1. Introduction

알루미늄 합금은 높은 비중 대비 강도, 높은 내마모성과 낮은 비용으로 인해 항공 및 자동차, 건물 등 다양한 공학 분야 산업에서 널리 사용되고 있다[1]. 자동차 산업에서 유해 배출물의 양에 대한 환경 규제는 높아지고 있으며 그로 인해 더 높은 안전 요구 사항을 충족해야 한다. 조건 을 충족하기 위해 고강도, 경량은 중요한 역할이고, 이에 따라 세계적으로 알루미늄 합금에 대한 수요가 증가하고 있다[2]. 또한 강도와 연성 또는 강도와 전기 전도성 등과 같은 상반(trade-off) 특성을 동시에 향상시키는 방법을 찾 기 위해 많은 연구가 진행되고 있다[3]. 조건에 맞는 합금 을 디자인하기 위해서는 1) 주조를 통해 합금을 제작하거 나[4], 2) 3차원 적층 제조를 활용하여 합금을 제작하는 방 법이 제시되고 있다. 주조와는 달리 3차원 적층 제조는 짧 은 공정 주기 시간과 분말의 양을 조절함으로써 다양한 합금을 제작할 수 있다는 큰 이점이 존재한다[5, 6].

금속 적층 제조 공정은 분말 소결 방식(Powder bed fusion; PBF)과 직접 용착 방식(Direct energy deposition; DED)으로 크게 구분한다[7]. 직접 용착 방식은 기판 위 국 부적인 영역에 열을 가하면 용융 풀이 형성되고, 해당되는 영역에 금속 분말을 투입하면서 금속 재료를 적층 제조하 는 공정으로, 미량의 분말만으로 금속 시편을 제작할 수 있다는 이점이 존재한다[8].

이에 본 연구에서는 직접 용착 방식의 적층 제조를 활 용하여 다양한 조성의 합금을 짧은 공정 주기 시간으로 제작하여 물성을 평가하고자 한다. 알루미늄 합금은 첨가 되는 원소 함량에 따라 합금의 미세구조와 기계적 특성이 달라진다[9, 10]. 이에 따라 우수한 성형성과 좋은 내부식 성을 이점으로 가지고 있는 6천계 합금[11]과 중량 대비 높은 강도, 우수한 주조성이 있는 Al-Si계 합금[12]을 이 용하여 조합 실험을 설계하고자 하였다. 다중 노즐을 사용 한 적층 공정의 직접 용착 방식을 활용하여 Al6061 합금 (Al-0.6Si-0.28Cu-1.00Mg-0.35Fe)과 Al-12Su 합금을 동시 에 투입하면서 조합 실험을 진행하고, 배합비를 조절함으 로써 적층 샘플의 조성을 다양화하였다. 그리고, 적층 샘플 의 미세구조, 기계적 특성을 분석하며 trade-off 특성을 높 이는 합금의 배합비를 찾고, 상관관계를 분석하고자 한다.

2. Experimental

본 연구에서는 Al 6061합금과 Al-12Si 합금을 조합하여 다양한 조성의 합금을 적층 제조한 뒤, 적층 제조한 샘플 의 미세구조와 특성을 분석 및 평가하였다. 조합 실험에 사용된 Al6061 합금 분말(EML Co., Ltd)과 Al-12Si 합금 분말(EML Co., Ltd)은 가스 분사 공정을 통해 제조한 후, 직접 용착 방식(Direct Energy Deposition, DED)에 최적화 된 50–150 μm 크기로 사용하기 위해 분급기(Sieve shaker, Analysette 3, Fritsch)를 활용하여 분급한 후 분말을 이용 하였다. AA6061 기판(80 × 80 × 10 mm) 위에 분말의 투입 량을 조절 및 적층하고, 직접 용착 방식의 다중 노즐 3차 원 프린터(standard laser power provided with system, YMD-250, EML Co., Ltd., laser thickness: 300 μm)를 활 용하여 조합 실험을 진행하였다. Al6061 합금과 Al-Si 합 금의 비율을 조절하여 총 9개의 적층 샘플을 제작하였다. 또한 각 샘플의 최적화된 적층 조건을 위해 레이저 조사 량와 적층 속도를 조절하였고, 그에 따른 적층 샘플의 조 성과 3차원 프린팅 조건은 표 1을 통해 확인할 수 있다. 적층 샘플 1에서 9로 갈수록 Al-6061 합금의 함량이 증가 하고, Al-12Si 합금의 함량은 감소하도록 설계하였다.

