첨가제 마찰 교반 증착 AZ31B Mg 합금의 미세 구조 진화 및 기계적 반응에 대한 다중 모드 접근 방식

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 13234(2022) 이 기사 인용

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현재 연구에서는 첨가제 마찰 교반 증착을 사용하여 AZ31B-Mg 합금의 고체 적층 제조를 탐구했습니다. 상대 밀도가 99.4% 이상인 샘플이 추가로 생성되었습니다. 다층 계산 프로세스 모델을 사용하여 첨가제 마찰 교반 증착 동안 온도의 공간적 및 시간적 변화가 예측되었습니다. 적층 가공된 샘플의 미세 구조 진화는 전자 후방 산란 회절 및 고해상도 투과 전자 현미경을 사용하여 검사되었습니다. 첨가제 샘플의 기계적 특성은 비파괴 유효 벌크 탄성률 탄성 측정법과 파괴 단축 인장 시험을 통해 평가되었습니다. 추가로 생산된 샘플은 상단 표면에서 주로 기본 질감이 진화하고 공급 원료에 비해 입자 크기가 약간 증가했습니다. 투과전자현미경은 공급원료와 첨가제 샘플 내에서 Mg\(_{17}\)Al\(_{12}\)의 미세 규모 침전을 밝혀냈습니다. Mg\(_{17}\)Al\(_{12}\)의 비율은 공급 원료와 비교하여 추가로 생산된 샘플에서 감소했습니다. 첨가제 샘플의 벌크 동적 계수는 공급 원료보다 약간 낮았습니다. 공급 원료와 비교하여 적층 방식으로 생산된 샘플의 경우 내력은 0.2%로 \(\sim\,\) 30 MPa 감소했고 극한 인장 강도는 10-30 MPa 감소했습니다. 첨가제 샘플의 신장률은 공급 원료보다 4~10% 낮았습니다. 첨가제 마찰 교반 증착 AZ31B-Mg 합금에 대한 이러한 특성 반응은 뚜렷한 열역학 기반 다중 규모 미세 구조 진화를 통해 실현되었습니다.

마그네슘 합금은 이러한 재료의 낮은 밀도로 인해 높은 비강도로 인해 자동차, 항공우주 및 생물의학 산업에 응용됩니다1,2,3,4,5. Mg 합금은 또한 뛰어난 생체 적합성6,7 및 전자파 차폐 기능8을 갖추고 있습니다. 그러나 Mg 합금은 주조 중에 산화되는 경향이 있고 변형 중에 강한 질감을 나타내므로 주조 및 냉간 가공과 같은 기존 방법을 사용하여 Mg 합금을 가공하는 데 제한이 있습니다. 따라서 연구자들은 레이저 빔 적층 제조(LBAM), 와이어 아크 적층 제조(WAAM), 적층 마찰 교반 증착(AFSD)과 같은 적층 제조(AM) 경로를 사용하여 이러한 한계를 극복하기 위한 전략을 모색했습니다. LBAM 및 WAAM 기술은 분말 또는 와이어 형태의 공급 물질의 융합을 기반으로 합니다. LBAM과 WAAM 기술은 모두 전구체 물질의 용융 및 경화에 의존합니다. 반면에 AFSD는 Solid State 방식입니다. AFSD 동안 사용되는 공급 물질은 분말 사용을 피하면서 상업적으로 이용 가능한 막대 또는 칩 형태입니다13. 이는 분말이 매우 자연발화성이기 때문에 Mg의 경우 특히 중요합니다.

AFSD는 마찰교반처리(FSP)와 유사한 원리로 작동합니다. 그러나 AFSD에서는 FSP에 사용되는 견고한 도구 대신 속이 빈 비소모성 도구가 사용됩니다. 공급 재료는 도구, 공급 재료 및 기판 사이에서 발생하는 마찰열로 인해 소성 변형되는 중공 회전 도구를 통해 공급됩니다. 이러한 마찰로 인해 공급 재료가 부드러워지고 공구 아래로 압출됩니다. 그런 다음 후속 레이어 증착을 위해 도구를 통과합니다. AFSD는 최근 MELD®와 같은 AM 기계의 개발로 발전했습니다. 복잡한 형상을 갖춘 완전 밀도의 대형 부품을 생산할 수 있는 능력이 있습니다15,16. 기존 철17 및 비철18,19,20 합금의 AM이 AFSD를 통해 연구되었습니다.

현재까지 Mg 합금의 AFSD와 관련된 보고서는 거의 발표되지 않았습니다. Calvert의 연구에서는 ASFD를 통한 WE43 Mg 합금의 성공적인 증착을 보여 주었지만 공정 속성과 관련된 미세 구조의 진화를 설명하는 데는 부족했습니다. 로빈슨 외. 알. AZ31B-Mg의 AFSD를 시연하고 미세 구조 및 기계적 특성 진화를 조사했습니다. 인장 테스트 결과는 단조 AZ31B-Mg 재료와 비교하여 AFSD 가공 AZ31B-Mg에 대해 0.2% 내력(0.2% PS)에서 \(\sim\) 20% 감소 및 동일한 극한 인장 강도(UTS)가 있음을 보여주었습니다. . 이 작업은 기계적 특성 저하에 대한 제한된 설명과 근거를 제공했습니다. 또 다른 노력으로 Williams et. 알. AFSD23을 통해 WE43 Mg 합금을 증착했습니다. 이 저자들은 공급 원료와 비교하여 AFSD 가공 재료의 입자 크기가 \(\sim\) 22배 감소했다고 보고했지만 여전히 0.2% PS에서 \(\sim\) 80MPa 감소를 관찰했습니다. \) UTS가 100MPa 감소하고, 공급재료 대비 연신율이 11% 감소합니다. 이 연구에서는 AFSD 동안 다양한 가공 조건을 조사했지만 AFSD WE43 Mg 합금의 구조 특성 변화에 대한 물리적 설명이 부족했습니다.