1. 서 론

적층제조기술(Additive manufacturing, 이하 AM) 또는 3D 프린팅이라고 불리는 기술은 1980년대 미국에서 개발되었 으며, 최근에는 4차 산업의 등장과 함께 제조산업의 미래라 는 평가를 받으며 활발한 연구가 진행되고 있다. AM은 기 존의 주조공정과는 다르게 적층 장비를 이용하여 원하는 형 상을 직접 제작할 수 있는 장점이 존재한다. 3D 디자인 프 로그램을 통해 제품을 직접 제작하기 때문에 복잡한 형상 제작에서 장점을 가지고 있기 때문에 원소재의 손실을 크게 낮출 수 있다. AM 기술은 자동차, 의료, 우주항공, 건축 등 대부분의 산업에서 적용되고 있으며 그 활용범위가 점차 증 가하고 있는 추세이다[1-3].

AM은 Al, Fe, HEA 등 재료의 종류와 적층 방법에 따라 Laser source, strategy, parameter 등이 중요하게 작용한다. ASTM 기준 총 7가지의 방식으로 나누어 볼 수 있는데, PP(Vat Photopolymerization), MJ(Material Jetting), ME(Material Extrusion), PBF(Power bed fusion), BJ(Binder Jetting), DED (Direct energy deposition), SL(Sheet lamination)이 존재한다 [4]. 이 중 PBF(분말적층용융), DED(고에너지직접조사)방식 은 산업에서 금속제품 제작에 활발하게 적용되고 있는 방식 이다. DED는 그림 1과 같이 고출력 레이저를 직접 조사하 여 분말 혹은 와이어를 용융시켜 모재 표면에 적층하는데, 레이저에 의해 금속 분말이 용융되어 이루어진 적층부는 모 재 용융 결합(fusion bonding)이 되어 우수한 결합력을 가지 며, 빠른 냉각속도로 인해 치밀한 조직을 형성하게 된다. 또 한, 열변형 및 열변형부(HAZ, Heat affected zone)를 최소화 할 수 있기 때문에 복잡한 3차원 형상의 제품을 제작하거나 부품 표면에 원하는 기계적 특성을 부여할 수 있다[5].

Fig. 1

Typical process of direct energy deposition (DED).

최근에는 AM 기술을 국제적인 문제로 집중되고 있는 탄 소중립과 연결하여 많은 연구가 진행되고 있다. 특히 경량 철강의 경우 CO₂ 배출량 감소 및 연비 규제 강화, UAM (Urban Air Mobility)이라 불리고 있는 도심항공교통의 등장 등으로 인해 소재의 경량화 전략 핵심으로 자리잡고 있으며 경량화 기술은 산업에서 핵심 기술로써 연구되고 있다. 기 존의 경량화 전략은 강의 두께 및 크기를 감소시키는 방법 을 사용하였지만, 이러한 방법은 소재의 강성 저하, 진동 등 에서의 문제 발생을 야기할 수 있기 때문에 새로운 경량화 전략에 대한 필요성이 높아지고 있다. 이러한 문제점을 해 결하기 위해 경량철강에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으 며, Al 합금, 고엔트로피합금(HEA, High entropy alloy), 고 /중망간강 등을 이용한 경량철강 제작이 진행되고 있다[6- 8]. 그 중 철강에 경량원소인 Al을 첨가하여 강의 밀도를 낮 춘 Fe-Mn-Al-C계 경량철강은 주요 구성 원소인 Al, Mn, C 의 함량에 따라 오스테나이트계, 페라이트계, 듀플렉스계로 구분되어 많은 관심을 받고 있으며[9-14], 그 중에서 특히 중망간(medium-Mn) 혹은 고망간강(high-Mn)은 매우 우수 한 인장강도(최대 1500 MPa) 및 연신율(80%)을 보이고 있 어 경량재료로써 활발히 연구가 되고 있다[15, 16]. 이러한 우수한 기계적 특성에도 불구하고 고함량의 Al은 수소 취성, 탄성계수 감소에 따른 강의 물성 저하시키고, 다량의 Mn첨 가는 접합의 어려움에 따른 공정비용 상승과 같은 문제가 존재하기 때문에 추가적인 연구가 필요한 상황이다[9, 17].

본 연구에서는 AM 공법 중 하나인 DED 공법을 이용하 여 기존의 Fe-Mn-Al-C 경량철강의 문제점을 해결하기 위해 2.8 wt.% Mn이 함유된 저망간 경량철강을 제작하기로 하였 다. 또한, 본 연구는 기계적 물성 확보에 목표를 두지 않고 적층 성능을 확인하는 것에 초점을 두며 진행하였다.

