서 론

금속 기반 적층 제조 기술(additive manufacturing)은 레 이저 혹은 전자빔과 같은 고밀도 열원을 이용해 원하는 3 차원 형상 제품을 한 층씩 쌓아 올리는 공정으로 정의된 다[1]. 해당 공법은 기존의 주조 방식으로 제조가 불가능 한 격자 구조, 다공성 구조 등의 복잡한 형상의 제품을 CAD(computer-aided design) 데이터 기반으로 한 번에 제 작할 수 있는 장점을 지녀 형상 변경에 대한 설계 변경이 자유롭고, 성형 이후 기계가공 공정을 대폭 줄일 수 있는 장점으로 인해 다양한 산업에서 생산 현장의 패러다임 변 화를 이끌 것으로 많은 기대를 받고 있다[2-5]. 이 중, 적 층 제조 기술 중 하나인 선택적 레이저 용융법(SLM: selective laser melting)은 높은 정밀도와 자유도를 지닌다 [1-4]. 해당 공법은 분말 공급 장치에서 일정한 면적을 가 지는 분말 층(powder bed)에 수십 μm의 분말을 한층씩 깔 고 레이저를 CAD 데이터에 따라 원하는 위치에 선택적으 로 조사하여 제품을 쌓아 올라가며 제작하는 Bottom-up 방식의 공법이다[5]. 이러한 공정 특성 상 SLM 공법은 기 존 공법으로 제작하기 불가능한 구조의 제품을 제작할 수 있어, “complexity for free”를 주요 강점으로 하는 적층 제 조 기술의 대표적인 기술로써 많은 관심을 받고 있다[5]. 특히 최근 여러 선행 연구에서 SLM 공법을 적용한 소재 가 공정 특성에 기인한 특유의 계층적인(hierarchical) 미세 조직으로 인해 기존 공법으로 제작된 합금에 비해 우수한 강도-연신율 조합을 띄는 것이 보고되면서 많은 학계의 관 심 또한 받고 있다[6-8].

한편, 이러한 SLM 공법 및 조형체 적용 관련하여 가장 수요가 높은 산업은 항공기 부품, 개인 맞춤형 의료형 부 품 제작 등의 다품종 소량생산을 요구하는 산업이다[9- 11]. 해당 산업들은 제품의 엄격한 품질 및 높은 신뢰성을 요구하므로, SLM 공법의 더욱 폭 넓은 산업 적용을 위해 선 이러한 특성을 만족할 수 있는 최적화된 공정 조건 및 제품이 요구된다. 하지만 SLM 공정 도중 조형체 내부 균 열, 기공 등 원치 않는 결함이 발생하는 사례가 여전히 빈 번하게 보고되고 있으며, 이러한 결함을 억제할 수 있는 공정 최적화 관련 연구가 다수 이루어지고 있는 실정이다 [12-14]. 특히 이러한 결함들 중 기공의 경우 대부분의 SLM 조형체에서 발견되며 제품의 기계적 성질 열화에 큰 영향을 끼치는 것으로 알려져 있다[15-19].

소재의 방향 별 기계적 물성 차이를 의미하는 기계적 이 방성은 실제 부품의 사용 및 응용에서 주요하게 고려되어 야 하는 특성이다. 즉, 제조된 부품의 강도 및 연신율이 방 향 별로 차이가 큰 차이를 보일 경우, 해당 부품의 실사용 시 이러한 특성을 고려하여 부품 가동범위 및 용도가 설 계되어야 한다. 일반적으로 소재의 기계적 이방성은 재료 내부 결정립 형상 및 Texture 등의 미세조직 양상에 기인 하게 된다[20]. SLM 공정으로 제작된 조형체는 국부 용융- 응고에 의한 반복적 적층의 결과로 불균질한 미세조직을 보이며, 이에 기인하는 높은 기계적 이방성을 나타내게 된 다[21]. 이 때, 앞서 서술한 SLM 조형체에서 빈번하게 발 견되는 기공들은 공정 특성에 기인한 특유의 형태를 가지 는 것으로 보고된다[17-19]. 특히, 이러한 SLM 조형 중에 나타나는 기공은 복잡한 공정 과정에 기인하게 되어 적층 방향과 특정한 방위 관계를 가지는 것으로 보고되므로, 조 형체의 기계적 이방성에 주요한 영향을 끼칠 것으로 판단 할 수 있다[1, 15-19]. 본 연구에서는 SLM 조형체의 기계 적 이방성에 미치는 기공의 영향을 정량적으로 분석하기 위하여 상용 316L 스테인리스강 분말 기반의 SLM 적층 을 실시하여 높은 분율의 기공을 함유한 조형체를 제작하 였다. 이 후, 시편 내부 기공의 형상 및 방위가 방향 별 기 계적 물성 차이에 미치는 영향에 대한 정량적인 분석을 위한 다양한 특성평가 및 유한요소해석을 실시하였다.

