Oxidation and Inclusion Evolution in Metal Additive Manufacturing

Abstract

적층 제조법은 혁신적인 기술로 기존 야금이 직면한 과제들에 새로운 해답을 줄것으로 기대되고 있다. 적층 제조법은 재료 및 구조 설계에 이점을 갖고 있지만 그 잠재력이 아직 완전히 실현되지 않고 있다. 적층 제조법으로 제조된 산화물 분산 강화(ODS) 재료가 좋은 예이다. ODS를 제작하는데에 크기, 균일 한 분포 및 높은 수 밀도 측면에서 적층 제조는 기존 제조 방법보다 유리할 수 있다. 그러나 이러한 목표를 달성하기 위한 개념들 곧, 적층 제조 중 개재물 성장 및 용융풀 산화 과정에 대한 이해가 전혀 이루어 지지 않은 실정이다. 따라서 적층 제조 공정에서 산화 및 개재물 성장거동에 대한 연구가 매우 필요하다. 첫째, 직접 에너지 증착에서 산화 및 개재물 성장거동의 메커니즘을 밝히기 위해 레이저 강도와 보호 가스 유속이 용융풀 산화 및 개재물 특성에 미치는 영향을 조사했다. 레이저 강도가 증가하고 가스 흐름이 감소함에 따라 용융풀의 산소 함량이 증가함을 확인하였다. 레이저 강도의 증가는 용융풀 온도의 증가로 이어져 노출 표면 비율을 높여 산소 함량 증가로 이어졌다. 보호 가스 유속이 증가하면 용융풀 주변의 산소 분압이 감소 함을 확인하였고, 노출 된 표면에서 기체 상태의 산소 가스 질량 전달은 반응 제어 단계임을 확인하였다. 산화막으로 덮인 표면에서 산화막 내 산소의 확산이 반응 제어 단계였다. 표면활성원소로써 산소는 용융풀의 표면장력에 상당한 영향을 주며 Marangoni 흐름 방향을 반전시키고 세기를 조절하는 것으로 밝혀졌다. 유동 세기의 변화는 용융풀 깊이와 넓이에 영향을 미쳐 응고조직에 변화를 가져왔다. 산화개재물은 재료의 기계적 강도를 증가 시켰지만, 사이즈가 10 μm이상으로 큰 개재물은 인장 특성을 저하시키는 것으로 나타났다. 산소 함량이 1113 ppm을 초과하는 샘플에서 spinel은 액체 산화물과 관계없이 용융풀에서 독립적으로 핵생성을 일으켜 성장했으며 조대한 개재물 형성에 기여하였다. 둘째, 분말베드용융 중 용융풀 산화 및 환원 메커니즘을 연구 하였다. 레이저 출력, 스캔 속도 및 보호 가스 속도와 같은 공정변수가 인쇄물의 산소, 질소 및 탄소 함량 변화에 미치는 영향을 조사하여 그 메커니즘을 이해하였다. 316L 스테인리스 강에서 용융풀 패임 구역에서 CO 및 CO2 가스가 생성되는 환원과 그 외 지역에서 발생하는 산화가 공정 중에 동시에 발생하고 있음을 발견하였다. 에너지 밀도와 보호 가스 유속의 증가는 용융풀 환원속도를 증가시키고 공극률을 감소 시켰습니다. 분말의 산소와 질소 함량이 높을 때 질소와 CO 가스가 증기 제트의 주요 구성 요소가 될 수 있음을 밝혔다. 보호 가스 유속이 레이저 스캔 속도와 비슷할 때 불규칙 적인 응고조직과 용융풀 불안정성이 관찰되었다. 공극률, 용융풀 형상 및 크기 및 응고 조직도 보호 가스 유속에 영향을 받는것으로 밝혀졌다. 단방향 스캐닝 패턴보다 양방향 스캐닝 패턴이 더 높은 산소 함량과 공극률로 이어졌다. 단방향 스캐닝 패턴의 경우 보호가스 흐름 방향과 일치하게 스캐닝하면 반대방향으로 혹은 수직방향으로 스캐닝한 경우보다 산소 함량과 공극률이 높다는 것을 발견하였다. 보호 가스와 레이저 증기 제트 사이의 상호 작용이 용융풀 산화 및 화원 속도에 미치는 영향과 공극률에 미치는 영향을 고찰하였다. 마지막으로, 직접 에너지 증착과 분말베드용융 내 개재물 성장 거동을 수치 모델링을 통해 모사하였다. 현재 모델은 전도 방정식에서 계산 된 용융풀의 예상 온도 프로파일, 확산을 고려한 응고 모사, 크기 그룹화 방법을 사용한 고전적인 핵 생성 및 성장 모델을 결합하였다. 전반적으로 모델에서 계산 된 결과는 실험 데이터와 잘 일치했다. 그러나 분말베드용융 내 개재물 중 작은 크기의 개재물은 현재 모델로 계산 된 크기 분포와는 다른 분포를 가짐이 발견되었다. 이는 초기 입자 성장 단계에서 확산제어 성장을 가정한 전제조건에 문제가 있음을 의미하였다. 적층제조내 다수의 개재물은 응고 과정 중 핵생성되어 성장한 개재물임이 밝혀졌으며 핵생성 당시 용융풀의 산소 농도는 수천 ppm에 달하는 것을 관찰하였다. 이는 강의 경우 고체상 내에 산소에 대한 용해도가 극히 낮으며 적층공정상 상당히 빠른 냉각속도에 기인함을 밝혔다. 마지막으로 적층 제조 재료 내 개재물 분산강화 효과를 극대화 하기 위한 방안에 대해서 논의 하였다.

