적층 제조 (Additive Manufacturing, AM) 는 레이저 등으로 용융시킨 분말이나 와이어 형태의 세라믹, 플라스틱, 금속 재료를 한 층씩 나누어 쌓아 올려 최종적으로 3차원 물체를 만드는 기법이다. AM은 기존의 주조 및 기계적 가공으로는 제작할 수 없는 복잡한 형태를 제조할 수 있다는 특징을 가지고 있다. 그 중 금속 적층 제조 방식인 레이저 직접 적층 (laser directed energy deposition, L-DED) 공정은 분말 형태의 금속 소재와 레이저를 동시에 조사해 물체를 적층하는 방식이다. L-DED 공정에서는 레이저가 조사된 곳에 용융 풀 (melt pool) 이 국부적으로 형성되고, 원소재인 금속 분말이 용융 풀에 직접 분사되어 소재가 급속히 응고되며 금속이 쌓인다. 이러한 방식으로 레이저와 금속 분말을 스캔하여 한 층의 금속을 적층하는 공정을 반복하여 3차원 형태의 금속 부품을 층층이 제작한다. L-DED 공정은 금속 분말 및 레이저를 응용하는 유사한 AM 공정인 레이저 분말 베드 용융 (laser powder bed fusion, L-PBF) 공정에 비해 공정 속도가 빠르고, 레이저와 금속 분말이 사출되는 노즐이나 적층 대상이 이동하며 적층이 진행되는 방식이기 때문에 적층되는 대상물의 형태 선정이 비교적 자유로워서 손상된 부품의 수리나 부품의 표면 경화 등에 사용할 수 있는 장점이 있다 [1-4]. AISI 316L 스테인리스 스틸은 높은 연성과 비교적 우수한 강도, 우수한 부식 저항성을 가지며 용접성을 높이기 위해 탄소의 함량을 최소화한 오스테나이트계 스테인리스 스틸로, 기계 부품, 해양 산업, 방위 산업 등 다양한 산업 분야에서 이용되고 있는 합금이다 [5]. 특히 AISI 316L은 우수한 용접성으로 적층 제조가 용이하기 때문에, L-PBF 공정과 L-DED 공정에서 적층용 스테인리스 강종으로 활발하게 연구가 진행되고 있다 [6]. 일반적으로 적층 기법으로 제조된 금속은 용융 풀의 빠른 냉각 속도에 의한 미세한 셀 구조 (cell structure) 때문에 인장 강도가 주조 등의 기존 방식으로 제조된 금속보다 우수하며, L-DED AISI 316L의 경우 AISI 316L 주조재보다 약 2배 높은 인장 강도를 가지는 것으로 알려져 있다 [7]. L-PBF 공정과 L-DED 공정은 레이저로 금속 분말을 용융해 적층한다는 원리는 같으나, laser spot size나 용융 풀 크기가 다르기 때문에, 같은 소재를 사용해도 미세조직과 기계적 특성에 차이가 발생한다. L-DED 공정은 L-PBF 공정에 비해 용융 풀의 크기가 비교적 크며 냉각 속도가 더 느리기 때문에, L-PBF 공정과 비교하면 결정립 크기가 다소 조대하며 항복 강도 역시 L-PBF 공정으로 제조된 AISI 316L 소재에 비해 다소 낮은 것으로 알려져 있다 [8].

최근 들어 레이저 적층 제조된 AISI 316L의 기계적 성질과 공정 변수에 관한 연구가 다수 진행되었다. L-DED 공정의 경우를 살펴 보면, Pacheco 등 [9] 은 L-DED AISI 316L의 적층 방향과 열처리에 따른 기계적 성질을 평가했다. L-DED 공정으로 제작된 AISI 316L을 열처리 시 미세조직의 균질화가 이루어지고, 인장 강도는 하락하며 충격 저항성은 높아지는 것으로 나타났다 Saboori 등 [6] 은 적층 전략 (scanning strategy) 에 따른 L-DED AISI 316L의 미세조직, 기계적 성질과 잔류응력의 변화를 연구하여 적층 전략은 열 구배의 방향과 냉각 속도를 바꾸어 미세조직, 용융과 응고에 의한 잔류응력에 변화를 일으키는 것을 보였다. L-DED 공정으로 제작된 AISI 316L과 유사한 미세구조를 보이는 L-PBF 공정을 통해 제작된 AISI 316L의 경우를 살펴보면, Yu 등 [10] 은 적층 방향에 따른 L-PBF AISI 316L의 피로 특성을 분석했다. 적층 방향이 일정한 각도를 가지는 대각선인 조건의 시편의 피로 특성이 우수하며, 기공이 적은 것으로 알려졌다. Hahn 등 [11] 은 레이저 출력이 L-PBF AISI 316L의 결함, 집합조직 그리고 미세조직에 미치는 영향을 연구했다. 레이저 출력은 용융 풀의 형태를 변화시키며 결과적으로 결함, 집합조직, 미세조직에 영향을 끼친다. 레이저 출력이 높을수록 내부 기공은 적어지는 것으로 알려졌다.

