Oxide dispersion-strengthened (ODS) alloys, characterized by a microstructure in which nano-sized oxides are homogeneously dispersed in a high number density in an alloy matrix, are known as promising structural materials for extreme environments based on excellent high temperature properties and radiation resistance. In general, oxide dispersion-strengthened alloys are manufactured via powder metallurgy, including mechanical alloying and sintering after mixing Y$_2$O$_3$ particles and metal powders. The mechanical alloying process is a key process for ODS alloy manufacturing to achieve the refinement and homogeneous distribution of oxide particles within the matrix. During the mechanical alloying, the added Y$_2$O$_3$ particles are severely deformed and refined due to high-energy collisions with the milling media. However, the non-uniform microstructure is expressed even after the long mechanical alloying process. Although the powder metallurgical approach is known as an optimized method for ODS alloy fabrication, microstructural inhomogeneity and the time and cost consumption of the process make it difficult to utilize ODS alloys as structural materials. Since the dispersed oxides in the matrix directly affect the microstructure formation and final properties of ODS alloys, it is very important to understand the oxide formation mechanisms and behavior of ODS alloys. However, because oxide formation is influenced not only by various factors such as alloying elements, manufacturing methods, and process conditions, but also by the analytical limitations of nanoscale oxides, a sufficient understanding of the oxide formation mechanism is still lacking. Therefore, a systematic understanding of the oxide formation mechanism is necessary to overcome the manufacturing limitations of ODS alloys. In this paper, the oxide formation mechanism and behavior during the powder metallurgical and laser-based additive manufacturing processes on CoCrNi-based medium- and high-entropy alloy (MEA and HEA) matrix were studied to understand the effect of complex matrix composition on oxide formation and the ex situ and in situ formation mechanisms. A multistep sintering process was designed to systematically understand the effect of oxide formation behavior during mechanical alloying and sintering processes on microstructure formation and the final properties of alloys. The study revealed that the oxide-forming elements dissolved from the alloy powder during the mechanical alloying were induced to undergo in situ synthesis during the multistep sintering process, and the resulting oxides exhibit high resistance to agglomeration compared to those formed through the conventional method. These oxides formed by multistep sintering effectively contribute to the strengthening of the alloy matrix. Then, in situ ODS–HEA were prepared using pre-alloyed powder with yttrium instead of adding Y$_2$O$_3$ to promote the robust in situ synthesis of oxides, and the oxide formation mechanism was systematically analyzed by multiscale analyses covering the atomic to the macroscopic scale. Finally to fabricate the ODS alloy using laser-based additive manufacturing, a newly designed ODS feedstock for additive manufacturing was developed. The feedstock consists of alloy powder coated with oxide-forming element. The oxide-forming elements coated on the powder react with each other to undergo in situ oxide synthesis in the melts during additive manufacturing, which results in the formation of fine oxide particles. By implementing the concept of in situ oxide synthesis during additive manufacturing, the mechanism of oxide formation and the effect of oxide-forming elements were studied. Based on the understanding of oxide behavior in ODS-MEA and HEA prepared by powder metallurgy and additive manufacturing, a breakthrough in ODS alloy manufacturing was suggested.
금속 기지 내 나노크기 산화물들이 높은 수밀도로 균질분산 되어있는 미세조직을 특징으로 하는 산화물분산강화 합금은 우수한 내열 및 조사저항성을 바탕으로 유망한 극한환경 구조소재로 알려져 있다. 일반적으로 산화물분산강화 합금은 기지 내 산화물의 미세화 및 균질한 분산을 위해 Y$_2$O$_3$와 금속분말을 혼합 후 기계적 합금화와 소결을 포함한 분말 야금법을 통해 제조된다. 하지만, 공정간 발생하는 미세조직적 불균일도와 복잡한 공정에 따른 비용상승은 산화물분산강화 합금의 우수한 물성에도 불구하고 구조재로써 활용을 제한한다. 기지 내 산화물은 산화물분산강화 합금의 미세조직 형성과 최종특성에 직접적인 영향을 미치므로 산화물 형성 메커니즘을 이해하는 것이 매우 중요하다. 하지만 산화물은 기지구성원소, 제조방법, 공정조건 등 다양한 영향을 받을 뿐만 아니라 나노스케일의 작은 크기 산화물의 분석적 한계로 인해 산화물 형성 메커니즘에 대한 충분한 이해가 부족하다. 따라서 산화물 형성 메커니즘에 대한 체계적 이해를 기반으로 산화물 분산강화 합금의 제조적 한계점 돌파가 필요하다. 본 논문에서는 복잡한기지 구성이 산화물 형성에 미치는 영향과 ex situ 및 in situ 산화물 형성 메커니즘을 이해하기 위해 CoCrNi기반 중 및 고엔트로피합금 기지에서 분말야금공정 및 레이저기반 적층제조 공정간 산화물 형성 메커니즘과 그 특성이 연구되었다. 기계적 합금화 후 소결 공정간 산화물의 형성 거동에 따른 미세조직 형성과 최종특성에 미치는 영향을 체계적으로 이해하기 위해 단계화 소결법을 설계하였다. 기계적합금화 간 용해된 산화물형성 원소들이 단계화 소결 과정간 in situ 합성 촉진되며 기존공정을 통해 형성된 산화물과 비교하여 높은 성장 저항성을 가지며 효과적으로 기지 강화에 기여하고 있음을 규명하였다. 이후 산화물의 강력한 in situ 합성을 유도하기 위해 Y$_2$O$_3$를 첨가하는 방식이 아닌 Yttrium이 pre-alloying된 분말을 이용하여 in situ 산화물분산강화 하이엔트로피합금을 제조하였으며, 원자 단위부터 매크로 단위를 아우르는 다중스케일 분석을 통해 산화물 형성 거동을 체계적으로 분석하였다. 마지막으로, 적층제조를 활용한 산화물분산강화 합금 제조를 위해, 금속의 용융을 수반하는 적층제조 간 Y$_2$O$_3$ 극심한 응집현상을 막고 미세한 산화물 형성을 위한 산화물 형성 구성원소들을 금속 분말에 코팅한 새로운 적층제조용 분말을 제조하였다. 새로운 산화물분산강화 합금 분말을 활용하여 적층공정 간 산화물의 in situ합성을 유도하고 코팅 되는 산화물 형성 구성원소에 따른 산화물 형성거동을 연구하였다. 이를 바탕으로 ODS 합금의 제조적 한계점을 극복할 수 있는 새로운 돌파구를 제시하였다.