2. 실험 방법

본 연구에서는 저망간 Fe-Mn-Al-C 경량철강(이후 LMS) 을 이용하여 실험을 진행하였다. 금속분말은 DED에 특화된 50~150 μm 크기의 분말을 MK Metal(Korea)을 통해 제작되 었으며 직접 용착 방식의 다중 노즐 3D 프린터(Standard laser power provided with system, YMD-250, EML Co., Ltd., laser thickness: 300 μm)를 활용하여 SUS316 기판(80 * 80 * 10 mm)위에 2가지 laser scan power를 사용하여 실험 을 진행하였다. Laser scan speed는 1000 mm/min으로 고정 한 뒤 15 * 15 * 5mm(가로 * 세로 * 높이)의 크기로 조형체 제작을 진행하였다. 표 1에서 본 연구에서 사용된 DED parameter를 나열하였다.

Table 1

Optimum DED processing conditions of LMS

분말의 조성을 확인하기 위한 유도 결합 플라즈마 발광 분석법(Inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy, ICP-OES, LEEMAN)을 이용하였으며, 분말은 0.1 g, 용해제는 HNO₃: HCl : H₂O = 3 : 1 : 6(체적비) 20 ml, 용해온 도는 190oC에서 진행하였다. 입도분석기(Malvern Mastersizer 3000)을 이용하여 입도 분석을 진행하였으며, 주사전자현미 경(Scanning electron microscopy, SEM, JEOL; JSM-7900F) 을 통한 구형도 및 분포도를 확인하였다.

Pore 및 crack 유무를 확인하기 위해 시편의 scan direction 단면을 Sand paper를 이용하여 #200에서 #4000까지 Macro polishing을 하였고, 3 μm, 1 μm Diamond suspension, Colloidal silica suspension을 이용하여 Micro polishing을 차례로 진행 한 뒤 SEM 분석을 진행하였다.

3. 결과 및 고찰

그림 2는 본 연구에서 사용된 LMS 분말의 형상(a, b)과 입도 분석 결과(c)를 나타낸 것이다. DED 공정에 적합한 50~150 μm 수준의 크기를 확인할 수 있었으며, 전반적으로 구형의 입자를 이루는 것을 확인할 수 있었다. SEM을 이용 한 분말의 고배율 이미지(b)에서는 Gas atomization 공정 시 발생하는 전형적인 응고 조직이 확인되었으며, 미세한 분말 이 붙어있는 위성분말 또한 확인되었다. LMS 분말의 입자 크기 분포는 d₁₀=55.4 μm, d₅₀=87.4 μm, d₉₀=139 μm, d₉₅=157 μm로 관찰되었다. 해당 분말을 이용하여 제작된 LMS를 그 림 3에 나타내었다.

Fig. 2

(a), (b) Initial morphology and (c) particle size distribution of the LMS powder used for DED.

Fig. 3

The LMS sample by DED. (Right) 800W, (Left) 600W.

이 후, DED 공정을 통해 제작된 LMS의 조성을 확인하기 위해 ICP-OES 분석법을 이용한 조성 분석을 진행하였으며 이를 표 2에 명시하였다.

Table 2

Chemical composition of the LMS (wt.%)

기존 Fe-Mn-Al-C 경량철강 대비 낮은 함량의 Mn을 함유 하고 있는 것을 확인할 수 있었으며, 약 6.01 wt.% Al을 확 인할 수 있는데, 기존 Fe-Mn-Al-C 경량철강에서는 Al을 5 wt.% 이상을 첨가하여 밀도를 낮춰 우수한 강도 및 연성을 확보하였다[9-14]. 기존 연구결과에서는 AM이 아닌 주조공 정을 이용하여 Fe-Mn-Al-C 저망간 경량철강을 제작하였는 데, 항복강도는 약 798 MPa, 최대 인장 강도는 1,118 MPa, 총 연신율 47% 수준의 우수한 특성을 보이는 것을 확인할 수 있다[18]. 주조 과정 중 용질원자의 partitioning에 의해 생성되는 조대한 결정립 크기를 가지는 팬케이크 형상은 전 체적으로 소재의 강도를 저하시키는 원인으로 볼 수 있다 [19, 20]. 그러나 AM의 특성상 냉간, 온간 압연을 진행하지 않기 때문에 팬케이크 형상의 형성이 발생하지 않아 주조 공정 대비 우수하거나 또는 비슷한 기계적 특성을 지닐 수 있을 것으로 유추할 수 있다.

