Pohang University of Science and Technology (POSTECH)
철강대학원
우수한 기계적 물성을 위한
레이저 클래딩의 텍스쳐 엔지니어링
김래언
Rae Eon Kim
김래언, 문종언*, 김형섭*
Heterogeneous structure
◆더 높은 강도와 연성
✓산업적 활용에 있어 구성 제품의 안정성을 확보하기 위해, 더 우수한 기계적 물성을 지닌 재료를 요구함.
✓우수한 물성 확보와 절차상의 용이성으로 인해 표면 개질 (surface modification)은 산업으로 큰 주목을 받고 있음
[1] Volvo V60 body in white
[2] J.G. Kim et al., Met. Mat. Inter. 95 (2019) 912-917
[2]
[2]
Carbunizing
Surface severe plastic deformation
Heterogeneous structure
◆더 높은 강도와 연성
✓단단한 코팅 층의 불안정한 소성 변형-> 낮은 연성을 유발
✓강도의 향상은 보통 연신율의 감소와 함께 이루어지는 딜레마(Trade-off dillema)가 존재
✓우수한 강도-연성을 달성하기 위해, Strain-hardenable 코팅을 만들 수 있는 새로운 표면개질 기법이 필요
[1] Volvo V60 body in white
[2] J.G. Kim et al., Met. Mat. Inter. 95 (2019) 912-917
[2]
[2]
Strength-ductility
Trade-off
Heterogeneous structure
◆강도와 연성의 시너지
✓가공 경화 가능한 표면 개질로서 레이저 클래딩을 활용
✓앞선 연구에서 레이저 클래드 적층 부에 집중된 twinning을 확인함.
✓본 연구에서 twinning activity을 높이기 위해 레이저 클래딩의 texture engineering을 활용하여 더욱 우수한 강도-연신율을 획득하고자 함.
[1] S. Praveen et. al., Prog in Mat. sci. (2020) 100709
[2] J.G. Kim et al., Met. Mat. Inter. 95 (2019) 912-917
[2]
[2]
STS-Clad
substrate
STS-Clad
coating
레이저 클래딩
Wrought
레이저 적층
Heterogeneous structure
◆Texture engineering
✓그동안의 대부분 laser-based fabrication (i.e. additive manufacturing)은 레이저 층마다 90도나 67도 로테이션을 줌 -> 이방성을 억제
✓하지만, 강한 이방성은 특정한 상황의 목표 물성 달성에 큰 도움이 되고, 레이저의 급속 용융/응고는 강한 테스쳐를 만들어 낼 수 있음.
[1] S. Praveen et. al., Prog in Mat. sci. (2020) 100709
[2] J.G. Kim et al., Met. Mat. Inter. 95 (2019) 912-917
[2]
Experimental Procedure
◆연구 목적
✓레이저 클래딩의 테스쳐 엔지니어링을 이용한 우수한 강도-연성 물성 획득
◆연구에 사용된 재료
✓Textured STS-clad: 테스쳐 엔지니어링을 한 레이저 클래드 판재
✓STS-clad: 테스처 엔지니어링이 없는 레이저 클래드 판재
✓STS-wrougt: 초기 Wrought STS 판재 (두께: 2t)
◆연구 절차
Fabricating materials
Vickers hardenss test
Uniaxial Tensile test
Loading-unloading-reloading test
Microstructure analysis
Mechanical properties
Backstress
Grain size
GND density
Experimental Procedure
◆레이저 클래딩 도식
✓클래딩 장비: Direct Energy Deposition (DED) MX-lab machine (InssTek Co., Korea)
●Textured STS-clad: no-rot, 0.15 um hatch spacing으로 레이저 클래드
✓클래딩 조건
|
Chemical composition |
Fe |
Cr |
Ni |
Mo |
|
(wt%) |
Bal. |
17.3 |
12.1 |
2.6 |
|
Chemical composition |
O |
N |
Mn |
Si |
|
(wt%) |
166 |
847 |
0.47 |