Table 1

Combinatorial samples and fabrication conditions for the Al6061+Al-12Si printed samples

Sample No.	Fraction (%)		Nominal Composition (wt.%)					Laser Power (W)	Scan Speed (mm/min)	Energy Density (J/mm3)
	Al-12Si alloy	Al6061 alloy	Si	Cu	Mg	Fe	Al
S1	100	0	12.00	0.00	0.00	0.00	Bal.	500	800	300
S2	87.5	12.5	10.58	0.03	0.13	0.04		500	800	300
S3	75	25	9.15	0.07	0.25	0.09		550	600	440
S4	62.5	38	7.73	0.10	0.38	0.13		600	600	480
S5	50	50.0	6.30	0.14	0.50	0.18		600	400	720
S6	37.5	63	4.88	0.17	0.63	0.22		650	400	780
S7	25	75	3.45	0.21	0.75	0.26		700	400	840
S8	12.5	87.5	2.03	0.24	0.88	0.31		750	400	900
S9	0	100	0.60	0.28	1.00	0.35		750	400	900

조합 실험으로 제조된 9종의 Al-Si-Cu-Mg-Fe 적층 샘플 의 실제 조성 분석은 발광 분광 분석기(Arc/Spark optical emission spectrometry; Arc/Spark OES, SPECTROCHECK, Ametec Co.)를 통해 확인하였다. 각 적층 샘플의 미세구 조 분석을 위해 연마지(#80-#1200)와 알루미나 연마재를 이용하여 표면 연마를 진행한 후, 각 적층 샘플의 미세구 조를 분석하였다. 이후 Cu–Kα(λ=1.5405 Å) X-선을 적용 하는 X선 회절 분석기(X-ray diffractometer; XRD, Ultima IV, Rigaku instrument)를 통해 각 적층 샘플의 상을 분석 하였고, 조건은 20-120º의 범위에서 10º/min 주사 속도로 진행하였다. 광학현미경(Optical microscope, JEOL LTD.) 을 활용하여 미세구조를 분석하였고, 전계방출형 주사전 자 현미경(Field-emission scanning electron microscope; FESEM, JSM-7610F, JEOL LTD.)과 에너지분산형 분광분 석법(Energy dispersive X-rayspectrometer; EDS)을 통해 분말의 형상 및 상의 조성을 확인하였다. 그리고, 미소-비 커스 경도기(Micro Vickers hardness, HM-211, Mitutoyo) 를 통해 조성과 미세구조 차이에 따른 적층 샘플의 기계 적 특성을 평가하였고, 조건은 0.5 kgf의 압입 하중에서 5 회 측정 후 평균값을 측정하였다.

3. Results and Discussion

그림 1은 3차원 적층 제조 공정에 사용한, 가스 분사를 통해 제조된 Al-6061, Al-12Si 합금 분말의 SEM 이미지 이다. 2종의 합금 분말 모두 3차원 적층 제조 공정에 사용 되기 적합한 50-150 μm 크기이고, 대부분 구형의 분말인 것을 알 수 있다. 하지만 일부 조대한 입자들이 나타나고, 표면에 위성 현상을 보이는 용접된 입자들이 보여, 표면 거칠기를 증가시키고, 일부 분말은 구형이 아닌 불규칙한 형상을 보인다. 이는 분사 공정간 조대한 크기의 분말들이 응고되는 과정에서 다른 미세한 입자들과 접촉이 일어나 고, 그에 따라 상호 작용이 발생한 결과이다[9, 10].

