1. Introduction

적층 제조(Additive Manufacturing, AM)는 전통적인 금 속 부품 제조 방법과는 달리 3D 도면과 재료, 레이저 등 을 소스로 하는 장비만으로 부품을 제조할 수 있는 기술 이다. 이러한 적층 제조는 제조 비용과 시간, 성능 측면에 서 개선이 가능하여 적층 제조 기술에 대한 관심이 높아 지고 있다[1,2]. 특히, 분말을 기반으로 하는 다양한 적층 기술 중에는 Powder Bed Fusion(PBF)과 Directed Energy Deposition(DED)이 가장 많이 활용되고 있다. DED는 분 말이나 와이어 소재를 레이저 등의 에너지를 집중시켜 적 층하는 방식으로, PBF에 비해 적층 속도가 빠르고 비교적 저렴한 소재를 사용할 수 있으며, 기존의 3D 형상 위에 적 층이 가능하다. 또한, 기계적 물성 측면에서 다른 3D 프린 팅 방식에 비해 우수하며, 고출력의 레이저를 사용하기 때 문에 고경도 금속 부품 제작 및 수리에 응용되고 있다[3].

DED는 레이저 출력(laser power), 스캔 속도(scan speed), 레이저 빔 직경(laser beam diameter) 등에 따라 적층재의 미세조직과 기계적 특성에 영향을 미치게 되며, 적절하지 않은 공정 조건으로 적층할 경우 기공 등의 결함을 발생 할 우려가 있다. 따라서, 우수한 적층재를 제조하기 위해 서는 적합한 공정 조건 선정이 필요하다[1-3]. 그러나, DED는 다양한 산업 분야에서 많은 연구가 진행되고 있지 만 아직까지 연구 초기 단계에 머물러 있다. 특히, 최적의 공정 조건 선정에 있어 많은 시행착오와 평가를 필요로 하기 때문에 기술 개발 속도를 더디게 한다[4].

탄화 붕소(Boron Carbide, B₄C)는 높은 고온 강도와 낮 은 파괴 인성을 가지며, 고경도, 저밀도 금속으로 방호용 Vol. 30, No. 3, 2023 재료로써 매우 우수한 특성을 보인다[6]. 또한, 산과 염기 에 안정하며, 우수한 중성자 차폐 효과로 인해 원자력 발 전용 부품 제조에 있어 매우 중요한 재료로 알려져 있다 [5]. 특히, B₄C는 다이아몬드, 입방정 질화붕소(cubic boron nitride, c-BN) 다음으로 경도가 높고, 2.52 g/cm³ 의 낮은 밀도, 내화학성과 내침식성 및 내마모성이 우수하기 때문 에 본 연구의 경우, 경량 금속의 대표적인 금속인 알루미 늄(Aluminum, Al)에 B₄C를 첨가하여 경량 방호용 재료로 써의 효과를 기대하였다[6-8].

본 연구에서는 Al-B₄C 복합 분말을 이용하여, DED 적 층 공정을 통해 21가지 서로 다른 조건에서 복합재를 제 조하였으며, 미세조직 관찰 및 기계적 특성 평가하고 DED 공정 적용 가능성을 평가하고자 한다.

2. Experimental

2.1 복합분말 제조

본 연구에서는 기지재와 강화재로 99%의 순도와 평균 입도 150 μm의 구형 알루미늄 분말(MK Co. Ltd. Korea) 과 B₄C 분말(Sigma-Aldrich Co. Ltd. USA)을 사용하였다 (Fig. 1). 알루미늄 분말에 B₄C 분말을 균일하게 분산시키 기 위해 고에너지 볼 밀링(high energy ball milling)인 교 반밀(attrition mill)을 이용하였다. 2 L 용량의 스테인리스 스틸 챔버에 알루미늄 분말과 4 wt.%의 B₄C 분말을 계량 하여 주입하고 5 mm 직경의 스테인리스 볼을 넣어 교반 밀을 진행하였다. 분말 응집 현상을 방지하기 위해 stearic acid(CH₃(CH₂)₁₆COOH) 을 1 wt.% 첨가하였고, 분말의 산 화를 방지하기 위해 아르곤 가스 분위기에서 볼 밀링을 진행하였으며, 볼 밀링 중 열 발생으로 인한 영향을 최소 화하기 위해 챔버에 냉각수를 지속적으로 공급하였다. 스 테인리스 볼과 분말의 중량비는 15:1, 밀링 속도는 500 rpm으로 교반하였으며, DED 공정에 적합한 분말을 얻기 위해 밀링 시간을 4시간부터 18시간까지 2시간 간격으로 밀링 후, 분말의 크기 및 형상을 비교하여 비교적 구형에 가까우며, 평균 입도가 50~150 μm의 분말을 갖는 6시간 밀링 조건을 채택하여 Al-4 wt.% B₄C복합 분말을 제조하 였다. 또한, DED 공정 전 제어제로 첨가되었던 s tearic acid를 제거하기 위해 500°C에서 20분간 진공 처리된 관 상로에서 열처리를 진행하였다.

