고해상도 EBSD 맵핑: 적층 제조(AM) 티타늄 합금

티타늄 합금은 강도, 경량성, 부식 저항성의 우수한 조합으로 인해 항공우주 및 생체 의학 임플란트와 같은 중요한 응용 분야에서 널리 사용됩니다. 예를 들어, 체심 입방 구조(BCC) Ti-베타 합금은 우수한 경화성, 용접성 및 실온에서의 높은 항복 강도를 갖추고 있습니다. 그러나 고온 강도는 낮습니다.¹ 따라서 Ti-베타 구조에 제2 상이 존재하는 것은 재료의 기계적 특성을 개선하고 원하는 기계적 특성의 균형을 달성하기 위해 필수적입니다.

최근에는 Ti-6Al-4V 합금에서 적층 제조를 통해 면심 입방(FCC) Ti 상을 공학적으로 설계했습니다.² FCC 상의 형성은 열 그라디언트, 마르텐사이트 변형에 의한 변형, 국소적 산소 농도 증가의 복합 효과로 촉진됩니다. FCC Ti 상의 존재는 HCP Ti-알파 상에 비해 합금의 최종 강도를 높입니다. 전체 인장 연성 감소는 보고되지 않았으며,² 대신 저자들은 FCC 상을 포함하는 재료(약 6% 부피비)의 강도와 연성이 크게 향상되었음을 확인했습니다. 이러한 구조는 미세한 크기 때문에 지금까지 전송 모드에서만 분석되었습니다.

이 예시에서는 2차 FCC Ti 상을 포함하는 대량 적층 제조 Ti-베타 합금 샘플을 eWARP EBSD 검출기로 분석했습니다. 10 kV 및 12 nA 빔 전류에서 30 nm 픽셀 크기로 전례 없는 고공간 해상도 EBSD 맵핑이 수행되었습니다. 작은 픽셀 크기는 초미세 FCC Ti 결정립을 정확히 분해하는 데 필수적이며, 그 크기, 모양, 및 방향 분포를 정밀하게 특성화할 수 있습니다. 4.988 프레임당 초의 속도로 획득 및 인덱싱된 2.68 메가픽셀 지도는 90% 이상의 인식률로 인덱싱되었으며, BCC Ti-베타 상이 85.7%, FCC Ti 상이 4.56%의 분율로 나타났습니다(그림 1).

입자 통계(그림 2)는 평균 크기 300 nm의 미세한 FCC Ti 구조를 보여줍니다. 마르텐사이트 Ti-베타 매트릭스에는 평균 크기 3.4 µm의 3,608개 입자가 포함되어 있습니다. 그림 1은 폭 60~90 nm(2~3 픽셀)의 매우 얇고 필름 모양의 FCC 입자를 보여줍니다.

[1] Beta Titanium Alloys, Reference Module in Materials Science and Materials Engineering, 2017​

[2] H. Wang et al. Materials Today, Volume 61, 2022, Pages 11-21, ISSN 1369-7021