[논문 리뷰] Cyclic plasticity and fatigue damage of CrMnFeCoNi high entropy alloy fabricated by laser powder-bed fusion

Minsoo Jin, Alessandro Piglione외 5명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 14.

High Entropy Alloys Studies참고 문헌 34인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 레이저 풍선 증착된 CrMnFeCoNi 고엔트로피 합금에서 순환 플라스티시티와 피로 손상에 대해 조사하며, 이는 비틀림 변형이 순환 플라스티시티를 지배하는 반면 스캔 전략이 결정 구조를 통해 균열 전파에 결정적인 영향을 미친다는 것을 밝혀냈다. 0° 회전을 가진 메ander 스캔 전략이 균열 전파 경로를 따라 결정립 경계 간격을 최소화하고 기둥형 결정립을 형성함으로써 가장 높은 피로 저항성을 보였다.

ABSTRACT

The CrMnFeCoNi high-entropy alloy is highly printable and holds great potential for structural applications. However, no significant discussions on cyclic plasticity and fatigue damage in previous studies. This study provides significant insights into the link between print processes, solidification microstructure, cyclic plasticity and fatigue damage evolution in the alloy fabricated by laser powder bed fusion. Thermodynamics-based predictions (validated by scanning transmission electron microscopy (STEM) energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX)) showed that Cr, Co and Fe partition to the core of the solidification cells, whilst Mn and Ni to the cell boundaries in all considered print parameters. Both dislocation slip and deformation twinning were found to be responsible for plastic deformation under monotonic loading. However, the former was found to be the single dominant mechanism for cyclic plasticity. The surface finish helped to substantially delay the crack initiation and cause lack-of-fusion porosity to be the main source of crack initiation. Most significantly, the scan strategies significantly affect grain arrangements and grain dimensions, leading to noticeable effects on fatigue crack propagation; in particular, the highest resistance crack propagation was seen in the meander scan strategy with 0° rotation thanks to the most columnar grains and the smallest spacing of grain boundaries along the crack propagation path.

연구 동기 및 목표

• CrMnFeCoNi 고엔트로피 합금에서 레이저 풍선 증착(LPBF) 공정 매개변수의 미세구조 및 기계적 거동에 미치는 영향을 이해하기 위해.
• 응고 미세구조가 순환 플라스티시티 및 피로 손상 진화에 미치는 역할를 조사하기 위해.
• 정적 및 순환 하중 하에서 지배적인 변형 메커니즘을 규명하기 위해.
• 스캔 전략이 결정립 형상과 피로 균열 전파 저항성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 주요 균열 균열 기원을 규명하고 표면 마감도 및 기포의 존재 여부에 따라 어떻게 달라지는지 확인하기 위해.

제안 방법

• 고체화 세포 내 원소 분할 분석을 위해 열역학적 모델링과 함께 스캐닝 투과형 전자현미경(STEM) 에너지 분산형 X선 분석(EDX)을 통합한 방법.
• 지배적인 플라스틱 변형 메커니즘(비틀림 변형 및 변형 퇴적)을 규명하기 위해 정적 인장 시험을 실시.
• 순환 플라스티시티 및 피로 손상 진화 특성을 규명하기 위해 순환 하중 시험을 수행.
• 스캔 전략(예: 메ander, 0° 회전)을 체계적으로 변화시켜 결정립 구조 및 균열 전파에 미치는 영향을 평가.
• 표면 마감도 및 결합 불량 기포의 존재 여부에 중점을 두어 균열 균열 기원의 미세구조 분석을 수행.
• 균열 성장 저항성과의 상관관계를 분석하기 위해 균열 표면 분석 및 전자 반사 회절(EBSD) 데이터를 활용해 미세구조(결정립 정렬, 경계 간격)를 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LPBF 응고 과정에서의 원소 분할이 CrMnFeCoNi 고엔트로피 합금의 미세구조에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 LPBF로 제조된 합금에서 정적 및 순환 하중 하에서 지배적인 플라스틱 변형 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 다양한 레이저 스캔 전략이 LPBF로 제조된 합금의 결정립 형상과 결정립 경계 배열에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 피로 균열의 주요 기원은 무엇이며, 표면 마감은 이를 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 균열 전파 경로를 따라 결정립 경계 간격이 피로 균열 전파 저항성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• STEM-EDX 및 열역학적 예측 결과에 따르면 Cr, Co, Fe는 고체화 세포의 중심으로 분할되며, Mn과 Ni는 세포 경계에 집중된다.
• 순환 하중 하에서는 비틀림 변형이 지배적인 메커니즘인 반면, 정적 하중 하에서는 비틀림 변형과 변형 퇴적 모두 기여한다.
• 표면 마감이 균열 균열을 크게 지연시키며, 이로 인해 결합 불량 기포가 균열 균열의 주요 기원이 된다.
• 0° 회전을 가진 메ander 스캔 전략은 가장 기둥형 결정립을 형성하고 균열 전파 경로를 따라 결정립 경계 간격을 최소화하여 가장 높은 피로 균열 전파 저항성을 보였다.
• 스캔 전략에 의해 유도된 결정립 배열과 경계 간격은 피로 성능에 뚜렷한 영향을 미치며, 0° 메ander 전략이 다른 전략보다 뛰어난 성능을 보였다.
• 균열 전파가 가장 억제되는 것은 정렬된 기둥형 결정립과 균열 전파 경로를 따라 감소된 횡방향 결정립 경계 밀도를 가진 미세구조에서 관찰되었다.