EBSM 매개변수가 티타늄의 미세구조와 피로 강도에 미치는 영향

전자빔 선택적 용융(EBSM) 공정에서, 빔 에너지와 스캔 속도는 용융 풀과 냉각 속도를 변화시키며, 이는 다시 Ti-6Al-4V의 마르텐사이트, 층상 상 및 경도를 제어합니다. 적층 방향, 기공률 및 후처리 과정 또한 피로 거동에 영향을 미칩니다. 아래에 소개된 연구들은 이러한 공정 선택 사항과 미세구조 및 기계적 거동 간의 관계를 밝히고 있습니다.

공정 파라미터가 티타늄 미세구조에 미치는 영향

한 연구에서는 입자 크기가 74~147 μm인 가스 분무 방식의 사전 합금 처리된 Ti-6Al-4V 분말을 사용했다. S자형 스캔 경로와 0.1mm 두께의 레이어를 사용하여, 두께 10mm의 316L 스테인리스강 판 위에 20mm × 20mm × 8mm 크기의 시편을 제작했습니다. 예열을 통해 전자빔 충돌에 대한 분말의 내성이 향상되었으며, 분말 분출 및 스패터가 감소했습니다. 판재는 10 m/s 및 20 mA 조건에서 6분 동안 예열되었습니다. 분말 예열에는 5 m/s 속도로 20회 스캔을 수행했으며, 빔 전류는 1 mA에서 20 mA로 점차 증가시켰습니다.

전자빔 선택적 용융 공법은 재료를 층층이 쌓아 올립니다. 용융 풀은 고온에 도달한 후 급속히 냉각되는 반면, 이미 응고된 재료는 반복적으로 재가열됩니다. 급속 냉각으로 인해 β 상이 준안정적인 미세 침상 α’ 마르텐사이트로 변환됩니다. 이후 열 사이클링을 통해 마르텐사이트의 일부가 가늘고 거친 층상 α+β로 분해됩니다. X선 회절 분석 결과 뚜렷한 β 피크가 나타나 마르텐사이트의 분해를 확인해 줍니다. 최종 조직에는 미세한 침상 마르텐사이트, 가느다란 층상 α, 그리고 거칠고 짧은 층상 α가 포함되어 있습니다.

1. 초기 응고: 액체 → β.
2. 변태 온도를 통과하며 급속 냉각: β → α’.
3. 후속 층 형성 시 재가열: α’ → α+β.

에너지 밀도 P/v는 마르텐사이트 영역과 가느다란 라멜라 α에 큰 영향을 미칩니다. 에너지가 높을수록 풀이 더 깊고 넓어지며, 마르텐사이트 영역이 더 높아지고, 기전 β 기둥상 결정립이 더 거칠어집니다. 미세 마르텐사이트는 300°C 이상에서 강하게 분해됩니다. 재가열 시 에너지가 클수록 위드만슈타텐(Widmanstatten) 및 바스켓위브(basketweave) 구조로의 변태가 촉진되고, 층상 α의 입자가 굵어집니다. 유사한 에너지 밀도에서 스캔 속도가 빠를수록 냉각 속도가 증가하고 마르텐사이트 영역의 높이가 커집니다.

• P/v 값이 0.24, 0.48, 0.72, 0.3, 0.6, 0.9에서 α’ 판의 폭은 0.1~1 μm였으며, 판 사이의 잔류 β는 약 20 nm였고, 마르텐사이트 영역의 높이는 7~10 층이었다. 프라이어-β 기둥의 폭은 10~100 μm였다. 층상 α의 폭은 1~2 μm였으며, 서로 다른 방향을 가진 군집과 위드만슈타텐 구조의 특징인 연속적인 결정계면 석출물을 형성했다.
• P/v 값이 0.48, 0.96, 1.44 및 0.6, 1.2, 2.4일 때, 마르텐사이트 영역은 22~25층으로 증가했습니다. Prior-β 기둥의 폭은 100~400 μm였으며, 전체 침전층을 가로지르고 있었다. 라멜라형 α는 2~4 μm로 굵어졌으며, 위드만슈타텐 구조와 바스켓위브 구조가 공존했다.

