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Abstract

1. 서 론

대표적인 경량 금속 소재 중 하나인 알루미늄 합금은 높 은 비강도와 내식성 등의 특성으로 인해, 운송 수단, 항공 우주, 건축 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 특히 자동 차 시장은 기존의 내연 기관차에서 전동차로의 전환 과정 에서 차량의 경량화를 통한 연비 및 전비 개선에 많은 노 력[1]을 기울이고 있으며, 이에 대한 해결책으로 i) 알루미 늄 합금 등 경량금속의 사용량을 늘리는 방법[2]과 ii) 3차 원 적층제조를 활용하여 디자인 최적화를 통해 부품을 경 량화하는 방법이 제시되고 있으며[3,4], 3차원 적층제조 를 활용하여 경량금속인 알루미늄, 마그네슘, 타이타늄 부 품을 제작하는 방법도 논의되고 있다.

가장 대표적인 적층제조용 알루미늄 합금은 Al-10Si-Mg 로서, 우수한 적층 성형성으로 인해 널리 활용되고[5,6] 있지만, 다른 알루미늄 합금에 비해 낮은 기계적 특성과 열/전기 전도도의 특성을 보여 새로운 합금 개발에 대한 요구가 증가하고 있다. 따라서 새로운 적층제조용 알루미 늄 합금 개발에 대한 필요성이 증가하고 있지만, 적층성형 성과 다양한 요구 특성을 동시에 만족하는 합금을 개발하 는데 많은 시간과 비용이 발생하는 문제가 있다. 한편 금 속적층제조 공정은 주로 직접 용착 방식(Direct energy deposition; DED)과 분말 소결 방식(Powder bed fusion; PBF)이 활용되는데[7], 이 중 직접 용착 방식은 기판의 국 부적인 영역에 열을 가해 용융 풀을 형성하고, 해당 영역 내로 금속 분말을 투입하여 금속 재료를 적층 제조하는 공정으로, 소량의 알루미늄 분말만으로 적층제조 시험편 을 제작하고 물성을 평가할 수 있다는 장점이 있다[8].

따라서 본 연구에서는 이중(Dual) feeder를 통해 이종의 분말을 배합한 후, 직접 용착 방식의 적층제조를 활용하여 다양한 조성의 알루미늄 합금을 빠르게 제조하고 분석하 는 조합실험 기법을 제안하고자 한다. 이를 위해, 우수한 적층성형성 및 기계적 특성으로 인해 현재 3차원 적층제 조를 위한 알루미늄 합금으로 가장 많이 고려되고 있는 Al-Si-Mg계와, 우수한 강도 특성으로 최근 많이 연구 중 인 Al-Cu계의 배합비를 조정하여 적층성형에 적합한 Al- Si-Mg-Cu 합금을 발굴하고자 한다. 본 연구에서는 3D 프 린팅을 위한 알루미늄 합금으로 다중 노즐의 3D 프린터를 활용하여 Al6061 합금 분말과 Al-12Cu 합금 분말을 동시 투입하되, 배합비를 달리하여 12가지 조성의 조합 샘플을 제작하였고, 각 시험편의 미세구조와 기계적 특성을 분석 및 평가하여 조성-미세구조-물성의 상관관계를 고찰하고 자 하였다.

Fig. 1

Schematics of the combinatorial experiment with DED process.

2. 실험방법

본 연구는 Al6061 조성 합금에 Cu의 조성을 다르게 조 절하여 직접 용착 방식 금속 3D 프린팅 장비를 사용해 상 대적으로 짧은 시간 내에 시편을 제조한 후, 제작된 합금 의 미세구조와 특성을 분석 및 평가하였다. 조합 실험에 활용한 Al6061 합금 분말(EML Co., Ltd)과 Al-12Cu 합금 분말(EML Co., Ltd)은 가스 분사 공정을 통하여 제조하였 다. 이후 분급기(Sieve shaker, Analysette 3, Fritsch)를 사 용하여 직접 용착 방식에 최적화된 50–150 μm 크기로 분 급한 후 사용하였다. 직접 용착 방식의 다중 노즐 3D 프 린터(standard laser power provided with system, YMD- 250, EML Co., Ltd.)를 활용 Al6061 기판(80 × 80 × 10 mm) 위에 분말의 투입량을 조절 및 적층하여 조합 실험을 진 행하였다. 실험 간 제작한 각 합금 분율과 그에 따른 이론 조성, 3D 프린팅 조건은 표 1에 나타내었다. Al6061과 Al- 12Cu 합금 분말을 사용하여 합금 C01-12까지 총 12종의 다른 조성의 Cu 첨가 알루미늄 6061 합금을 제조하였고, 그 외의 공정변수는 모두 동일하게 설정하였다. 각 분말 조합에서 합금 번호가 높아질수록 Cu의 분율이 높아지도 록 설정하였다. 프린팅 공정 간 분말과 레이저 조사와 동 시에 아르곤 가스를 투입하여 합금화 과정에서의 산화를 방지하고자 하였다.

