HEA 버퍼층 이종접합 균열 회피

2026.10.28

대한금속재료학회

적층 제조된 SS316L/인코넬 718 이종접합에서

고엔트로피 합금 버퍼층을 통한 균열 회피 전략

김래언

지도교수: 김형섭 교수님

포항공과대학교 박사과정

1 장

Profile

김래언 (Rae Eon Kim)

Present: POSTECH, GIFT Ph.D candidate, 지도교수: 김형섭 교수님
M.S: POSTECH, GIFT
B.S: POSTECH, Mechanical Engineering

▪Research field

Additive manufacturing

Formability

Heterostructure

Hydrogen Embrittlement

Alloy design

연구 배경

[1] R.E. Kim et al., J. Alloys Compd. 1083 (2026) 191777

■ 극한환경 부품과 이종소재 적층제조

SS316L:
극저온 추진제
입구·매니폴드

IN718:
연소실 벽·
노즐 라이너

예) 액체 로켓 엔진 추력실

• 극한환경 부품: 하중 지지 + 다기능성

• DED: 분말 공급기별 조성 in-situ 제어

SS316L

극저온 인성·내식성

+

IN718 (Inconel 718)

고온 강도·안정성

Multi-material

SS316L/IN718 multi-material: 급격한 온도 구배 부품에 적용

핵분열로, 극지 해양 설비, 항공우주 플랫폼처럼 가혹한 환경에서는 구조 부품에 하중 지지 외에도 내방사선, 내식, 수소취성 저항 같은 다기능성이 요구됩니다. 단일 합금은 하나의 목적에 최적화되어 있어 이를 모두 만족하기 어렵고, 그래서 서로 다른 합금을 전략적으로 배치하는 multi-material 구조가 핵심 연구 방향으로 떠올랐습니다. DED는 대형 부품을 높은 증착률로 만들 수 있고 독립 분말 공급기로 국부 조성을 in-situ 조절할 수 있어 multi-material 제작에 가장 매력적인 방법 중 하나입니다. 특히 극저온 인성과 내식성이 우수한 SS316L과 고온에서 미세조직 안정성과 강도가 우수한 IN718을 조합하면, 극저온 추진제 입구와 1,000 °C를 넘는 연소실이 공존하는 로켓 엔진 부품처럼 급격한 온도 구배에 노출되는 부품에 적합합니다. 예를 들어 액체 로켓 엔진에서는 극저온 추진제가 들어오는 입구·매니폴드에 SS316L을, 1,000 °C가 넘는 연소실 벽과 노즐 라이너에 IN718을 씁니다. 참고 수치: 핵분열로·극지 해양·항공우주: 구조 부품에 다기능성 요구 참고 수치: 단일 합금은 한 가지 목적에 최적화, 이종소재 multi-material 설계가 대안 참고 수치: DED: 대형 부품·고증착률, 독립 분말 공급기로 국부 조성 in-situ 제어 참고 수치: SS316L(극저온 인성·내식성) + IN718(고온 강도·안정성)의 조합 참고 수치: SS316L: 극저온 인성·내식성 참고 수치: IN718: 고온 강도·미세조직 안정성 참고 수치: 로켓 엔진 예: 극저온 입구 + 연소실 >1,000 °C 참고 수치: DED 장점: 대형·고증착률·조성 제어 참고문헌(화면 생략): [4] D.C. Hofmann et al., J. Mater. Res. 29 (2014); [12] P. Mishra et al., Materials 14 (2021); [14] T.M. Smith et al., J. Alloys Compd. 873 (2021); [20] F. Goebel et al., CEAS Space J. 6 (2014)

이종접합의 난제

[1] R.E. Kim et al., J. Alloys Compd. 1083 (2026) 191777

[31] N. Chen et al., Addit. Manuf. 32 (2020); [33] B.E. Carroll et al., Acta Mater. 108 (2016)

■ 혼합영역 취성상과 CTE 불일치가 이종접합부 균열 유발

Without HEA buffer

SS316L/IN625 [31]

