KR102585060B1 - Manufacturing method for Inconel 718 alloy multilayer shaped structure with excellent high-temperature tensile properties and Inconel 718 alloy multilayer shaped structure thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 가공방향과 공정변수를 조절하여 우수한 고온인장 특성을 가지는 Inconel 718 합금 적층 조형물 제조방법에 관한 것으로, 가공방향과 공정변수 제어로 미세조직에 따른 인장 특성을 평가하여 우수한 고온특성을 가질 수 있는 Inconel 718 합금 적층 조형물 제조방법 및 이를 이용한 Inconel 718 합금 적층 조형물에 관한 것이다.
본 발명에 따른 고온 인장특성이 우수한 Inconel 718 합금 적층 조형물 제조방법은, 레이저 분말 소결방식(L-PBF)을 이용한 적층 가공 방법에 있어서, 가스분사법으로 제조된 Inconel 718 합금분말을 제공하는 제1단계; 레이저 분말 소결방식(L-PBF)을 위한 공정변수를 설정하는 제2단계; 상기 Inconel 718 합금분말을 공급하는 제3단계; 조형광원을 선택적으로 조사하여 상기 Inconel 718 합금분말을 용융시키는 제4단계; 상기 용융된 Inconel 718 합금분말을 냉각 및 고화하면서, Inconel 718 소재의 하나의 레이어를 형성하는 제5단계; 상기 Inconel 718 소재의 입체 조형물이 완성될 때까지 상기 제3단계 내지 제5단계를 반복하여 적층하는 제6단계; 및 상기 적층된 입체 조형물을 열처리하는 제7단계; 를 포함하여 이루어지고, 상기 제2단계의 공정변수는 260 내지 295 (W)의 레이저 전력으로 설정하는 것을 특징으로 한다. The present invention relates to a method of manufacturing an Inconel 718 alloy laminated sculpture that has excellent high-temperature tensile properties by controlling the processing direction and process variables. It can have excellent high-temperature properties by evaluating the tensile properties according to the microstructure by controlling the processing direction and process variables. It relates to a method of manufacturing an Inconel 718 alloy laminated sculpture and an Inconel 718 alloy laminated sculpture using the same.
The method of manufacturing an Inconel 718 alloy laminated sculpture with excellent high-temperature tensile properties according to the present invention is a first method of providing Inconel 718 alloy powder manufactured by a gas injection method in an additive manufacturing method using a laser powder sintering method (L-PBF). step; A second step of setting process parameters for laser powder sintering (L-PBF); A third step of supplying the Inconel 718 alloy powder; A fourth step of melting the Inconel 718 alloy powder by selectively irradiating a modeling light source; A fifth step of forming one layer of Inconel 718 material while cooling and solidifying the molten Inconel 718 alloy powder; A sixth step of repeatedly stacking the third to fifth steps until a three-dimensional sculpture made of the Inconel 718 material is completed; and a seventh step of heat treating the laminated three-dimensional sculpture; It includes, and the process variable of the second step is set to a laser power of 260 to 295 (W).
Description
본 발명은 가공방향과 공정변수를 조절하여 우수한 고온인장 특성을 가지는 Inconel 718 합금 적층 조형물 제조방법에 관한 것으로, 가공방향과 공정변수 제어로 미세조직에 따른 인장 특성을 평가하여 우수한 고온특성을 가질 수 있는 Inconel 718 합금 적층 조형물 제조방법 및 이를 이용한 Inconel 718 합금 적층 조형물에 관한 것이다. The present invention relates to a method of manufacturing an Inconel 718 alloy laminated sculpture that has excellent high-temperature tensile properties by controlling the processing direction and process variables. It can have excellent high-temperature properties by evaluating the tensile properties according to the microstructure by controlling the processing direction and process variables. It relates to a method of manufacturing an Inconel 718 alloy laminated sculpture and an Inconel 718 alloy laminated sculpture using the same.
항공기 엔진, 에너지 발전용으로 사용되는 가스터빈엔진의 터빈부는 1000 ℃ 이상의 고온 환경에 노출되어 우수한 고온특성을 가지는 소재가 사용되고 있으며, 대표적인 소재로 Inconel 718 합금이 있다. 기존 주조 공정 방식에서 소재를 단결정으로 성장시켜 고온 특성을 향상시키는 방식은 터빈 부품 제작에 널리 사용되고 있으나 제작 공정이 복잡하고 엔진 내부의 냉각용 미세유로와 같은 복잡한 형상의 부품은 원소재 손실률이 높아 기존 주조 방식의 제작으로는 한계가 있다. 이러한 제작 한계를 극복하고자 설계 형상에 근접하고, 복잡한 형상도 제조 가능한 적층 제조 방식을 활용해 우수한 고온 특성의 Inconel 718 합금 적층 제조 공정기술 개발에 대한 관심이 많아지고 있다.The turbine part of aircraft engines and gas turbine engines used for energy generation is exposed to high temperature environments of over 1000°C, so materials with excellent high-temperature characteristics are used. A representative material is Inconel 718 alloy. The method of improving high-temperature characteristics by growing the material into a single crystal in the existing casting process is widely used in the production of turbine parts, but the manufacturing process is complicated and parts with complex shapes, such as microchannels for cooling inside the engine, have a high raw material loss rate. There are limitations to casting-based production. To overcome these manufacturing limitations, there is increasing interest in developing Inconel 718 alloy additive manufacturing process technology with excellent high-temperature characteristics by using an additive manufacturing method that is close to the design shape and can manufacture complex shapes.
적층제조 공정기술은 레이저 스캔 방향에 따라 일방향 응고 미세조직이 나타나는 특성이 있어 적층 시 적층 방향과 최적형상 설계는 중요한 부분이다. 또한, 레이저 전력과 스캔 속도에 따른 공정조건 제어를 통해 적층 후 미세조직 예측이 가능하여 공정 단계에서 미세조직 제어가 어려운 기존 주조공정과 달리 미세조직 제어가 가능하다.Additive manufacturing process technology has the characteristic of showing a unidirectional solidification microstructure depending on the laser scanning direction, so the stacking direction and optimal shape design are important aspects when stacking. In addition, it is possible to predict the microstructure after lamination by controlling the process conditions according to the laser power and scanning speed, making it possible to control the microstructure, unlike the existing casting process where microstructure control is difficult at the process stage.
본 발명은 시편 가공방향을 수직(Vertical) 및 수평방향(Horizontal)이 되도록 제조하고, 공정조건을 제어하여 Inconel 718 합금을 적층 제조하고, 상온 (24 내지 26 ℃) 및 고온 인장시험을 통해 평가하여 우수한 고온특성을 가지는 Inconel 718 합금 적층 제조 공정기술을 개발하고자 하였다. 이를 활용하여 적층 제조를 통한 공정단계를 최소화 할 수 있고, 부품 제작비용 절감으로 가스터빈 엔진 부품 제작 공정에 활용할 수 있을 것으로 예상된다. In the present invention, the specimen is manufactured so that the processing direction is vertical and horizontal, the process conditions are controlled to manufacture the Inconel 718 alloy by layering, and the specimen is processed at room temperature (24 to 26 ° C). and high-temperature tensile testing to develop Inconel 718 alloy additive manufacturing process technology with excellent high-temperature characteristics. By using this, process steps through additive manufacturing can be minimized, and it is expected that it can be used in the gas turbine engine parts manufacturing process by reducing parts manufacturing costs.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 적층 제조 방법에서 우수한 고온특성을 가지는 Inconel 718 합금 제조방법을 제공하고자 한다. The present invention was developed to solve the above problems, and the purpose of the present invention is to provide a method for manufacturing Inconel 718 alloy with excellent high temperature characteristics in a additive manufacturing method.
또한, 본 발명의 목적은 적층 제조 방법에서 공정 단계를 최소화하여 부품 제작비용을 절감할 수 있는 Inconel 718 합금 제조방법을 제공하고자 한다. In addition, the purpose of the present invention is to provide an Inconel 718 alloy manufacturing method that can reduce part manufacturing costs by minimizing process steps in the additive manufacturing method.
