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문제 정의
- 경도 차이가 발생하는 이유를 클래드 층의 성분 분포를 통해 알아보고자 하였다. Figure 7은 중첩률이 빔 사이즈 기준 20 % 일 때 횡단면의 광학현미경 사진과 실험 모식도, SEM-EDS 라인 분석 결과를 나타낸다.
- 따라서 1 패스 클래드 층의 폭 보다 넓은 면적을 클래딩하기 위해서는 중첩(overlapping)이 불가피하다. 현재까지 진행된 연구에서 중첩률 기준을 빔 사이즈와 클래드 층 폭으로 나누었으므로, 따라서 본 연구에서는 중첩 기준이 멀티패스 클래드 층에 미치는 영향을 조사하였다[6]. 기준을 빔 사이즈 또는 클래드 층 폭으로 할 때, 멀티 패스(multi pass) 클래드 층의 형상과 경도 및 합금 성분 분포의 차이를 파악하여 중첩률 기준을 정하고자 하였다.
제안 방법
- (3) 경도값의 차이가 발생하는 이유를 SEM-EDS 라인 분석을 통해 확인하였다. 중첩률이 빔 사이즈 기준 20 % 일 때, 첫 번째 클래드 층에서 Fe은 약 20 % 가까이 측정되었으나, 두 번째 층부터는 10 % 미만으로 감소하였다.
- (4) 멀티 패스 클래딩 시 중첩률의 기준을 클래드 층 폭으로 할 경우, 공정변수를 변화시킬 때 마다 폭의 길이가 증감하게 되므로 빔 사이즈를 중첩률 기준으로 정하였다.
- 따라서 분석을 진행한 위치에 관계없이 Fe은 20 %에 가까운 높은 양을 나타내었으며, 빔 사이즈 기준일 때보다 경도 값도 낮게 측정된 것을 알 수 있었다. 결론적으로 멀티패스 클래딩 시 중첩률의 기준을 클래드 층의 폭으로 할 경우, 희석률이 증가하여 경도가 감소하고 무엇보다도 출력과 클래딩 속도, 분말 공급량과 같이 클래드 층 형상에 영향을 주는 변수를 변화시킬 때마다 폭의 길이가 증감하게 되므로 추후 중첩 실험에서는 빔 사이즈를 중심으로 중첩률을 정의하였다.
- 멀티패스 클래드는 총 6개의 1 패스 클래드 층을 같은 방향으로 중첩하여 형성하였으며 이 때, 중첩률 기준을 빔사이즈 일 때와 클래드 층 폭 길이 일 때로 나누어 실험을 진행하였다. 기준에 따른 클래드 층의 횡단면 모양 및 크기를 비교하였으며, 표면 조도가 가장 일정한 조건에서 경도 및 합금 성분 분포 차이를 조사하여 중첩률 기준을 선정하였다.
- 현재까지 진행된 연구에서 중첩률 기준을 빔 사이즈와 클래드 층 폭으로 나누었으므로, 따라서 본 연구에서는 중첩 기준이 멀티패스 클래드 층에 미치는 영향을 조사하였다[6]. 기준을 빔 사이즈 또는 클래드 층 폭으로 할 때, 멀티 패스(multi pass) 클래드 층의 형상과 경도 및 합금 성분 분포의 차이를 파악하여 중첩률 기준을 정하고자 하였다.
- 넓은 면적에 클래딩 시 레이저 빔의 특성상 1패스 클래드 층의 중첩이 불가피하며 중첩 실험 전, 멀티패스 클래드 층에 미치는 중첩 기준의 영향을 조사하였으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 높이 약 1 mm, 폭 약 10 mm의 1 패스 클래드 층을 형성하는 레이저 출력(P) 4 kW, 클래딩 속도(v) 4 mm/s, 분말 공급량(Rf) 19~20 g/min의 조건에서 중첩률(OLap.r) 기준을 빔 사이즈와 클래드 층 폭으로 나누어 실험을 진행하였다. 먼저, 6 × 6 mm의 빔 사이즈 기준으로 중첩률을 0~30 %까지 10 % 단위로 변화시킬 때의 실험 진행 모식도와 클래드 층의 횡단면을 Figure 2에 나타낸다.
- 전체적으로 균일한 높이의 클래드 층이 형성되었으며 중첩률이 증가할수록 클래드 층의 폭이 감소하고 높이가 상승하는 것을 Figure 2의 횡단면을 통해 알 수 있다. 다음은 1 패스 클래드 층의 폭을 기준으로 중첩률을 0~40 %까지 10 % 단위로 변화시키면서 전과 동일하게 실험을 진행하였다. 중첩 실험과 동일한 조건에서 1 패스 클래드 층의 폭은 9.
