1. 서 론

적층제조(Additive Manufacturing, AM) 공정은 최근 4 차 산업혁명의 핵심 기술 중 하나로, 이에 대한 연구가 많 이 진행되고 있다[1, 2]. 금속 적층제조 공정 중 하나인 DED 적층공정은 적층 대상 부품 표면 혹은 국부 영역에 금속 와이어나 분말을 공급하고 여기에 레이저(laser) 또는 전자빔(electron beam)을 이용하여 용융 및 급속 응고를 거쳐 적층하는 공정을 말하며[3], 단일 구조물을 제조할 때 다른 종류의 금속 분말을 사용할 수 있어 경사조성재 료 제작에 매우 유리하다[4, 5]. 한편, 원자력발전소의 많 은 부속 및 부품들은 사용목적 및 환경에 따라 복합적인 재료들로 제작되어 사용되고 있다[6]. 특히, 1차수 냉각계 통 배관(primary coolant piping)에는 Alloy 600 니켈합금 이 접합 재료로 사용되고 있다[7, 8]. 그러나 Alloy 600 니 켈합금은 1차수 응력부식균열(Primary Water Stress Corrosion Cracking, PWSCC)에 취약하기 때문에 1970년대부터 응력부식균열의 발생사례가 다수 보고 되었다[7, 9]. Alloy 600 니켈합금을 대체하여 오스테나이트계 스테인리스강과 페라이트계 저합금이 접합되어 사용되고 있으나, 이종금 속 용접부에서는 재료물성의 급격한 차이로 인해 다양한 금속학적 문제가 발생하기 쉽다. 그러므로 이종접합에서 발생하는 문제를 완화시키기 위해서는 계면부에서 급격한 열적/물리적 특성 변화가 나타나지 않는 것이 매우 중요하 다[10, 11]. 최근 연구가 되고 있는 경사조성재료(Functionally Gradient Material, FGM)[12-17]의 개념을 이용하면 용접부 조성을 점진적으로 변화시켜서 이종금속접합의 문 제점을 보완할 수 있을 것으로 기대된다[18]. 본 연구에서 는 DED 적층제조된 경사조성재료를 제조하여 이에 따른 미세조직과 기계적 특성의 변화를 알아보았다. 이를 위해 오스테나이트계와 페라이트계 금속을 DED 적층공정을 이용하여 경사조성재료를 제작하였다. DED 적층제조된 경사조성재료에서 나타날 수 있는 미세조직 변화 및 기계 적 특성을 면밀히 관찰하였다.

2. 실험 방법

경사조성재료는 Type 316L 스테인리스강(Stainless Steel, SS)과 저합금강(Low Alloy Steel, LAS) 2가지 분말이 서 로 다른 비율로 혼합되어 적층된 구조를 가지고 있다. 각 층의 혼합비율은 표 1에 정리하였고, DED 적층 후 A층에 서 E층까지 선분석(EDS-LINE)을 한 분석값이다. 본 연구 에서 사용된 Type 316L 분말(CARPENTER사)과 자체 제 작된 LAS 분말의 입도는 45~150 mm 수준으로 서로 동일한 입도를 가진 분말들이 사용되었다. 적층 장비는 INSSTEk사 의 MX-600을 이용하였고, 적층공정은 레이저빔 크기 800 μm, 스캔속도 14 mm/s, 초점거리 9 mm, 그리고 레이저 출 력 500W 등이었다. 레이저 스캐닝 방법으로는 X 방향으 로 일방향 적층 후 그 위에 Y 방향으로 다시 일방향으로 적층하였다. 총 5층을 S45C 기판 위에 적층 하였으며, 제 일 아래층(E층)은 100% LAS 분말을 이용해 10 m m 높이 로 적층되었다. 이후 중간 3개의 층은 5 m m 높이로 각각 SS 25% : LAS 75%(B층), SS 50% : LAS 50%(C층), SS 75% : LAS 25%(D층)의 무게 비율로 혼합된 분말을 이용 해 적층 되었다. 가장 위층(A층)은 다시 10 m m 높이로 100% Type 316L SS 분말을 이용해 적층 되었다.