Fig. 1

SEM images of the raw alloy powders; (a), (c) Al-6061 and (b), (d) Al-12Si alloy powders.

그림 2와 표 2는 조합실험을 진행한 6061-12Si 적층 샘 플에 대해 발광분광분석기를 활용하여 실제 조성을 분석 한 결과이다. 적층 샘플 1에서 9로 갈수록 Si 함량이 감소 하고, Cu와 Mg 함량은 미세하게 증가하고 있는 것을 통 해 표 1에서 설계했던 이론 조성과 실제 조성이 오차범위 4% 안에서 일치하는 것을 확인할 수 있다. 또한 그림 1에 서 관찰한 바와 같이 일부 분말이 높은 표면 거칠기와 불 규칙적인 형상을 보임에도 불구하고, 설계한 조성대로 샘 플이 제조되었음을 알 수 있다. 적층 샘플 1의 경우, Cu, Mg, Fe, Mn이 극소량 첨가 되어있는 것을 보아 투입된 Al-12Si 분말에 불순물이 섞여 제조된 것으로 사료된다. Mg 함량이 설계된 이론 조성보다 상대적으로 낮은 값으 로 측정되었고, 원소의 증발량이 다른 원소에 비해 많은 것으로 사료된다. 레이저와 금속 분말이 함께 나오며 적층 이 진행되는데, 기판위에 금속 층이 쌓일 때 Melt pool이 형성된다. Melt pool은 약 1000-4000 K의 온도 범위로[11], Zhao와 DebRoy의 연구에 의하면 Mg의 기화율은 알루미 늄보다 약 2배 더 크게 나타났고, Melt pool로 인한 Mg 손실이 있음이 언급되었다[12]. 또한 Mg는 다른 합금 원 소(Si, Cu)와 비교하여 기화점이 낮아 상대적으로 더 많이 증발한 것으로 나타난다[13].

Fig. 2

Actual content of alloying elements for various combinatorial samples of printed Al6061+Al-12Si samples measured by Arc/Spark optical emission spectrometry.

Table 2

Actual chemical composition of printed Al6061+Al-12Si printed samples measured by Arc/Spark optical emission spectrometry

Sample	Actual composition (wt.%)
	Si	Cu	Mg	Fe	Mn	Al
1	11.65	0.04	0.03	0.13	0.02	87.83
2	9.61	0.07	0.15	0.14	0.01	89.75
3	7.85	0.10	0.22	0.15	0.01	91.44
4	6.60	0.12	0.27	0.16	0.01	92.65
5	5.44	0.15	0.34	0.17	0.01	93.79
6	4.25	0.17	0.39	0.19	0.01	94.77
7	2.90	0.19	0.44	0.20	0.01	96.18
8	1.75	0.21	0.48	0.21	0.01	97.33
9	0.66	0.24	0.54	0.23	0.01	98.32

그림 3은 XRD를 활용하여 6061+12Si 조합샘플 1에서 9를 분석한 결과이다. 모든 샘플 내에 Si, Al 기지와 Al₂O₃ 에 해당하는 피크가 관찰된 것을 확인할 수 있다. 적층 공 정 시, 아르곤 가스 분위기에서 레이저와 분말이 동시 투 입하면서 산화를 방지하였지만, 합금 분말 표면에 산화물 층이 존재하여 Al₂O₃ 피크를 형성한 것으로 추정된다. Al 합금 분말은 가스 공정을 통해 제조하면서 응고 과정 중 분말 표면에 나노 크기의 산화물 층이 얇게 형성되고[14], 이에 따라 적층 제조된 샘플에도 Al₂O₃가 구성된 것으로 사료된다. 적층 샘플 1에서 9로 갈수록 Si에 해당하는 피 크의 intensity가 낮아지는 것을 알 수 있으며, 이러한 경 향은 실제 조성 측정 결과(표 2)와 일치한 결과이다. 적층 샘플 1-5는 Si 피크가 확연히 나타난 반면, 적층 샘플 6-9 는 Si 피크이 나타나지 않은 것으로 보아 샘플 6-9에서 Si 는 Al 기지에 고용되어 있는 것으로 관찰된다. 적층 샘플 1에서 5로 갈수록 Al 피크가 감소하는 경향을 보이는데, 이는 적층 샘플 1에서 많은 Si 함량으로 인해 Al 기지내 고용되어 있는 원자가 적고, Si segregation 현상이 발생했 다는 것이다. 그리고 적층 샘플 5에서 9로 갈수록 2차상 (Al₂Cu)이 생성되는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 3

