1. 서 론

적층조형(Additive manufacturing, AM)은 기존의 가공법 과는 달리 디지털 데이터에 기반해 연속적으로 소재를 적 층하여 3차원 입체물을 제조하는 공정이다[1]. AM 기술 을 통해 복잡한 형상의 부품을 제조할 있어 에너지, 항공 우주, 바이오 및 자동차와 같은 다양한 산업에 적용이 기 대되고 있다[2]. 특히, 금속 기반 AM은 산업적으로 응용 가능성이 높아 지난 10여년 동안 전 세계적으로 큰 주목 을 받아왔다[3]. 타이타늄 합금은 금속 기반 AM에서도 핵 심적으로 연구되는 소재인데 그 이유는 높은 비강도, 우수 한 내식성, 낮은 밀도 등에 있다. 따라서, 항공기와 미래형 운송시스템에 타이타늄 합금 부품을 AM 기술로 제조하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나, 통상적인 타 이타늄 합금은 고온 강도가 낮아 300ºC 이상의 온도에서 는 사용이 어렵다는 단점이 있다[4]. 이러한 문제를 보완 하고자 타이타늄 합금에 내열강을 용접/접합하려는 연구 가 활발히 진행되었다. 그러나, 타이타늄 합금과 내열강의 용접/접합은 매우 어려운데 그 이유는 Ti와 Fe가 만나게 되면 TiFe 또는 TiFe2의 금속간화합물이 생성되기 때문이 다[5, 6]. 따라서, 타이타늄과 내열강 사이에는 금속간화합 물 생성을 막기 위한 중간층을 삽입하게 되는데 보통 Cu(구리), Ag(은), V(바나늄) 등이 중간층 소재로 사용된 다[7]. 최근, AM 분야에서도 타이타늄 위에 내열강을 적 층하기 위한 노력이 활발히 진행되고 있다. 타이타늄과 내 열강을 이용한 경사기능소재(Functionally graded material) 를 제조할 경우 내열성, 경량성, 내식성 등을 부위별로 다 르게 부여할 수 있어 설계의 자율성이 매우 높아지는 장 점을 얻을 수 있다. 최근, Nana 등은 Ti-6Al-4V 합금 위에 V 층을 적층하고 다시 그 위에 17-4PH합금을 적층하는 연구를 수행한 바가 있다[8]. 이 연구에서는 V 층을 적층 하기 위해 PBF(Powder bed fusion) 방식을 사용하였는데 사용된 V 분말의 형상이 괴상(Angular shape)이라 균질한 V층 생성이 어려웠다. 분말을 사용하는 AM 공정은 대부 분 구상(Spherical shape)의 원료 분말을 요구한다. 이는 괴상의 분말은 흐름성(Flowability)이 나쁘고 내부에 기공 이 생성되기 쉽기 때문이다. 그러나, 현재까지 상업적인 구매가 가능한 V 분말은 대부분 괴상의 형태를 가지고 있다[9].

한편, Radio frequency thermal plasma process(RF-TPP, 이하 RF플라즈마)는 약 10,000 K 이상의 고온 플라즈마를 이용하여 분말을 구상화 시킬 수 있는 공정이다[10]. RF 플라즈마 공정 중 원료 분말은 순간적으로 완전히 기화 되었다가 다시 냉각이 되면서 원자들이 다시 구형의 입자 로 재구성이 된다. 이를 통해 구형의 분말 입자를 제조할 수 있게 되는데 구름에서 비가 만들어지는 현상과 유사하 다. RF플라즈마 공정을 이용할 경우 원료 분말이 가지고 있는 오염물을 제거하여 순도를 증가시키고 각형의 분말 을 구형화 할 수 있는 장점이 있다. 따라서, RF플라즈마 처리된 분말을 이용하여 AM공정을 시도할 경우 우수한 물성을 기대할 수 있다. 본 연구에서는 이러한 RF 플라즈 마 공정을 이용하여 괴상의 V 분말을 구상화하고 이 구상 분말의 AM 적용성을 시험해 보고자 하였다. 구상화 전·후 분말들의 형상 및 순도를 비교하였고 직접 Ti-6Al-4V 기 판 위에 적층을 시도해 보았다.

2. 실험방법

본 연구에서 사용된 순도 99.9% V 분말은 Sigma- Aldrich에서 구매하였으며 평균입도는 100 μm이었다. 구 매된 V 분말은 미분을 제거하여 75-150 μm 수준의 평균 입도를 가지도록 체분류(Sieving) 되었다. 분류된 V 분말 은 RF플라즈마 장비(PLASNIX RF-Plasma)로 옮겨져 구 상화 처리 수행되었다. 이 때 적용된 구상화 처리 조건은 피딩량 ~400 g/h, 공정압력 90 kPa, 인가전력 10 Kw이었 다. 그림 1은 구상화 처리의 모식도 및 장비 사진을 보여 주고 있다. 구상화를 위해 투입된 각형의 분말 무게는 총 325.4 g이었고 최종적으로 얻어진 구형분말의 무게는 309.1 g이었다. 따라서, 회수율은 95.0% 수준으로 매우 양 호하였다. 구형화 처리된 분말의 형상을 광학 및 주사전자 현미경(FE-SEM JSM-7800)으로 관찰하였다. 또한, X-ray diffraction(XRD) 패턴은 Panalytical 사의 Empyrean 장비 를 사용하여 측정하였다.

