금속 3D 프린팅용 알루미늄 합금의 저온 열처리에 따른 미세조직 및 기계적 / 전기적 특성에 관한 연구 = A study on microstructure and mechanical/electrical properties of aluminum alloys for metal 3D printing by low-temperature heat treatment|RISS 상세보기

국문 초록 (Abstract)

금속 3D 프린팅 기술중의 하나인 선택적 레이저 용융(SLM) 방식은 기존의 가공 방식으로는 제작할 수 없었던 3차원 구조물을 제작할 수 있어 4차 산업혁명의 각광받는 차세대 제조 기술로 그 자리를 매김하고 있다. 그중 항공, 방산, 자동차 등의 부품 경량화에 가장 효율적인 알루미늄 소재가 각광받고 있다. 현재 알루미늄 소재로 AlSi7Mg 및 AlSi10Mg를 포함하는 알루미늄-실리콘(Al-Si) 기반 합금 재료가 널리 사용되고 있다. 그러나 경량화의 큰 장점이 있는 반면에 급속 냉각으로 인한 잔류응력은 부품의 기계적 강도, 치수 정확도 및 피로와 같은 신뢰성에 영향을 미치는 중요한 문제 중 하나이다.
본 연구에서는 잔류응력을 해소하기 위한 방안으로 저온 열처리 연구를 수행하였다.
첫 번째 연구로, 280 ℃의 저온 열처리를 통한 AlSi7Mg 및 AlSi10Mg 합금의 잔류응력 평가 및 미세구조, 기계적 특성, 전기적 특성을 평가하였다.
두 번째 연구는 첫 번째 연구 결과를 토대로 산업군 어플리케이션에 따른 온도별 열처리 조건을 최적화 하기 위하여 180 ℃ ~ 280 ℃의 열처리 조건별 특성을 연구하였다.
열처리 후 AlSi7Mg 및 AlSi10Mg 재료의 미세구조, 잔류응력 및 기계적 성질과 전기적 특성의 변화를 체계적으로 조사하였다. 열처리 후 실리콘(Si) 네트워크 구조와 알루미늄 매트릭스에 용해된 Si는 완전히 석출되어 독립적인 미세 구형 석출물로 존재하였다. AlSi7Mg 재료는 Si의 낮은 체적 분율로 인해 고용체 경화 효과가 약하여 AlSi10Mg 재료보다 인장 강도, 경도 및 연신율이 더 낮았다. 열처리 온도가 증가할수록 두 재료의 기계적 강도가 감소하고 연신율이 증가하는 현상을 확인하였다. 이때 190 ℃의 열처리 조건에서 AlSi7Mg 및 AlSi10Mg 재료 모두 항복강도가 가장 높은 것을 확인할 수 있었다. 한편, 알루미늄 매트릭스에 석출된 Si가 불순물로 작용하여 열처리 후 재료의 전기전도도가 향상되었다. Al-Si 합금의 전기 전도도 및 기계적 특성은 재료의 Si 함량에 따라 달라지는 것을 확인하였다. 따라서 저온 열처리를 통한 재료의 적절한 Si 함량을 최적화하여 전기적 및 기계적 특성을 향상시킬 수 있었다.

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금속 3D 프린팅 기술중의 하나인 선택적 레이저 용융(SLM) 방식은 기존의 가공 방식으로는 제작할 수 없었던 3차원 구조물을 제작할 수 있어 4차 산업혁명의 각광받는 차세대 제조 기술로 그 ...

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Selective Laser Melting (SLM), one of the metal 3D printing technologies, is positioning itself as a next-generation manufacturing technology that is in the spotlight of the 4th Industrial Revolution as it can produce 3D structures that could not be manufactured with conventional processing methods. Among them, aluminum is the most efficient material for lightening parts in aviation, defense, and automobiles. Currently, aluminum-silicon (Al-Si)-based alloy materials including AlSi7Mg and AlSi10Mg are widely used as aluminum materials. However, while there is a great advantage of light weight, residual stress due to rapid cooling is one of the important issues affecting reliability such as mechanical strength, dimensional accuracy and fatigue of parts.
In this study, low-temperature heat treatment was conducted as a way to relieve residual stress.
As a first study, the residual stress, microstructure, mechanical properties, and electrical properties of AlSi7Mg and AlSi10Mg alloys were evaluated through low-temperature heat treatment at 280 ℃.
In the second study, based on the results of the first study, the characteristics of each heat treatment condition of 180 ℃ ~ 280 ℃ were studied in order to optimize the heat treatment conditions by temperature according to industrial applications.
After heat treatment, the changes in the microstructure, residual stress, and mechanical and electrical properties of AlSi7Mg and AlSi10Mg materials were systematically investigated. After heat treatment, Si dissolved in the silicon (Si) network structure and aluminum matrix was completely precipitated and existed as independent fine spherical precipitates. The AlSi7Mg material showed weaker solid-solution hardening effect due to the lower volume fraction of Si, resulting in lower tensile strength, hardness and elongation than the AlSi10Mg material. It was confirmed that as the heat treatment temperature increased, the mechanical strength of the two materials decreased and the elongation increased. At this time, it was confirmed that the mechanical strength of both AlSi7Mg and AlSi10Mg materials was the highest under the heat treatment condition of 180 ℃ ~ 190 ℃. On the other hand, Si precipitated in the aluminum matrix acts as an impurity, and the electrical conductivity of the material after heat treatment is improved. It was confirmed that the electrical conductivity and mechanical properties of the Al-Si alloy depend on the Si content of the material.
As a result, it was possible to improve the electrical and mechanical properties by optimizing the appropriate Si content of the material through low-temperature heat treatment.