Table 1

Average chemical compositions (wt.%) of the mixture powders used for the DED of each layers

미세조직 변화를 알아보기 위해 Scanning Electron Microscope(SEM, JSM-7100F)에 장착된 Electron Back Scatter Diffraction(EBSD, TSL Hikari Super)을 이용해 미 세조직을 분석하였다. EBSD 분석 프로그램은 OIM Analysis 8을 활용하였고 Invers Pole Figure(IPF), Image Quality(IQ), Kernel Average Misorientation(KAM) 그리고 Phase 지도 등을 확인하였다. 한편, 광학현미경(100배율) 관찰을 통해 시편의 기공을 관찰하였다. 이 후 Image J 프 로그램을 이용하여 두 시편에 대한 기공분율을 정량적으 로 계산하였다. 각 층에 대한 기계적 특성을 알아보기 위 해 DED 적층 가공된 경사조성재료의 각 층(Y 방향)을 방 전가공하여 인장시험편을 채취하였다. 인장시험편은 G 16 mm, L 50 mm, t 2 mm로 제작되었고, INSTRON사의 5982 장비를 사용하여 10-3s-1 변형속도로 상온인장 시험을 수행하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1. DED적층제조된 경사조성재료

경사조성재료는 가로 5 0 m m , 세로 1 10 m m , 높이 35 mm, 무게 3.1 kg로 DED 공정을 통해 제조하였다. 그림 1 은 DED로 적층한 경사조성재료의 단면도(X면)로써 서로 다른 합금조성을 가지는 5개의 층을 보여준다. 기존 이종 접합에서는 적층물간에 균열과 박리가 보고되지만[19], 본 연구에서 제조된 경사조성재료 적층물에서는 이러한 결함 이 발생하지 않았다. 또한, 적층물과 S45C 기판 사이에서 도 박리 및 균열이 발생하지 않고 온전한 DED 적층물이 성공적으로 제조되었다. DED 적층된 경사조성재료의 각 층에 대한 기공분율은 오스테나이트계 분말이 많은 A층 이 가장 낮은 기공분율(11%)이 측정되었다. 이후 B층 (14.8%)과 C층(17.2%) 그리고 D층(23.6%)까지 기공분율 은 점진적으로 증가하였으나, E층의 기공분율(78.8%)은 크게 증가하였다. 이는 DED 적층공정 시 레이저 조건을 Type 316L에 적합한 최적의 조건으로 적용되었기 때문에 페라이트 분말함량이 100%로 적층된 E층에서는 분말의 용융이 완벽히 이루어지지 않아 기공분율이 크게 증가한 것으로 추측된다. 따라서 경사조성재료의 건정성을 위해 서는 각 층별로 최적의 레이저 조건을 적용해야 할 것으 로 판단된다.

Fig. 1

Macro photographs of functionally graded material samples after DED process.

3.2. 경사조성재료의 미세조직

그림 2는 경사조성재료에 대한 각 층의 EBSD 분석 결 과를 나타냈으며, 이때의 Confiednce index(Ci)는 5개 층 모두 0.6 이상이다. A층은 예상대로 거의 100% 오스테나 이트 상으로 이루어져 있었고, 결정립들이 비교적 조대한 등축정 미세조직이 생성되었다. 일반적으로 EBSD-KAM 값은 A층 전체에서 낮았으며, 이는 낮은 열 왜곡 또는 낮 은 전위 밀도를 나타낸다. B층부터 A층과 다른 형태가 나 타났다. B층은 잔류 오스테나이트의 등축정 조직 내부에 Lath 형의 미세조직이 생성되었으며 이 Lath 형의 미세조 직은 EBSD-KAM 값이 높다. 이는 높은 전위밀도로 인해 높은 EBSD-KAM 값이 나타났다. Orientation 관계가 있는 잔류 오스테나이트 내부의 페라이트 Lath 형의 특징은 미 세조직이 마르텐사이트를 의미한다. B층은 A층에 비해 25%의 페라이트계 LAS 분말이 첨가되었지만, FCC와 BCC 상분율은 각각 80.3%와 19.7%로 여전히 FCC 오스 테나이트 상분율이 높고, XRD 측정결과(그림 3)에서도 FCC가 대부분이다. C층과 D층의 경우 EBSD 및 XRD 측 정결과 BCC 상분율이 80% 이상으로 앞선 A와 B 층에 비해 매우 높게 측정되어 B층과 C층간의 급격한 상변화 가 나타났다. C층과 D층의 미세조직은 서로 비슷하며, 전 체적인 미세조직은 마르텐사이트와 침상형(aciciular) 페라 이트, 잔류 오스테나이트가 미세한 혼합상으로 이루고 있 다. 마르텐사이트 상은 DED 공정 중 급속한 냉각으로 인 해 무확산 변태에 의해 생성될 수도 있다. 잔류 오스테나 이트는 마르텐사이트 변태에 수반되는 잔류응력 및 부피 팽창으로 인한 큰 변태 에너지가 필요하다. 통상적으로 EBSD-KAM 값이 높을수록 마르텐사이트 분율이 높다는 것을 의미한다[20]. 가장 아래층인 E층은 주로 템퍼드 마 르텐사이트와 페라이트 상으로 구성되었으며, XRD 결과 에서도 100% BCC로 확인되었다.