실험 방법

SLM 적층에 사용된 분말은 그림 1 (a)과 같이 구형의 형상을 가진 평균 입도 40 μm의 상용 316L 스테인리스강 분말(F316L-LA1, LSN DIFFUSION, UK)이 사용되었다. 해당 분말은 가스 아토마이징(gas atomizing) 공법으로 제 조되었으며 레이저 입도분석기(Malvern Mastersizer 2000, Malvern, UK)를 이용해 측정된 분말의 입도 분포는 그림 1 (b)와 같다. SLM 기반 3차원 조형체 제작은 국내 WINFORSYS사의 Metalsys250 장비를 통해 산소 농도 0.3% 이하의 Ar 분위기에서 레이저 출력 200 W, 스캔 속 도 1100 mm/s, 햇칭 간격(hatching space) 110 μm 조건으 로 수행되었다. 이 때, SLM 공정으로 인한 3차원 조형체 의 측면 방향 이방성을 최소화하기 위하여 그림 2와 같이 체스보드 패턴(chess-board pattern)의 레이저 스캔을 각 층 별로 67º씩 시계방향으로 회전시키며 적층 조형을 실시하 였다. 본 연구에서는 그림 2(c)의 개략도와 같이 길이 100 mm ×폭 50 mm ×높이 30 mm의 치수를 갖는 직육면 체 형태의 조형체를 제작하였으며, 해당 시편의 길이 방향 을 X 방향, 폭 방향을 Y 방향, 적층 방향을 Z 방향으로 정의하였다.

Fig. 1

(a) SEM image showing morphologies of 316L stainless steel powders, (b) Size distribution of the 316L powders.

Fig. 2

Schematics of (a, b) the scanning strategy for the SLM process and (c) as-built sample in present works.

제작된 3차원 조형체의 밀도는 Mettler Toledo XP205 balance 장비를 이용한 아르키메데스법으로 측정되었다. 미세조직 관측은 광학현미경(OM: optical microscope, FM-700, Future-Tech Co., Japan) 및 전계방출형 주사전자 현미경(FE-SEM: field emission scanning electron microscope, XL-30S FEG, FEI Co., USA)을 통해 수행되었다. 미세조직 분석용 시편은 표면조도 1 μm 수준으로 폴리싱 (polishing) 되었으며, melt pool 및 solidification substructure 관측을 위해 Villella 에칭 용액(염산 10 ml, 피크 릭산 10 ml, 에탄올 100 ml)으로 40ºC 조건에서 에칭되었 다. 또한 반복적인 적층에 따른 결정립 성장 및 texture 양 상을 확인하기 위하여 colloidal silica 폴리싱 처리된 시편 에 대해 EBSD(electron backscatter diffraction) 분석을 수 행하였다.

이 후, SLM 적층된 3차원 조형체의 방향 별 기계적 물 성을 측정하기 위하여 그림 2(c)와 같이 각각 X 방향 및 Z 방향을 인장 방향으로 하는 dog-bone 형태의 인장시편 (표점 거리 5.0 mm, 폭 2.5 mm, 두께 1.5 mm)을 추출하였 다. 인장 시험은 Instron 1361 장비를 통해 변형률 속도 10⁻³ s⁻¹ 조건에서 수행하였다. 해당 인장 시험에서 시편 내부 국부 변형률 분포 분석 및 정확한 인장 연신율 추출 을 위해 ARAMIS 5M 장비 기반의 DIC(digital image correlation) 기법이 활용되었다. 또한, 인장 거동에 미치는 기공의 효과를 해석하기 위하여 상용 ABAQUS-6.9EF/2 standard 탄소성 프로그램을 활용한 미세조직 기반 유한요 소해석(FEM: finite element method)을 수행하였다.

