01 시대의 과제 - 알루미늄 합금은 저밀도, 고비강도, 뛰어난 내식성으로 인해 항공우주, 자동차, 에너지 장비 분야에서 없어서는 안 될 구조 소재가 되었습니다. 그러나 복잡한 형상과 고성능에 대한 현대 업계의 요구가 높아지면서 경량 구성요소가 급증함에 따라 기존의 주조 및 가공 방법은 복잡한 내부 채널, 격자 구조 및 얇은 벽 구조를 갖춘 부품을 제조하는 데 근본적인 한계에 직면하게 되었습니다.- 적층 제조 기술-특히 LPBF(레이저 분말층 융합) 및 LDED(레이저 지향 에너지 증착)-는 이러한 제조 병목 현상을 극복할 수 있는 혁신적인 경로를 제공합니다. LPBF 기술은 고에너지 레이저 빔을 사용하여 사전 증착된 분말 층을 선택적으로 녹이고{10}}층별로 밀도가 99.5%를 초과하는 복잡한 구성 요소를 만듭니다. 일반적인 냉각 속도가 10⁶ K/s 정도에 이르면 평형 응고 상태에서 멀리 떨어진 과포화 고용체와 초미세 입자 미세 구조를 생성할 수 있습니다. 한편, 동기식 분말 공급 및 레이저 용융을 활용하는 LDED 기술은 손상된 부품을 수리하고 대규모 구조 부품 및 구성 등급 재료를 제조하는 데 고유한 이점을 보여줍니다. 그럼에도 불구하고, 알루미늄 합금은 레이저 적층 가공 중에 일련의 본질적인 물리적-야금학적 문제에 직면합니다. 실온에서 알루미늄 합금은 근-적외선 레이저(파장: 1070nm)에 대해 90%를 초과하는 반사율을 나타내므로 에너지 결합 효율이 매우 낮고 안정적인 용융 풀을 구축하려면 높은-전력-밀도 레이저가 필요합니다. 알루미늄 합금 표면은 녹는점이 2072도인 조밀한 산화막(Al2O₃)을 쉽게 형성합니다. -알루미늄 매트릭스의 녹는점 660도보다 상당히 높습니다. 이 산화막 조각은 용융 풀 내에서 완전히 녹지 못하는 경우가 많으며 균열 및 융합 결함-부족-의 시작 지점 역할을 하는 경우가 많습니다. 훨씬 더 중요한 것은 액체 알루미늄(약. 0.7 cm³/100g)의 수소 용해도가 고체 알루미늄(약. 0.04 cm³/100g)보다 훨씬 높다는 것입니다. 급속 응고 동안 과포화 수소 원자는 제 시간에 확산될 수 없으며 대신 고체-액체 경계면에 축적되어 기포 핵을 형성하고 궁극적으로 응고된 미세 구조 내에 직경이 수십에서 수십 마이크로미터에 이르는 금속 공극을 남깁니다. 한편, 알루미늄 합금의 넓은 응고 온도 범위(예: Al7075의 경우 150도 초과)와 상당한 응고 수축(약 6%)으로 인해 용융 풀 응고의 최종 단계에서 공급 채널이 닫히면 응고 수축 다공성과 고온 균열에 매우 취약해집니다. 이러한 문제는 고강도 2xxx 및 7xxx 시리즈 알루미늄 합금의 LPBF 처리 시 핵심 과제를 나타냅니다. 레이저 적층 제조에 내재된 극한의 열 순환 특성은-상온에서 200도에 이르는 주변 분말 및 기판 온도와 함께 2000도를 초과하는 국부적인 용융 풀 온도를 포함하여 최대 10⁶ K/m의 높은 온도 구배를 초래하며-구성요소 내에 복잡한 열 응력 필드를 생성합니다. 제어하지 않으면 이러한 응력으로 인해 뒤틀림, 변형 또는 층간 균열이 발생할 수 있습니다.
02 구성 설계 - 구성 설계 수준에서 전통적으로 주조 및 단조에 사용되는 합금 시스템은 적층 가공에 적합하지 않은 경우가 많습니다. AlSi10Mg 합금을 예로 들면, 이 합금의 거의-공융 조성은 주조 중에 뛰어난 유동성을 제공합니다. 그러나 LPBF의 급속 응고 조건에서는 거친 공융 실리콘 상 네트워크가 응력 집중의 원인으로 작용합니다. 또한, 300도에서 합금의 인장 강도는 상온 강도의 약 10%로 급락합니다. 이는 고온에서 공융 미세 구조가 급속히 조대화되고 용해되기 때문에 발생하는 현상입니다. 결과적으로, 적층 제조의 특성에 맞는 특수 알루미늄 합금 구성 시스템을 개발하는 것이 이 분야의 주요 연구 초점이 되었습니다.