Fig 1

(a) Schematic diagram showing the principle of RF-plasma process and (b) photo of RF-plasma machine used in present work.

구상화된 V 분말을 이용해서 Ti-6Al-4V 기판 위에 적층 을 시도해 보았다. 적층 시험으로는 인스텍(Insstek)의 MX- 3 장비를 사용하였으며 열에너지 공급을 위한 레이저는 ytterbium fiber laser를 사용하였다. AM에 사용된 Ti-6Al- 4V 기판과 17-4PH 분말은 각각 VSMPO와 CARPENTERS 사에서 제공받았고 화학조성은 표 1과 같다. 그림 2는 V 과 17-4PH의 적층형상을 개략적으로 보여주고 있다. 먼저 Ti-6Al-4V 기판 위에 V 중간층을 40×90×(0.4~0.8) mm 수 준으로 적층하였다. 그 후 다시 17-4PH를 V층 위에 적층 하였다. 이 때 17-4PH 층의 두께는 4 mm 수준이었다. 적 층 시험 중 챔버내 분위기 가스는 Ar을 사용하였다. 레이 저 스캔속도는 480 mm/min, 챔버 주입가스량은 7.5 lit/ min, 분말수송 가스량은 1.8 lit/min, 분말공급량은 5 g/min 으로 고정하였고, 레이저 출력은 210W였다.

Table 1

Chemical composition (in wt.%) of as-received Ti-6Al-4V alloy and 17-4PH powder analyzed by ICP-OES method

Fig 2

Schematic diagram of the deposition process of V and 17-4PH on Ti-6Al-4V block.

3. 결과 및 고찰

3.1 바나늄 분말의 RF-플라즈마 구상화 처리

그림 3은 RF-플라즈마 처리 전·후의 V 분말 형상을 비 교한 광학과 SEM 사진이다. 직경 120 μm 이상의 분말의 경우 구상화가 잘 일어나지 않았으나 그 이하의 분말들은 구상화가 잘 이루어진 것이 확인되었다. 입도분석기로 입 도 분포를 측정한 결과 d₁₀=72 μm, d₅₀=102 μm, d₉₀= 142 μm 수준으로 매우 균일 하였다. 여기에서, d₁₀, d₅₀, d₉₀ 은 입자크기 누적분포에서 각각 10%, 50%, 90%에 해당 하는 입도 크기를 의미한다. 또한, 구상화된 분말들의 크 기는 일반적으로 투입 분말에 미분이 섞여 있는 경우 구 상화 분말 표면에 미세한 위성분말이 형성될 수 있다. 그 러나, 본 실험의 경우 사전에 미분이 제거되어 위성분말은 거의 발견되지 않았다. 그림 3(b)의 광학 사진으로는 일부 분말끼리 뭉쳐서 응집된 것처럼 보였으나 그림 3(d)와 같 이 SEM으로 자세히 분석해 본 결과 분말끼리의 응집은 발생하지 않은 것이 확인되었다.

Fig 3

(a, b) Optical and (c, d) SEM images of (a, c) sieved angular powder before spheroidization process and (b, d) spherical powder after RF-plasma process. An inset in figure (d) represents for the powder particle size distribution.

