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Abstract

1. 서 론

적층제조(AM)는 복잡한 형상의 제품을 비교적 경제적 으로 제조할 수 있으며 동시에 기존 성형공법으로 얻기 어려운 미세조직적 특성을 부여할 수 있어 최근 전 세계 적으로 많은 연구가 진행되고 있다[1, 2] . 일례로, AM으 로 제조된 Ti-6Al-4V는 균일하면서도 미세한 α+β 라멜라 구조를 얻을 수 있으며 마르에이징 강의 경우 매우 높은 강도를 유도할 수 있다[3]. PBF(powder bed fusion) 및 DED(direct energy deposition)를 포함한 대부분의 금속 AM 공정에서 분말 층은 금속기판 위에 순차적으로 융합/ 적층된다. 이 때 사용되는 금속기판은 일반적으로 적층되 는 분말과 동일한 소재를 사용하는데 이는 서로 다른 소 재가 사용될 경우 높은 잔류응력과 금속간화합물의 생성 을 초래할 수 있기 때문이다[4]. 따라서 두 가지 서로 다 른 재료를 사용하는 AM 공정의 개발은 매우 어려우면서 도전적인 분야이다. 특히, Ti 합금과 철강 사이의 AM은 가공 중 용융된 Ti와 Fe의 혼합이 취성의 Fe-Ti 금속간 화 합물을 생성하여 계면박리를 촉진하기 때문에 특히 어렵 다[5]. Ti 합금과 철강의 복합재료 구조는 항공, 에너지, 화 학, 기계 산업에서 많은 기능적/가격적 장점을 제공할 수 있어 연구자들의 큰 관심을 받고 있다. 예를 들어, Ti합금 을 군용 발사체의 철강 기반의 날개부품에 접합할 경우 내열성과 경량성을 동시에 확보할 수 있어 사정거리 향상 에 큰 도움이 된다. 그러나 철계소재에 Ti를 직접 증착하 면 반드시 금속간화합물이 형성되기 때문에 Ti와 강철 모 두에 금속야금학적으로 적합한 중간층 재료가 필요하다. 기존에는 Cu, Ni 및 이들의 합금들이 주로 사용되었으나 금속간화합물의 형성을 구조적으로 방지할 수 없어 상업 적 사용은 이루어지 못했다.

최근, V을 중간층 금속으로 사용한 연구가 활발히 보고 되고 있다. V은 Ti와 전 온도범위에서 연속 고용체를 형 성하고 Fe와도 >1219°C의 온도에서 연속 고용체의 넓은 영역과 400–1219°C 및 19–78 wt.% V 내에서 제어 가능한 준안정 σ-상을 보여준다. Li 등은 V, Cr, Ni 등 다층의 중 간층을 사용하여 Ti-6Al-4V 기판 위에 STS304를 적층하 였다[6]. 그러나 이 다층 공정은 실용성이 제한되어 있으 며 결합강도가 보고되지 않았다. Reichardt 등은 다중 호 퍼 DED 시스템을 사용하여 304L 스테인리스강 위에 Ti- 6Al-4V를 적층하였다[7]. 이 때 중간층으로는 스테인리스 강 분말과 V를 혼합하여 경사적으로 적층이 이루어지도 록 하였다. 그러나, 이러한 혼합분말은 필연적으로 Fe-Ti 및 F e-V-Cr (σ상)의 석출로 인해 제조 중간에 균열이 발생 하게 된다. 최근, Nana 등은 0.2 mm 두께의 V층을 Ti- 6Al-4V 기판 위에 확산접합(diffusion bonding) 한 후에 17-4PH 스테인리스강을 DED로 적층하였다[8]. 적층에 사 용된 레이저 출력(180, 210W)에 따라 적층계면의 강도가 달랐으며 최고강도 ~400MPa가 얻어졌다. 적층품의 인장 시험 결과 파단은 V과 17-4PH 스테인리스강 사이에서 주 로 발생하였으며 이는 V과 Fe사이에서 균열전파를 촉진 시키는 미세조직 인자가 생성되었음을 시사한다. 특히, VFe 경계면에서는 상태도 상으로 취성의 σ상이 생성되기 쉽다. 그러나, 기존 연구에서는 V과 Fe사이 계면에서 나 타날 수 있는 금속간화합물과 여러 미세조직을 자세하게 분석하지 못하였다. 따라서, 본 연구에서는 Ti-6Al-4V/V/ 17-4PH 계면에서 나타나는 미세조직을 TEM으로 정밀하 게 분석하기로 하였다. 또한, 이를 토대로 V과 Fe사이의 계면접합강도를 향상시키기 위한 방안을 모색하였다.