중국 과학 아카데미 충칭 녹색 및 지능 기술 연구소의 연구에 따르면 Al-Mg 합금에 미량의 Sc(0.2~0.4wt%) 및 Zr(0.1~0.3wt%)을 추가하면 레이저 분말 베드 융합(LPBF)의 급속 응고 과정에서 L12 정렬 구조를 갖는 나노 규모의 1차 Al₃(Sc,Zr) 상을 *현장에서* 형성할 수 있는 것으로 나타났습니다. 이러한 상은 -Al 매트릭스와 매우 낮은 격자 불일치(약 1.3%)를 나타내며 매우 효율적인 이종 핵 생성 사이트 역할을 하여 수십 마이크로미터에서 마이크로미터 미만 규모까지 입자 크기를 미세화합니다. 연구에 따르면 -제조된 Al-Mg-Mn-Sc-Zr 합금은 특징적인 이중 모드 결정립 구조, 즉 용융 풀 가장자리에 미세한 등축 결정립 영역(평균 크기 ~1.04μm)이 있고, 용융 풀 중앙에서 제작 방향을 따라 성장하는 원주형 결정립 영역(평균 크기 ~2.11μm)이 나타납니다. 이 이질적인 입자 구조는 용융 풀 내 온도 구배와 핵 생성 밀도의 공간적 변화로 인해 발생합니다. 가장자리는 높은 온도 구배와 이질적인 핵 생성을 촉진하는 기본 Al₃(Sc,Zr) 상의 농축을 특징으로 하는 반면, 중앙은 최대 열 방출 방향을 따라 에피택셜 결정 성장을 선호하는 강한 방향성 온도 구배를 특징으로 합니다. 특히, Sc는 비싸지만(약 $3,000/kg), Zr은 상대적으로 저렴합니다(약 $30/kg). 이러한 요소를 결합하면 강화 단계의 열 안정성을 크게 향상시킬 뿐만 아니라 합금 비용을 효과적으로 절감하는 Al₃Sc-코어/Al₃Zr-쉘 구조가 생성됩니다. 한편, Shanghai Jiao Tong University 팀은 변형 가능한-공융 나노스캐폴드를 기반으로 한 혁신적인 설계 전략을 제안했습니다. 그들은 풍부한 슬립 시스템과 높은 쌍정 능력과 함께 -Al과의 격자 불일치가 3.96%에 불과한 L12-구조 Al₃Er 상-의 형성을 활용하여 거의-공융 Al-}(12.7wt% Er) 시스템을 모델 합금으로 선택했습니다. LPBF 인쇄 과정에서 Al₃Er은 연속적인 3D 나노-골격 형태로 약 10.3%의 부피 분율로 침전됩니다. 이 골격은 1300 MPa를 초과하는 높은 응력을 견딜 뿐만 아니라 변형 쌍정 및 9R 장{44}}주기 적층 구조를 통해 변형 중에 소성 수용을 용이하게 하여 공융 골격이 본질적으로 부서지기 쉽다는 기존의 견해를 근본적으로 뒤집습니다. 인쇄된-Al-Er-Mg 합금(RAE700)은 632MPa의 항복 강도를 나타내며, 7~10%의 연신율을 유지하면서 직접 노화 후 707MPa로 증가하여 이전에 보고된 모든 3D-인쇄 알루미늄 합금을 능가하는 포괄적인 성능 프로필을 제공합니다. 또한 나고야 대학교 연구팀은 "원소 분할 제어" 전략을 기반으로 Al-Fe-Mn-Ti 합금 시리즈를 개발했습니다. Cu 및 Mn을 첨가하여 Al₆Fe 상을 안정화하고 이를 유익한 강화 상으로 변환하는 동시에-고상으로 분할하여 결정립을 약 2.3μm로 미세화하는 Ti를 도입함으로써-합금은 상온-인장 강도 390MPa와 연신율 14~17%를 달성하며, 300도에서 100시간 열 노출 후에도 특성이 거의 변하지 않습니다.
