[논문]L-PBF 공정으로 제조된 Fe-15Cr-7Ni-3Mn 합금의 상온 및 극저온(77K) 기계적 특성

박준영; 노건우; 김정기

doi:10.5228/kstp.2024.33.1.36

L-PBF 공정으로 제조된 Fe-15Cr-7Ni-3Mn 합금의 상온 및 극저온(77K) 기계적 특성
Mechanical Properties of the Laser-powder Bed Fusion Processed Fe-15Cr-7Ni-3Mn Alloy at Room and Cryogenic Temperatures 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.33 no.1, 2024년, pp.36 - 42

박준영 (경상국립대학교 나노신소재융합공학과) , 노건우 (경상국립대학교 나노신소재융합공학과) , 김정기 (경상국립대학교 나노신소재융합공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Additive manufacturing with 3XX austenitic stainless steels has been widely investigated during a decade due to its high strength, good corrosion resistance, and fair weldability. However, in recently, Ni price drastically increased due to the high demand of secondary battery for electric mobilities. Thus, it is essential to substitute the Ni with Mn for reducing stainless steels price. Meanwhile, the chemical composition changes in stainless steels not only affect to its properties but also change the optimal processing parameters during additive manufacturing. Therefore, it is necessary to optimize the processing parameters of each alloy for obtaining high-quality product using additive manufacturing. After processing optimization, mechanical properties and microstructure of the laser-powder bed fusion processed Fe-15Cr-7Ni-3Mn alloy were investigated in both room (298 K) and cryogenic (77 K) temperatures. Since the temperature reduction affects to the deformation mechanism transition, multi-scale microstructural characterization technique was conducted to reveal the deformation mechanism of each sample.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1 (a) Initial morphology; (b) particle size distribution histogram of Fe-15Cr-7Ni-3Mn prealloyed powders
표 Table 1 Chemical composition of initial powder (wt.%)
그림 Fig. 2 Summarization of the (a) relative density; (b) hardness distributions of the L-PBF processed 1573
그림 Fig. 3 Comparison between the experimental and RSM predicted values of the L-PBF processed 1573: (a) relative density; (b) hardness
그림 Fig. 4 Schematic of (a) rod-shaped samples manufactured by L-PBF; (b) the ASTM E8/E8M sub-sized tensile specimen
표 Table 2 Summarization of the optimized L-PBF processing parameters for 1573
그림 Fig. 5 IPF, phase, and KAM maps of the L-PBF processed 1573
그림 Fig. 6 Representative (a) engineering stress-strain curves; (b) strain-hardening rate curves of the tensile tested 1573 samples under RT and CT
그림 Fig. 7 IPF, phase, and KAM maps of tensile deformed 1573
표 Table 3 Mechanical properties of the L-PBF processed 1573 under RT and CT
그림 Fig. 8 The representative TEM bright-field micro-graphs of the 1573: (a) RT; (b) CT

AI 본문요약
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문제 정의

하지만 언급이 되었듯이 2XX계 스테인리스 강의 경우 적층제조 공정최적화 및 물성 평가에 대한 연구가 제한적으로 되었기에 극저온 물성에 대한 평가 역시 부족한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 L-PBF 공정이 적용된 Fe-15Cr-7Ni-3Mn 합금의 상온 및 극저온 환경에서의 미세조직 변화와 기계적 특성에 대해 분석하였다.

제안 방법

각 환경에서의 미세조직 및 상 변화가 물성에 미치는 영향을 확인하기 위해 Electron backscatter diffraction (EBSD; C-Nano, Oxford Instruments, UK) 분석을 수행했으며, 인장시험 중 온도 변화에 따른 전위 거동 차이를 확인하기 위해 Transmission electron microscope (TEM; TF30ST, FEI, USA) 관찰을 실시하였다. 이 때, TEM 관찰을 위한 시험편은 각 인장시험편의 고변형부에서 Focused Ion Beam (FIB; AMBER-G, Tescan, Czech Republic)을 이용해 가공하였다.
본 연구에서는 반응표면분석법을 통해 1573 시험 편의 L-PBF 공정조건 최적화를 수행하였으며, 최적 조건으로 조형된 합금의 미세조직과 기계적 특성 사이의 상관관계를 분석하였다. 상기의 시험분석 결과, 하기와 같은 결론을 도출할 수 있었다.
12°로 오차 범위 내에 있으므로 큰 차이를 나타내지 않는다. 상기 결과를 통해 1573 소재에서 온도 변화에 따른 전위 거동 차이가 나타날 것으로 예상되지만, SEM 기반 분석에서는 전위 거동에 대한 정확한 분석에 한계가 있음을 알 수 있으므로 전위 변형거동 차이를 명확히 확인하기 위해 TEM 관찰을 실시하였다.
향후 설명의 편의성을 위해 본문의 Fe-15Cr-7Ni-3Mn은 “1573”으로 표현하였다

