Powder Bed Fusion(PBF)으로 제조된 AlSi10Mg 합금을 위한 전해연마 공정
Electropolishing for AlSi10Mg Alloy Manufactured by Powder Bed Fusion
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Trans Abstract
The irregular and highly rough surface of AlSi10Mg alloy parts fabricated by metal additive manufacturing technology can result in dimensional instability, poor surface quality and fluid turbulence. Therefore, post-treatments are needed to adjust the surface roughness and irregular surface morphology to satisfy industrial requirements. One of the most promising candidates is electropolishing, which dissolves the metal surface by electrochemical reactions. In this study, we investigated electropolishing processes to effectively reduce surface roughness while minimizing deformation of the shape and dimensions of additively manufactured AlSi10Mg parts. Sodium carbonate-trisodium phosphate (STP), perchloric acid-ethyl alcohol (PEA), choline chloride-ethylene glycol (CEG), and perchloric acid-ethylene glycol (PEG) solutions were employed. Then, electropolishing was conducted on AlSi10Mg specimens fabricated by Powder Bed Fusion (PBF). Changes in surface roughness and thickness with respect to the applied voltage and time were explored in the four types of electrolytes. The STP electrolyte was not suitable for electropolishing the AlSi10Mg alloy, while the other three types of electrolytes showed significant reduction in the surface roughness of the AlSi10Mg alloy. Surface roughness and the difference in roughness between up-skin and down-skin of additively manufactured AlSi10Mg were significantly reduced in the PEA electrolyte, but was accompanied by a serious reduction in thickness. In the CEG electrolyte, the dissolution rate during electropolishing was quite slow, taking more than 30 min. to achieve a surface roughness similar to PEA and PEG. However, the CEG solution had the advantage of minimizing dimensional change during electropolishing. The PEG solution was more chemically stable than PEA, since it contains less volatile ethylene glycol instead of highly volatile ethyl alcohol. In addition, the performance of the PEG solution was similar to that of the PEA solution for electropolishing additively manufactured AlSi10Mg alloy, so the PEG solution is considered more suitable for real applications for surface finishing.
1. 서 론
금속 적층 제조(Additive Manufacturing) 기술은 다양한 산업 분야에서 부품 제작을 위한 혁신적인 기술로 큰 주목을 받고 있다. 금속 적층 제조 기술의 경우 분말 소재를 이용하여 부품을 조형하는 방법이 가장 많이 활용되고 있는데, 특히 Direct Energy Deposition(DED)와 Powder Bed Fusion(PBF)가 대표적인 분말 기반의 금속 적층 제조 기술이다[1]. PBF는 레이저 또는 전자 빔을 사용하여 금속 분말을 선택적으로 용융, 응고시켜 3차원의 부품 형상을 제작할 수 있는데, 특히 경량화 및 복잡한 형상 제작에 유리하여 항공·우주, 자동차, 생명·의학 산업의 구조적 부품 제작에 있어 활용 가능성이 높다[2-4]. 높은 정밀도를 가지는 PBF로 제작된 부품은 Al계, Ni계, Fe계 및 Ti계 합금과 같은 다양한 금속 소재를 이용하여 제작되고 있으며, 이렇게 제조된 합금 제품의 기계적 물성 및 미세조직에 대한 다각도의 연구개발이 이루어지고 있다[5-8].
표면 거칠기는 PBF로 제작된 금속 부품의 치명적인 문제점 중 하나로 지목된다. 적층 과정에서 고밀도로 집적된 열원이 조사되면서 발생한 고열의 확산으로 인접한 금속 분말들이 부분적으로 용융되고 표면에 부착되어 높은 표면 거칠기를 야기한다[9-11]. 또한, 빌드 플랫폼에 대해 적층되는 각도 및 표면이 향하는 방향에 따라 부분적으로 용융된 분말 또는 미용융 분말의 부착, 볼링(balling) 효과 및 계단 효과로 인하여 표면의 불균일성이 크게 증가한다[11-14]. 그 결과, 더 작은 적층각으로 제작된 표면이 더 높은 표면 거칠기를 나타내며, down-skin(적층 방향의 반대쪽) 표면이 up-skin(적층 방향) 표면보다 더 높은 표면 거칠기를 나타낸다[15-18]. 높은 표면 거칠기는 열 전달 효율 저하, 피로 수명 감소, 마모 촉진과 같은 최종제품의 표면과 관련된 성능 저하를 초래할 수 있다[19-21]. 또한, 적층각도와 면의 방향에 따른 표면의 거칠기 편차는 치수의 오류를 발생시켜 PBF로 제작된 부품의 부정확한 체결을 유발할 수 있다. 따라서, PBF로 적층 제조된 금속부품은 표면 거칠기 감소 및 치수 정확성 확보를 위한 표면 후처리가 요구된다.
