와이어 아크 적층 제조된 H13 강-구리 하이브리드 부품의 계면 미세구조 및 형성 메커니즘

이 소개 문서는 "[Journal/academic society of publication]"에서 출판된 "[Interface microstructure and evolution mechanism of wire arc additively manufactured H13 steel-copper hybrid components]" 논문을 기반으로 합니다.

1. 개요:

  • 논문 제목: Interface microstructure and evolution mechanism of wire arc additively manufactured H13 steel-copper hybrid components
  • 저자: Xinwei Du, Yanhong Wei, Kai Guo, Jinwei Long, Xiangbo Liu, Wenyong Zhao, Renpei Liu
  • 발행 연도: 2025
  • 발행 학술지/학회: Journal of Materials Research and Technology
  • 키워드: Wire arc additive manufacturing (와이어 아크 적층 제조), Copper-steel hybrid structure (구리-강 하이브리드 구조), Bimetal (바이메탈), Interfacial behavior (계면 거동), Liquid phase separation (액상 분리)

2. 초록:

적층 제조(AM)로 제작된 H13 강-구리 하이브리드 구조는 특정 고온 기계적 특성을 보장하면서 시스템의 냉각 성능을 향상시킬 수 있어 고압 다이캐스팅 금형 분야에서 광범위한 응용 가능성을 보여줍니다. 본 연구에서는 와이어 아크 적층 제조를 이용하여 구리 기판 위에 H13 강을 직접 증착하였고, 계면 미세구조를 상세히 연구했습니다. 계면 구조의 형성과 진화 메커니즘은 온도장 시뮬레이션과 결합하여 규명되었습니다. 계면의 Fe-Cu 혼합 액체는 두 번의 액상 분리를 거쳐 Fe-rich 섬과 Cu-rich 섬, 그리고 분산된 Cu-rich 입자를 형성했습니다. 냉각 중 Cu의 부피 수축으로 인해 소량의 기공이 형성되었습니다. 미세 균열은 열 응력의 영향과 구 오스테나이트 결정립계에 분포된 Cu-rich 입자로 인한 높은 균열 민감성에 기인했습니다. H13-Cu 계면에서의 급격한 원소 분포 변화와 온도 분포의 연속적인 변화로 인해, H13의 용융점보다 낮고 Cu의 용융점보다 높은 온도를 가진 확장된 용융 풀이 계면 아래에 형성되었습니다. 미세 경도는 계면 근처의 좁은 범위(~0.5 mm)에서 H13 측에서 Cu 측으로 점진적으로 감소했습니다. 하이브리드 부품의 인장 시편은 계면에서 떨어진 Cu 측에서 파단되었으며, 인장 강도(221 ± 2 MPa)는 Cu 기판 수준에 도달하여 계면이 양호한 결합을 형성했음을 나타냅니다.

3. 서론:

다중 재료 하이브리드 부품, 특히 구리-강 바이메탈 구조는 구리의 우수한 열 및 전기 전도성과 강의 우수한 기계적 특성을 결합하여 항공 우주, 원자력 산업, 금형 및 자동차 부품과 같은 까다로운 응용 분야에 적합합니다. 레이저 용접이나 확산 접합과 같은 전통적인 제조 방법은 복잡한 형상 설계에 제약이 있습니다. 적층 제조(AM)는 부품 설계 및 제조의 유연성을 크게 향상시키는 거의 최종 형상(near-net-shaping) 제조 능력을 제공합니다. 그러나 구리와 강 사이의 열물리적 및 기계적 특성의 불일치로 인해 구리-강 하이브리드 부품의 AM은 여전히 많은 과제를 안고 있습니다. Fe-Cu 상태도에 따르면 고체 상태에서의 용해도가 매우 제한적이며 금속간 화합물이 없습니다. 이는 응고 중 액상 분리를 유발하여 계면에 해로운 Cu-rich 및 Fe-rich 섬을 형성할 수 있습니다. 또한 구리의 매우 높은 열전도율은 빠른 열 방출을 유발하여 특히 구리를 기판으로 사용할 때 안정적인 용융을 달성하기 어렵게 만듭니다. 열팽창 계수의 불일치는 높은 잔류 응력과 계면 균열을 유발할 수도 있습니다.

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

H13-Cu 바이메탈 구조는 H13 강의 고온 기계적 특성 및 내열 피로성과 구리의 높은 열전도성을 결합하여 특히 고압 다이캐스팅(HPDC) 금형의 냉각 성능과 효율성을 향상시킬 수 있어 큰 관심을 받고 있습니다. AM, 특히 구리 기판 위에 H13 강을 증착하여 이러한 구조를 제작하는 것은 재료 특성 불일치로 인해 어려움이 따릅니다.

