1. Introduction

Ti-6Al-4V(wt.%) 합금은 전세계 타이타늄 합금 시장의 50% 이상의 점유율을 나타내는 소재로서 고비강도와 고 내식성의 특성으로 인해 항공우주, 발전분야, 의료분야 등 다양한 산업분야에서 널리 활용되어지고 있는 소재이다 [1, 2]. 그러나, 이러한 Ti-6Al-4V 합금은 높은 항복강도와 낮은 영률을 나타내는 특성으로 인해 절삭가공이 쉽지 않 으며 성형 도중 극심한 스프링백(Spring-back) 현상이 나 타나는 등, 첨단 산업에서 요구되는 복잡 형상의 제품을 제조하기 어려운 문제점이 존재한다[3-5].

최근 금속 3D프린팅으로도 불리는 금속 적층제조 기술 은 기존의 절삭가공 및 성형 공정과 달리 재료를 한층씩 쌓아 올려 3차원의 형상의 부품을 제조하는 공정으로 전 통공정으로 구현할 수 없는 복잡한 형상의 제품을 제조할 수 있는 장점을 지니며 Ti-6Al-4V 합금의 응용분야와 활 용도를 더욱 넓혀줄 기술로써 최근 각광받고 있다[6, 7]. 특히, 다양한 적층제조 기술들 중 레이저 분말베드 용융 (Laser powder bed fusion, L-PBF) 공정은 3차원 벌크 금 속 제품을 만드는데 있어 뛰어난 설계자유도와 정밀도를 지니는 적층 제조 기술임과 동시에 Ti-6Al-4V 합금에 대 한 공정 적용성이 우수함에 따라 Ti-6Al-4V 합금 기반의 부품 적층제조 및 산업적용에 있어 가장 널리 활용되어지 고 있는 공정으로 알려져 있다[8-11].

한편, 공정 도중 제조되는 시편에 복잡한 입열이 이루어 지는 L-PBF 공정은 시편 내부에 불균질한 미세조직을 야 기하는 것으로 알려져 있다[11]. 또한, 레이저 기반 적층제 조 공정으로 제조되는 부품은 한 부품 내에서도 부위별로 가해진 입열량이 다름에 따라 부품 부위별 서로 다른 미 세조직과 기계적 물성을 나타낼 수 있는 것으로 알려져 있다[12]. 이러한 양상은 L-PBF 공정으로 제조되는 부품 은 레이저 입열 등 공정 조건 변화뿐만 아니라, 동일 공정 조건하에서 부품의 형상에 따라서도 미세조직과 기계적 물성이 달라질 수 있음을 암시한다.

본 연구에서는 L-PBF 공정으로 제조되는 Ti-6Al-4V 합 금의 형상에 따른 물성 차이에 대한 기초 연구를 위해 얇 은 판형의 시편과 상대적으로 두꺼운 직육면체 시편을 적 층제조하여 기계적 물성 평가와 미세조직 분석을 수행해 보았다.

2. Experimental

2.1. 원료 분말

본 연구에서는 L-PBF 공정에 사용되는 원료 분말로써 대한민국의 코스글로벌社에서 제조된 Grade 5의 Ti-6Al- 4V 합금 분말을 활용하였다. 해당 분말에 대한 입도분포 측정을 위해 FPAR-1000 장비(FORMULACTION社, France) 를 활용해 분말 입도분석을 수행하였으며 그 결과를 그림 1(a)에 도시하였다. 측정된 분말의 D10, D50, D90은 각각 24 μm, 36 μm, 51 μm 값을 나타냈다. 원료 분말의 유동 도를 측정하기 위해 탭 밀도와 겉보기 밀도의 비율인 Hausner ratio와 홀 유동도를 측정하였으며, 이를 통해 측 정된 값들은 Table 1에 요약하였다[13, 14]. 해당 결과를 통해 본 연구에 활용된 Ti-6Al-4V 합금 분말은 L-PBF 공 정에 적용하기에 양호한 유동도를 나타냄을 확인할 수 있 었다.

Fig. 1

(a) Particle size distribution of the powder, (b) the schematics of scanning strategy of L-PBF, and (c) the schematics of sample geometry in the present study.

