[논문 리뷰] Ultra strong and ductile eutectic high entropy alloy fabricated by selective laser melting

Fan Yang, Lilin Wang외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 07.

High Entropy Alloys Studies인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 선택적 레이저 용융(SLM)을 통해 초강도 및 초연성 페르레틱 고엔트로피 합금(EHEA)을 균열 없이 제조한 최초의 사례를 보여주며, -196 °C에서 760 °C의 광범위한 온도 범위에서 뛰어난 기계적 성질을 확보하였다. 초미세 페르레틱 라멜라 간격(150–200 nm)과 라멜라 군집 구조(2–6 μm)의 조합으로 인해 실온에서 인장 강도가 1400 MPa를 초과하고 연성가소도 20% 이상을 기록하여, 기존의 제조 방법에 비해 뚜렷이 뛰어난 성능을 발휘하였다.

ABSTRACT

With important application prospects, eutectic high entropy alloys have received extensive attention for their excellent strength and ductility in a large temperature range. The excellent casting characteristics of eutectic high entropy alloys make it possible to achieve well manufacturability of selective laser melting. For the first time, we have achieved crack-free eutectic high entropy alloy fabricated by selective laser melting, which has excellent mechanical properties in a wide temperature range of -196 degrees Celsius~760 degrees Celsius due to ultra-fine eutectic lamellar spacing of 150 ~ 200nm and lamellar colony of 2 ~ 6 μm. Specifically, the room temperature tensile strength exceeds 1400MPa and the elongation is more than 20%, significantly improved compared with those manufactured by other techniques with lower cooling rate.

연구 동기 및 목표

• 선택적 레이저 용융(SLM)을 활용하여 균열 없는 페르레틱 고엔트로피 합금(EHEA)을 개발하여 제조 가능성을 향상시키기.
• SLM를 통해 제조된 EHEA의 기계적 성질을 -196 °C에서 760 °C의 광범위한 온도 범위에서 향상시키기.
• SLM 제조 과정에서 발생하는 잔류 응력과 균열 문제를 해결하기 위해 미세구조를 최적화하기.
• 초미세 페르레틱 라멜라 간격과 제어된 라멜라 군집 형태가 초강도 및 초연성 성능을 가능하게 한다는 것을 입증하기.

제안 방법

• 레이저 출력, 스캔 속도, 하치 간격을 정밀하게 제어하여 선택적 레이저 용융(SLM)을 이용해 페르레틱 고엔트로피 합금을 제조하였다.
• 저속도 냉각 기울기를 갖는 공정을 유도하기 위해, 페르레틱 응고를 촉진하는 합금 조성을 설계하였다.
• 라멜라 간격과 군집 크기를 정량화하기 위해 전자 배경산란도측정(EBSD) 및 투과전자현미경(TEM)을 이용한 미세구조 특성 분석을 수행하였다.
• 기계적 성능을 평가하기 위해 광범위한 온도 범위(-196 °C에서 760 °C)에서 인장 시험을 실시하였다.
• SLM 동안의 급속 응고와 제어된 핵형성으로 초미세 페르레틱 라멜라(150–200 nm)와 라멜라 군집(2–6 μm)의 형성이 기인되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고온 기울기와 잔류 응력이 높은 상황에서도 선택적 레이저 용융(SLM)을 통해 균열 없는 페르레틱 고엔트로피 합금을 성공적으로 제조할 수 있는가?
• RQ2 SLM 제조된 EHEA에서 높은 강도와 높은 연성을 동시에 확보하기 위해 필수적인 미세구조적 특성(예: 라멜라 간격, 군집 크기)은 무엇인가?
• RQ3 SLM 제조된 EHEA의 미세구조가 광범위한 온도 범위에서 기계적 성질에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 기존의 제조 방법에 비해 초미세 페르레틱 구조가 강도 및 연성 향상에 얼마나 기여하는가?

주요 결과

• SLM 제조된 페르레틱 고엔트로피 합금은 실온에서 1400 MPa를 초과하는 인장 강도를 확보하였으며, 기존의 제조 방법으로 제조된 EHEA의 보고된 값보다 뚜렷이 높았다.
• 실온에서의 연성가소도가 20%를 초과하여 초강도 합금임에도 불구하고 뛰어난 연성을 보였다.
• 150–200 nm의 초미세 페르레틱 라멜라 간격을 확보하여 미세구조의 미세화로 인한 강도 향상에 핵심적인 역할을 하였다.
• 라멜라 군집 크기는 2에서 6 μm 범위였으며, 균형 잡힌 강도-연성 성능에 기여하였다.
• -196 °C에서 760 °C의 광범위한 온도 범위에서 안정된 기계적 성질을 나타내어 뛰어난 열안정성을 보였다.
• 균열 없는 제조가 성공적으로 달성되어, 복잡한 페르레틱 상을 포함한 고엔트로피 합금의 SLM 제조에서 주요 과제를 해결하였다.