이전 연구 현황:

구리-강 하이브리드의 AM에 대한 이전 연구는 공정 변수 최적화, 결함 감소를 위한 특정 스캐닝 전략(예: 아일랜드 스캐닝) 채택, 혼합 최소화를 위한 빔 쉐이핑(링 모드 레이저) 사용, 기공 및 균열 제거를 위한 열간 등방압 가압(HIP)과 같은 후처리 등 다양한 전략을 탐구했습니다. 종종 Inconel 718 또는 Deloro 22와 같은 Ni 기반 합금을 포함하는 전이층을 추가하는 것이 급격한 특성 변화를 완화하여 계면 결함을 효과적으로 줄이고 결합 강도를 향상시키는 것으로 나타났습니다. 대부분의 연구는 강철 기판 위에 구리를 증착하는 데 중점을 두었습니다. 구리 기판 위에 강철을 증착하는 연구, 특히 와이어 아크 적층 제조(WAAM)를 사용하는 연구는 제한적입니다. WAAM은 레이저 기반 AM에 비해 높은 증착률과 낮은 비용을 제공하며 구리의 높은 레이저 반사율 문제를 피할 수 있습니다. 그러나 예비 연구에서는 구리의 높은 열전도율 때문에 기존 WAAM 매개변수를 사용하여 Cu 기판을 용융시키기 어렵다는 것이 밝혀졌습니다. WAAM을 사용하여 Cu 위에 H13을 직접 증착하여 H13-Cu 하이브리드 부품을 생산한 보고는 알려진 바가 없습니다.

연구 목적:

본 연구는 WAAM을 사용하여 구리 기판 위에 H13 강을 직접 증착하는 것의 타당성을 평가하는 것을 목표로 했습니다. 구체적인 목표는 다음과 같습니다:

  1. 맞춤형 증착 전략을 사용하여 WAAM을 통해 H13-Cu 하이브리드 부품을 성공적으로 제조합니다.
  2. H13-Cu 계면의 미세구조를 상세히 조사합니다.
  3. 온도장 시뮬레이션의 도움을 받아 계면 구조의 형성과 진화 메커니즘을 밝힙니다.
  4. 계면 근처의 결함(기공, 미세 균열)을 식별 및 분석하고 그 형성 메커니즘을 이해합니다.
  5. 결과로 얻어진 H13-Cu 하이브리드 부품의 기계적 특성(미세 경도, 인장 강도)을 평가합니다.

핵심 연구 내용:

연구의 핵심은 GMAW 기반 WAAM을 사용하여 어닐링된 구리 기판 위에 H13 강 와이어를 직접 증착하는 것입니다. 특별한 전략이 사용되었습니다: Cu 기판 예열(200 °C), 기판에 가까운 초기 층에 더 높은 입열량(더 높은 전류, 더 낮은 속도) 사용, 진동 증착 전략 구현. 결과 계면 미세구조는 SEM, EDS, EBSD 및 TEM을 사용하여 특성화되었습니다. 증착 중 온도 분포 및 열 이력을 시뮬레이션하기 위해 유한 요소 모델이 개발되어 관찰된 미세구조 특징과 계면 진화를 설명하는 데 도움이 되었습니다. 기공 및 미세 균열과 같은 결함이 분석되었고, 미세구조 관찰 및 열 분석을 기반으로 그 원인이 논의되었습니다. 마지막으로 계면을 가로지르는 미세 경도 프로파일과 하이브리드 부품의 인장 특성이 측정되었습니다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 연구는 수치 모델링과 결합된 실험적 접근 방식을 사용했습니다. WAAM을 사용하여 구리 기판 위에 H13 강을 적층 제조했습니다. 공정 매개변수는 구리 기판의 높은 열전도율을 관리하기 위해 특별히 조정되었습니다. 결과로 얻어진 바이메탈 부품의 계면은 상세한 미세구조 분석 및 기계적 특성 테스트를 거쳤습니다. 계면 형성 메커니즘을 이해하는 데 도움이 되도록 증착 공정의 열적 측면을 모델링하기 위해 유한 요소 시뮬레이션이 사용되었습니다.

데이터 수집 및 분석 방법:

