문제를 극복하기 위한 시너지 효과가 있는 합금 설계 접근 방식을 보여줍니다. 우리 접근 방식의 핵심은 순수 티타늄 분말과 산화철(Fe2O3) 나노입자를 결합하여 Ti-6Al-4V(중량%)의 현장 합금화입니다. 이는 소량의 Fe를 도입하면서 V 농도를 희석하여 상 이질성을 현장에서 제거할 수 있을 뿐만 아니라 산소 용질 강화를 통해 강도 손실을 보상합니다. 당사의 합금은 Ti-6Al-4V보다 우수한 공간적으로 균일한 미세 구조와 기계적 특성을 달성합니다. 이 연구는 AM 공정에 내재된 문제를 극복할 뿐만 아니라 AM이 제공하는 합금 설계 기회를 활용하는 다른 합금 설계를 안내하는 데 도움이 될 수 있습니다.

주조 및 기계 가공과 같은 기존 금속 제조 공정과 달리 AM(적층 가공)은 고에너지원(예: 레이저, 전자 빔 또는 플라즈마 아크)1,2. AM 공정의 이러한 독특한 특징은 양날의 검입니다. 한편으로는 기존 제조 방법으로는 달성할 수 없는 바람직한 모양, 미세 구조 및 특성을 생성할 수 있는 가능성을 제공합니다3,4,5,6,7,8. 반면, 본질적인 가파른 열 구배, AM 중에 일반적으로 발생하는 복잡한 열 이력과 관련된 높은 냉각 속도는 종종 미세 구조에서 다공성, 원소 분리, 기둥형 입자 및 이질적으로 분포된 상을 초래합니다9,10,11, 12 – 응고 또는 후속 고체 상 변형을 통해 제작된 금속 부품의 서로 다른 위치에서 불균일한 기계적 특성이 발생합니다13,14,15,16,17. 다공성, 원소 분리 및 원주형 입자와 관련된 문제는 처리 매개변수 및/또는 합금 조성의 조작을 통해 효과적으로 해결되었습니다. 그러나 AM 중에 응고된 후 고상 상변태를 겪는 합금에서는 상 불균일성이 거의 필연적으로 발생하기 때문에 균일한 기계적 특성을 달성하는 것이 오랜 과제로 남아 있습니다. 이러한 현상은 기계적 하중에 다르게 반응하는 영역을 통합하여 예측할 수 없는 서비스 실패를 일으키는 복잡한 형상을 가진 적층 제조된 금속 부품에서 더욱 두드러집니다.

Ti-6Al-4V는 적층 제조되는 동안 건물 방향을 따라 위상의 공간적 변화를 나타내는 전형적인 합금 중 하나입니다. 레이저 분말층 융합(L-PBF)(그림 1a)과 같은 AM 공정 동안 첫 번째 층이 응고된 후 Ti-6Al-4V는 고체 상태 β(체심 입방 구조) → α'( 육각밀봉구조) 높은 냉각속도로 인한 마텐자이트 변태. 연속적인 층이 추가됨에 따라 초기에 형성된 침상 α' 마르텐사이트는 광범위한 열 사이클 하에서 라멜라(α + β) 미세 구조로 분해됩니다(그림 1a). 따라서 L-PBF에 의해 제조된 Ti-6Al-4V의 미세 구조는 상부 표면에 침상 α' 마르텐사이트가 있는 반면 부분적으로 또는 완전히 안정화된 라멜라(α + β) 미세 구조가 형성되는 건물 방향을 따라 공간적으로 의존적인 위상을 특징으로 하는 것으로 일반적으로 보고됩니다. 낮은 지역23,24,25. 이러한 단계적 위상 분포는 이 연구(방법)에서 주사 전자 현미경(SEM)(그림 1b 및 보충 그림 1a, b) 및 X선 회절(XRD)(보조 그림 2)로도 확인됩니다. 기계적 특성에 대한 위상 불균일성의 영향을 밝히기 위해 우리는 실온에서 수직 및 수평 방향을 따라 L-PBF 생성 Ti-6Al-4V 시편의 인장 시험을 수행했습니다(방법). 제조된 Ti-6Al-4V는 비슷한 강도를 나타내지만 양방향으로 매우 분산된 연성을 나타냅니다(그림 1c). 특히, 수평방향의 인장연성(파괴까지의 인장신율로 환산)은 9.4%에서 17.6%까지 현저하게 변화하며, 상부 표면에서 가장 낮은 값이 관찰되었다. 상세한 미세 구조 분석 (보충 그림 3-5 및 보충 참고 1)과 결합 된 이러한 경향은 공간 위상 분포가 여기에서 관찰되는 고도로 산란된 연성의 가장 가능성이 높은 원인임을 보여줍니다. 이 관찰은 또한 침상 α' 마르텐사이트가 일반적으로 균열 발생에 저항할 수 없기 때문에 라멜라(α + β) 미세 구조에 비해 열등한 연성을 초래한다는 일반적인 믿음과도 일치합니다24,26. 지난 10년 동안 공정 제어 또는 합금 설계 전략을 기반으로 하는 L-PBF에 의해 적층 가공된 Ti-6Al-4V에서 원하지 않는 α' 마르텐사이트를 제거하기 위한 풍부한 연구가 수행되었습니다. 전자의 전략은 일반적으로 L-PBF의 열 순환을 조작하여 현장 마르텐사이트 분해를 촉진하는 고유 열처리(IHT)를 유발하는 것을 포함합니다. 그러나 최상층이 겪는 열주기가 제한되거나 없기 때문에 침상 α' 마르텐사이트는 부분적으로만 분해되거나 심지어 남아 있을 수도 있습니다24,25. 따라서 건축 방향에 따른 위상 불균일성을 제거할 수 없습니다. AM 후 열처리는 미세 구조를 균질화하기 위해 수행되는 경우가 많지만 불행하게도 생산 주기가 길어지고 AM 공정의 효율성에 영향을 미칩니다. 따라서 우선적으로 위상 불균일성을 제거하는 것이 매우 바람직합니다. 대안으로, 원소 분말을 통해 β 안정화 원소(예: Mo30)와 Ti-6Al-4V의 현장 합금화를 통해 전체 β 상을 형성할 수 있으며, 이는 (강도 손실이 있기는 하지만) 높은 연성을 얻을 수 있습니다. 그러나 결과로 발생하는 녹지 않은 첨가 입자 또는 극적인 원소 분리는 불균일하고 재현할 수 없는 기계적 특성을 얻을 수 있다는 우려를 불러일으킬 수 있습니다.