고압 다이캐스트 알루미늄 합금의 X선 미세 단층 촬영을 이용한 미세 구조 특성 및 분포: 리뷰

본 소개 논문은 "[Characteristics and distribution of microstructures in high pressure die cast alloys with X-ray microtomography: A review]"의 제목으로 "[China Foundry]"에서 발행한 논문을 기반으로 작성되었습니다.

Fig. 1: Reconstructed pores in HPDC AE44 alloys based on a serial sectioning technique [18]
Fig. 1: Reconstructed pores in HPDC AE44 alloys based on a serial sectioning technique [18]

1. 개요:

  • 제목: 고압 다이캐스트 알루미늄 합금의 X선 미세 단층 촬영을 이용한 미세 구조 특성 및 분포: 리뷰
  • 저자: Hai-dong Zhao, Xue-ling Wang, Qian Wan, Wen-hui Bai, and Fei Liu
  • 발행 연도: 2024년
  • 발행 학술지/학회: China Foundry
  • 키워드: 고압 다이캐스팅; 미세 구조; 3차원 특성; 분포; Al 및 Mg 합금

2. 초록:

Al 및 Mg 합금 고압 다이캐스팅(HPDC)은 자동차 산업에서 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 주조물의 미세 구조는 주조물의 기계적 성질에 결정적인 영향을 미치며, 여기서 미세 구조 특성은 미세 구조-성질 관계 연구의 기초가 됩니다. 지난 10년 동안 HPDC Al 및 Mg 합금, 특히 미세 기공과 α-Fe의 미세 구조 특성은 X선 미세 전산화 단층 촬영(μ-CT)을 이용하여 2차원(2D)에서 3차원으로 연구되었습니다. 본 논문은 HPDC 합금의 미세 구조의 3D 특성 및 형성 메커니즘, 공간 분포 및 기계적 성질에 미치는 영향에 대한 현재 이해에 대한 개요를 제공합니다. 또한 HPDC 합금에서 이종 미세 구조의 형성과 제어를 위한 향후 연구 방향을 제시합니다.

3. 서론:

전 세계적인 산업화로 인해 자동차의 경량화에 대한 요구가 증가하면서 복잡한 형상의 근사 순형 성형, 높은 생산 효율성 및 낮은 생산 비용의 장점을 가진 Al 및 Mg 합금 고압 다이캐스팅(HPDC) 부품의 사용이 증가하고 있습니다. HPDC는 장점이 있지만, 기존의 HPDC 부품은 금형 충전 중 난류 흐름으로 인해 종종 기공을 포함합니다. 이러한 기공은 기계적 성질에 악영향을 미칩니다. 고진공 다이캐스팅(HVDC) 기술은 기공률을 줄이기 위해 개발되었지만, Fe와 같은 불순물 원소는 여전히 취성 금속간 화합물을 형성하여 기계적 성질에 영향을 미칠 수 있습니다. 미량 합금화 및 금속간 화합물 특성 제어는 주조 특성을 최적화하는 데 매우 중요합니다. 기존의 2D 분석 기술은 미세 구조의 공간 분포를 밝히는 데 한계가 있습니다. X선 미세 단층 촬영(μ-CT)은 강력한 3D 기술로 부상하여 HPDC Al 및 Mg 합금의 상 특성 및 형성에 대한 이해를 풍부하게 합니다. 본 리뷰는 X선 미세 단층 촬영을 사용하여 HPDC 합금의 상 특성 및 분포에 대한 현재 지식을 요약하고 향후 연구 방향을 강조합니다.

4. 연구 요약:

연구 주제 배경:

자동차 산업에서 경량 차량에 대한 수요가 증가함에 따라 Al 및 Mg 합금 HPDC 부품의 사용이 필요합니다. 이러한 주조물의 미세 구조는 기계적 성질을 결정적으로 결정합니다. 미세 구조-성질 관계를 이해하는 것은 주조 성능을 최적화하는 데 필수적입니다. 기공률과 금속간 화합물은 HPDC 합금의 기계적 거동에 영향을 미치는 주요 미세 구조 특징입니다.

