2.1 적층 공정 최적 파라미터 조건 도출

본 연구에서는 사용된 장비는 최대출력 500 W의 레이저가 3개가 탑재되어 있으며, 출력 크기는 최대 X, Y, Z축 방향으로 500 mm까지 출력이 가능한 3Dsystems社 의 DMP Factory 500장비와 IN718합금 분말을 활용하였다. Fig. 1에서 공정 파라미터 기초 실험을 통하여 레이저 파워 315 W, 스캔 속도 1050 mm/s, 해칭 간격 100 μm, 적층 두께 60 μm로 선정하였으며, 선정된 파라미터 조건으로 면밀도 99.97%, 경도 23.9 HRC, 정밀도 ±0.05 mm의 기초물성을 확보하였다.

그림 1. 공정 매개변수 조건 및 면밀도

Fig. 1. Process parameter conditions and relative density

Fig. 2는 이번 연구에서 제작할 35톤급 메탄 연소기 일체형 헤드부의 3차원 모델 및 지지대(support) 설계 형상이다.

그림 2. 35톤 연소기 통합 헤드 모델

Fig. 2. 35-ton combustor integrated head model

Fig. 3에서는 L-PBF 방식으로 적층제조된 차수별 출력물 형상을 볼 수 있다. 총 4회 출력 시도 끝에 최종 레이어까지 적층된 출력물을 확보하였으며, 적층실패를 거듭하는 과정에서 열 변형, 리코팅 손상, 레이어 들뜸 등 다양한 실패 요인이 발견되었다.

1차 제작시 지지대 누락으로 swelling이 발생하였으며, 2차 제작시 리코터 블레이드 탈락, 3차 제작시 열누적으로 인한 레이어 들뜸 및 리코터 블레이드 탈락, 4차 제작시 최종레이어까지 적층 완료되었으나, 일부 영역에서 열변형이 발생되었다.

그림 3. 연소기 통합 헤드의 적층 제조

Fig. 3. Additive manufacturing of combustor integrated head

2.2 1차 제작 출력 실패 원인 분석

1차 제작시에는 33.82 mm에서 적층이 중단되었으며, 적층 실패 원인으로는 중앙영역의 적층면적이 급격히 넓어짐에 따른 열누적으로 판단된다. 이는 중앙 영역의 벽체 지지대(wall support) 누락으로 인하여 해당 영역의 열배출이 원활하지 않아 swelling이 발생하였고, 그로 인해 build plate 위에 불균일한 분말 도포로 인하여 적층 실패로 이어지게 되었다.

그림 4. 33.82 mm에서의 층별 적층 공정 이미지

Fig. 4. Layer-by-layer stacking process image at 33.82 mm

Fig. 4에서는 레이어별 모니터링 시스템을 통한 적층 실패 영역에서의 리코팅 이미지를 보여준다.

2.3 2차 제작 출력 실패 원인 분석

2차 제작시에는 54.66 mm에서 적층 결함이 발생하였으며, Fig. 5는 리코터 탈락으로 인한 불균일한 도포 및 출력물 변형 이미지를 확인할 수 있다. 출력 실패의 원인으로는 부풀어진 출력물에 리코터 블레이드가 손상되며 분말의 불균일한 도포로 인해 영역별 적층 두께 차이가 발생되고, 이로 인해 리코터가 탈락되며 출력물을 완전하게 변형시킴을 알 수 있다.

그림 5. 54.66mm에서의 층별 적층 공정 이미지

Fig. 5. Layer-by-layer stacking process image at 54.66 mm

2.4 3차 제작 출력 실패 원인 분석

3차 제작시에는 97.56 mm에서 적층결함이 발생되어 적층이 중단되었다. 이는 1, 2차 제작 상황을 참고하여 중앙영역에서의 열배출이 원활하도록 지지대 설계를 수정하여 해당 영역에서의 열누적을 해소하였으나 높이 방향 약 95 mm 이상 높이에서 외측 영역의 적층면적이 급격히 넓어지면서 열 누적이 두드러지게 나타났으며, 이로 인해 swelling 및 레이어 들뜸, 리코팅 블레이드 손상 및 탈락으로 이어져 출력 실패를 초래했다.

Fig. 6에서는 외측 영역의 열누적, 출력물의 손상 및 파우더 불균일 도포에 대한 이미지를 볼 수 있다.