0.62 |
●STS-clad: rot, 0.3 um hach spacing으로 레이저 클래드
|
Samples |
Laser power |
Feeding rate |
Hatch spacing |
Scan strategy |
|
STS-Clad |
250 W |
3.5 g/min |
0.3 mm |
90° rot |
|
Textured STS-Clad |
0.15 |
No rot |
✓파우더 정보
316L stainless steel powder
Textured STS-Clad
STS-Clad
RD
TD
ND
Result & Discussion
1. Initial microstructure
Textured STS-Clad
STS-wrougth
STS-Clad
3.00
1.00
Substrate
Coating
Coating
Substrate
//RD
Result & Discussion
2. Mechanical properties
◆기계적 물성 평가
|
Samples |
YS (MPa) |
U. El (%) |
UTS (MPa) |
T. El (%) |
|
Textured Clad |
451 |
50 |
669 |
79 |
|
STS-Clad |
408 |
48 |
638.7 |
79 |
|
STS-Wrought |
255.3 |
63 |
621 |
95 |
✓하드니스 프로파일 결과 ‘m-shape’를 지니며, 이는 다중 헤테로 구조임을 냄
✓두 클래드 재료는 기존 단일재 대비, 우수한 강도를 지님.
✓Textured STS-Clad는 일반 Clad에 비해 강도가 향상되었고, 그로 인한 연성 손실은 없음.
* YS: Yield Stress, UTS: Ultimate Tensile Stress, U.El: Unifrom Elongation, T.El: Total Elonation
◆가공 경화율과 변형 미세조직 분석
Result & Discussion
3. Strain hardening rate & deformed structure
✓Textured STS-Clad는 STS-Clad보다 안정적인 SHR을 보임
✓25% 변형 조직에서 Textured STS-Clad의 코팅영역은 기판 대비 더 많은 twinning을 보임
✓국부적으로 발생하는 twinning은 하드한 코팅을 더욱 강화시킴 → ‘동적 헤테로화’
STS-Clad
substrate
STS-Clad
coating
Texutured STS-Clad
substrate
Texutured STS-Clad
coating
Coating layer
Substrate layer
◆헤테로 구조의 hetero-deformation induced (HDI) hardening
Result & Discussion
5. LUR results & HDI strengthening
|
Samples |
YS, MPa |
UTS, MPa |
U. El, % |
|
STS-Clad |
409 |
64 |
51 |
|
STS-Wrought |
276 |
63 |
61 |
|
Laser-Deposit |
474 |
623 |
42 |
|
ROM |
353 |
630 |
55 |
coating
substrate
◆보고된 스테인리스 스틸과 물성 비교
Result & Discussion
6. Ashby plot
✓Textured STS-Clad는 DED로 제작되거나 wrought 스테인리스 재료보다 우수한 강도-연성 조합을 지님
✓더불어, 레이저 클래딩이 산업적으로 잘 확립되어 있어 대형 부품에도 동일하게 적용하여 사용될 수 있어 산업 적용 가능성이 큼
Conclusion
새로운
표면 개질
레이저 클래딩
◆레이저 클래딩을 이용한 헤테로 구조 전략
변형
메커니즘
➢연성 손실이 적은 새로운 표면 개절 방법이 필요함.
➢Strain-hardenable한 코팅을 만들 수 잇는 레이저 클래딩은 우수한 물성을 달성할 수 있으며, 이는 twinning favorable texture-engineering을 강화시킬 수 있음.
➢테스쳐 형성을 위한 레이저 클래딩 공정 조건을 선택 (no rot, half hatch space)
➢Textured STS-Clad는 우수한 강도-연성의 조합을 지님
➢높은 Twinning activity가 strain hardening을 높임
➢헤테로 구조의 추가 강화효과 (HDI)가 우수한 강도-연성에 기여함
Thank you
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