  • 재료: H13 강 와이어(직경 1.6 mm) 및 어닐링된 구리 기판(200 × 50 × 15 mm³). 화학 조성은 Table 1(Cu 기판) 및 Table 2(H13 와이어)에 상세히 기술되어 있습니다.
  • 제조 공정: GMAW 기반 WAAM 시스템(YASKAWA 로봇 및 전원). 왕복 증착 경로가 사용되었습니다. 전략에는 Cu 기판 200 °C 예열, 첫 7개 층에 대한 조정된 매개변수(전류, 전압, 와이어 공급 속도, 이동 속도) 사용, 진동 전략(진폭 2 mm, 주파수 1 Hz) 채택이 포함되었습니다. 상세 매개변수는 Table 3에 나열되어 있습니다.
  • 미세구조 특성화: 시편은 와이어 방전 가공(wire EDM)을 사용하여 절단되었습니다. 표준 금속 조직 준비(연삭, 연마, 70% 에탄올, 25% HCl, 5% FeCl3 에칭액으로 에칭)가 수행되었습니다. 분석 기법에는 에너지 분산 분광법(EDS)이 장착된 주사 전자 현미경(SEM), 이온 빔 에칭 후 전자 후방 산란 회절(EBSD), X선 회절(XRD), 트윈젯 연마(12.5 vol% 과염소산 에탄올 용액)로 준비된 시편에 대한 투과 전자 현미경(TEM)이 포함되었습니다.
  • 수치 모델링: 증착 중 온도장을 시뮬레이션하기 위해 유한 요소 모델이 birth-death 요소 기법을 사용하여 생성되었습니다. H13 및 Cu에 대한 온도 의존적 열물리적 및 기계적 특성(Fig. 3(e-h))이 사용되었습니다. 모델은 3D 과도 열전도 방정식(Eq. (1))과 대류 및 복사를 통한 열 손실을 고려한 이중 타원체 열원 모델(Fig. 3(i), Eqs. (4)-(7))을 사용했습니다(Eqs. (2)-(3)). 모델은 실제 증착 형태와 비교하여 검증되었습니다(Fig. 3(j)).
  • 기계적 시험: 인장 시험은 H13 증착물, Cu 기판 및 H13-Cu 하이브리드 영역에서 추출한 시편(시편 치수 Fig. 2)에 대해 만능 시험기(하중 속도 1 mm/min)를 사용하여 실온에서 수행되었습니다. 미세 경도는 비커스 경도 시험기(하중 500 g, 유지 시간 10 s)를 사용하여 증착 방향(BD)을 따라 계면 근처에서 0.2 mm 간격으로 측정되었습니다.

연구 주제 및 범위:

본 연구는 WAAM으로 증착된 H13 강과 구리 기판 사이에 형성된 계면 영역에 구체적으로 초점을 맞췄습니다. 범위는 다음을 포함합니다:

  • 계면 매크로구조 및 미세구조 특성화(상, 결정립 형태, 석출물).
  • 계면을 가로지르는 원소 분포 및 확산 조사.
  • 계면 근처 결함 형성(기공, 미세 균열) 메커니즘 분석.
  • 초기 층 증착 중 열장 및 용융 풀 거동 시뮬레이션.
  • 실험 및 시뮬레이션 결과를 기반으로 한 계면 진화 메커니즘 규명.
  • 계면을 가로지르는 국소 기계적 특성(미세 경도 구배) 및 하이브리드 부품의 전체 인장 거동 평가.

6. 주요 결과:

주요 결과:

  • 맞춤형 전략(예열, 초기 매개변수 조정, 진동)을 사용하여 WAAM으로 Cu 기판 위에 H13 강을 직접 증착하여 H13-Cu 하이브리드 부품을 성공적으로 제작했습니다.
  • H13-Cu 계면은 물결 모양의 형태를 보였으며, 원래 Cu 상단 표면(OTSC)에서 약 1.5 mm 아래에 위치하여 상당한 Cu 기판 용융 및 혼합을 나타냅니다.
  • 미세구조적으로 계면 근처의 Cu 측은 외향 성장하는 거친 주상정(~750 µm 폭)을 보였고, 멀어질수록 미세한 등축정으로 전이되었습니다. H13 측은 미세하게 분산된 Cu-rich 석출물을 포함하는 마르텐사이트(α-Fe) 기지로 구성되었습니다.
  • Fe-Cu 혼화성 갭으로 인해 계면에서 액상 분리가 발생하여 Fe-rich 및 Cu-rich 섬/상을 형성했습니다. Fe-rich 상 내에서 2차 액상 분리가 관찰되었습니다. H13 측에서는 다중 스케일의 Cu-rich 입자(마이크론 크기 및 나노 크기)가 발견되었습니다. TEM 분석 결과 나노 스케일(~17.9 nm) Cu-rich 입자는 FCC 구조이며 α-Fe 기지와 반정합 관계임을 확인했습니다.
  • 결함이 관찰되었습니다: 불규칙한 기공이 큰 Cu-rich 섬 내에서 발견되었으며, 이는 응고 중 Cu의 부피 수축에 기인합니다. 미세 균열은 계면에서 ~800-1200 µm 떨어진 H13 측(두 번째 층 용융 풀 바닥 근처)에 집중되어 구 오스테나이트 결정립계(PAGB)를 따라 전파되었습니다. 균열 형성은 후속 층 증착 중 재가열 효과에 기인하며, 이는 PAGB에 편석된 저융점 Cu-rich 상을 재용융시켜 열 응력 하에서 균열 민감도를 증가시켰습니다(구리 오염 균열 메커니즘).
  • 계면을 가로지르는 원소 확산은 매우 제한적이었으며, EDS 라인 스캔을 통해 급격한 전이(~1.5 µm 폭)가 관찰되었습니다.
  • 온도장 시뮬레이션은 상당한 Cu 기판 용융을 보여주는 실험 결과를 뒷받침했습니다. 이는 용융점 차이와 연속적인 온도 구배로 인해 H13 용융 풀 아래에 "확장된 용융 풀"(H13 용융점보다 낮지만 Cu 용융점보다 높은 액체 Cu)이 형성됨을 밝혔습니다. 이는 Cu 주상정 영역 형성을 설명하고 관찰된 고체/반고체 Fe-rich 상의 액체 Cu로의 박리 메커니즘을 제공했습니다.
  • 미세 경도는 좁은 영역(TZ, ~0.5-0.6 mm 폭, 주로 Cu 주상정 영역 내)에서 ~68 HV(Cu 기판)에서 ~568 HV(H13 증착물)로 점진적인 전이를 보였습니다. 첫 번째 H13 층에서 경도가 약간 감소했는데, 이는 더 큰 Cu-rich 입자 때문일 수 있습니다.
  • 인장 시험 결과, 하이브리드 시편은 계면에서 떨어진 Cu 측에서 상당한 네킹과 함께 파단되었습니다. 하이브리드 부품의 극한 인장 강도(UTS)(221 ± 2 MPa)는 Cu 기판(214 ± 4 MPa)과 비슷하여 H13-Cu 계면에서 양호한 야금학적 결합이 형성되었음을 나타냅니다.
Fig. 2. Dimensions of tensile samples.
Fig. 3. Modeling details of numerical simulation: (a-d) mesh model; (e-h) thermophysical and mechanical properties of H13 and Cu; (i) double ellipsoid heat source model; (j) heat source model verification.
Fig. 4. Macrostructure, microstructure, and elemental distribution of the H13-Cu interface: (a) macrostructure of the H13-Cu interface; SEM images of (b) center, (c) below, and (d) above the H13-Cu interface; (e) the higher magnification SEM image of the purple boxed area in (d); (f) the higher magnification SEM image of the red boxed area in (d); (g) EDS mapping of the main elements in the blue boxed area in (e).
Fig. 5. EDS mapping of typical features near the H13-Cu interface: (a) H13 intrusion into the Cu side; (b) Cu-rich islands and worm-like Cu-rich phases; (c) Fe-rich islands.
Fig. 6. EDS line scanning results perpendicular to the interface near the H13-Cu interface.
Fig. 7. XRD patterns of Cu side, H13 side and interface area.
Fig. 8. EBSD results of H13-Cu interface: (a) BC map; (b) phase map; (c) IPF map; (d) grain boundary map; (e) KAM map; (f) pole figure of a-Fe.
Fig. 9. EBSD results of microcracks above the interface: (a) phase map superimposed on BC map; (b) IPF map superimposed on BC map; (c) reconstructed prior austenite grains.
Fig. 10. TEM analysis of Cu-rich particles above the interface: (a) High-angle annular dark field image (HAADF) and EDS mapping of Cu-rich particles; (b) HRTEM image of the Cu-rich particles of the blue box area in (a); (c) FFT image of (b); (d) IFFT image of the red box area in (b).
Fig. 11. Temperature distribution of the H13-Cu hybrid component during deposition of (a) the first layer; (b) the tenth layer; (c) the twentieth layer; (d) the thirtieth layer (the last layer).
Fig. 12. Temperature distribution during the first layer deposition and thermal cycle curves at local positions: (a) Temperature distribution of the cross-section of the molten pool; (b) Temperature distribution of the longitudinal section of the molten pool; (c) Thermal cycle curve of node 1 in (a); (d) Thermal cycle curve of node 2 in (a).
Fig. 13. Schematic diagram of the molten pool morphology and microstructure evolution during the first layer deposition: (a) molten pool cross section; (b) molten pool longitudinal section.
Fig. 14. Fe-Cu phase diagram [13].
Fig. 15. Microhardness near the H13-Cu interface.
Fig. 16. Room temperature tensile properties and fracture morphologies of H13-Cu hybrid components: (a) engineering stress-strain curve (the inset shows the fracture position of the tensile samples of H13, H13-Cu, and Cu); (b) tensile properties histogram; The fracture morphologies of (c) H13, (d) H13-Cu and (e) Cu samples.