PBF 공정으로 제작된 부품의 표면 거칠기를 개선하기 위해 샌드 블라스팅, 숏 피닝, 레이저 연마, 화학적 연마를 포함하여 다양한 표면 후처리 공정들이 적용되어 왔다[21-24]. 공구를 사용하는 기계 가공과 레이저 빔을 이용하는 레이저 기반 후처리는 복잡한 형상을 가지는 PBF로 제작된 부품의 표면에 적용하는데 한계가 존재한다. 화학적 후처리는 용액 내의 모든 표면을 처리할 수 있지만, 치수 정밀도가 불안정하며 충분한 표면 거칠기의 개선이 어렵다. 반면, 전기화학적 후처리 공정인 전해연마(Electropolishing)는 부품의 형상에 의한 제약 없이 자유롭게 표면 거칠기를 제어할 수 있으며, 전해질, 전압 및 처리 시간과 같은 주요 공정 변수를 통해 소재의 제거율을 제어함으로써 부품의 치수 변화를 제어하기 유리하다. 따라서, 다양한 형상 및 소재로 PBF 공정을 통해 제작된 부품의 표면 거칠기를 제어하기 위해 소재별 다양한 전해연마 용액 및 공정이 연구되고 있다[18,25-27].
알루미늄 합금 부품은 경량 금속 부품으로써 항공·우주 및 자동차 산업과 같은 수송 분야에서 널리 사용되고 있다[28,29]. 상용 알루미늄 합금 중에서 Al-Si계 합금, 특히 AlSi10Mg 합금이 PBF를 이용한 적층 제조 공정에 활발하게 사용되고 있다[5,30,31]. Al-Si계 합금 중 구조 재료로 가장 많이 활용되는 AlSi10Mg는 Al-Si 공정 조성에 가깝기 때문에 용접성이 뛰어나다. 그리고, PBF를 통해 제작된 AlSi10Mg 부품은 높은 비강도, 우수한 내구성 및 열 전도성을 나타내어 열교환기, 브래킷, 하우징 부품 등에 활용되고 있다. 그러나, 이러한 AlSi10Mg 합금 역시 PBF로 제작하면, 표면 거칠기에 대한 문제를 피해갈 수 없으며, 표면 거칠기를 개선하기 위한 효과적인 해결책으로 전해연마가 제시될 수 있다.
알루미늄의 전해연마는 주로 표면 거칠기 개선을 목적으로 Si 함량이 높은 주조재(Casting Alloy) 보다는 전신재(Wrought alloy) 위주로 전해액 및 공정 조건이 연구되어 왔다[32-35]. 그러나, 적층 제조된 부품은 Si 함량이 높은 주조재이고, 기하학적 형상 및 치수의 변형을 최소화하면서 표면 거칠기를 완화시켜야 하므로 기존의 전신재를 기반으로 개발된 전해연마 공정을 직접 적용하기에는 어려움이 있다. 따라서, 적층 제조된 알루미늄 합금 부품의 거칠기 제어를 위해 기존의 방법과 다르게 최적화된 전해연마 기술이 필요하다. 본 연구에서는 PBF 공정으로 제조된 AlSi10Mg 합금의 표면 거칠기 개선을 위해 기존의 전해 마 방법을 적용하여 치수 변형을 최소화하면서 표면 거칠기를 줄이는 최적의 공정 조건을 탐색하였다. 잘 알려진 알루미늄 전해연마 전해질인 탄산 나트륨-인산 삼나트륨(sodium carbonate-trisodium phosphate, STP) 수용액, 과염소산-에탄올(perchloric acid-ethyl alcohol, PEA) 및 염화콜린-에틸렌 글리콜(choline chloride-ethylene glycol, CEG) 용액을 채택하였으며, 이를 기반으로 과염소산-에틸렌 글리콜(perchloric acid-ethylene glycol, PEG) 용액을 새롭게 고안하여 전해연마에 적용했다. PEG의 경우 에탄올을 사용하는 PEA와 달리 용매로 휘발성이 낮은 에틸렌 글리콜을 사용하기 때문에 안정적인 욕관리와 공정관리에 용이하다. 각 전해질 용액에서 인가전압 및 처리 시간에 따른 표면 거칠기 변화 및 두께 변화를 조사하여 최적 전해연마 조건을 도출하였다. 그리고 도출된 조건으로 다양한 적층각으로 제작된 AlSi10Mg 소재를 전해연마 실시하여 각 용액들의 특징에 대하여 분석하고, 그들의 PBF로 적층된 실제품에 대한 적용 가능성에 대하여 연구하였다.