기존 연구 현황:

아르키메데스 원리, 광학 현미경(OM) 및 주사 전자 현미경(SEM)과 같은 기존 방법은 2D 단면 미세 구조 특성화를 제공했지만, 이는 HPDC 합금 내 상의 공간 분포 및 형태를 밝히기에 불충분합니다. 이러한 2D 기술은 기공 복잡성 및 부피를 과소평가하고 기공 수를 과대평가할 수 있습니다.

연구 목적:

본 연구는 X선 미세 전산화 단층 촬영(μ-CT)을 사용하여 HPDC Al 및 Mg 합금의 3D 미세 구조 특성에 대한 현재 이해에 대한 포괄적인 개요를 제공하는 것을 목표로 하며, 특히 미세 기공과 Fe-rich 금속간 화합물에 중점을 둡니다. 본 리뷰는 이러한 미세 구조의 형성 메커니즘, 공간 분포 및 기계적 성질에 미치는 영향을 포함합니다.

핵심 연구:

본 리뷰의 핵심은 X선 미세 단층 촬영을 사용하여 다음을 조사한 연구를 요약하는 데 중점을 둡니다.

  • 미세 기공: 분류(가스 기공률, 수축 기공률, 가스-수축 기공률), 형태, 가스 트랩 및 응고 수축과 관련된 형성 메커니즘 및 정량적 특성.
  • Fe-rich 금속간 화합물: 형태(1차 및 2차 상, 다면체, 조밀, 중국 문자형), 응고 조건 및 합금 원소(Fe, Mn 함량)와 관련된 형성 메커니즘 및 클러스터링 거동.
  • 기계적 성질에 미치는 영향: 미세 기공 및 Fe-rich 금속간 화합물과 인장 및 피로 성질, 균열 시작 및 전파의 상관 관계.
  • 미세 구조 진화 시뮬레이션: HPDC 합금의 미세 구조 형성 및 이질성을 예측하기 위한 수치 시뮬레이션 접근 방식.

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 연구는 X선 미세 단층 촬영을 HPDC Al 및 Mg 합금의 미세 구조를 특성화하는 데 적용하는 데 초점을 맞춘 다양한 연구 논문의 결과를 종합한 리뷰 논문입니다.

데이터 수집 및 분석 방법:

본 리뷰의 데이터는 X선 미세 단층 촬영을 사용하여 HPDC Al 및 Mg 합금의 미세 구조를 연구한 출판물에 대한 포괄적인 문헌 검색을 통해 수집되었습니다. 분석 방법은 선택된 출판물에서 주요 결과, 방법론 및 결론을 요약하고 종합하는 것을 포함합니다.

연구 주제 및 범위:

본 리뷰는 X선 미세 단층 촬영을 사용한 HPDC Al 및 Mg 합금 미세 구조 특성화 범위 내에서 다음 주제에 중점을 둡니다.

  • 미세 기공의 3D 특성(형태, 분류, 정량 분석).
  • Fe-rich 금속간 화합물의 3D 특성(형태, 분류, 정량 분석, 클러스터링).
  • 미세 기공 및 Fe-rich 금속간 화합물이 기계적 성질에 미치는 영향(인장 강도, 피로 수명, 파괴 메커니즘).
  • HPDC 합금의 미세 구조 진화 시뮬레이션.

6. 주요 결과:

주요 결과:

  • 미세 기공: X선 미세 단층 촬영은 미세 기공을 가스 기공률, 가스-수축 기공률 및 수축 기공률로 3D 특성화 및 분류할 수 있으며, 각각 고유한 형태 및 형성 메커니즘을 나타냅니다. 정량 분석은 기공 유형 간의 부피, 구형도 및 표면적 차이를 보여줍니다(표 1). 미세 기공, 특히 더 크고 불규칙한 기공은 응력 집중 및 균열 시작 부위로 작용하여 인장 및 피로 성질에 해롭습니다. 미세 기공의 부피 분포는 3-파라미터 로그 정규 분포로 잘 설명됩니다.
  • Fe-rich 금속간 화합물: X선 미세 단층 촬영은 Fe-rich 금속간 화합물의 3D 형태 및 클러스터링을 설명합니다. 1차 및 2차 Fe-rich 상은 서로 다른 모양(블록형, 네트워크형, 다면체, 중국 문자형)을 나타냅니다. Fe-rich 금속간 화합물의 클러스터링은 특히 1차 α-Fe 상을 갖는 합금에서 관찰되며, 균열 시작 부위로 작용하여 기계적 성질에 영향을 미칩니다. Fe-rich 금속간 화합물의 형태 및 분포는 합금 조성(Fe, Mn 함량) 및 응고 조건에 영향을 받습니다.
  • 미세 구조 이질성 및 시뮬레이션: HPDC 부품은 스킨층, 편석 밴드 및 코어 영역에 걸쳐 미세 구조 이질성을 나타냅니다. 셀룰러 오토마톤(CA)을 기반으로 한 수치 시뮬레이션은 공정 시뮬레이션과 결합되어 결정립 크기 및 미세 구조 진화를 예측하기 위해 개발되고 있으며, 실험 관찰과 유망한 일치를 보입니다.
  • In-situ 미세 단층 촬영: 인장 시험과 결합된 In-situ X선 미세 단층 촬영은 손상 진화, 균열 핵 생성 및 성장을 동적으로 관찰할 수 있게 하여 일부 합금에서는 공정 공정 금속간 화합물 및 작은 기공이 초기 손상 부위인 반면, 다른 합금에서는 클러스터링된 1차 금속간 화합물이 낮은 변형률에서 파괴됨을 보여줍니다.
Fig. 4: 3D morphology of porosity in HPDC AM60 alloys: (a) overall view of porosities in specimen; (b) a zoom-in area showing four types of porosities, such as gas-shrinkage pore (c), gas-pore (d), net-shrinkage (e), and island-shrinkage (f) [25]
Fig. 4: 3D morphology of porosity in HPDC AM60 alloys: (a) overall view of porosities in specimen; (b) a zoom-in area showing four types of porosities, such as gas-shrinkage pore (c), gas-pore (d), net-shrinkage (e), and island-shrinkage (f) [25]
Fig. 5: (a) Distribution of Fe-rich phases along the radial direction from surface to center; (b), (c) and (d) 3D morphology of Fe-rich phases in HPDC; (e), (f) and (g) SEM results of the morphology of Fe-rich phases corresponding to (b), (c) and (d), respectively [31]
Fig. 5: (a) Distribution of Fe-rich phases along the radial direction from surface to center; (b), (c) and (d) 3D morphology of Fe-rich phases in HPDC; (e), (f) and (g) SEM results of the morphology of Fe-rich phases corresponding to (b), (c) and (d), respectively [31]
Fig. 8: Fe-rich intermetallics with equivalent diameter over 10 µm: (a-d) in the skin layer and (e-h) the core of HVDC AISI10-0.1Fe0.6Mn (a) and (e), AlSi10-0.16Fe0.6Mn (b) and (f), AlSi10-0.20Fe0.6Mn (c) and (g), and AlSi10-0.15Fe0.82Mn (d) and (h) alloys
Fig. 8: Fe-rich intermetallics with equivalent diameter over 10 µm: (a-d) in the skin layer and (e-h) the core of HVDC AISI10-0.1Fe0.6Mn (a) and (e), AlSi10-0.16Fe0.6Mn (b) and (f), AlSi10-0.20Fe0.6Mn (c) and (g), and AlSi10-0.15Fe0.82Mn (d) and (h) alloys
Fig. 9: Distribution of Fe-rich intermetallic number based on equivalent diameter in the skin layer (a) and the core (b) of HVDC AISI10-0.10Fe0.6Mn, AlSi10-0.16Fe0.6Mn, AlSi10-0.20Fe0.6Mn and AlSi10-0.15Fe0.82Mn alloys
Fig. 9: Distribution of Fe-rich intermetallic number based on equivalent diameter in the skin layer (a) and the core (b) of HVDC AISI10-0.10Fe0.6Mn, AlSi10-0.16Fe0.6Mn, AlSi10-0.20Fe0.6Mn and AlSi10-0.15Fe0.82Mn alloys
Fig. 10: Primary a-Fe intermetallics with increased volumes in the HVDC AlSi10-0.15Fe0.82Mn alloy (a-f) [34]
Fig. 10: Primary a-Fe intermetallics with increased volumes in the HVDC AlSi10-0.15Fe0.82Mn alloy (a-f) [34]
Fig. 11: Schematic of growth pattern of the primary a-Fe phase in die-cast AlSiMgMn alloys (a-e) [34]
Fig. 11: Schematic of growth pattern of the primary a-Fe phase in die-cast AlSiMgMn alloys (a-e) [34]
Fig. 15: Comparison of pore size and distribution between CT images (a) and fracture surface (b) [44]
Fig. 15: Comparison of pore size and distribution between CT images (a) and fracture surface (b) [44]
Fig. 18: Polyhedral Fe-rich phases (a) and their fracture morphologies (b)-(d), polyhedral Fe-rich phase under 0 N (e) and 410 N (f), and shrinkage under 410 N (g) [31]
Fig. 18: Polyhedral Fe-rich phases (a) and their fracture morphologies (b)-(d), polyhedral Fe-rich phase under 0 N (e) and 410 N (f), and shrinkage under 410 N (g) [31]

