Additive manufacturing of alloys is attractive for its ability to fabricate complex and tailored structures. However, unusual thermal history during the additive manufacturing process creates unique microstructures, which leads to distinctive mechanical behavior. Here we report the room temperature and high temperature mechanical properties of Inconel 718 fabricated by direct laser deposition. Interestingly, failure strain at all tested temperatures exhibited noticeable scatter. Titanium nitride (TiN) inclusions, a unique microstructure with internal micro-cracks, was observed in additively manufactured Inconel 718. Effect of TiN inclusions on elongation was confirmed by comparing the microstructure and mechanical characteristics of additively manufactured IN718 and conventionally manufactured IN718 specimens after heat treatment. Notable scatter in the elongation was only observed at additively manufactured Inconel 718. In order to understand the origin of this scatter, strain mapping using digital image correlation (DIC) technique, fracture surface observation, and X-ray tomography was performed. X-ray tomography revealed that cracks propagated through the TiN inclusions, and the strain map implies that strain concentrated in these cracks. Finite element analysis estimated that a compressive stress of approximately 800 MPa can be induced in TiN inclusions during cooling due to thermal expansion mismatch between the matrix and the inclusions. In addition, a non-uniform shear stress can be induced in these TiN inclusions during loading. Through the mesoscale test, it was observed that micro-cracks inside the TiN inclusions propagated at a stress lower than the macroscopic yield strength, introducing rapid fracture and delamination between the matrix and the TiN inclusions. We suggest that rapid local fracture at the TiN inclusion lead to premature failure of additively manufactured Inconel 718.
합금의 적층 제조는 복잡한 구조를 쉽게 제작할 수 있으며, 맞춤형 구조를 만들 수 있다는 점에서 많은 주목을 받고 있다. 그러나, 적층 제조 과정에서 비롯된 특이한 온도 cycle은 일반적이지 않은 미세구조를 만들고, 이는 기계적 거동의 차이를 가져온다. 본 연구에서 direct laser deposition 방식으로 제작한 Inconel 718 합금의 상온 및 고온 에서의 기계적 거동을 보고한다. 흥미롭게도, 각각의 시험에서 구한 연신율이 큰 차이를 보였다. 내부에 미세 균열을 가지는 특이한 미세구조인 질화 티타늄 개재물이 적층 제조한 Inconel 718 합금에서 관찰되었다. 적층 제조한 Inconel 718 합금과 기존 제조방식을 거친 Inconel 718 합금을 열처리한 후, 미세구조 및 기계적 특성 비교를 통해 질화 티타늄 개재물이 연신율에 미치는 영향을 분석하였다. 적층 제조한 시편만 각각의 시험에서 눈에 띄는 연신율 차이와 질화 티타늄 개재물이 관찰되었다. 물리적 메커니즘을 이해하기 위해서, digital image correlation을 이용한 strain map을 구하고, 파단면을 관찰하였으며, X-ray 단층 촬영을 진행하였다. X-ray 단층 촬영을 통해 질화 티타늄 개재물 내부에 미세 균열이 존재함을 증명하였고, strain map을 통해 해당 균열에서 변형이 집중되고 있음을 관찰하였다. 유한요소분석을 이용하여 냉각 과정 중 재료의 매트릭스와 개재물의 열팽창 불일치에 의해 질화 티타늄 개재물 주위에 800 MPa의 압축응력이 발생함을 보였다. 또한, 하중이 가해지면 불균일한 전단응력이 질화 티타늄 개재물 주위에 발생함을 증명하였다. 메소스케일 시험을 통해 거시적인 항복강도보다 낮은 응력에서 질화 티타늄 개재물 내부에 있는 미세 균열이 진전하여 빠른 파괴를 일으키고 재료의 매트릭스와 개재물 사이에 박리를 일으킴을 관찰하였다. 질화 티타늄의 빠른 파괴는 적층 제조한 Inconel 718 합금의 이른 파손으로 이어질 수 있음을 제안한다.
