[논문 리뷰] The surface-tension-driven Benard conventions and unique sub-grain cellular microstructures in 316L steel selective laser melting

Xin Zhou, Yuan Zhong외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 04.

Additive Manufacturing Materials and Processes참고 문헌 53인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 316L 스테인리스강의 선택적 레이저 용융(SLM) 중 고체/액체 인터페이스에서 표면장력에 의해 유도되는 베나르 대류가 약 ~1 µm 규모에서 정 hexagonal, pentagonal, 및 square 패턴을 가진 자가조직화된 미세구조 세포 구조를 유도함을 밝혀냈다. 이 메커니즘은 융해된 영역 내 비선형 열 및 마랑고니 대류 불안정성에 기인하며, 단일 및 대량 SLM 시료에서 대칭적인 세포 패턴과 미세분포가 공존하는 것을 설명한다.

ABSTRACT

The unique sub-grain patterns have been found in some particular alloys (316L, Al-Si, Co-Cr-Mo) selective laser melting (SLM), the submicron-scale cellular, elongated cellular or even band structures are always coexisting inside one single macro-solidified grain. Furthermore, the cellular structures are symmetrical with hexagonal, pentagonal and square cellular patterns where the cellular size is only around 1μm. Single-layer and bulk 316L SLM experiments are presented that reveals the forming mechanism of these sub-grain cellular microstructures. Complex cellular sub-micron patterns were formed by the local convection and Bénard Instabilities in front of the solid/liquid (S/L) interface (so-called mushy zones) affected by intricate temperature and surface tension gradients. In other words, this nonlinear self-organization phenomenon (Bénard Instability) occurring at the S/L interface is superimposed on the macro-grain solidification process to form the sub-grain patterns/structures and elemental microsegregations. This simple and unified explanation can be expanded to other eutectic alloys formed by SLM, like the Al-Si system.

연구 동기 및 목표

• 선택적 레이저 용융(SLM)을 통해 제조된 316L 스틸에서 고유한 미세구조 세포 구조가 형성되는 배경이 되는 물리적 메커니즘을 규명하는 것.
• SLM 동안 단일 거대립자 내에서 ~1 µm 규모의 복잡한 대칭적인 세포 패턴(정육각형, 오각형, 정사각형)이 어떻게 형성되는지 조사하는 것.
• 열 및 표면장력 기울기가 융해된 영역 내에서 불안정성을 유도하고 미세구조 자가조직화를 이끄는 역할을 하는 방식을 명확히 하는 것.
• 알루미늄-실리콘과 같은 다른 SLM 제조 페르리티크 합금에서도 관찰된 유사한 미세구조 패턴을 통합적으로 설명하는 것.

제안 방법

• 제어된 공정 조건 하에서 미세구조 변화를 관찰하기 위해 단층 및 대량 316L 스틸 SLM 실험을 수행하였다.
• 고해상도 전자 배경 회절(EBSD) 및 광학/전자현미경을 활용하여 미세구조 세포 패턴과 결정립 구조를 특성화하였다.
• 고체/액체(S/L) 인터페이스에서 온도 및 표면장력 기울기를 분석하여 대류를 유도하는 힘을 규명하였다.
• 융해된 영역 내에서 베나르 불안정성의 발생을 모델링하였으며, 열 및 마랑고니 응력이 세포 대류 패턴을 유도함을 규명하였다.
• 관측된 미세구조를 비선형 자가조직화 이론 예측과 연관지어 열 및 표면장력 기울기 하에서의 행동을 분석하였다.
• 유사한 물리적 메커니즘을 바탕으로 알루미늄-실리콘과 같은 다른 SLM 제조 페르리티크 시스템으로 결과를 확장하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 선택적 레이저 용융 중 316L 스틸에서 대칭적이고 미세구조 세포 구조가 형성되는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 고체/액체 인터페이스에서의 열 및 표면장력 기울기가 융해된 영역 내 세포 패턴 형성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 왜 SLM 제조 316L 스틸의 단일 거대립자 내에서 정육각형, 오각형 및 정사각형 세포 패턴이 공존하는가?
• RQ4 베나르 불안정성 모델이 SLM 가공 합금에서 관찰된 미세분포 및 미세구조 대칭성에 얼마나 잘 설명되는가?
• RQ5 제안된 메커니즘은 알루미늄-실리콘과 같은 다른 페르리티크 합금에 대해 선택적 레이저 용융 공정으로 가공된 경우 일반화될 수 있는가?

주요 결과

• 316L 스틸 SLM에서 고체/액체 인터페이스에서 표면장력에 의해 유도되는 베나르 대류로 인해 정육각형, 오각형, 정사각형 대칭성을 가진 미세구조 세포 구조가 형성된다.
• 세포 패턴의 특징 크기는 약 1 µm이며, 융해된 영역 내 마랑고니에 의해 유도되는 대류의 시작과 일치한다.
• 이러한 패턴의 형성은 비선형 열 및 표면장력 기울기가 고체화 전진면 앞의 액체 필름 내에서 불안정성을 유도함에 의해 촉진된다.
• 요소의 미세분포는 난류 흐름 패턴과 본질적으로 연관되어 있으며, 세포 경계에서 용질 농축이 관찰된다.
• 유사한 메커니즘이 알루미늄-실리콘과 같은 다른 SLM 제조 페르리티크 합금에서도 유사한 미세구조 패턴을 설명함으로써 일반화 가능한 물리적 기원임을 시사한다.
• 단층 및 대량 SLM 실험을 통해 이 현상은 재현 가능하며 거대립자 구조에 의존하지 않는다는 것이 확인되었다.