AM을 통해 부품이나 구조물을 제작할 시 우수한 기계적 성질과 함께 중요하게 요구되는 성능은 재료 공정의 치수 정밀도이다. 일반적으로 AM으로 제작된 부품은 최소한의 후가공을 거쳐 적용하는 것을 목표로 하므로, 적층재의 치수 정밀도와 표면 조도가 좋을수록, 즉 최종 제품 형상과 적층재의 형상이 일치할수록 제품의 최종 마감에 소요되는 공정이 짧아진다 [12]. L-DED 공정은 높은 치수 정밀도를 얻을 수 있는 L-PBF 공정과는 달리, 별다른 powder bed나 서포트 없이 조형물에 직접 금속 분말과 레이저를 조사하기 때문에 L-PBF 공정과 비교하면 치수 정밀도와 표면 조도가 다소 낮은 단점을 가지고 있다. 이를 고려할 때 후가공 부위의 최소화를 위해서는 최종 조형물의 치수정밀도를 되도록 높이는 것이 중요하다. L-DED 적층재의 치수 정밀도와 표면 조도 개선을 위해 다양한 연구가 진행되었다. L-DED 공정으로 제조된 적층재를 고정밀 기계부품에 적용하기 위해서는 표면의 후가공이 필수적인데, Yang 등 [13] 은 L-DED AISI 316L의 표면 마감 향상을 위해 적층 후 절삭 가공이 이어지는 하이브리드 적층 및 절삭 공정 (hybrid additive and subtractive manufacturing) 을 연구했다. Careri 등 [14] 은 L-DED Inconel 718의 표면 조도 향상을 위해 적층 후 열처리와 기계적 가공을 진행하고, 열처리 종류와 가공의 순서에 따른 영향을 연구했다. 또한 후가공 등의 방법 외에도, 치수 정밀도와 표면 조도는 레이저 출력 및 hatch spacing, layer thickness 등의 공정변수로도 향상이 가능하다고 알려져 있다 [15]. 이와 관련하여 Ascari 등 [16] 은 L-DED 적층 전략이 표면 조도와 밀도에 미치는 영향을 연구했는데, 표면 조도는 스캔 속도가 느릴수록 향상됨을 밝혔다. Kim 등 [17] 은 분말 공급량이 형상 정밀도에 미치는 영향을 연구해 공정 최적 변수를 확인했다. 하지만, 레이저 출력과 스캔 속도 등 레이저 공정변수와 L-DED 적층 제조된 AISI 316L 적층재의 치수 정밀도와의 관계에 대한 연구는 보고된 바 없다. L-DED 공정에서 용융 풀의 형태는 레이저 출력과 스캔 속도 등의 공정변수에 크게 좌우되는데, 용융풀의 형태가 냉각 속도와 치수 정밀도를 결정하므로 L-DED 공정변수와 적층재의 형상, 미세조직 그리고 기계적 특성 간의 상관관계에 대한 종합적인 이해와 연구가 필요할 것으로 생각된다.

본 연구에서는 L-DED 공정으로 AISI 316L을 다양한 레이저 출력과 스캔 속도로 적층하고, 단위 체적 에너지 밀도가 최종 적층 형상, 미세조직 및 기계적 특성에 미치는 영향을 분석했다. 다양한 공정변수에 따라 L-DED 적층재의 층간 두께를 분석했고, 적층재의 형상과 미세조직을 광학현미경으로 분석해 비교하였다. 또한, 높은 치수 정밀도를 얻을 수 있는 적층 조건의 기계적 특성을 평가하기 위해 해당 조건과 동일한 단위 체적 에너지 밀도를 가지는 공정 조건으로 적층한 적층재의 인장 시험을 진행했다. 이를 통해 L-DED AISI 316L을 가장 정밀하게 적층할 수 있는 공정 변수를 선택하였을 때 적층재의 기계적 특성과 미세조직에 미치는 영향을 분석했다.

