2024년 3D 프린팅 기술 분야의 두 번째 사이언스 논문이 2월 8일에 발표되었습니다.

출신 (장소)호주 퀸즐랜드 대학교(장징치 외,)충칭 대학교(지용 호우, 샤오수 황),덴마크 공과 대학공동 연구팀은 "이중 기능 합금 설계를 통한 매우 균일하고 강하며 연성이 뛰어난 3D 프린팅 티타늄 합금"이라는 제목의 논문을 발표했습니다. "이중 기능 합금 설계를 통한 매우 균일하고 강하며 연성이 뛰어난 3D 프린팅 티타늄 합금".3D 프린팅으로 제조된 티타늄 합금은항복 강도는 926MPa, 연성은 26%로 강도와 연성의 균형을 이룹니다.

연구 배경금속 3D 프린팅 과정에서 거친 기둥 모양의 입자와 고르지 않게 분포된 상이 종종 발생하여 기계적 특성이 고르지 않거나 심지어 불량한 결과를 초래합니다. 이 연구는 3D 프린팅으로 티타늄 합금의 고강도 및 일관된 특성을 얻기 위해 직접 접근할 수 있는 설계 전략을 포함합니다. 분말 금속 혼합물에 몰리브덴(Mo)을 첨가하면 상 안정성이 향상되고 3D 프린팅된 합금의 강도, 연성 및 인장 특성의 균일성이 개선되는 것으로 나타났으며, 같은 호의 사이언스 리뷰 기사에서는 이 방법론이 다른 분말 혼합물에 적용되어 향상된 특성으로 다양한 합금을 맞춤 제작할 수 있을 것으로 기대된다고 언급했습니다.

금속 3D 프린팅 합금의 특성이 균일하지 않은 주된 이유는 다음과 같습니다.레이어별 3D 프린팅 프로세스에서는 일반적으로 10³-10⁸K/s의 높은 냉각 속도는 금속 분말이 용융되는 용융 풀의 가장자리와 바닥 근처에 상당한 열 구배를 생성합니다. 열 구배는 새로 용융된 재료와 아래의 고체 재료 사이의 계면을 따라 에피택셜 입자 성장을 유도하며, 입자는 용융 풀의 중앙을 향해 성장합니다. 다층 프린팅 중 가열 및 부분 재용융 주기는 궁극적으로 큰 원주형 입자와 고르지 않게 분포된 위상을 형성하게 되는데, 이 둘은 이방성 및 기계적 특성 저하로 이어질 수 있기 때문에 바람직하지 않습니다.

다양한 금속 재료의 강도-유연성

티타늄 합금은 가장 널리 사용되는 금속 3D 프린팅 재료 중 하나입니다. 상온의 엔지니어링 응용 분야에서 적합한 티타늄 합금은 일반적으로 10~25%의 인장 연신율을 나타내며, 이는 우수한 재료 신뢰성을 반영합니다. 연신율(연성)이 높을수록 성형이 용이하고 일부 응용 분야에서는 선호되지만, 기계적 하중을 견디기 위해서는 이 연신율 범위에서 강도가 증가하는 것이 선호되는 경우가 많습니다. 금속 소재 가공을 위한 기존 및 적층 제조 기술 모두에서 강도와 연성 사이의 균형을 항상 고려해야 합니다.

강도와 연성을 개선하기 위한 전략과 제한 사항

3D 프린팅 합금의 강도와 연성을 개선하기 위한 다양한 전략이 있습니다.. 여기에는 합금 설계 최적화, 공정 제어, 미세 입자 경계 강화 및 입자 미세 구조 수정뿐만 아니라 원치 않는 (취성) 상 억제, 두 번째 상 도입 및 후처리도 포함됩니다. 현재 원주 결정과 바람직하지 않은 상 문제를 해결하기 위한 연구는 미세 구조와 상 조성을 수정하기 위한 원소의 현장 도핑에 초점을 맞추고 있습니다. 이 접근 방식은 또한 등방성 결정, 즉 세로축과 가로축을 따라 입자 크기가 거의 동일한 구조의 형성을 촉진합니다. 인사이트 합금은 강도와 연성 사이의 균형을 극복할 수 있는 유망한 방법을 제공합니다.특히 파우더 베드 융합 및 지향성 에너지 증착과 같은 3D 프린팅 기술 분야에서.