이후 pore 및 crack을 관찰하기 위한 SEM을 이용한 미세 조직 분석을 진행하였다. 그림 4, 5은 각각 scan power가 600 W, 800 W 일 때의 SEM 이미지이다. 두 조건 모두에서 약 0.5~1 μm의 미세한 pore가 관찰되었으며 600W일때의 조건에서 상대적으로 많은 양의 pore가 발생한 것을 확인할 수 있다. 또한 모든 조건에서 cell structure 확인이 가능하였 으며 800W 조건에서 600W보다 미세하고 상대적으로 규 칙적인 크기의 구조가 발생하는 것을 확인할 수 있었다. Cell structure는 기존 연구결과에서 보고된 바와 같이 인접 한 cell이 유사한 결정학적 방향을 가지기 때문에 결정립 구 조로 해석이 불가능하다[21]. 비록 결정립으로 간주할 수는 없지만 변형 중 전위 운동에 대한 장벽으로 작용하는데 중 요한 역할을 하며 인장 강도와 intragranular cell spacing 사 이의 Hall-Petch 유형 상관관계는 이전 연구에서 확인할 수 있었다[22, 23].

Fig. 4

Scanning micrographs subjected to 600W scan power of LMS.

Fig. 5

Scanning micrographs subjected to 800W scan power of LMS.

600W 조건인 LMS의 SEM 이미지 구형의 pore와는 다른 lamella structure를 관찰할 수 있었다(그림 6의 노란색 박스 표시). 기존 pore 대비 크기 및 형상에서의 차이가 존재하여 SEM-EDS(energy dispersive spectroscopy, 에너지 분산 분광 분석기)를 이용하여 분석을 진행하였다. Pore 또는 Crack일 것으로 예상했던 것과는 다르게 해당 영역은 pore와 crack 은 아닌 것으로 확인할 수 있었다. 해당 조직에 대한 명확 한 분석은 투과전자현미경(Transmission electron microscopy, TEM), 후방산란전자 회절패턴 분석기(Electron backscatter diffraction, EBSD) 등의 추가적인 조직 분석이 필요할 것으 로 생각된다.

Fig. 6

EDS analysis of LMS subjected to 600 W scan power of LMS.

추후 인장실험 진행을 위한 10 * 30 * 10 mm 크기의 Bulk 시편 적층을 진행하였는데, 본 연구를 위해 제작한 15 * 15 * 5mm 크기의 조형체 제작 시에는 발생하지 않았던 적층 도중 장비 멈춤 현상과 노즐부에서 분말이 녹아버리는 현상 이 발생하였다. 추후 진행하는 연구에서는 본 연구결과를 기반으로 AM에서 핵심적인 parameter로 작용하는 feeder rate, laser scan power, laser scan speed 등의 조건을 확립함 으로써, 앞선 문제를 해결할 수 있도록 하여 인장 실험을 통 한 기존 주조재 및 고망간, 저망간 경량철강 대비 기계적 특 성에 대한 평가를 진행하고자 한다.

4. 결 론

본 연구에서는 기존 Fe-Mn-Al-C 경량철강 대비 낮은 함 량의 Mn을 함유한 저망간 경량철강을 DED 공법을 이용하 여 제작하고자 하였다. 600, 800 W 총 2가지 조건으로 실험 을 진행하였으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

• (1) 입도분석 결과 분말은 전체적으로 구형의 형태를 갖추 는 것을 확인할 수 있었으나, 표면에 미세한 분말들이 붙어있는 위성분말 또한 확인되었다.

• (2) SEM 분석 결과 전체적으로 미세한 pore를 관찰할 수 있었으며 600 W 조건 대비 800W에서 보다 적은 양 의 pore와 규칙적은 cell structure를 관찰할 수 있었다. 이를 기반으로 600 W 대비 800W에서의 LMS가 더 높은 기계적 특성을 지닐 것으로 유추해볼 수 있다.

• (3) 본 연구는 Laser scan power에 따른 분말의 적층 성능 을 판단하기 위한 실험이었지만, 보다 안정적인 적층 을 위한 공정 parameter 확립을 위한 추가적인 실험을 필요로 한다. 추후 연구에서는 공정 parameter 확립을 통해 본 연구에선 한계가 있던 Bulk 시편 제작을 통한 기계적 특성 평가가 이루어져야 한다.

Acknowledgements

감사의 글

이 논문은 2022년도 정부(한국연구재단 및 과학기술정 보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행 된 기초연구사업임(NRF-2021R1A2C4002622 및 NRF-2022 R1A5A1030054).

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Figure & Data

References

Citations

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