[논문 리뷰] Icosahedral quasicrystal-enhanced nucleation in Al alloys fabricated by selective laser melting

C. Galera-Rueda, M.L. Montero-Sistiaga외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 11.

Additive Manufacturing Materials and Processes참고 문헌 48인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 ZrH2 마이크로입자 도핑된 분말을 사용하여 선택적 레이저 용융(SLM)으로 제조한 Al7075 합금에서 이코사헤드랄(quasicrystal) 강화 핵화 현상을 입증한다. 비균형 응고 조건은 초미세 등축 결정립과 높은 겹치기 경계 밀도, 오목한 대칭성을 유도하며, 이는 이전에 주조된 Al-Zn-Cr, Al-Zn-Ti 또는 Au-Ir 합금에서만 관찰된 새로운 핵화 메커니즘을 드러낸다.

ABSTRACT

Selective laser melting (SLM) is rapidly evolving to become a mainstream technology. However, the fundamental mechanisms of solidification and microstructure development inherent to the non-equilibrium conditions of this additive manufacturing method, which differ largely from those typical of conventional processing techniques, remain widely unknown. In this work, an in-depth characterization of the microstructure of Al7075 SLM processed samples, built from powder mixtures containing ZrH2 microparticles, demonstrates the occurrence of icosahedral quasicrystal-enhanced nucleation during laser fabrication. This solidification mechanism, only observed to date in cast Al-Zn and yellow gold alloys containing minute additions of Cr (Kurtuldu et al., 2013) or Ti (Chen et al. 2018), and Ir (Kurtuldu et al., 2014), is evidenced by the presence of an abnormally high fraction of twin boundaries and of five-fold orientation symmetry between twinned nearest neighbors lying within a matrix of equiaxed, randomly textured, ultrafine grains. This research attests to the wide range of possibilities offered by additive manufacturing methods for the investigation of novel physical metallurgy phenomena as well as for the design of advanced metals.

연구 동기 및 목표

• 선택적 레이저 용융(SLM)을 통해 ZrH2 마이크로입자 첨가를 거친 Al7075 합금의 미세구조 변화를 조사하기 위해.
• SLM에 내재된 비균형 조건에서 새로운 응고 메커니즘을 규명하고 특성화하기 위해.
• 이코사헤드랄 비정질 결정이 적층 제조된 알루미늄 합금에서 이종 핵화 중심으로 작용할 수 있는지 확인하기 위해.
• 적층 제조 기술이 새로운 물리적 금속학 현상의 발견 가능성을 탐색하기 위해.
• 비정질 결정 형성이 결정립 구조를 미세화하고 겹치기 경계 형성을 촉진하는 데 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• ZrH2 마이크로입자를 포함한 분말 혼합물로부터 SLM을 이용해 Al7075 시편을 제조하였다.
• 전자 회절 역행사도(EBSD)를 활용하여 결정립 형상, 텍스처 및 결정 방향 관계를 분석하였다.
• X선 회절(XRD) 및 투과전자현미경(TEM)을 사용하여 이코사헤드랄 비정질 결정의 존재를 확인하였다.
• 미세구조 특성 분석은 초미세 결정립 기질 내에서 오목한 대칭성과 높은 겹치기 경계 비율 탐지를 중심으로 수행되었다.
• SLM에서 일반적인 고속 가열 및 냉각 속도를 고려한 비균형 조건 하에서 응고 과정을 분석하였다.
• 이전에 보고된 주조된 Al-Zn-Cr, Al-Zn-Ti 및 Au-Ir 시스템에서의 비정질 결정 강화 핵화 메커니즘과의 비교를 통해 메커니즘의 타당성을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ZrH2 첨가가 있는 Al7075의 SLM 가공 중에 이코사헤드랄 비정질 결정이 형성되고 핵화 중심으로 작용할 수 있는가?
• RQ2 SLM 가공된 알루미늄 합금에서 비정질 결정 강화 핵화와 관련된 미세구조적 특징은 무엇인가?
• RQ3 비정질 결정의 존재가 비균형 응고 조건에서 결정립 미세화 및 겹치기 경계 형성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 SLM 가공된 알루미늄 합금에서 관찰된 이코사헤드랄 비정질 결정 강화 핵화 메커니즘은 주조된 Al-Zn 및 Au-Ir 시스템에서 관찰된 것과 유사한가?
• RQ5 이 메커니즘이 적층 제조를 통한 고급 알루미늄 기반 합금 설계에 미치는 함의는 무엇인가?

주요 결과

• XRD 및 TEM를 통한 확인 결과, ZrH2 마이크로입자를 첨가한 Al7075의 SLM 가공 중에 이코사헤드랄 비정질 결정이 형성되었다.
• 초미세 결정립 기질 내에서 이웃한 겹친 결정립 간에 오목한 대칭성이 관찰되었고, 겹치기 경계 비율이 높았다.
• 미세구조는 등축이며 무작위 텍스처를 띤 초미세 결정립으로 구성되어 효과적인 핵화 중심이 있음을 시사했다.
• 특징적인 오목한 대칭성과 높은 겹치기 경계 밀도 존재로 인해 비정질 결정 강화 핵화 메커니즘이 확인되었다.
• 이 메커니즘은 이전에 주조된 Al-Zn-Cr, Al-Zn-Ti 및 Au-Ir 합금에서만 보고된 바 있었으나, 본 연구에서는 SLM 가공된 알루미늄 합금에서 처음으로 관찰되었다.
• 결과적으로, 적층 제조 기술이 새로운 응고 메커니즘과 미세구조 현상의 발견을 가능하게 함을 입증하였다.