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문제 정의
- 부분 용해 현상은 고체의 일부분만 녹을때 발생하므로, 레이저 출력이 증가할수록 용융된 입자의 수가 증가하여 더욱 균일한 적층이 가능하게 된다. 레이저출력 조건에 따른 두께 균일도 및 기공 발생 정도를 관찰해 보았다. 그림 3은 3차원 조형체의 표면을 연마 및 폴리싱 한 후 광학 현미경으로 관찰한 결과이다.
제안 방법
- 적층 조형 시험 중 챔버내 분위기 가스는 Argon을 사용하였다. Laser scan speed는 480 mm/min, Chamber gas flow는 7.5lit/min, Powder carrier gas flow는 1.8lit/min, Powder feed rate는 5g/min으로 고정하였고, 레이저 출력만 150W, 180W, 210W로 변화를 주었다. 조형체는 기판위에 가로 3 mm, 세로 20 mm, 높이 20 mm로 제작하였다.
- 그러나, DED 공정이 적용된 SUS630 소재의 기계적 특성과 미세조직에 대해서는 아직 보고된 바가 없다. 본 연구에서는 일반 산업용 SUS630 스테인리스강 분말을 이용하여 DED 적층 조형을 수행하였다. 이를 통해 공정 조건에 따른 SUS630 조형체의 미세조직 및 기계적 특성 변화를 살펴보았다.
- 50 g, HCl 50 ml, Ethanol 100 ml의 Kalling 에칭 용액을 사용하였다. 에칭된 시료의 미세조직을 광학현미경과 Oxford 사의 X-MAX 모델 주사전자 현미경을 이용하여 관찰하였다. 경도값은 Akashi 사의 HM-122 Micro-Vickers hardness를 이용하여 측정하였다.
- 본 연구에서는 SUS630분말의 DED 공정을 통해 3차원 조형체를 제작하였다. 여러 가지 공정변수 중 레이저 출력의 변화에 따른 조형체의 기공, 경도 및 미세조직 변화를연구하였다. 레이저 출력이 증가할수록 표면이 부드러워지고, 두께 균일도가 증가했으며 기공의 크기와 개수가 감소하였다.
- 본 연구에서는 일반 산업용 SUS630 스테인리스강 분말을 이용하여 DED 적층 조형을 수행하였다. 이를 통해 공정 조건에 따른 SUS630 조형체의 미세조직 및 기계적 특성 변화를 살펴보았다.
대상 데이터
- 미세조직 분석을 확인하기 위하여 CuCl2 50 g, HCl 50 ml, Ethanol 100 ml의 Kalling 에칭 용액을 사용하였다. 에칭된 시료의 미세조직을 광학현미경과 Oxford 사의 X-MAX 모델 주사전자 현미경을 이용하여 관찰하였다.
- 본 연구에서는 DED 기반의 금속 적층 조형 장비로 국내의 인스텍(Insstek) 장비를 사용하였으며 열에너지 공급을 위한 레이저는 ytterbium fiber laser를 사용하였다. 사용된 분말은 SUS630이며 CARPENTERS 사에서 제공받았다.
- 본 연구에서는 SUS630분말의 DED 공정을 통해 3차원 조형체를 제작하였다. 여러 가지 공정변수 중 레이저 출력의 변화에 따른 조형체의 기공, 경도 및 미세조직 변화를연구하였다.
- 본 연구에서는 DED 기반의 금속 적층 조형 장비로 국내의 인스텍(Insstek) 장비를 사용하였으며 열에너지 공급을 위한 레이저는 ytterbium fiber laser를 사용하였다. 사용된 분말은 SUS630이며 CARPENTERS 사에서 제공받았다. SUS630의 화학조성은 표 1과 같다.
- 적층 조형 시험 중 챔버내 분위기 가스는 Argon을 사용하였다. Laser scan speed는 480 mm/min, Chamber gas flow는 7.
- 8lit/min, Powder feed rate는 5g/min으로 고정하였고, 레이저 출력만 150W, 180W, 210W로 변화를 주었다. 조형체는 기판위에 가로 3 mm, 세로 20 mm, 높이 20 mm로 제작하였다.
이론/모형
- Table 1. Chemical composition of as-received SUS630 powder analyzed by ICP-OES method.
- 경도값은 Akashi 사의 HM-122 Micro-Vickers hardness를 이용하여 측정하였다. 미세조직의 상분석을 위하여 Electron Backscatter Diffraction (EBSD) 관찰을 FE-SEM JSM-7800 모델을 이용하여 분석하였다. EBSD를 위한 시편은 0.
- 그림 1은 제조된 SUS630 입자 형상(a)과 입도분포(b)를 나타내고 있다.입도분석기는 Malvern Instrument 사의 Mastersizer 3000-Maz6140모델을 사용하였으며 Dispersant Refractive Index가 1.330인 Water를 사용하였고 Scattering Model은 Mie Scattering이다. 분말은 구형의 형상을 나타내고 있으며 평균 ~116 µm의 크기를 중심으로 밀집된 가우시안 분포를 나타내는 분말을 사용하였음을 확인하였다.
