1. 서 론

Additive Manufacturing(AM) 공정은 3D 적층 제조 기술 로 기존에 사용되던 제조방식과는 다르게 정밀하게 제조 가 가능하여 복잡한 부품들을 제조할 수 있다는 장점이 있다. 금속 소재를 이용하여 적층하는 기술 중 powder bed fusion(PBF) 방식과 directed energy deposition(DED) 방식이 가장 많이 사용되고 있다.

PBF 방식은 금속 분말 소재를 분말 베드 위에 일정한 두께로 깔아 고에너지 레이저를 선택적으로 조사하여 재 료를 부분적으로 용융시켜 적층하는 공정이다. 한편, DED 방식의 경우는 금속 분말 소재를 가스와 함께 일정하게 주입해주면서 고에너지 레이저를 동시에 조사하여 분말을 용융시켜 적층을 하게된다. PBF 적층 방법은 정밀하고 복 잡한 형태의 제품을 제작할 때 유리하지만 대형 부품을 만들기에 적합하지 않고 기판이 평면으로 제한된다는 한 계가 있다. 이에 반해 DED 적층 방법은 대형 부품을 만 들기 유리하고 생산성이 높으며 기존 제품에 덧붙여 적층 시킬 수 있고 강도가 우수하다는 장점이 있다[1].

DED는 다양한 산업 분야에서 많은 연구가 진행되고 있 지만 기술 개발 역사가 비교적 오래되지 않아 아직까지 연구 초기 단계에 머물러 있다[2]. 특히, 최적의 공정조건 선정을 많은 시행착오와 평가가 수반되어 기술개발 속도 가 더디게 하는 요소이다. 적층 제조 공정에서 제품에 영 향을 미치는 공정 변수로는 레이저 출력(laser power), 스 캔 속도(scan speed), 분말 분급량(powder flowrate), 레이 저 빔 직경(laser beam diameter) 등이 있다. 이 공정 조건 들에 따라 적층 소재의 기계적 특성과 미세조직 등의 변 화에 영향을 미치게 되며 적절치 못한 공정 조건으로 기 공이나 incomplete melting 등 치명적인 결함을 발생시킬 수 있다. 이러한 결함의 발생을 최소화하고 보다 좋은 상 태의 적층 조형체를 만들기 위한 공정 최적화에 대한 연 구가 다수 진행되고 있다[3]. 하지만 대부분의 공정 최적 화 연구는 레이저 출력, 스캔 속도 등에 집중되어 있고 다 른 중요한 공정 조건 중 하나인 레이저 빔 직경(laser beam diameter)에 대한 연구는 수행이 많이 이루어지지 않 고 있다. 그 이유는 레이저 빔 직경의 변경을 위해서는 DED 시스템의 광학계를 완전히 바꾸어야 하고 이는 상당 한 비용과 시간을 소모시키기 때문이다.

한편, 17-4PH 스테인리스 강은 마르텐사이트계 석출경 화형 합금으로 가공성과 내식성이 우수하고 강도와 연성 이 좋다는 장점이 있어 다양한 산업 분야에서 사용되고 있다. 특히 내마모성과 내식성이 우수하고 변형이 적어 금 형 소재로 사용되고 있다.

본 연구에서는 17-4PH 분말 소재를 사용하여 DED 적 층 공정에서 레이저 빔 직경을 달리하여 17-4PH 적층 조 형체를 제조하였으며 기공과 미세조직을 관찰 후 경도 측 정 및 에너지 밀도를 계산하여 레이저 빔 직경 변화에 따 른 미세조직 및 기계적 특성 변화에 대해 연구하였다.

2. 실험 방법

본 연구에서는 DED 기반의 금속 적층 조형 장비로 적 층 제조 시험을 진행하였다. DED 장비로는 국내의 AM솔 루션(AM Solution) 사에서 자체 제작되어진 3D 프린팅 장 비를 사용하였다. 사용된 기판의 소재는 SM45C이고 사용 된 분말은 크기가 45–150 mm 인 17-4PH 분말을 사용했으 며 Sandvik 사에서 제공받았다. 소재의 화학적 조성을 Table 1에 나타냈다. 17-4PH 3D 조형체는 DED장비를 통 해 레이저 출력(laser power) 500W, 스캔 속도(scan speed) 900 mm/min, 분말 분급량(powder flowrate) 4.5 g/min의 조건에서 적층되었고 beam diameter를 각각 1.0 mm, 1.8 mm의 두께로 변화를 주어 적층을 진행하였다. 세부적인 공정 조건들을 Table 2에 나타냈다. 적층 제조가 완료된 시편의 기공과 미세조직 관찰을 위해 JEOL 사의 JSMIT500 장비 주사 전자 현미경을 이용하여 미세 조직사진 을 촬영하였다. 미세 조직 분석을 위해 CuCl2 1 .5 g, HCl 33 ml, Ethanol 33 ml, H2O 33ml Kalling’s 에칭 용액을 사 용하였다. 또한 적층된 시편의 기공률 측정을 위해 Image- J 소프트웨어를 이용하여 기공률을 측정하였다. beam diameter에 따른 기계적 특성 비교를 위한 경도값 측정을 위해 struers 사의 Duramin-40 Vickers hardness 장비를 이 용하여 100 gf의 하중으로 10초 간 압입하여 측정했다. 또 한 공정 조건을 기반으로 beam diameter에 따른 에너지 밀도와 분말 증착 밀도를 계산하였다.