Additive manufacturing (AM) has been received much attention to be a disruptive technology and be a new solution to challenges conventional metallurgy has faced. Even though the process has the advantage in material and configurational design, the potential was not fully realized. A good example is oxide dispersion strengthened material fabricated by the additive manufacturing process. In terms of size, even distribution, and high number density, additive manufacturing could be advantageous over conventional fabrication methods. However, the lack of understanding of inclusion evolution and melt pool oxidation process in the additive manufacturing process have hindered the active research. Thus, investigation for oxidation and inclusion evolution in the AM process is highly required. First, to reveal the mechanism of oxidation and inclusion evolution in directed energy deposition, the effects of laser intensity and shielding gas flow rate on melt pool oxidation and inclusion characteristics were investigated. As laser intensity increased and gas flow decreased, oxygen content in the melt pool increased. The increase in laser intensity led to a rise in bared surface fraction due to the increase in melt pool temperature. An increase in the shielding gas flow rate would lead to decreased oxygen partial pressure around the melt pool. At the bared surface, mass transfer of oxygen gas in the gas phase was the reaction control step. The reaction rate depended on oxygen partial pressure in the gas phase and temperature of the gas phase. At the oxide film-covered surface, mass transport of oxygen in oxide film was the reaction control step. The reaction rate depended on oxygen partial pressure in the gas phase and temperature of the oxide film. As a surface-active element, oxygen considerably affected the surface tension of the melt pool and could reverse the Marangoni flow direction. Oxide inclusions increased mechanical strength, but large inclusion (> 10 μm) degraded tensile properties and caused a sudden drop in ductility in the sample H05, which had been illuminated with high intensity and treated with the lowest flow rate. In samples with an oxygen content of more than 1113 ppm, spinel was nucleated independently in the melt pool irrespective of liquid oxide. The spinel promoted the agglomeration of inclusions and the formation of large inclusions. The melt pool could be regarded as a building block of AM, so the effect of oxygen content on melt pool shape can result in changes in the solidification textures of materials fabricated using AM. Second, the mechanism of melt pool oxidation and reduction during the powder bed fusion process was studied. The effect of process parameters such as laser power, scan speed, and shield gas flow speed on the variation in oxygen, nitrogen, and carbon content in the printed material was investigated to elucidate the mechanism. In 316L stainless steel, melt pool reduction and oxidation occurred simultaneously during the process involving CO and CO2 gas evaporation at the depression zone. Increment of energy density and shield gas flow speed led to an increase in melt pool reduction rate and reduction in porosity. It was found that nitrogen and CO gas could be a major constituent of vapor when oxygen and nitrogen content in the powder was high. Uneven solidification texture and melt pool instability were observed when the shield gas flow speed was similar to the laser scan speed. Porosity, melt pool dimension, and solidification texture also changed under different shield gas flow speeds. Higher oxygen content and porosity was found in bi-directional scanning pattern than in uni-directional scanning pattern. Among uni-directional scanning pattern cases, scanning along the flow direction resulted in higher oxygen content and porosity than opposite and perpendicular scanning. Interaction between shield gas flow and laser plume was appreciably engaged in melt pool oxidation and reduction rate. Finally, numerical modeling for inclusion evolution in both directed energy deposition and powder bed fusion was conducted. The current model coupled the estimated temperature profile of the melt pool calculated from the conduction equation, solidification calculation with the consideration of diffusion, with the classical nucleation and growth model with size grouping method. Taken overall, The calculated result from the model well-matched the experimental data. However, within the small size classes, the computed size distribution of the PBF case by the current model did not match well the observed data. The discrepancy between the model and experimental data may come from the initial particle growth stage. The assumption of diffusion control growth and steady-state diffusion for diffusional growth would not be accurate to simulate initial growth conditions. Most of the inclusions were nucleated during the solidification, and the oxygen concentration in the melt reached a few point weight percent. Due to very low oxygen solubility in solid steel, the high oxygen concentration was predicted in the liquid phase during the solidification. The interfacial tensions of PBF and DED inclusions were predicted to have a lower value than that of common bulk slags since the increase in oxygen concentration in molten steel lowers the interfacial energy with the oxide phase. Finally, the way to maximize the effect of dispersion strengthening effects of oxide inclusions in the AMed material was discussed.