열간 등압 성형(HIP) 시스템은 주로 NiCoCr 합금의 적층 제조에 내재된 세 가지 중요한 문제, 즉 내부 미세 기공, 극심한 잔류 응력 및 미세 구조 최적화를 해결합니다. 약 1185°C의 고온 및 고압에 부품을 동시에 노출함으로써 HIP는 고하중 환경에 필요한 구조적 무결성을 재료가 달성하도록 보장하는 교정 "치유" 프로세스 역할을 합니다.
HIP의 핵심 가치 레이저 분말 베드 융합(L-PBF)은 복잡한 형상을 가능하게 하지만, 종종 부품에 내부 공극과 상당한 열 응력이 남습니다. HIP 후처리 공정은 이러한 숨겨진 결함을 해결하여 상대 밀도를 99.9% 이상으로 높이고 잔류 응력을 거의 0으로 중화하여 중요 응용 분야에서 조기 파손을 방지합니다.
내부 결함 제거
적층 제조 공정, 특히 L-PBF는 빠른 용융 및 냉각을 포함합니다. 이로 인해 재료의 강도를 저하시키는 미세한 결함이 종종 발생합니다.
미세 기공 닫기
인쇄 과정 중에 가스 포켓 또는 융합 부족(LOF) 결함이 금속 내부에 갇힐 수 있습니다. 이러한 공극은 균열이 시작될 수 있는 응력 집중점 역할을 합니다.
HIP 시스템은 모든 방향에서 높은 가스 압력을 가하여 이러한 공극을 붕괴시킵니다. 소성 변형 및 확산 메커니즘을 통해 재료가 함께 결합하여 이러한 간격을 닫습니다.
이론적 밀도 달성
NiCoCr 합금의 목표는 단조(전통적으로 제조된) 부품의 밀도와 일치시키는 것입니다.
HIP가 없으면 인쇄된 부품은 다공성 구조를 유지할 수 있습니다. 열과 압력을 동시에 적용하면 이러한 합금이 99.9%를 초과하는 상대 밀도에 도달할 수 있습니다.
열 응력 중화
금속 3D 프린팅의 가장 중요한 과제 중 하나는 부품의 열 이력입니다. 레이저가 금속 분말을 층별로 용융함에 따라 심각한 열 구배가 발생합니다.
잔류 응력 감소
프린터에서 막 나온 부품에는 종종 300MPa를 초과하는 잔류 응력이 포함되어 있습니다. 처리되지 않은 경우 이 내부 장력은 부품 변형 또는 자발적 균열로 이어질 수 있습니다.
HIP 공정은 엄격한 응력 완화 사이클 역할을 합니다. 재료를 고온에서 유지함으로써 내부 힘을 완화하여 잔류 응력을 거의 0으로 효과적으로 줄입니다.
피로 수명 개선
내부 기공(균열 시작점)과 잔류 응력(균열을 유발하는 요인)을 모두 제거함으로써 HIP는 부품의 피로 성능을 크게 향상시킵니다. 이는 주기적 하중을 받는 부품에 매우 중요합니다.
미세 구조 최적화
결함을 단순히 수정하는 것 외에도 HIP는 합금의 야금 구조를 정제하는 데 사용됩니다.
결정립 성장 제어
고온 처리는 재료의 결정립 구조를 "거칠게" 만들 위험이 항상 있으며, 이는 강도를 감소시킬 수 있습니다.
그러나 NiCoCr에 대한 특정 HIP 매개변수(예: 1185°C)는 상당한 결정립 성장을 유발하지 않고 재료를 밀집시키도록 최적화됩니다. 이 균형은 재료의 기계적 특성을 유지하면서 신뢰성을 보장합니다.
절충점 이해
HIP는 구조적 무결성을 위한 강력한 도구이지만, 올바르게 적용하기 위해 범위와 한계를 인식하는 것이 중요합니다.
내부 대 외부 수정
HIP는 *내부* 결함을 치유하도록 설계되었습니다. 일반적으로 표면 거칠기를 개선하거나 표면에 연결된 기공을 수정하지는 않습니다. 기공이 표면에 연결되어 있으면 가압된 가스가 기공을 붕괴시키는 대신 단순히 채울 것입니다.
치수 변화
HIP는 잔류 응력을 완화하기 때문에 내부 장력이 해제됨에 따라 부품에 약간의 치수 변화가 발생할 수 있습니다. 설계자는 최종 가공을 위해 부품의 공차를 설정할 때 이러한 응력 완화를 예상해야 합니다.
목표에 맞는 올바른 선택
NiCoCr 부품에 대한 HIP의 가치를 극대화하려면 후처리 전략을 성능 요구 사항과 일치시키십시오.
- 피로 저항이 주요 초점인 경우: 균열 시작점으로 작용하는 미세 공극 및 융합 부족 결함을 제거하기 위해 HIP를 우선시하십시오.
- 치수 안정성이 주요 초점인 경우: 300MPa 이상에서 0으로 감소하면 부품 형상이 약간 변경되므로 HIP 중에 발생하는 응력 완화를 고려하여 가공 전략을 조정하십시오.
- 재료 신뢰성이 주요 초점인 경우: 과도한 성장을 통해 결정립 구조를 손상시키지 않고 99.9% 이상의 밀도를 달성하기 위해 HIP 매개변수가 1185°C로 조정되었는지 확인하십시오.
HIP는 인쇄된 NiCoCr 부품을 기하학적으로 복잡한 프로토타입에서 구조적으로 견고하고 산업 등급의 구성 요소로 변환합니다.
요약 표:
| 특징 | NiCoCr 합금에 미치는 영향 | 결과 |
|---|---|---|
| 기공 제거 | 내부 가스 포켓 및 LOF 결함 붕괴 | 상대 밀도 99.9% 이상 |
| 응력 완화 | 300MPa 이상의 열 응력을 거의 0으로 감소 | 변형 및 균열 방지 |
| 결정립 제어 | 정확한 1185°C 온도 관리 | 강도 및 신뢰성 유지 |
| 피로 수명 | 균열 시작점 제거 | 주기적 하중 하에서의 성능 향상 |
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참고문헌
- Timothy M. Smith, Christopher Kantzos. Efficient production of a high-performance dispersion strengthened, multi-principal element alloy. DOI: 10.1038/s41598-020-66436-5
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