CuCrZr(C18150) 합금 은 높은 기계적, 열적, 전기적 특성으로 잘 알려진 침전 경화 합금입니다. 이 합금은 열교환 장치와 핵융합 분야에서 널리 사용됩니다.
CuCrZr 합금 는 많은 애플리케이션에서 순수 구리를 대체할 수 있는 매우 매력적인 합금으로, Cr은 0.5 wt%~1.2 wt%, Zr은 0.03 wt%~0.3 wt% 범위에서 사용할 수 있습니다. 또한 레이저 기반 적층 제조 기술을 통해 순수 구리에 비해 제조가 용이하며 기계적 특성이 우수하고 열전도율이 충분히 높아 많은 응용 분야에서 순수 구리의 효과적인 대안으로 간주됩니다.
위조된 경우 CuCrZr 합금용액 어닐링과 시효 경화가 주요 열처리이며, LPBF CuCrZr 합금의 경우 용액 어닐링은 생략할 수 있습니다.
솔루션 어닐링: 이 처리는 900°C 이상의 불활성 보호 분위기(보통 Ar)에서 30분 또는 몇 시간 동안 재료를 가열하여 수행됩니다. 그런 다음 소재를 물 또는 공기 중에서 빠르게 냉각하여 구리 매트릭스를 Cr과 Zr로 과포화시킵니다. 용융 풀이 담금질 역할을 하고 과포화 미세 구조를 생성할 만큼 빠르게 냉각되기 때문에 LPBF 부품의 경우, 이 처리는 LPBF 공정 중에 이미 완료됩니다. 용액 어닐링 부품은 매우 부드럽고 기계적 특성이 너무 약하여 별도의 열처리로 간주할 수 없습니다.
노화 방지: 일반적으로 이 처리는 용액 어닐링에 이어 더 낮은 온도에서 장시간(일반적으로 400°C~600°C, 최대 6시간) 불활성 환경(Ar, 진공, N2, 때로는 H2 대기)에서 수행됩니다. 이 처리는 과포화 물질에서 단단한 금속 간 상을 제어하여 Cu, Cr, Zr의 2원 또는 3원 화합물을 생산할 수 있도록 설계되었습니다.
이 작업에서는 노화 경화 의 온도를 550°C로 고정하여 세 가지 다른 지속 시간을 확인했습니다. 목표는 열처리 기간이 재료에 미치는 영향과 노화 경화 처리가 핵융합로 부품에 적층 제조를 사용하는 CuCrZr의 기계적 요구 사항을 충족하는 데 적용 가능한지 여부를 이해하는 것이었습니다.
그리고 분말의 화학적 조성, 입자 크기 분포(PSD) 및 입자 모양 이 연구에 사용된 인증서는 아래 인증서에 나와 있습니다:
이 연구에서는 조사에 사용된 샘플을 그물 모양에 가까운 형상으로 인쇄했습니다. 그런 다음 샘플을 가공하여 거친 피부를 제거하고 경도 테스트를 위해 올바른 형상으로 가져옵니다.
스캔 간격(0.06~0.1mm 범위), 레이저 속도(350~650mm/s), 레이저 출력은 370W로 유지하고 스트라이프 폭은 5mm로 고정하며 모든 층의 층 두께는 0.03mm로 고정하여 샘플의 최고 밀도를 달성하기 위해 파라미터 최적화를 수행합니다. 각 레이어에서 스트라이프의 방향은 67° 회전으로 변경됩니다. 이 프로젝트의 세로 방향은 건물 방향과 동일합니다. 다이어그램 그림 1:
그림 1. 적층 제조 공정의 개략도
스캔 간격과 스캔 속도의 조합이 다른 40개의 큐브(10mm x 10mm x 10mm)를 만들었습니다. 그런 다음 아르키메데스 방법으로 밀도를 측정합니다.
