LPBF의 Invar36 합금의 미세 구조 및 기계적 특성 이방성 분석
Invar 36 은 항공우주 및 정밀 기기에 널리 사용됩니다. 트루어 R&D 팀은 레이저 분말 베드 용융(LPBF) 공정을 통해 Invar36 합금의 샘플을 준비하여 미세 구조 및 기계적 특성을 조사했습니다. 그 결과 세 가지 방향의 미세 구조와 기계적 특성이 이방성 특성을 갖는 것으로 나타났습니다.
표 1 는 트루어에서 생산한 LPBF 샘플의 분말 화학 성분으로, Invar 36 합금의 공칭 조성은 36% Ni와 64% Fe로 구성되며, 다른 원소는 분말 준비 과정에서 피할 수 없는 미량 불순물로 존재합니다. 따라서 미량 불순물로 인한 잔류 응력은 무시할 수 있는 수준입니다.
그림 1 는 D10: 19.1μm, D50: 37.3μm, D90: 63.7μm로 테스트한 분말 입자 SEM 사진을 보여줍니다.
| 표 1 인바 36 파우더의 화학 성분 연구 결과 | |||||||
| 요소 | Fe | Ni | Cr | Mn | Co | P | C |
| wt% | Bal | 36.02 | 0.005 | 0.029 | 0.030 | 0.001 | 0.0011 |
미세 구조 특성 분석 트루어에서 생산한 Invar 36 분말로 LPBF에서 제조한 Invar 36 합금의 경우 면 중심의 입방 격자와 강한 배향성을 가진 명확한 단일 감마상을 나타냅니다. 이는 샘플에 최적의 입자 방향이 있을 가능성이 있음을 나타냅니다.
LPBF로 제조된 다양한 배향의 Invar36 합금의 미세구조 이방성을 연구하기 위해 입자 형태와 크기를 분석했습니다. Invar 36 합금의 미세구조 이방성(그림 2) 0°, 45° 및 90° 방향에서 LPBF로 제조된 Inconel 718 및 AlSi10Mg 합금에서 관찰된 것과 유사합니다.
0°, 45° 및 90°에서 LPBF가 제조한 Invar 36 합금의 미세 구조는 LPBF가 제조한 Ti15Mo 합금과 유사하며 0° 및 45° 샘플은 모두 등축이며 90°의 입자 크기는 다른 두 샘플에 비해 입자 크기와 모양이 크게 다릅니다.
규칙에 따르면 입자 강도는 입자 방향을 나타내는 입자 지수의 제곱근입니다. 따라서 몇 가지 계산 후 LPBF로 제조 된 Invar36 합금, 0 °, 45 ° 및 90 ° 샘플의 텍스처 강도는 각각 2.46, 2.90 및 2.61로 계산할 수 있습니다. LPBF 공정으로 제조 된 Invar 36 합금의 텍스처 지수와 텍스처 강도는 0 °, 45 ° 및 90 ° 방향에서 1보다 크며 재료의 미세 구조가 명백한 이방성을 나타냅니다.
LPBF에서 제조한 Invar36 합금의 응력-변형률 곡선을 다양한 건물 방향에서 테스트했습니다. 분명히 세 샘플은 서로 다른 기계적 특성을 나타냈는데, 90° 샘플의 항복 강도는 364MPa인 반면 0°와 45° 샘플은 392MPa와 401MPa로 더 높은 수치를 보였습니다. 그리고 각 샘플의 인장 강도는 90°, 0° 및 45°의 397MPa, 485MPa 및 496MPa 값으로 이러한 추세를 따랐습니다. 마지막으로 연신율 측정 결과 90°의 연신율은 62.70%로 LPBF에서 제조한 Invar 36 합금이 좋은 응용 가능성을 가지고 있음을 나타냅니다.
그림 3 는 LPBF로 제조된 합금의 미세 구조 이방성에 대한 보다 완벽한 설명을 제공합니다. 90°의 경우 용융 풀과 응고된 고체 사이의 온도 구배 G가 상당히 커서 열 플럭스 방향으로 원주 입자가 형성되는 데 도움이 됩니다. 0° 샘플의 경우, 용융 풀 중심에서 양쪽으로 열이 흐르기 때문에 G가 더 작아지므로 등축 입자를 형성하기가 더 쉽습니다. 또한 45° 샘플의 미세 구조의 기하학적 관계는 그림 3 (c)에 나와 있습니다. 관찰된 표면은 90° 샘플을 45° 접선으로 절단하여 얻은 표면과 0° 샘플의 투영과 동일합니다. 따라서 0°와 45° 샘플은 모두 등축 형태를 나타내지만 후자는 신장을 나타냅니다.
그림 4 는 상온에서 0°, 45°, 90° 샘플의 인장 파괴 형태를 보여주며 인장 파괴 모드를 보여줍니다. 0° 및 45° 샘플에는 큰 기공이 있으며, 이는 야금 결합이 손상된 약한 영역의 형성에 기인할 수 있습니다. 인장 시험 중에 약한 영역은 우선적으로 파단되어 찢어진 가장자리가 생성됩니다. 반면, 90° 샘플은 큰 공극이 나타나지 않고 인장 시험 결과와 일치하는 우수한 연신율을 보였습니다.
레이저 파우더 베드 용융으로 제조된 Invar36 합금에 대한 Truer의 테스트 및 분석 결과, 0°, 45° 및 90°의 다양한 제작 방향에서 LPBF로 제조된 Invar36 합금의 미세 구조 및 기계적 특성이 세 방향에서 뚜렷한 이방성을 보인다는 결론을 얻었습니다. 그리고 90° 방향의 시편은 여러 풀에서 기둥 모양의 입자 성장을 보였습니다. 그러나 0° 및 45° 방향에서 제조된 구조물은 등축 입자를 나타냅니다. LPBF로 제조된 Invar36 합금의 기계적 성질은 미세 구조에 민감하여 뚜렷한 이방성을 보입니다. LPBF로 제조된 Invar36 합금은 연성 파괴를 보였으며, 90° 방향으로 제조된 샘플이 가장 큰 딤플 크기와 더 나은 연신율(62.70%)을 가졌습니다.
이 연구는 LPBF의 Invar36 합금과 Invar 36 분말 제조를 위한 귀중한 통찰력과 견고한 기반을 제공합니다.