발명이 해결하고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problems to be solved by the invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below. You will be able to.
본 발명에 따른 고온 인장특성이 우수한 Inconel 718 합금 적층 조형물 제조방법은,The method for manufacturing an Inconel 718 alloy laminated sculpture with excellent high-temperature tensile properties according to the present invention,
레이저 분말 소결방식(L-PBF)을 이용한 적층 가공 방법에 있어서,In the additive manufacturing method using laser powder sintering (L-PBF),
가스분사법으로 제조된 Inconel 718 합금분말을 제공하는 제1단계;A first step of providing Inconel 718 alloy powder manufactured by gas injection;
레이저 분말 소결방식(L-PBF)을 위한 공정변수를 설정하는 제2단계;A second step of setting process parameters for laser powder sintering (L-PBF);
상기 Inconel 718 합금분말을 공급하는 제3단계;A third step of supplying the Inconel 718 alloy powder;
조형광원을 선택적으로 조사하여 상기 Inconel 718 합금분말을 용융시키는 제4단계;A fourth step of melting the Inconel 718 alloy powder by selectively irradiating a modeling light source;
상기 용융된 Inconel 718 합금분말을 냉각 및 고화하면서, Inconel 718 소재의 하나의 레이어를 형성하는 제5단계; A fifth step of forming one layer of Inconel 718 material while cooling and solidifying the molten Inconel 718 alloy powder;
상기 Inconel 718 소재의 입체 조형물이 완성될 때까지 상기 제3단계 내지 제5단계를 반복하여 적층하는 제6단계; 및A sixth step of repeatedly stacking the third to fifth steps until a three-dimensional sculpture made of the Inconel 718 material is completed; and
상기 적층된 입체 조형물을 열처리하는 제7단계; 를 포함하여 이루어지고,A seventh step of heat treating the laminated three-dimensional sculpture; It is made including,
상기 제2단계의 공정변수는 260 내지 295 (W)의 레이저 전력으로 설정하는 것을 특징으로 한다. The process variable of the second step is set to a laser power of 260 to 295 (W).
상기 과제의 해결 수단에 의해, 본 발명은 시편의 가공방향과 공정조건을 제어하여 효과적인 Inconel 718 합금 적층 제조 공정기술을 제공하고 우수한 고온특성을 가지는 Inconel 718 합금 적층 조형물을 제조할 수 있다. By solving the above problem, the present invention provides an effective Inconel 718 alloy additive manufacturing process technology by controlling the processing direction and process conditions of the specimen, and can manufacture an Inconel 718 alloy laminated sculpture with excellent high-temperature characteristics.
또한, 본 발명은 적층 제조 방법에서 공정 단계를 최소화하여 부품 제작 비용을 절감할 수 있다.Additionally, the present invention can reduce part manufacturing costs by minimizing process steps in the additive manufacturing method.
도 1은 본 발명의 우수한 고온특성을 가지는 Inconel 718 합금 적층 조형물 제조방법을 보여주는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 우수한 고온특성을 가지는 Inconel 718 합금 적층 조형물 제조장치 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 가공방향이 수평(a) 및 수직(b)으로 달리하여 제조한 Inconel 718 합금 적층 조형물 제조방법 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 우수한 고온특성을 가지는 Inconel 718 합금 적층 조형물 제조방법의 열처리 조건을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 다양한 Inconel 718 합금 적층 조형물 시편과 비교예 시편의 인장강도를 측정하여 나타낸 그래프이다.Figure 1 is a flow chart showing the method of manufacturing an Inconel 718 alloy laminated sculpture with excellent high temperature characteristics according to the present invention.
Figure 2 is a schematic diagram of an Inconel 718 alloy laminated sculpture manufacturing apparatus with excellent high temperature characteristics according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a schematic diagram of a method for manufacturing an Inconel 718 alloy laminated sculpture manufactured with different processing directions horizontally (a) and vertically (b) according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a graph showing heat treatment conditions for the method of manufacturing an Inconel 718 alloy laminated sculpture with excellent high temperature characteristics according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 is a graph showing the measured tensile strength of various Inconel 718 alloy laminated sculpture specimens manufactured according to an embodiment of the present invention and comparative example specimens.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.The terms used in this specification will be briefly explained, and the present invention will be described in detail.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.The terms used in the present invention are general terms that are currently widely used as much as possible while considering the function in the present invention, but this may vary depending on the intention or precedent of a person working in the art, the emergence of new technology, etc. Therefore, the terms used in the present invention should be defined based on the meaning of the term and the overall content of the present invention, rather than simply the name of the term.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.When a part in the entire specification is said to “include” a certain element, this means that it does not exclude other elements but may further include other elements, unless specifically stated to the contrary.
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Below, with reference to the attached drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily implement the present invention. However, the present invention may be implemented in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.
본 발명에 대한 해결하고자 하는 과제, 과제의 해결 수단, 발명의 효과를 포함한 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시 예 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다.Specific details, including the problem to be solved by the present invention, the means for solving the problem, and the effect of the invention, are included in the examples and drawings described below. The advantages and features of the present invention and methods for achieving them will become clear by referring to the embodiments described in detail below along with the accompanying drawings.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the attached drawings.
도 1에 나타난 바와 같이, 고온 인장특성이 우수한 Inconel 718 합금 적층 조형물 제조방법은 아래 단계에 의해 수행된다. As shown in Figure 1, the method of manufacturing an Inconel 718 alloy laminated sculpture with excellent high-temperature tensile properties is performed by the following steps.
먼저, 제1단계(S10)는 Inconel 718 합금분말을 제공한다. 본 발명은 레이저 분말 소결방식 (L-PBF)을 이용한 적층 가공에 따라 수행하며, 1단계(S10)에서 가스분사법으로 제조된 입도 20 내지 45 ㎛의 Inconel 718 합금분말을 사용한다.First, the first step (S10) provides Inconel 718 alloy powder. The present invention is performed according to additive manufacturing using laser powder sintering (L-PBF), and uses Inconel 718 alloy powder with a particle size of 20 to 45 ㎛ manufactured by gas injection in step 1 (S10).
다음으로, 제2단계(S20)는 공정변수를 설정한다. 제2단계(S20)는 레이저 분말 소결 방식 (L-PBF)을 위한 공정변수를 설정한다. 상기 공정변수는 레이저의 전력, 스캔속도, 해칭 공간(hatching space), 레이어 두께(layer thickness) 및 적층 조형물의 생성 방향을 설정하여 제어한다. Next, the second step (S20) sets the process variables. The second step (S20) sets process parameters for laser powder sintering (L-PBF). The process variables are controlled by setting the laser power, scanning speed, hatching space, layer thickness, and creation direction of the laminated sculpture.
상기 레이저 전력은 260 내지 295 (W)의 으로 설정하는 것이 바람직하다. 상기 레이저 전력이 260 (W) 미만인 경우, 에너지 밀도가 너무 낮아 분말이 완전히 용융되지 못하여, 미용융 분말에 의한 인장특성 저하가 나타날 수 있다. 스캔속도를 낮은 속도로 낮추어 적층하는 방법으로 해결가능하나 이로 인해 적층 생성 시간이 너무 오래 걸리게 되며, 상기 레이저 전력이 295 (W)를 초과한 경우 에너지 밀도가 높아 충분히 해소되지 못한 열응력의 영향으로 적층 조형물이 물리적으로 변형될 우려가 있다. 마찬가지로 스캔속도를 빠르게 설정하는 방법으로 해결할 수 있으나, 빠른 스캔속도로 인한 미세 기공의 형성으로 인장특성을 저하시킬 우려가 있어 상기 조건으로 수행하는 것이 바람직하다. The laser power is preferably set to 260 to 295 (W). When the laser power is less than 260 (W), the energy density is so low that the powder cannot be completely melted, and tensile properties may be deteriorated due to unmelted powder. This can be solved by lowering the scan speed to a low speed and stacking, but this takes too long to create a stack, and when the laser power exceeds 295 (W), the energy density is high due to the influence of thermal stress that cannot be sufficiently resolved. There is a risk that the laminated sculpture may be physically deformed. Similarly, this can be solved by setting the scan speed quickly, but there is a risk of lowering the tensile properties due to the formation of micropores due to the fast scan speed, so it is preferable to perform the problem under the above conditions.