적층 방향

또 다른 연구에서는 Arcam Q10을 사용하여 25~100 μm 크기의 가스 분무식 구형 Ti-6Al-4V 분말을 활용해, 수평 판에 대해 90°, 60°, 30° 및 0° 각도로 60 mm × 60 mm × 7 mm 크기의 판을 제작했다.

90°, 60°, 30°에서 미세한 침상 α’가 선행 β 기둥 경계 양쪽을 따라 침전되어, 서로 얽힌 바구니 짜임새 형태의 위드만슈타텐 구조를 형성했다. 각도가 줄어들수록 마르텐사이트의 폭은 증가했다. 0° 플레이트에는 미세한 침상 α’가 존재하지 않았다. 대신, 동일한 배향의 길쭉한 β 결정계면에서 띠 모양의 α가 석출되어 평행한 군집을 형성했다. 이 3~8 μm 크기의 α 띠들은 층상 구조를 형성했다. 각도가 낮아질수록 층당 스캔 면적과 베이스플레이트와의 접촉 면적이 모두 증가하여, 냉각 속도와 과냉각이 감소했다. 결정화가 느려지고, α의 형태가 침상형에서 띠 모양으로 넓어졌으며, 구조 밀도가 감소했다.

조형 면적, 상분율 및 경도

적층 영역에 대한 연구에서는 주로 70~80 μm 크기의 40~105 μm Ti-6Al-4V 분말을 사용했으며, 빔 출력은 3,000 W, 스캔 속도는 1,000 mm/s, 적층 두께는 0.1 mm로 설정했다. 적층 면적이 0.5π mm에서 12.5π mm로 증가함에 따라², SEM 이미지에서는 밝은 β 매트릭스 영역이 줄어들고 어두운 α 영역이 늘어나는 것이 관찰되었다.

단면 주변의 0.5π, 2.0π, 12.5π, 32π 및 50π mm 면적에 대해 미세경도를 측정하였다.². 강화용 α의 함량이 증가함에 따라 경도는 0.5π에서 약 368 HV에서 50π에서 약 450 HV로 상승했다. 기존 방식으로 제조된 Ti-6Al-4V 주조품의 경도는 약 359 HV로 보고된 바 있다.

열간 등방압 프레싱과 피로

가스 분무법으로 제조된 50~100 μm 크기의 Ti-6Al-4V 분말을, 챔버 온도를 730°C로 유지한 상태에서 50 μm 두께의 층으로 증착하였다. 일부 시편은 910°C 및 100 MPa 조건에서 2시간 동안 고온 등방성 압축 처리를 거쳤다. 500 MPa의 인장 응력과 응력비 R=0.1 조건에서 축 방향 인장 피로 시험을 실시한 두 개의 성형 후 시편은 각각 29,863회 및 60,331회의 사이클을 견뎌냈다.

고온 등압 성형은 훨씬 더 우수한 피로 성능을 나타냈다. 600 MPa 이상의 각 강도 수준에서 5개의 시편을 시험했으며, 575 MPa 및 550 MPa 수준에서는 각각 1개의 시편을 시험했다. 편차는 여전히 컸는데, 750 MPa에서는 수명이 2차수 차이로 나타났고, 650 MPa에서는 2개의 시편이 1 × 10을 초과했다.⁷ 사이클을 수행한 반면, 하나는 1.1 × 10에서 실패했다⁵.

SEM 분석 결과, 고온 등방성 압축 공정을 통해 제조 결함이 제거된 것으로 나타났다. 대부분의 균열은 표면에서 발생했으며, 수명이 짧은 모든 시편에서 균열은 표면에서 시작되었다. 고주파 피로 시험에서는 비가역적인 주기적 지속 미끄러짐이 축적되어 기계적 미세균열을 생성하고, 이들이 서로 연결되어 피로 균열을 형성한다. 균열 발생은 일반적으로 전체 수명의 95% 이상을 소모한다.