2. 실험방법

본 연구에서 사용된 순도 99.9% V 판재는 Alfa-Aesar에 서 구매하였으며 두께는 2 mm였다. 이를 추가적으로 압연 하여 0.2 mm 두께의 극박판으로 제조하였다. V 중간층은 확산접합(diffusion bonding, DB)을 통해 Ti-6Al-4V 기판 위에 클레드 되었다. DB시 Ti-6Al-4V 및 V의 표면은 2400번 SiC 연마지로 연마하고 아세톤과 초음파로 세척되 었다. 그 후 V 극박은 Ti-6Al-4V 기판위에 올려졌고 1100°C에서 4시간 동안 유압프레스로 압착되었다. Ti-6Al- 4V와 V 박판은 성공적으로 접합이 되었으며 그 후, InssTek Co., Ltd.의 DED 장비(DMT 3D 프린터)를 사용하 여 Ti-6Al의 V 표면위에 17-4PH 분말을 적층하였다. 실험에 사용된 Ti-6Al-4V 기판과 17-4PH 분말은 각각 VSMPO와 CARPENTERS 사에서 제공받았고 화학조성은 표 1과 같다.

Table 1

Chemical composition (in wt.%) of as-received Ti-6Al-4V alloy and 17-4PH powder analyzed by ICP-OES method

그림 1는 V과 17-4PH의 적층형상을 보여주는 사진이다. 17-4PH를 V층 위에 적층하였고 이 때 17-4PH 층의 높이 는 20 mm 수준이었다. 적층 시험 중 챔버내 분위기 가스 는 Ar을 사용하였다. 레이저 스캔속도는 480 mm/min, 챔 버 주입가스량은 7.5 l/min, 분말수송 가스량은 1.8 l/min, 분말공급량은 5 g/min으로 고정하였고, 레이저 출력은 각 각 150와 210W였다. 본 논문에서 각 샘플의 이름을 DB150, DB210으로 명명하였다. DB150 접합면의 접합강 도는 290 MPa 수준이었고 DB210은 360 MPa 수준으로 보다 강도가 높았다[8].

Fig. 1

(a) Optical images of Ti-6Al-4V substrate after diffusion bonding with pure vanadium sheet. (b) Schematic of laser deposition process.

V과 17-4PH 접합계면 분석을 위한 TEM 시편은 A r 집 속이온빔 장비를(Focused Ion Beam, FEI, Helios) 사용하 여 제작하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1. V//17-4PH 접합계면 부위 SEM 관찰

그림 2은 DB150, DB210 시편의 V//17-4PH 접합계면을 SEM으로 관찰한 사진이다. 접합계면들은 V과 17-4PH가 부분적으로 혼합된 mixed zone(MZ)과 Fe+FeV로 이루어 진 17-4PH 영역의 fusion zone(FZ)으로 구성되어 있었다. DB210의 MZ층 두께는 10 μm 수준으로 DB150의 2~3 μm 보다 더 두꺼웠다. 이는 DB210에서 보다 높은 입열량이 주어졌기 때문이다. 또한, DB210에서는 결정립들이 주상 정 형태로 17-4PH 방향으로 길게 성장한 모습이 보였다. 용융풀(melt pool)에서 기판 쪽으로 열이 급속히 빠져나가 면서 방향성 응고가 발생한 것이 원인으로 판단된다. 한편, DB150과 DB210 모두 FZ 영역에서 미세한 입자들이 보 이지만 자세한 형상과 종류를 SEM 상에서는 판별할 수 없었다. 이에 따라 그림2에 점선으로 표시된 영역에서 TEM 시편을 채취하여 자세한 분석을 수행하였다.

Fig. 2

(a) SEM images of the V//17-4PH joint interface of (a) DB150 and (b) DB210. The dash rectangles indicate the location of TEM sampling and observation [8].