그림 이름 목록:

  • Fig. 1. H13-Cu 하이브리드 부품 제조에 사용된 실험 장치 개략도.
  • Fig. 2. 인장 시편 치수.
  • Fig. 3. 수치 시뮬레이션 모델링 세부 정보: (a-d) 메쉬 모델; (e-h) H13 및 Cu의 열물리적 및 기계적 특성; (i) 이중 타원체 열원 모델; (j) 열원 모델 검증.
  • Fig. 4. H13-Cu 계면의 매크로구조, 미세구조 및 원소 분포: (a) H13-Cu 계면의 매크로구조; (b) 중앙, (c) 아래, (d) 위 H13-Cu 계면의 SEM 이미지; (e) (d)의 보라색 상자 영역의 고배율 SEM 이미지; (f) (d)의 빨간색 상자 영역의 고배율 SEM 이미지; (g) (e)의 파란색 상자 영역의 주요 원소 EDS 매핑.
  • Fig. 5. H13-Cu 계면 근처의 대표적인 특징에 대한 EDS 매핑: (a) Cu 측으로의 H13 침입; (b) Cu-rich 섬 및 벌레 모양의 Cu-rich 상; (c) Fe-rich 섬.
  • Fig. 6. H13-Cu 계면 근처에서 계면에 수직인 EDS 라인 스캐닝 결과.
  • Fig. 7. Cu 측, H13 측 및 계면 영역의 XRD 패턴.
  • Fig. 8. H13-Cu 계면의 EBSD 결과: (a) BC 맵; (b) 상 맵; (c) IPF 맵; (d) 결정립계 맵; (e) KAM 맵; (f) α-Fe의 극점도.
  • Fig. 9. 계면 위 미세 균열의 EBSD 결과: (a) BC 맵에 중첩된 상 맵; (b) BC 맵에 중첩된 IPF 맵; (c) 재구성된 구 오스테나이트 결정립.
  • Fig. 10. 계면 위 Cu-rich 입자의 TEM 분석: (a) 고각 환형 암시야상(HAADF) 및 Cu-rich 입자의 EDS 매핑; (b) (a)의 파란색 상자 영역 Cu-rich 입자의 HRTEM 이미지; (c) (b)의 FFT 이미지; (d) (b)의 빨간색 상자 영역의 IFFT 이미지.
  • Fig. 11. (a) 첫 번째 층; (b) 열 번째 층; (c) 스무 번째 층; (d) 서른 번째 층(마지막 층) 증착 중 H13-Cu 하이브리드 부품의 온도 분포.
  • Fig. 12. 첫 번째 층 증착 중 국소 위치에서의 온도 분포 및 열 사이클 곡선: (a) 용융 풀 단면의 온도 분포; (b) 용융 풀 종단면의 온도 분포; (c) (a)의 노드 1의 열 사이클 곡선; (d) (a)의 노드 2의 열 사이클 곡선.
  • Fig. 13. 첫 번째 층 증착 중 용융 풀 형태 및 미세구조 진화 개략도: (a) 용융 풀 단면; (b) 용융 풀 종단면.
  • Fig. 14. Fe-Cu 상태도 [13].
  • Fig. 15. H13-Cu 계면 근처의 미세 경도.
  • Fig. 16. H13-Cu 하이브리드 부품의 실온 인장 특성 및 파단 형태: (a) 공칭 응력-변형률 곡선 (삽입 그림은 H13, H13-Cu, Cu 인장 시편의 파단 위치를 보여줌); (b) 인장 특성 히스토그램; (c) H13, (d) H13-Cu 및 (e) Cu 시편의 파단 형태.

7. 결론:

본 연구에서는 WAAM을 이용하여 Cu 기판 위에 H13 강을 직접 증착했습니다. H13-Cu 계면의 미세구조를 연구했으며, 온도장 시뮬레이션과 결합하여 용융 풀 특성 및 계면 진화 메커니즘을 밝혔습니다. 계면 결함의 원인을 논의했습니다. 마지막으로 하이브리드 부품의 기계적 특성을 평가했습니다. 주요 결론은 다음과 같습니다.