Table 1

Chemical composition of the as-received 17-4PH stainless steel powder

Table 2

Additive manufacturing process parameters

3. 실험 결과 및 고찰

Fig. 1은 서로 다른 레이저 빔 직경으로 적층제조된 조 형체의 거시사진을 보여준다. 두 조형체 모두 박리나 균열 이 발견되지 않고 균일하게 적층 되었다. 표면 조도의 경 우 1.0 mm의 조건에서 더 높은 것을 확인할 수 있었으며 1.8 mm 조건으로 제조된 시료에서 용융선 너비(weld track width)가 상대적으로 더 두꺼운 것을 확인할 수 있었다. Fig. 2는 레이저 빔 직경 조건에 따른 기공 발생 정도를 관 찰하기 위해 조형체 일부를 절단하여 SEM 관찰한 사진이 다. 1.0 mm 직경으로 적층된 조형체(Fig. 2(a))는 기공이 적고 기판과의 접합성도 우수한 것으로 나타났다. 반면, 1.8 mm 직경으로 제조된 시료의 경우는 많은 기공들이 발 생하였다(Fig. 2(b)). 거시적으로 비교해보았을 때도 1.0 mm 직경으로 적층되어진 조형체가 기공 발생율이 현저히 적었고 기공의 크기 또한 작은 것으로 확인되었다. Image- J 소프트웨어를 이용하여 기공률을 계산해보았을 때 1.0 mm 직경 조건에서는 약 0.03%의 기공 분율이 얻어졌다. 반면, 1.8 mm 직경에서는 약 0.3% 수준으로 기공 분율이 약 10배 수준으로 높았다. Fig 3은 적층된 조형체의 기공 형태를 관찰하기 위해 촬영된 사진이다. 1.0 mm 직경 조 건에서 적층되어진 조형체는 구형의 기공이 주로 관찰되 었다(Fig. 3(a)). 이는 높은 에너지 밀도로 인해 발생한 기 화가스가 내부에 갇혀서 발생한 것으로 판단된다. 1.8 mm 직경의 조형체에선 구형의 기공(Fig. 3(b)) 뿐만 아니라 괴 상의 기공들도 관찰되었는데 incomplete melting이 주 원 인으로 보인다(Fig. 3(c)). 동일한 레이저 출력과 분말 분급 량의 조건에서도 기공의 발생 빈도와 크기 차이가 나는 이 유는 레이저 빔 직경이 커질수록 순간적으로 분말을 용융 시킬 수 있는 에너지 효율이 저하되었기 때문으로 보인다.

Fig. 1

Macro photos of 17-4 PH samples fabricated by DED with a beam diameter of (a) 1.0 mm and (b) 1.8 mm, respectively.

Fig. 2

SEM montage images of 17-4 PH samples fabricated by DED with a beam d iameter of ( a) 1 .0mm and (b) 1.8mm, respectively. Arrows indicate the path of hardness indentation.

Fig. 3

SEM images of 17-4 PH samples fabricated by DED with a beam diameter of (a) 1.0 mm and (b, c) 1.8 mm, respectively. White arrows indicate gas pores while yellow arrows indicate incomplete melting pores.

Fig. 4는 Kalling’s 에칭 용액으로 에칭된 시편을 SEM 장 비로 촬영한 미세조직 사진이다. 50배율로 관찰한 1.0 mm 직경 조형체(Fig. 4(a))의 경우 생성된 용융풀의 길이가 짧 고 겹치는 영역이 적은 것으로 보인다. 이에 반해 1.8mm 직경 조형체(Fig. 4(b))의 경우 용융풀의 길이가 길고 겹치 는 간격이 비교적 많은 것으로 판단된다. 또한 200 배율과 500배율로 관찰한 미세조직 사진에서는 두 조건에서 모두 판상형(lath) 마르텐사이트 조직이 관찰되었으며 마르텐사 이트 조직 사이에 잔류 오스테나이트가 관찰되었다.

Fig. 4

SEM images of 17-4 PH samples fabricated by DED with a beam diameter of (a, c, e) 1.0 mm and (b, d, f) 1.8 mm, respectively. White dashed lines indicate melt pool size while orange dashed lines indicate lath martensite.

기공과 미세조직 분석을 통해 동일한 레이저 출력과 분 말 분급량 조건에서도 레이저 직경 변화에 따라 에너지 밀도의 차이가 발생해 결함의 생성 정도에 영향을 미치는 것으로 보인다. 에너지 밀도에 미치는 공정 변수의 영향에 대한 분석은 보통 세가지 공정 변수 레이저 출력, 스캔 속 도, 레이저 직경을 고려한 단위 면적당 에너지(Energy density per unit area; E_eff)를 통해 정의된다. 단위 면적당 에너지는 다음 식과 같이 나타낼 수 있다[4].

