3D 프린팅 방법으로 제조된 페라이트-오스테나이트 스테인리스강 경사조성재료의 미세조직 연구

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, 금속 간 화합물을 형성하는 등 어려움이 있다. 기존 원자로 배관은 페라이트계와 오스테나이트계 합금을 이종 접합하는데, 열적 또는 물리적 특성 차이로 인해 적층 계면에서 균열 및 박리의 발생이 보고되었다. 본 연구에서 점진적 조성변화를 통해 열팽장계수의 급격한 변화를 감소시키고 잔류응력을 줄이고자 하였다. 이를 위해, 페라이트계와 오스테나이트계의 금속 분말 함량을 각 층마다 변화시키는 방법으로 총 5층의 경사조성재료(Fuctionally gradient material, FGM)을 3D 프린팅으로 제작하였다. 3D 프린팅 적층법으로 제작된 경사조성재료는 마이크로 스케일에서 나노 스케일에 이르기까지 멀티스케일 분석을 수행하였다. 여러 단계의 계면을 주사전자현미경(SEM)을 사용하여 구분하고 투과전자현미경 (TEM, Tecnai F20, FEI)를 사용하여 회절패턴, 암시야상이미지, 고분해능투과전자현미경 이미지를 기법을 통해 미세구조와 상(phase)을 분석하였다. 금속 분말 함량이 오스테나이트계 25%와 페라이트계 75%로 증착된 층에서 형성된 마르텐사이트 기지는 일반적인 BCT 구조가 아닌 BCC 구조인 것으로 밝혀졌으며, (211) 회절면에서 쌍정구조를 이루는 마르텐사이트의 쌍정계면에 w-Fe 상(Hexagonal)이 존재하는 것을 관찰하였다.