르네 125
Rene125 합금은 방향성 고형화된 니켈 기반 초합금으로, 고온 기계적 특성이 우수하고 내산화성이 뛰어나며 크리프 저항성이 뛰어납니다. 이러한 특성으로 인해 터빈 블레이드와 같은 항공우주 분야의 고온 부품에 특히 적합합니다. 기존의 방향성 응고 기술(DS)은 대규모 방향성 결정 구조를 제조하는 데 장점이 있지만 비용이 많이 들고 복잡합니다. 레이저 분말 베드 용융(LPBF)은 고에너지 레이저 포인트별 스캐닝과 초고속 냉각 속도를 통해 유사한 미세 구조를 구현할 수 있는 대안을 제시합니다.
이 연구에 사용된 Rene125 분말은 트루어 테크놀로지(Truer Technology Co., Ltd.)에서 제공했습니다. 이 분말은 입자 크기 범위가 15-53 μm인 가스 분무 방식으로 제조되었습니다.
| PSD 15-53um을 사용한 Rene125 분말의 SEM 이미지 |
실험 방법:
LPBF 공정 전에 분말을 130°C의 오븐에서 2시간 동안 건조하여 수분을 제거하고 유동성을 개선했습니다. 모든 샘플은 DS에서 준비한 단결정 기판 위에 제작되었습니다. 층 두께(30μm), 스캐닝 피치(100μm), 층간 스캐닝 각도(67°)는 일정하게 유지되었습니다. 파라미터 최적화를 위해 다양한 레이저 출력(180/240/300/360W)과 스캐닝 속도(400/500/600/700/800/900 mm/s)를 선택하여 최상의 조합을 결정했습니다. 미세 구조를 위해 8mm(길이) × 8mm(너비) × 8mm(높이) 크기의 정육면체 시편을 준비했고, 제작 방향과 평행한 30mm 길이의 인장 시편을 준비했습니다.
| LPBF 시편 및 건물 방향 |
열간 등압 프레싱(HIP)은 아르곤 분위기에서 120MPa의 일정한 압력으로 설정하고 샘플을 처리하기 위해 1050°C, 1150°C 및 1230°C의 세 가지 다른 온도를 선택하여 각각 HIP-1050, HIP-1150 및 HIP-1230으로 표시했습니다. HIP 처리 동안 가열 속도는 분당 10°C로 유지되었습니다. 목표 온도에 도달한 후 3시간 동안 등온으로 유지한 다음 퍼니스로 실온으로 냉각했습니다.
응고 균열:
| 르네 125의 LPBF 시료의 응고 균열 |
LPBF 처리된 니켈 기반 초합금에 대한 이전 연구와 일관되게, 원본 샘플의 내부 균열은 주로 응고 균열 균열로 구성됩니다. 균열 형성 메커니즘을 조사하기 위해 360W 레이저 출력과 700mm/s 스캐닝 속도로 제조된 샘플을 선택했습니다. 전형적인 응고 균열의 미세 구조는 수상 돌기 경계를 따라 과립 간 균열 특성을 나타냅니다. 균열 내부에서 명백한 1차 수상돌기와 2차 수상돌기 암 형태가 관찰되었습니다.
| EPMA 요소 분포 그림 |
EPMA 결과는 균열과 균열 팁 근처의 온전한 영역을 비교합니다. 입자 경계에서 용질 원소(Hf, Ti, Ta)의 명백한 분리는 액체 필름의 특징적인 부드러운 응고 형태를 생성합니다. 급속 응고 과정에서 입자 경계에서 저융점 유텍틱의 국부적인 용융은 열 응력 하에서 액막 파열로 이어집니다. 중첩된 용융 풀에서 발생하는 후속 열 주기는 반복되는 액화-고화 과정을 통해 균열 전파를 강화합니다.
HIP 온도가 미세 구조 진화에 미치는 영향:
| 다양한 HIP 온도에서의 미세 구조 |
HIP 처리된 샘플은 모두 300W/900mm/s의 최적의 공정 파라미터에서 제조되었습니다. 위 그림은 각각 1050°C, 1150°C, 1230°C에서 처리된 Rene125 합금 HIP의 미세 구조를 보여줍니다. 거시적 규모(300 μm)에서 1050°C-HIP 샘플은 일부 치유되지 않은 균열과 불규칙한 기공을 유지하고 있으며, 이는 확산에 의한 기공 제거 메커니즘이 이 온도에서 충분히 활성화되지 않았음을 나타냅니다. HIP 온도가 1150°C로 상승하면 기공의 수가 크게 감소하고 잔류 기공은 구형(직경 <5μm)으로 나타나 플라스틱 흐름과 확산 결합에 충분한 열 에너지가 있음을 나타냅니다. 1230°C HIP 처리에서 샘플은 거의 완전한 치밀화를 달성하고 기공이 완전히 제거되어 고온에서 벌크 확산 및 입자 경계 슬라이딩이 치밀화 과정을 지배한다는 것을 나타냅니다.
1050°C-HIP 샘플은 입자 경계에 재결정화된 입자의 핵 형성이 분명하지만, LPBF 공정 동안 원주형 입자 구조를 유지합니다. 1150°C-HIP 샘플은 등축 입자와 잔류 원주 입자의 이중 상 미세 구조를 형성하여 더 분명한 재결정을 보여줍니다. 입자 경계를 따라 풍부한 백색 침전물이 관찰됩니다. 1230°C HIP 처리 후 거의 완전한 재결정화가 이루어집니다. HIP-1230 샘플의 미세 구조는 거친 원주형 결정에서 곧은 입자 경계를 가진 등축 입자로 변형되며, 이는 고온에서 입자 경계 이동이 가속화되는 것과 일치합니다. 1150°C 조건에 비해 백색 입자 경계 침전물의 수가 현저히 감소합니다.
결론
LPBF 처리된 Rene125 합금의 균열 형성은 주로 입자 경계 응력 집중과 용융 풀 중첩 영역에서 저융점 공융상의 분리에 기인합니다. 스캐닝 속도를 높이면 키홀 모드에서 전도 모드로의 전환이 촉진되어 방향성 입자 성장이 촉진되고 균열 형성이 완화됩니다.
HIP 치료는 LPBF 동안 유지된 균열과 기공을 효과적으로 치료합니다. 1230°C HIP에서 거의 완전한 치밀화가 이루어지며, 완전한 재결정화 및 전위 밀도의 현저한 감소가 동반됩니다.