대상 데이터

본 연구에서는 가스분사법으로 제조된 Fe-15Cr-7Ni-3Mn 합금분말 (MK metal, Korea)을 사용하였고, 합금 분말의 조성은 Table 1에 나타냈다. 향후 설명의 편의성을 위해 본문의 Fe-15Cr-7Ni-3Mn은 “1573”으로 표현하였다.

이론/모형

Fig. 2는 각 L-PBF 공정조건에 따른 상대밀도와 경도분포를 나타내며, 상대적으로 높은 상대밀도와 경도를 나타낸 Laser power 160~1800 W, Scan speed 800~900 mm/s 영역에서 Minitab 프로그램의 중심 합성 계획법 (Central composite method, CCM)을 이용한 반응표면분석법을 실시하였다. Fig.

성능/효과

(1) 반응표면분석법을 활용해 CCM 모델을 구성한 결과, 실험치와 3% 이하의 오차를 보임을 확인할 수 있다. 상기 모델을 이용해 L-PBF 공정으로 제조된 1573 합금의 최적 공정조건은 Laser power = 160 W, Scan speed = 800 mm/s로 도출되었다.
Fig. 3는 반응표면분석법을 통해 예측된 값과 실험값을 대조한 결과로 3% 이하의 오차를 나타내 해당 모델이 적합한 것을 확인했다. 이에 본 모델을 기반으로 상대밀도와 경도를 종속변수로 설정하고, Laser power와 Scan speed를 독립변수로 설정하여 상대밀도는 99.
7은 1573의 인장 변형 후 EBSD 분석결과를 나타낸다. 그 결과, RT와 CT 환경 모두 인장방향을 따라 결정립 연신이 발생함을 확인할 수 있다. 또한, KAM map 분석 시 결정립 내부와 결정립계에 변형이 고르게 분포하는 것을 확인할 수 있는데, 평균 KAM의 역시 RT: 1.
8(b)의 CT 환경에서 인장 변형된 1573 시험편에서는 온도 감소의 효과로 cross-slip이 억제되어 상대적으로 많은 planar slip trace가 관찰되며, 제한된 전위의 움직임으로 인해 직선형의 전위 형태가 관찰된다[24, 25]. 따라서, 1573 합금의 TEM 분석 결과를 통해 온도 감소에 따라 cross-slip 빈도가 감소하고 planar slip의 비율이 증가하는 등 전위 움직임의 차이가 발생함을 확인할 수 있었고, 해당 전위 거동에 차이에 의해 온도에 따른 물성 변화가 발생함을 예상할 수 있었다.
이에 맞추어 최근 2XX계 스테인리스강을 적층제조 공정에 적용했을 때 물성 변화에 대한 연구 역시 일부 수행되었다[18-20]. 첫번째로 EBM 공정을 적용할 경우, 기존 공정에 준하는 기계적 특성을 나타낼 뿐 만 아니라 일부 적층제조 후 결함 (공공, 미용융분말)이 있음에도 물성 저하가 크지 않음을 확인했다[18, 19]. 또한, Laser powder bed fusion (L-PBF) 공정으로 제작된 15Cr-6Ni-6Mn 강은 상온에서도 기존 3XX계 스테인리스강에서는 보고되지 않았던 변형유기 상변태 (Transformation-induced plasticity)가 발생하고, 이에 따른 물성의 향상이 일어남을 확인하였다[20].

후속연구

다만, 현재까지의 결과는 단상의 BCC 구조를 갖는 소재에 국한하여 분석되었으므로 향후 2XX계 스테인리스강 기반 적층제조 공정 결과에 대한 타당성 검토를 위해서는 다상의 구조를 갖은 철강소재에 대한 추가적인 가공 및 검증이 필요할 것으로 예상된다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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