헤인즈 188(GH5188)의 레이저 파우더 베드 융합 공정 및 기계적 특성
헤인즈 188(GH5188)은 균형 잡힌 고온 성능(최대 사용 온도 980°C) 덕분에 고부하 가스 터빈 연소실에 사용됩니다. 레이저 분말 베드 용융(LPBF) 공법으로 제조된 헤인즈 188의 기계적 특성에 대해서는 아직까지 철저한 연구가 이루어지지 않았습니다. 본 연구에서 당사 엔지니어들은 LPBF 공정 개발과 헤인즈 188의 상온 및 고온에서의 기계적 특성을 체계적으로 조사했습니다.
Truer Haynes 188 분말의 화학 조성:
시편은 두 그룹으로 나누어 인쇄되었습니다:
그룹 1은 치밀화 특성 평가 및 인장 시험을 위해 20 × 12 × 10 mm³ 크기의 시편 16개로 구성되었다. 패스 간격(d)과 층 두께(h)는 각각 70 μm와 30 μm로 고정되었으며, 레이저 출력(P)과 스캐닝 속도 (v)는 각각 150~300 W 및 600~1200 mm/s 범위에서 변화시켰다.
최적의 매개변수를 결정한 후, 그룹 2에는 고온 크리프 시험용 90×25×14 mm³ 시편과 인장 시험용 35×12×18 mm³ 시편이 각각 포함되었다.
실온에서의 기계적 특성:
전반적으로 우수한 성능을 보인 시편을 대상으로 이방성 평가를 수행하였다. LPBF-H(수평) 및 LPBF-V(수직) 방향에서 상당한 기계적 이방성이 관찰되었는데, LPBF-V 방향은 더 높은 가소성(연신율 70.7%)을 보였으나 강도는 더 낮았습니다(YS: 650 MPa, UTS: 897 MPa)를 나타냈다.
마이크로 구조:
LPBF 공정 중 발생하는 급속 응고는 열 흐름 방향을 따라 결정립 성장을 유발하여 기둥상 덴드라이트 구조를 형성하고, 이로 인해 재료 특성에 방향성 차이가 발생하게 됩니다.
이 그림은 최적의 LPBF 매개변수 조건에서 뚜렷한 입자 형태를 보여줍니다. 적층 방향(BD)과 평행한 영역은 기둥형 형태가 주를 이루는 혼합 미세구조를 보이며, 및 방향의 적당한 결절성을 나타냅니다. 이러한 결정은 높은 온도 구배 하에서 용융 풀 경계를 따라 일어나는 에피택셜 성장에 기인하며, 이전에 응고된 층의 결정립이 후속 층의 핵생성 부위 역할을 한다.
골절 형태:
파단 형태를 통해 연성 파단 메커니즘이 확인되었으며, 이는 딤플과 인열 능선이 특징이고, 간혹 융합되지 않은 기공이 관찰된다. 수직으로 제작된 시편은 인열 능선이 더 크고 표면 지형이 불규칙한데, 이는 강도는 낮지만 연신율은 더 높음을 나타낸다. 수평으로 제작된 시편은 더 미세하고 균일하게 분포된 딤플을 보이며, 이는 강도가 향상되었음을 시사한다.
고온에서의 기계적 특성:
최적화된 매개변수로 제조된 시편을 대상으로 고온 기계적 특성을 평가하였다. 650°C에서 평균 유동 응력 주변에서 빠르고 미세한 변동을 보이는 B형 유동 거동이 관찰되었다. 이러한 거동은 용질 원자(Cr, Co, W)에 의한 전이 결함의 반복적인 고정 및 해제 과정과, 인장축을 따라 도약 방식으로 전파되는 국소 밴드 현상에 기인하는 것으로 보인다.
연신율의 현저한 향상(850°C에서 75.9%)은 석출물의 입자 크기 증가 및 용해, 그리고 전위-용질 공동 이동의 증대와 관련이 있다.
이 소재는 980°C에서 더욱 연화되지만, 여전히 276 MPa라는 상당한 항복 강도를 유지하며, 이는 뛰어난 고온 강도 유지 능력을 나타냅니다.
기존의 주조 및 단조 공정을 통해 제조된 헤인즈 188과 비교했을 때, LPBF 공법으로 제조된 헤인즈 188 합금은 전체 온도 범위에서 우수한 기계적 특성을 나타낸다. 적층된 합금은 850°C에서 438 MPa의 항복 강도를 유지하며, 이는 문헌에 보고된 281 MPa보다 현저히 높은 수치로, 미세 조직의 정밀한 제어 덕분으로 여겨집니다.
결론:
Haynes 188의 LPBF 부품은 항복 강도 756 MPa, 인장 강도 1067 MPa, 연신율 60.2%를 기록하며 실온에서 우수한 물성을 나타냈다.
Haynes 188의 LPBF 시편은 고온에서 뛰어난 기계적 안정성(750°C에서 1.04×10⁻⁴ s⁻¹의 정상태 크리프 속도)과 강도(980°C에서 276 MPa의 항복 강도)를 유지했다.