2. 실험 방법
2.1 시편 제작
표 1에 본 연구에서 사용된 AlSi10Mg 분말의 화학적 조성을 나타내었다. AlSi10Mg 시편은 EOS M400-4 장비를 사용하여 레이저를 열원으로 하는 PBF 공정을 통해 제작되었다. PBF시 에너지 밀도는 52.86 J/mm3, 층 두께는 40 μm로 설정되었으며, 빌드 플랫폼에 대한 표면의 경사각으로 정의되는 적층각이 45°, 60° 및 90°인 10 mm 두께의 시편이 제작되었다(그림 1(a)). 전해연마 공정 최적화를 위해 90°의 적층각으로 제작된 시편은 절단 후 노출 면적이 10 × 10 mm²이 되도록 콜드 마운팅 하였다. 이후 균일한 초기 표면 상태를 만들기 위해 #100 silicon carbide(SiC) 연마지를 이용하여 한 쪽 면을 연마하였다(그림 1(b)). 이렇게 연마된 표면의 평균 거칠기(Ra)는 2.23 ± 0.01 μm이며, 그림 1(c)에 나타난 바와 같이 연마에 의한 선형 요철이 형성되어 있다.
Chemical composition of AlSi10Mg powder
(a) (i) Schematic and (ii) digital image of PBF-ed AlSi10Mg specimens with building angles of 45º, 60º, and 90º. (b) Schematic of the preparation of the specimen for optimization of the electropolishing process. (c) (i) 3D profile and (ii) SEM image of initial PBF-ed AlSi10Mg surface after polishing.
2.2 전해연마 전해액
AlSi10Mg의 전해연마를 위해 알루미늄 및 그 합금의 전해연마에 일반적으로 사용되는 탄산 나트륨-인산 삼나트륨 (STP)[32], 과염소산-에탄올(PEA)[33] 및 염화콜린-에틸렌 글리콜(CEG)[36] 전해질과 새롭게 고안된 과염소산-에틸렌 글리콜(PEG) 전해질을 적용하였다. 전해연마 온도는 각 전해질에서 일반적으로 사용되는 온도로 STP는 75°C, PEA는 10°C, CEG는 25°C 그리고 PEG는 15°C로 선정하였다. 전해연마는 직류 정류기를 이용하여 수행되었으며 음극 소재로 AISI 304 스테인리스 스틸 판재를 사용하였다. 각 전해질의 표기명, 화학 조성 및 온도를 표 2에 나타내었다.
Electrolyte composition and temperature for electropolishing
2.3 표면 분석
전해연마 후 표면은 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM; COXEM, EM-30N)을 이용하여 결함 발생 여부 및 형상의 변화를 관찰하였다. 표면 거칠기 및 3차원 표면 형상은 3차원 조도측정기(Profilm 3D, Filmetrics)를 사용하여 분석하였다. WLI(White Light Interferometry) 법으로 시편 당 5개의 다른 위치에서 1.0 × 0.85 mm의 면적을 갖는 3차원 이미지를 획득한 후 초기 형상 및 이상치(Outlier)를 제거하여 라인 프로파일을 추출하였다. 표면 거칠기 값을 계산하기 위하여 컷오프 길이를 470 μm로 하는 가우시안 필터를 적용하여 라인 프로파일로부터 거칠기 프로파일을 획득하였다. 표면 거칠기는 ISO-4287의 평균 산술 거칠기(Ra) 값을 측정하여 전해 연마 전후의 변화를 비교하였다. 각 이미지에 대하여 4개의 Ra 값을 측정하였고, 5개의 위치에서 측정한 Ra 값의 평균을 사용하였다. As-built재는 표면에 부착된 분말들로 인해 광선이 산란되거나 분말에 흡수되어 정확한 표면 거칠기 측정이 어렵다. 따라서 단면의 SEM 이미지로부터 거칠기 프로파일을 획득하여 Ra를 계산하였다. 두께 변화량은 전해연마 전후의 무게 변화를 측정하여 AlSi10Mg의 밀도(2.67 g/cm3) 및 처리 면적으로 계산하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 전해질별 전류밀도 변화
