Powder-bed fusion additive manufacturing (PBF-AM) technology has attracted significant interest as a disruptive manufacturing method that can promptly and precisely produce complex near-net-shape metallic structures. Typically, PBF-AMed metal alloys possess exceptional mechanical properties at room temperature arising from the unique microstructural features resulting from extremely large thermal gradients and rapid cooling rates. However, the heterogeneity in microstructures and mechanical anisotropy generated during the AM process represent the most significant limitations that need to be overcome. In addition, their mechanical behavior at elevated temperatures are still underexplored. In this study, we have investigated the high temperature mechanical behavior (tensile and creep) of fine equiaxed-grained 316L stainless steel (SS) fabricated by electron beam powder-bed fusion (EB-PBF) technology with optimized process parameters. Over the temperature range spanning from room temperature to 600 ℃, EB-PBF 316L SS exhibits isotropic behavior with superior mechanical properties (yield strength, ultimate tensile strength, and elongation) compared to conventional 316L SS. Remarkably, it also outperforms the counterparts additively manufactured by laser powder-bed fusion (L-PBF) in terms of ultimate tensile strength and elongation. Grain boundary strengthening and dispersion strengthening induced by the amorphous silicon oxide nanoparticles can quantitatively account for the room temperature yield strength. At elevated temperatures, dynamic strain aging and formation of sub-grains through dynamic recrystallization are observed. The exceptional ductility of our fine equiaxed-grained EB-PBF 316L SS can be attributed to the formation of strain-free sub-grains. In addition, the dislocation movement is found to be hindered by the oxide nanoparticles even at elevated temperatures, amplifying the material's high-temperature strength. The creep properties at 600 ℃ surpassed those of 316L SS fabricated by both conventional and L-PBF methods. These enhanced creep properties were linked to the early formation of the C14 Laves phase at grain boundary due to the grain boundary’s chemical compositions feature. A relatively low creep rate, indicating a high resistance to creep deformation, was analyzed and supported through the quantitative calculations and comparisons of stacking fault energy based on the material’s chemical composition.
적층제조는 3D 인쇄 기술을 제조업에 적용한 것으로 분말 형태의 수지, 금속 등의 재료를 적층방식으로 쌓아 올려 3차원 구조물을 제조하는 기술이다. 적층제조기술은 복잡한 형상의 구조물을 빠르고 정확하게 제조할 수 있는 혁신적인 제조기술로 상당한 관심을 받고 있다. 이와 더불어, 적층제조기술로 만들어진 금속의 경우 적층제조 공정의 특징인 빠른 냉각 속도로 인해 생성된 특이한 미세구조때문에 우수한 기계적 물성을 가질 수 있다. 하지만 적층제조 기술과 적층제조 금속이 가진 장점에도 불구하고 적층 공정 과정의 복잡하고 반복적인 열 이력으로 인해 발생하는 기계적 물성의 이방성과 미세구조의 비균질성은 적층제조기술이 가진 한계점으로 인식되고 있다. 의도적으로 소재의 미세구조에 비균질성을 발생시켜 물성을 증가시키는 경우도 있기 때문에 미세구조의 비균질성이 단점으로만 고려될 순 없지만 적층 공정 과정의 특징에서 비롯되어 의도치 않게 발생하는 미세구조의 비균질성과 이방성은 적층제조기술의 신뢰성 확보를 통한 광범위한 활용을 위해 극복되어야 할 과제이다.
본 연구에서는 전자빔 분말 베드 용융 기술의 공정변수를 최적화하여 제조된 미세한 등축립의 균질한 미세구조를 갖는 316L 스테인리스강의 인장 거동(25 ℃ ~ 600 ℃)과 600 ℃에서의 크리프 거동을 분석하였다. 전체 온도구간에서 전통적인 제조방식으로 만든 316L 스테인리스 강보다 인장 물성(항복강도, 인장강도, 연성)과 크리프 물성 모두 우수하였다. 또한, 레이저 분말 베드 용융 기술로 만든 316L 스테인리스 강보다 우수한 연성과 인장강도 그리고 크리프 물성을 확인하였다. 인장 물성은 결정립 경계 강화와 실리콘 산화물 입자에 의한 분산 강화, 그리고 동적 변형률 시효와 동적 재결정화를 포함한 고온에서의 변형기구로 설명되었다. 결정립 경계강화와 실리콘 산화물에 의한 분산강화를 함께 고려하면 상온에서의 항복강도를 보다 정량적으로 설명할 수 있었다. 우수한 연성은 동적 재결정화에 의해 생성된 변형이 없는 상태의 아결정립과 미세한 등축립의 특징에 기인된 결과로 이해될 수 있었다. 뿐만 아니라, 고온 변형과정에서 실리콘 산화물에 의해 전위의 움직임이 방해 받아 재료의 고온 강도를 증가시킬 수 있음을 확인하였다. 600도에서 크리프 물성의 경우 전통적인 제조방식과 레이저 분말 베드 용융 기술로 만든 316L 스테인리스 강보다 우수하였다. 우수한 크리프 물성은 결정립경계의 조성적 특징에 기인되어 비교적 빨리 생성되는 C14 라베스 상과 재료의 조성에 기반한 적층결함에너지의 정량적 비교를 통해 설명되었다.