SS304L/IN625 [33]

직접 적층

조성 혼합영역

취성 Laves상 + 열응력

균열

• 선행연구: SS316L/IN625 Laves 균열 [31], SS304L/IN625 NbC 균열 [33]

• 대안: 조성 설계 버퍼층

취성상과 열응력을 함께 억제할 조성 설계 버퍼층 필요

Nb

C

왼쪽 두 사진은 버퍼 없이 스테인리스강과 Inconel을 직접 적층한 선행연구의 균열입니다. 왼쪽은 Chen 등이 보고한 SS316L/IN625로, IN625 위에 SS316L을 적층한 계면 근처에 균열이 생겼고, 오른쪽은 Carroll 등이 보고한 SS304L/IN625 경사 조성부의 균열이고, 그 옆은 같은 영역의 Nb와 C 성분 지도로 균열을 따라 Nb와 C가 모여 있는 것이 보입니다. DED로 두 합금을 직접 적층하면 반복되는 재용융과 응고 과정에서 원소 희석이 일어나 계면에 composition-mixing zone이 생깁니다. 이 영역의 국부 희석은 응고 경로를 Laves형 금속간화합물 같은 취성상 쪽으로 바꾸고, 이 상들은 큰 열응력 아래에서 균열 개시점이 됩니다. Chen 등은 SS316L/IN625 조성 경사 영역(compositionally graded zone, CGZ)의 균열을 취성 Laves상으로, Carroll 등은 SS304L/IN625 CGZ의 균열을 NbC 석출로 설명했습니다. 본 연구 시편의 균열은 뒤의 균열 관찰 장에서 보여드리겠습니다. 모재의 합금원소를 바꿔 intermixing을 제어하기는 매우 어렵기 때문에 버퍼층 적층이 효과적인 대안이며, 실제로 IN625 버퍼로 미세균열을 막은 선행연구가 있습니다. 참고 수치: DED 반복 재용융·응고 → 원소 희석, 계면에 mixing zone 형성 참고 수치: 국부 희석 → Laves형 금속간화합물 → 큰 열응력 하 균열 개시점 참고 수치: 모재 합금원소 조정으로 intermixing 제어는 어려움 → 버퍼층 적층이 대안 참고 수치: CoCrFeMnNi HEA: 안정 FCC 고용체, 격자 뒤틀림으로 확산 지연, 중간 CTE 참고 수치: Chen et al. [31]: SS316L/IN625: Laves 균열 참고 수치: Carroll et al. [33]: SS304L/IN625: NbC 균열 참고 수치: 버퍼층 선행연구 [24]: IN625 버퍼로 미세균열 방지 참고 수치: HEA의 CTE: SS316L과 IN718 사이 값 그림 출처: [31] N. Chen et al., Addit. Manuf. 32 (2020) 101037, Fig. 14(d); [33] B.E. Carroll et al., Acta Mater. 108 (2016) 46, Fig. 4(a) 표시 영역, 4(g) Nb, 4(h) C 참고문헌(화면 생략): [21] M.J. Sagong et al., Mater. Sci. Eng. A 847 (2022); [24] Y.C. Sung et al., Addit. Manuf. 110 (2025); [25] K.-Y. Tsai et al., Acta Mater. 61 (2013); [27] Y. Zhao, W. Xiong, Materials 16 (2023)

연구 목적

[1] R.E. Kim et al., J. Alloys Compd. 1083 (2026) 191777

■ 연구 목적

[문제 인식]

직접 접합 시 균열

SS316L/IN718 혼합영역

취성 Laves상 형성

CTE 불일치 열응력

[제안 기술]

HEA(고엔트로피 합금) 버퍼층 적층

등원자 CoCrFeMnNi 2층

직접 희석(dilution) 억제

Laves 형성 조성 회피

[목표 물성]

결함 없는 안정 물성

계면 균열 억제

안정적 인장 변형

공정 재현성 확보

■ 분석 재료

• 버퍼 시편:

CoCrFeMnNi 2층, 400 µm

• 무버퍼 시편:

SS316L/IN718 각 27층

• 분말 평균 입도:

SS316L: 81.6 µm

IN718 101.0 µm

HEA 103.3 µm

• 층간 90° 회전 양방향 스캔

등원자 CoCrFeMnNi HEA는 안정한 FCC 고용체로 국부 희석에 대한 조성 허용성이 있고, 큰 격자 뒤틀림으로 확산이 느리며, CTE가 SS316L과 IN718 사이에 있어 버퍼층 후보로 적합합니다. 그래서 본 연구의 목적은 SS316L과 IN718 사이에 등원자 CoCrFeMnNi HEA 버퍼층을 넣어 이종접합부의 균열을 회피하고 안정적인 기계적 물성과 재현성을 확보하는 것입니다. 세 분말 모두 gas atomization으로 제조했고 평균 입도는 SS316L 81.6 μm, IN718 101.0 μm, HEA 103.3 μm로 DED에 적합합니다. 무버퍼 시편은 SS316L 27층 위에 IN718 27층을 바로 적층했고, 버퍼 시편은 그 사이에 HEA 2층을 넣었습니다. 측정된 HEA 층 두께는 400 μm입니다. 참고 수치: Gas-atomized 분말: SS316L 81.6, IN718 101.0, HEA 103.3 μm 참고 수치: 무버퍼: SS316L 27층(1~27) 위에 IN718 27층(28~54) 직접 적층 참고 수치: 버퍼: SS316L 27층 / HEA 2층(28~29, 400 μm) / IN718 27층(30~56) 참고 수치: 독립 다중 hopper로 분말 전환, 층간 90° 회전 양방향 스캔 참고 수치: 버퍼 소재: 등원자 CoCrFeMnNi HEA 참고 수치: HEA 버퍼 두께: 400 μm (2층)

실험 방법

[1] R.E. Kim et al., J. Alloys Compd. 1083 (2026) 191777

[39] B. Sundman et al., Calphad 9 (1985); [40] B. Sundman, TCFE2000, KTH (1999)

■ 분석 방법

DED 적층

SEM-BSE·EDS

EBSD

인장·LUR·DIC

• DED: 240 W, 850 mm/min, hatch 300 µm, 2.5 g/min, Ar 분위기

• 응고 계산: Scheil-Gulliver (Thermo-Calc, TCFE2000 및 개정판)

• 인장: gauge 6.4×2.5 mm, 10^-3 s^-1, 계면을 가로지르는 시편

DED 조건은 레이저 출력 240 W, 스캔 속도 850 mm/min, hatch 간격 300 μm, 분말 공급 2.5 g/min이며, 산화 방지를 위해 송급, 동축, 차폐 Ar 가스를 각각 8, 3, 8 l/min으로 사용했습니다. 분말은 독립 hopper로 전환해 공급했고 층마다 90° 회전한 양방향 스캔을 적용했습니다. 미세조직은 FE-SEM의 BSE/EDS와 EBSD로, 응고상은 Thermo-Calc TCFE2000 기반 Scheil-Gulliver 계산으로 분석했습니다. 인장 시편은 두 합금 계면을 가로지르도록 EDM으로 채취했고, Instron 5582에서 10^-3 s^-1의 변형률 속도로 DIC와 함께 시험했으며, LUR 시험의 이력곡선에서 제하-재하 응력차의 절반으로 HDI 응력을 산정했습니다. 모든 기계 시험은 최소 2회 수행했습니다. 참고 수치: DED: 240 W, 850 mm/min, hatch 300 μm, 분말 2.5 g/min, Ar 분위기 참고 수치: 미세조직: FE-SEM(JSM-7100F) BSE/EDS, EBSD(OIM Analysis 7) 참고 수치: 응고 계산: Thermo-Calc Scheil-Gulliver, TCFE2000 (upgraded) 참고 수치: 인장: gauge 6.4×2.5 mm, 10^-3 s^-1, Instron 5582 + DIC 참고 수치: 시편 채취: 계면을 가로지르는 dog-bone(EDM) 참고 수치: Ar 가스: 8/3/8 l/min (송급/동축/차폐) 참고 수치: HDI 응력 산정 (LUR): 제하-재하 응력차의 1/2 [26] 참고 수치: 반복 시험: 최소 2회, 평균값 보고 참고문헌(화면 생략): [21] M.J. Sagong et al., Mater. Sci. Eng. A 847 (2022); [26] M. Yang et al., Mater. Res. Lett. 4 (2016)