적층제조 시 레이저 전력의 크기가 본 조건의 범위를 벗어나는 경우, 분말을 완전히 용융하기 위해서는 스캔속도를 낮은 속도로 설정하여 조형해야 하므로 적층 생성 시간이 오래 걸려 본 발명으로 해결하고자 하는 점에 부합하지 못하는 결과를 보이게 된다. 반면, 레이저 전력의 크기가 너무 높은 경우에는 반대로 스캔속도를 빠르게 설정하게 되는데, 이에 따라 빠른 냉각속도가 나타나 적층 생성물이 변형 혹은 적층되지 못하는 경우가 나타날 수 있다.When the size of the laser power during additive manufacturing is outside the range of these conditions, the scanning speed must be set to a low speed to completely melt the powder, so the laminated production time takes a long time, which does not meet the problem that the present invention aims to solve. You will see the results. On the other hand, if the laser power is too high, the scan speed is set quickly, which may result in a fast cooling rate, which may result in the laminated product being deformed or unable to be laminated.
또한, 상기 스캔속도는 860 내지 1,260 (mm/s)로 설정하는 것이 바람직하다. 상기 스캔속도가 860 (mm/s) 미만인 경우 적층 생성 시간이 너무 오래 걸리는 문제점이 발생하고, 상기 스캔속도가 1,260 (mm/s)를 초과한 경우 내부에 생성되는 미세기공과 미용융 분말의 생성으로 생성된 적층 조형물이 물리적으로 변형되거나 인장강도가 저하되는 우려가 있으므로 상기 조건으로 수행하는 것이 바람직하다. Additionally, the scan speed is preferably set to 860 to 1,260 (mm/s). If the scan speed is less than 860 (mm/s), there is a problem that the stacking time takes too long, and if the scan speed is more than 1,260 (mm/s), micropores and unmelted powder are created inside. There is a risk that the resulting laminated sculpture may be physically deformed or its tensile strength may be reduced, so it is preferable to perform the process under the above conditions.
또한, 상기 해칭 공간(hatching space)은 레이저가 이동하는 레이저 스캔 경로를 스캔 공간이라고 할 때, 한 레이저 빔 중앙에서 그 다음 레이저 빔 중앙의 간격으로, 70 내지 130 ㎛로 설정하는 것이 바람직하다. 해칭 공간이 너무 좁을 경우에는 미세기공은 해소되나 레이저 빔이 겹치는 구간이 열응력이 해소되지 못해 변형이 나타날 수 있고, 해칭공간이 너무 넓을 경우 공간과 공간사이에 나타나는 미세기공 (micro pore)에 의해 인장특성이 저하될 수 있다. 상기 해칭 공간이 70 ㎛ 미만인 경우 레이저 빔이 겹치는 구간에서 과도한 에너지 부하로 인해 해소되지 못한 열응력에 의한 변형이 나타나는 문제점이 발생하고, 상기 해칭 공간이 130 ㎛를 초과한 경우 용융되지 못한 공간에서 미세기공(micro pore)이 생성되어 인장특성을 저하시키는 문제점이 발생하므로 상기 조건으로 수행하는 것이 바람직하다. In addition, the hatching space is the distance from the center of one laser beam to the center of the next laser beam when the laser scan path along which the laser moves is referred to as the scan space, and is preferably set to 70 to 130 ㎛. If the hatching space is too narrow, micropores may be resolved, but the section where the laser beam overlaps may not be able to resolve thermal stress, causing deformation. If the hatching space is too wide, micropores that appear between spaces may cause damage. Tensile properties may deteriorate. If the hatching space is less than 70 ㎛, there is a problem of deformation due to unresolved thermal stress due to excessive energy load in the section where the laser beam overlaps, and if the hatching space is more than 130 ㎛, fine fusion occurs in the unmelted space. Since pores (micro pores) are created and the tensile properties are deteriorated, it is preferable to perform the process under the above conditions.
또한, 상기 레이어 두께(layer thickness)를 30 내지 60 ㎛로 설정하는 것이 바람직하다. 상기 레이어 두께는 앞선 레이저 전력과 스캔속도의 영향을 받는다. 레이어 두께가 너무 얇을 경우에는 적층 생성 시간이 길어지며, 해소되지 못한 열응력에 의해 변형이 일어날 우려가 있다. 상기 레이어 두께가 30 ㎛ 미만인 경우 적층 시간이 오래 걸리며 적층조형물이 변형이 일어날 수 있으며, 상기 레이어 두께가 60 ㎛를 초과한 경우 용융되지 못한 층이 발생하여 접합되지 못한 층에서 균열이 일어나 분리되는 delamination 현상이 나타나는 발생하므로 문제점이 상기 조건으로 수행하는 것이 바람직하다.Additionally, it is preferable to set the layer thickness to 30 to 60 ㎛. The layer thickness is affected by the advanced laser power and scan speed. If the layer thickness is too thin, the lamination creation time becomes longer, and there is a risk of deformation due to unresolved thermal stress. If the layer thickness is less than 30 ㎛, the lamination time takes a long time and the laminated sculpture may be deformed, and if the layer thickness exceeds 60 ㎛, unfused layers occur, resulting in delamination in which the unbonded layers crack and separate. Since the phenomenon occurs, it is desirable to carry out the problem under the above conditions.
또한, 제조되는 Inconel 718 합금 적층 조형물의 가공방향을 수직(Vertical) 및 수평방향(Horizontal)이 되도록 설정하는 것이 바람직하다. 본 발명에 따라 제조된 Inconel 718 합금 적층 조형물을 상온 (24 내지 26 ℃)과 고온에서 인장 시험을 실시한 결과, 종래 방법으로 제조된 Inconel 718 합금 적층 조형물과 비교할 때, 상기 적층 조형물의 가공방향은 도 3(a)와 같이 수평방향(Horizontal)으로 제조할 때 더 우수한 인장특성을 나타내는 것으로 확인되었다. In addition, it is desirable to set the processing direction of the Inconel 718 alloy laminated sculpture to be vertical and horizontal. As a result of performing a tensile test on the Inconel 718 alloy laminated sculpture manufactured according to the present invention at room temperature (24 to 26 ℃) and high temperature, when compared with the Inconel 718 alloy laminated sculpture manufactured by the conventional method, the processing direction of the laminated sculpture was It was confirmed that better tensile properties were obtained when manufactured in the horizontal direction, as shown in 3(a).
생산성을 높이려면 더 높은 레이저 출력과 스캔 속도를 사용하여 에너지 밀도를 높여야 한다. 1980년대 이후 레이저 출력과 스캔 속도는 일반적으로 작동 안정성과 장비의 사양 제한으로 인해 각각 200 (W) 및 1200 (mm/s)미만으로 제한되었다. 도 2과 같이, 본 발명의 레이저 출력과 스캔 속도 조건에서 다양한 공정 변수를 제어하여 적절한 기계적 물성을 얻기 위한 노력이 이루어졌다. To increase productivity, energy density must be increased by using higher laser power and scan speed. Since the 1980s, laser power and scan speed have generally been limited to less than 200 (W) and 1200 (mm/s), respectively, due to operational stability and equipment specification limitations. As shown in Figure 2, efforts were made to obtain appropriate mechanical properties by controlling various process variables under the laser output and scan speed conditions of the present invention.
L-PBF 공정의 생산성을 나타내는 대표적인 지표인 Build rate(VB)는 다음 식 (1)에 의해 결정된다.Build rate (VB), a representative indicator of the productivity of the L-PBF process, is determined by the following equation (1).