Fig. 1

SEM images of starting powders; (a) pure Al (b) B₄C.

2.2 DED 공정 조건

제조된 Al-4 wt.% B₄C 복합분말을 DED 3D Printing (standard laser power provided with system YMD-250, EML Co., Ltd., laser beam diameter: 300 μm) 장비를 활용 하여 80 mm × 80 mm × 10 mm 크기의 AA6061 기판 위에 Fig. 2 (a)와 같은 원리로 10 mm × 10 mm × 2.5 mm의 크 기를 가지는 직육면체 복합재를 제조하였다[9]. 적층 방향 은 Fig. 2 (b)와 같이 zig-zag 방식으로 쌓아 올렸으며, 분 말 공급 속도는 100 rpm, Z-Pitch는 0.25 mm로 고정하였 다. 또한, 복합재의 소결 거동을 관찰하기 위해 400, 500, 600, 700, 800, 900, 및 1000W의 레이저 파워(laser power, P_L)와 800, 1000, 및 1200 mm/min의 스캔속도(scan speed, V_s)를 변화시켜 서로 다른 21 가지 조건하에서 복합재를 제조하였다.

Fig. 2

(a) Powder feeding methodologies of DED Processes (b) DED process modeling.

2.3 분석

본 연구에 사용된 알루미늄, B₄C 분말과 볼 밀링된 Al- 4 wt.% B₄C 복합분말의 형상을 관찰하기 위하여 전계방출 주사 전자 현미경(Field emission scanning electron microscopy, FE-SEM; JSM-7610F plus, JEOL, Japan)을 통해 분 석하였다. DED 공정을 통해 제조된 복합재의 미세조직은 광학현미경(Optical microscopy, OM; BX53MRF, Olympus, Japan)과 15 kV의 가속 전압, 8 mm의 working distance, 그 리고 14 nA의 probe current 조건으로 전계 방출 주사 전 자 현미경을 통해 미세조직을 관찰하였다. 볼 밀링을 통해 제조된 복합분말의 결정구조를 분석하기 위해 X-선 회절 분석기(X-ray diffraction, XRD; SHIMADZU, XRD-7000, Japan)를 활용하였으며, Cu Kα의 방사선원, 2 θ : 20 – 90°, step size : 0.03°, time/step : 1 s의 조건으로 분석하였다. 또 한, DED 공정을 통해 제조된 Al-4 wt.% B₄C 복합재는 레 이저 파워와 스캔 속도에 따른 기계적 특성의 변화를 관 찰하기 위하여 나노 압입 시험(Nano-indentation; HM 2000, Helmut Fischer, Germany)을 수행하였다. 4 side Vickers diamond pryramid형 압자를 사용하였으며, 100 mN의 압 입 하중, load application 시간은 7초로 설정하여 실험을 진행하였다.

3. Results and Discussion

3.1 복합분말

Fig. 3은 밀링 시간에 따른 Al-4 wt.% B₄C 복합분말의 주사전자현미경 사진이다. 밀링을 4시간 이하로 진행할 경우, 분말의 형상이 온전하지 않고, 완전한 판상의 분말 이 제조되었으며, 밀링을 8시간 이상 진행할 경우, 분말의 응집 발생으로 150 μm 이상의 분말을 형성하였고 구상이 었던 분말이 판상으로 변하게 된다. 따라서, 밀링 시간이 6시간일 때 분말이 50~150 μm 크기의 구상이므로 DED 공정을 하기 위한 적합한 분말로 판단된다.

