LPBF 공정 매개변수를 통한 ODS FeCrAl 강에서 산화물 함유물의 제어
열 입력은 용융 풀의 형상과 산화물 함유량과 상관관계가 있습니다. 본 연구진은 레이저 파우더 베드 용융(PBF) 공정의 매개변수를 조정하여, Fe-22Cr-5.1Al-0.5Ti-0.26Y 및 TiO₂ 분말 혼합물을 원료로 하여 Y-Al-O 산화물 함유물이 없는 ODS-FeCrAl 강을 제조했습니다. 본 연구는 PBF 공정 중 합금에서 산화물 함유물을 현장 제거할 수 있는 실용적인 방법을 제시합니다.
합금 내의 산화물 함유물은 부품의 피로 수명을 저하시킬 수 있으며, 해수 환경에서는 우선 부식 부위가 될 수 있다.
PBF 공정을 통해 FeCrAl ODS 강재를 제조할 때, Y와 Al이 산소(O)에 대해 높은 친화력을 가지기 때문에 Y-Al-O 산화물 개재물이 생성된다. Y를 함유한 산화물 개재물의 존재는 산화물 분산 강화 강재의 적층 제조 과정에서 흔히 발생하는 문제이다.
본 연구에서는 산소 운반체로 0.5 wt.% % TiO₂(50 nm, 99.99% 순도) 분말을 혼합한 Fe-22Cr-5.1Al-0.5Ti-0.26Y (wt.%)의 사전 합금 분말에 산소 운반체로서 0.5 wt%의 TiO₂ (50 nm, 99.99% 순도) 분말을 혼합한 것을 사용하였다. 70 × 10 × 15 mm³ (길이 × 너비 × 높이) 크기의 시편을 레이저 파우더 베드 융합(LPBF) 시스템을 사용하여 제작하였다. 공정 매개변수는 레이저 출력 P = 300 W, 스캐닝 속도 v = 834 mm/s ~ 1318 mm/s, 스팟 간격 h = 110 μm, 층 두께 t = 30 μm였습니다. 연속된 층 사이에 90° 회전을 적용한 양방향 스캐닝 전략을 채택했다. 프린팅 전에 연강 기판을 150°C로 예열했다.
용융 풀에 가해지는 열입력이 증가함에 따라(즉, 스캐닝 속도가 감소함에 따라) 용융 풀의 단면적이 증가하고, 인접한 용융 풀 간의 재용융이 향상됩니다. 이러한 재용융의 증진은 이전에 응고된 영역에서 현재의 용융 풀로 향하는 에피택셜 입자 성장을 촉진하여, 결과적으로 입자 거칠어짐을 초래합니다. 용융 풀의 형상(깊이와 폭)은 광학 측정 시스템을 사용하여 정량적으로 분석하였다. 그 결과, 열입력이 증가함에 따라 용융 풀의 깊이와 폭이 증가하는 것으로 나타났다. 열입력이 109 J/mm³로 증가했을 때, 인쇄 공정 중 한 층의 적층 재료는 6회의 재용융 주기를 거쳤다.
추가적인 미세구조 분석 결과, 열입력을 증가시키면 시편에서 Y-Al-O 산화물 함유물이 효과적으로 제거되는 것으로 나타났다. 열입력이 109 J/mm³일 때, 매트릭스 내의 Y-Al-O 산화물 함유물은 거의 보이지 않았다(0.1% 미만).
그러나 열입력이 증가하면 입자가 거칠어집니다. 평균 입자 크기는 72 μm에서 179 μm로 증가합니다. 또한, 열 투입량이 증가함에 따라 나노침전물의 크기도 35 nm에서 49 nm로 증가합니다. 이 나노침전물은 코어-쉘 구조를 가지며, Y₂O₃/TiN으로 확인되었습니다.
실온 인장 시험 결과에 따르면, 미세구조가 거칠어졌음에도 불구하고 열입력을 증가시킨 후 시편의 항복 강도는 37 MPa만 감소했으며, 파괴 양상은 연성이었다. 항복 강도는 주로 격자 마찰 응력, 용체 강화, 결정계 강화, 석출 강화 및 전위 강화에 기인한다. 이러한 강화 메커니즘 중에서도 전위 강화가 ODS-FeCrAl 강철의 항복 강도에 가장 큰 기여를 한다.