결과 및 고찰

3.1 미세조직 분석

그림 3은 적층된 조형체의 측면부(Y 면) 미세조직을 나 타낸다. 그림 3(a)의 OM 이미지와 같이 조형체 미세조직 에서 레이저 스캐닝으로 인해 형성된 다수의 melt pool들 을 관측할 수 있었다. 해당 미세조직에서의 측정된 평균 melt pool 너비 및 높이는 각각 ~105.4 μm, ~61.7 μm로 본 연구에서 시행된 레이저 스캔의 햇칭 간격 크기 및 분말 입도에 대응된다. 즉, 적층 방향에 수직한 반달 형태의 melt pool 형상은 SLM 조형 공정 시 레이저 스캔으로 인 해 용융된 분말의 열 흐름(heat flow)이 레이저 스캔 중심 부에서 방사상으로 퍼져나가기 때문으로 고찰할 수 있다 [14]. 그림 3(b)와 (c)는 각각 조형체 Y면의 EBSD IPF (inverse pole figure) 맵 및 KAM(kernel average misorientation) 맵을 나타낸다. 해당 IPF 맵에서 대부분의 결정립 들은 확연한 <001> texture 경향을 보여주며, 적층 방향을 따라 melt pool들을 가로지르는 columnar structure를 나타 내는 것을 확인할 수 있다. 이러한 경향은 SLM 적층 공 정 특성에 기인한다[22]. 즉, SLM 공정에서 열유속(heat flux)은 용융부의 고액계면에서 가장 높고, 해당 용융잠열 은 기존에 적층된 층(previous built layer) 방향인 아래쪽 방향으로 빠져나가게 되며 용융부 응고조직의 epitaxial growth를 야기하게 된다. 또한, 일반적으로 FCC 금속의 응고 시 용융 잠열의 방출이 용이한 우선 성장 방위는 [001] 방향이므로 해당 미세조직은 IPF 맵 상에서 강한 <001> texture를 나타내게 된다[22].

Fig. 3

The microstructure (Y plane) of the SLM produced 316L stainless steel: (a) OM image, (b) EBSD IPF map, (c) EBSD KAM map, (d) high magnified SEM images indicating solidified sub-structures, (e) representative OM image for inter-layer pores, and (f) high magnified SEM image for this type of pore.

그림 3(c)의 KAM 맵의 경우, 대부분의 결정립들이 높 은 KAM 값 분포를 나타내는 것을 알 수 있으며 이러한 결과는 SLM 공정 시 동반되는 급격한 입열 및 냉각으로 인한 조형체 내부 높은 잔류열응력 형성에 기인한다. 또한, 이러한 경향은 그림 3(d)의 고배율 SEM 이미지에서 나타 나는 solidification sub-structure에 대응된다. 해당 이미지 와 같이 조형체 미세조직 상의 melt pool 및 결정립 내부 에는 수십 나노 크기의 cell 혹은 columnar 구조의 substructure가 존재한다. 이러한 구조는 대부분의 SLM 조형 체 미세조직에서 관측되는 경향으로 해당 sub-structure boundary는 높은 전위밀도를 가지는 것으로 알려져 있다[6]. 해당 조직은 공정 시 반복되는 복잡한 열 이력(thermal history)에 기인하는 것으로 알려져 있으며, 316L 스테인리 스강의 경우 boundary 부근 Cr 및 Mo의 편석이 주로 관 측된다[6, 23]. 이러한 cellular structure의 크기는 SLM 조 형 시 응고 속도, 열 구배, 냉각 속도에 따라 변화하게 된 다[23, 24].