그림 4는 구상화 처리 후 챔버 안에서 20분간 안정화 처 리된 분말들의 XRD 회절 패턴을 보여주고 있다. 총 4번 의 반복 시험에 따라 각각 다른 4가지 분말 A, B, C, D가 얻어졌다. 각 분말의 차이는 RF 플라즈마 공정 중 발생한 외부로부터의 산소 침입량의 차이이다. 통상적으로 미세 분말들은 고온환경에서 산화가 매우 쉽다. 따라서, 구상화 공정에서도 산화를 방지하기 위한 불활성 분위기 연출에 매우 세심한 주의를 기울인다. 그러나, 본 연구에서는 동 일한 공정변수를 사용했음에도 특정할 수 없는 원인으로 A, B, C, D 각 분말의 고온산화도가 다르게 얻어졌다. 분 말 A, B, C의 경우 상당한 수준의 V₃O₁₆의 바나늄 산화물 이 XRD 회절 패턴에서 검출되었다. 그림 4 상단의 사진 은 각 분말의 색상변화를 보여주고 있다. Rietveld refinement 분석 결과 A 분말의 경우 산화물의 분율은 26.5% 수 준이었고 어두운 황색에 가까운 색을 보였다. B시편의 경 우 산화물의 양이 가장 높은 72.2% 였으며 푸른색을 띄고 있었다. 한편, D 분말의 경우는 산화물이 거의 검출되지 않았으며 색상도 원료 분말과 유사한 희색이었다. 기존 연 구에서 유사한 공정으로 타이타늄 분말을 구상화하였을 때 고온산화의 문제가 발생하지 않았던 것을 고려하면 [10] 바나늄 분말은 타이타늄 대비 고온산화에 더 취약한 것으로 판단된다. 그림 5는 상대적으로 고온산화도가 낮 은 D 분말의 표면상태를 SEM-EDX로 분석한 결과이다. RF-플라즈마 처리 전과 비교하면 표면이 매우 매끄럽고 둥근 것을 할 수 있다. 거시적으로 EDX-spectra를 통해 확 인하면 플라즈마 처리 후에도 V외에 다른 원소에 의한 오 염이 두드러지지 않았다. 그러나, EDX 맵을 통해 관찰해 보면 분말 표면의 일부에 산화물들이 소량 생성되어 있는 것이 확인되었다.

Fig 4

XRD patterns of V powders after RF-plasma process; (a) powder A (b) powder B, (c) powder C, (d) powder D. A photo in inset shows the color of the powders. The inset shows a photo of the color of the powders.

Fig 5

SEM-EDX analysis of V powder before and after RF-plasma process. (a) as-received angular powder and (b) RF-plasma processed ‘D’ powder. White arrows indicate the location of impurities.

3.2 바나늄 분말을 이용한 타이타늄/바나듐/스텐인리스강 경사기능소재 제조

Ti-6Al-4V과 17-4PH강을 이용한 경사기능소재의 적층 조형을 위해 V층 적층을 시도해 보았다. 플라즈마 처리를 하지 않은 각형의 분말과 플라즈마 처리된 D 분말을 각각 이용해 Ti-6Al-4V 위에 중간층을 적층하였다. 그림 6(a)는 각형의 V 분말을 이용해 적층한 후 시편의 거시적 형상을 보여주고 있다. 각형의 V 분말이 중간층 제조에 사용된 경우 V층이 박리(Delamination) 현상 없이 Ti-6Al-4V 위 에 안정적으로 적층되었고 최종 적층 두께는 0.4~0.6 mm 수준이었다. 이어서 V층 위에 17-4PH 층을 추가로 적층 하였다. 이 경우에도 17-4PH는 박리 없이 건전하게 적층 되었다. 17-4PH 층의 두께는 4.5 mm 수준이었다. 한편, 그 림 6(b)는 플라즈마 처리된 구형의 V 분말을 이용해 중간 층을 형성한 경우를 보여주고 있다. V 중간층 자체는 Ti- 6Al-4V 위에서 박리를 일으키지 않고 잘 적층되었다. 그 러나, 구형분말 V층의 표면은 각형분말 층 대비 상대적으 로 짙은 푸른색을 띄고 있어서 표면산화의 정도가 더 심 했던 것으로 보인다. 또한, 적층 두께는 구상의 분말을 사 용했을 때보다 더 두꺼운 1.0~1.2 mm 수준이었다. 이는 동 일 분말 분사조건에서 구형의 분말이 흐름성 flowability) 이 더 우수해 더 많은 양의 분말이 노즐에서 분사되었기 때문으로 추측된다. 한편, 구형 분말로 제조된 중간층 위 에 17-4PH 층을 추가로 적층하였다. 이 경우 당초 예상과 달리 적층시 17-4PH의 박리가 발생하였다(그림 6(b)의 빨 간 화살표 지점). 그림 6(c)는 각형의 V 분말을 사용했을 경우 적층부의 단면을 관찰한 SEM사진이다. 기공의 분율 이 매우 낮으며 Ti-6Al-4V 뿐만 아니라 17-4PH와의 접합 부도 매우 건전한 것을 알 수 있다. 특히, 17-4PH쪽의 접 합면은 표면거칠기가 높아 기계적인 체결(Mechanical locking) 효과도 있을 것으로 판단된다. 반면, 그림 6(d)는 구상화 처리된 V 분말이 사용된 경우이다. V층 내부에 기 공의 생성이 매우 심하게 발생한 것이 관찰되었다. 또한, 불완전 용융(Incomplete melting)된 V 분말 입자들도 다수 발견되었다(파란색 화살표). 이러한 불건전한 V층 형성의 17-4PH층의 박리를 유발한 것으로 보인다.

