레이저 적층 제조(LAM) 부품의 미세구조와 기계적 특성 조절에는 후속 열처리가 필수적입니다. 본 연구는 선택적 레이저 용융(SLM) 방식으로 제조된 GH3536 니켈 기반 초합금에 980°C에서 1280°C 범위의 온도에서 1시간 동안 열처리했을 때 미세구조 및 석출물 변화를 조사하고, 기계적 특성에 미치는 영향의 근본적인 메커니즘을 탐구했습니다.
980°C에서 1시간 열처리된 시편에서는 Mo가 풍부한 M6C형 탄화물이 결정립계와 수지상 결정 사이에 다수 분포했습니다. 1080°C에서는 결정립계 탄화물 입자가 조대화되었고, 1180°C에서는 탄화물이 기지 조직에 완전히 용해되었습니다. 1080°C 이하에서는 SLM 공정의 특징인 주상정 형태가 유지되었으나, 1180°C에서는 49.7%의 재결정률과 49.8%의 아결정립 비율을 보였습니다.
재결정된 결정립은 다각형 형태를 띠고 평균 종횡비는 2.51이었으며 다수의 어닐링 쌍정을 포함했습니다. 아결정립은 미세구조적 불균일성과 용질 인력 효과에 의해 형성된 것으로 분석됩니다. 1280°C에서는 재결정률이 89.8%로 증가하고 결정립 크기는 직경 40.8 µm로 조대화되었습니다. 결정립 종횡비와 집합조직 강도는 온도에 따라 단조적으로 감소하지 않았습니다.
온도가 증가함에 따라 경도는 SLM 상태의 251.8 ± 13.5 HV에서 176.3 ± 5.5 HV로 점진적으로 감소했습니다. 회복과 재결정의 순차적 발생은 항복 강도의 점진적 감소와 연신율의 증가로 이어졌습니다. 1280°C에서 1시간 열처리된 시편은 연신율이 67.4%로 증가하여 우수한 결정립계 열 안정성과 계면 결합 강도를 나타냈습니다. 본 연구는 역응력, Hall-Petch 관계 및 고용 강화가 항복 강도에 미치는 영향을 심층적으로 논의했습니다.
사탕수수 줄기는 기계 수확 과정에서 압축, 고정, 굽힘 등 복합적인 하중을 받지만, 기존 연구는 개별 하중 조건에서만 특성을 분석하여 방향성 및 길이 방향의 기계적 변동성을 충분히 반영하지 못했습니다. 이는 수치 모델의 정확도를 제한하는 요인이 됩니다.
본 연구는 이러한 변동성을 통합적으로 특성화하고 횡등방성 유한요소 모델에 적용하기 위한 실험 및 모델링 프레임워크를 구축했습니다. 성숙한 Guitang 21 품종의 사탕수수 줄기 기저부와 중간 마디를 대상으로 축 방향 압축, 반경 방향 압축, 3점 굽힘 시험을 수행했습니다.
실험 결과, 기저부 마디는 축 방향 탄성 계수 96.95 MPa, 등가 반경 방향 변형 매개변수 17.66 MPa, 등가 굽힘 반응 매개변수 174.10 MPa를 보였습니다. 중간 마디는 각각 65.90 MPa, 14.47 MPa, 140.39 MPa로 나타났습니다.
이러한 결과는 두 가지 일관된 기계적 특성을 보여줍니다. 첫째, 줄기 축 방향의 저항이 반경 방향보다 훨씬 크며, 둘째, 기저부의 기계적 저항이 중간 마디보다 체계적으로 강하다는 것입니다. 정량화된 매개변수와 검증된 모델은 기계 수확 장비의 고정, 이송, 절단 부품 설계를 개선하는 데 중요한 기반을 제공할 것입니다.
적니(Red mud, RM)는 높은 알칼리성으로 인해 직접 활용이 어렵고 매립이 주된 처리 방식이어서 심각한 환경 문제를 야기한다. 본 연구는 에폭시 수지 매트릭스에 고농도(40 wt.%)의 적니를 포함하는 복합재를 세 가지 제조 기법으로 제작하고, 이들의 정적 및 동적 기계적 특성을 비교 분석했다.
복합재는 오버헤드 믹서(OM) 및 수동 혼합(HM) 후 탈기하는 방식과 진동 보조 진공 혼합(VM) 방식을 사용하여 제작되었다. 특히 VM 방식으로 제작된 시편은 구조적 특성과 기계적 성능이 크게 향상되었다. 인장 강도는 17.3 MPa, 압축 강도는 92.5 MPa로, OM 또는 HM 방식으로 제작된 시편보다 약 두 배 높은 수치를 보였다.