준공 시 샘플은 세 가지 방법으로 처리되었습니다. 노화 경화 가열 및 냉각 기울기가 150°C/h인 질소 분위기에서 550°C에서 1시간, 3시간, 6시간 동안 지속합니다(오븐 및 보호 분위기에서 냉각).
의 히스토그램은 그림 2 는 아르키메데스 방법으로 측정한 모든 연구 프로세스 매개변수 조합의 평균 상대 밀도를 보여줍니다. 기준 밀도는 8.8869g/cm3입니다. 이 값은 적층 제조된 샘플의 상대 밀도를 계산하는 데 사용됩니다.
그림 2. 프로세스 매개변수의 함수에 따른 샘플의 상대적 밀도
레이저 출력 370W, 스캔 간격(해칭 거리) 0.07mm, 스캔 속도 450mm/s, 스트라이프 폭 5mm의 공정 파라미터를 사용하여 가장 높은 상대 밀도(99.15%)를 얻었습니다. 0.07mm의 스캔 간격에서는 스캔 속도가 달라져도 상대 밀도에 큰 변화가 없었습니다.
0.06mm의 스캔 간격은 밀도에 좋지 않아 98-98.5% 범위의 밀도 값이 나옵니다. 이는 열 축적으로 인한 과열로 인해 최종 밀도가 감소하기 때문일 수 있습니다.
그림 3 은 1시간 및 6시간 노화 처리 후 샘플의 미세구조를 보여줍니다. 경화 기간이 길어져도 저배율인 1시간의 경우 6시간에 비해 관찰할 수 있는 미세 구조적 특징에 변화가 없는 것으로 나타났습니다.
그림 3. 1시간 및 6시간 샘플의 미세 구조
그림 4 는 6시간 샘플의 SEM 현미경 사진을 보여줍니다. 나노 경화 입자일 수 있는 원주 입자에서 많은 원형 입자를 볼 수 있으며(특히 그림 5c), 이는 나노 경화 입자일 수 있습니다. 이러한 나노 크기의 침전물에 대한 EDS의 추가 조사 결과, 수~50나노미터의 작은 Cr 또는 Zr 침전물이 재료 내부에 고르게 분산되어 있는 것으로 나타났습니다.
그림 4 550°C에서 6시간 동안 숙성시킨 후 다양한 배율의 SEM 이차 전자 이미지
연구된 샘플에서도 결함이 관찰되었습니다. 그림 5 는 주로 가스 포획으로 인해 발생하는 융착(LoF) 부족 및 다공성 등 적층 제조 부품에서 흔히 볼 수 있는 몇 가지 결함을 보여줍니다.
그림 5 LPBF 준공 샘플의 단면에서 발견된 결함
그림 6 는 준공 시료와 열처리 시료의 비커스 미세 경도 값입니다. 550°C에서 1시간 숙성하면 이 경도가 크게 향상됩니다(165 HV, 준공 시료의 84 HV 값의 두 배). 숙성된 시료에 비해 준공 상태의 경도가 더 낮다는 것을 쉽게 이해할 수 있습니다. 3시간 숙성 후 시료의 경도는 감소하기 시작했고(평균 144 HV), 6시간 처리 후에는 재료가 더 부드러워졌지만 이 경우에도 준공 상태와 비교하여 개선되었습니다. 이는 6시간의 시간이 너무 길어 침전물이 거칠어졌음을 의미합니다. 1시간은 이미 준공 상태와 비교하여 재료의 경도를 높이는 데 효과적이라는 것을 알 수 있습니다. 이는 1시간이 지나면 재료가 노화가 진행되었음을 의미합니다.
그림 6 준공 시료 및 숙성 시료의 비커스 미세 경도 값
요약하면, 기계적 관점에서 볼 때 노화 처리는 LPBF CuCrZr 합금의 기계적 특성을 개선하는 데 유망합니다. 하지만 분말 특성, LPBF 파라미터 및 노화 공정의 사전 조합을 찾기 위해 몇 가지 조사를 수행해야 합니다.