Table 1

Powder characteristics of Ti-6Al-4V alloy

2.2. 시편 제조

본 연구에서는 L-PBF 조형체의 형상에 따른 물성 변화 를 탐구하기 위해 그림 1(c)와 같이 시편의 Y 방향으로 너 비(width)가 서로 다른 얇은 판형의 시편과 상대적으로 두 꺼운 직육면체의 시편이 제조되었다. 판형 시편은 2 mm을 너비를 지니며 적층 방향에 수직한 방향으로 100mm의 길이를 나타내고, 적층방향으로 25mm의 높이를 지닌 형 상으로 설계되었다. 직육면체 시편은 판형 시편과 동일한 길이와 높이를 지니지만, 시편의 너비가 25mm를 가지도 록 설계되었다. 이하, 본 논문에서는 판형 시편과 직육면 체 시편은 각각 Thin 시편, Thick 시편으로 표기하였다.

L-PBF 공정은 상용 L-PBF 장비인 미국 GE 社의 M2 장 비를 통해 수행되었으며, 공정 조건은 시편의 상대밀도가 99.6% 이상 획득될 수 있는 조건인 레이저 출력 300W, 스캔속도 1200 mm/s, 햇칭 간격 100 μm, 층간 간격 30 μm 조건으로 수행되었다. 그림 1(b)의 개략도와 같이 층간 회 전각도는 67°로 설정하였으며 스캔 패턴은 지그재그 형태 의 Meander 패턴으로 설정하였다.

2.3. 특성 평가

제조된 조형체의 기계적물성을 평가하기 위해 각 조형 체의 길이방향과 인장방향이 평행한 ASTM sub-size의 인 장시편이 방전가공을 통해 채취되었다. 이때, Thin 시편에 서는 판상의 인장시편이 가공되었으며, Thick 시편에서는 봉상의 인장시편이 가공되었다. 인장시험은 만능인장시험 기(INSTRON 4204, INSTRON社, USA)를 통해 상온에서 변형률 속도 10^-3/s 조건으로 수행되었다. 조형체들에 대한 미세조직 분석은 기계적 연마 및 콜로이달 실리카 처리를 수행한 경면의 시편 표면에서 수행되었다. 조형체들에 대 한 상 분석을 위해 X-ray 회절분석 장비(D/MAX-2500, RIGAKU社, Japan)를 사용하여 XRD 분석을 수행되었으 며, 주사전자현미경(SEM, JSM-7900F, JEOL社, Japan)을 활용하여 EBSD 분석을 수행하였다.

3. Results and Discussion

3.1. 조형체 인장물성

그림 2는 Thin 형상과 Thick 형상 시편의 상온 인장 시 험에서 얻어진 공칭 응력-변형률 선도(engineering stressstrain curve)를 나타낸다. 해당 인장시험 결과와 같이 두 시편은 동일한 공정조건으로 제작되었음에도 불구하고 강 도와 연신율이 다름을 확인할 수 있다. Thin 시편과 Thick 시편의 항복강도는 각각 ~1250 MPa 및 ~1150MPa로 나 타났으며, 인장강도는 ~1350 MPa 및 ~1250 MPa로 측정 되었다. 즉, Thin 시편은 Thick 시편 대비 전반적으로 100 MPa 정도 높은 강도 수준을 나타냄을 확인할 수 있다. 이 와 달리 연신율 측면으로는 Thin 시편이 6.7%, Thick 시 편이 7.5%로 Thick 시편이 Thin 시편 대비 더욱 높은 연 신율을 나타냄을 확인 가능하다.

Fig. 2

Engineering stress-strain curves of the Thin and Thick samples.

