피로는 반복적인 하중 하에서 재료가 점차 열화되고 결국 파손되는 현상을 말합니다. 항공기 엔진 블레이드, 랜딩 기어 등 생명 안전에 필수적인 구조물의 경우 피로 성능이 주요 설계 기준입니다. 유리의 기포와 마찬가지로 3D-프린팅 부품 내의 피할 수 없는 미세한 기공은 주기적인 응력 하에서 균열 시작점이 되어 조기 부품 고장으로 이어질 수 있습니다. 이전에 엔지니어들은 일반적으로 이러한 기공을 제거하기 위해 열간 등압 성형(HIP)을 사용했습니다. 그러나 이 방법은 양날의 검입니다. 모공을 치료하는 동시에 3D 프린팅으로 생성된 고유하고 미세한 미세 구조를 거칠게 만들어 잠재적인 이점을 무효화합니다. 목욕물과 함께 아기를 버리는 전형적인 사례다.
3D 프린팅의 우수한 미세구조를 유지하면서 모공을 제거하는 것이 가능할까요? 연구팀은 3D-프린팅된 티타늄 합금에서 상 변형과 입자 성장의 "비동기적" 특성을 발견하고 이를 기반으로 혁신적인 "무결점 적층 제조 공정"을 개발했습니다. 이 기술의 핵심은 후처리의 열 주기를 정밀하게 제어하는 것입니다-. 입자가 성장하기 전에 상 변형이 빠르게 완료되고 재료가 냉각되어 3D 프린팅으로 형성된 미세하고 균일한 미세 구조를 "고정"합니다.
그 결과는 매우 놀랍습니다. NAMP 기술로 처리된 "무결점 인쇄" 티타늄 합금은 구조 내의 위험한 융합되지 않은 공극을 완전히 제거하는 동시에 원래의 미세 입자 및 라멜라 구조를 완벽하게 보존합니다.
최고 성능: 피로 수명은 알려진 모든 티타늄 합금을 능가합니다. 더욱 인상적인 것은 기계적 특성 테스트 결과입니다. 이 "결함 없는" 티타늄 합금은 원래 인쇄 상태보다 106% 향상된 약 978 MPa의 피로 한계를 달성합니다. 특히 이 수치는 알려진 모든 3D-프린팅 티타늄 합금을 훨씬 능가할 뿐만 아니라 전통적인 단조 공정을 통해 생산된 티타늄 합금을 훨씬 능가하여 유사한 재료에 대한 피로 성능의 정점에 도달했습니다. 연구원들이 특정 피로 강도(항공우주 산업에 중요한 피로 강도 대 밀도의 비율)를 다양한 엔지니어링 재료와 비교했을 때, 이 흠잡을 데 없이 인쇄된 티타늄 합금이 차트의 오른쪽 상단을 차지하고 모든 강철, 알루미늄 합금, 마그네슘 합금, 고온-온도 합금, 심지어는 고온-엔트로피 합금을 능가한다는 사실을 발견했습니다. 이는 피로 저항 부품 제조에서 3D 프린팅 기술의 엄청난 잠재력을 보여줍니다.{11}}
3D-프린팅된 미세 구조가 공극이 없고 견고한 이유는 무엇입니까?
연구에 따르면 3D 프린팅의 고유한 초미세 라멜라 구조는 피로 손상이 국부적으로 집중되는 것을 효과적으로 억제하는 것으로 나타났습니다. 전통적인 티타늄 합금에서는 피로 균열이 거친 입자나 연질상 영역에서 자주 발생하는 반면, 3D 프린팅의 미세 구조는 응력을 균일하게 분산시켜 균열 발생 및 전파를 어렵게 만듭니다.
미래 전망: 3D 프린팅을 재활하고 새로운 방향을 개척합니다. 이 연구는 3D-인쇄 재료의 피로 성능에 대한 우리의 이해를 완전히 뒤집습니다. 이는 3D-프린팅된 미세 구조 자체가 약점이 아니라 우수한 피로 저항을 달성하기 위한 귀중한 기반임을 웅변적으로 보여줍니다. 실제 병목 현상은 인쇄 과정에서 발생하는 결함에 있습니다. 이 작업은 3D 프린팅 기술 개발을 위한 이중 최적화 경로를 가리킵니다. 한편으로는 보이드를 줄이기 위해 프린팅 프로세스를 계속 최적화합니다. 반면에 미세구조를 미세하게 제어하기 위한 새로운 후처리 기술을{10}적극적으로 개발하고 있습니다. 더 중요한 것은 이 '무결점 인쇄' 개념이 다른 금속 재료 시스템으로 확장되어 3D 인쇄 기술을 고성능 구조 부품 제조라는 광대한 세계로 이끌 가능성이 있다는 것입니다.
논문 정보:
제목: 거의-공극-없는 3D 프린팅을 통한 티타늄 합금의 높은 피로 저항성
저널: 네이처, 2024-02-28
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Qu, Z., Zhang, Z., Liu, R. et al. -공극-이 거의 없는 3D 프린팅을 통해 티타늄 합금의 높은 피로 저항성. 자연 626, 999–1004 (2024).
https://doi.org/10.1038/s41586-024-07048-1