Metal 3D printing is utilized in various industrial fields due to its advantages, such as fewer restrictions on production shape and reduced production time and cost. Existing research on 3D printing metal materials focused on changes in material properties depending on manufacturing conditions and was mainly conducted in a room temperature environment. In order to apply metal 3D printing products to cryogenic applications, research on the properties of materials in cryogenic environments is necessary but still insufficient. In this study, we evaluate the properties of stainless steel (STS) 316L and CuCr1Zr manufactured by Laser Powder Bed Fusion (LPBF) in a cryogenic environment. CuCr1Zr is a precipitation hardening alloy, and changes in material properties were compared by applying various heat treatment conditions. The mechanical properties of materials manufactured using the LBPF method are evaluated through tensile tests at room temperature and cryogenic temperature (77 K), and the thermal properties are evaluated by deriving the thermal conductivity of CuCr1Zr according to various heat treatment conditions. In a cryogenic environment, the mechanical strength of STS 316L and CuCr1Zr increased by about 150% compared to room temperature, and the thermal conductivity of CuCr1Zr after heat treatment increased by about 6 to 10 times compared to before heat treatment at 40 K.
Kim, Ki-Hong;Moon, In-Sang;Moon, Il-Yoon;Rhee, Byung-Ho
Korean Journal of Materials Research
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v.19
no.12
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pp.692-698
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2009
Inconel 718 alloy has excellent mechanical properties at room temperature, high temperature and cryogenic conditions. UTS of base metal is about 900MPa at room temperature; this is increased up to 1300MPa after heat treatment & aging-hardening. Mechanical properties of Inconel 718 Alloy were similar to those shown in the the results for tensile test; mechanical properties of Inconel 718 alloy's GTAW were similar to those of base metal's properties at room temperature. Mechanical properties at cryogenic conditions were better than those at room temperature. Heat-treated Inconel 718, non- filler metal GTAW on Inconel 718 and GTAW used filler metal on Inconel 718's UTS was 1400MPa at cryogenic condition. As a result, the excellent mechanical properties of Inconel 718 alloy under cryogenic conditions was proved through tensile tests under cryogenic conditions. In addition, weldability of Inconel 718 alloy under cryogenic conditions was superior to that of its base-metal. In this case, UTS of hybrid joint (IS-G) at -100$^{\circ}C$ was 900MPa. Consequently, UTS of Inconel 718 alloy is estimated to increase from -100$^{\circ}C$ to a specific temperature below -100$^{\circ}C$. Therefore, Inconel 718 alloy is considered a pertinent material for the production of Lox Pipe under cryogenic conditions.
The annealing behavior of a 5083 Al alloy deformed at cryogenic temperature was investigated, focusing on the evolution of microstructures and mechanical properties. Especially, the effects of annealing temperature, $150~300^{\circ}C$, and time, 3∼60min., on microstructures and mechanical properties of the sheets received 85% reduction at cryogenic temperature were investigated. The optimization of the annealing conditions resulted in a mixture of equiaxed grains and elongated subgrains, exhibiting a good combination of uniform elongation and high strength.
Shrabani Ghosh;Nathuram Chakrobarty;Swapan C. Sarkar
Progress in Superconductivity and Cryogenics
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v.25
no.3
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pp.43-48
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2023
Polymer composites, especially glass fiber reinforced polymer (GFRP) are finding ever-increasing applications in areas such as superconductivity, space technology, cryogenic rocket engines, and cryogenic storage vessels. Various components made of polymer composites are much lighter than their metallic counterparts but have equivalent strength for ultra-low temperature applications. In this paper, we have investigated the tensile properties of an indigenously prepared unidirectional cylindrical hollow composite tube for its use as a neck of the cryogenic vessel. XRD and SEM of the tube are completed before cryogenic conditioning to ascertain the fiber and resin distribution in the matrix. The result shows that for composites, after 15, 30, 45, and 60 minutes of cryogenic conditioning at 77K in a liquid nitrogen bath, the strength and modulus increase significantly with the increase of strain rate and reach the optimum value for 45 minutes of conditioning. The results are encouraging as they will be helpful in assessing the suitability of GFRP in the structural design of epoxy-based components for cryogenic applications.