연구자들은 3D 프린팅 합금에 다양한 원소를 추가할 때 입자 형태와 기계적 특성을 탐구해 왔습니다. 예를 들어, 나노 세라믹 지르코늄 하이드라이드 입자를 인쇄할 수 없는 알루미늄 합금에 도핑하면 정제된 등축 입자 미세 구조와 단조 재료와 유사한 인장 특성을 가진 인쇄 가능하고 균열이 없는 재료를 만들 수 있었습니다. 그러나 티타늄 합금의 경우 시중에서 판매되는 입자 정제기는 일반적으로 입자 구조에 미치는 영향이 제한적입니다. 티타늄 합금의 정제 메커니즘, 특히 3D 프린팅 응고 중 원주형에서 등척성으로의 전환은 광범위하게 연구되어 왔지만 여전히 효율성의 한계가 남아 있습니다. 이러한 장애물을 극복하기 위한 시도에는 다양한 공정 파라미터, 고강도 초음파 적용, 합금 설계를 통한 원하는 이질적 구조 도입, 이질적 핵 형성 부위에 입자 정제제로서 용질 추가, 과냉각 능력이 높은 용질의 통합 등이 포함됩니다. 티타늄의 용해도를 제한하는 β- 공융 안정제 원소인 Cu, Fe, Cr, Co 및 Ni와 같은 원소.

새로운 연구를 통한 획기적인 발전연구진은 티타늄 합금에서 부서지기 쉬운 금속 간 공융을 형성할 수 있는 β 공융 안정제 원소를 사용하는 대신 β-단결정 그룹[니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 바나듐(V) 포함]에서 Ti-5553(Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr)을 위해 Mo를 선택했습니다. 현장 합금 공정 동안 몰리브덴은 용융조로 정밀하게 운반되어 각 스캐닝 층에서 결정 형성 및 정제를 위한 시드 핵 역할을 하며, Mo 첨가제는 큰 원주 결정에서 미세한 등축 및 좁은 원주 구조로의 전환을 촉진합니다. 또한 Mo는 원하는 β 상을 안정화시키고 열 순환 중에 상 이질성 형성을 억제합니다.

Mo가 도핑된 Ti-5553 티타늄 합금의 특성 분석

연구진은 L-PBF 상태 및 인쇄 후 열처리 상태에서 생산된 Ti-5553(및 Ti-55531, Ti-55511)과 Ti-5553+5Mo의 항복 강도 및 파단 연신율을 비교했습니다. 제조된 상태의 Ti-5553 및 유사한 합금과 비교했을 때 Ti-5553+5Mo는 항복 강도는 비슷하지만 연성이 크게 향상되었습니다. 인쇄 후 열처리는 일반적으로 L-PBF로 생산된 Ti-5553의 기계적 특성의 균형을 맞추기 위해 사용됩니다. 특정 열처리 조건에서 높은 항복 강도(>1100MPa)를 얻을 수 있지만, 일반적으로 연성은 10% 미만의 파단 연신율로 크게 저하되어 안전이 중요한 응용 분야에서는 사용이 제한됩니다. 예를 들어, 티타늄 산업의 주력 소재인 Ti6Al4V의 권장 최소 파단 연신율은 10%입니다. 반면, 다운스트림 열처리 없이 직접 인쇄한 Ti-5553+5Mo 소재의 부품인 L-PBF는 강도와 연성의 균형이 우수하여 유사한 합금 중에서 돋보이는 성능을 발휘합니다. 궁극적으로 연구진은 이 전략을 사용하여 다음과 같은 부품을 제작했습니다.우수한 물성 균일성, 항복 강도 926MPa, 파단 연신율 26%의 소재입니다.