Fig 6

Macro photo of additive manufactured samples. (a) interlayer made of angular V powder, (b) interlayer made of spherical V powder. Red arrows indicate the location of delamination. SEM images of the cross-sections of the layer deposited using (c) angular V powder and (d) spherical V powder, respectively. Blue arrows indicate the incomplete melting of powder particles.

구상의 V 분말을 활용하여 제조한 중간층 위에서 여러 결함이 발생한 이유는 (1) 구상화 분말에 상대적으로 산소 농도가 높아 V₃O₁₆ 산화물이 발생하였고 이것이 분말의 용 융을 방해했기 때문으로 보인다[11]. 또한, (2) 비교적 두꺼 운 중간층 형성으로 내부에 상대적으로 높은 수준의 잔류 응력이 발생하여 균열을 유발하였다[10]. 그림 4-5에서 D 분말의 경우 표면에 V₃O₁₆ 산화층 형성이 거의 억제된 것 으로 나타났다. 그러나, 그림 5의 SEM-EDX에서 보이듯이 RF-플라즈마의 고온 처리 중 미량의 산소 침입을 완전히 피하기는 어려웠을 것으로 추측된다. 표면에서는 V₃O₁₆ 산 화층의 분율이 낮아 XRD에서는 검출되지 않은 것으로 보 인다. 적층공정 중 추가로 유입되는 산소로 인해 플라즈마 처리된 분말을 활용한 중간층에서는 바나늄 산화물 생성이 보다 촉진되었고 이것이 17-4PH의 박리를 유발했을 것으 로 사료된다. 보다 우수한 경사기능소재 제조를 위해서는 (1) V의 플라즈마 구상화 공정 중 산소 유입을 최대한 억 제하고 (2) AM공정 중 분말공급량을 정밀히 제어하여 중 간층 두께를 적정 수준으로 낮추어야 할 것으로 보인다.

4. 결 론

본 연구에서는 RF-플라즈마 공정을 활용하여 각형의 바 나늄 분말을 구형의 분말로 제조하는 기초연구를 수행하 였으며 이를 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.

• (1) 각형의 바나늄 분말들은 RF-플라즈마 공정을 통해 평균 입도 100 μm 수준으로 균일하게 구상화 처리 될 수 있었다. 휘발되거나 미분화 되어 사라진 분말의 양은 전체 의 5% 수준으로 매우 적었다.

• (2) RF-플라즈마 공정 중 바나늄 분말에는 표면산화가 발생하였다.

• (3) 타이타늄/바나듐/스텐인리스강의 경사기능소재를 적 층 조형 하였다. V 중간층이 각형의 분말로 제조된 경우 17-4PH의 박리없이 건전한 적층이 이루어졌다. 반면, 구 상화 처리된 V 분말이 사용된 경우는 V층에서 기공과 불 완전 용융현산이 관찰되었다. 또한, 17-4PH의 적층시 박 리가 발생하였다. 이러한 결함발생의 주원인은 V 중간층 이 상대적으로 두꺼웠고 플라즈마 공정을 거치면서 V 분 말에 산소농도가 올라갔기 때문으로 추측된다.

• 1. S. E. Back, K.-H. Noh, J. Y. Park, Y. J. Cho and J. H. Kim: J. Korean Powder Metall. Inst., 25 (2018) 220..Article
• 2. K. Euh, B. Arkhurst, I. H. Kim, H.-G. Kim and J. H. Kim: Met. Mater. Int., 23 (2017) 1063..Article
• 3. B. M. Arkhurst, J.-J Park, C.-H. Lee and J. H. Kim: Korean J. Met. Mater., 55 (2017) 550..
• 4. T. Park and J. H. Kim: J. Korean Powder Metall. Inst., 25 (2018) 327..Article
• 5. N. K. Adomako, J. O. Kim, S. H. Lee, K. H. Noh and J. H. Kim: Mater. Sci. Eng., A, 732 (2018) 378..Article
• 6. J. B. Seol, D. Haley, D. T. Hoelze and J. H. Kim: Acta Mater., 153 (2018) 71..Article
• 7. N. K. Adomako, J. O. Kim and J. H. Kim: Mater. Sci. Eng., A, 753 (2019) 208..Article
• 8. N. K. Adomako, S. Noh, C.-S. Oh, S. Yang and J. H. Kim: Mater. Res. Lett., 7 (2019) 259..Article
• 9. B. M. Arkhurst and J. H. Kim: Met. Mater. Int., 24 (2018) 464..Article
• 10. S. Yang, J.-N. Gwak, J.-Y. Yun, J.-Y. Kim, S. Park, H.-S. Kim, Y.-J. Kim and Y.-H. Park: J. Korean Powder Metall. Inst., 20 (2013) 467..Article
• 11. S. K. Everton, M. Hirsch, P. Stravroulakis, R. K. Leach and A. T. Clare: Mater. Des., 95 (2016) 431..Article

Figure & Data

References

Citations

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