[논문 리뷰] In situ and Operando X-ray Imaging of Directed Energy Deposition Additive Manufacturing

Yunhui Chen, Samuel J. Clark외 11명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 16.

Additive Manufacturing Materials and Processes인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 스테인리스 스틸(스스316)과 티타늄 합금(Ti6242)의 Directed Energy Deposition Additive Manufacturing(DED-AM) 중 융점 풀 역학과 기포 형성 메커니즘의 근본적인 차이를 규명하기 위해 현장 및 작동 중 시린트론 X선 단층촬영을 사용한다. 연구는 티타늄에서 빌드 품질을 저하시키는 고유한 세 가지 메커니즘—분말 소결, 낮은 융착성, 기포 밀어내기—를 규명하며, 이들 메커니즘을 공정 매개변수와 미세구조 결함과 직접적으로 연결한다.

ABSTRACT

The mechanical performance of Directed Energy Deposition Additive Manufactured (DED-AM) components can be highly material dependent. Through in situ and operando synchrotron X-ray imaging we capture the underlying phenomena controlling build quality of stainless steel (SS316) and titanium alloy (Ti6242 or Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo). We reveal three mechanisms influencing the build efficiency of titanium alloys compared to stainless steel: blown powder sintering; reduced melt-pool wetting due to the sinter; and pore pushing in the melt-pool. The former two directly increase lack of fusion porosity, while the later causes end of track porosity. Each phenomenon influences the melt-pool characteristics, wetting of the substrate and hence build efficacy and undesirable microstructural feature formation. We demonstrate that porosity is related to powder characteristics, pool flow, and solidification front morphology. Our results clarify DED-AM process dynamics, illustrating why each alloy builds differently, facilitating the wider application of additive manufacturing to new materials.

연구 동기 및 목표

• 다른 재료에서 DED-AM의 융점 풀 역학과 결함 형성에 영향을 주는 기본 물리적 메커니즘을 이해하는 것.
• 특히 Ti6242와 같은 고가치 합금에 대해 DED-AM의 공정-구조-성능 관계에 대한 기본적 통찰의 부족을 해결하는 것.
• 티타늄 합금이 DED-AM에서 스테인리스 스틸보다 더 높은 기포율과 낮은 빌드 효율을 보이는 이유를 명확히 하는 것.
• 분말 특성, 융점 풀 유동, 응고 front 형태를 기포 형성과 미세구조 품질과 연결하는 것.
• 실시간 현장 현상의 규명을 통해 신소재에 대한 데이터 기반 DED-AM 공정 최적화를 가능하게 하는 것.

제안 방법

• 다이아몬드 라이트 소스의 제3세대 시린트론 원천인 I12 JEEP 비임선에서 시간 해상도가 높은 현장 및 작동 중 X선 단층촬영을 수행하였다.
• 스스316과 Ti6242에 대해 산업 규모의 DED-AM 시스템에서 실험하여 다층 구조물 제작 중 고속(200 fps) X선 영상을 촬영하였다.
• 단층촬영도에서 융점 풀 기하학적 치수(길이, 깊이, 부피)를 측정하였으며, 부피는 스테인리스 스틸의 경우 타원형 뚜껑 형태로 계산하고, 티타늄 합금의 경우 형태 기반 추정을 실시하였다.
• 시간 순서의 단층촬영도와 보조 영상 자료를 활용해 분말 소결, 융점 풀 유동, 기포 이동 등의 동적 현상을 분석하였다.
• 관측된 융점 풀 거동 및 결함 형성과 레이저 출력 밀도, 스캔 속도, 분말 공급률 간의 상관관계를 분석하였다.
• 고해상도의 공간 및 시간적 해상도를 갖춘 X선 영상으로 투명하지 않은 금속 시료를 관통하여 실시간으로 일시적인 현상을 시각화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스스316와 Ti6242의 DED-AM에서 융점 풀 형성과 진화를 지배하는 주요 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 분말이 공기로 날려오는 과정에서의 소결 현상은 티타늄 합금의 융점 풀 융착성과 결합 부족 기포 형성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 트랙 종료 부근의 기포 형성 원인은 무엇이며, 융점 풀 유동성 및 기포 역학과의 관계는 어떠한가?
• RQ4 분말 특성과 공정 매개변수의 변화는 DED-AM에서 기포 형성과 응고 전면 형태에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 티타늄 합금이 DED-AM에서 스테인리스 스틸보다 낮은 빌드 효율과 높은 결함 발생률을 보이는 이유는 무엇이며, 그 배경 메커니즘은 무엇인가?

주요 결과

• 분말이 날려오는 과정에서 티타늄 합금(Ti6242)에서 융점 풀 앞뒤로 분말 소결 현상이 발생하며, 이는 결합 부족 기포 형성의 직접적 원인이 된다. 이 현상은 스테인리스 스틸(Ss316)에서는 관찰되지 않는다.
• 소결된 분말 층으로 인한 융점 풀 융착성 저하로 티타늄 합금에서 빌드 품질이 심각하게 악화되며, 기포율 증가와 계면 결합 감소가 발생한다.
• Ti6242의 기포들은 융점 풀 대류에 의해 활발히 이동하며, 이는 트랙 종료 부근의 기포 형성으로 이어지며, 이는 스테인리스 스틸에서는 관찰되지 않는 고유한 메커니즘이다.
• 스스316의 융점 풀 부피는 시험된 조건 범위에서 0.49~4.8 mm³이며, 융점 풀 길이와 깊이는 각각 1832–3000 µm 및 447–1187 µm 범위에서 변동한다.
• Ti6242의 경우 융점 풀 길이는 148–576 µm, 깊이는 18–189 µm 범위에서 변동하며, 이중 피크 형태를 띠어 정확한 부피 추정이 곤란하다.
• 스스316에서의 기체 기포 형성은 시간 순서의 단층촬영에서 기록된 기포 유동 경로를 통해 응집된 분말 입자에 의해 갇힌 기체가 유입되는 방식으로 발생한다.