계면 조성 분포

[1] R.E. Kim et al., J. Alloys Compd. 1083 (2026) 191777

■ HEA 층이 SS316L과 IN718을 물리적으로 분리

Without HEA buffer

With HEA buffer

EDS line profile

(a) Intermixing 300 µm

(b) Diffusion 20 µm

(c) HEA buffer 400 µm

HEA 버퍼가 두 합금의 직접 접촉을 막음

BSE 이미지에서는 Nb, Mo 같은 무거운 원소를 포함해 평균 원자번호가 높은 IN718이 밝게, Fe-Cr 기반의 SS316L이 어둡게 보입니다. 무버퍼 시편은 SS316L과 IN718이 직접 맞닿은 경계를 보이며, 이런 급격한 조성 구배는 계면에서 유해한 금속간화합물 형성으로 이어질 수 있습니다. 라인 프로파일을 보면 고출력 레이저가 응고된 SS316L을 IN718 분말과 함께 재용융하여 300 μm 두께의 intermixing zone을 만들고, 고배율에서는 20 μm의 연속 확산층이 관찰됩니다. 반면 버퍼 시편에서는 400 μm 두께의 HEA 층이 두 합금 사이에 뚜렷한 중간 영역을 형성하여 반복 재용융과 응고 중에도 두 합금의 직접 접촉을 막습니다. 참고 수치: BSE 명암: 평균 원자번호가 높은 IN718(Nb·Mo 포함)이 밝고 SS316L은 어두움 참고 수치: 무버퍼: SS316L/IN718 직접 경계 → 급격한 조성 구배, 금속간화합물 위험 참고 수치: 고출력 레이저가 응고된 SS316L을 IN718 분말과 함께 재용융 → intermixing 참고 수치: 버퍼: HEA 중간층이 뚜렷한 별도 영역을 형성, 두 합금을 물리적으로 분리 참고 수치: Intermixing zone (무버퍼): 300 μm 두께 참고 수치: Diffusion layer (무버퍼): 20 μm, 고배율에서 연속 참고 수치: HEA buffer 두께: 400 μm

EBSD 미세조직

[1] R.E. Kim et al., J. Alloys Compd. 1083 (2026) 191777

■ 세 영역 모두 FCC 기지, 석출물은 IN718에만

Without HEA buffer

With HEA buffer

IN718: Nb·Mo 농축 Laves

영역	결정립 (µm), 무버퍼	KAM (°), 버퍼
SS316L	61.0 ± 44.6	1.15
HEA	-	1.14
IN718	48.3 ± 39.3	0.83