기공 측정 및 미세 구조 분석 결과, VM 복합재는 가장 낮은 기공 부피와 가장 균일한 충전재 분포를 나타냈다. 기공 함량과 응집체 존재는 균열 전파에 영향을 미쳐 기계적 특성을 저하시키는 주요 요인으로 확인되었다. 동적 기계 분석(DMA) 결과에서도 VM 복합재는 OM 혼합 시편 대비 높은 저장 탄성률(3.41 GPa vs 1.26 GPa)과 손실 탄성률(319 MPa vs 120 MPa)을 보였다.
수분 노화 시험 결과, VM 복합재는 4주간 수침 후에도 가장 높은 탄성률을 유지하여, 향상된 충격 저항이 요구되는 재료로서의 우수성을 입증했다. 이는 적니 활용 복합재의 성능을 극대화하고 환경 문제 해결에 기여할 수 있는 중요한 발견이다.
기존 Al-Si 다이캐스트 합금은 우수한 성형성과 저렴한 비용에도 불구하고 낮은 브레이징성과 부적절한 내식성을 보입니다. 반면, 고압 다이캐스트(HPDC) Al-RE 합금은 자동차 열 관리 시스템의 경량화 및 고성능 소재 요구를 충족시키며 우수한 종합 특성을 나타냅니다. 본 연구는 HPDC Al-RE 합금의 미세구조, 기계적 특성 및 내식성에 대한 브레이징 공정의 영향을 조사했습니다.
제어 분위기 브레이징(CAB) 공정을 통해 합금의 특성 변화를 분석했습니다. 주조 상태에서 층상 구조를 보이던 공정 Al11(La,Ce)3 상은 브레이징 시뮬레이션 후 분산된 구형 입자로 변형되었습니다. 이러한 미세구조 변화는 합금의 기계적 및 부식 거동에 직접적인 영향을 미쳤습니다.
브레이징 처리 후 항복 강도와 인장 강도는 감소했지만, 응력 집중 완화로 인해 연신율은 크게 향상되었습니다. 합금의 내식성은 환경에 따라 달랐습니다. 중성 염수 분무(NSS) 시험에서는 우수한 내식성을 보였으나, 해수 산성화 가속 시험(SWAAT)에서는 구형화된 Al11(La,Ce)3 입자의 우선적인 양극 용해로 인해 심각한 국부적 공식이 발생했습니다.
결론적으로, 브레이징 처리 후 Al-RE 합금은 강도 감소를 감수하고 연성이 크게 향상되었습니다. 중성 염수 환경에서는 우수한 내식성을 보이지만, 산성 환경에서는 구형화된 금속간 화합물의 높은 전기화학적 활성으로 인해 심각한 국부 부식이 발생할 수 있습니다.
기존 재료로는 불가능한 뛰어난 기계적 특성을 가진 경량 소재를 구현하기 위해, 메타물질은 독특한 구조 패턴을 활용합니다. 기존 메타물질은 주로 결정질 격자 구조에서 영감을 받아 견고한 기계적 특성을 보이는 경향이 있습니다. 본 연구에서는 고분자 네트워크의 핵심 구성 요소가 수행하는 기계적 역할을 모방하여 변형 및 강화 메커니즘을 프로그래밍한 고분자 모방 메타물질(PIMs)을 제안합니다.
메타물질의 프로그래밍 가능성과 고분자 모방 구조를 결합하여, PIMs에 가교, 원시 결정질 질서, 얽힘을 설계했습니다. 이를 통해 고분자의 가교 강화, 분자 밀도 강화, 사전 연신 강화에서 영감을 받은 거시적 강화 메커니즘을 구현하여 메타물질의 구조-특성 설계 공간을 확장했습니다.
이러한 거시적 고분자 모방 프로그래밍 가능성은 PIMs가 원하는 변형 및 강화 반응을 달성하기 위한 프로그래밍 전략을 통합하는 설계 플랫폼으로 활용될 수 있음을 시사합니다. 이는 소프트 로봇 관절 및 유연한 커넥터와 같은 응용 분야에서 잠재력을 가집니다.
본 연구는 선택적 레이저 용융(SLM) 방식으로 제조된 신규 Ti-Ag 합금의 미세구조, 기계적 및 마찰 마모 특성에 대한 후처리 열처리의 영향을 체계적으로 조사했습니다. 기존 문헌의 분말 혼합 방식과 달리, 무전해 Ag 코팅 Ti 분말을 원료로 사용하여 SLM 후 열처리를 통해 Ti 기지 내 Ag 분포를 정밀하게 제어했습니다.
