[논문 리뷰] Micro-cracking, microstructure and mechanical properties of Hastelloy-X alloy printed by laser powder bed fusion: as-built, annealed and hot-isostatic pressed

Hui Wang, Liu Chen외 8명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 22.

Additive Manufacturing Materials and Processes참고 문헌 41인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 레이저 풍선-융합된 허스텔로이-X의 as-built, 애너일링, 핫일소스틱 프레스드(HIP) 상태에서 미세균열, 미세구조 변화 및 기계적 성질을 조사한다. 열역학적 모델링과 열계산을 통해 HIP가 미세균열과 기공을 효과적으로 제거하고, 재결정화 및 침전강화를 통해 연성(13%에서 20%로 증가)과 인장강도 최대치(965 MPa에서 1045 MPa로 증가)를 크게 향상시킴을 입증한다.

ABSTRACT

This study analyses literature data to identify optimised print parameters and assesses the consolidation, microstructure, and mechanical properties of Hastelloy-X printed by laser powder bed fusion. Effects of post annealing and hot-isostatic pressing (HIP) on the microstructure and mechanical properties are also revealed. The susceptibility to the solidification cracking and the as-built microstructure such as precipitation and chemical segregation were predicted by the calculation of thermodynamics phase diagrams. The distribution of solidification cracks throughout the builds was quantified for the as-built, annealed and HIP conditions. The assessment reveals the variation of crack density towards the bottom, top and free surface of solid builds. This distribution of cracks is found to be associate with the thermal gradient and thermal conductivity which were estimated by analytical thermal calculations. While the annealing and HIP both can alter the as-printed microstructure thanks to recovery and recrystallisation, the micro-cracks and pores were only successfully removed by the HIP. In addition to the removal, recrystallisation and precipitation in the HIP (stronger than in annealing), resulting in optimal mechanical properties including a substantial increase in elongation from 13% to 20%, significant improvement of ultimate tensile stress from 965 MPa to 1045 MPa with moderately high yield stress thanks to precipitation.

연구 동기 및 목표

• 문헌 및 열역학 분석을 통해 허스텔로이-X의 최적 레이저 풍선-융합 공정 조건을 규명하기.
• 프린팅 후 열처리 및 핫일소스틱 프레스드(HIP) 처리가 미세구조 및 기계적 거동에 미치는 영향 평가하기.
• 다양한 프린팅 영역에서 as-built, 애너일링, HIP 가공된 부품의 균열 분포를 정량화하기.
• 해석적 열모델링을 활용해 균열 형성과 열기울기 및 열전도도 간의 상관관계 규명하기.
• HIP 처리가 결함 제거 및 기계적 성질 향상에 얼마나 효과적인지 평가하기.

제안 방법

• 열역학적 상도 계산을 통해 응고 균열 경향성 및 침전, 화학적 비균일성 등의 미세구조적 특성을 예측하였다.
• 해석적 열모델링을 통해 열기울기 및 열전도도를 추정하여 프린팅 부품 내 균열 분포 패턴을 설명하였다.
• 전자현미경 및 X선 회절을 이용한 미세구조 특성 분석을 통해 상 분포 및 결함 밀도를 평가하였다.
• 인장 시험을 통해 모든 가공 상태에서 항복강도, 인장강도 최대치 및 연성의 기계적 성질을 평가하였다.
• 열처리 처리—애너일링 및 HIP—를 적용하여 결함 변화 및 미세구조 복구를 비교 분석하였다.
• 프린팅 부품의 하부, 상부 및 자유 표면에서 균열 밀도를 정량화하여 공간적 변동성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 레이저 프린팅된 허스텔로이-X 부품의 다양한 영역(하부, 상부, 자유 표면)에서 응고 균열의 분포는 어떻게 달라지나?
• RQ2 열기울기 및 열전도도는 as-built 부품에서 미세균열 형성에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ3 프린팅 후 애너일링 또는 핫일소스틱 프레스드(HIP) 처리가 적층 제조된 허스텔로이-X의 미세균열 및 기공을 효과적으로 제거할 수 있는가?
• RQ4 애너일링 및 HIP 처리는 재결정화, 침전 및 결정립 구조 측면에서 미세구조에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 HIP 처리 후 기계적 성질—특히 연성 및 인장강도 최대치—에서 정량적인 향상 수준은 어떠한가?

주요 결과

• 균열 밀도는 자유 표면 근처에서 가장 높고 하부에서 가장 낮았으며, 해석적 모델링을 통한 열기울기 및 열전도도 추정 결과와 상관관계를 보였다.
• 애너일링은 회복 및 재결정화를 유도하였지만, 미세균열과 기공을 완전히 제거하지 못하였다.
• 핫일소스틱 프레스드(HIP) 처리가 모든 미세균열과 기공을 효과적으로 제거하여 완전한 밀도를 가진 미세구조를 확보하였다.
• HIP 처리로 연성이 as-built 상태의 13%에서 20%로 증가하여 연성 향상이 확인되었다.
• 인장강도 최대치는 as-built 상태의 965 MPa에서 HIP 처리 후 1045 MPa로 향상되었으며, 침전강화로 인해 중간 수준의 높은 항복강도를 유지하였다.
• 재결정화 및 침전 현상이 애너일링 처리된 부품보다 HIP 처리된 부품에서 더 두드러지게 나타나, 더 뛰어난 미세구조 정련이 이루어졌음을 확인하였다.