경도 감소의 주된 원인은 가공 경화의 열적 완화입니다. 핫 등압 압축(HIP)은 밀도를 높이는 데 필수적이지만, 관련된 고온은 재료 회복, 재결정 및 결정립 성장을 유발합니다. 이 과정은 냉간 용사 시 고속 충돌 중에 발생하는 잔류 압축 응력을 효과적으로 완화하여 Ni–20Cr 합금을 벌크 재료의 일반적인 더 부드럽고 연성이 높은 상태로 되돌립니다.
핵심 통찰: HIP 공정은 근본적인 절충점을 제시합니다. 구조적 무결성을 달성하기 위해 동적 충격으로 얻은 "인공적인" 경도를 희생해야 합니다. 코팅을 고온(예: 900°C)에 노출시키면 기공이 제거되지만, 미세 구조가 재설정되어 초기 높은 경도 값을 제공했던 변형 경화가 지워집니다.
미세 구조 변환
운동 에너지 방출
냉간 용사 증착은 고속 입자 충돌을 통해 재료를 접합합니다. 이 격렬한 충돌은 강렬한 잔류 압축 응력을 생성하고 입자를 심하게 변형시킵니다. 이 "가공 경화"는 증착 직후 냉간 용사된 Ni–20Cr 층에 탁월한 경도를 부여하는 것입니다.
열 회복 및 재결정
HIP 중에는 재료가 높은 압력과 높은 온도를 동시에 받습니다. 열 에너지는 변형된 결정 격자가 완화되도록 합니다. 이는 회복 및 재결정을 시작하여, 변형된 결정립을 새롭고 응력이 없는 결정립으로 대체하여 냉간 용사 공정의 경화 효과를 제거합니다.
결정립 성장
공정이 진행됨에 따라 새로 형성된 결정립은 더 커지는 경향이 있습니다. 결정립 성장은 재료의 연화에 더욱 기여하여, 기계적 특성을 코팅의 단단하고 취성이 있는 특성에서 벌크 합금의 더 부드럽고 평형 상태로 이동시킵니다.
절충점 이해
밀도 대 경도
경도는 감소하지만 재료의 구조적 품질은 크게 향상됩니다. HIP는 내부 기공과 미세 공동을 닫도록 강제하여 Ni–20Cr의 겉보기 기공률을 약 9.54%에서 2.43%로 줄입니다.
연성 대 취성
경도 감소는 연성 증가와 직접적으로 관련이 있습니다. 증착 직후의 코팅은 단단하지만 다공성이 있고 응력이 가해진 특성으로 인해 종종 취성이 있습니다. HIP 처리된 층은 미세 구조 균질화 과정을 거쳐 훨씬 더 균일하고 파괴에 강해져 단조 합금의 특성을 반영합니다.
목표에 맞는 올바른 선택
Ni–20Cr 냉간 용사 응용에 HIP를 적용할지 여부를 결정할 때 기계적 요구 사항을 우선시해야 합니다.
- 주요 초점이 최대 표면 경도인 경우: 증착 직후 상태는 가공 경화를 활용하여 내마모성을 극대화하므로 고온 HIP를 피하십시오.
- 주요 초점이 구조적 무결성 및 피로 수명인 경우: 내부 공동을 닫고 미세 구조를 균질화하기 위해 HIP를 적용하고, 재료가 벌크 합금 수준으로 연화되는 것을 받아들이십시오.
궁극적으로 경도 손실은 공정의 결함이 아니라 완전히 조밀하고 야금학적으로 안정적인 구성 요소를 달성하기 위한 필수적인 결과입니다.
요약 표:
| 특징 | 증착 직후 Ni–20Cr | HIP 후 Ni–20Cr |
|---|---|---|
| 경도 | 높음 (가공 경화됨) | 낮음 (응력 완화됨) |
| 기공률 | 높음 (~9.54%) | 낮음 (~2.43%) |
| 미세 구조 | 변형됨/왜곡됨 | 재결정됨/균질화됨 |
| 연성 | 낮음 (취성) | 높음 (단조와 유사) |
| 주요 이점 | 최대 표면 경도 | 구조적 무결성 및 피로 수명 |
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참고문헌
- Parminder Singh, Anand Krishnamurthy. Characterization and High-Temperature Oxidation Behavior of Ni–20Cr Deposits Fabricated by Cold Spray-Based Additive Manufacturing. DOI: 10.3390/coatings13050904
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