- 멀티패스 클래드는 총 6개의 1 패스 클래드 층을 같은 방향으로 중첩하여 형성하였으며 이 때, 중첩률 기준을 빔사이즈 일 때와 클래드 층 폭 길이 일 때로 나누어 실험을 진행하였다. 기준에 따른 클래드 층의 횡단면 모양 및 크기를 비교하였으며, 표면 조도가 가장 일정한 조건에서 경도 및 합금 성분 분포 차이를 조사하여 중첩률 기준을 선정하였다.
- 중첩률 기준에 따른 클래드 층의 형상 차이를 확인한 후, 물성 차이를 비교하기 위해 클래드 층의 경도 분포를 조사하였다. 클래드 층의 표면이 균일해지는 조건에서 첫 번째, 네 번째 그리고 마지막 클래드 층의 표면부터 모재까지 깊이 방향으로 60 μm 간격을 두고 측정하였다.
- 클래드 층의 표면이 균일해지는 조건에서 첫 번째, 네 번째 그리고 마지막 클래드 층의 표면부터 모재까지 깊이 방향으로 60 μm 간격을 두고 측정하였다.
대상 데이터
- SNCrW 시험편은 원형의 형태로 지름 115 mm, 두께 20 mm이다. 가스 분사법(gas atomization)으로 제조된 분말은 둥글거나 불규칙한 형상을 나타내며 크기는 53~150 μm이다.
- 본 실험에서는 선박엔진 밸브용 내열강 SNCrW를 모재로, stellite 6과 동일한 조성의 EuTroLoy 16006을 분말로 사용하였으며, 각각의 화학조성을 Table 1과 Table 2에 나타낸다. 내열강은 500 ℃에서 최대 750 ℃까지의 온도 범위에서 사용될 수 있는 합금강으로 고온강도, 내산화성, 내마모성 및 고온피로강도가 우수하다[7].
- 실험에 사용한 레이저 클래딩 장치는 크게 최대출력 8 kW의 CW 고출력 다이오드 레이저, 분말 공급 장치, 6축 제어 로봇 3가지로 구성되어 있다. 다이오드 레이저는 965~985 nm의 파장대를 가지며, 조사되는 레이저 빔은 균일한 파워 밀도 분포를 가지는 6×6 mm 크기의 사각빔(rectangular beam)이다.
성능/효과
- (1) 중첩률 기준을 달리하여 멀티패스 클래딩을 실시한 결과, 기준에 관계없이 중첩률이 증가할수록 클래드 층의 폭이 감소하고 높이가 증가하였다. 클래드 층 폭 기준일 때 보다 빔 사이즈 기준으로 형성한 클래드 층의 높이는 더 높았으며 길이는 짧았다.
- (2) 멀티패스 클래드 층의 경도를 측정한 결과, 빔 사이즈 기준 중첩률 20 % 조건에서 첫 번째 클래드 층은 희석이 증가하여 경도 값이 낮게 측정되었으며, 다른 영역에서는 희석이 감소하면서 평균 경도가 470~490 Hv으로 증가하였다. 클래드 층 폭 기준 30 %의 경우 전체적으로 빔 사이즈 기준일 때 보다 낮은 값을 나타내었다.
- (5) 멀티 패스 클래드 층의 조직 분포를 관찰한 결과, 중첩 후에도 결함이 발견되지 않았으며 모재와 클래드 층은 금속학적으로 결합되었다. 중첩부는 미세한 덴드라이트 구조의 클래드 층이 용융·응고되면서 조대해진 주상 및 세포상 구조가 형성되었다.
- 5 mm, 길이 30 mm 이상의 클래드 층을 얻을 수 있었다. 동일한 중첩률 조건에서 클래드 층 폭 기준일 때보다 높이가 더 상승하였으며 길이는 짧았다. 기준에 상관없이 중첩률이 0 %에서 30 %로 증가할 때 클래드 층의 폭은 약 10 mm 이상 감소하므로 작업 생산성을 고려하여 적절한 중첩률의 선정이 필요하다는 것을 알 수 있다.
- 첫 번째 클래드 층 형성 시, 6 mm 길이의 레이저가 모재에 조사된다. 두 번째 클래드 층을 형성할 때도 기존에 형성된 클래드 층에 빔이 조사되지만 모재에 직접적으로 닿는 빔의 길이가 6 mm 가까운 것을 알 수 있다. 따라서 분석을 진행한 위치에 관계없이 Fe은 20 %에 가까운 높은 양을 나타내었으며, 빔 사이즈 기준일 때보다 경도 값도 낮게 측정된 것을 알 수 있었다.
