LPBF 파라미터를 통한 ODS FeCrAl 강철의 산화물 내포물 제어
열 입력은 용융 풀 형상 및 산화물 함유량과 상관관계가 있습니다. 연구진은 레이저 파우더 베드 용융 파라미터를 수정하여 Fe-22Cr-5.1Al-0.5Ti-0.26Y 및 TiO₂ 분말 혼합물에서 Y-Al-O 산화물 내포물이 없는 ODS-FeCrAl 강철을 생산했습니다. 이 연구는 PBF 공정 중 합금에서 산화물 개재물을 현장에서 제거하는 실현 가능한 방법을 제공합니다.
합금에 포함된 산화물은 부품의 피로 수명을 저하시킬 수 있으며 해수 환경에서 우선적으로 부식되는 부위가 될 수 있습니다.
PBF 공정을 통해 FeCrAl ODS 강철을 제조할 때, Y와 Al의 높은 O 친화력으로 인해 Y-Al-O 산화물 개재물이 생성됩니다. Y 함유 산화물 개재물의 존재는 산화물 분산 강화 강철의 적층 제조에서 흔히 발생하는 문제입니다.
이 연구에서는 Fe-22Cr-5.1Al-0.5Ti-0.26Y(wt.%)의 사전 합금 분말을 0.5 wt% TiO₂(50nm, 순도 99.99%) 분말과 혼합하여 산소 운반체로 사용했습니다. 70 × 10 × 15mm³(길이 × 너비 × 높이) 크기의 샘플은 레이저 분말 베드 융합(LPBF) 시스템을 사용하여 제조되었습니다. 공정 파라미터는 레이저 출력 P = 300W, 스캐닝 속도 v = 834mm/s ~ 1318mm/s, 스폿 간격 h = 110μm, 층 두께 t = 30μm였습니다. 연속된 레이어 사이를 90° 회전하는 양방향 스캐닝 전략이 채택되었습니다. 인쇄하기 전에 연강 기판을 150°C로 예열했습니다.
용융 풀에 투입되는 열이 증가하면(즉, 스캔 속도가 감소하면) 용융 풀의 단면적은 증가하고 인접한 용융 풀 사이의 재용융이 개선됩니다. 이렇게 향상된 재용융은 이전에 응고된 영역에서 현재 용융 풀로 에피택셜 입자 성장을 촉진하여 입자가 거칠어지게 합니다. 용융 풀의 형상(깊이와 폭)은 광학 측정 시스템을 사용하여 정량적으로 특성화했습니다. 그 결과 용융 풀의 깊이와 폭은 열 입력이 증가함에 따라 증가하는 것으로 나타났습니다. 열 입력이 109 J/mm³로 증가했을 때, 하나의 증착된 레이어는 프린팅 공정 중에 6번의 재용융 사이클을 거쳤습니다.
추가 미세 구조 특성 분석 결과, 열 입력을 높이면 시료에서 Y-Al-O 산화물 내포물이 효과적으로 제거되는 것으로 나타났습니다. 109J/mm³의 열 입력에서 Y-Al-O 산화물 내포물은 매트릭스에서 거의 보이지 않았습니다(0.1% 미만).
그러나 열 입력이 증가하면 입자가 거칠어집니다. 평균 입자 크기는 72μm에서 179μm로 증가합니다. 또한 열 입력이 증가함에 따라 나노 침전물의 크기도 35nm에서 49nm로 증가합니다. 나노 침전물은 코어-쉘 구조를 가지며 Y₂O₃/TiN으로 확인되었습니다.
상온 인장 시험 결과, 미세 구조가 거칠어졌음에도 불구하고 시편의 항복 강도는 열 입력 증가 후 37MPa만 감소했으며 파단 모드는 연성인 것으로 나타났습니다. 항복 강도는 주로 격자 마찰 응력, 고용체 강화, 입자 경계 강화, 침전 강화 및 전위 강화에 기인합니다. 이러한 강화 메커니즘 중 전위 강화가 ODS-FeCrAl 강철의 항복 강도 기여도를 지배합니다.