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목차 (Table of Contents)

목 차
요약 ⅰ
표목차 ⅴ
그림목차 ⅵ

목 차
요약 ⅰ
표목차 ⅴ
그림목차 ⅵ
Ⅰ. 서 론 1
Ⅱ. 이론적 고찰 3
2.1 금속 3D 프린팅의 의의 4
2.2 금속 3D 프린팅 프로세스 7
2.2.1 모델링(DfAM) 8
2.2.2 적층공정해석 10
2.2.3 장비 파라미터 최적화 12
2.2.4 적층제조 14
2.2.5 후처리 / 후가공 15
2.3 금속 3D 프린팅의 종류 17
2.3.1 Direct Energy Deposition 18
2.3.2 Binder Jet 20
2.3.3 Selective Laser Melting 22
2.4 SLM 공정의 결함 24
2.5 SLM 공정의 장단점 26
2.6 SLM 공정 알루미늄 소재의 잔류응력 완화 방법 27
2.7 SLM 공정 알루미늄 소재의 연구 동향 및 한계 29
Ⅲ. 실험 장치 및 실험 방법 32
3.1 SLM 연구 프로세스 구성 32
3.2 파우더 특성 평가 33
3.2.1 파우더 형태 분석 33
3.2.2 파우더 크기 분포 분석 33
3.3 공정 프로세스 및 후처리 프로세스 34
3.3.1 SLM 공정 프로세스 34
3.3.2 열처리 프로세스 35
3.4 분석 장치 및 방법 37
3.4.1 밀도 37
3.4.2 미세조직 38
3.4.3 상분율 분석 40
3.4.4 인장 특성 평가 41
3.4.5 경도 평가 42
3.4.6 잔류응력 평가 43
3.4.7 전기적 특성 평가 44
Ⅳ. 실험 결과 및 고찰 45
4.1 저온 열처리 연구 45
4.1.1 알루미늄 금속 파우더 45
4.1.2 공정 파라미터 및 융융풀 크기 47
4.1.3 밀도 50
4.1.4 미세조직 51
4.1.4.1 상분율 51
4.1.4.2 Melt pool boundary 55
4.1.4.3 Silicon 석출 56
4.1.4.4 Grain 평가 58
4.1.5 기계적 특성 62
4.1.5.1 인장 강도 62
4.1.5.2 경도 66
4.1.5.3 잔류응력 67
4.1.6 전기적 특성 68
4.1.7 소결론 69
4.2 저온 열처리 조건 최적화 연구 70
4.2.1 알루미늄 금속 파우더 71
4.2.2 밀도 72
4.2.3 미세조직 73
4.2.3.1 상분율 73
4.2.3.2 Melt pool boundary 76
4.2.3.3 Silicon 석출 77
4.2.3.4 Grain 평가 79
4.2.4 기계적 특성 80
4.2.4.1 인장 강도 80
4.2.4.2 경도 82
4.2.4.3 잔류응력 83
4.2.5 전기적 특성 86
4.2.6 소결론 87
Ⅴ. 결 론 88
참고문헌 89
영문초록 (Abstract) 100

참고문헌 (Reference)

1. Selective Laser Melting of Copper, Lykov P. A., Akhmedianov A. M., Safonov E. V., 843, 284-288, , 2016

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6. Selective Laser Melting Aluminum Waveguide Attenuation at K-band, Hollenbeck, M., Smith, R., Warnick, K., Cathey, C., Opra, J., 45-47, , 2017

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9. High Strength Aluminium Alloys in Laser-Based Powder Bed Fusion – a Review, Leirmo, J. L., 104, 1747-1752, , 2021

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