[논문 리뷰] Additive Manufacturing of Nickel Based Superalloy

Apoorv Kulkarni|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 14.

Additive Manufacturing Materials and Processes참고 문헌 6인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 전자빔 용융(EBM), 레이저빔 용융(LBM), 및 직접 에너지 증착(DED) 기법을 사용한 니켈 기반 니켈계 초합금의 적층 제조(3D 프린팅)를 검토한다. 결과로 나타나는 미세구조, 물성 및 성능을 분석하며, 고성능 응용 분야에서의 방향성 응고 및 열 사이클링이 재료 거동에 미치는 영향을 강조한다.

ABSTRACT

This paper reviews the use of relatively new manufacturing method called as additive manufacturing, most often mentioned as 3D printing in fabrication of high performance superalloys. The overview of the article describes the structure, property, processing, performance relationship of the fabrication process and the superalloys. The manufacturing methods such as Electron Beam Melting, Laser Beam Melting and Direct Energy Deposition used to fabricate commercially available alloys are explained. The microstructure / grain structure resulting from directional building, complex thermal cycles is discussed. An overview of the properties of the superalloys and their performance as well as applications is presented.

연구 동기 및 목표

• 적층 제조된 니켈 기반 니켈계 초합금의 구조-물성-공정-성능 관계를 분석하기 위해.
• 주요 적층 제조 기법인 전자빔 용융(EBM), 레이저빔 용융(LBM), 및 직접 에너지 증착(DED)이 상용 초합금에 미치는 효과를 평가하기 위해.
• 적층 제조 중 방향성 축적과 복잡한 열 사이클링이 유도하는 미세구조의 진화를 이해하기 위해.
• 적층 제조된 초합금의 기계적 성질, 성능 및 실제 응용을 평가하기 위해.
• 항공우주 및 에너지 응용 분야에서 고성능 초합금의 적층 제조 분야에서 현재의 최첨단 기술 수준에 대한 종합적 개요를 제공하기 위해.

제안 방법

• 니켈 기반 니켈계 초합금의 적층 제조에 관한 기존 문헌 및 실험 데이터에 대한 체계적 검토.
• 적층 제조 공정에서의 층별 증착 과정 동안의 열 사이클 및 응고 역학 분석.
• 적층 제조 부품에서의 미세구조적 특징(예: 결정립 구조, 기둥상 성장, 결함 형성)에 대한 검토.
• 처리 조건과 최종 재료 특성에 기반한 EBM, LBM 및 DED 등의 다양한 적층 제조 기법 간 비교.
• 출판된 연구 및 실험 결과에서 확보한 데이터를 활용한 기계적 및 성능 특성 평가.
• 처리 조건에서 미세구조 및 최종 부품 성능으로 이어지는 통합적 프레임워크 구축.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 적층 제조 공정(EPM, LBM, DED)이 니켈 기반 니켈계 초합금의 미세구조에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 방향성 응고 및 열 사이클링은 적층 제조된 초합금의 결정립 구조 및 결함 형성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 적층 제조된 니켈 기반 니켈계 초합금의 기계적 성질은 기존 공정 방식에 비해 어떻게 비교되는가?
• RQ4 적층 제조된 초합금 부품에서의 주요 성능 제한 요인과 고장 메커니즘은 무엇인가?
• RQ5 항공우주 및 에너지 시스템에서 적층 제조된 니켈 기반 니켈계 초합금의 현재 및 발전 중인 응용 분야는 무엇인가?

주요 결과

• 전자빔 용융 및 레이저빔 용융과 같은 적층 제조 공정은 높은 열 기울기와 급속 응고로 인해 미세한 기둥상 결정립 구조를 생성한다.
• 층별 증착 과정 중의 복잡한 열 사이클링은 잔류 응력과 고체화된 미세구조 내 국소성 분포를 유도할 수 있다.
• 다공성 및 결합 불량과 같은 결함은 흔히 발생하며, 특히 피로 및 크립 저항성에 심각한 영향을 미친다.
• 적층 제조 초합금의 최종 미세구조는 레이저 출력, 스캔 속도 및 헛치 간격과 같은 공정 조건에 크게 의존한다.
• 도전 과제가 있음에도 불구하고, 적층 제조된 니켈 기반 니켈계 초합금은 경쟁 가능한 기계적 성질을 보이며 항공기 고온 부품에 점점 더 널리 사용되고 있다.
• 직접 에너지 증착은 큰 복잡한 부품의 근접 네트 샤프트 제조를 가능하게 하지만, 분말 베드 방법 대비 더 거친 미세구조를 가진다.