(1) Fe-Cu 시스템의 준안정 혼화성 갭과 고체 상태에서 Fe와 Cu의 용해도 한계로 인해, 계면의 Fe-Cu 혼합 액체는 두 번의 액상 분리를 거쳐 Fe-rich 섬과 Cu-rich 섬, 그리고 다중 스케일의 Cu-rich 입자를 형성했습니다. TEM 결과는 나노 스케일 Cu-rich 입자가 FCC 구조이며 α-Fe 기지와 반정합 관계를 유지함을 확인했습니다.
(2) H13-Cu 계면 근처에서 기공 및 균열과 같은 결함이 관찰되었습니다. 응고 중 액체 Cu-rich 상의 부피 수축이 주변의 응고된 Fe-rich 상에 의해 방해받아 액체 Cu로 보충될 수 없었기 때문에 불규칙한 기공이 형성되었습니다. 미세 균열은 강의 구 오스테나이트 결정립계로 구리가 침투하여 열 응력 작용 하에서 발생하는 균열 민감도 증가에 기인했습니다.
(3) H13-Cu 계면에서의 급격한 원소 변화는 양쪽 재료의 용융점 도약을 야기했지만, 온도 분포는 연속적으로 변했습니다. 이 결과를 바탕으로 계면 아래에 확장된 용융 풀이 존재한다는 가설이 제안되었습니다. 계면 근처에는 H13 용융 풀과 Cu 확장 용융 풀 사이에 머시 영역(mushy zone)이 존재했습니다. 확장된 용융 풀이 응고된 후 Cu 주상정 영역이 형성되었습니다.
(4) 미세 경도는 계면 근처의 좁은 범위(~0.5 mm)에서 H13 측에서 Cu 측으로 점진적으로 감소했습니다. 하이브리드 부품의 인장 시편은 계면에서 멀리 떨어진 Cu 측에서 파단되었으며, UTS(221 ± 2 MPa)는 Cu 기판 수준에 도달하여 계면이 양호한 결합을 형성했음을 나타냅니다.

8. 참고문헌:

  • [1] Reichardt A, Shapiro AA, Otis R, Dillon RP, Borgonia JP, McEnerney BW, Hosemann P, Beese AM. Advances in additive manufacturing of metal-based functionally graded materials. Int Mater Rev 2021;66:1–29.
  • [2] Zhang X, Pan T, Flood A, Chen Y, Zhang Y, Liou F. Investigation of copper/stainless steel multi-metallic materials fabricated by laser metal deposition. Mater Sci Eng, A 2021:811.
  • [3] Zhang B, Zhang W, Xiao H, Zhu H, Yang H, Wang Y, Chen B. QCr0.8 Cu alloy/S06 stainless steel bimetal structure via In718 multi-interlayer fabricated by laser powder hybrid additive manufacturing. J Mater Res Technol 2023;24:1034–42.
  • [4] Rodrigues TA, Bairrão N, Farias FWC, Shamsolhodaei A, Shen J, Zhou N, Maawad E, Schell N, Santos TG, Oliveira JP. Steel-copper functionally graded material produced by twin-wire and arc additive manufacturing (T-WAAM). Mater Des 2022;213.
  • [5] Tan C, Zhou K, Ma W, Min L. Interfacial characteristic and mechanical performance of maraging steel-copper functional bimetal produced by selective laser melting based hybrid manufacture. Mater Des 2018;155:77–85.
  • [6] Li Z, Kuai Z, Liu B, Chen Y, Li H, Wang Y, Huo W, Wei M, Yang H, Bai P. Selective laser melting of 316L-CuCrZr bimetallic structure via IN718 transition layer. J Mater Res Technol 2023;25:3819–34.
  • [7] Zhang X, Li L, Pan T, Chen Y, Zhang Y, Li W, Liou F. Additive manufacturing of copper-tool steel dissimilar joining: experimental characterization and thermal modeling. Mater Char 2020;170.
  • [8] Chen S, Huang J, Xia J, Zhang H, Zhao X. Microstructural characteristics of a stainless steel/copper dissimilar Joint made by laser welding. Metall Mater Trans 2013;44:3690–6.
  • [9] Cheng Z, Huang J, Ye Z, Chen Y, Yang J, Chen S. Microstructures and mechanical properties of copper-stainless steel butt-welded joints by MIG-TIG double-sided arc welding. J Mater Process Technol 2019;265:87–98.
  • [10] Magnabosco I, Ferro P, Bonollo F, Arnberg L. An investigation of fusion zone microstructures in electron beam welding of copper-stainless steel. Mater Sci Eng, A 2006;424:163–73.
  • [11] Sabetghadam H, Hanzaki AZ, Araee A. Diffusion bonding of 410 stainless steel to copper using a nickel interlayer. Mater Char 2010;61:626–34.
  • [12] Shin S-S, Lee S-K, Kim D-K, Lee B. Enhanced cooling channel efficiency of high-pressure die-casting molds with pure copper linings in cooling channels via explosive bonding. J Mater Process Technol 2021;297.
  • [13] Sun X, Hao W, Geng G, Ma T, Li Y, Yen Y-w. Solidification microstructure evolution of undercooled Cu-15 wt.% Fe alloy melt. Adv Mater Sci Eng 2018:2018.
  • [14] Rock C, Tarafder P, Ives L, Horn T. Characterization of copper & stainless steel interface produced by electron beam powder bed fusion. Mater Des 2021;212.
  • [15] Leedy KD, Stubbins JF. Copper alloy-stainless steel bonded laminates for fusion reactor applications: crack growth and fatigue. Mater Sci Eng, A 2001;297:19–25.
  • [16] Zhang X, Li L, Liou F. Additive manufacturing of stainless steel - copper functionally graded materials via Inconel 718 interlayer. J Mater Res Technol 2021;15:2045–58.
  • [17] Kibitkin V, Vorontsov A, Osipovich K, Shamarin N, Chumaevskii A, Rubtsov V, Moskvichev E, Savchenko N, Kolubaev E. Characterizing the tensile behavior of double wire-feed electron beam additive manufactured "copper-steel" using digital image correlation. Metals 2022;12.
  • [18] Liu ZH, Zhang DQ, Sing SL, Chua CK, Loh LE. Interfacial characterization of SLM parts in multi-material processing: metallurgical diffusion between 316L stainless steel and C18400 copper alloy. Mater Char 2014;94:116–25.
  • [19] Chen J, Yang Y, Song C, Zhang M, Wu S, Wang D. Interfacial microstructure and mechanical properties of 316L/CuSn10 multi-material bimetallic structure fabricated by selective laser melting. Mater Sci Eng, A 2019;752:75–85.
  • [20] Tan C, Chew Y, Bi G, Wang D, Ma W, Yang Y, Zhou K. Additive manufacturing of steel-copper functionally graded material with ultrahigh bonding strength. J Mater Sci Technol 2021;72:217–22.
  • [21] Martendal CP, Esteves PDB, Deillon L, Malamud F, Jamili AM, Löffler JF, Bambach M. Effects of beam shaping on copper-steel interfaces in multi-material laser beam powder bed fusion. J Mater Process Technol 2024;327.
  • [22] Deillon L, Abando Beldarrain N, Li X, Bambach M. Coupling hot isostatic pressing and laser powder bed fusion: a new strategy to manufacture defect-free CuCrZr-316L steel multi-material structures. Mater Des 2024;241.
  • [23] Liu K, Yan Z, Pan R, Wang X, Wang F, Chen S. Interfacial bonding and microstructural evolution in Inconel-copper bimetallic structures fabricated by directed energy deposition-arc. Mater Sci Eng, A 2024:898.
  • [24] Zhang X, Sun C, Pan T, Flood A, Zhang Y, Li L, Liou F. Additive manufacturing of copper - H13 tool steel bi-metallic structures via Ni-based multi-interlayer. Addit Manuf 2020;36.
  • [25] Craig OH, Moreau E, Toddy J, Murphy N, Halliday HS, Corbin SF, Plucknett KP. Functionally gradient H13 tool steel/oxygen-free high thermal conductivity Cu composites manufactured by laser-directed energy deposition. Steel Res Int 2024.
  • [26] Zhang W, Liao H, Hu Z, Zhang S, Chen B, Yang H, Wang Y, Zhu H. Interfacial characteristics and mechanical properties of additive manufacturing martensite stainless steel on the Cu-Cr alloy substrate by directed energy deposition. J Mater Sci Technol 2021;90:121–32.