각 전해질에서 AlSi10Mg 합금의 인가전압에 따른 전류 밀도의 변화를 측정한 결과를 그림 2에 나타내었다. 전해질별로 2 ~ 26 V를 2 V 간격으로 30초씩 인가하여 전류 밀도를 측정하였다. STP의 경우는 전압이 증가함에 따라 전류밀도가 증가하다가 8 ~ 16 V에서 전압이 변화함에 따라 전류밀도가 유사하게 유지되는 한계 전류밀도 구간이 관찰되었다. 이 구간에서는 산화막의 형성 속도와 전류밀도의 증가 속도가 균형을 이루어 전류밀도가 일정하게 유지되며, 이상적인 전해연마가 이루어진다고 알려져 있다[37,38]. PEA는 한계 전류밀도 구간이 나타나지 않았으며, 전압이 증가함에 따라 전류밀도가 선형적으로 증가하였다. 이는 전압이 증가함에 따라 AlSi10Mg 표면에서의 전기화학적 용해 반응이 활성화되었음을 의미한다. 전해질을 구성하는 에탄올의 점도가 낮아 물질의 이동 및 확산이 활발한 PEA는 전압의 변화에 따라 급격한 전류밀도의 변화를 보였다. CEG 역시 한계 전류밀도 영역이 관찰되지 않았으며, 전압에 따라 전류밀도가 선형적으로 증가하였다. 점도가 높은 에틸렌 글리콜을 포함하는 CEG는 전해질 내에서 이온의 이동이 에탄올 기반의 용액보다 상대적으로 어렵기 때문에 PEA 용액에 비해 낮은 전류밀도를 나타내었다. PEG는 연마 반응의 활성화 물질인 과염소산과 점도가 높은 에틸렌 글리콜의 혼합물이다. PEG에서, 전류밀도는 전압에 따라 증가하였지만, 그 정도는 PEA 보다 작고, CEG 보다는 크다. 각 전해질의 전류밀도 vs. 전압 곡선을 바탕으로, STP, PEA, 그리고 PEG 전해질의 경우 8-16 V를, CEG 전해질의 경우 12-20 V를 인가전압 범위로 선정하였다.
Current density-Voltage curve of (a) STP, (b) PEA, (c) CEG and (d) PEG electrolyte.
3.2 인가전압 및 처리 시간에 따른 표면 거칠기
각 전해질별 선정된 인가전압을 AlSi10Mg 소재에 적용하여 전해연마 후 처리 시간에 따른 표면 거칠기, 두께 및 표면 형상 변화를 조사하였다. STP를 사용하여 전해연마를 실시한 결과를 그림 3에 나타내었다. Ra는 전해연마 처리 시간이 증가함에 따라 감소하였으며, 25분 후 1.5 μm 미만으로 감소하였다. 8 V를 인가한 경우 Ra는 5분 후 1.80 ± 0.16 μm, 15분 후 1.66 ± 0.08 μm, 그리고 25분 후 1.47 ± 0.05 μm로 선형적으로 감소하였다. 하지만 16 V를 인가한 경우 Ra는 5분 후 1.57 ± 0.07 μm, 15분 후 1.52 ± 0.03 μm, 그리고 25분 후 1.46 ± 0.07 μm로 감소하였으며, 5분 이후부터 거칠기가 크게 변화하지 않았다. 그림 3(b)에 전해연마 후의 두께 변화량을 나타내었다. 전해연마의 시간 및 전압이 증가함에 따라 두께 감소는 증가하였으며, 25분의 전해연마 후 두께 변화는 8 V에서 8.74 μm, 16 V에서 15.48 μm로 관찰되었다. 두께 감소에 따른 표면 거칠기 변화를 그림 3(c)에 나타내었으며, 탐색된 전압 범위에서는 평균 거칠기가 전해연마 후에도 1.4 μm 미만으로 감소하지 않았다. 또한, 8 V에서 다른 인가전압 대비 빠른 거칠기의 감소가 관찰되었지만, 효과가 크다고 보기 어렵다. 그림 3(d)와 3(e)에서 볼 수 있듯이 초기 표면의 연마지의 흔적이 전해연마 후에도 여전히 표면에 잔존하였다. 표면 거칠기의 변화와 두께 변화 및 전해연마 후 표면 형상을 분석한 결과, STP를 이용한 전해연마는 표면의 용해 효과가 작고, 선택적 용해가 잘 이루어지지 않아 전해연마 효율이 상대적으로 낮다. STP 용액을 이용한 전해연마는 전신재 알루미늄 소재에 대해 널리 활용되어 왔지만, 본 연구에 사용한 높은 Si 함량을 가진 AlSi10Mg 소재에 대해서는 eutectic Si 상에 의한 불균일한 용해 반응으로 전해연마 효과가 미미한 것으로 판단된다[39,40].