HEA·SS316L은 유사한 FCC 기지, IN718은 Laves 석출

EBSD 결과 SS316L, IN718, HEA 영역은 모두 FCC 단상 기지이고, 국부 멜트풀의 급속 냉각 때문에 주상정 결정립이 발달했습니다. 무버퍼 시편에서 SS316L 평균 결정립 크기는 61.0±44.6 μm, IN718은 48.3±39.3 μm로 더 미세한데, 이는 응고 거동과 용질 분배 차이로 반복 열사이클 중 결정립 성장이 제한되기 때문으로 보입니다. 버퍼 시편의 평균 KAM은 SS316L 1.15°, HEA 1.14°로 비슷하고, 석출물로 단단한 IN718은 0.83°로 낮습니다. IN718 영역의 셀룰러 덴드라이트에는 Nb, Mo가 농축된 2차상이 있으며, 선행연구[31]에 따라 이를 취성 Laves phase로 판단하였고 Scheil-Gulliver 계산의 FCC + Laves 이중상 예측과도 일치합니다. 참고 수치: SS316L·IN718·HEA 모두 FCC 단상 기지, 급속 냉각 멜트풀 → columnar grain 참고 수치: IN718의 미세 결정립: 응고 거동·용질 분배 차이로 성장 제한 추정 [27] 참고 수치: AM 고유 열응력 + 인접 합금의 CTE 차이 → 계면 근처 국부 열응력 참고 수치: IN718 영역: Nb·Mo 농축 2차상 = 취성 Laves phase [31] (Fig. 6) 참고 수치: 결정립 SS316L (무버퍼): 61.0 ± 44.6 μm 참고 수치: 결정립 IN718 (무버퍼): 48.3 ± 39.3 μm 참고 수치: KAM SS316L·HEA (버퍼): 1.15° / 1.14° 참고 수치: KAM IN718 (버퍼): 0.83° (석출물로 단단) 참고문헌(화면 생략): [27] Y. Zhao, W. Xiong, Materials 16 (2023); [31] N. Chen et al., Addit. Manuf. 32 (2020)

균열 관찰

[1] R.E. Kim et al., J. Alloys Compd. 1083 (2026) 191777

■ 무버퍼 두 유형 균열, 버퍼는 균열 없음

Without HEA buffer

With HEA buffer

균열 없음

균열 없음

소재	CTE (×10^-6 K^-1)
CoCrFeMnNi HEA	14.7
SS316L	16.0
IN718	13.4

*CTE: coefficient of thermal expansion

(a) 계면 균열 ← CTE 불일치 응력

(b) SS316L 내 균열 ← 혼합영역 취성상

버퍼층: 열응력 완화·Laves 회피로 균열 억제

무버퍼 시편에서는 두 종류의 균열이 관찰됩니다. 첫째는 IN718과 SS316L의 CTE 불일치에 의한 높은 열응력으로 경계를 따라 생긴 계면 균열이고, 둘째는 IN718 계면 근처 SS316L 영역 안에서 적층방향으로 전파된 균열로, 혼합영역의 취성상 형성과 열응력이 원인입니다. 문헌에 따르면 90 wt% SS316L + 10 wt% IN718의 국부 조성이 취성 Laves상 형성을 촉진하여 균열 개시와 전파를 유발합니다. HEA 버퍼를 넣자 경계의 계면 균열이 사라졌는데, 이는 HEA의 열팽창이 두 합금의 중간이어서 열팽창 불일치를 수용하고 열응력을 완화하기 때문으로 해석됩니다. 또한 고엔트로피 효과로 고용체가 안정하여 상호확산에 의한 작은 조성 변동을 2차상 없이 수용합니다. 참고 수치: 유형 1: 경계를 따른 계면 균열, IN718-SS316L CTE 불일치 열응력 [32] 참고 수치: 유형 2: IN718 계면 근처 SS316L 내 적층방향 균열 (취성상 + 열응력) 참고 수치: 문헌 [21,31]: 90 wt% SS316L + 10 wt% IN718 조성 → Laves 형성, 균열 참고 수치: HEA 버퍼 도입 후 경계 계면 균열 소멸: 열팽창 불일치 수용, 열응력 완화 참고 수치: CTE (Table 2): HEA는 SS316L과 IN718의 중간 참고 수치: 고엔트로피 효과: 고용체 안정화, 조성 유연성 참고 수치: 상호확산 조성 변동: 2차상 없이 허용 [37] 참고문헌(화면 생략): [21] M.J. Sagong et al., Mater. Sci. Eng. A 847 (2022); [31] N. Chen et al., Addit. Manuf. 32 (2020); [32] C. Wang et al., Mech. Adv. Mater. Struct. (2025); [34] G. Laplanche et al., J. Alloys Compd. 623 (2015); [35] J. Liang et al., Metals 16 (2026); [36] A.S. Agazhanov et al., J. Phys. Conf. Ser. (2019); [37] S. Yang et al., Mater. Charact. 217 (2024)

