[논문 리뷰] Harnessing metastability for grain size control in multiprincipal element alloys during additive manufacturing

Akane Wakai, Jenniffer Bustillos외 5명|arXiv (Cornell University)|2024. 05. 06.

Additive Manufacturing Materials and Processes인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 적층 제조를 위한 FeMnCoCr 다중주요 원소 합금(MPEAs)에서 Mn 농도를 증가시켜 유도된 비정상 상태를 활용하여 열처리에 의한 결정립 성장 억제와 심한 결정립 미세화를 달성하는 새로운 합금 설계 전략을 제시한다. 조성에 의한 상 안정성 조절을 통해 응고 공학을 통한 정밀한 미세구조 제어가 가능해지며, 적층 제조된 MPEAs에서 조절 가능한 결정립 크기 확보를 위한 길을 제시한다.

ABSTRACT

Controlling microstructure in fusion-based metal additive manufacturing (AM) remains a challenge due to numerous parameters directly impacting solidification conditions. Multiprincipal element alloys (MPEAs) offer a vast compositional design space for microstructural engineering due to their chemical complexity and exceptional properties. Here, we establish a novel alloy design paradigm in MPEAs for AM using the FeMnCoCr system. By exploiting the decreasing phase stability with increasing Mn content, we achieve notable grain refinement and breakdown of columnar grain growth. We combine thermodynamic modeling, operando synchrotron X-ray diffraction, multiscale microstructural characterization, and mechanical testing to gain insight into the solidification physics and its ramifications on the resulting microstructure. This work paves way for tailoring grain sizes through targeted manipulation of phase stability, thereby advancing microstructure control in AM.

연구 동기 및 목표

• 복잡한 합금의 융합 기반 적층 제조에서 지속적인 미세구조 제어 과제를 해결하기 위해.
• 다중주요 원소 합금(MPEAs)에서 조성 복잡성이 응고 거동과 결정립 구조를 어떻게 조절하는지 탐구하기 위해.
• 제어된 Mn 농도 변화를 통한 비정상 상태 활용을 통해 MPEAs의 결정립 크기 공 ingeneering을 위한 새로운 설계 범주를 수립하기 위해.
• 현장 및 다스케일 특성 분석을 통해 적층 제조 공정을 거친 MPEAs에서 열역학적 안정성, 응고 역학, 그리고 최종 미세구조 간의 연관성을 규명하기 위해.

제안 방법

• FeMnCoCr MPEAs에서 다양한 Mn 농도에 따른 상 안정성 경향을 예측하기 위해 열역학 모델링을 수행하였다.
• 레이저 용융 중 실시간 응고 역학과 상 변화를 캡처하기 위해 현장에서의 동기광 원자선 회절을 실시하였다.
• 전자 배경 산란 회절, 전자 현미경 등을 포함한 다스케일 미세구조 분석을 수행하여 결정립 형상과 섬유조직을 분석하였다.
• 미세구조와 기계적 거동 간의 연관성을 확인하고 성능 결과를 검증하기 위해 기계적 시험을 통합하였다.
• 상 안정성 조절과 핵형성 및 결정립 성장 동역학에 미치는 영향 평가를 위해 Mn 농도를 체계적으로 변화시켰다.
• 실험적 관찰 결과를 열역학 예측과 연관지어, 적층 제조 MPEAs에서의 결정립 크기 제어를 위한 설계 규칙을 수립하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FeMnCoCr MPEAs에서 적층 제조 중 Mn 농도 증가가 상 안정성과 응고 거동에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 비정상 상 형성이 열거된 결정립 성장 억제와 균일한 결정립 핵형성 촉진에 활용될 수 있는가?
• RQ3 AM 가공 조건 하에서 상 안정성 경향과 미세구조 진화 간의 관계는 어떠한가?
• RQ4 MPEAs에서 Mn의 조성 조절을 통해 어느 정도까지 결정립 크기를 조절할 수 있는가?
• RQ5 현장에서 관측된 응고 역학이 최종 미세구조와 결정립 형상과 어떻게 관련되는가?

주요 결과

• FeMnCoCr MPEAs에서 Mn 농도를 증가시키면 상 안정성이 감소하여 응고 중 비정상 상 형성이 촉진된다.
• 비정상 상으로의 전이가 열거된 결정립 성장을 억제하고 심한 결정립 미세화를 이끌어낸다.
• 현장에서의 동기광 원자선 회절 분석을 통해 비정상 상 핵형성이 응고 초기에 급속히 발생하며, 이는 결정립 미세화와 동시에 발생하는 것으로 확인되었다.
• 미세구조 분석 결과, 높은 Mn 농도에서 열거된 결정립에서 균일한 결정립으로의 전환이 확인되어 효과적인 핵형성 촉진이 이루어졌음을 입증하였다.
• 기계적 시험 결과, 미세한 결정립 구조에서 높은 강도와 연성 향상이 관찰되어 이 방법의 성능 이점이 검증되었다.
• 본 연구는 조성 조절을 통한 Mn 농도 조절과 적층 제조 MPEAs에서의 제어 가능한 결정립 크기 간의 직접적인 연관성을 확립하였다.