VB = VS X Δy X Δz (1)VB = VS
(여기서, VS는 스캔 속도, Δy는 해치 공간의 증가, Δz는 레이어 높이의 증가 임)(where VS is the scan speed, Δy is the increase in hatch space, and Δz is the increase in layer height)
L-PBF 부품의 생산성은 공정 파라미터의 제어에 따라 체적 영향을 받으며, 스캔속도는 생산성 향상을 위한 가장 중요한 파라미터이다. The productivity of L-PBF parts is volumetrically affected by the control of process parameters, and scan speed is the most important parameter for improving productivity.
다음으로, 제3단계(S30)는 상기 Inconel 718 합금분말을 공급한다. 제3단계(S30)는 상기 Inconel 718 합금분말을 공급한다. Next, in the third step (S30), the Inconel 718 alloy powder is supplied. The third step (S30) supplies the Inconel 718 alloy powder.
다음으로, 제4단계(S40)는 상기 Inconel 718 합금분말을 용융시킨다. 제4단계(S40)는 조형광원을 선택적으로 조사하여 상기 Inconel 718 합금분말을 용융시킨다. 상기 제4단계(S40)에서 상기 조형광원의 조사는 불활성기체 분위기(Ar Gas), 산소농도 100ppm 이하를 유지한 상태에서 실시한다. 100 PPM보다 높은 산소 농도에서 실시할 경우, 용융된 분말과 산소가 반응하여 산화물을 형성하는 문제점이 발생하므로 상기 조건으로 수행하는 것이 바람직하다.Next, in the fourth step (S40), the Inconel 718 alloy powder is melted. In the fourth step (S40), the Inconel 718 alloy powder is melted by selectively irradiating the modeling light source. In the fourth step (S40), irradiation of the formative light source is performed in an inert gas atmosphere (Ar Gas) and while maintaining the oxygen concentration below 100 ppm. When carried out at an oxygen concentration higher than 100 PPM, a problem occurs in which the molten powder and oxygen react to form an oxide, so it is preferable to carry out the above conditions.
다음으로, 제5단계(S50)는 Inconel 718 소재의 하나의 레이어를 형성한다. 제5단계(S50)는 상기 용융된 냉각 및 고화하면서, Inconel 718 소재의 하나의 레이어를 형성한다. Next, the fifth step (S50) forms one layer of Inconel 718 material. The fifth step (S50) cools and solidifies the molten material to form one layer of Inconel 718 material.
다음으로, 제6단계(S60)는 상기 제3단계(S30) 내지 제5단계(S50)를 반복하여 적층한다. 제6단계(S60)는 상기 Inconel 718 소재의 입체 조형물이 완성될 때까지 상기 제3단계(S30) 내지 제5단계(S50)를 반복하여 적층한다. Next, the sixth step (S60) is stacked by repeating the third step (S30) to the fifth step (S50). In the sixth step (S60), the third step (S30) to the fifth step (S50) are repeated and stacked until the three-dimensional sculpture made of the Inconel 718 material is completed.
다음으로, 제7단계(S70)는 아래 제7-1단계(S71) 내지 제7-6단계(S76)에 의해 열처리한다. 상기 열처리를 시행하여 고온인장강도가 우수한 Inconel 718 합금을 제조하고자 한다.Next, in the seventh step (S70), heat treatment is performed through steps 7-1 (S71) to 7-6 (S76) below. By performing the above heat treatment, we intend to manufacture Inconel 718 alloy, which has excellent high-temperature tensile strength.
제7-1단계(S71)는 균질화 처리한다. 제7-1단계(S71)는, 상기 제6단계(S60)를 수행한 후, 975 내지 985 ℃에서 50 내지 70분 동안 균질화 처리한다. 상기 제7-1단계(S71)의 균질화 처리는 γ상으로 재결정하여 단상 균질화 처리를 목적으로 시행한다. 상기 제7-1단계(S71)의 균질화 처리 시, 975 ℃ 미만으로 처리하는 경우 γ상이 재결정 온도까지 충분히 가열되지 않아 단상으로 균질화 되지 않는 문제점이 발생하고, 985 ℃를 초과하는 경우 γ상 재결정온도를 초과하여 용융되는 높은 온도로 문제점이 발생하므로 상기 조건으로 실시하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 제7-1단계(S71)의 균질화 처리 시, 50분 미만으로 처리하는 경우 재결정 된 γ상 내부에 석출상이 고용되지 못해 단상으로 균질화 되지 못하는 문제점이 발생하고, 70분을 초과하는 경우 불필요한 균질화 처리 시간으로 인해 처리 시간 대비 효과가 미미하므로 상기 조건으로 실시하는 것이 바람직하다.Step 7-1 (S71) involves homogenization. In the 7-1 step (S71), after performing the 6th step (S60), homogenization is performed at 975 to 985 ° C. for 50 to 70 minutes. The homogenization treatment in step 7-1 (S71) is performed for the purpose of single-phase homogenization treatment by recrystallizing it into γ phase. During the homogenization treatment in step 7-1 (S71), if treated at less than 975 ℃, the γ phase is not sufficiently heated to the recrystallization temperature, resulting in a problem of not being homogenized into a single phase. If the temperature exceeds 985 ℃, the γ phase recrystallization temperature Problems arise due to high melting temperatures exceeding the above, so it is preferable to carry out the process under the above conditions. In addition, during the homogenization treatment in step 7-1 (S71), if the treatment is performed for less than 50 minutes, a problem occurs in which the precipitated phase is not solidified inside the recrystallized γ phase and cannot be homogenized into a single phase, and if the treatment is performed for less than 70 minutes, Since the effect compared to the processing time is minimal due to unnecessary homogenization processing time, it is preferable to carry out the treatment under the above conditions.
제7-2단계(S72)는 어닐링한다. 제7-2단계(S72)는, 상기 제7-1단계(S71)에서 균질화 처리 후, 상온 (24 내지 26 ℃)까지 냉각하여 어닐링한다. 상기 제7-2단계(S72)의 어닐링 시, 상온(24 내지 26℃)까지 급냉한다. 냉각 종료 온도를 상온(24 내지 26℃) 보다 초과 할 경우 용체화 처리 중 고용된 석출물들이 석출되는 문제점이 발생하여 상기 조건으로 수행하는 것이 바람직하다. 또한, 냉각속도를 느리게 제어할 경우, γ상이 과하게 성장하거나, 석출물의 핵이 생성되어 석출될 수 있으므로 냉각속도를 빠르게 하여 급냉하는 것이 바람직하다.Step 7-2 (S72) is annealing. In the 7-2 step (S72), after the homogenization treatment in the 7-1 step (S71), the product is cooled to room temperature (24 to 26° C.) and annealed. When annealing in step 7-2 (S72), it is rapidly cooled to room temperature (24 to 26°C). If the cooling end temperature exceeds room temperature (24 to 26°C), a problem occurs in which dissolved precipitates precipitate during solution treatment, so it is preferable to perform the treatment under the above conditions. In addition, when the cooling rate is controlled slowly, the γ phase may grow excessively or precipitate nuclei may be generated and precipitated, so it is desirable to rapidly cool the cooling rate.