Fig. 3

SEM images of ball milled Al-4 wt.% B₄C composite powders for different milling time; (a) 4 h milled (b) 6 h milled (c) 8 h milled (d) 10 h milled (e) 12h milled (f) 14 h milled (g) 16 h milled (h) 18 h milled.

Fig. 4는 B₄C, 알루미늄, Al-4 wt.% B₄C 복합분말에 대 하여 XRD 패턴을 나타내었다. 분석결과, 볼 밀링된 복합 분말에서 알루미늄의 주요피크인 (111), (200), (222), (311), 그리고 (222) 피크가 검출되었지만, B₄C에 대한 피 크는 검출되지 않았다. 이에 대한 잠재적인 이유로는 고 에너지 볼 밀링 중 B₄C 분말이 알루미늄 분말 내부로 균 일하게 잘 삽입되어 표면부에 존재하는 B₄C의 양이 적기 때문에 XRD 패턴에서 검출되지 않았을 것이라 사료된다.

Fig. 4

The XRD patterns of the powders; B₄C, aluminum, and ball-milled Al-4 wt.% B₄C composite powders.

3.2 DED 공정

Fig. 5는 레이저 파워와 스캔 속도에 따른 DED 공정으 로 제조된 Al-4 wt.% B₄C 복합재이다. 상대적으로 레이저 파워가 매우 낮은 400W의 경우, 스캔 속도와 상관없이 모든 복합재가 온전한 적층을 이루지 못하였다. 이는 상대 적으로 레이저 파워가 매우 낮아 분말이 완전히 용융되지 않고 온전한 복합재를 제조하지 못한 것으로 판단된다. 불 완전하게 제작된 복합재들은 기계적 특성 평가 시 신뢰도 가 낮기 때문에 본 연구에서는 이를 제외한 18 개의 복합 재만을 분석하였다.

Fig. 5

Al-4 wt.% B4C composites fabricated by DED process according to laser conditions.

레이저 파워와 스캔 속도에 따른 경향성을 파악하기 위해 에너지 밀도를 식 (1)을 통해 구하여 Table 1에 나타냈다.

(1)

E=Pvd

Table 1

Energy densities according to laser conditions of Al-4 wt.% B₄C composites fabricated by the DED process

E는 에너지 밀도(J/mm²), P는 레이저 파워(J/s), v는 레 이저 스캔 속도(mm/s), d는 레이저 빔 직경(mm)이며, 레 이저 파워가 증가할수록 스캔 속도가 감소할수록 높은 에 너지 밀도를 나타낸다[10].

Fig. 6과 7은 불완전하게 제작된 복합재를 제외하고, DED 공정 매개변수에 따라 제작된 Al-4 wt.% B₄C 복합 재의 XY-s ection을 광학현미경과 주사전자현미경을 통해 분석한 결과이다. 대부분의 조건에서 기공이 형성되었으 며, 모든 기공의 형상은 구형이다. 레이저 파워와 스캔속 도에 따라 기공 생성량과 크기는 각각 다르게 나타났다. 1200 mm/min의 스캔속도의 경우, 레이저 파워가 증가할 수록 기공의 크기가 점점 커지고 기공의 양이 많아지는 것을 볼 수 있다. 이는 레이저 파워가 증가함에 따라 에너 지 밀도의 증가로 인해 DED 공정 중 발생한 기포로 인해 레이저 파워가 증가할수록 기공의 크기가 증가한 것으로 판단된다[11]. 또한, 같은 레이저 파워에서 스캔 속도의 영 향으로는 800 mm/min의 경우, 기공의 크기는 1000 및 1200 mm/min에 비해 크게 형성된 것을 볼 수 있으며, 600W- 1000 mm/min(E = 120.0 J/mm²) 레이저 조건이 600 W- 1200 mm/min(E = 100.0 J/mm²) 조건보다 높은 에너지 밀도임에도 불구하고, 600W- 1200 mm/min 조건의 기공 이 더 큰 것을 볼 수 있다. 따라서, 스캔 속도는 기공의 크 기에 영향을 주는 요인에 해당하지 않으며, 레이저 파워가 기공의 크기에 영향을 주는 주요 인자임을 확인할 수 있 다[12]. 특히, 600 W– 1000 mm/min 조건과 500W– 1200 mm/min 레이저 조건에서는 기공이 거의 생성되지 않았으 며, 이는 분말이 완전한 용융이 이루어지는 충분한 레이저 파워와 적층하기에 적절한 스캔 속도로 인해 기공이 거의 생기지 않은 것으로 사료된다.