한편, 그림 3(a)의 OM 이미지에서 화살표로 표시된 것 과 같이 시편 내부에는 SLM 적층 방향에 수직하게 연신 된 형태의 기공이 존재하는 것을 알 수 있다. 이러한 기공 들을 확대하여 나타낸 OM 이미지는 그림 3(e)와 같다. 해 당 그림과 같이 대부분의 기공들은 melt pool과 melt pool 사이에 위치하고 있으며, 조대한 크기의 날카로운 초승달 형태를 갖는 특징을 보인다. 아르키메데스법을 통해 구해 낸 제조된 3차원 조형체의 기공율은 ~5.8%로 굉장히 높 은 분율을 보이는 것을 알 수 있다. 조형체 내부 기공들의 크기와 형상을 정량화하기 위해, 미세조직에 2차원 이미 지 분석 기법을 적용하여 구해낸 평균 기공 높이 및 너비 는 각각 ~51.8 μm 및 ~86.7 μm이다. 또한, 아래와 같은 식 을 통해 구해낸 기공들의 평균 종횡비(aspect ratio) 및 구 형도(circularity)는 각각 ~2.73 및 ~0.415이다. 아래 식에서 w는 기공 너비, h는 기공 높이, A는 기공 면적, 그리고 L 은 기공의 둘레를 나타낸다.

(1)

Aspect ratio=wh

(2)

Circularity=4π*AL2

즉, 미세조직 및 이미지 분석 결과와 같이 제조된 3차원 조형체 내부 기공들은 대부분 햇칭 간격에 육박하는 조대 한 크기와 특유의 형상을 가진 것을 알 수 있다. 이러한 기공의 형성 원인을 분석하기 위해 기공 내부 SEM 이미 지를 나타낸 것은 그림 3(f)와 같다. 해당 SEM 이미지와 같이 기공 내부에는 녹지 않은 분말(un-melted powder)들 이 잔존해 있는 것을 알 수 있다. 이러한 기공들은 주로 층간 기공(inter-layer pore)[14-19]으로 불리며 그 크기와 분포는 SLM 공정 변수에 밀접하게 관련되어 있는 것으로 알려져 있다. Xia et al.[14]은 Incornel 718 합금 분말에 대 한 서로 다른 레이저 스캔 속도 조건의 SLM 공정 및 CFD(commercial fluid dynamics) 기반 시뮬레이션을 수행 하여, 공정에 따른 기공 형성 거동을 탐구하였다. 그들은 조형체 내부 기공 크기 및 분율이 SLM 공정 조건에 따른 입열량(heat input) 차이에 지배되는 것을 제시하였다. 즉, 공정 시 레이저 스캔 속도가 높을 경우, 분말 층에 가해지 는 열에너지가 모든 분말을 녹이기에 충분치 않아, 그림 4 의 개략도와 같이 overlay zone 하단에 melt pool을 따라 기공이 형성되게 된다. 해당 층간 기공들은 이러한 형성 기구에 기인한 특정한 형상을 가지게 되고, 그 크기는 스 캔 속도 및 햇칭 간격에 따라 달라지게 된다.

Fig. 4

Schematic of the formation of inter-layer porosity during the SLM process.

3.2 방향 별 인장 물성

그림 5은 3차원 조형체의 X 방향 및 Z 방향 인장 시험 에서 얻어진 공칭 응력-변형률 선도(engineering stressstrain curve)를 나타낸다. 해당 결과에서 나타나듯이 본 연 구에서 제작된 조형체의 X 및 Z 방향 인장 물성은 현저 한 차이를 보이는 것을 알 수 있다. X 방향 인장 시 해당 조형체는 일반적인 주조재[6]에 비해 높은 강도 수준인 ~413 MPa의 항복 강도(yield strength), ~475 MPa의 인장 강도(ultimate tensile strength) 및 상대적으로 양호한 17.3%의 인장 연신율을 나타낸다. 반면, 이와 달리 Z 방 향 인장 시 조형체는 낮은 응력 수준에서 항복이 일어나며(항복 강도 ~283 MPa), 그와 동시에 변형 증가에 따른 응력 강하 및 이른 파단이 일어나게 된다.

Fig. 5

Engineering stress-strain curves of the as-built 316L stainless steel under the tensile loading conditions along the X and Z axis, respectively.

