[논문 리뷰] Effect of homogenization on precipitation behavior and strengthening of 17-4PH stainless steel fabricated using laser powder bed fusion

Kun Li, Soumya Sridar외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 12.

Additive Manufacturing Materials and Processes인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 레이저 풍선 베드 퓨전(17-4PH 스테인리스 스틸)으로 제조된 17-4PH 스테인리스 스틸에서 침전 거동과 기계적 성질을 최적화하기 위해 1050 °C에서 0.5, 1, 2, 4시간 동안 동질화 처리를 실시한 후 482 °C에서 1시간 동안 노화 처리하는 후열처리를 조사한다. 1시간 동안의 동질화 처리는 마르텐사이트와 이전 옥시드의 결정립을 미세화하고, 비일치성 ε-Cu 침전상을 용해시키며, 공존성 Cu 농축 클러스터의 재침전을 가능하게 하여 기존에 처리된 17-4PH 스틸보다 뛰어난 인장 강도와 연성 향상을 이룬다.

ABSTRACT

Effective post-heat treatment is critical to achieve desired microstructure for high-performance in additively manufactured (AM) components. In this work, the influence of homogenization on microstructure-property relationship in 17-4PH steels has been investigated. Precipitation of NbC, oxides, and ε-Cu were observed in the as-built 17-4PH steels. To design an optimum post-heat treatment, homogenization was performed at 1050oC for different times followed by aging at 482oC for 1 hour. It was identified that homogenization for 1 hour followed by aging leads to the best combination of strength and ductility due to the refinement of martensite and prior austenite grains. Improved tensile properties were achieved for the post-heat-treated alloys that exceeded the traditionally fabricated 17-4PH steels. Through comprehensive microstructure characterization, it was deduced that the incoherent ε-Cu precipitates in the as-built alloy were dissolved through homogenization, and subsequently, re-precipitated as coherent Cu-rich clusters during aging. This study demonstrates that altering the precipitation behavior using post-heat treatment is an effective pathway to significantly improve the mechanical properties of AM alloys.

연구 동기 및 목표

• 적층 제조된 17-4PH 스테인리스 스틸에서 동질화의 영향을 침전 거동에 대해 이해하는 것.
• 마이크로구조의 미세화와 기계적 성능 향상을 향상시키는 최적의 후열처리 조건을 규명하는 것.
• 제어된 열처리를 통해 기존에 처리된 17-4PH 스틸보다 뛰어난 인장 성질을 확보하는 것.

제안 방법

• 17-4PH 스테인리스 스틸 부품은 레이저 풍선 베드 퓨전(LPBF)을 사용하여 제조되었다.
• 비일치성 침전상을 용해하기 위해 1050 °C에서 0.5, 1, 2, 4시간 동안 동질화 처리를 실시하였다.
• 이후 노화 처리는 482 °C에서 1시간 동안 수행되어 강화 상의 재침전을 촉진하였다.
• 마이크로구조 분석은 전자 반사 회절(EBSD), 투과형 전자 현미경(TEM), 에너지 분산형 X선 분석(EDS)을 통해 수행되었다.
• 기계적 성질 평가를 위해 인장 시험을 실시하였으며, 항복 강도와 연성 등을 측정하였다.
• 열처리 조건에 따른 NbC, 산화물 및 ε-Cu 상의 변화를 추적하여 침전 거동을 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 1050 °C에서의 동질화 시간이 LPBF로 제조된 17-4PH 스틸의 마이크로구조적 진화에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 동질화가 비일치성 ε-Cu 침전상을 용해시키고, 노화 중에 공존성 Cu 농축 클러스터 형성에 기여하는 역할은 무엇인가?
• RQ3 마르텐사이트와 이전 옥시드의 결정립 미세화가 후열처리된 17-4PH 스틸의 인장 성질에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 동질화 및 노화 처리를 통한 후열처리가 기존에 처리된 17-4PH 스틸의 기계적 성능을 초월할 수 있는가?
• RQ5 적층 제조된 17-4PH 스틸에서 침착 거동과 최종적으로 나타나는 강도-연성 균형 간의 관계는 무엇인가?

주요 결과

• 1050 °C에서 1시간 동안의 동질화 처리 후 482 °C에서 1시간 동안의 노화 처리 조건이 강도와 연성의 최적 균형을 이룩하였다.
• 마르텐사이트와 이전 옥시드의 미세한 결정립 구조가 인장 성질 향상과 직접적인 관련이 있었다.
• 제조 후 상태에서 존재하던 비일치성 ε-Cu 침전상은 1시간 동안의 동질화 처리 중에 완전히 용해되었다.
• 노화 중에 공존성 Cu 농축 클러스터가 재침전되어 강화에 크게 기여하였다.
• 후열처리를 거친 LPBF 17-4PH 스테인리스 스틸의 인장 강도와 연성이 기존에 처리된 17-4PH 스틸보다 뛰어났다.
• 포괄적인 마이크로구조 분석을 통해 동질화가 비일치성 침전에서 공존성 침전으로의 전이를 가능하게 하여 기계적 성능 향상이 이루어짐을 확인하였다.