XRD phase analysis result of 6061+12Si printed samples 1 to 9.

그림 4, 5은 XRD와 기계적 특성을 기반으로 구분한 적 층 샘플 1, 5, 7, 8의 미세구조를 나타낸 SEM 분석 이미 지이다. XRD에서 보였던 양상과 같이 Si 상이 샘플 1에 서 9로 갈수록 분율이 낮아지는 것을 확인할 수 있다. XRD 피크의 강도가 적층 샘플 1에서 가장 높고, 이는 샘 플 내에 Si의 분율 높으며 SEM 이미지에서도 동일하게 나타났다. 그리고, 적층 샘플 1에서 Si의 분율이 많은 만 큼 segregation 현상이 두드러지게 나타났고, Al-6061 합금 함량이 증가할수록 Si segregation 현상이 감소한 것을 확 인할 수 있다. 적층 샘플 1에서 segregation 현상이 일어나 는 원인은 Si 함량이 많아 Al 기지에 고용되지 않고, 계면 을 따라 Si이 고립되는 것으로 사료된다. XRD를 분석한 결과에서 적층 샘플 6-9는 Si에 해당하는 피크가 확인되지 않았다. 하지만, 실제 미세구조를 분석하였을 때, 적층 샘 플 7에서 미세한 Si segregation 현상을 발견하였고, 이는 XRD 분석으로는 나타나지 않을 정도의 적은 분율로 Si이 결정립계를 따라 존재하는 것으로 확인된다.

Fig. 4

SEM images of (a) sample 1, (b sample 5, (c) sample 7, and (d) sample 9.

Fig. 5

BSE and EDS images of (a) sample 1, (b) sample 5, (c) sample 7, and (d) sample 9.

