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문제 정의
- 본 연구에서는 PBF와 DED 공정으로 제조된 17-4PH 스테인리스 강의 열처리 여부에 따른 미세 조직 및 기계적 특성을 평가하였고 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- 17-4PH 스테인리스 강의 적층가공 공정에 따른 물성 차이를 보기위해 DED 공정에 기반한 DMT(Direct Metal Tooling) 장비와 PBF 공정에 기반한 SLM(Selected Laser Melting) 장비를 이용하여 환봉형태로 적층하였다. 적층공정 세부조건은 Table 1에 나타내었다.
- 그러나 열처리 전과 후 모든 조건에서 DED 공정으로 제조된 시편이 PBF 공정으로 제조된 시편보다 강도가 높은 것을 확인할 수 있는데 이에 대한 원인 분석으로 미세조직 및 상분석을 진행하였다.
- 본 연구에서는 17-4PH 스테인리스 강을 사용하여 PBF와 DED 공정으로 각각 시편을 제조하였고 사용 소재가 열처리가 요구되는 합금이기에 일부 시편에 대해 용체화 열처리와 시효 열처리를 진행하였다. 제조된 시편에 대해 미세조직 관찰 및 상분석을 진행하였으며 인장 시험을 통해 기계적 특성평가를 진행하였다.
- 석출경화형 합금인 17-4PH 스테인리스 강의 열처리 전과 후의 변화를 보기위해 각각 적층된 시편의 일부에 대해 용체화 열처리(1040 °C, 0.5 hr, AQ)와 시효 열처리(620 °C, 4 hr, AQ)를 진행하여 시편을 제조하였다.
- 제조된 시편에 대해 미세조직 관찰 및 상분석을 진행하였으며 인장 시험을 통해 기계적 특성평가를 진행하였다. 이러한 실험 결과를 바탕으로 PBF와 DED 공정으로 적층된 두 시편의 미세 조직 및 기계적 특성을 비교 평가하였다.
- 5 hr, AQ)와 시효 열처리(620 °C, 4 hr, AQ)를 진행하여 시편을 제조하였다. 적층 가공된 시편의 기계적 특성을 평가하기 위해 각 조건에 대해 5회 이상 인장시험을 수행하였다. 적층가공 공정과 열처리 여부에 따른 기계적 특성과 미세조직의 관계를 확인하기 위해 Field emission scanning electron microscope(FESEM)장비를 이용하여 미세조직을 관찰하였고 존재하는 상과 상분율을 확인하기 위해 X-ray diffraction (XRD), Electron back- scatter diffraction(EBSD) 장비를 이용하였다.
- 적층 가공된 시편의 기계적 특성을 평가하기 위해 각 조건에 대해 5회 이상 인장시험을 수행하였다. 적층가공 공정과 열처리 여부에 따른 기계적 특성과 미세조직의 관계를 확인하기 위해 Field emission scanning electron microscope(FESEM)장비를 이용하여 미세조직을 관찰하였고 존재하는 상과 상분율을 확인하기 위해 X-ray diffraction (XRD), Electron back- scatter diffraction(EBSD) 장비를 이용하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 17-4PH 스테인리스 강(15-17.5 Cr, 3-5 Ni, 3-5 Cu, <1 Mn, Si, 0.15-0.45Nb, balance Fe in wt%)은 대표적인 마르텐사이트계 스테인리스 강으로, 시효 열처리 시 마르텐사이트 기지에 미세한 구형의 Cu-rich 상이 석출하는 석출경화형 합금이다[12-14].
데이터처리
- 상분율에 대한 보다 정량적인 분석을 위해 EBSD 장비를 활용하여 마르텐사이트 상과 오스테나이트 상의 분포와 분율을 분석하였고 분석 결과를 Fig. 4에서 이미지로 나타내고 있다. as-fab DED의 경우 오스테나이트 상이 0.
- 본 연구에서는 17-4PH 스테인리스 강을 사용하여 PBF와 DED 공정으로 각각 시편을 제조하였고 사용 소재가 열처리가 요구되는 합금이기에 일부 시편에 대해 용체화 열처리와 시효 열처리를 진행하였다. 제조된 시편에 대해 미세조직 관찰 및 상분석을 진행하였으며 인장 시험을 통해 기계적 특성평가를 진행하였다. 이러한 실험 결과를 바탕으로 PBF와 DED 공정으로 적층된 두 시편의 미세 조직 및 기계적 특성을 비교 평가하였다.
성능/효과
- 1. 인장시험 결과, 열처리 시 DED와 PBF 공정으로 제조된 17-4PH SS 시편 모두 강도가 증가하였으나, 열처리 전과 후 모두 DED 공정으로 제조된 시편이 PBF 공정으로 제조된 시편보다 더 높은 강도를 갖는다.
- 2. 미세조직 분석 결과, 열처리 여부에 관계없이 DED 공정보다 PBF 공정으로 제조된 시편의 오스테나이트 상분율이 더 높았다. 이는 PBF 공정의 장비에서 상대적으로 작은 직경의 레이저를 사용하는 것과 질소 분위기의 적층 조건에 기인된 것으로 판단된다.
- EBSD 상분율 측정 결과를 통해 열처리 전, 후 모두 PBF 공정으로 제조한 17-4PH 스테인리스 강이 DED 공정으로 제조한 시편보다 오스테나이트 상분율이 높은 것을 확인하였다.
- heat-treated DED와 heat-treated PBF의 경우 모두 전체적으로 균일한 오스테나이트 상 분포를 보이나 상분율은 2.6%와 2.6%로 heat-treated PBF의 오스테나이트 상분율이 가장 높았다.
- 두 공정 모두 마르텐사이트(α) 기지로 존재하지만 as-fab PBF의 경우 오스테나이트(γ) 상이 존재하는 것을 확인하였다.
- 1은 PBF와 DED 공정으로 제조된 17-4PH 스테인리스 강의 열처리 전, 후에 따른 항복강도 차이를 나타낸다. 두 공정 모두 열처리 후의 강도가 열처리 전의 강도보다 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이는 시효 열처리에 의해 마르텐사이트 기지 내 Cu-rich 상의 석출 때문인 것으로 보이며, 이는 LebRun, T의 PBF 의 공정으로 제조된 17-4PH 스테인리스 강에 대한 연구 결과[17]와 유사한 경향을 보인다.
- 3(c)에서 볼 수 있듯, 오스테나이트 상이 혼합하여 존재하는 것이 관찰된다. 열처리 후의 미세조직에서는 입계와 입내 모두 오스테나이트 상이 형성되는 것을 확인하였으나 heat-treated PBF에서 더 많은 오스테나이트 상이 존재하는 것을 확인하였다(Fig. 3(b) Fig.
후속연구
- 조직과 기계적 강도의 측면에서 DED 공정과 PBF 공정에 대한 보다 정확한 차이와 원인을분석하기 위해서는 Cu-rich 석출상에 대한 크기, 정합 성, 분포, 분율 등에 대한 추가 분석이 필요하다.
- 향후 PBF와 DED 공정에 따른 물성 차이에 대한 보다 정확한 원인을 파악하기 위해 Cu-rich 석출상에 대한 추가적인 연구를 진행할 예정이다.
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