CHOI HA NEUL Nana Kwabena Adomako John J Lewandowski 김정한 Jin-Woo Park Hye Jung Chang 2024-01-12T04:08:07Z 2024-01-12T04:08:07Z 2021-09-29 2021-04 - https://pubs.kist.re.kr/handle/201004/77755 적층 가공(Additive manufacturing, AM)은 복잡한 형태, 기능 등 맞춤형 부품을 생산할 수 있어, 최근 몇 년 동안 제조 산업에서 획기적인 기술로 주목받고 있다. 하지만 선택적 레이저 용융(selective-laser melting, SLM) 또는 고에너지 직접 적층 (Direct-energy deposition, DED) 등을 이용하는 적층 가공에서 이종 재료 접합은 상당한 잔류 응력, 금속간 화합물을 형성하는 등 어려움이 있다. Ti-6Al-4V와 스테인리스강 합금은 항공우주, 생물의학 등의 산업분야에서 파괴 저항성, 피로 거동 등으로 인해 폭넓게 관심을 받았다. 그러나 주조 시 큰 조성 변화와 취성상(phase) 형성으로 상용적으로 이용하기 어려운 한계점이 있다. 이를 극복하고 기존 가공 대비 비용 이점이 있는 적층 가공이 최근 많이 연구되었으며, 그 결과 공정 최적화 및 특성 향상이라는 상당한 진전을 이뤘다. 기존 연구는 Ti-6Al4V를 기판으로 스테인리스강을 증착한 다층 재료 연구가 대부분인 반면, 본 연구에서는 스테인리스강을 기판으로 이용하여 Ti-6Al-4V를 증착한 다층 재료를 제조하여 그 구조를 비교하고자 하였다. 적층 가공에 사용되는 레이저 빔은 증착하는 재료를 먼저 모두 녹이고 기판 재료는 일부만 녹이기 때문에 적층 가공의 재료 증착 순서는 재료의 미세구조와 기계적 특성에서 중요한 역할을 할 수 있다. 예를 들어, 티타늄 기판에 바나듐을 증착하는 경우 바나듐 함량이 높은 Ti-V 융합 영역이 형성되는 반면, 바나듐 기판에 티타늄을 증착하면 티타늄 함량이 높은 V-Ti 융합 영역이 형성된다. 본 연구에서는 레이저 금속 성형 기술(Direct-metal tooling, DMT)을 이용하여 180 W 레이저 출력으로 V 분말과 스테인리스강 분말 순으로 Ti-6Al-4V 기판에 증착하여 VTi180 (Ti-6Al-4V？V？17-4PH) 시편을 제작하였다. 이와 반대로 재료를 적층하여 VFe180 (17-4PH？V？Ti-6Al-4V)을 제작하였다. Ti-6Al-4V과 17-4PH 단계별 증착 계면을 주사전자현미경 (SEM, Regulus 8230, Hitachi)을 사용하여 구분하고, 에너지 분산분광기(super-EDX)가 장착된 투과전자현미경(TEM, Talos F200X, FEI)을 사용하여 미세구조 및 상(phase)을 분석하여 재료 증착 순서에 따라 다르게 형성된 미세구조를 비교하였다. VTi180 접합부는 균열이 수많은 VFe180 접합부와 달리 점진적으로 조성이 변하며, Ti-V, V, Fe-V, 의 세 층으로 구분된다. TEM 관찰을 통해 Ti-V 영역에서 Ti이 풍부한 영역은 HCP 결정구조를 가지고 있었으며, 침상 미세구조가 관찰되었다. 그리고 V 증착 방향으로 V 조성 증가와 함께 BCC 결정 구조로 바뀜을 확인하였다. 이는 Ti-6Al-4V 측에서 17-4PH 측으로 갈수록 경도가 감소한 결과와 잘 매칭이 된다. 또한, Fe-V 영역에서 V측에서 17-4PH측으로 갈수록 경도가 감소하는데, 이는 Fe에 V이 혼합되는 경우 기존 스테인리스강의 경도가 증가하는 보고와 일치하며, Fe-V의 조성 구배가 경도 분포의 구배를 제공하고 있음을 보여준다. 대조적으로 VFe180의 경우, 수많은 균열이 관찰된 V 중간층의 경도가 현저하게 증하였고, 이는 Fe가 혼합되면서 V 함량이 높은 FeV 고용체 형성으로 높은 취성을 유발한 것으로 보인다. 또한, FeV 영역에서 무작위로 분포하는 침상 결함의 군집이 관찰되었고, 결과적으로 결정구조 결함과 높은 경도를 초래한 것으로 보인다. English 대한금속·재료학회 Additive manufacrturing 3D printing Scanning electron microscopy Transmission electron microscopy Microstructure 3D 프린팅 방법으로 제조된 다층 재료의 적층 순서에 따른 미세구조 및 기계적 특성 변화 Conference 2 2021년도 대한금속·재료학회 춘계 학술대회 2021년도 대한금속·재료학회 춘계 학술대회 KO 웰리힐리파크 2021-04-28