그림 6과 7은 조합실험을 진행한 적층 샘플 1-9의 전기 전도도와 경도를 나타낸 그래프이며, 결과 값을 표 3에 정 리하였다. 일반적으로 전기 전도도와 경도는 상반(tradeoff) 특성을 갖고 있다고 알려져 있다. 이는 강화기구로 작 용하는 결정 결함들(예컨대, 전위, 결정립계면, 용질 원자, 2상 등)은 전자의 산란원으로 작용하기 때문이다. 실제 본 실험에서도 적층 샘플 1에서 9까지 Si함량이 감소할수록 전기전도도는 증가하고, 경도는 감소하는 경향이 관찰되 었다. 전기 전도도 분석 결과, 샘플 1(33.02 IACS%)부터 샘플 5(40.278 IACS%)까지 전기 전도도 값이 증가하는 경향을 보이고, 샘플 6(28.444 IACS%)에서 미세한 감소가 나타난 후, 샘플 9(46.198 IACS%)까지 값이 증가한다. Si 함량이 4.5% 이상으로 증가함에 따라 고용한도를 벗어나 게 되고 α-Si상이 정출 되어 결정립 계면에 편석 되고, 적 층 소재의 전기전도도를 급격하게 저하시킴을 알 수 있다 [15]. 이를 바탕으로 SEM 분석 결과에서 적층 샘플 1에서 9로 갈수록 Si 정출 현상이 크게 줄어드는 것과 전기 전도 도 결과 값이 증가하는 것은 크게 연관이 있는 것으로 사 료된다. 비커스 경도 분석 결과, 샘플 1(91.8 HV)에서 샘 플 5(71.54 HV)까지 경도 값이 감소하는 경향으로 보이다 가 샘플 7(80.08 HV)까지 증가하고, 6061 합금의 비율이 증가하면서 샘플 9(50.01 HV)까지 경도 값이 감소하였다. XRD와 SEM 분석을 바탕으로 기계적 특성과 미세구조 간의 상관관계를 고찰한 결과, 적층 샘플 1에서 5로 갈수 록 경도가 감소하는 원인은 실제 Si 함량이 11.65 wt. %에 서 5.66 wt. %로 달라짐에 따른 α-Si 정출상의 감소로 사 료되며, 적층 샘플 5에서 7까지 실제 Cu 함량이 0.15 wt. %에서 0.19 wt. %로 달라짐에 따라 2차상(Al₂Cu)이 생성 되면서 경도가 증가하다가, 적층 샘플 9까지는 원소들의 함량이 전반적으로 감소(Si: 0.66 wt. %, Cu: 0.24 wt. %, Mg: 0.54 wt. %, Fe: 0.23 wt. %)하면서 Al 기지 내에 대 부분 고용되어 강화에 큰 역할을 할 수 있는 2차상의 분 율이 줄어들어 경도 값이 증가한 것으로 사료된다. Si, Al₂Cu 상은 Al 기지와 대조하여 더 높은 강성 및 강도를 지니고 있고, Al기지의 전위 이동을 방해하기 때문에, 합 금의 강도 향상에 긍정적인 영향을 준다(E_Si= 151GPa, E_Al2Cu = 127 GPa, E_Al = 69 GPa)[16]. 비록 전기전도도와 강 도는 상반(trade-off) 특성을 보이긴 하지만, 미세구조 최적 화를 통해 두 특성 사이의 최적 조합인 적층 샘플 7을 확 보할 수 있음을 알 수 있다.

Fig. 6

Electrical conductivity of combinatorial samples of Al 6061+12Si alloys.

Fig. 7

Micro-Vickers hardness of combinatorial samples of Al 6061+12Si alloys.

Table 3

Electrical conductivity and micro-Vickers hardness values of combinatorial samples of Al 6061+12Si alloys

Sample No.	Electrical conductivity (% IACS)	Vickers Hardness (HV)
1	33.02	91.8
2	31.922	86.9
3	31.72	81.58
4	33.192	79.2
5	40.278	71.54
6	38.444	75.72
7	41.876	80.08
8	42.324	71.24
9	46.198	50.1

4. Conclusion

본 연구에서는 Al6061 합금과 Al-12Si 합금 분말의 분 사 속도를 조절함으로써 다양한 조성을 지닌 9개의 적층 샘플을 직접 용사 방식의 금속 적층 제조 공정으로 제조 하였으며, 합금 원소에 따른 미세구조의 변화 및 전기전도 도, 경도에 미치는 영향을 고찰하였다. 설계한 바와 같이 적층 샘플 1에서 9로 갈수록 Si 함량(11.65 wt. %에서 0.66 wt. %)이 감소하고 Cu함량(0.04 wt. %에서 0.24 wt. %)이 미세하게 감소하는 조합 샘플들을 성공적으로 제조 할 수 있었으며, 전반적으로 Si 함량이 감소하고, Cu 함량 이 증가할수록 전기전도도는 증가하고, 경도는 감소하는 상반특성(trade-off)의 현상이 관찰되었다. 그러나 Si 함량 을 4.5 wt. % 이하로 조절하여 α-Si 정출상의 결정립 계면 편석을 억제하고, Al₂Cu 석출상의 생성을 유도할 수 있는 조성범위에서 전기전도도와 경도는 최적의 조합을 보였다.

Acknowledgements

Acknowledgement

이 성과는 2022년도 정부(과학기술정보통신부)의 재원 으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(No. 2022 R1A5A1030054).

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