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표제지

국문초록

목차

Ⅰ. 서론 14

Ⅱ. 이론적 배경 18

1. 금속 적층 제조 공정 18

2. Inconel 625 석출 거동 22

3. Inconel 625 적층재 미세조직 24

4. 수소취성 27

가. 수소취성 메커니즘 30

Ⅲ. 실험방법 33

1. 시편 준비 및 적층 제조 공정 33

2. 미세조직 분석 36

3. 수소 장입 및 느린 변형률 인장시험 36

4. 열 탈착 분석(Thermal desorption spectroscopy: TDS) 37

Ⅳ. 실험 결과 40

1. Inconel 625 단조재와 적층재 미세조직 및 전위밀도 40

2. 수소 장입/비장입 느린변형률 인장시험 결과 45

3. 열 탈착 분석 결과 48

4. 파면 및 파단면 분석 50

Ⅴ. 고찰 55

1. 적층재의 전위 형성 기구 55

2. 수소 트랩 위치와 트랩 거동 58

3. 수소취성 메커니즘 토론 61

Ⅵ. 결론 62

참고문헌 64

Abstract 70

표목차

Table. 1. Chemical composition of the Inconel 625 wrought & powder used in the present work. 34

Table. 2. Directed energy deposition manufacturing parameter used in the present work. 35

Table. 3. Mechanical properties of wrought & additive manufactured Inconel 625, without hydrogen and with 12, 24 hours hydrogen,... 47

그림목차

Fig. 1. Global final energy demand for hydrogen by sector and share of hydrogen in selected sectors in the sustainable... 17

Fig. 2. Application of Inconel 625 material : (a) gas turbine [49], (b) tube sheet, and (c) heat exchanger. 17

Fig. 3. Schematic of metal laser 3D printing : (a) laser powder bed fusion(L-PBF), and (b) laser directed energy... 20

Fig. 4. Illustration of additive manufacturing processing parameter influence on defect. 21

Fig. 5. Schematic time-temperature-transformation (TTT) diagram for solution annealed wrought Inconel 625. 23

Fig. 6. The microstructures of the as-deposited samples : (a) X-Z plane for right to left and vice versa scanning, (b) X-Z plane for... 25

Fig. 7. (a) 3 dimensional microstructure of as-deposited Inconel 625 sample, (b) scanning strategy of directed energy deposition... 26

Fig. 8. Hydrogen embrittlement phenomenon reported in industry : (a) Inconel 718 - GP700 engine [31], and (b) AISI 8740 steel fastener. 28

Fig. 9. Hydrogen interstitial lattice location face-centered-cubic (FCC) octahedral site, body-centered-cubic (BCC) tetrahedral site. 29

Fig. 10. Hydrogen diffusion coefficients of Fe, Nb (body-centered-cubic), Ni (face-centered-cubic), Ti (haxagonal-close-packed) as a function of temperature. 29

Fig. 11. Schematic of hydrogen embrittlement (HE) mechanism : (a) hydrogen - induced phase transformation (HIPT), (b)... 32

Fig. 12. SEM image of Inconel 625 powder showing particle shape and distribution used in the present work. 34

Fig. 13. Tensile specimen and thermal desorption spectroscopy specimen obtain from the directed energy deposition manufactured block. 35

Fig. 14. Schematic diagram of hydrogen pre-charging cell used in the present work. 39

Fig. 15. Inverse pole figure map of Inconel 625 wrought showing grain structure : (a) scan direction 1, (b) scan direction 2, and... 42

Fig. 16. Inverse pole figure map of additive manufactured (AM) Inconel 625 scan direction 1 - scan direction 2 (SD1-SD2)... 43

Fig. 17. Inverse pole figure map of additive manufactured (AM) Inconel 625 scan direction 2 - building direction (SD2-BD) plane... 43

Fig. 18. Scanning electron microscope (SEM) & energy-dispersive x-ray spectroscopy (EDS) map of Inconel 625 showing distribution of... 44

