[논문]레이저피닝 가공에 의한 Ti-6Al-4V 소재의 경도 변화

김종천; 황정관; 곽동수; 이용성; 김주한; 정성균

문제 정의

본 연구에서는 한국항공우주 산업(Figure 2)의 발전으로 앞으로 국내 시장에서도 레이저 피닝에 대한 수요가 예상되어 LP의 영향성을 검토하기 위한 선행 단계로 레이저 강도별 경도변화 및 표면 조도 특성을 비교 평가하였다. 이를 위해 시험편 재료는 항공용 엔진 블레이드(blade)소재⁽²⁾로 많이 쓰이고 있는 Ti-6Al-4V 소재를 가지고 실험하였으며, 레이저 출력 에너지를 200mJ, 400mJ, 600mJ, 800mJ로 변화시켜 레이저 피닝이 금속의 경도, 표면조도분포에 어떻게 영향을 미치는지 검토하였다.

제안 방법

또한 물(Inertial Tamping Layer)을 사용하여 생성된 플라즈마가 공기 중으로 팽창되는 것을 막아주고 이렇게 집속된 플라즈마는 금속 표면에 고에너지의 밀도를 발생시켜 압력이 급격하게 상승하게 되고 이로 인해 충격파가 금속 내부로 진행하게 된다. 노즐을 이용해서 금속표면에 흐르게 하거나, 수조를 사용하여 레이저를 조사 한다. 물은 플라즈마에 의해 발생된 고온의 열을 냉각시켜주어 고온으로부터의 용융(melting)현상을 방지하는 기능도 한다⁽⁸⁾.
02㎜간격으로 측정하였다⁽⁹⁾. 시험편의 표면조도의 변화를 관찰하기 위해 표면조도계(SJ-400)를 이용하여 환봉시험편을 약 90도 간격으로 측정하였으며, 중심선 평균거칠기(Ra)를 측정하였다⁽⁹⁾
본 연구에서는 한국항공우주 산업(Figure 2)의 발전으로 앞으로 국내 시장에서도 레이저 피닝에 대한 수요가 예상되어 LP의 영향성을 검토하기 위한 선행 단계로 레이저 강도별 경도변화 및 표면 조도 특성을 비교 평가하였다. 이를 위해 시험편 재료는 항공용 엔진 블레이드(blade)소재⁽²⁾로 많이 쓰이고 있는 Ti-6Al-4V 소재를 가지고 실험하였으며, 레이저 출력 에너지를 200mJ, 400mJ, 600mJ, 800mJ로 변화시켜 레이저 피닝이 금속의 경도, 표면조도분포에 어떻게 영향을 미치는지 검토하였다.
03㎛ 까지 되도록 연마 하였으며 마이크로 비커스 경도계(Micro Vickers Hardness tester, JP/FM-7)를 사용하여 표면으로부터 시험편의 중심부 방향으로 20㎛간격으로 측정하였다. 측정조건으로 시험압입하중은 (Test Load) 25gf, 압입시간(Dwell time) 15sec로 설정하여 경도를 측정하였고 표면으로부터 0.8㎜지점까지 0.02㎜간격으로 측정하였다⁽⁹⁾. 시험편의 표면조도의 변화를 관찰하기 위해 표면조도계(SJ-400)를 이용하여 환봉시험편을 약 90도 간격으로 측정하였으며, 중심선 평균거칠기(Ra)를 측정하였다⁽⁹⁾
피닝 후 재료표면으로부터 경도 분포를 측정하기 위하여 시험편의 중앙부를 컷팅기를 이용하여 절단, 채취한 후 절단면을 #2000 sand paper로 표면 평균 조도값(Ra)이 0.03㎛ 까지 되도록 연마 하였으며 마이크로 비커스 경도계(Micro Vickers Hardness tester, JP/FM-7)를 사용하여 표면으로부터 시험편의 중심부 방향으로 20㎛간격으로 측정하였다. 측정조건으로 시험압입하중은 (Test Load) 25gf, 압입시간(Dwell time) 15sec로 설정하여 경도를 측정하였고 표면으로부터 0.

대상 데이터

본 실험에 사용한 시험편 재료는 고강도 티타늄 합금인 ASTM F 136, Ti-6Al-4V를 사용하였다. 재료의 화학적 성분과 피닝 조건을 Table 1과 Table 2에 나타내었고, Figure 3은 시험편의 형상을 나타낸 것이다.
X축 이송에 있어서는 약 50%의 중첩률이 될 수 있도록 이송속도를 결정 하였다. 사용된 레이저는 펄스형 Q-switched ND:YAG레이저로 실험조건은 Table 2와 같다.

성능/효과

Figure 6은 레이저 출력 변화에 따른 표면조도 변화를 알아보기 위하여 시험편을 약 90도 간격으로 측정한 그래프이다. 레이저 출력 에너지가 높아질수록 시험편 표면의 중심선 평균 거칠기(Ra)는 감소⁽¹⁰⁾하였고, 또한 일반적인 숏 피닝과의 비교를 통해 레이저 피닝의 높은 표면 가공성을 확인 할 수 있었다^(1,4).
Figure 5는 시험편의 표면에서부터 깊이별 경도 분포를 나타낸 그래프이다. 레이저의 출력 에너지가 높아질수록 레이저 피닝 가공한 시험편의 표면 경도값의 증가(Table 3)를 보였고 레이저 출력 에너지가 가장 높을 때와 가장 낮을 때의 표면에서의 경도값을 비교해 보면 약 16% 차이를 보였다. 또한 약 0.
본 연구에서는 레이저 출력 에너지 변화에 따른 금속의 경도, 표면조도 분포에 미치는 영향을 확인하고자 Ti-6Al-4V소재를 가지고 Peening가공하여 200mJ, 400mJ, 600mJ, 800mJ 조건에서 실험한 결과 레이저의 출력 에너지가 높아질수록 경도값이 증가하였고, 표면 조도 측정결과 중심선 평균 거칠기(Ra)는 감소하였다. 앞으로 레이저 피닝 공정의 최적화 연구 수행의 필요성이 사료된다.

후속연구

본 연구에서는 레이저 출력 에너지 변화에 따른 금속의 경도, 표면조도 분포에 미치는 영향을 확인하고자 Ti-6Al-4V소재를 가지고 Peening가공하여 200mJ, 400mJ, 600mJ, 800mJ 조건에서 실험한 결과 레이저의 출력 에너지가 높아질수록 경도값이 증가하였고, 표면 조도 측정결과 중심선 평균 거칠기(Ra)는 감소하였다. 앞으로 레이저 피닝 공정의 최적화 연구 수행의 필요성이 사료된다.

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