Electropolishing of PBF-ed AlSi10Mg (polished with #100 grit SiC paper) in STP: (a) Surface roughness (Ra), (b) Thickness reduction (Δt), (c) Ra-Δt relationship, (d) 3D profile and (e) SEM images after 25 minutes treatments at voltages of (i) 8 V, (ii) 10 V, (iii) 12 V, (iv) 14 V and (v) 16 V.
PEA로 전해연마를 실시한 결과를 그림 4에 나타내었다. 그림 4(a)에서 확인할 수 있듯이, 모든 전압 영역에서 5분 이내에 Ra가 1.4 μm 미만으로 감소하였다. 특히, 16 V에서는 전해연마 후 1분 만에 Ra가 1.25 ± 0.19 μm로 감소하였지만 전해연마가 진행됨에 따라 Ra가 서서히 증가하였다. 반면 8 V 및 10 V는 연마 시간의 경과에 따라 Ra가 선형적으로 감소하여 10분 후 1.2 μm 수준의 최저 거칠기에 도달하였다. 전해연마 후 시편의 두께 변화는 그림 4(b)의 결과와 같이 전압과 시간에 따라 증가하였다. 10분의 전해연마 후 모든 표면에서 기존에 존재하던 연마지로 인한 선형 요철의 흔적은 확인되지 않았다. 16 V에서는 10분간 전해연마 후 두께가 298.25 μm 변화한 반면, 8 V의 경우 두께 변화가 52.68 μm에 불과하였다. 과염소산과 에탄올이 혼합된 PEA는 반응성이 높고 점도가 낮아서 활발한 용해 반응을 일으킬 수 있으며, 인가전압에 따른 용해량의 차이가 확연하게 나타났다[37,41]. 두께 감소에 따른 표면 거칠기 곡선에서 16 V는 급격한 거칠기 감소를 보였지만, 상당한 두께 변화를 수반하였다. 반면, 8 V는 가장 작은 두께 변화로 최저의 표면 거칠기를 나타내었다. 따라서, 적층 제조된 AlSi10Mg 소재의 경우 PEA 전해액을 사용한 전해연마에서는 8 V를 인가하는 것이 적절하다.
Electropolishing of PBF-ed AlSi10Mg (polished with #100 grit SiC paper) in PEA: (a) Surface roughness (Ra), (b) Thickness reduction (Δt), (c) Ra-Δt relationship, (d) 3D profile and (e) SEM images after 10 minutes treatments at voltage of (i) 8 V, (ii) 10 V, (iii) 12 V, (iv) 14 V and (v) 16 V.
CEG의 인가전압 및 처리 시간에 따른 전해연마 결과를 그림 5에 나타내었다. 모든 인가전압에서 10분 연마 후 표면 거칠기가 상당히 감소하였다. 특히 14 V가 인가된 시편의 경우 1.27 ± 0.23 μm로 가장 낮은 Ra를 보여주었다. 10분 이후 Ra는 처리 시간에 따라 서서히 감소하여 80분 후 14 V는 1.0 μm, 그 외는 1.3 μm 수준의 Ra를 나타내었다. 또한, 80분의 전해연마 후 모든 전압 영역에서 연마지로 만들어진 선형 요철의 흔적은 관찰되지 않았다. CEG에서도 그림 5(b)에 나타난 바와 같이 인가전압 및 처리 시간이 증가함에 따라 두께 변화가 증가하는 것이 관찰되었지만, 점도가 높은 에틸렌 글리콜을 포함하여 점도가 낮은 에탄올을 포함한 PEA와 달리 전압의 증가에 따라 심각한 두께 변화가 수반되지는 않았다[42,43]. 표면 거칠기와 두께 변화의 관계는 CEG에서 14 V를 인가하였을 때 작은 두께 변화로 가장 낮은 표면 거칠기를 얻을 수 있음을 보여주었다. 또한, PEA의 결과와 비교했을 때, 더 작은 두께 감소로 더 효과적으로 Ra를 감소시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
Electropolishing of PBF-ed AlSi10Mg (polished with #100 grit SiC paper) in CEG: (a) Surface roughness (Ra), (b) Thickness reduction (Δt), (c) Ra-Δt relationship, (d) 3D profile and (e) SEM images after 80 minutes treatments at voltage of (i) 12 V, (ii) 14 V, (iii) 16 V, (iv) 18 V and (v) 20 V.