Fig. 19. Kernel average misorientation (KAM) map of Inconel 625 showing internal dislocation density : (a) wrought, (b) scan... 44

Fig. 20. (a) Tensile stress-displacement curve of hydrogen charged 12, 24 hours and uncharged wrought & additive... 46

Fig. 21. Hydrogen (H) desorption rate curve obtained from the thermal desorption spectroscopy (TDS) for 12, 24 hours... 49

Fig. 22. Hydrogen (H) desorption rate curves from the thermal desorption spectroscopy (TDS) for the 24 hours H-charged wrought... 49

Fig. 23. SEM fractograhps of wrought Inconel 625 obtained slow-strain-rate-tests : (a-d) Without hydrogen, (e-f) With... 51

Fig. 24. SEM fractograhps of deposits Inconel 625 obtained slow-strain-rate-tests : (a-d) Without hydrogen, (e-f) With... 52

Fig. 25. High magnification SEM fractography of 24 hours hydrogen charged specimens, showing hydrogen-induced slip bands : (a)... 54

Fig. 26. Inversed pole figure (IPF) map embedded with image quality (IQ) map and kernel average misorientation (KAM) map of... 54

Fig. 27. Schematics of the rapid solidification and the equilibrium solidification showing dislocation density formed during the... 57

Fig. 28. Schematics of temperature gradient mechanism (TGM) inducing residual stress and plastic deformation then formed... 57

Fig. 29. Schematic of hydrogen trapping site in metal : (a) surface, (b) dislocation, (c) interstitial lattice, (d) grain-boundary, and (e)... 60

Fig. 30. Energy level of hydrogen positioned in a interstitial lattice, reversible and irreversible trapping sites. 60

초록보기

 Inconel 625 (IN625)는 우수한 저온 인성과 고온 물성으로 현재 다양한 산업에서 사용되고 있으며 수소 산업 성장에 따라 수소 환경용 부품으로 폭넓게 사용될 것으로 예상된다. 한편 최근 주목받는 적층 제조 공정 중 directed energy deposition (DED) 방식을 통해 제작 과정에서 발생하는 시간과 비용을 절감할 수 있으며 파손 부위의 보수 및 국부적 강화를 통해 교체 주기와 수명을 연장할 수 있다. 그러나 적층 제조 공정을 통해 만들어진 부품은 공정 중 발생하는 반복되는 열 입력과 빠른 응고 속도로 인해 기존방식으로 만들어진 합금과 다른 미세구조가 형성된다. 이러한 미세구조의 차이는 기계적 물성뿐만 아니라 재료 내부의 수소 트랩 거동에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 최근 다결정 니켈 및 Inconel 718 적층재 수소취성 연구가 일부 보고되고 있지만 DED 방식으로 제조된 IN625 적층재의 수소취성 연구는 전무하다. 따라서 본 연구는 단조재와 DED로 제조된 IN625 수소취성을 비교 분석하였다. 적층재와 단조재 모두 전기화학적 방식을 통해 24시간 수소 장입하였으며 모두 수소취성이 발생하였다. slow strain rate test (SSRT)를 통해 수소취성 민감성을 평가하고 미세구조와 thermal desorption spectroscopy (TDS) 분석을 연관 지어 재료 내부 수소 트랩 사이트를 고찰하였다. 적층재의 미세조직은 적층 높이 방향으로 성장한 columnar 구조와 편석 현상이 관측되며 단조재에 비해 높은 전위밀도가 관측되었다. 파면 분석 결과 적층재, 단조재 모두 중심부에서는 연성 딤플 파면이 관측되었으며 표면부 근처에서는 수소취성으로 인한 벽개 파면이 관측되어 파괴기구의 천이가 발생하였다. TDS 분석을 통해 분석한 확산성 수소 중 단조재는 주로 침입형 격자에 트랩 된 것으로 보이며 적층재는 주로 전위에 트랩 된 것으로 추정된다. 위의 분석을 바탕으로 IN625 적층재의 수소취성 기구 및 수소 트랩거동에 대해 고찰하였다.

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