그림 이름 목록:

  • Fig. 1: 연속 단면 기법을 기반으로 재구성된 HPDC AE44 합금의 기공 [18]
  • Fig. 2: X선 미세 단층 촬영 검사를 통해 다양한 기공 분율을 갖는 피로 시편: (a) 0.12%; (b) 0.34%; (c) 0.73%; 및 (d) 1.01%
  • Fig. 3: 실제 ADC12 다이캐스팅의 일반적인 가스 기공(a), 가스-수축 기공(b) 및 수축 기공(c)
  • Fig. 4: HPDC AM60 합금의 기공률의 3D 형태: (a) 시편의 기공률의 전체 보기; (b) 가스-수축 기공(c), 가스 기공(d), 네트-수축 기공(e) 및 섬-수축 기공(f)과 같은 4가지 유형의 기공률을 보여주는 확대 영역 [25]
  • Fig. 5: (a) 표면에서 중심으로 방사 방향을 따라 Fe-rich 상의 분포; (b), (c) 및 (d) HPDC의 Fe-rich 상의 3D 형태; (e), (f) 및 (g) (b), (c) 및 (d)에 해당하는 Fe-rich 상의 형태의 SEM 결과 [31]
  • Fig. 6: Fe-rich 상의 등가 직경이 10 μm 미만인 경우 (a)와 15 μm 이상인 경우 (b), 공동 내 응고 Fe-rich 상 (c)-(e), 외부 응고 1차 Fe-rich 상 (f)-(h) 및 해당 SEM 결과 (c1)-(e1), (f1)-(h1) [35]
  • Fig. 7: 외부 응고 1차 Fe-rich 상의 형태학적 변형과 해당 기하학적 매개변수 (a-f) [35]
  • Fig. 8: 등가 직경이 10 μm 이상인 Fe-rich 금속간 화합물: (a-d) 스킨층 및 (e-h) HVDC AISI10-0.1Fe0.6Mn (a) 및 (e), AlSi10-0.16Fe0.6Mn (b) 및 (f), AlSi10-0.20Fe0.6Mn (c) 및 (g), 및 AlSi10-0.15Fe0.82Mn (d) 및 (h) 합금의 코어
  • Fig. 9: HVDC AISI10-0.10Fe0.6Mn, AlSi10-0.16Fe0.6Mn, AlSi10-0.20Fe0.6Mn 및 AlSi10-0.15Fe0.82Mn 합금의 스킨층(a)과 코어(b)에서 등가 직경을 기준으로 한 Fe-rich 금속간 화합물 수의 분포
  • Fig. 10: HVDC AISI10-0.15Fe0.82Mn 합금에서 부피가 증가한 1차 α-Fe 금속간 화합물 (a-f) [34]
  • Fig. 11: 다이캐스트 AlSiMgMn 합금의 1차 α-Fe 상의 성장 패턴의 개략도 (a-e) [34]
  • Fig. 12: ADC12 다이캐스팅의 미세 기공 부피 분포: (a) Weibull 분포; (b) 2-파라미터 로그 정규 분포; 및 (c) 3-파라미터 로그 정규 분포
  • Fig. 13: HVDC AISi10-0.16Fe0.6Mn (a) 및 AlSi10-0.15Fe0.82Mn (b) 합금 코어의 Fe-rich 금속간 화합물 클러스터
  • Fig. 14: 금속간 화합물 중심 사이의 거리(검은색 화살표) 및 HVDC AlSi10-0.16Fe0.6Mn (a) 및 AlSi10-0.15Fe0.82Mn (b) 합금의 내부 거리(빨간색 화살표)