3.2. 미세조직 분석 결과

일반적으로 Ti-6Al-4V 합금은 HCP 구조를 갖는 α상과 BCC 구조를 갖는 β상이 혼합된 미세조직을 나타내는 것 으로 보고된다. 그림 3은 본 연구에서 제조된 조형체들의 XRD 분석 결과를 나타낸다. XRD 패턴에서 나타나는 것 과 같이 두 시편 모두 HCP 상 p eak 과 BCC 상 peak이 관측됨을 확인할 수 있었다. 이때, BCC 상 peak은 Ti-6Al- 4V 합금의 β 상에 대한 peak을 나타낸다. 한편, L-PBF 공 정은 레이저 열원 조사 후 응고 시 매우 빠른 냉각속도(약 10⁶ K/s)를 동반함에 따라, L-PBF 공정으로 제조한 Ti- 6Al-4V 합금은 α 상이 아닌 가늘고 긴 침상의 α' 마르텐 사이트로 구성되는 것으로 자주 보고된다[10-12]. 즉, 본 조형체들에 대한 XRD 패턴에서의 HCP 상 peak은 α' 마 르텐사이트상에 대한 peak으로 해석할 수 있다.

Fig. 3

X-ray diffraction patterns of the Thin and Thick samples.

그림 4는 Thin 시편과 Thick 시편의 EBSD 결과를 보여 준다. 앞서 언급한 것과 같이 제조된 조형체들은 모두 침 상의 α' 마르텐사이트 상으로 구성되어 있음을 확인할 수 있으며, β 상은 매우 소량 존재함을 확인할 수 있다. α' 마 르텐사이트 상은 L-PBF 공정으로 제조된 Ti-6Al-4V의 기 계적 물성의 핵심인자로써 알려진다[15-18]. 특히, 본 연구 에서 제조된 Thin 시편과 T hick 시편의 β 상 분율은 모두 극소량임에 따라 본 조형체들의 기계적 물성 차이는 β 상 의 분율보다는 α' 마르텐사이트 상 양상 차이에 기인한 것 으로 예측할 수 있다.

Fig. 4

(a, c) IPF maps and (b, d) IQ maps of initial microstructure of the (a, b) Thin and (c, d) Thick samples.

그림 5는 Thin 시편과 T hick 시편의 α' 마르텐사이트에 대한 결정립도 분포를 나타낸다. 각 시편에서 계산된 평균 결정립도는 Thick 시편이 2.49 μm, Thin 시편은 2.41 μm 로 T hick 시편이 소폭 더 큰 결정립도를 나타냄을 확인할 수 있었다.

Fig. 5

Grain size distribution of the (a) Thin and (b) Thick samples.

그림 6은 Thin 시편과 Thick 시편에 대한 저배율 및 고 배율에서의 EBSD kernel average misorientation(KAM) 맵 들을 나타낸다. 해당 결과와 같이, Thin 시편이 Thick 시 편 대비 전반적으로 높은 KAM 분포를 나타냄을 확인할 수 있다. 일반적으로 EBSD 맵에서의 KAM은 기하학적 필수전위(Geometrically necessary dislocation, GND) 밀도 와 비례 관계인 것으로 알려지며, 즉 높은 KAM 값을 나 타내는 영역은 높은 GND 밀도를 나타내는 것으로 간주 된다[25, 26]. Thin 시편의 평균 KAM 값은 ~2.19, Thick 시편의 평균 KAM 값은 ~1.68로 Thin 시편이 월등히 높 은 KAM 값을 나타내는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 6

EBSD KAM maps of the (a, b) Thin and (c, d) Thick samples. (b) and (d) are the magnified KAM maps for the regions enclosed in red box in (a) and (c), respectively.

L-PBF 공정 시 레이저가 조사된 영역은 급속도의 용융 이 일어나게 되고, 이렇게 형성된 방사형의 용융풀(Melt pool)에서의 용융 잠열(Latent heat)은 용융풀 경계면(Melt pool boundary)으로 빠르게 빠져나가게 된다. 이러한 LPBF 공정 도중 응고과정에서 냉각속도는 10⁶ K/s 이상으 로 알려져 있으며, Ti-6Al-4V 합금은 β 상 변태점 이상 온 도에서 급속 냉각으로 인해 α' 마르텐사이트가 쉽게 형성 되게 된다. 한편, L-PBF 공정을 통해 3차원 형상의 제품 을 제조하기 위해선 분말 베드 위에 한층 한층씩 반복적 인 레이저 조사가 이루어진다. 또한, 한 분말 층에서 하나 의 pass의 레이저가 지나간 후, 햇칭 간격만큼 떨어진 옆 구간에서 다시 한번 레이저가 지나감에 따라 기존에 응고 된 영역은 일부 재용융이 일어나거나 충분한 열 영향을 받게 된다. 즉, L-PBF로 제조되는 조형체는 공정 도중 지 속적인 입열이 인가되게 되고, 선행문헌에서는 이러한 양 상이 In-situ annealing 혹은 In-situ tempering 환경에 놓이 는 것으로 묘사된다[8, 12, 19-24].