균열 회피 메커니즘

[1] R.E. Kim et al., J. Alloys Compd. 1083 (2026) 191777

■ SS316L/HEA 응고 경로는 Laves 형성 영역을 회피

SS316L + IN718 (90/10~60/40 at%): 90/10에서 Laves 형성

SS316L + HEA (80/20~20/80 at%): 전 조성 Laves 미형성

Laves (C14)

버퍼층: 직접 희석 억제 → Laves 형성 조성 회피

Scheil-Gulliver 계산은 적층제조처럼 초고속 냉각에서의 비평형 응고상을 예측하는 데 유용합니다. SS316L/IN718 혼합에서는 SS316L 비율이 90 at%로 높은 조성에서 응고 중 Laves상이 형성되므로, 균열이 IN718이 아닌 SS316L 영역에서 발생한 앞 장 (b) 결과와 일치합니다. 고에너지 빔이 SS316L을 IN718 분말과 함께 재용융하면 IN718로 희석된 SS316L 기지가 만들어지고, 이 조성 혼합이 취성 Laves상과 계면 근처 균열을 유발합니다. 반면 SS316L에서 HEA로 가는 전체 조성 범위에서는 Laves상이 형성되지 않습니다. 따라서 HEA 버퍼층은 직접 희석을 억제하고 국부 조성이 Laves-forming regime에 빠지지 않게 하여 취성상 기인 균열 가능성을 낮춥니다. 참고 수치: Scheil-Gulliver: AM 급속 냉각의 비평형 응고상 예측에 유용 [41] 참고 수치: SS316L/IN718 혼합: SS316L 90 at% 조성에서 응고 중 Laves(C14) 형성 참고 수치: 재용융된 SS316L 기지가 IN718로 희석 → Laves → 계면 근처 SS316L 내 균열 [43] 참고 수치: SS316L → HEA 전체 조성 범위(80/20~20/80 at%)에서 취성 Laves 미형성 참고 수치: 단일 HEA 응고 (Fig. S1): 전 구간 FCC 단상 참고 수치: 단일 IN718 응고 (Fig. S1): FCC 기지 후 Laves 형성 참고 수치: SS316L/IN718 (a-d): 90/10 ~ 60/40 at% (4 조성) 참고 수치: SS316L/HEA (e-h): 80/20 ~ 20/80 at% (4 조성) 참고문헌(화면 생략): [39] B. Sundman et al., Calphad 9 (1985); [41] Z. Liu, W. Sun, Addit. Manuf. 95 (2024); [43] E.S. Kim et al., Mater. Res. Lett. 11 (2023)

기계적 물성

[1] R.E. Kim et al., J. Alloys Compd. 1083 (2026) 191777

■ HEA 버퍼: 안정적 변형과 높은 재현성

With HEA: 안정·재현

Without HEA:
조기 파단·연성 산포

사전 존재 균열 제거 + synergistic hardening → 안정적 인장 거동

무버퍼 시편은 연성의 재현성이 특히 나쁜데, 이는 사전 존재 균열(pre-existing crack)이 안정적인 소성변형을 끊어 조기 파단을 일으키기 때문이며, 시편마다 내부 결함의 형상과 밀도가 달라 인장 거동이 크게 달라집니다. 비교를 위한 단일소재 SS316L과 IN718은 모두 안정적으로 변형합니다. HEA 버퍼를 넣으면 균열 전파가 억제되어 높은 재현성으로 안정하게 변형하며, 무버퍼 중 가장 안정한 Without HEA #2보다도 유동응력이 높습니다. 이는 더 뚜렷한 synergistic hardening 효과와 사전 존재 균열의 제거 덕분입니다. 변형경화율에서도 버퍼 시편은 안정적이고 우수한 거동을, 무버퍼는 낮은 재현성을 보입니다. 참고 수치: 무버퍼: 사전 존재 균열(pre-existing crack)로 조기 파단, 결함에 따라 연성 산포 참고 수치: HEA 버퍼: 균열 전파 억제 → 높은 재현성의 안정적 변형 참고 수치: 가장 안정한 무버퍼 시편(Without HEA #2)보다도 높은 유동응력 참고 수치: 변형경화율(Fig. 9b): 버퍼 시편은 안정·우수, 무버퍼는 재현성 낮음 참고 수치: 단일소재 SS316L·IN718: 안정 변형 (Fig. S2) 참고 수치: 유동응력 향상 원인: Synergistic hardening 효과 참고 수치: 무버퍼 연성: 시편별 결함에 따라 상이