그림 6. 97.56mm에서의 층별 적층 공정 이미지

Fig. 6. Layer-by-layer stacking process image at 97.56 mm

2.5 3차 결함부 미세조직 분석

Fig. 7은 금속 적층 제조 공정에서 열누적이 발생한 부위(Heat accumlation area)와 그렇지 않은 부위(Normal area)를 나타낸다. 해당 위치에서 열누적 여부에 따른 미세조직을 비교하기 위해 SEM을 이용하여 미세조직을 관찰하였고 이를 Fig. 8에 나타냈다.

SEM을 통해 관찰한 결과, 열누적이 발생한 부위에서는 1차 수지상 간격(Primary Dendrite Arm Spacing, PDAS) 평균이 0.96 ㎛ 이상으로 나타난 반면, 열누적이 없는 부위에서는 PDAS 평균은 약 0.8 ㎛로 형성되었다. 이는 열누적이 발생한 부위에서는 응고 과정이 상대적으로 천천히 이루어졌음을 시사한다. 일반적으로 PDAS가 조밀할수록 기계적 특성이 향상된다고 보고되어 있으며^[7], 이는 미세한 결정립이 균일한 강도를 제공하는 효과와 관련이 있다.

그림 7. 적층부품의 정상 영역 및 열누적 영역

Fig. 7. Normal area and heat accumulation area in the parts

그림 8. (a) 정상 영역 및 (b) 열 축적 영역의 SEM 이미지

Fig. 8. SEM images of (a) normal area and (b) heat accumulation area

기계적 특성의 차이를 보기 위해 경도를 4회이상 평균값으로 측정하였으며, 측정 위치는 시편 중심부로부터 동일한 거리를 90° 간격으로 측정하였다. 측정한 결과, 열누적이 없는 부위는 302 HV로 나타났고 열누적된 부위의 경도는 338 HV로 더 높은 경도를 나타냈다.

여기에서 기초시편의 물성과 대형부품간의 물성의 경도 값이 차이를 보였으며, 이는 기저층의 형상에 따라 누적되는 열이력의 차이에 대한 자기 열처리 효과로 볼 수 있다. 기존 연구^[8]에 따르면, 열누적이 심한 환경에서는 자기 열처리 효과로 인해 강화상이 증가하여 경도 향상이 나타날 수 있다. 이러한 결과의 원인을 보다 자세히 분석하기 위해 투과전자현미경(Transmission Electron Microscopy, TEM)을 통해 미세조직 관찰을 수행하였다.

Fig. 9는 TEM과 EDS를 통해 원소를 측정한 결과를 보여준다. 분석 결과, 열누적이 발생한 시편(d-f)에서 IN718합금의 주요 강화상인 γ'' 석출상을 이루는 Nb원소가 더욱 촘촘하고 균일하게 분포하는 것이 확인되었다. 이는 γ'' 석출상의 분율이 클수록 강도와 경도가 향상됨을 의미한다^[9].

반면, 열누적이 발생하지 않은 부위(a-c)에서는 γ'' 석출물을 이루는 Nb이 존재하긴 했으나 열누적된 시편에 비해 불균일한 분포로 존재했다.

이러한 결과를 종합해보면, 열누적이 발생한 부위에서 자기 열처리 효과로 인해 PDAS는 조대화 되었으나 석출상의 변화가 경도 증가에 영향을 미친 것으로 판단된다. 특히, Fig. 9의 EDS결과와 같이 감마 더블 프라임(γ'') 석출상의 밀도와 균일성의 증가가 기계적 특성의 향상에 기여했을 가능성이 높다.

그림 9. EDS 매핑 결과 Nb와 Ti의 분포를 보여줌: (a)-(c) 정상 영역, (d)-(f) 열누적 영역

Fig. 9. EDS mapping results showing the distribution of Nb and Ti : (a)-(c) normal area and (d)-(f) heat accumulated area

2.6 4차 제작 출력물 분석

4차 제작시에는 Fig. 10에서와 같이 3차 제작시 외측 영역의 열누적을 해소하기 위하여 지지대의 설계를 수정후 적층완료 하였다.

Fig. 11에서는 실제 적층완료된 출력물의 치수 검증 결과가 적층해석과 마찬가지 내측 영역에선 변위가 작게 일어나고 외측 영역에서는 지지대의 길이가 크기 때문에 변위가 크게 나타남을 확인할 수 있었다.

그림 10. 열 방출을 위한 지지대 재설계

Fig. 10. Redesign of the support for heat dissipation

그림 11. 연소기 통합 헤드의 치수 검증

Fig. 11. Dimensional verification of the combustor integrated head