X선 회절 분석 결과, 모든 시편에서 α-Ti 기반 기지 구조가 유지되었으며, 열처리 후에는 산화물 상이 형성됨을 확인했습니다. 수냉 및 시효 처리된 시편(HT-3)은 미처리 SLM 시편 대비 68.8% 증가한 508.9 ± 13 HV의 가장 높은 경도를 보였습니다. 이는 Ag-rich 석출물 형성 및 루타일/아나타제 상 안정화에 기인합니다.
인장 시험에서는 SLM 제조 직후 시편이 639.5 MPa로 가장 높은 인장 강도를 나타냈으나, 열처리 시편은 냉각 중 산화 및 미세구조 변화로 인해 강도가 감소했습니다. 15 N 하중 및 100 m 슬라이딩 거리 조건에서 열처리 시편은 마찰 계수가 현저히 낮았으며, 특히 HT-3는 0.48로 22.6% 감소했습니다. HT-3는 또한 가장 낮은 체적 손실을 보여 우수한 내마모성과 안정적인 마찰 거동을 입증했습니다.
이 연구 결과는 SLM Ti-Ag 합금의 맞춤형 기계적 및 마찰 마모 특성 설계를 위한 열처리 전략의 중요성을 강조하며, 생체 재료 및 고성능 부품 분야에서의 잠재적 응용 가능성을 제시합니다.
본 연구는 광중합 방식으로 제작된 셀룰러 구조물의 정적 인장 특성을 분석하여, 적층 방향과 구조 설계가 기계적 특성에 미치는 영향을 평가했습니다. 표준 시편을 0°, 45°, 90°의 적층 방향으로 제작하여 인장 특성을 평가한 결과, 0° 방향에서 가장 높은 강도를 보였습니다. 이를 바탕으로 최적의 0° 방향에서 육각형, 나선형, 준자기유사형 셀룰러 구조물을 미충진 및 실리콘 충진 형태로 제작하여 추가 분석을 수행했습니다.
정적 인장 시험을 통해 하중-변위 특성, 최대 하중, 변형 거동을 측정했습니다. 기계적 특성은 적층 방향에 크게 의존하며, 0°에서 가장 강하고 90°에서 가장 약한 이방성을 보였습니다. 이는 1차 및 2차 이방성 계수로 정량화되었습니다. 실리콘 충진은 하중 지지력을 향상하고 변동성을 줄였으며, 더 연성적인 파괴 메커니즘을 유도했습니다.
분석된 형상 중 준자기유사형 구조물이 가장 우수한 기계적 성능을 나타냈으며, 미충진 구조물은 더 낮은 강도와 높은 변형률을 보였습니다. 본 연구 결과는 적층 제조 부품의 기계적 특성을 최적화하는 데 있어 적층 방향과 구조 설계가 핵심적인 요소임을 입증하며, 맞춤형 셀룰러 구조물 설계의 기초를 제공합니다.
금속 유리의 구조적 이질성을 최적화된 급속 냉각으로 증대시키면 소성 변형 능력이 향상될 수 있습니다. 그러나 Zr 기반 금속 유리의 나노마찰 특성과 고유한 구조적 이질성 간의 상관관계는 아직 명확히 밝혀지지 않았습니다. 본 연구는 냉각 속도 제어를 통해 원자 구조를 조정한 Zr 기반 금속 유리를 제조하고, 첨단 원자현미경(AFM)을 활용하여 나노마모 시험을 수행했습니다.
구조적 이질성이 높은 급속 냉각 금속 유리는 접착 및 쟁기질 마찰이 증가했음에도 불구하고, 낮은 경도에도 불구하고 우수한 소성 및 내마모 특성을 보였습니다. 분자 동역학 시뮬레이션과 AFM 에너지 소산 시험 결과, 증가된 접착력은 현저한 구조적 이질성에 의한 에너지 소산에서 비롯되며, 높아진 쟁기질 마찰은 감소된 경도와 탄성 회복에 기인함을 확인했습니다.
급속 냉각 금속 유리의 우수한 소성은 다중 전단 밴드 형성을 통해 팁 변형 에너지를 효과적으로 소산시켰습니다. 재료 박리를 억제하는 향상된 소성과 증가된 쟁기질 마찰 간의 경쟁은 이 Zr 기반 금속 유리에 탁월한 나노 스케일 마모 내구성을 부여했습니다.
이러한 발견은 나노 스케일 구조적 이질성 조절을 통해 내마모성 Zr 기반 금속 유리를 설계하는 데 귀중한 통찰력을 제공합니다.