- 두 번째 클래드 층을 형성할 때도 기존에 형성된 클래드 층에 빔이 조사되지만 모재에 직접적으로 닿는 빔의 길이가 6 mm 가까운 것을 알 수 있다. 따라서 분석을 진행한 위치에 관계없이 Fe은 20 %에 가까운 높은 양을 나타내었으며, 빔 사이즈 기준일 때보다 경도 값도 낮게 측정된 것을 알 수 있었다. 결론적으로 멀티패스 클래딩 시 중첩률의 기준을 클래드 층의 폭으로 할 경우, 희석률이 증가하여 경도가 감소하고 무엇보다도 출력과 클래딩 속도, 분말 공급량과 같이 클래드 층 형상에 영향을 주는 변수를 변화시킬 때마다 폭의 길이가 증감하게 되므로 추후 중첩 실험에서는 빔 사이즈를 중심으로 중첩률을 정의하였다.
- 이와 달리 클래드 층 폭 기준 중첩률 30 %는 클래드 층의 어느 위치에서든 Fe이 20 %에 가까운 높은 양을 나타내었다. 따라서 빔 사이즈 기준일 때보다 전체적으로 모재 성분이 증가하여 경도가 감소하였다.
- 레이저 빔이 1.2 mm 겹치는 중첩률 20 % 조건으로 멀티 패스 클래딩 시, 처음에는 6 mm 길이의 레이저가 모재에 조사되지만 두 번째 클래드 층을 형성할 때부터는 기존에 형성된 클래드 층에도 레이저가 조사되면서 모재에 직접적으로 닿는 빔의 길이가 약 3mm로 감소하게 되는 것을 실험 모식도를 통해 확인할 수 있다. 따라서 모재의 입열량에 의한 희석률 변화로 경도 값의 차이가 발생한 것으로 판단된다.
- 중첩 후 클래드 층의 단면에서 기공이나 균열과 같은 결함이 발생하지 않았으며, 모재 표면 일부가 용융되면서 클래드 층과 금속학적 결합이 이루어진 것을 확인할 수 있다. 모재와 경계층에서부터 클래드 층 표면까지 평활계면 응고, 셀형 응고, 셀형 수지상 응고 및 등축 수지상 응고 구조가 관찰되었으며 중첩되는 영역이 뚜렷하게 구분되었다. 중첩부는 미세한 덴드라이트 구조의 클래드 층이 재용융 및 재가열되면서 조대해진 주상과 세포상 구조가 형성되었으며 새로운 클래드 층에서 결정립 크기가 다시 작아지는 것이 관찰되었다.
- Figure 6은 클래드 층 폭기준 중첩률 30 % 조건의 경도 측정 결과로, Figure 5와 달리 a, b, c 그래프 모두 비슷한 값을 나타내었다. 전체적으로 모재의 희석이 증가하면서 클래드 층의 경도가 400~500 Hv, 평균 450 Hv으로 빔 사이즈 기준 20 % 조건 보다 낮은 값을 나타내었다.
- 중첩률 20 % 조건의 클래드 층에 대하여 중첩부 및 경계층 미세조직을 광학현미경으로 관찰하였으며, 그 사진을 Figure 9에 나타낸다. 중첩 후 클래드 층의 단면에서 기공이나 균열과 같은 결함이 발생하지 않았으며, 모재 표면 일부가 용융되면서 클래드 층과 금속학적 결합이 이루어진 것을 확인할 수 있다. 모재와 경계층에서부터 클래드 층 표면까지 평활계면 응고, 셀형 응고, 셀형 수지상 응고 및 등축 수지상 응고 구조가 관찰되었으며 중첩되는 영역이 뚜렷하게 구분되었다.
- 먼저, 6 × 6 mm의 빔 사이즈 기준으로 중첩률을 0~30 %까지 10 % 단위로 변화시킬 때의 실험 진행 모식도와 클래드 층의 횡단면을 Figure 2에 나타낸다. 중첩률 0 %는 빔이 겹치지 않고 연속적으로 이어지며, 10, 20, 30 %로 중첩률이 증가할수록 빔이 겹치는 영역이 0.6 mm 만큼씩 넓어지는 것을 모식도를 통해 확인할 수 있다. 전체적으로 균일한 높이의 클래드 층이 형성되었으며 중첩률이 증가할수록 클래드 층의 폭이 감소하고 높이가 상승하는 것을 Figure 2의 횡단면을 통해 알 수 있다.
- (1) 중첩률 기준을 달리하여 멀티패스 클래딩을 실시한 결과, 기준에 관계없이 중첩률이 증가할수록 클래드 층의 폭이 감소하고 높이가 증가하였다. 클래드 층 폭 기준일 때 보다 빔 사이즈 기준으로 형성한 클래드 층의 높이는 더 높았으며 길이는 짧았다.
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