L-PBF로 생산된 Ti-5553의 미세 구조 및 기계적 특성

L-PBF로 생산된 Ti-5553 및 Ti-5553+5Mo의 기계적 특성

Ti-5553+5Mo의 기계적 특성은 Ti-5553에 비해 매우 균질하고 개선되었습니다. 부품 품질을 평가하기 위한 미세 초점 컴퓨터 단층 촬영(micro-CT) 스캔 결과 두 소재 모두 총 기공 부피 비율이 각각 0.004024% 및 0.001589%로 매우 높은 밀도를 나타냈습니다. 이러한 높은 밀도는 기공이 Ti-5553의 고도로 분산된 인장 특성을 초래하지 않을 가능성이 있으며 Ti-5553+5Mo의 높은 기계적 특성의 일관성과 일치한다는 것을 시사합니다. +5Mo의 기계적 특성의 높은 일관성. Mo 첨가가 입자 구조에 미치는 영향을 밝히기 위해 연구진은 Ti-5553과 Mo가 도핑된 Ti-5553의 전자 후방 산란 회절(EBSD) 특성 분석을 수행했으며, Ti-5553의 미세 구조는 주사 방향을 따라 비교적 큰 입자로 구성되어 강한 결정 직조를 나타냈습니다. Ti-5553에 5.0 wt% Mo를 첨가하면 입자 구조와 관련 결정 구조에 상당한 변화가 생깁니다. 많은 미세한 등축 입자(직경 ~20μm)가 Ti-5553+5Mo의 스캐닝 트랙 가장자리를 따라 형성되어 매우 잘 보입니다. 이와 대조적으로 Ti-5553+5Mo의 미세 구조는 미세한 등축 입자와 지각 방향을 따라 좁은 주상 결정이 특징입니다. 미세 구조를 자세히 살펴보면 미세한 주상 입자가 주기적으로 분포하는 것을 알 수 있습니다. Ti-5553의 여러 층에 걸쳐 고도로 짜여진 원주형 결정과 달리, Ti-5553+5Mo의 원주형 결정의 길이 척도는 용융 풀 크기에 의해 결정되며 결정 직조는 무작위적이고 약해집니다 .

Ti-5553 및 Ti-5553+5Mo의 미세 구조 특성 분석

Ti-5553 및 몰리브덴이 도핑된 Ti-5553의 상 분석

Ti-55535로 만든 골절 시편의 EBSD 특성 분석END

그러나 연구진은 미세 구조에서 용해되지 않은 몰리브덴 입자를 확인했으며 그 잠재적 영향은 알려지지 않았습니다. 실제로, 용존 합금 전략에서 용해되지 않은 입자가 무작위로 존재하면 기계적 및 부식 특성과 관련된 우려가 제기됩니다. 예를 들어, 인시트 합금 첨가 입자를 완전히 녹이려면 더 높은 에너지가 필요할 수 있으며, 과열로 인해 미세 구조가 변화하고 기계적 특성이 저하될 수 있습니다. 또한 용해되지 않은 Mo 입자로 인한 동적 피로 및 부식 특성은 알려져 있지 않습니다. 인쇄 후 열처리를 통해 용해되지 않은 입자를 제거할 수 있지만 미세 구조가 변경되어 기계적 특성에 영향을 미칠 수 있습니다.

전반적으로 이 사이언스 연구에서 제안한 설계 전략은 다양한 금속 분말 공급 원료, 다양한 인쇄 가능한 합금 시스템, 다양한 3D 프린팅 기술 및 고급 다중 재료 프린팅을 탐색할 수 있는 길을 열어줍니다. 또한 원주 입자의 형성을 억제하고 바람직하지 않은 상 불균일성을 방지합니다. 이러한 문제는 각 분말의 프린팅 파라미터에 영향을 받는 서로 다른 열 분포로 인해 발생합니다. 이 전략은 또한 인쇄된 상태의 강도와 연성 사이의 균형을 극복하여 인쇄 후 처리의 필요성을 최소화하므로 3D 프린팅 분야에서 연구 붐을 일으킬 수 있는 이점이 있습니다.