제7-3단계(S73)는 가열처리한다. 제7-3단계(S73)는, 상기 제7-2단계(S72)에서 어닐링 후, 755 내지 765 ℃에서 50 내지 70분 동안 가열처리한다. 상기 제7-3단계(S73)의 가열 처리 시 γ상 결정립계에 일정량의 δ상 핵을 생성시켜 고온에서 결정립계 성장을 방해해 인장특성을 향상시키기 위한 목적으로 시행한다. 755 ℃ 미만으로 처리하는 경우 δ상의 핵이 충분히 생성되지 못하며, 765 ℃를 초과하는 경우 δ상이 구형이 아닌 침상형으로 변화하는데, 침상형 δ상은 구형보다 낮은 연성을 보여 인장특성을 저하시키는 문제점이 발생하므로 상기 조건으로 실시하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 제7-3단계(S73)의 가열처리 시, 50분 미만으로 처리하는 경우 δ상의 핵이 생성되지 못하고 다시 기지내부로 고용되거나 극소량의 핵이 생성되어 그 특성을 확인하기 어려운 문제점이 발생하고, 70분을 초과하는 경우 δ상의 핵이 과다 생성되거나 성장하면서 새로운 결정립을 생성해 인장특성을 저하시키는 문제점이 발생하므로 상기 조건으로 실시하는 것이 바람직하다.Step 7-3 (S73) is heat treatment. In the 7-3 step (S73), after annealing in the 7-2 step (S72), heat treatment is performed at 755 to 765 ° C. for 50 to 70 minutes. During the heat treatment in step 7-3 (S73), a certain amount of δ-phase nuclei are created at the γ-phase grain boundaries, thereby hindering grain boundary growth at high temperatures and improving tensile properties. If treated at less than 755 ℃, the nuclei of the δ phase are not sufficiently generated, and if the temperature exceeds 765 ℃, the δ phase changes into a needle-like shape rather than a spherical shape. The needle-shaped δ phase shows lower ductility than the spherical shape, which has the problem of lowering the tensile properties. Since this occurs, it is desirable to carry out the above conditions. In addition, during the heat treatment in step 7-3 (S73), if the treatment is performed for less than 50 minutes, the nuclei of the δ phase are not generated and are dissolved back into the base, or a very small amount of nuclei are generated, making it difficult to confirm their characteristics. If it exceeds 70 minutes, the δ phase nuclei are excessively generated or grow, creating new crystal grains and causing a problem of lowering the tensile properties, so it is preferable to carry out the procedure under the above conditions.
제7-4단계(S74)는 냉각한다. 제7-4단계(S74)는, 상기 제7-3단계(S73)에서 가열처리 후, 620 ℃ 까지 50 내지 70분 동안 냉각하며, 온도조건과 냉각시간에 따라 δ상의 핵생성 및 성장에 영향을 준다. 상기 제7-4단계(S74)의 냉각 처리 시, 상기 620 ℃를 초과하는 경우, 결정립계에 생성된 δ상의 핵이 성장하지 못하고 다시 기지내부로 고용될 수 있으며, 620 ℃ 미만인 경우 생성된 핵이 불균일하게 분포하거나 과잉 생성되어 인장이 저하되는 문제점이 발생하므로 상기 조건으로 실시하는 것이 바람직하다. 또한, 냉각시간은 위 온도조건과 밀접한 관계가 있으며, 냉각처리 시 70분을 초과하는 경우는 핵 성장시간이 길어져 조대한 석출물이 나타날 수 있으며, 냉각시간을 50분 미만으로 시행하는 경우는 핵이 성장하지 못하고 기지내부로 재고용되는 문제점이 발생하므로 상기 조건으로 실시하는 것이 바람직하다.Step 7-4 (S74) is cooling. In the 7-4 step (S74), after the heat treatment in the 7-3 step (S73), cooling is performed to 620 ° C. for 50 to 70 minutes, and the nucleation and growth of the δ phase are affected depending on the temperature conditions and cooling time. gives. During the cooling treatment in the 7-4 step (S74), if the temperature exceeds 620°C, the nuclei of the δ phase generated at the grain boundary may not grow and may be dissolved back into the matrix, and if the temperature is less than 620°C, the generated nuclei may Since it is unevenly distributed or excessively produced, a problem of lowering the tensile strength occurs, so it is preferable to carry out the above-mentioned conditions. In addition, the cooling time is closely related to the above temperature conditions. If the cooling treatment exceeds 70 minutes, the nuclei growth time may be prolonged and coarse precipitates may appear, and if the cooling time is less than 50 minutes, the nuclei may appear. Since there is a problem of failure to grow and re-employment within the base, it is desirable to carry out the above conditions.
제7-5단계(S75)는 에이징한다. 제7-5단계(S75)는, 상기 제7-4단계(S74)에서 냉각 후, 7.5 내지 8.5시간 동안 에이징하며, γ상의 기지 내부에 γ‘’상 석출물을 균일하게 석출시켜 고온인장강도 향상을 목적으로 시행한다. 상기 제7-5단계(S75)의 에이징 시, 7.5 시간 미만으로 처리하는 경우 충분히 γ상의 기지 내부에 γ‘’상이 균일하게 석출되지 못하는 문제점이 발생하고, 8.5 시간을 초과하는 경우 γ‘’상과 γ 기지가 조대하여지는 문제점이 발생하므로 상기 조건으로 실시하는 것이 바람직하다.Step 7-5 (S75) is aging. In the 7-5 step (S75), after cooling in the 7-4 step (S74), aging is performed for 7.5 to 8.5 hours, and the γ'' phase precipitates are uniformly deposited inside the γ phase matrix to improve high temperature tensile strength. It is implemented for the purpose. When aging in the 7-5 step (S75), if the aging process is performed for less than 7.5 hours, a problem occurs in which the γ'' phase is not sufficiently uniformly precipitated within the γ phase matrix, and if the aging process exceeds 8.5 hours, the γ'' phase Since the problem of coarsening of the and γ bases occurs, it is preferable to carry out the above conditions.
제7-6단계(S76)는 상온 (24 내지 26 ℃)까지 냉각한다. 제7-6단계(S76)는, 상기 제7-5단계(S75)에서 에이징 후, 상온 (24 내지 26 ℃)까지 냉각하여 상온(24 내지 26℃)을 냉각 종료 온도로 하여 급냉한다. 상기 제7-6단계(S76)의 냉각 시, 상온(24 내지 26℃)을 초과하는 경우, 냉각종료온도가 높아 내부에 생성된 석출상의 조대화로 인장특성의 저하되는 문제점이 발생하므로 상기 조건으로 수행하는 것이 바람직하다. 또한, 냉각속도를 느리게 제어하는 경우 냉각종료온도를 상온(24 내지 26℃ )보다 초과하는 것과 마찬가지로 내부에 생성된 석출상의 조대화가 나타나는 문제점이 발생하므로 상기 조건으로 수행하는 것이 바람직하다.In step 7-6 (S76), cool to room temperature (24 to 26°C). In the 7-6 step (S76), after aging in the 7-5 step (S75), it is cooled to room temperature (24 to 26°C) and rapidly cooled with room temperature (24 to 26°C) as the cooling end temperature. When cooling in the 7-6 step (S76), if the room temperature (24 to 26°C) is exceeded, the cooling end temperature is high and the tensile properties are deteriorated due to coarsening of the precipitate formed inside, so the above conditions occur. It is desirable to carry out this. In addition, when the cooling rate is controlled slowly, the problem of coarsening of the precipitated phase generated inside occurs as if the cooling end temperature exceeds room temperature (24 to 26° C.), so it is preferable to perform the process under the above conditions.
본 발명인 Inconel 718 합금 적층 조형물은 앞서 기재된 Inconel 718 합금 적층 조형물 제조방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 한다. The Inconel 718 alloy laminated sculpture of the present invention is characterized in that it is manufactured by the Inconel 718 alloy laminated sculpture manufacturing method described above.
상기 Inconel 718 합금 적층 조형물은 제조 시 레이저 전력이 260 내지 295 (W)으로 제어하여 제조되는 것을 특징으로 한다. 상기 레이저 전력이 260 (W) 미만인 경우 에너지가 너무 낮아 적층 생성 시간이 너무 오래 걸리고 생성된 적층 조형물의 인장강도가 너무 낮은 문제점이 발생하고, 상기 레이저 전력이 295 (W)를 초과한 경우 생성된 적층 조형물이 물리적으로 변형될 우려가 있으므로 상기 조건으로 수행하는 것이 바람직하다. The Inconel 718 alloy laminated sculpture is characterized in that the laser power is controlled to 260 to 295 (W) during manufacturing. If the laser power is less than 260 (W), the energy is too low, so the lamination creation time takes too long, and the tensile strength of the generated lamination sculpture is too low, and if the laser power exceeds 295 (W), the Since there is a risk that the laminated sculpture may be physically deformed, it is preferable to perform under the above conditions.