본 연구에서 새로 고안한 PEG로 전해연마 시의 표면 거칠기, 두께 변화 및 표면의 변화를 그림 6에 나타내었다. 8 V를 인가한 경우 3분 이내에 Ra가 1.6 μm 이하로 빠르게 감소하였다. 그러나, 처리 시간이 증가함에 따라 두께 변화가 크게 관찰되지 않았으며, 거칠기 역시 눈에 띄게 변하지 않았다. 즉, 8 V에서는 충분한 소재의 용해가 발생하지 않았다고 볼 수 있다. 10 V, 12 V 및 16 V 또한 3분 이내의 전해연마의 초기단계에서 Ra가 1.6 μm 이하로 감소하였으며, 처리 시간의 증가에 따라 표면 거칠기의 큰 변화 없이 두께의 감소가 발생하였다. 즉, 10 V, 12 V, 16 V를 인가하면 전해연마 시간이 길어지더라도 더 낮은 거칠기의 표면을 기대하기 어렵다. 반면, 14 V는 15분 동안 표면 거칠기와 두께의 지속적인 감소를 보여주었으며, 최종적으로 1.05 ± 0.06 μm의 Ra를 기록하였다. 이러한 결과를 바탕으로 PBF로 제작된 AlSi10Mg의 전해연마에 PEG를 적용하는 경우 14 V가 최적의 전압이라는 것을 알 수 있다.
Electropolishing of PBF-ed AlSi10Mg (polished with #100 grit SiC paper) in PEG: (a) Surface roughness (Ra), (b) Thickness reduction (Δt), (c) Ra-Δt relationship, (d) 3D profile and (e) SEM images after 15 minutes treatments at voltage of (i) 8 V, (ii) 10 V, (iii) 12 V, (iv) 14 V and (v) 16 V.
각 전해질에 대한 표면 거칠기 및 두께 변화를 조사한 결과, STP 전해질은 낮은 연마 효율로 인해 PBF로 제작된 AlSi10Mg 부품의 전해연마 전해액으로 적합하지 않다. PEA 전해질은 낮은 전압에서 작은 두께 변화로 낮은 표면 거칠기를 얻을 수 있다. CEG 전해질은 처리 시간이 길지만 안정적인 표면 거칠기 감소와 작은 두께 변화를 기대할 수 있다. PEG 전해질의 경우 14 V를 인가하면 비교적 큰 두께 변화를 수반하지만 최저의 표면 거칠기를 얻을 수 있다. 이러한 결과를 바탕으로 거친 표면을 가지는 PBF로 적층된 AlSi10Mg 시편의 전해연마에 PEA, CEG, 그리고 PEG 전해질을 적용하여 표면 특성 및 두께 변화를 조사하였다.
3.3 적층 제조된 AlSi10Mg 합금의 전해연마
45°, 60° 및 90°의 적층각으로 제작된 AlSi10Mg 시편의 전해연마 전 초기 표면 거칠기 및 형상을 3D 표면 프로파일 및 SEM 이미지를 통해 분석하였으며, 그 결과를 그림 7에 나타내었다. Up-skin 표면은 PBF 공정 중 열 전달이 고르게 이루어져 충분한 금속 분말의 용융 및 응고가 일어나고, 상대적으로 적은 양의 미용융 분말이 부착되므로 거칠기가 비교적 낮다[44]. 반면, down-skin 표면은 아래층이나 서포트 구조로 인해 제한적인 열 방출 및 불충분한 열 전달이 발생한다[15,45]. 또한, 부착되는 분말의 양이 많고 계단 효과 및 볼 구조가 두드러져 표면 거칠기가 높다[44,46]. Up-skin과 down-skin 표면의 거칠기 차이는 적층각이 작을수록 크게 나타난다. 따라서 45°의 적층각으로 제작된 시편의 up-skin(Ra = 15.78 ± 0.46 μm)과 down-skin(Ra = 24.76 ± 2.71 μm)의 표면 거칠기 차이는 8.98 μm로, 60°의 적층각으로 제작된 시편의 up-skin(Ra = 9.86 ± 0.45 μm)과 down-skin(Ra = 15.74 ± 2.41 μm)의 거칠기 차이인 5.88 μm 보다 더 크게 나타났다. 한편, 90°의 적층각으로 제작된 시편은 up-skin과 down-skin의 구분이 없으며, 표면 거칠기(Ra = 9.72 ± 1.22 μm)가 다른 적층각으로 제작된 시료와 비교해 가장 낮게 나타났다.
