2025
한국분말재료학회
김래언
POSTECH
지도교수: 김형섭 교수님
25.10.28
레이저 클래딩의 헤테로 구조화를 통한
우수한 강도-연성 획득 전략
김래언, 김형섭
Research field
Alloy design
Additive manufacturing
Functionality
김래언 (Rae Eon Kim)
POSTECH, Mechancial engineering, B.S.
POSTECH, Ferrous Technology, M.S.
POSTECH, Ph.D Candidate
~2021
~2023
now
Heterogeneous materials
연구배경
◆우수한 강도-연성
[1] Volvo V60 body in white
[2] J.G. Kim et al., Met. Mat. Inter. 95 (2019) 912-917
[2]
구조 재료에서의 우수한 강도-연성을 동시 획득하는 것은 중요
하지만 강도와 연성은 서로 Trade-off
Heterogeneous structure
◆헤테로 구조를 통한 강도와 연성 시너지
✓최근 헤테로 구조를 통한 Trade-off를 완화하는 전략이 주목받고 있음
✓변형 중 계면에 GND가 쌓이고 이는 추가적인 강화 효과를 만들어 냄
[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]
HDI strengthening
Laser-cladding
◆헤테로 구조를 획득하기 위한 전략들
✓헤테로 재료를 획득하기 위한 여러 전략들이 존재함
✓하지만 이는 모두 번거로운 절차 (주조-균질화열처리-냉연-열처리 등) 를 포함하며, 적절한 형태의 헤테로 구조를 온전히 통제하는데 어려움
Hetero-lamella structure
Laminated structure
Harmonic structure
헤테로 구조를 획득하기 위한 더 직관적이며 간편한 기술이 필요
레이저 클래딩
Laser-cladding
◆레이저 클래딩
[1] Yiku Xu et al., coatings. 10(2020) 373
✓레이저 클래딩은, 파트 표면 위에 파우더와 레이저을 통해 부품을 보호하는 코팅
✓파우더 재료 선택에 따라 기판과 다른 다양한 표면 특성을 획득할 수 있음
✓이를 통해 파트를 코팅하는 목적으로 산업에 널리 사용되고 있음
Laser-cladding
[1]
레이저 클래딩의 새로운 방향성으로서, 헤테로 전략화 시도
Experimental Procedure
◆연구 목적
✓레이저 클래딩을 이용한 헤테로 구조화를 통해 강도-연성 향상
◆연구에 사용된 재료
✓STS-Clad: Wrought STS 판재 위에 동일한 재료로 레이저 클래드
✓STS-Wrought: 초기 Wrought STS 판재 (두께: 2t)
✓Laser-Deposit: 단일 레이저 클래드 STS 증착 (monomlithic Laser-clad deposit)
◆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)
●STS-Clad: Wrought 2t STS 양쪽 면에 STS 파우더를 0.5t 만큼 레이저 클레딩 진행
✓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 |
●Laser-Deposit: 동일한 조건의 단일 레이저 증착재
|
Feeding rate |
Laser power |
Scan speed |
Hatch spacing |
Rotation |
Scan strategy |
|
2.4 g/min |
250 W |
14 mm/s |
0.3 mm |
90° rotation |
Bi-directional scanning |
✓파우더 정보
316L stainless steel powder
Initial microstructure
STS-Clad
STS-Wrought
Laser-Deposit
STS-Clad는 코팅 영역의, 균일하지 않은 Grain과 GND 분포를 지님
STS-Clad
STS-Wrought
Laser-Deposit
Mechanical properties
◆기계적 물성 평가
|
Samples |
YS (MPa) |
UTS (MPa) |
U. El (%) |
T. El (%) |
|
STS-Clad |
409±1 |
642±4 |
51±2 |
84±1 |
|
STS-Wrought |
276±3 |
633±1 |
61±0 |
98±0 |
|
Laser-Deposit |
474±13 |
623±11 |
42±1 |
54±6 |
|
ROM |
353 |
630 |
55 |
- |
STS-Clad
STS-Clad
STS-Wrought
◆변형 미세조직 분석
Deformed microstructure
✓25% 변형 조직에서 STS-Clad의 코팅영역은 기판 대비 더 많은 twinning을 보임
✓국부적으로 발생하는 twinning은 하드한 코팅을 더욱 강화시킴 → ‘동적 헤테로화’
STS-Clad
substrate
Laser-Deposit
STS-Clad
coating
STS-Wrought
Steady-SHR
Strain hardeing rate curve
STS-Clad
STS-Wrought
◆HDI 강화 효과
LUR results & HDI strengthening
샌드위치 구조 (코팅과 기판 영역) 과 동적 헤테로화 (국부적으로 발생하는 twininning) 인해 높은 HDI stress를 기여함
|
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 |
STS-Clad
STS-Clad
STS-Clad
◆레이저 클래드 재료에 대한 GND 집적 거동
LUR results & HDI strengthening
코팅과 기판 사이의 strain partitoning으로 인해 GND가 추가 생성
GND accumulation in STS-Clad
STS-Clad
STS-Wrought
◆보고된 스테인리스 스틸과 물성 비교
Ashby plot
✓STS-Clad는 기존 재료 대비 더 우수한 강도-연성 조합을 지님
✓레이저 클래딩이 산업적으로 잘 확립되어 있어 대형 부품에도 동일하게 적용가능할 것이라 사료
Laser-cladding in Industry
Conclusions
강도-연성 Trade off
레이저 클래딩을 통한
헤테로 구조
우수한 강도-연성 획득
레이저 클래딩을 통한 동적 헤테로화 유도
우수한 강도 연성 획득
Thank you
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