(1)

하지만 기존 에너지 밀도에 관한 식에는 분말 분급량을 고려하지 못해 실제 에너지 밀도와 일치하지 않는 경우가 발생하기도 한다. 따라서 에너지 밀도와 분말 분급량을 모 두 고려한 global energy density(GED’)를 이용하여 레이 저 빔 직경 변화가 적층 조형체의 기공 생성과 미세조직 에 미치는 영향을 분석하였다. 에너지 밀도와 분말 분급량 을 모두 고려한 에너지 밀도 GED’는 다음 식과 같이 나 타낼 수 있다[5].

(2)

P는 레이저 출력, V는 스캔 속도, d_Laser는 레이저 빔 직경 을 나타내며 단위는 J/mm²이다.

한편, 분말 증착 밀도(powder deposition density; PDD_eff) 는 증착된 분말의 양을 나타내는 변수로 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.

(3)

여기서 R은 분말 분급량을 나타내며 단위는 g/mm²이다. 위의 식들을 바탕으로 레이저 빔 직경에 따른 에너지 밀 도 및 분말 증착 밀도를 계산하여 Table 3에 나타냈다.

Table 3

E _eff, PDD_eff, and GED' values with laser beam diameter

기존 에너지 밀도와 분말 증착 밀도 식으로 계산했을 때 보다 레이저 출력과 분말 분급량 모두 고려하여 계산한 에너지 밀도 식에서 더 많은 에너지 밀도 차이가 발생했 다는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 1.8 mm 빔 직경 조건 에서는 에너지 밀도가 낮아 적층 시 많은 기공이 발생한 것으로 판단된다.

한편, 1.8 mm 조건 시료의 GED’ 값인 0.137 과 동일한 값을 가지도록 레이저 파워를 155 W로 줄인 후 1.0 mm 레이저 빔 조건으로 적층 조형을 수행해 보았 다. 이 경우는 상기한 두 시료와 다르게 금속분말이 전혀 용융되지 못하였다. 이는 금속분말의 용융거동은 단순히 에너지 밀도 조건 외에 레이저 빔 크기와 파워에 직접적 인 영향을 받는 다는 것을 보여준다.

Fig. 5는 레이저 직경 변화에 따른 마이크로 비커스 경 도값을 측정한 결과를 contour 그래프로 나타낸 것이다. Fig. 2의 하얀 화살표 적층 방향을 따라 1mm의 간격으로 경도 측정을 진행하였다. 1.0 mm 직경 조형체(Fig. 5(a))의 경도값은 390~400 HV 수준으로 나타났다. 계면 부분에서 는 450 HV 이상으로 비교적 높은 경도값을 보이게 되었 는데, 이는 높은 에너지 밀도로 기판을 용융시키며 열처리 효과를 발생시켜 경도가 상승한 것으로 판단된다. 1.8 mm 직경 조형체(Fig. 5(b))의 경우에는 1.0 mm 직경 조형체와 비교했을 때 17-4PH 조형체 경도값은 비슷한 수준인 390~400 HV 수준으로 나타났다. 하지만 계면 부분에서는 비교적 낮은 경도값을 보이고 있다. 이는 비교적 낮은 에 너지 밀도로 인해 기판을 충분히 용융시키지 못했기 때문 인 것으로 판단된다.

Fig. 5

Vickers hardness contour graphs of the samples with (a) 1.0 mm and (b) 1.8 mm beam diameter, respectively.

4. 결 론

본 연구에서는 17-4 PH 스테인리스강 분말 소재를 이용 하여 DED 공정을 통해 조형체를 제작하였다. DED 적층 공정 변수 중 레이저 빔 직경 변화에 따른 미세조직 및 경 도 변화와 에너지 밀도를 분석하기 위한 연구를 진행하였 다. 레이저 빔 직경이 작을수록 기공의 크기와 개수가 감 소하는 경향을 보였다. 또한 빔 직경이 더 큰 조건에서 incomplete melting 형태의 기공들이 발생하였다. 미세조 직을 관찰했을 때 두 조건 모두 마르텐사이트 조직이 관 찰되었다. 빔 직경이 작을수록 생성되는 용융풀의 크기는 작았고 겹치는 영역이 적었다. 이러한 차이는 빔 직경 차 이에 따른 에너지 밀도 변화가 주 원인으로 보인다. 그러 나, 동일 에너지 밀도에도 금속분말의 용융정도는 레이저 빔 직경과 파워 변화 직접적인 영향을 받았다. 한편, 1.0 mm 빔 직경으로 제조된 시료는 1.8 mm 조건보다 기판부 근에서 경도가 더 높았다. 이는 17-4PH 금속분말과 탄소강 기판 간의 용융 혼합 정도가 영향을 미친 것으로 보인다.

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Figure & Data

References

Citations

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