Hojun Cha;Seungmin Jeon;Donghyeon Yoon;Jisung Yoo;Seunggun Lee;Seokho Kim
Progress in Superconductivity and Cryogenics
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v.25
no.4
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pp.70-74
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2023
The Small Punch Test (SPT) was developed to evaluate the softening and embrittlement of materials such as power plants and nuclear fusion reactors by taking samples in the field. Specimens used in the SPT are very thin and small disk-shaped compared to specimens for general tensile test, and thus have economic advantages in terms of miniaturization and repeatability of the test. The cryogenic SPT can also be miniaturized and has a significantly lower heat capacity than conventional universal test machines. This leads to reduced cooling and warm-up times. In this study, the cryogenic SPT was developed by modifying the existing room temperature SPT to be cooled by liquid nitrogen using a super bellows and a thermal insulation structure. Since the cryogenic SPT was first developed, basic experiments were conducted to verify the effectiveness of it. For the validation, aluminum alloy 6061- T6 specimens were tested for mechanical properties at room and cryogenic temperature. The results of the corrected tensile properties from the SPT experiment results were compared with known room temperature and cryogenic properties. Based on the correction results, the effectiveness of the cryogenic SPT test was confirmed, and the surface fracture characteristics of the material were analyzed using a 3d image scanner. In the future, we plan to conduct property evaluation according to the development of various alloy materials.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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v.35
no.4
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pp.451-459
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2011
Austenitic stainless steels of 300 series are widely used as the structural material due to excellent their cryogenic mechanical properties at cryogenic temperature. There are 316 steel which molybdenum is added to improve the austenitic stability, 316L which carbon contents is reduced to decrease the grain boundary precipitation during welding process, and 316LN which nitrogen is added to improve the austenitic stability and the mechanical strength. But material researches for the welding conditions and mechanical properties at the cryogenic temperature were insufficient so far. In this paper, the characteristics of mechanical properties considering the effect of welding conditions and cryogenic temperature are studied.
Richard G. Pascua;Gellieca Dullas;SangHeon Lee;Hyung-Seop Shin
Progress in Superconductivity and Cryogenics
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v.26
no.2
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pp.19-23
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2024
3D printing has the advantage of being able to process various types of parts by layering materials. In addition to these advantages, 3D printing technology allows models to be processed quickly without any special work that can be used in different fields to produce workpieces for various purposes and shapes. This paper deals to not only increase the utilization of 3D printing technology, but also to revitalize 3D printing technology in applications that require similar cryogenic environments. The goal of this study is to identify the mechanical properties of polylactic acid and photopolymer resin processed by Fused Deposition Modeling (FDM) and Digital Light Processing (DLP) respectively. The entire process is meticulously examined, starting from getting the thermal contraction using an extensometer. A uniaxial tensile test is employed, which enables to obtain the mechanical properties of the samples at both room temperature (RT) and cryogenic temperature of 77 K. As the results, photopolymer resin exhibited higher tensile properties than polylactic acid at RT. However, at cryogenic temperatures (77 K), the photopolymer resin became brittle and failure occurred due to thermal contraction, while polylactic acid demonstrated superior tensile properties. Therefore, polylactic acid is more suitable for lower temperatures.
Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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2003.10a
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pp.115-118
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2003
This research aims to measure mechanical tensile properties of CFRP composites for cryogenic tank material. Through the cryogenic chamber, tensile tests are peformed under cryogenic temperature for graphite/epoxy fabric specimen aged at $-150^{\circ}C$ for 30hrs with load and graphite/epoxy unidirectional specimen 3-cycled from RT to $-100^{\circ}C$ with load. For graphite/epoxy fabric specimen, tensile modulus showed to increase after aging at cryogenic temperature(CT) while to decrease after aging at room temperature(RT) and tensile strength is more decreased after CT-aged than at RT-aged. For graphite/epoxy unidirectional specimen, tensile modulus was almost not changed after 3-cycling but strength showed the trend of decrease as increase the number of cycling.
The effect of annealing temperature on microstructures and mechanical properties of the 5052 Al sheets rolled 88% reduction at cryogenic temperature was investigated for the annealing temperature of 150 ~ $300^{\circ}C$, in comparison with those rolled at room temperature. The presence of equiaxed grains, whose size is about 200nm in a diameter, was observed in the alloy deformed 88% and annealed $200^{\circ}C$ for an hour. When compared with the deformation at room temperature, the deformation at cryogenic temperature showed the higher strengths and equivalent elongation after annealing at the annealing temperature below $200^{\circ}C$. However, for annealing above $250^{\circ}C$ materials deformed at cryogenic temperature showed the lower strength than those deformed at room temperature. This behavior might be attributed to the higher rate of recrystallization and growth in materials deformed at cryogenic temperature during annealing, due to the lager density of dislocations accumulated during the deformation.
International Journal of Fluid Machinery and Systems
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v.3
no.4
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pp.324-331
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2010
Cavitation in cryogenic fluids generates substantial thermal effects and strong variations in fluid properties, which in turn alter the cavity characteristics. In order to investigate the cavitation characteristics in cryogenic fluids, numerical simulations are conducted around an axisymmetric ogive in liquid nitrogen and hydrogen respectively. The modified Merkle cavitation model and energy equation which accounts for the influence of cavitation are used, and variable thermal properties of the fluid are updated with software. A good agreement between the numerical results and experimental data are obtained. The results show that vapor production in cavitation extracts the latent heat of evaporation from the surrounding liquid, which decreases the local temperature, and hence the local vapor pressure in the vicinity of cavity becomes lower. The cavitation characteristics in cryogenic fluids are obtained that the cavity seems frothy and the cavitation intense is lower. It is also found that when the fluid is operating close to its critical temperature, thermal effects of cavitation are more obviously in cryogenic fluids. The thermal effect on cavitation in liquid hydrogen is more distinctively compared with that in liquid nitrogen due to the changes of density ratio, vapour pressure gradient and other variable properties of the fluid.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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