  • [27] Liu L, Wang D, Deng G, Yang Y, Chen J, Tang J, Wang Y, Liu Y, Yang X, Zhang Y. Interfacial characteristics and formation mechanisms of copper-steel multimaterial structures fabricated via laser powder bed fusion using different building strategies. Chin J Mech Eng: Addit. Manuf. Front. 2022;1.
  • [28] Imran MK, Masood SH, Brandt M. Bimetallic dies with direct metal-deposited steel on Moldmax for high-pressure die casting application. Int J Adv Manuf Technol 2010;52:855–63.
  • [29] Bai Y, Zhang J, Zhao C, Li C, Wang H. Dual interfacial characterization and property in multi-material selective laser melting of 316L stainless steel and C52400 copper alloy. Mater Char 2020;167.
  • [30] Tomar B, Shiva S. Microstructural and mechanical properties examination of SS316L-Cu functionally graded material fabricated by wire arc additive manufacturing. CIRP J. Manuf. Sci. Technol. 2024;50:26–39.
  • [31] Maurya AK, Yeom J-T, Kim JH, Park CH, Hong J-K, Yang J, Kang NH, Cheon S, Reddy NS, Cheepu M, Cho S-M. Wire arc additive manufacturing method for Ti-6Al-4V alloy to improve the grain refinement efficiency and mechanical properties. J Mater Res Technol 2024;31:3003–13.
  • [32] Tan Q, Yin Y, Wang F, Chang H, Liu S, Liang G, Wu T, Zhang M-X. Rationalization of brittleness and anisotropic mechanical properties of H13 steel fabricated by selective laser melting. Scr Mater 2022;214.
  • [33] Sun Y, Wang J, Li M, Wang Y, Li C, Dai T, Hao M, Ding H. Thermal and mechanical properties of selective laser melted and heat treated H13 hot work tool steel. Mater Des 2022.
  • [34] Liu L, Wang D, Deng G, Han C, Yang Y, Chen J, Chen X, Liu Y, Bai Y. Laser additive manufacturing of a 316L/CuSn10 multimaterial coaxial nozzle to alleviate spattering adhesion and burning effect in directed energy deposition. J Manuf Process 2022;82:51–63.
  • [35] Al-Jamal OM, Hinduja S, Li L. Characteristics of the bond in Cu-H13 tool steel parts fabricated using SLM. CIRP Ann 2008;57:239–42.
  • [36] Telasang G, Narayanaswamy S, D.M S, Bathe R. Selective laser melting of stainless steel on the copper alloy: an investigation of the interfacial microstructure and mechanical properties. J Manuf Process 2022;80:920–9.
  • [37] Munitz A, Venkert A, Landau P, Kaufman MJ, Abbaschian R. Microstructure and phase selection in supercooled copper alloys exhibiting metastable liquid miscibility gaps. J Mater Sci 2012;47:7955–70.
  • [38] Zhang M, Zhang Y, Du M, Zhang S, Lei L. Experimental characterization and microstructural evaluation of silicon bronze-alloy steel bimetallic structures by additive manufacturing. Metall Mater Trans 2021;52:4664–74.
  • [39] Chen G, Shu X, Liu J, Zhang B, Feng J. Crystallographic texture and mechanical properties by electron beam freeform fabrication of copper/steel gradient composite materials. Vacuum 2020;171.
  • [40] Cui Q, Lin X, Jiang S, Ren Z, Guo Y, Zhang H, Zhang X, Wen B. High-pressure induced the morphological evolution from lath to integrated martensite with {112} <111> nano-twins of 30MnSi steel. Mater Sci Eng, A 2023:879.
  • [41] Wang YM, Voisin T, McKeown JT, Ye J, Calta NP, Li Z, Zeng Z, Zhang Y, Chen W, Roehling TT, Ott RT, Santala MK, Depond PJ, Matthews MJ, Hamza AV, Zhu T. Additively manufactured hierarchical stainless steels with high strength and ductility. Nat Mater 2018;17:63–71.
  • [42] Rui S-S, Han Q-N, Wang X, Li S, Ma X, Su Y, Cai Z, Du D, Shi H-J. Correlations between two EBSD-based metrics Kernel Average Misorientation and Image Quality on indicating dislocations of near-failure low alloy steels induced by tensile and cyclic deformations. Mater Today Commun 2021;27.
  • [43] Hasani N, Ghoncheh MH, Kindermann RM, Pirgazi H, Sanjari M, Tamimi S, Shakerin S, Kestens LAI, Roy MJ, Mohammadi M. Dislocations mobility in superalloy-steel hybrid components produced using wire arc additive manufacturing. Mater Des 2022;220.
  • [44] Huang G, Wei K, Zeng X. Microstructure and mechanical properties of H13 tool steel fabricated by high power laser powder bed fusion. Mater Sci Eng, A 2022:858.
  • [45] Tan Q, Chang H, Yin Y, Wang F, Huang D, Liang G, Wu T, Yan M, Cheng X, Zhang M-X. Simultaneous enhancements of strength and ductility of a selective laser melted H13 steel through inoculation treatment. Scr Mater 2022;219.
  • [46] Du X, Liu X, Shen Y, Liu R, Wei Y. H13 tool steel fabricated by wire arc additive manufacturing: solidification mode, microstructure evolution mechanism and mechanical properties. Mater Sci Eng 2023;A:883.
  • [47] Han G, Shang CJ, Misra RDK, Xie ZJ. Solid phase transition of Cu precipitates in a low carbon TRIP assisted steel. Physica B 2019;569:68–79.
  • [48] Zhang Y, Song R, Wang Y, Wang Y, Cai C, Wang K. Evolution of twins and formation mechanism of special fringes inside nanoscale Cu precipitates in ferritic steel. Mater Char 2022;192.
  • [49] Monzen R, Iguchi M, Jenkins ML. Structural changes of 9R copper precipitates in an aged Fe-Cu alloy. Philos Mag Lett 2000;80:137–48.
  • [50] Chen BL, Wang W, Xie H, Ge RR, Zhang ZY, Li ZW, Zhou XY, Zhou BX. Phase transformation of Cu-rich precipitates from 9R to 3R variant via ledges mechanism in ferritic steel containing copper. J Microsc 2016;262:123–7.

9. 저작권:

  • This material is a paper by "Xinwei Du, Yanhong Wei, Kai Guo, Jinwei Long, Xiangbo Liu, Wenyong Zhao, Renpei Liu". Based on "Interface microstructure and evolution mechanism of wire arc additively manufactured H13 steel-copper hybrid components".
  • Source of the paper: https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2025.02.160

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