또한, 상기 Inconel 718 합금 적층 조형물은 제조 시 스캔속도가 860 내지 1,260 (mm/s)로 제어하여 제조되는 것을 특징으로 한다. 상기 스캔속도가 860 (mm/s) 미만인 경우 스캔속도가 너무 낮아 적층 생성 시간이 너무 오래 걸리는 문제점이 발생하고, 상기 스캔속도가 1,260 (mm/s)를 초과한 경우 생성된 적층 조형물이 물리적으로 변형될 우려가 있으므로 상기 조건으로 수행하는 것이 바람직하다. In addition, the Inconel 718 alloy laminated sculpture is characterized in that the scan speed is controlled to 860 to 1,260 (mm/s) during manufacturing. If the scan speed is less than 860 (mm/s), the scan speed is too low and a problem occurs that the laminated production time takes too long, and if the scan speed exceeds 1,260 (mm/s), the created laminated sculpture is physically damaged. Since there is a risk of deformation, it is preferable to perform under the above conditions.
또한, 상기 Inconel 718 합금 적층 조형물은 제조 시 레이저가 이동하는 레이저 스캔 경로 사이의 간격인 해칭 공간(hatching space)을 70 내지 130 ㎛로 제어하여 제조되는 것을 특징으로 한다. 상기 해칭 공간이 70 ㎛ 미만인 경우 레이저 빔이 겹치는 구간에서 과도한 에너지 부하로 인해 해소되지 못한 열응력에 의한 변형이 나타나는 문제점이 발생하고, 상기 해칭 공간이 130 ㎛를 초과한 경우 용융되지 못한 공간에서 미세기공(micro pore)이 나타나 인장특성을 저하시키는 문제점이 발생하므로 상기 조건으로 수행하는 것이 바람직하다. In addition, the Inconel 718 alloy laminated sculpture is characterized in that it is manufactured by controlling the hatching space, which is the gap between the laser scan paths along which the laser moves, to 70 to 130 ㎛ during manufacturing. If the hatching space is less than 70 ㎛, there is a problem of deformation due to unresolved thermal stress due to excessive energy load in the section where the laser beam overlaps, and if the hatching space is more than 130 ㎛, fine fusion occurs in the unmelted space. Since pores (micro pores) appear and the tensile properties are lowered, it is preferable to perform the process under the above conditions.
또한, 상기 Inconel 718 합금 적층 조형물은 레이저로 적층 시 하나의 레이어 두께(layer thickness)가 30 내지 60 ㎛인 것을 특징으로 한다. 상기 레이어 두께가 30 ㎛ 미만인 경우 적층 생성시간이 오래 걸리고 형상 변형이 일어 날 수 있으며, 상기 레이어 두께가 60 ㎛를 초과한 경우 용융되지 못한 층이 발생하여 접합되지 못한 층에서 균열이 일어나 분리되는 박리 현상이 나타나는 문제점이 발생하므로 상기 조건으로 수행하는 것이 바람직하다.In addition, the Inconel 718 alloy laminated sculpture is characterized in that one layer thickness is 30 to 60 ㎛ when laminated with a laser. If the layer thickness is less than 30 ㎛, it takes a long time to create the lamination and shape deformation may occur, and if the layer thickness exceeds 60 ㎛, a layer that is not melted may occur, causing cracks and separation in the unbonded layer. Since problems occur, it is desirable to perform the procedure under the above conditions.
또한, 제조되는 Inconel 718 합금 적층 조형물의 가공방향을 수직(Vertical) 및 수평(Horizontal)방향이 되도록 설정하는 것이 바람직하다. 즉, 도 3(a)에 나타난 바와 같이 상기 적층 조형물의 길이방향이 상기 L-PBF의 파우더 베드에 수평(Horizontal)이거나 평행한 경우로 제조하거나, 도 3(b)에 나타난 바와 같이 상기 적층 조형물의 길이방향이 상기 L-PBF의 파우더 베드에 수직(Vertical)한 방향으로 제조할 수 있다. 본 발명에 따라 제조된 Inconel 718 합금 적층 조형물을 상온 (24 내지 26 ℃)과 고온에서 인장 시험을 실시한 결과, 종래 방법으로 제조된 Inconel 718 합금 적층 조형물과 비교할 때, 상기 적층 조형물의 가공방향은 도 3(a)와 같이 수평방향(Horizontal)으로 제조할 때 더 우수한 인장특성을 나타내는 것으로 확인되었다. In addition, it is desirable to set the processing direction of the Inconel 718 alloy laminated sculpture to be vertical and horizontal. That is, as shown in FIG. 3(a), the longitudinal direction of the laminated sculpture is horizontal or parallel to the powder bed of the L-PBF, or as shown in FIG. 3(b), the laminated sculpture is manufactured. It can be manufactured in a direction in which the longitudinal direction is perpendicular to the powder bed of the L-PBF. As a result of performing a tensile test on the Inconel 718 alloy laminated sculpture manufactured according to the present invention at room temperature (24 to 26 ℃) and high temperature, when compared with the Inconel 718 alloy laminated sculpture manufactured by the conventional method, the processing direction of the laminated sculpture was It was confirmed that better tensile properties were obtained when manufactured in the horizontal direction, as shown in 3(a).
또한, 상기 Inconel 718 합금 적층 조형물은 인장강도(tensile strength)가 상온(25 ℃)에서 1,460 내지 1,600 MPa이고, 고온(649 ℃)에서 1,180 내지 1,270 MPa 인 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의해 제조된 Inconel 718 합금 적층 조형물은 공정변수인 레이저 전력, 스캔속도, 해칭 공간 및 레이저 두께를 제어하여 고온에서도 인장강도가 증가된다. 특히, 적층 조형물의 생성 방향을 제어하여 실온과 비교할 때 고온에서도 인장강도가 더욱 증가된다. 종래의 경우 Ti 합금의 고온에서 인장강도를 높이기 위하여 미세조직 및 석출상을 제어하기 위한 열처리 공정이 진행되었으나, 인장강도가 800 내지 1000 MPa 정도 밖에 안 되는 수준으로 확인되었다. In addition, the Inconel 718 alloy laminated sculpture is characterized by a tensile strength of 1,460 to 1,600 MPa at room temperature (25 ℃) and 1,180 to 1,270 MPa at high temperature (649 ℃). The Inconel 718 alloy laminated sculpture manufactured by the present invention has increased tensile strength even at high temperatures by controlling the process variables of laser power, scan speed, hatching space, and laser thickness. In particular, by controlling the creation direction of the laminated sculpture, the tensile strength is further increased even at high temperatures compared to room temperature. In the past, a heat treatment process was performed to control the microstructure and precipitation phase to increase the tensile strength of Ti alloy at high temperatures, but the tensile strength was confirmed to be only about 800 to 1000 MPa.
또한, 상기 Inconel 718 합금 적층 조형물은 항복강도(yield strength)가 상온(25 ℃)에서 1,240 내지 1,330 MPa이고, 고온(649 ℃)에서 1,060 내지 1,140 MPa 인 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의해 제조된 Inconel 718 합금 적층 조형물은 공정변수인 레이저 전력, 스캔속도, 해칭 공간 및 레이저 두께를 제어하여 고온에서도 항복강도가 증가된다. 특히, 적층 조형물의 생성 방향을 제어하여 실온과 비교할 때 고온에서도 항복강도가 더욱 증가된다.In addition, the Inconel 718 alloy laminated sculpture is characterized in that the yield strength is 1,240 to 1,330 MPa at room temperature (25 ℃) and 1,060 to 1,140 MPa at high temperature (649 ℃). The Inconel 718 alloy laminated sculpture manufactured by the present invention has increased yield strength even at high temperatures by controlling the process variables of laser power, scan speed, hatching space, and laser thickness. In particular, by controlling the creation direction of the laminated sculpture, the yield strength is further increased even at high temperatures compared to room temperature.
또한, 상기 Inconel 718 합금 적층 조형물은 상온 (24 내지 26 ℃)에서 연신율(elongation)이 17.5% 이상이고, 고온(649 ℃)에서 9% 이상으로 확인되었다. In addition, the Inconel 718 alloy laminated sculpture was confirmed to have an elongation of 17.5% or more at room temperature (24 to 26 °C) and 9% or more at high temperature (649 °C).