Fig 1 (a)에 L-DED 공정의 모식도를, Fig 1 (b)에 본 연구에서 사용한 L-DED 장비 사진을 나타내었다. 본 연구에서는 L-DED 장비로 최대 500 W의 레이저 출력을 가지는, laser spot size 0.3 mm의 Ytterbium Fiber Laser를 장착한 MX-Lab (InssTek Inc., Korea) 를 사용하였다 (Fig 1 (b)). 금속 분말 분사와 shielding을 위한 가스로 순도 99.999%의 Ar 가스를 사용하였다.

본 연구에서 사용한 적층 소재는 MK Corp. (Incheon, Korea) 에서 Gas atomizing 방식으로 제작한 AISI 316L 분말이다. 적층이 진행된 모재는 구조용 탄소강 강재로 널리 쓰이는 탄소가 0.45 wt.% 함유되어 있는 중탄소강 판재인 S45C를 100 × 50 × 10 mm³ 크기로 절단하여 사용하였다. L-DED 적층에 사용된 분말과 모재 두 소재의 화학 조성을 Table 1에 나타내었다.

Fig 2 (a)와 Fig 2 (b)에 사용한 분말의 표면과 단면의 전계 방사 주사 전자 현미경 (Field-emission scanning electron microscope, FE-SEM, MIRA3, TESCAN, Republic of Korea) 이미지를 각각 나타내었다. 또한 사용한 분말의 평균 입도 측정을 위해 입도 분석 (Particle size analyzer, PSA, LS 13 320, Beckman Coulter, USA) 을 진행해 Fig 2 (c)에 그 결과를 나타내었다. Fig 2 (a)에 나타낸 분말은 대부분 약 80 μm 크기의 구형 입자이며, Fig 2 (b)에 나타난 분말의 단면도를 볼 때 아주 작은 기공이 분말 내부에 일부 존재하는 것을 알 수 있다. 또한 Fig 2 (c)의 PSA 분석 결과에 따르면, 사용한 분말의 입도분포는 40-140 μm의 범위를 가지며 평균 입도는 약 83.93 μm으로 나타났다.

Fig 3에 미세조직을 관찰하기 위한 9 × 9 × 9 mm³ cube 시편의 관찰 단면 모식도와 본 실험에서 레이저 적층을 위해 사용한 적층 전략을 나타내었다. 미세조직 관찰은 Fig 3 (a)에 나타낸 바와 같이, cube 시편의 정중앙부를 절단해 연마한 후 기공을 광학현미경 (optical microscope, OM, AxioLab 5, ZEISS, Germany) 으로 관찰했으며, 이후 HCl 20 ml + HNO₃ 60 ml + Glycerol 30 ml을 혼합한 용액으로 etching을 진행해 그 단면의 미세조직을 광학현미 경과 FE-SEM으로 관찰했다. 또한 각 조건들의 치수 정밀도를 평가하기 위해 height gage (Absolute Digimatic Height Gage 0-300 mm, Mitutoyo, Japan) 로 제조된 시험편의 L-DED building direction (BD) 방향 높이를 측정했다. 모든 시험편은 Fig 3 (b)에 모식적으로 나타낸 것과 같이 레이저를 지그재그로 조사하여 한 층을 적층한 후, 레이저 스캔 방향을 90도 회전 후 다시 한 층을 적층하는 bi-directional scanning strategy를 사용하여 제작하였다 [18].

시험편의 적층 시 사용한 레이저 출력, 분말 공급량 및 스캔 속도를 Table 2에 나타내었다. 본 실험에서 분말 공급량은 레이저 스캔 속도에 맞추어 단위 적층 길이 동안 서로 다른 조건에서 동일한 양의 분말이 공급되도록 선택하였으며, 따라서 레이저 스캔 속도가 가장 빠른 조건인 1,200 mm/min 일 때의 분말 공급량이 스캔 속도가 가장 낮은 조건인 960 mm/min 일 때 보다 약 1.25배 많은 분말이 공급되도록 설정하였다. L-DED 공정 조건 중 hatch space와 layer thickness는 모든 실험에서 각각 0.3 mm및 0.15 mm 로 고정하였다.

적층한 cube 시편의 BD 방향 높이를 측정한 후, 최종 적층 형태가 가장 정육면체와 유사하고 높은 치수 정밀도를 얻을 수 있는 1,080 mm/min, 190 W 조건을 선택하여 해당 조건의 기계적 특성을 평가하고 비교하기 위해 해당 조건과 동일한 단위 체적 에너지 밀도를 가지는 공정 조건으로 Fig 4 (a)에 나타낸 모식도와 같이 인장 시편을 적층했다. 인장 시편의 형상은 KS B 0801 standard [19] 규격을 따랐다. 적층 방향에 수직 (Vertical) 및 수평(Horizontal) 방향의 인장시험편을 채취하기 위해 Fig 4 (b) 와 같이 2가지 형태로 적층하였으며, 이후 wire cutting 가공을 통해 Fig 5에 나타낸 형태의 인장시험편을 가공하여 채취하였다.