Fig. 2

EBSD IQ, IPF, and KAM maps, phase maps in layer of as-built specimen.

Fig. 3

X-ray diffraction patterns of FGM specimens manufactured by the DED.

3.3. 경사조성재료의 기계적 특성

DED 적층제조된 경사조성재료의 Y 방향으로 인장시험 편을 방전가공하여 경사조성재료의 층간 상온인장 시험을 통해 기계적 특성을 분석하였다. 그림 4는 DED 공정으로 제조된 경사조성재료의 각 층에 대한 상온인장 결과이다. A 층과 B층은 상대적으로 인장강도가 낮고 연신율이 더 크다. B층은 80% 이상의 매우 큰 연신율과 860MPa 이상 의 높은 인장강도를 보여주는데, 이는 매우 이례적으로 100% Type 316L인 A층보다 인장특성이 더 우수하다. 이 에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 보인다. 반대로 페라이트 분율이 증가되는 C층과 D층, 그리고 E 층은 높 은 인장강도와 낮은 연신율을 나타냈다. 일반적으로, 페라 이트 상분율이 증가함에 따라 인장강도가 증가하지만, 100% 폐라이트 상인 E층인 아닌 C층에서 최대 인장강도 (1402 MPa)가 측정되었으며, 이는 ~89%의 마르텐사이트 및 페라이트, 소량의 오스테나이트 상의 영향으로 보인다. D층의 상온인장 특성은 C층의 상온인장 특성과 거의 유 사하다. 템퍼드 마르텐사이트와 페라이트 미세조직을 가 진 E층은 C층과 D층 보다 훨씬 낮은 인장강도(982 MPa) 를 나타냈다. C층, D층와 E층의 낮은 연신율은 아마도 Lath-마르텐사이트 또는 침상조직의 형성이 원인으로 추 측된다. 항복강도의 경우 C층(589 MPa)에서 D층(626 MPa)보다 E층의 항복강도(893 MPa)가 높게 측정되어 페 라이트 분율이 많을수록 증가하는 것을 확인하였다.

Fig. 4

Tensile properties of the each layer in FGM specimens manufactured by the DED.

4. 결 론

본 연구는 Type 316L-저합금강을 경사조성재료로 사용 하여 DED 적층을 이용하여 제조하였으며, DED 적층제조 된 경사조성재료에 대한 미세조직 변화 및 기계적 특성 시험을 수행하였다. 기존 이종접합에서 발생되는 균열 및 박리는 경사조성재료의 층간 및 적층물과 기판 사이에서 도 발생하지 않아 온전한 경사조성재료를 적층제조 하였 다. 각 층에 대한 레이저 스캔 조건의 세분화가 필요하다. EBSD 층간 분석결과, A층에서 오스테나이트, B층은 오스 테나이트, 마르텐사이트, C층과 D층은 마르텐사이트, 페 라이트, 잔류 오스테나이트가 생성되었고, 가장 아래층인 E층에서는 마르텐사이트, 페라이트가 생성되었다. A층에 서 E층까지 분말함량 변화에 따라 점진적인 상변화를 예 상하였지만, B층에서 C층 사이에서 급격한 상변화가 발생 하였다. 경도 측정 결과, A층과 B층에서는 150~250 Hv의 경도로 일정하다. 반면 C층과 D층에서는 330~370 Hv로 경도값이 높다. 상온인장에서는 316L인 A층보다 B층의 인장특성이 우수하였고, C층과 D층의 인장 및 항복강도는 페라이트와 마르텐사이트 형성으로 인해 높은 반면 연신 율은 낮다.

Acknowledgements

감사의 글

이 논문은 과학기술정통부의 “다중 합금 적층 재료의 미세조직 최적화(과제번호 2020M2A8A402374221)”의 지 원으로 수행되었으며 이에 감사드립니다. 또한, 이 논문은 2020학년도 한국기술교육대학교 연구연간(학기)제 연구비 지원에 의하여 연구되었음.

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Figure & Data

References

Citations

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