적층 제조 스테인리스 강의 나노역학거동에 미치는 수소의 영향

Abstract

적층 제조(additive manufacturing) 기술은 기존의 제조방식으로는 제조가 불가능한 복잡한 구조를 만들 수 있으며 시간적, 경제적 관점에서 강점을 지니고 있어 제조산업의 패러다임을 바꿀 수 있는 혁신적인 기술로 전 세계적 주목을 받고 있다. 이러한 적층 제조된 금속을 실 구조물에 적용하기 위해서는 다양한 환경적 영향들에 대한 연구가 요구되며, 그 중에서 수소 취성에 대한 연구는 필수적이다. 이에 본 연구에서는 적층 제조된 스테인리스 강의 기계적 거동에 미치는 수소의 영향을 평가하고자 하였다. 이를 위해, 금속 적층 제조에 널리 사용되는 선택적 레이저 용융 방법(selective laser melting)을 이용하여 오스테나이트계 스테인리스 강을 적층 제조하고, 제조된 시험편에 전기화학적 수소장입법을 이용하여 수소를 장입한 후, 나노압입시험을 수행하였고 그 결과를 일반적인 방법으로 제조된 스테인리스 강의 결과와 비교하였다. 그 결과, 수소 장입으로 인한 경도의 증가량은 일반적인 방법으로 제조된 합금에 비해 적층 제조된 합금에서 더 작았으며, 열 탈착 분석(themal desorption spectroscopy) 결과로부터 적층 제조된 합금이 더 적은 수소 함량을 가질 뿐만 아니라 더 낮은 수소 확산도를 가지는 것을 알 수 있었다. 이것은 적층 제조된 금속에서 종종 관찰되는 나노 크기의 응고 셀(solidification cell) 구조에 의한 것으로 예상된다. 이러한 응고 셀 구조가 적층 제조된 합금의 수소거동에 미치는 영향을 분석하기 위하여 저하중 나노압입실험 및 전방산란전자(forward-scattered electron) 이미징 분석 기술을 통하여 셀 내부(cell interior) 및 셀 벽(cell wall)의 경도를 통계적으로 분석하였다. 그 결과, 고밀도 전위로 구성된 셀 벽이 셀 내부보다 수소의 영향을 받지 않는 것으로 나타났으며, 이러한 결과는 수소의 용해도 및 확산도의 관점에서 고찰되었다.