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자동차 배출 가스 저감을 위한 자동차 부품 경량화를 위하여 알루미늄 소재의 강도와 내구성을 증가시키기 위하여 다양한 적층 방법이 사용되고 있고 그중에서 구형의 합금 분말을 사용한 powder bed fusion(PBF) 공정이 널리 사용되고 있다.
PBF 공정을 적용한 AlSi10Mg 분말의 제조 및 적용 가능성을 확인하기 위하여 다음과 같은 내용들에 관해서 연구하였다. 첫째, 가스 분사 방법으로 AlSi10Mg 분말을 제조하기 위해서 분사기와 ...

자동차 배출 가스 저감을 위한 자동차 부품 경량화를 위하여 알루미늄 소재의 강도와 내구성을 증가시키기 위하여 다양한 적층 방법이 사용되고 있고 그중에서 구형의 합금 분말을 사용한 powder bed fusion(PBF) 공정이 널리 사용되고 있다.
PBF 공정을 적용한 AlSi10Mg 분말의 제조 및 적용 가능성을 확인하기 위하여 다음과 같은 내용들에 관해서 연구하였다. 첫째, 가스 분사 방법으로 AlSi10Mg 분말을 제조하기 위해서 분사기와 노즐을 설계하고 제작하였다. 둘째, 가스 분사 공정의 변수인 용탕의 온도, 노즐의 재질 및 디자인, 가스의 종류, 가스의 압력 등을 제어하여 구형의 형상을 가지는 AlSi10Mg 분말을 제조하였다. 셋째, 노즐 직경 사이즈(ø4.0, ø4.5, ø5.0, ø8.0) 변화에 따른 분말의 형상과 분말 사이즈의 변화를 확인하였다. 넷째, 제조된 분말은 분급 기술을 적용하여 PBF 공정용으로 적용하기 위하여 분말의 크기를 10㎛~45㎛로 제어하였다. 다섯째, PBF 적층 제조와 물성평가를 진행하였다.
PBF 공정용 분말의 조건은 분말의 형상은 구형이며, 분말의 크기는 일반적으로 10㎛~45㎛이다. 노즐 직경을 4종류로(ø4.0, ø4.5, ø5.0, ø8.0) 변경하였을 경우 ø4.0 조건에서 제조된 분말의 구형도가 가장 우수하였으며, 분말의 입도는 D10 13.7㎛, D50 30.2㎛, D90 67.9㎛으로 제조되어 다른 조건에 비해서 분말의 크기가 작게 제조되었다. 분급 후의 입도는 D10 12.76㎛, D50 26.11㎛, D90 35.06㎛로 측정되어 PBF 공정용 분말의 입도 조건인 10㎛~45㎛로 제어하는데 가장 적합한 결과를 얻었다.
본 연구에서 제조된 AlSi10Mg 분말의 특성을 비교하기 위하여 적층 장비 제조사에서 공개하는 주요 상용 알루미늄 합금의 인장강도와 연신율을 비교하였다. 최적의 적층 조건이 아님에도 불구하고 인장강도는 평균값 456(N/㎜2)이며, 연신율은 5%이었다. 적층 장비 제조사에서 공개하는 GE 社의 수직 방향의 경우 인장강도는 465(MPa)이며, 연신율은 7.4%이었으며, 수평 방향의 경우 인장강도는 445(MPa)이며, 연신율은 10.5%로 본 연구에서 PBF 적층 제조한 물성과 비교하면 인장강도는 유사하였으나 연신율은 약 2.45 ~ 5.5%의 차이로 작게 측정되었다. 이러한 연신율의 차이는 적층 제조된 제품의 열처리 적용 유/무 및 열처리 조건에 따른 차이 때문이라고 판단된다. 또한 적층 공정으로 제조된 AlSi10Mg 합금에서는 소재 내부에 기공과 미용융된 상태의 분말 같은 결함이 발생할 수 있다고 알려져 있다. 상기 결함들은 미세 조직적 불균일과 응력 집중을 발생시켜 기계적 특성에 악영향을 미치며, 특히 정적 기계적 특성인 피로 특성을 크게 저하시킨다고 알려져 있다. 추가적인 PBF 공정용 적층 제조 연구가 계속 진행된다면 해외 적층 장비 제조사에서 공개하는 인장강도와 연신율과 동등하거나 더 우수한 결과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.

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