Table 1

Combinatorial test condition for the Al6061+Al-12Cu alloys

조합 실험으로 제작된 12종의 Cu첨가 Al6061 합금의 실제 조성을 발광분광분석기(Arc/Spark optical emission spectrometry; Arc/Spark OES, SPECTROCHECK, Ametec Co.)를 사용하여 분석하였다. 각 시편의 미세구조 분석을 용이하게 하고자 연마지(#80–#1200)와 알루미나 연마재를 활용하여 표면 연마를 진행하였다. 이후 Cu–Kα(λ=1.5405 Å) X-선을 사용하는 X선 회절 분석기(X-ray diffractometer; XRD, Ultima IV, Rigaku instrument)를 이용하여 12종의 합금 내 형성 상을 분석하였고, 이때 분석은 20– 70º의 범위에서 10º/min 주사 속도로 실시하였다. 분말의 형상 분석과 미세구조 분석을 위해 전계방출형 주사전자 현미경(Field-emission scanning electron microscope; FESEM, JSM-7610F, JEOL LTD.)을 이용하였다. 이후 시편 의 미세구조 분석을 위해 광학현미경(Optical microscope; OM, ME-32, Daemyung Optical.)을 이용하였다. 합금 조 성과 미세구조에 따른 시편의 기계적 특성 평가를 위해 미소 비커스 경도기(Micro-Vickers hardness tester, HM- 211, Mitutoyo)를 활용하였고, 이때 0.5 kgf의 압입 하중에 서 5회 반복 측정하여 평균값을 구했다.

3. 실험결과 및 고찰

그림 2은 각각 3D 프린팅에 활용한 가스 분사 제조된 Al6061 합금 분말과 Al-12Cu 분말의 FE-SEM 이미지이 다. 2종의 합금 분말 모두 직접 용착 방식의 3D 프린팅 공 정에 적합한 50–150 μm 수준의 크기를 가지며 전반적으 로 구형의 입자인 것을 확인할 수 있다. 하지만 일부 조대 한 입자의 표면에 미세한 입자들이 용접되어 있는 위성분 말이 형성되어 표면 거칠기가 증가하고, 일부 분말 입자가 불규칙한 형상을 보이는 것을 알 수 있다. 이는 분사 공정 간 상대적으로 조대한 입자가 응고되는 과정에서 미세한 입자들과 접촉이 발생하며 입자간 상호 작용이 발생한 결 과이다[9].

Fig. 2

Scanning electron microscope images of the raw alloy powders; Al6061 and Al-12Cu alloy powders.

표 2는 발광분광분석기를 사용하여 조합 실험을 통해 제조된 12종 Cu첨가 Al6061 합금의 실제 조성을 분석한 결과이다. 그림 2에서 보이는 것처럼 초기 조합 실험 설계 와 동일하게 C01에서 C12로 갈수록 Mg와 Si의 함량이 감 소하고, Cu 함량이 증가하는 경향을 보인다. 다만, Fe 함 량은 예상과 다르게 증가하는 것을 표 2에서 확인할 수 있 는데, 이는 Al-12Cu 분말에 포함된 Fe 조성으로 인한 것 으로 예측된다. 그림 2에서 관찰된 일부 입자의 표면 거칠 기와 불규칙한 형상에도 불구하고 투입 분말 분율에 따른 합금 조성의 경향성이 이론조성과 나타나는 것으로 보아, 설계대로 합금이 제조되었음을 의미한다. 표 1의 합금 분 말 분율에 따른 이론 조성과 표 2의 조합 실험 제조된 합 금의 실제 조성을 비교하면 Si, Cu 함량은 일부 오차를 제 외하고 유사한 값을 보이는 반면 Mg와 Mn 함량의 경우 상대적으로 큰 차이를 보이는데 이는 주요 합금 원소들의 증기압 차이에 의해, 높은 증기압을 지닌 합금 원소들이 더 쉽게 증발하여 조성 제어가 어려워졌기 때문이다. 금속 적층 공정간 레이저를 조사하여 기판, 혹은 이전 적층된 금속 층에 형성되는 melt pool의 경우 약 1000–4000 K의 온도 범위를 보이는데[10], 이때 Mg와 Mn의 경우 다른 합금 원소인 Si, Cu에 비해 끓는점이 낮기 때문에 적층 공 정간 상대적으로 많은 양이 증발된다(T_{b, Mg}: 1,091°C, T_{b, Mn}: 2,061°C, T_{b, Si}: 2,355°C, T_{b, Cu}: 2,562°C)[11]. 그에 따른 결 과로 본 실험에서 출력한 모든 합금에서 대부분의 Mn원 소는 증발하여 극 소량만 검출되었고, Mg는 이론 조성과 실제 조성간 함량 차이가 존재하고, Mg 원소가 많이 포함 된 C01 합금에서 그 차이가 더 큰 것을 확인할 수 있다.

