Microstructure control of the 316L stainless steel manufactured by laser-based and CMT-based additive manufacturing

Abstract

금속 적층 제조는 설계의 유연성, 공정 간소화 등의 장점으로 인해 다양한 산업에서 주목을 받아왔다. 금속 적층 제조 기술 중 직접 에너지 적층(Direct energy deposition, DED) 방식은 기술의 자유도가 높고 응용 분야가 넓어 사용 영역이 점차 확대되고 있다. 그 중에서도 아크와 레이저 열원을 사용하는 직접 에너지 적층 방식이 가장 많이 쓰이고 있다. 아크와 레이저 열원을 이용하는 다층 적층 제조 공정에서는 매 층마다 반복되는 입열로 인해 적층물에 축열 현상이 발생한다. 적층물에 열이 축적되면 냉각 속도가 변화하게 되고 이에 따라 기계적 물성과 관련이 있는 미세 조직도 변화하게 된다. 따라서 적층 제조 후 미세 조직적 변화를 통해 기계적 물성을 향상시키기 위한 열처리를 수행하는 경우가 빈번하다. 열처리 후 적층물의 미세조직은 이방성이 완화되고 균질해질 수 있지만 미세조직의 크기가 조대해지면서 기계적 물성이 저하되는 경우도 발생한다. 그러므로 열처리 효과를 극대화하기 위해서는 열처리 전, 즉 적층 후 미세조직이 균일하고 크기가 작은 것이 유리하다. 이런 미세조직적 조건이 형성되어야만 열처리 후 미세조직의 크기가 일정 정도 커지더라도 기계적 물성을 회복하거나 향상시킬 수 있는 여지가 있게 된다. 바꿔 말하면, 적층 과정에서 미세 조직을 제어하여 균일하고 작게 만들 수 있어야 열처리 효과가 극대화될 수 있다. 미세조직은 적층 과정에서 응고 변수 (온도 구배 G, 성장 속도 R)에 의해 결정된다. 이 두 변수는 미세조직의 형태 및 크기와 밀접한 관련이 있다. 구체적으로, G / R은 미세구조의 형태를 결정하고, G × R은 미세구조의 크기를 결정한다. 응고 변수는 소재나 공정 조건에 따라 다르게 형성될 수 있으므로 제어를 위한 기준을 정립할 필요가 있다. 따라서, 본 연구에서는 축열의 영향을 받은 응고 변수와 이에 따라 형성되는 미세 조직 간의 정량적 관계를 정립하여 미세 조직 제어의 기준을 제시하고자 한다. 이를 위해 316L SS 소재를 이용하여 아래와 같이 연구를 진행하였다. 먼저, CMT 기반 아크 열원을 이용한 다층 적층 제조에서 적층 동안 발생하는 축열 현상으로 인한 응고 파라미터와 미세 조직과의 관계를 조사하였다. CMT 열원의 특성을 고려하여 와이어 아크 적층 제조(WAAM)에 적합한 수치모델을 개발하였다. 고속 카메라를 이용하여 CMT 아크의 과도 거동을 조사하였고, 이러한 거동을 수치모델의 열원으로 고려하였다. 시뮬레이션 모델의 경우 실제 적용을 고려하여 질량 흐름의 영향을 분석하기 위해 도메인 활성화 방법을 채택했다. 또한 316L SS 적층 과정에서 발생하는 축열로 인한 미세구조의 특성을 분석하기 위해 고온계를 이용하여 적층물의 고정점 온도를 연속적으로 측정하였다. 실험 온도 프로파일과 시뮬레이션 온도 프로파일을 비교하여 시뮬레이션 모델을 검증하였다. 또한, 적층물로부터 미세 조직을 분석하였다. 최종적으로 아크 열원의 특성이 반영된 응고 변수와 미세 조직의 상관 관계를 확인하였다. 두번째로, 레이저 열원을 이용한 다층 적층 제조에서 적층 동안 발생하는 축열 현상으로 인한 응고 파라미터와 미세 조직과의 관계를 조사하였다. 레이저를 이용한 다층 적층 공정에서의 열전달을 이해하기 위해 수학적 모델을 개발하였다. 수학적 모델의 정확도를 높이기 위해 실험 중 적층물의 고정점에서 온도 프로파일을 획득하고 두 데이터를 비교하여 모델을 검 증하였다. 적층물의 미세조직을 분석하고, 열원의 특성이 반영된 응고 변수와의 관계를 확인하였다. 마지막으로, 각 열원의 특성이 반영된 응고맵을 도출하여 316L SS 미세 조직 제어 기준을 제안하였다. 적층물 각 층에서 응고 변수 변화에 따른 316L SS의 미세조직 형태와 크기를 도출하여 G / R 과 G × R을 이용한 미세조직 제어 기준 및 예측 가이드를 제시하였다. 본 연구에서는 금속 적층 제조 중 직접 에너지 적층에서 주로 이용되는 아크와 레이저 열원을 이용하여 실험적으로 얻기 어려운 적층물의 3차원 응고 변수 정보를 획득하고 실험 결과와 비교 분석함으로써 미세 조직 제어와 예측 기준을 제시하였다. 이는 이전까지 보고되지 않은 새로운 결과로써 공정 변수 설계, 품질 향상 등에 활용 가치가 있을 것으로 예상되며, 금속 적층 제조 기술의 현장 활용성을 실질적으로 높이는데 기여할 수 있다는 점에 본 연구의 의의가 있다. |Metal additive manufacturing(AM) has garnered attention in various industries owing to design flexibility and process reduction. Among the metal AM technology, the direct energy deposition (DED) method, in where the material is moved to a feeding device and melted directly, is expanding demand because of a high degree of freedom in technology and a wide range of applications. Among them, AM using a laser heat source and an arc heat source are commonly used. In the multi-layer AM process using arc and laser heat sources, the heat accumulation phenomenon occurs owing to the repeated heat input from the deposition of each layer. When heat is accumulated in the deposit, the cooling rate changes. Accordingly, the microstructure related to the mechanical properties also changes. Therefore, heat treatment to improve the mechanical properties by microstructural changes after AM is often performed. Although the size of the microstructure becomes homogeneous and anisotropy relaxation, the mechanical properties may be weakened due to the size of the microstructure changes coarse. Therefore, to maximize the effect of heat treatment, it is advantageous to have a homogeneous and fine microstructure before heat treatment (after deposition). In that case, even if the microstructure is coarsened after heat treatment, there is room for recovery or improvement of mechanical properties. In other words, the