(a) 3D profile, (b) surface and (c) cross-sectional SEM images of as-built AlSi10Mg fabricated at angles of 45°, 60°, and 90.
PEA, CEG 및 PEG 전해질을 적용하여 각 전해질의 최적 조건으로 45°, 60°, 90°의 적층각으로 제조된 AlSi10Mg 시편을 전해연마 하였다. PEA에서 전해연마 후 시편의 표면 거칠기, 두께 및 표면 형상을 그림 8에 나타내었다. 적층각이 45°, 60°인 시편의 up-skin 표면 및 적층각이 90°인 시편의 표면은 8 V를 인가한 후 1분 이내에 Ra 값이 4 μm 이하로 빠르게 감소하였으며, 그 이후에는 점진적으로 감소하였다. 10분 후, 적층각이 45°, 60°인 시편의 up-skin 표면과 적층각이 90°인 시편 표면의 Ra는 각각 1.62 ± 0.18 μm, 1.51 ± 0.16 μm, 1.31 ± 0.10 μm로 나타났으며, 분산 및 응집되어 부착되어 있던 분말입자들이 완전히 제거되어 관찰되지 않았다. 적층각이 45°, 60°인 시편의 down-skin 표면은 3분 이내에 Ra가 8 μm 이하로 감소하였고, 이후 점진적으로 감소하였다. 10분 후 45° 시편은 down-skin의 Ra가 4.91 ± 0.45 μm로 감소하였으며, 60° 시편은 2.74 ± 0.21 μm로 감소하였다. Down-skin의 표면 거칠기는 불균일한 초기 응고 표면 및 볼 구조의 불완전한 용해로 인해 전해연마 후 up-skin의 표면 거칠기 수준까지 감소하지 않았다. 따라서, up-skin 표면과 down-skin 표면 간의 거칠기 차이는 전해연마 후에도 여전히 존재하였다. 45° 시편의 up-skin과 down-skin의 표면 거칠기 차이는 8.98 μm에서 10분의 전해연마로 3.29 μm로 감소하였다. 60° 시편의 경우 5.88 μm에서 1.24 μm로 감소하였다. 45°, 60°, 90° 시편의 두께는 처리 시간에 따라 점차 감소하였으며, 10분간 연마 후 각각 97.62 μm, 89.57 μm, 98.50 μm의 두께 감소를 보였다.
Electropolishing of PBF-ed AlSi10Mg (as-built) in PEA solution: Ra change of (a) up-skin and (b) down-skin, (c) thickness reduction, (d) 3D profile and (e) SEM images of electropolished surface for 10 minutes.
CEG에서 최적 조건을 적용하여 전해연마를 실시한 AlSi10Mg 시편의 표면 분석 결과를 그림 9에 나타내었다. 45°, 60° 시편의 up-skin 표면과 90° 시편의 표면은 14 V를 인가한 후 20분 이내에 Ra가 4 μm 이하로 현저하게 감소하였으며, 이후 60분까지 점점 감소하였다. 60분 후, 45°의 적층각으로 제작된 시편의 up-skin, 60°의 적층각으로 제작된 시편의 up-skin 및 90°의 적층각으로 제작된 시편의 표면에 부착된 분말 입자들이 모두 전기화학 반응으로 용해되어 Ra가 각각 1.99 ± 0.11 μm, 1.67 ± 0.02 μm, 1.47 ± 0.01 μm로 감소하였다. 45°, 60° 시편의 down-skin 표면은 30분 이내에 Ra가 8 μm 이하로 감소하였으며, 시간이 지남에 따라 점진적으로 감소하는 경향을 보였다. 60 분 후 45°, 60° 시편의 down-skin 표면은 각각 5.59 ± 0.18 μm, 3.45 ± 0.18 μm의 Ra를 나타냈으며, 표면에 잔존하는 볼 구조의 형상이 일부 관찰되었다. 60분간 전해연마 한 후 up-skin 표면과 down-skin 표면의 거칠기 차이는 45° 시편의 경우 3.60 μm, 60° 시편의 경우 1.78 μm로, 전해연마가 진행될수록 그 차이가 감소하였다. 적층각에 따른 시편의 두께는 전해연마 시간에 따라 감소하였으며, 60분 후 45°에서 49.01 μm, 60°에서 45.13 μm, 90°에서 48.26 μm의 변화를 보였다.