3.2. V//17-4PH 접합계면 부위 TEM 관찰(DB210)

그림 3은 DB210 시편의 TEM-EDS 맵을 보여준다. 내 부에 수십~수백 nm 크기의 입자들이 분포되어 있는 것이 관찰된다. V와 Fe 원소맵을 통해 위 입자들이 V은 과잉 이면서 Fe는 결핍되어 있다는 것을 알 수 있었다. 그림 3 에 우측 상단에 존재하는 V 과잉 입자 중 하나를 선택하 여 보다 자세히 관찰하였다(그림 4a). 선택된 V 과잉 입자 의 크기는 200~300 nm 수준이었으며 약간 괴상에 가까웠 다. 또, 이 V 과잉 입자의 주변에는 수 nm 크기의 미세한 나노입자들이 고르게 분포하고 있었다. 이러한 나노입자 는 17-4PH 합금의 주 강화상인 Cu-rich 석출물로 보인다. 그림 4b는 V 과잉 입자의 고배율 TEM 이미지이다. 면간 거리가 0.235 nm로 관찰되었는데 이것은 순수 Fe나 V에 서는 얻을 수 없는 크기이다. 또한, Fe-V 시스템에서 통상 적으로 관찰되는 σ상의 것 하고도 차이가 있었다. 본 석 출상의 상분석으로 위해 fast Fourier transform(FFT) 패턴 분석을 수행하였다(그림 4(c)). FFT 회절과 kikuchi 패턴 형태로 보아 해당하는 상은 cubic 구조로 판단되었다. 이 는 tetragonal 구조인 σ상과 구별되어 V 과잉 상은 σ상이 아님을 다시 한번 확인해주었다. 여러 가능성이 있는 상들 의 회절데이터와 비교하였을 때 질화바나늄(VN)과 잘 매 칭 됨을 확인하였다.

Fig. 3

TEM elemental maps showing vanadium rich particles in DB210 sample.

Fig. 4

(a) TEM micrograph of target particle depicted in Fig.3. Vanadium rich particle as well as few nano-sized particles are shown. (b) High magnification TEM micrograph of the particles. (c)FFT patterns of the V-rich particle with zone axis of [001]. The FFT patterns are well matched with vanadium nitride.

3.3. V//17-4PH 접합계면 부위 TEM 관찰(DB150)

그림 5는 DB150 시편의 TEM-EDS 맵을 보여준다. DB210과 같이 VN으로 추청되는 V 과잉상들이 관찰되었 다. 그러나, 비교적 구형의 입자 외에도 길게 연신된 형태 의 V 과잉상들이 다수 관찰되었다. 그림 5에 중앙에 점선 으로 표시한 V 과잉 입자 중 하나를 선택하여 보다 자세 히 관찰하였다(그림 6). 예상대로 V과 N가 과잉이며 Fe는 결핍인 입자임을 알 수 있었다. 또한, 주변에 Cu-석출상들 이 다수 존재하였다. 이 Cu-석출상들은 DB210에서 관찰 된 것들보다 개수는 적으면서 크기는 증가하였고, 기지상 과 VN상 계면에 더 많이 관찰되었다.

Fig. 5

TEM elemental maps showing vanadium rich particles in DB150 sample.

Fig. 6

(a) High resolution STEM image (b) and elemental maps showing the vanadium rich particle in boxed area of Fig. 5. (c) Magnified image of the rectangle marked in (a). (d) FFT pattern taken at the region of rectangle marked in (c).

그림 6c는 VN 입자 내부를 TEM으로 더 자세히 관찰한 사진이다. 내부에는 평행한 직선형태의 회절상이 있었고 FFT로 확인한 결과 쌍정(twin)구조인 것으로 나타났다. 쌍 정면이 매우 얇은 것으로 보아 변형쌍정일 것으로 추정되 고 이는 기존 문헌과 일치한다. 한편, VN 내부 기지부위 를 FFT 분석결과 DB210의 경우와 같이 VN의 패턴과 잘 일치하였다(그림 6d).

4. 고 찰

본 연구에서는 DED로 제조된 V/17-4PH 스테인리스강 의 접합부 미세조직 특성을 SEM과 TEM으로 분석하였다. 이 연구에서 제작된 접합부는 레이저 출력에 따라 달랐으 며 입열량이 높은 DB210의 경우 접합 계면의 MZ층의 두 께가 더 두꺼웠다. 이에 따라 DB210의 접합강도가 DB150보다 높게 나타난 것으로 보인다. 레이저 출력에 관 계없이 우려하였던 σ상은 보이지 않았고 이것이 비교적 높은 접합강도의 원인으로 보인다. 그러나, 대신 VN 입자 들이 다수 FZ영역에서 관찰되었다. 입열량이 낮은 DB150 에서 VN 상들이 DB210 대비 3~4 % 정도 더 넓은 면적 분율로 관찰되었다. 특히, 구상이 아닌 길게 연신된 형태 의 VN들은 접합강도 하락에 영향을 주었을 것을 추측된 다. 본 연구에서 사용된 소재에서는 N 함량이 매우 낮음 에도 불구하고 질화물이 다량 생성된 것은 매우 특이하다. 불활성 분위기로 Ar 쉴딩이 적용되었지만 대기 중의 질소 성분이 일부 혼입 된 것으로 추정된다.

5. 결 론

본 연구에서는 DED 공정을 통해 Ti-6Al-4V/V/17-4PH 의 복합구조물을 제조하였고 계면을 SEM과 TEM으로 분 석하였다. 이를 통해 다음과 같은 결과를 얻었다.

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