이러한 방향 별 물성 차이는 조형체의 불균질한 미세조 직 및 특정한 방향성을 갖는 기공들에 기인하는 것으로 판단할 수 있다. 우선 항복 강도에 미치는 texture의 영향 을 고려하기 위해, EBSD 맵(Y 면) 기반 Schmid factor 계 산을 수행하였다. 계산된 방향 별 인장 시 Y면 미세조직 의 평균 Schmid factor 값은 각각 X 방향에서 0.463, Z 방 향에서 0.456이다. 비록 Z방향에서 더 낮은 Schmid factor 값을 보이나 실제 항복 강도 차이에 비해 그 차이는 미미 한 형태임을 알 수 있다. 마찬가지로 columnar structure를 나타내는 결정립 형상에 따른 강도 차이의 경우에도, 선행 연구들[25, 26]에서 나타나는 차이에 비해 본 연구 결과에 서의 강도 차이가 더욱 극심한 것을 알 수 있다.

이 때, 시편 내부 기공이 방향 별 인장 물성에 미치는 영향을 정량적으로 분석하기 위해 실제 미세조직(Y면) 기 반 내부의 기공을 구현하여 수행한 FEM 결과는 그림 6과 같다. 일반적으로 재료 내부 개재물(inclusion) 혹은 기공 이 존재할 시 해당 영역 주변부에는 극심한 응력 집중 (stress concentration) 및 그에 따른 변형률 집중(strain localization)이 발생하게 된다. 상하로 인장 하중을 받고 있는 시편의 내부에 폭이 2a, 높이가 2b인 기공이 존재할 시 해당 기공 주변부의 응력 집중 양상은 6(b)와 같이 표 현된다[27]. 해당 개략도와 같이 이러한 기공의 폭(2a)이 증가할수록 기공 주변의 최대 응력은 급격히 증가하게 된 다. 그림 6(a)와 같이 본 연구에서 제작된 SLM 조형체 내 부의 기공들은 대부분 Z 방향에 수직하게 연신된 형태의 형상을 갖는다. 그림 6(c)와 (d)는 방향 별 인장 시험 시 시편 내부 기공 주변의 변형률 집중 양상에 대한 FEM 결 과를 나타낸다. 해당 그림에서 나타나듯이 Z 방향 인장 시 X 방향 인장 조건에 비해 기공 주변부 극심한 변형률 집 중 양상을 보이게 된다. 또한, 붉은 원으로 표시된 영역과 같이 해당 기공 주변부의 응력 및 변형률 집중으로 인한 Z 균열의 전파를 확인 가능하며 이러한 양상은 날카로운 기공 선단부를 따라 전파됨을 알 수 있다. 해당 분석을 통 해 조형체 내부 기공 주변부는 Z 축 인장 변형에서 더욱 높은 수준의 응력 집중이 작용하게 됨을 확연히 알 수 있 다. 즉, Z 축 인장 변형 조건에서 조형체는 항복 강도에 비해 훨씬 낮은 응력 수준에서도 기공 주변부의 국부 항 복이 일어나게 되고, 그와 동시에 균열 성장이 동반되며 응력 수준의 강하를 야기하는 것으로 판단할 수 있다.

Fig. 6

(a) 3D OM image of the SLM produced sample and (b) the schematic of the stress concentration around a pore in the tensile sample. The porosity based FEM results for the tensile sample along (c) X axis and (d) Z axis-loading conditions, respectively.

그림 7은 X 및 Z 방향의 인장 변형에 따른 시편 내부 국부 변형률 분포를 보여준다. 그림 6의 FEM 분석 결과 와 동일하게 X 방향 인장 시편은 Z 방향에 비해 상대적 으로 균질한 변형률 분포를 보이며 변형 후반부에는 상대 적으로 조대한 기공들이 위치한 영역에서의 균열 형성 및 기공 확장으로 인한 시편의 파단이 일어남을 알 수 있다. 이와 달리 Z 축 인장 변형 하에서는 시편 내부 얇은 국부 부위에서 변형이 극심하게 집중되고 날카로운 기공 형상 으로 인해 기공 주변부 균열 전파가 더욱 빠르게 진행됨 을 알 수 있다. 그림 8은 각각 X 및 Z 방향 별 인장 시험 이후 파단된 시편의 파면을 보여준다. 해당 파면에서 흰색 타원으로 강조되어 있는 영역과 같이 표면부에 녹지 못한 분말들이 잔존하는 것을 알 수 있다. 이러한 영역은 그림 4의 개략도에서 나타낸 것과 같이 층간 기공이 존재하였 던 영역에 대응된다. 이 때, 그림 8(b)의 Z 축 인장 파면 이 그림 8(a)의 X 축 인장 파면에 비해 상대적으로 평탄 한 양상을 보이는 것을 알 수 있다. 즉, 인장 방향에 수직 한 판 형태의 기공으로 인하여 Z 축 인장 시 상대적으로 균열 전파 및 파단이 X 축 인장에 비해 훨씬 용이하게 진 행되었음을 해당 파면을 통해 간접적으로 알 수 있다. 따 라서 본 연구에서 제작된 조형체의 방향 별 물성 차이는 공정 기반 특유의 방향성과 형상을 가지는 기공이 가장 지배적으로 기여하는 것을 본 실험 결과를 통해 유추할 수 있다.

