분말베드융해 공정에서 STS630을 활용하여 화학적 조성 및 레이저 스캔 패턴에 따른 미세조직 및 기계적 특성 변화

Abstract

본 연구에서는 PBF 공정으로 제작된 Stainless steel630(STS630) 소재의 화학적 조성 및 레이저 스캔 패턴에 따른 미세조직 및 기계적 특성 차이에 대해 관찰 및 검증하였다. STS630은 석출경화형 마르텐사이트계 스테인리스 강으로 17%의 Cr과 4%의 Ni이 포함되어 내식성을 높임과 동시에 4%의 Cu 석출물을 마르텐사이트 기지 조직에 미세하게 석출하여 고강도/내식성을 갖는 소재이다. 이러한 장점으로 인해 최근 주목받고 있는 금속 3D프린팅 공정인 분말베드융해(Powder Bed Fusion, PBF) 공정에 다양하게 활용 및 연구 개발되고 있다. PBF 공정은 금속 분말 소재를 파우더 베드에 깔고 레이저를 조형하고자 하는 위치에 선택적으로 조사하여, 금속 분말을 용융시켜 적층하는 방식이다. 이로 인해, 복잡한 형상을 가진 모델이나 가공이 어려운 난삭재 가공에 유리하여 STS630 소재의 활용도가 높다. 그러나, 적층을 함으로써 발생하는 열이력과 빠른 냉각 속도를 갖는 PBF 공정의 특징으로 인하여, 동일한 조성의 STS630 분말을 사용하더라도 레이저 스캔 패턴에 따라 냉각 속도가 상이하여 최종 응고된 적층물의 미세조직이 다양하게 나타나고 있다. 또한, STS630이 개발된 미국 규격(ASTM A693)의 경우, 조성의 범위를 Table. 1과 같이 제한하였다. PBF 공정에서는 빠른 냉각 속도로 인해 표준 규격 내의 분말 조성에서도 다양한 미세조직이 관찰된다고 보고된다. 이러한 미세조직의 상이함은 후처리 공정인 열처리에도 다양한 영향을 미치게 되어 최종 제품의 기계적 특성도 다르게 보고되고 있다. 이에 본 연구에서는 WRC-1992 equations을 기준으로, Creq/Nieq 값이 다른 2종류의 STS630 소재와 더불어 레이저 스캔 패턴 차이에 따른 미세조직 및 기계적 특성 차이를 관찰하고자 한다. Creq/Nieq 값이 낮은(Low ratio, LR) STS630 소재를 사용하였을 때 주요상이 마르텐사이트 상으로 관찰되었으며, 이러한 미세조직 차이로 인해 Creq/Nieq 값이 높은(High ratio, HR) STS630 소재를 사용하였을 때보다 최대 인장강도가 약 400 MPa 우수하게 나타났다. 또한, 레이저 스캔 길이가 짧은 공정 적용 시 레이저 스캔 길이가 긴 공정을 적용했을 때 보다 냉각 효율이 약 1.7배 감소하는 것을 관찰하였고, 이는 미세조직 차이에 기인한 것을 확인하였다. 이에 PBF 공정에서 STS630 소재를 활용하여 적층 제조 시, 소재의 화학적 조성 및 레이저 스캔 패턴에 따른 미세조직 및 기계적 특성 변화가 존재하므로 사용처의 환경을 고려하여 알맞은 공정을 적용시켜야 한다.