파괴 거동

[1] R.E. Kim et al., J. Alloys Compd. 1083 (2026) 191777

■ 균열 기인 국부화 vs 넥킹

<DIC>

Without HEA: εEng ~10.9% 국부화

With HEA: 넥킹

딤플 연성 파면

계면 균열 + 딤플

버퍼 시편: 균열이 아닌 넥킹으로 파단

DIC로 파단 직전의 국부 변형 분포를 추적했습니다. 무버퍼 시편은 공칭변형 약 10.9%라는 이른 단계에서 이미 소성변형이 국부에 집중됩니다. 이는 단일소재의 넥킹 후 변형에 필요한 변형률보다 낮으므로 넥킹이 아니라 SS316L/IN718 혼합영역의 균열 개시와 전파에서 비롯된 것이며, 변형이 진행되면 한쪽으로 확장됩니다. 버퍼 시편은 훨씬 높은 전역 변형률까지 균일하게 변형한 뒤 넥킹으로 변형이 집중되고, 균열 형상을 따르지 않고 해당 영역 전체에서 높은 변형을 보입니다. 파면에서도 버퍼 시편은 거시 균열 없는 딤플 위주의 연성 파면이고, 무버퍼 시편은 IN718/SS316L 계면 균열과 딤플이 섞인 혼합 파괴입니다. SS316L과 HEA는 미세 딤플의 연성 파괴를, IN718은 셀룰러 덴드라이트 입자와 함께 취성 2차상에서 생긴 미세 보이드를 보입니다. 참고 수치: 무버퍼: 공칭변형 ~10.9%에서 이미 소성변형이 혼합영역에 국부 집중 참고 수치: 단일소재 넥킹 변형률보다 낮음 → 혼합영역 균열 개시·전파 기인, 한쪽으로 확장 참고 수치: 버퍼: 균일 변형 후 넥킹으로 변형 집중, 해당 영역 전체에 높은 변형 (Fig. 11b) 참고 수치: 파면: 버퍼는 딤플 위주 연성 파면·거시 균열 없음, 무버퍼는 계면 균열 + 딤플 혼합 참고 수치: 국부화 시작 (무버퍼): εEng ~10.9% 참고 수치: 넥킹~파단 공칭변형 (버퍼): ≈29~33% (DIC 패널) 참고 수치: SS316L·HEA 파면: 미세 딤플, 연성 파괴 참고 수치: IN718 파면: 덴드라이트 입자 + 2차상 보이드 참고문헌(화면 생략): [51] R.E. Kim et al., Corros. Sci. 264 (2026); [52] H. Xiao et al., Mater. Des. 122 (2017); [53] K. Ding et al., Metall. Mater. Trans. A 50 (2019)

변형 기구

[1] R.E. Kim et al., J. Alloys Compd. 1083 (2026) 191777

■ 3층 heterostructure의 HDI 강화

HDI hardening

SS316L

IN718

영역 간 강도 불일치 → strain partitioning

→ 계면 GND 축적 (d)

→ back stress (HDI 응력) 증가 (a, b)

σ_HDI/σ_Flow 50% 이상 유지 (c)