Fig. 6

OM images of the Al-4 wt.% B₄C composites fabricated by DED process with the various conditions of laser power and scan speed.

Fig. 7

SEM images of the Al-4 wt.% B₄C composites fabricated by DED process with the various conditions of laser power and scan speed.

Table 2는 나노 압입 시험을 통해 측정한 Al-4 wt.% B₄C 복합재의 경도 및 탄성계수 값을 나타내었다. 800, 1000 및 1200 mm/min의 모든 스캔 속도에서 레이저 파워가 600 W일 때, 각각 90.17, 99.73, 그리고 98.57 GPa로 가장 높은 경도 값을 나타내었으며, 모든 스캔 속도에서 레이저 파워가 1000W 일 때, 각각 82.69, 85.60, 그리고 84.96 GPa로 가장 낮은 경도 값을 나타내었다. 또한, 모든 스캔 속도에서 레이저 파워가 600W 일 때, 탄성계수는 각각 100.05, 99.60, 그리고 99.63 GPa로 최대값을 나타내었으 며, 레이저 파워가 1000W 일 때, 탄성계수는 각각 89.18, 81.16, 그리고 78.16 GPa로 최소값을 나타내었다. 선행연 구에 따르면, 높은 스캔 속도와 낮은 레이저 파워 조합인 낮은 에너지 밀도에서는 미세한 미세조직을 초래하는 반 면, 낮은 스캔 속도와 높은 레이저 파워 조합인 높은 에너 지 밀도에서는 수지상정으로 구성된 거친 미세조직이 지 배적임을 보고한 바 있다[12,13]. 따라서, 낮은 에너지 밀 도로 인해 레이저 용융 및 응고 거동이 빠르게 일어나 미 세한 결정립 분율이 상대적으로 많아져 결정립 미세화 효 과로 높은 경도와 탄성계수가 나타나는 것으로 판단된다.

Table 2

Elastic modulus and hardness of the Al-4 wt.% B₄C composites fabricated by the DED process

4. Conclusion

본 연구에서는 교반 밀링을 통해 Al-4 wt.% B₄C 복합분 말을 제조하였으며, 21가지의 레이저 조건에서 DED 공정 으로 복합재를 제조하였다. 복합재의 DED 적합성 평가와 미세조직 및 기계적 특성에 대해 조사하였다.

• 1) 같은 스캔 속도에서 레이저 파워가 증가할수록 에너 지 밀도의 증가로 인해 DED 공정 중 발생한 기포가 잔존 하여 기공 형성에 기여했기 때문에 크기가 큰 기공이 많 이 생성되었다.

• 2) 스캔 속도가 1000 mm/min 일 때, 800, 1200 mm/min 인 경우보다 기공이 적게 생성되었으며, 이는 에너지 밀도 가 800 mm/min 보다 더 낮고 1200 mm/min 보다 규칙적 으로 용융되었기 때문에 온전한 적층이 이루어진 것으로 판단된다.

• 3) 레이저 파워가 600W 일 때, 스캔 속도가 800 mm/ min인 경우, 경도와 탄성계수는 각각 90.17, 100.05 GPa, 1000 mm/min의 경우, 99.73, 99.60 GPa, 1200 mm/min의 경우, 98.57, 99.63 GPa로 최대값을 나타내었으며, 이는 미 세한 결정립으로 인해 재료가 연화되지 않아 다른 레이저 파워에 비해 높은 경도 및 탄성계수가 나타난 것으로 판 단된다.

Acknowledgements

Acknowledgement

본 연구는 2023년도 과학기술정보통신부의 재원으로 한 국연구재단의 지원(NRF-2021R1I1A3050323)으로 수행되 었습니다.

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Figure & Data

References

Citations

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