σ에서_max=750 MPa 및 N_f=6.7 × 10⁴, 이 균열에는 개시 구역, 전파 구역, 최종 과부하 구역이 포함되어 있었다. 표면의 점원으로부터 방사형 무늬가 나타났다. 피로 줄무늬는 균열 진행 방향과 수직이었으며, 국부적으로는 연속적이고 평행하게 나타났었다. 이 단계에서 계산된 균열 진행 속도는 3.8 × 10^-7 m/s. 최종 파단부로 넘어가는 부분에서는 줄무늬와 움푹 들어간 자국이 혼합된 파단 양상이 관찰되었으며, 최종 파단부에서는 전단 립과 등축형 움푹 들어간 자국이 나타났습니다.

다공성 Ti-6Al-4V 격자의 피로 현상

Li와 동료들은 60%-85% 기공 구조를 가진 Ti-6Al-4V 격자 배열의 압축 피로 현상을 연구했다. 평균 직경이 30 μm인 사전 합금 분말을 ARCAM 시스템에서 650°C로 예열했다. 마름모꼴-십이면체 격자의 밀도는 1.68, 1.12, 0.91 및 0.73 g/cm³이었다.³, 이는 각각 62.0%, 74.7%, 79.5% 및 83.5%의 다공도에 해당한다. 압축 강도는 밀도가 높아짐에 따라 증가했다. 많은 금속 격자와는 달리, 이 배열들은 항복 직후 최대 응력에 도달한 뒤, 추가 압축 과정에서 뚜렷한 변동을 보였다.

피로로 인해 점진적인 변형 누적과 단축이 발생했다. 변형-사이클 곡선은 세 단계로 나뉘었는데, 첫 몇 사이클(N<100) 동안의 급격한 누적, 거의 일정하게 낮은 수준에서 장기간 지속되는 누적, 그리고 갑작스러운 변형 지점 N 이후의 급격한 누적 단계였다._c. N_c 응력이 증가함에 따라 감소했기 때문에, 생명은 주로 두 번째 단계에 의해 지배되었다. 래칭 속도 dε/dN은 가해진 응력과 상대 밀도에 매우 민감했으며, 가해진 응력이 낮고 밀도가 높을수록 속도가 낮아졌다.

모든 밀도에서 유사한 주기적 거동을 나타냈다. 히스테리시스 루프가 변형률 축을 따라 점진적으로 이동하여 주기적 래칫 현상이 확인되었다. 1단계와 2단계에서는 변형이 균일하게 나타났다. N 이후_c, 이는 하중 방향에 대해 45°를 이루는 심하게 압축된 띠 모양으로 국한되었습니다. SEM 단면 분석 결과, 1단계에서는 형태학적 변화가 없었으나, 그 후 N 부근의 스트럿에 균열이 발생했습니다._c, 광범위한 균열 및 부러진 스트럿.

다공성 Ti2448의 초탄성 및 피로 특성

Liu와 동료 연구진은 전자빔 용융 β형 Ti2448의 기공률이 초탄성, 영률, 압축 강도 및 피로에 어떤 영향을 미치는지 연구했다. 또한 결정립 방향 불일치와 균열 편향 현상도 조사했다.

초탄성은 다공도와 인장-압축 응력 비가 증가함에 따라 커졌다. EBSM 공정을 통해 크기가 서로 다른 결정립과 강한 방향 불일치가 형성되었으며, 피로 균열은 기둥상 결정립 경계에서 편향되었다. Ti-6Al-4V와 비교했을 때, Ti2448은 초탄성, 균열 선단 앞쪽의 더 넓은 소성 영역, 그리고 균열 편향 현상으로 인해 더 높은 정규화 피로 강도를 나타냈다.

시편에 0.5% 간격으로 총 변형률 2%-3%에 도달할 때까지 주기적인 단축 압축 하중을 가했다. 67.9%, 77.4% 및 91.2%의 다공도 시편은 모두 초탄성을 나타냈다. 3% 변형 시, 91.2% 다공성 시편은 거의 완전히 회복된 반면, 67.9% 시편은 0.5%까지만 회복되었습니다. 3%의 압축 변형률에서, 응력은 67.9% 다공성의 경우 35.8 MPa, 91.2%의 경우 7.2 MPa였습니다. 최대 인장-압축 응력비는 각각 0.21과 0.27이었다. 다공도가 높을수록 이 비율이 높아져 초탄성과 변형 용량이 향상되었다.