Fig. 7

Local strain distribution maps of the tensile samples extracted by DIC methods for (a) X and (b) Z axis loading conditions, respectively.

Fig 8

SEM-fractographs of the specimens after (a) X and (b) Z axis-tensile deformations.

결 론

본 연구에서는 316L 스테인리스강 분말을 통해 제작된 SLM 기반 3차원 조형체의 기계적 이방성에 미치는 미세 조직 및 기공의 영향에 대해 탐구하여 보았다. 제작된 조 형체의 미세조직의 경우 <001> texture를 갖는 적층 방향 에 평행한 columnar structure로 이루어진 결정립으로 구성 되어 있었다. 또한, 해당 조형체 내부엔 날카로운 판 형태 의 기공들이 melt pool 사이에 다수 분포하였다. 해당 기 공들은 SLM 공정 중 높은 스캔 속도 혹은 낮은 레이저 출력에 기인하는 층간 기공임을 알 수 있었다. 즉, 불충분 한 입열량으로 인해 분말 층에서 미처 녹지 못한 분말들 이 잔존하게 되고 이러한 영역이 melt pool 사이에 초승달 모양의 형상을 갖는 기공으로 형성되게 된 것이다. 조형체 에 대한 방향 별 인장 시험 결과 X 방향 인장 조건에서는 상대적으로 양호한 인장 물성을 나타내는 반면 Z 축 인장 물성은 크게 열화된 것을 확인하였다. 이러한 방향 별 기 계적 물성 차이는 미세조직 기반 FEM 및 DIC 이미지 분 석을 통해 기공의 영향이 지배적인 것을 확인할 수 있었 다. 즉, SLM 공정 중에 형성된 층간 기공들은 형상 및 방 위로 인해 조형체의 적층 방향 물성을 크게 열화시키는 것을 알 수 있었다.

Acknowledgements

감사의 글

This work was supported by Fundamental Research Program “Development of High Performance Materials and Processes for Metal 3D Printing (Grant No. PNK5520)” of the Korean Institute of Materials Science (KIMS).

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  Materials Science and Engineering: A.2022; 847: 143318.     CrossRef
• Effect of heat treatment on microstructural heterogeneity and mechanical properties of 1%C-CoCrFeMnNi alloy fabricated by selective laser melting
  Jeong Min Park, Eun Seong Kim, Hyeonseok Kwon, Praveen Sathiyamoorthi, Kyung Tae Kim, Ji-Hun Yu, Hyoung Seop Kim
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• Manufacturing Aluminum/Multiwalled Carbon Nanotube Composites via Laser Powder Bed Fusion
  Eo Ryeong Lee, Se Eun Shin, Naoki Takata, Makoto Kobashi, Masaki Kato
  Materials.2020; 13(18): 3927.     CrossRef
• Effects of microstructure and internal defects on mechanical anisotropy and asymmetry of selective laser-melted 316L austenitic stainless steel
  Jin Myoung Jeon, Jeong Min Park, Ji-Hun Yu, Jung Gi Kim, Yujin Seong, Sun Hong Park, Hyoung Seop Kim
  Materials Science and Engineering: A.2019; 763: 138152.     CrossRef
• Microstructural effects on the tensile and fracture behavior of selective laser melted H13 tool steel under varying conditions
  Jungsub Lee, Jungho Choe, Junhyeok Park, Ji-Hun Yu, Sangshik Kim, Im Doo Jung, Hyokyung Sung
  Materials Characterization.2019; 155: 109817.     CrossRef