Table 2

Printed Al6061+Al-12Cu alloys’ actual compositions by Arc/Spark optical emission spectrometry

Fig. 3

Printed Al6061+Al-12Cu alloys’ actual compositions by Arc/Spark optical emission spectrometry.

그림 4는 각각 조합 실험을 통해 제조된 각기 다른 조 성의 Cu첨가 Al6061 합금의 광학현미경 촬영사진이다. 모 든 합금조성에서 약 50 μm 미만의 크기의 기공과 게재물 들이 확인되었다. 출력품질을 크게 떨어뜨리는 균열은 모 든 시편 조성에서 확인되지 않았으며 조성변화에 따른 기 공의 크기와 개수 변화에 대한 경향성은 특별히 나타나지 않고, 모든 시편에서 비슷하게 관찰되었다.

Fig. 4

OM images of the 3D printed Al6061+Al-12Cu alloy samples.

조합 실험을 통해 제조된 각기 다른 조성의 Cu첨가 Al6061 합금의 기계적 특성 평가를 위해 Vickers 경도를 측정하였고 Vickers 경도 값을 표 3와 그림 5의 그래프로 나타냈다. 그림 5에서 Vickers 경도 측정 결과 C01부터 (69.94 HV) C05까지(104.36 HV)경도가 증가하는 경향을 보이다 C06에서(82.04 HV) 경도 값이 다시 감소한 뒤, C09까지(111.42 HV) 다시 경도가 증가하였고 C10에서 (94.06 HV) 감소 후 다시 증가하였다. Cu 분율이 증가하 면서 경도가 증가하지만 특정 합금 조성에서 경도가 감소 하였다가 다시 증가하는 현상이 관찰되었다. 그림 6의 XRD 분석과 FE-SEM 분석 결과를 기반으로 합금의 미세 구조와 기계적 특성 간의 상관관계를 파악하면 합금 내 형성되는 상들의 종류는 크게 Al₂Cu, Mg₂Si임을 XRD를 통해 확인하였다. Al₂Cu와 Mg₂Si상은 Al 기지와 비교하여 높은 수준의 강성을 보이며 합금의 강도 향상에 기여한다 (E_Al=69 GPa, E_Al2Cu=127 GPa, E_Mg2Si=104 GPa)[12].

Table 3

Printed Al6061+Al-12Cu alloys’ Micro-Vickers hardness values

Fig. 5

Micro-Vickers hardness and Ratio of Si/Mg (wt.%) in 3D printed alloy.

Fig. 6

XRD phase analysis result of C01 to C12 alloys.

그림 7는 경도 변화 주기에서 각각 최고 경도 값과 경 도 감소를 보이는 C05, C06, C09, C10, C12의 SEM 사진 이고, 그림 8은 SEM-EDS 분석결과를 나타낸 것이다. 그 림 7에서 C12 합금을 제외한 모든 합금에서 Cell boundary를 따라 밝은 색상이 segregation 된 것을 확인 할 수 있고, matrix 내부에 밝은 색 상들이 구형 또는 연신 된 구 형의 형태로 존재하는 것을 확인하였다. C12 합금의 경우 밝은 색 상들이 Cell boundary 뿐 만 아니라 matrix 내부 에서도 Network 구조를 이루고 있다. 그림 8의 EDS 분석 결과에서 흰색 상은 Al과 Cu로 구성되어 있는 것을 확인 할 수 있는데, Fig. 5의 XRD p attern과 비교했을 때 Al₂Cu 로 확인 된다.