계면 GND → HDI 응력 → 강화에 기여

버퍼 시편은 SS316L, HEA, IN718의 3층 heterostructure입니다. 변형 중 경질 영역과 연질 영역 사이의 기계적 불일치가 변형 불일치를 수용하기 위한 GND를 만들고, 쌓인 GND가 외력 반대 방향의 back stress, 즉 HDI 응력을 만들어 강화에 기여합니다. LUR 시험으로 계산한 HDI 응력은 변형과 함께 증가하고, 유동응력에 대한 기여율은 50% 이상으로 유지됩니다. AM 합금의 셀 구조도 경도 불일치를 주지만 고변형에서는 슬립밴드가 셀 벽을 통과할 수 있는 반면, multi-material에서는 영역 간 강도 불일치가 strain partitioning을 촉진하여 계면 근처에 GND가 축적됩니다. 실제로 20% 진변형 후 IN718/HEA 및 HEA/SS316L 계면 근처에서 GND 밀도가 크게 높아졌습니다. 참고 수치: SS316L/HEA/IN718 3층 heterostructure, 경질-연질 영역 간 기계적 불일치 참고 수치: 변형 불일치 수용을 위한 GND 생성 → pile-up이 back stress(HDI 응력) 유발 참고 수치: LUR 시험(버퍼 시편): 변형이 진행될수록 HDI 응력 증가 (Fig. 10a, b) 참고 수치: 영역 간 강도 불일치 → strain partitioning → 계면 근처 GND 축적 참고 수치: σHDI / σFlow: 50% 이상 유지 참고 수치: 변형 후 GND (20% 진변형): 두 계면 근처에서 크게 상승 참고 수치: AM 셀 구조 [49, 50]: 경도 불일치, 고변형 시 슬립밴드 통과 참고문헌(화면 생략): [11] R.E. Kim et al., Scr. Mater. 215 (2022); [26] M. Yang et al., Mater. Res. Lett. 4 (2016); [48] Y. Zhu, X. Wu, Mater. Res. Lett. 7 (2019); [49] G.M. Karthik, H.S. Kim, Met. Mater. Int. 27 (2021); [50] S.-H. Li et al., Acta Mater. 240 (2022)

연구 요약

[1] R.E. Kim et al., J. Alloys Compd. 1083 (2026) 191777

1. IN718을 SS316L 위에 직접 적층하면 혼합영역의 취성 2차상 + 열응력으로 균열 발생

2. HEA 버퍼: SS316L/IN718 직접 희석 감소, Laves 형성 조성 경로 회피

3. 버퍼 시편: 계면 균열 억제, 안정적 인장 변형, 무버퍼 대비 향상된 재현성

4. HEA 버퍼층 = 중간 CTE의 조성 허용성 중간층, 이종 합금 적층제조의 견고한 설계 전략

SS316L / HEA / IN718

With HEA: 안정·재현

정리하겠습니다. IN718을 SS316L 위에 직접 적층하면 혼합영역의 취성 2차상과 큰 열응력 때문에 균열에 취약한 영역이 생깁니다. CoCrFeMnNi HEA 버퍼층은 두 합금을 물리적으로 분리하여 직접 희석을 줄이고, Scheil-Gulliver 계산에서 SS316L/HEA 조성 경로는 SS316L/IN718 희석 경로와 달리 Laves 형성 영역을 피합니다. 그 결과 버퍼 시편은 계면 균열이 억제되고 안정적인 인장 변형과 향상된 재현성을 보였습니다. 변형 중 계면 GND로 HDI 응력 기여가 50% 이상 유지되었고, 버퍼 시편은 균열이 아닌 넥킹으로 파단했습니다. HEA 버퍼층은 중간 수준의 열팽창 응답을 갖는 조성 허용성 중간층으로서, 이종 합금 multi-material의 견고한 적층제조를 위한 효과적인 설계 전략입니다. 참고 수치: 적층 구조 (SS316L/HEA/IN718): 27 / 2 / 27 layers 참고 수치: 인장 거동 (Fig. 9a): 버퍼 시편 안정·재현성 확보

2026.10.28

대한금속재료학회

감사합니다!

김래언

지도교수: 김형섭 교수님

포항공과대학교 박사과정