  • Fig. 15: CT 이미지(a)와 파단면(b) 사이의 기공 크기 및 분포 비교 [44]
  • Fig. 16: 다양한 하중 조건에서 HPDC AISi10MgMn 합금의 기공 변화: (a) 0% 변형; (b) 2% 변형; 및 (c) 파단 조건 [51]
  • Fig. 17: ADC 12 다이캐스팅에서 다양한 기공률을 가진 시편의 응력-피로 수명
  • Fig. 18: 다면체 Fe-rich 상(a) 및 파단 형태(b)-(d), 0 N(e) 및 410 N(f)에서 다면체 Fe-rich 상, 및 410 N(g)에서 수축 [31]
  • Fig. 19: 3D X선 미세 단층 촬영 in-situ 인장 시험을 통한 HVDC AISi10-0.16Fe0.6Mn (a) 및 AlSi10-0.15Fe0.82Mn (b) 합금의 손상 및 파단
  • Fig. 20: 벽 두께가 5 mm인 시편의 중심 영역에서 HPDC 실험 결과: (a) EBSD 이미지; (b) EBSD 결정립 맵; 및 (c) 시뮬레이션된 결정립 형태 [65]
  • Fig. 21: 나노 스케일 SBFSEM을 사용한 HVDC AlSi10Mg0.2Cu0.1 (a), AlSi10Mg0.2Cu0.6 (b), AlSi10Mg0.2Cu0.6 (c) 및 AlSi10Mg0.4Cu0.6 (d)의 재구성된 미세 구조
  • Fig. 22: 수축 기공(a) 및 β-Al5FeSi 금속간 화합물(b)에 대해 FEA를 사용하여 계산된 응력 집중 계수(최대값 및 평균값) [72]

7. 결론:

X선 미세 단층 촬영은 HPDC Al 및 Mg 합금의 3D 미세 구조를 특성화하는 데 필수적인 도구가 되었으며, 기공과 Fe-rich 금속간 화합물에 대한 통찰력을 제공합니다. 이를 통해 기계적 성질에 미치는 영향을 이해하는 데 중요한 형태, 분포 및 클러스터링의 정량적 분석이 가능합니다. 향후 연구는 X선 미세 단층 촬영과 고급 시뮬레이션 기술을 통합하여 미세 구조 형성을 예측하고 제어하며 HPDC 부품의 성능 향상을 위해 합금 설계 및 주조 공정을 최적화하는 데 초점을 맞춰야 합니다. 실제 미세 구조 특성을 통합한 다상 및 다중 물리 시뮬레이션은 HVDC Al 및 Mg 합금에서 견고한 미세 구조-성질 관계를 확립하는 데 매우 중요합니다.

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9. 저작권:

  • This material is a paper by "Hai-dong Zhao, Xue-ling Wang, Qian Wan, Wen-hui Bai, and Fei Liu". Based on "Characteristics and distribution of microstructures in high pressure die cast alloys with X-ray microtomography: A review".
  • Source of the paper: https://doi.org/10.1007/s41230-024-4109-3

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