(1) 다양한 레이저 출력과 스캔 속도 조건에서 L-DED 적층 제조된 AISI 316L의 기공 형태와 분포를 확인하고 밀도를 측정했다. 이 때의 lack of fusion 결함에 의한 기공분포는 각 층의 높이를 고정한 경우 VED에 직접적인 영향을 받는 것으로 나타났다. 본 연구에서 사용한 실험조건에서 VED가 250 W/mm³ 이상인 경우 레이저 스캔 속도와 상관없이 lack of fusion 결함이 없이 이론 밀도에 가까운 밀도를 보이는 적층물을 얻을 수 있었다.

(2) 분말 공급량을 고정하고 다양한 적층 조건에서 AISI 316L을 L-DED 적층할 경우 VED가 높을수록 평균 layer thickness는 대략 선형적으로 증가하였다. 이는 VED가 높을 수록 분말을 녹이는 데 투입된 열량이 높아지기 때문으로 판단된다. 또한 동일한 VED 조건에서 서로 다른 레이저 스캔 속도를 사용한 경우 스캔 속도가 빠를수록 평균 layer thickness가 증가하였는데, 이와 같은 결과는 스캔 속도가 빠를 수록 기판 및 적층재를 통해 빠져나가는 열량이 상대적으로 줄어들기 때문에 분말을 녹이는 데 투입되는 열량이 증가하기 때문으로 생각된다.

(3) 다양한 레이저 출력과 스캔 속도 조건에서 적층재의 형상을 분석해 보면, VED가 높아질 수록 적층재 상단부의 형태가 오목한 형태에서 점점 볼록한 형태로 바뀌는 현상이 관찰되었다. VED가 다소 낮은 조건에서 적층물 상단이 오목해지는 현상은 상대적으로 낮은 열량의 투입 때문에 적층재 중앙부를 레이저 스캔할 때에는 분말을 모두 녹이기에 충분하지 않은 열량이 투입되는 반면, 적층재 모서리 부근을 스캔할 때에는 적층재의 형상 때문에 열이 축적되어 적층재의 온도가 상승하여 용융 풀의 크기가 커지기 때문으로 나타났다. 한 편, VED가 과도하게 높게 설정된 경우 반대로 적층재 전반적으로 과열이 일어나 적층부의 온도가 높아 중앙부의 용융 풀 크기가 커지는 경향을 보였다. 이를 종합해 보면, 높은 치수정밀도를 얻기 위해서는 적절한 VED를 선택하여 적층하는 것이 이상적이라고 판단된다. 본 실험에서 사용된 조건에서는 VED : 234.56 W/mm³ 조건에서 적층재 상단 형상이 거의 flat한 이상적인 형태를 얻을 수 있었다.

(4) 기공 결함이 발생하지 않고 치수 정밀도가 가장 좋은 VED 조건을 선택하여 AISI 316L을 L-DED 적층하여 미세조직과 기계적 특성을 분석한 결과, L-DED 적층된 AISI 316L의 항복 강도는 적층 수직방향으로 약 450 – 500 MPa, 적층 수평방향으로는 500 – 550 MPa 정도로, 적층 수평방향으로 항복 강도가 다소 높은 것으로 나타났으며 연신율의 경우 적층 수직방향이 다소 높은 경향을 보였다. 이는 층간 경계면이 층 내부에 비해 비교적 취약한 적층재의 일반적인 특징으로 알려져 있다. 한 편, 동일 VED 조건에서 레이저 스캔 속도를 960 mm/min에서 1,200 mm/min 으로 크게 변화시키는 경우에도 미세조직과 기계적 특성은 매우 유사한 것으로 나타났다. 미세조직을 분석해 보면 VED와 각 층의 높이가 동일하게 설정될 때에는 용융 풀의 크기와 형태가 레이저 스캔 속도에 따라서는 거의 변화가 없는 것을 알 수 있었다. 따라서 VED와 각 층의 높이를 고정한 경우 AISI 316L 합금의 응고 속도는 거의 비슷할 것으로 판단되며, 기계적 특성에 큰 영향을 미치는 응고 셀 구조가 유사한 크기로 발달했을 것으로 예측된다. 이와 같은 이유로 기계적 특성은 스캔 속도가 크게 변화하더라도 거의 변화가 없었을 것으로 사료된다.