heat treatment effect can be maximized when the microstructure can be controlled to make it homogeneous and fine during the deposition process. The microstructure of the deposit is determined by the solidification parameters (Temperature gradient (G), growth rate (R)) during the formation process. The solidification parameters are closely related to the morphology and size of the microstructure. G / R determines the morphology of the microstructure, and G × R determines the size of the microstructure. Since the solidification parameters can be formed differently depending on the material or process conditions, it is necessary to establish criteria for control. Therefore, in this study, the criteria for microstructure control are suggested by establishing a quantitative relationship between the solidification parameters affected by heat accumulation and the microstructure. For this purpose, 3 studies were conducted using 316L stainless steel (SS). First, the relationship between the microstructure and solidification parameters affected by the heat accumulation during multi-layer deposition in AM using an arc (Cold metal transfer, CMT) heat source was investigated. The numerical model, which is appropriate for CMT-based AM, was developed considering the characteristics of the CMT heat source . Using a high-speed camera, the transient behavior of the CMT arc was investigated, and this behavior was considered for the heat source of the numerical model. For the light model, a domain-activation method was adopted to analyze the effect of mass flow for considering practical applications. Furthermore, to analyze the effect of heat accumulation produced during CMT-based AM on the characteristics of the microstructure of the 316L SS deposit, the temperature at a fixed point in the deposit was continuously measured using a pyrometer. The simulation model was verified by comparing the experimental and simulated temperature profiles. Additionally, the microstructure of the deposit was analyzed. Finally, the correlation between the solidification parameters, reflecting heat accumulation (characteristics of the arc heat source), and the microstructure was confirmed. Second, the relationship between the microstructure and solidification parameters affected by the heat accumulation during the multi-layer deposition in AM using a laser heat source was investigated. To increase the accuracy of the mathematical model, the temperature profile was obtained at a fixed point of the deposit during the experiment, and the model was verified by comparing experimental and simulation data. Finally, the microstructure of the deposit was analyzed, and the relationship between the microstructure and solidification parameters reflecting the characteristics of the heat source was confirmed. Third, the criteria for microstructure control of 316L SS were suggested by establishing a solidification map considering heat accumulation. The microstructure morphology and size of 316L SS were derived according to the change in the solidification parameters in each layer of the deposit, and the criteria for microstructure control and prediction guides using G / R and G × R were presented. In this study, microstructure control and prediction criteria were presented by acquiring three-dimensional solidification parameter information, which is difficult to obtain experimentally, using a heat source used in metal AM. This is a novel result that has not been reported before and is expected to be used in designing process parameters and improving quality. Furthermore, this study is meaningful that contributes to increasing the field applicability of metal AM technology.