3D 프린팅 방법으로 제조된 다층 재료의 적층 순서에 따른 미세구조 및 기계적 특성 변화

Abstract

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.