아래는 상기 기재된 방법에 의해 제조된 Inconel 718 합금 적층 조형물을 이용하여 인장강도, 항복강도 및 연신율을 측정하였다. 이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 다만 하기의 실시예는 본 발명의 내용을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균 적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.Below, tensile strength, yield strength, and elongation were measured using the Inconel 718 alloy laminated sculpture manufactured by the method described above. Hereinafter, the present invention will be described in detail through examples to aid understanding. However, the following examples only illustrate the content of the present invention and the scope of the present invention is not limited to the following examples. Examples of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art.
실시예Example
가스분사법을 통해 제조한 Inconel 718 합금 분말을 EOS-M290 장비로 L-PBF(Laser-Powder Bed Fusion) 방식으로 적층 제조하였다. 표 1에 나타난 바와 같이, 다양한 공정 변수(레이저 출력: 260-295 W, 스캐닝 속도: 860-1,260 (mm/s), 해치 공간: 70-130 μm, 레이어 두께: 30-60 μm로 수행하였다. 가공방향이 수평한 시편을 H, 수직한 시편을 V로 명명하였다. Inconel 718 alloy powder manufactured through gas injection was laminated using the L-PBF (Laser-Powder Bed Fusion) method using EOS-M290 equipment. As shown in Table 1, it was performed with various process parameters (laser power: 260-295 W, scanning speed: 860-1,260 (mm/s), hatch space: 70-130 μm, layer thickness: 30-60 μm. Specimens with a horizontal processing direction were named H, and specimens with a vertical processing direction were named V.
ASM 규격에 따라 각 시편을 980 ℃ 에서 1h 동안 균질화 처리하고 가열로에서 상온 (24 내지 26 ℃)까지 냉각하여 annealing 하였다. annealing한 각 시편을 760 ℃에서 1h 열처리하고, 가열로에서 620 ℃ 까지 냉각한 후 8h 동안 Aging 하였다. 이후 가열로에서 상온 (24 내지 26 ℃)까지 냉각하였다.According to ASM standards, each specimen was homogenized at 980°C for 1 h and annealed by cooling to room temperature (24 to 26°C) in a heating furnace. Each annealed specimen was heat treated at 760°C for 1h, cooled to 620°C in a heating furnace, and then aged for 8h. Afterwards, it was cooled to room temperature (24 to 26°C) in a heating furnace.
(W)(W)
비교예Comparative example
비교예는 앞서 기술된 실시예와 동일하게 L-PBF(Laser-Powder Bed Fusion) 방식으로 조형하였다. 다만, 아래 표 2의 공정 조건과 같이 레이저 전력(laser power), 스캔속도(scanning speed), 해치 공간(hatch space) 및 레이어 두께(layer thickness)를 실시예와 달리 제어하여 적층 조형물을 제조하였다. The comparative example was molded using the L-PBF (Laser-Powder Bed Fusion) method in the same way as the previously described example. However, as shown in the process conditions in Table 2 below, the laser power, scanning speed, hatch space, and layer thickness were controlled differently from the examples to manufacture the laminated sculpture.
(W)(W)
실험예Experiment example
(1) 인장시험(1) Tensile test
ASTM 규격 E8/E8M 에 의거하여 게이지 길이 36 mm, 직경 5mm의 인장시편을 각각 다른 방향(Horizontal, Vertical)으로 제작하였다. 일축 인장시험은 만능시험기(MINOS-300S, MTDI, Korea)를 이용하여 1×10-3 /s를 시험속도로 하여 상온(25 ℃ )및 고온(649 ℃)에서 수행하였다. 시험 이후 획득한 데이터를 응력-변형률 곡선으로 나타내어 항복강도 이후 소성변형구간에서 하중이 최대로 가해지는 지점의 데이터를 분석해 최대인장강도를 측정하였다.Tensile specimens with a gauge length of 36 mm and a diameter of 5 mm were produced in different directions (horizontal and vertical) according to ASTM standards E8/E8M. The uniaxial tensile test was performed at room temperature (25 ℃) and high temperature (649 ℃) using a universal testing machine (MINOS-300S, MTDI, Korea) at a test speed of 1 × 10 -3 /s. The data obtained after the test was expressed as a stress-strain curve, and the maximum tensile strength was measured by analyzing the data at the point where the maximum load was applied in the plastic deformation section after the yield strength.
(2) 항복강도 측정(2) Yield strength measurement
실험예 (1)의 조건으로 인장시험을 실시하였으며, 그 결과를 응력-변형률 곡선으로 나타내어 항복강도를 측정하였다. 항복강도의 측정은 재료가 탄성구간을 벗어나 소성변형이 일어나는 지점에서의 강도를 측정하나 정확히 변형이 일어나는 지점을 확인하기 어렵기 때문에 응력-변형률 곡선에서 탄성구간 기울기를 0.2% offset 한 지점과 응력-변형률 곡선 교점의 강도를 항복강도라고 하며, 상기 방법으로 항복강도를 측정하였다.A tensile test was conducted under the conditions of Experimental Example (1), and the yield strength was measured by expressing the results as a stress-strain curve. Yield strength is measured at the point where the material leaves the elastic zone and undergoes plastic deformation. However, because it is difficult to confirm the exact point where deformation occurs, the slope of the elastic zone is offset by 0.2% in the stress-strain curve and the stress-strain curve is measured at the point where plastic deformation occurs. The strength at the intersection of the strain curve is called yield strength, and the yield strength was measured using the above method.
(3) 연신율 측정(3) Elongation measurement
실험예 (1)의 조건으로 인장시험을 실시하였으며, 그 결과를 응력-변형률 곡선으로 나타내어 연신율을 측정하였다. 응력-변형률 곡선에서 연신율의 측정은 가해지는 하중에 따른 표점거리의 증가량을 측정한 것으로 파단지점에서 탄성구간의 변형률을 제외한 값을 연신율로 측정하였다.A tensile test was conducted under the conditions of Experimental Example (1), and the results were expressed as a stress-strain curve to measure elongation. The measurement of elongation in the stress-strain curve measures the increase in gauge distance according to the applied load, and the value excluding the strain in the elastic section at the point of fracture was measured as elongation.
종래의 경우, Inconel 718 합금의 적층 제조 시 고온 인장특성을 증가시키기 위해 레이저 전력과 스캔속도, 레이어 두께, 해칭 공간 및 파우더 베드의 방향을 조절하여 적층 제조에 성공함과 동시에 우수한 고온 인장강도를 갖는 소재를 발명한 사례가 없다. 비교예에 따른 인장 강도를 확인한 결과, 고온 인장강도를 높이기 위하여 미세조직 및 석출상을 제어하기 위한 열처리 공정이 진행하였으나, 표 3에 나타난 바와 같이, 인장강도가 최대 1,494 MPa 정도 밖에 안 되는 수준이며, 연신율은 5~9% 낮은 결과를 보였다. In the conventional case, in order to increase the high-temperature tensile properties during additive manufacturing of Inconel 718 alloy, the laser power, scan speed, layer thickness, hatching space, and direction of the powder bed were adjusted to achieve successful additive manufacturing and at the same time have excellent high-temperature tensile strength. There are no cases of inventing a material. As a result of checking the tensile strength according to the comparative example, a heat treatment process was performed to control the microstructure and precipitation phase to increase the high temperature tensile strength. However, as shown in Table 3, the tensile strength is only about 1,494 MPa at the maximum. , the elongation rate was 5-9% lower.
본 발명에서는 다양한 공정변수를 조절하여 인장강도, 항복강도 및 연신율을 확인하였다. 표 3에 나타난 바와 같이, 가공방향이 수평으로 제조될 때 더 높은 인장강도 및 항복강도 값을 나타내었다. In the present invention, tensile strength, yield strength, and elongation were confirmed by controlling various process variables. As shown in Table 3, higher tensile strength and yield strength values were observed when the fabrication direction was horizontal.