이러한 양상은 L-PBF 공정 도중 시편에 가해지는 레이 저 입열량을 설명하는 대표적인 지표인 단위 부피당 에너 지 밀도(Volumetric energy density, VED)가 동일한 조건이 더라도, 시편의 높이 및 형상이 달라지면 레이저가 지나가 는 횟수가 달라짐에 따라 시편에 전체적으로 가해지는 입 열량이 달라져 미세조직 및 물성 차이가 발생할 수 있음 을 얘기한다. 즉, 본 연구에서 제조된 T hick 시편은 Thin 시편 대비 12배 크기 이상의 너비를 가짐에 따라 레이저 가 조사되는 횟수가 12배 이상 증가되게 되고, 이는 12배 의 In-situ annealing 효과를 불러일으킴을 암시한다.

즉, 공정 도중 반복적인 레이저의 입열이 Thin 시편 대 비 더욱 많이 일어나는 T hick 시편은 마르텐사이트 상 내 부의 전위밀도의 풀림이 지속적으로 일어나게 되고, 이로 인해 Thick 시편은 Thin 시편 대비 100MPa 정도 낮은 강 도와 더욱 향상된 연신율을 가지게 됨을 알 수 있다. 즉, 본 연구를 통해 LPBF로 제조되는 Ti-6Al-4V 합금은 동일 한 공정 조건으로 제조됨에도, 형상에 따라 미세조직 양상 이 달라져 강도 레벨이 100 MPa 이상 달라질 수 있음을 확인할 수 있었다. 이에 따라 LPBF 공정을 기반으로 최종 부품을 제조하기 위해서는 시편 형상에 따른 부위별 입열 량 변화와 물성 불균질성을 고려한 공정 설계가 이루어져 야 함을 알 수 있다.

4. Conclusion

본 연구에서는 L-PBF 공정을 기반으로 서로 다른 너비 의 Ti-6Al-4V 합금 시편을 제조하고, 시편 형상에 따른 기 계적 물성 차이 및 미세조직학적 원인에 대한 분석을 수 행하였다. Thin 시편과 T hick 시편은 동일한 레이저 공정 조건으로 제작되었음에도 불구하고 강도와 연신율이 다름 을 확인하였다. Thin 시편은 Thick 시편 대비 100MPa 높 은 강도를 나타내었으며, 연신율은 T hick 시편이 Thin 시 편보다 1.5% 이상 높음을 확인하였다. 해당 양상은 Thin 시편 대비 12배 크기 이상의 너비를 가지는 Thick 시편에 서 L-PBF 공정 도중 더욱 많은 횟수의 레이저 스캔이 이 루어지게 되고, 이때 시편에 지속으로 가해지는 입열이 α' 마르텐사이트 상의 내부의 전위밀도의 풀림을 유발함에 따라 시편의 강도를 낮추고 연신율을 높이게 된다. 즉, α' 마르텐사이트 상의 양상에 따라 기계적 물성이 급변하는 Ti-6Al-4V 조형체는 동일 L-PBF 공정 조건에서도 형상의 차이에 따라 강도 수준이 100MPa 이상 급변할 수 있으 며, 원하는 용도의 부품을 제조하기 위해서는 이러한 형상 에 따른 입열량 변화 및 물성 변화의 이해를 기반으로 한 L-PBF 공정 설계가 이루어져야 함을 알 수 있다.

Acknowledgements

Acknowledgement

이 논문은 산업통상자원부가 지원한 소재부품기술개발 사업인 “발전 부품 적층 제조를 위한 타이타늄합금 분말 저비용 제조기술 개발” 과제[과제번호: 20013202]의 지원 을 받아 수행된 연구 결과입니다.

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