Fig. 7

SEM images of (a) C05, (b) C06, (c) C09, (d) C10 and (e) C12 at magnification ×2,000.

Fig. 8

SEM-EDS images of (a) C05, (b) C06, (c) C09, (d) C10 and (e) C12 at magnification ×10,000.

또한 matrix내부의 Al₂Cu 상의 형태는 경도증가 패턴에 서 최고 경도 값을 가지는 C05, C10에서는 상대적으로 구 형의 형상을 띄고 있으나, 경도가 감소하는 C06, C10 합 금에서는 구형이 아닌 연신 되거나 Network의 형태를 띄 고 있다. 일반적으로 Cu의 함량이 많아질수록 Al matrix 에 고용되는 Cu 원자로 인해 고용강화 효과가 증가할 것 이고, 또한, 형성되는 강화상, Al₂Cu의 분율이 높아져서 경도가 증가하는 효과가 생길 것이다. 하지만 C06과 C10 시편에서 나타난 것처럼 Cu의 함량이 많아질수록 Al₂Cu 상이 Network 구조를 형성하면서 경도가 일시적으로 떨어 지는 효과를 보였다. 이는 Cu 함량이 가장 많지만 Al₂Cu 가 Network 구조를 가지는 C12 시편의 경도가(111.34 HV) Cu 함량이 적은 C09 시편과(111.42 HV) 유사한 것과 일치한다. 또한 Al₂Cu 상과(α = 16.3 × 10^-6 K^-1) Al 기지 (a = 15.2 × 10^-6 K^-1)의 열팽창 계수 차이[13]로 인한 미세 한 내부 결함이 유발되어 경도의 저하를 유발했을 것이다. Fig. 5의 파란 선은 Cu첨가 Al6061 합금에서의 Si와 Mg 합금원소의 원자비를 나타낸 그래프이다, Si/Mg 비율이 경도 값에 주요한 영향을 끼친다고는 볼 수는 없지만, C04-6, C05-7, C08-12으로 나누어 보았을 때, Si/Mg 원자 비가 경도 경향과 유사하게 나타나는 것을 확인 할 수 있 었다. 이는 다른 강화상인 Mg₂Si의 형성과 Si 원자의 고 용강화 효과로 설명할 수 있을 것이다. Si에 대한 Mg의 함량이 높아질수록 Mg₂Si를 형성하는데 Si가 소진되어 고 용강화 효과가 감소할 것이다. 한편, XRD 분석 결과 다량 의 Al2O3이 검출되었으며, 적층제조 과정 중 생성된 Al2O3 역시 분산강화 효과를 나타내어 경도 향상에 기여했을 가 능성이 있다.

4. 결 론

본 연구에서는 Al6061 합금과 Al-12Cu 합금 분말을 활 용하여 금속 3D 프린팅 적층 제조 공정 기반 조합 실험을 진행하였고, 서로 다른 조성의 Cu 첨가 Al6061 합금 12종 을 제조 후 그 미세구조와 특성을 비교 분석하였다. 조합 실험 간 투입하는 합금 분말의 비율을 다르게 하여 합금 조성을 다르게 설계하였고 실제 제조된 합금의 조성 분석 결과 C01에서 C12로 갈수록 Cu 함량은 증가하고 Si과 Mg 함량은 감소하는 경향을 보였다. 이때 상대적으로 낮 은 끓는점을 갖는 Mg의 경우 프린팅 공정간 고온의 melt pool 내에서 일부 증발되어 제조된 합금의 조성에 차이를 보였다. 조합 실험으로 제조된 합금의 경우 조성 차이에 따라 기계적 특성이 변화하였는데, Cu 함량 증가에 따른 기계적 특성에 긍정적인 영향을 미치는 요인으로는 기지 내에 고용되는 합금 원소로 인한 고용강화 효과, 강화 상 인 Al₂Cu의 분율 증가가 기계적 특성을 향상시킨 것으로 보인다. 반대로 Cu 함량의 증가는 Al₂Cu 상의 Network structure 형성, 상 간의 열팽창계수 차이로 인한 미세 결 함 발생으로 인한 기계적 특성 저하로 부정적인 효과를 가지는 것으로 보인다. 또한 부분적으로 Si/Mg의 비율에 따라 높아질수록 경도에 영향을 미치는 것으로 보인다.

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