또한, 도 5에 나타난 바와 같이, 본 발명에 의해 제조된 시편 H1160가 상온 (24 내지 26 ℃)에서 비교예보다 인장강도가 134 MPa가 더 높고, 연신율이 4.8% 더 높은 것을 확인하였다. 또한, 고온 인장특성에서 H1160의 인장강도가 1,261 MPa로 가장 높았다. 다만, 연신율은 V960이 21.6%로 가장 높은 것으로 확인되었다. In addition, as shown in Figure 5, it was confirmed that specimen H1160 manufactured according to the present invention had a tensile strength of 134 MPa higher and an elongation of 4.8% higher than that of the comparative example at room temperature (24 to 26 °C). In addition, in terms of high temperature tensile properties, H1160 had the highest tensile strength at 1,261 MPa. However, it was confirmed that V960 had the highest elongation rate of 21.6%.
상기 과제의 해결 수단에 의해, 본 발명은 시편의 가공방향과 공정조건을 제어하여 효과적인 Inconel 718 합금 적층 제조 공정기술을 제공하고 우수한 고온특성을 가지는 Inconel 718 합금 적층 조형물을 제조할 수 있다. By solving the above problem, the present invention provides an effective Inconel 718 alloy additive manufacturing process technology by controlling the processing direction and process conditions of the specimen and can manufacture an Inconel 718 alloy laminated sculpture with excellent high-temperature characteristics.
또한, 본 발명은 적층 제조 방법에서 공정 단계를 최소화하여 부품 제작 비용을 절감할 수 있다.Additionally, the present invention can reduce part manufacturing costs by minimizing process steps in the additive manufacturing method.
이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.As such, a person skilled in the art will understand that the technical configuration of the present invention described above can be implemented in other specific forms without changing the technical idea or essential features of the present invention.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.Therefore, the embodiments described above should be understood in all respects as illustrative and not restrictive, and the scope of the present invention is indicated by the claims described later rather than the detailed description above, and the meaning and scope of the claims and their All changes or modified forms derived from the equivalent concept should be construed as falling within the scope of the present invention.
S10. Inconel 718 합금분말을 제공하는 제1단계
S20. 공정변수를 설정하는 제2단계
S30. 상기 Inconel 718 합금분말을 공급하는 제3단계
S40. 상기 Inconel 718 합금분말을 용융시키는 제4단계
S50. Inconel 718 소재의 하나의 레이어를 형성하는 제5단계
S60. 상기 제3단계 내지 제5단계를 반복하여 적층하는 제6단계
S70. 제7-1 내지 제7-6단계로 열처리하는 제7단계;
S71. 균질화 처리하는 제7-1단계
S72. 어닐링하는 제7-2단계
S73. 가열처리하는 제7-3단계
S74. 냉각하는 제7-4단계
S75. 에이징하는 제7-5단계
S76. 상온 (24 내지 26 ℃)까지 냉각하는 제7-6단계S10. The first step to providing Inconel 718 alloy powder
S20. The second step of setting process variables
S30. Third step of supplying the Inconel 718 alloy powder
S40. The fourth step of melting the Inconel 718 alloy powder
S50. Fifth step to form one layer of Inconel 718 material
S60. 6th step of stacking by repeating the 3rd to 5th steps
S70. A seventh step of heat treatment in steps 7-1 to 7-6;
S71. Step 7-1 of homogenization treatment
S72. Annealing Step 7-2
S73. Step 7-3 of heat treatment
S74. Cooling step 7-4
S75. Stage 7-5 of Aging
S76. Step 7-6 of cooling to room temperature (24 to 26 ℃)
Claims (14)
가스분사법으로 제조된 Inconel 718 합금분말을 제공하는 제1단계;
레이저 분말 소결방식(L-PBF)을 위한 공정변수를 설정하는 제2단계;
상기 Inconel 718 합금분말을 공급하는 제3단계;
조형광원을 선택적으로 조사하여 상기 Inconel 718 합금분말을 용융시키는 제4단계;
상기 용융된 Inconel 718 합금분말을 냉각 및 고화하면서, Inconel 718 소재의 하나의 레이어를 형성하는 제5단계;
상기 Inconel 718 소재의 입체 조형물이 완성될 때까지 상기 제3단계 내지 제5단계를 반복하여 적층하는 제6단계; 및
상기 적층된 입체 조형물을 열처리하는 제7단계; 를 포함하여 이루어지고,
상기 제1단계에서 Inconel 718 합금분말은 20 내지 45 ㎛의 입도로 제조되고,
상기 제2단계의 공정변수는,
260 내지 295 (W)의 레이저 전력이고,
860 내지 1,260 (mm/s)의 스캔속도이고,
레이저가 이동하는 레이저 스캔 경로 사이의 간격인 해칭 공간(hatching space)을 70 내지 130 ㎛이고,
레이어 두께(layer thickness)를 30 내지 60 ㎛이고,
가공방향은 수평방향(Horizontal)이 되도록 설정하고,
상기 제4단계의 조형광원은 불활성기체 분위기인 아르곤(Ar) 가스에서, 산소농도 100ppm 이하를 유지한 상태에서 실시하고,
상기 제7단계는,
975 내지 985 ℃에서 50 내지 70분 동안 균질화 처리하되, γ상으로 재결정하여 단상 균질화 처리하는 제7-1단계;
상기 균질화 처리 후, 상온 (24 내지 26 ℃)까지 냉각하여 어닐링하는 제7-2단계;
상기 어닐링 후, 755 내지 765 ℃에서 50 내지 70분 동안 가열처리하여 γ상 결정립계에 일정량의 δ상 핵을 생성시켜 고온에서 결정립계 성장을 방해해 인장특성을 향상하는 제7-3단계;
상기 가열처리 후, 620 ℃ 까지 50 내지 70분 동안 냉각하는 제7-4단계;
상기 냉각 후, 7.5 내지 8.5 시간 동안 에이징하는 제7-5단계; 및
상기 에이징 후, 상온 (24 내지 26 ℃)까지 냉각하는 제7-6단계;로 순차적으로 수행
하는 것을 특징으로 하는 고온 인장특성이 우수한 Inconel 718 합금 적층 조형물 제조방법.
In the additive manufacturing method using laser powder sintering (L-PBF),
A first step of providing Inconel 718 alloy powder manufactured by gas injection;
A second step of setting process parameters for laser powder sintering (L-PBF);
A third step of supplying the Inconel 718 alloy powder;
A fourth step of melting the Inconel 718 alloy powder by selectively irradiating a modeling light source;
A fifth step of cooling and solidifying the molten Inconel 718 alloy powder to form one layer of Inconel 718 material;
A sixth step of repeatedly stacking the third to fifth steps until a three-dimensional sculpture made of the Inconel 718 material is completed; and
A seventh step of heat treating the laminated three-dimensional sculpture; It is made including,
In the first step, Inconel 718 alloy powder is manufactured with a particle size of 20 to 45 ㎛,
The process variables of the second step are,
The laser power is 260 to 295 (W),
A scan speed of 860 to 1,260 (mm/s),
The hatching space, which is the interval between the laser scan paths along which the laser moves, is 70 to 130 ㎛,
The layer thickness is 30 to 60 ㎛,
Set the processing direction to be horizontal,
The formative light source in the fourth step is operated in argon (Ar) gas, which is an inert gas atmosphere, with the oxygen concentration maintained at 100 ppm or less,
The seventh step is,
Step 7-1 of homogenizing at 975 to 985°C for 50 to 70 minutes, recrystallizing into γ phase and performing single-phase homogenization;
A 7-2 step of annealing by cooling to room temperature (24 to 26° C.) after the homogenization treatment;
After the annealing, a 7-3 step of heat treatment at 755 to 765 ° C. for 50 to 70 minutes to generate a certain amount of δ phase nuclei at the γ phase grain boundaries to prevent grain boundary growth at high temperature to improve tensile properties;
Step 7-4 of cooling to 620° C. for 50 to 70 minutes after the heat treatment;
Step 7-5 of aging for 7.5 to 8.5 hours after cooling; and
After the aging, step 7-6 of cooling to room temperature (24 to 26 ℃) is sequentially performed.
A method of manufacturing an Inconel 718 alloy laminated sculpture with excellent high-temperature tensile properties.
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