[논문 리뷰] The Effect of Thermal History on Microstructural Evolution, Cold-Work Refinement and {\alpha}/\b{eta} Growth in Ti-6Al-4V Wire + Arc AM

Jan Hönnige, Paul A. Colegrove외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 07.

Additive Manufacturing Materials and Processes참고 문헌 37인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 Ti-6Al-4V 와이어 + 아크 적층 제조(WAAM) 부품에서 열역학적 역사를 미세구조 진화에 미치는 영향을 조사하며, 열영향부(HAZ)의 백색 밴드가 β-전이점(995 °C) 이하이지만 α-용해 온도(748 °C) 이상인 825 °C에 해당함을 규명한다. 인터패스 페닝은 첫 번째 레이어 밴드까지 입자 구조를 미세화시키며, 이 경계선 바로 위에서 가장 작은 입자를 관찰할 수 있었다. 반면 높은 온도에서는 심한 입자 성장이 발생하였다.

ABSTRACT

Wire + arc additive manufacture (WAAM) is an attractive method for manufacturing large-scale aerospace components, however the microstructural changes that occur and the effect of interpass rolling are poorly understood. Therefore two fundamental studies were conducted: the first involved temperature measurement of a wrought dummy wall so that the microstructural changes in the heat affected zone (HAZ) could be related to the thermal cycle. This demonstrated that the white band in the microstructure corresponded to 825 C well below the beta-transus temperature and above this boundary the bi-modal substrate material was converted to lamellar. The second involved peening WAAM material along the side of a deposited wall before applying a typical WAAM thermal heat treatment. This showed that refinement occurred up to the first layer band in the microstructure and the smallest grains were observed just above this boundary at higher temperatures significant grain growth occurred. This study has provided the foundational understanding of microstructural changes that will facilitate future process developments.

연구 동기 및 목표

• Ti-6Al-4V 와이어 + 아크 적층 제조(WAAM) 부품의 열영향부(HAZ)에서의 열역학적 역사를 이해하기 위해.
• 미세구조에서 관찰되는 백색 밴드 형성과 관련된 온도 범위를 규명하기 위해.
• 인터패스 페닝이 WAAM 공정 중 입자 미세화 및 미세구조 진화에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 열 사이클과 미세구조 변화, 특히 α/β 상 전이 및 입자 성장 간의 상관관계를 규명하기 위해.
• 대규모 WAAM 제조 항공기 부품의 후처리 및 열처리 최적화를 위한 기초를 마련하기 위해.

제안 방법

• WAAM 증착 중 경험하는 열사이클을 매핑하기 위해 와이어드 '더미' 벽에서 온도 측정을 수행하였다.
• 아크 토치의 간섭을 피하고 표면 이하 온도를 정확하게 측정하기 위해 열전대를 드릴링한 구멍에 삽입하였다.
• 미세구조에 미치는 영향을 평가하기 위해 표준 WAAM 열처리 이전에 적층 벽의 측면에 인터패스 페닝을 적용하였다.
• 광학 현미경 및 미세구조 분석을 통해 레이어 밴드를 식별하고 열 노출와 연관지어 분석하였다.
• 열역학적 역학을 상전이, 특히 β→α 전이 및 입자 크기 변화와 연결하였다.
• 실험적 온도 모니터링과 미세구조 특성 분석을 병행하여 핵심 온도 한계를 규명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Ti-6Al-4V WAAM 부품의 HAZ에서 백색 밴드 형성과 관련된 온도 범위는 무엇인가?
• RQ2 인터패스 페닝은 WAAM 공정에서 입자 미세화 및 미세구조 진화에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 HAZ에서 열 노출과 입자 성장 간의 관계는 어떠한가?
• RQ4 증착 중 열사이클은 α/β 미세구조 및 상전이 거동에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 HAZ에서 심한 입자 성장이 발생하는 온도는 얼마이며, 이는 첫 번째 레이어 밴드와 어떻게 관련되는가?

주요 결과

• 미세구조에서 관찰된 백색 밴드는 β-전이점(995 °C) 이하이지만 α-용해 온도(748 °C) 이상인 825 °C의 열노출에 해당한다.
• 백색 밴드 위쪽에서는 열노출로 인해 이중상 기질 미세구조가 층상 구조로 변형된다.
• 인터패스 페닝은 첫 번째 레이어 밴드까지 입자 미세화를 유도하였으며, 이 경계선 바로 위에서 가장 작은 입자 크기를 관찰하였다.
• 첫 번째 레이어 밴드 이상의 온도에서는 심한 입자 성장이 발생하여 열적 응고 경계가 명확히 드러났다.
• WAAM 증착 중 열사이클은 각 후속 레이어 밴드에 따라 α-판상 크기가 점진적으로 증가하는 경향을 보였다.
• 연구는 HAZ에서의 열노출이 미세구조 진화를 주도하며, 특히 825 °C 근처에서 중요한 전이가 발생함을 확인하였다.