성능/효과
- 150W 출력의 경우 그림 2에서 관찰된 결과와 유사하게 두께가 균일하지 않음을 확인할 수 있었다. 180W, 210W 출력의 경우도 부분적으로 두께가 일정하지 않았지만 150W 출력 대비 균일도가 향상되었음을 확인할 수 있었다. 특히, 레이저 출력이 150W로 낮은 경우 매우 큰 기공이 조형품 내부에 잔존하는 것이 관찰되었다.
- 레이저 출력이 가장 큰 210W에서 잔류 오스테나이트 분율이 가장 높았으나 그 차이는 크지 않았다. 210W 조건에서 전체적인 조직 건전성이 우수하였고 경도도 높았다.
- 일례로, 중공형의 복잡한부품을 제조할 수 있어 높은 수준의 경량화가 가능해졌다. 또한, 부품을 따로 제작하여 조립할 필요 없이 일체화하여 제품의 효율성을 높일 수 있게 되었다. 원소재의 90% 정도를 실부품 제작에 사용할 수 있어 스크랩 발생량이 적다는 장점도 있다[2].
- 또한 경도의 표준편차는 감소하고, 경도는 증가하였다. 레이저 출력에 관계없이 3D 프린팅 조형체의 기판에서 멀어질수록 기공의 크기와 개수가 감소하였으며 경도 값 또한 소폭 증가하였다. 적층 조형 도중 SUS630이 급냉되면서 주상정구조로 응고되었고 이때 주상정 경계면을 따라 기공이 형성되었다.
- 여러 가지 공정변수 중 레이저 출력의 변화에 따른 조형체의 기공, 경도 및 미세조직 변화를연구하였다. 레이저 출력이 증가할수록 표면이 부드러워지고, 두께 균일도가 증가했으며 기공의 크기와 개수가 감소하였다. 또한 경도의 표준편차는 감소하고, 경도는 증가하였다.
- 그림 3의 사진에서도 확인할 수 있듯이 150W, 180W, 210W 순으로 레이저 출력이 증가할수록 평균 기공의 개수가 적었다. 미세기공일수록 각 시편 사이 기공 개수의 차이가 컸고, 비교적 조대한 기공의 경우 레이저 출력 조건에 따른 차이는 비교적 적었다.
- 150W 출력으로 제조된 시료의 경우 표면이 매우 거칠고 높이 방향(z 방향)으로 표면이 불균일하게 적층된 것을 확인할 수 있다. 반면, 출력이 180W와 210W로 증가할수록 표면이 매끄러워지고 높이 방향 적층 균일도도 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 이는 분말의 부분 용해(partial melting) 현상에 기인한 것으로 판단된다.
- 한편, 기존 문헌에서 PBF 법을 이용해 제조된 시료의 평균 경도 값은 320~350HV 수준으로 보고되고 있다[6]. 본 실험에서는 공정 조건에 따라 400HV 수준까지 도달이 가능함을 보여주었다. 이는 DED 방식에서 레이저 출력이 적절히 제어된 경우 PDF 법에 비해 소폭 더 높은 경도 값을 얻을 수 있음을 시사한다.
- 분말은 구형의 형상을 나타내고 있으며 평균 ~116 µm의 크기를 중심으로 밀집된 가우시안 분포를 나타내는 분말을 사용하였음을 확인하였다.
- 이러한 미세한 입자 구조는 DED 공정의 중요한 특징 중 하나인 빠른 응고의 결과로 보여진다[9]. 적층 조형된 SUS630의 미세조직은 열 방출 방향과 평행하게 성장한 주상정 구조 (columnar structure)인 것을 알 수 있었다. 이러한 주상정 형태는 150W 조건에서 가장 뚜렷하게 드러났다.
- 그러나, 마르텐사이트 조직 사이사이에는 잔류 오스테나이트(retained austenite)가관찰되었는데 레이저 출력이 높아질수록 이 분율이 높았다. 즉, 150W, 180W의 경우 잔류 오스테나이트의 분율이각각 15%, 18%였고 210W 소재의 경우는 20%로 상승하였다. 레이저 출력에 따른 잔류 오스테나이트 분율의 증가는 내부 잔류응력과 관련이 있을 것으로 판단된다.
- 그림 5(d)는 적층 소재의 평균 경도 값을보여주는 그래프로서 경도가 150W-180W-210W 순으로 점점 증가하는 것을 알 수 있다. 최고 경도는 400HV 수준으로 추가적인 시효 열처리 없이도 벌크재 수준의 경도를 가지는 것을 확인하였다. 레이저 출력이 증가할수록 적층 조형 도중 시료의 온도가 높게 상승하는데 이러한 온도 상승이 미세 Cu 석출상의 석출을 유발해 경도가 상승하였을 것으로 추측된다 [8].
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