Electropolishing of PBF-ed AlSi10Mg (as-built) in CEG solution: Ra change of (a) up-skin and (b) down-skin, (c) thickness reduction, (d) 3D profile and (e) SEM images of electropolished surface for 60 minutes.
PEG를 이용해 전해연마를 실시한 AlSi10Mg 시편의 표면 분석 결과를 그림 10에 나타내었다. 45°, 60°의 적층각으로 제작된 시편의 up-skin 표면 및 90°로 제작된 시편의 표면은 14 V 인가 후 1분 이내에 Ra가 3 μm 이하로 빠르게 감소하였으며, 3분 이후 서서히 감소하였다. 10분 후 45°, 60° up-skin 및 90° 표면의 Ra는 1.34 ± 0.05 μm, 1.14 ± 0.04 μm, 1.19 ± 0.09 μm에 도달하였으며, 부분적으로 용융된 분말과 미용융 분말이 완전히 제거되었다. 45°, 60°의 적층각으로 제작된 시편의 down-skin 표면은 3분 이내에 Ra가 8 μm 이하로 급격히 감소하였으며, 10분까지 점진적으로 감소하였다. 10분 후 45°와 60° 시편의 down-skin 거칠기는 4.33 ± 0.49 μm, 2.00 ± 0.20 μm까지 감소하였다. 전해연마 후 down-skin 표면에 존재하던 볼 구조가 거의 용해되어 평평해진 표면이 관찰되었다. 45°와 60°의 적층각으로 제작된 시편의 초기 up-skin 및 down-skin 표면의 Ra 차이는 10분 전해연마 후 감소하여 45°는 2.99 μm, 60°는 0.86 μm로, PEG를 적용하면 up-skin과 down-skin의 표면 거칠기 차이를 다른 전해액과 비교하여 가장 최소화 해 유사한 거칠기의 표면을 구현할 수 있다. 45°, 60°, 90°의 적층각으로 제작된 시편의 두께는 전해연마 시간에 따라 감소하였으며, 적층각에 따른 두께 변화 차이가 비교적 컸다. 10분 연마 후 45°, 60°, 90° 시편의 두께 감소는 156.74 μm, 197.62 μm, 179.83 μm로, 비슷한 표면 거칠기를 기준으로 볼 때 8 V를 인가한 PEA 용액에서 보다 2배 정도 더 많은 두께 감소를 보였다.
Electropolishing of PBF-ed AlSi10Mg (as-built) in PEG solution: Ra change of (a) up-skin and (b) down-skin, (c) thickness reduction, (d) 3D profile and (e) SEM images of electropolished surface for 10 minutes.
PEA, CEG 및 PEG 전해질으로 AlSi10Mg 시편을 전해연마 하여 얻은 최종 표면 거칠기, 두께 감소량 및 감소 속도를 표 3에 나타내었다. PBF 공정을 통해 적층 제조된 AlSi10Mg 시편의 전해연마를 위해 탐색한 세 가지 전해액은 일관된 기준으로 적합성 및 우열을 판단하기 어렵다. PEA를 적용하여 전해연마 하는 경우 표면 거칠기의 감소가 빠르게 이루어지며, 두께의 감소 또한 빠르다. 반면, CEG는 거칠기 감소율이 비교적 낮지만 두께 감소가 작게 발생하며, 안정적인 재료 제거가 이루어진다. 그리고, PEG는 거칠기 및 두께의 감소가 가장 크다. PEG의 경우, 단시간의 전해연마를 통해 up-skin과 down-skin의 표면 거칠기 차이를 최소화할 수 있다. 또한, PEG는 PEA와 비교시, 휘발성이 높은 에탄올 대신에 휘발성이 더 낮은 에틸렌 글리콜을 용매로 사용하여 전해액의 안정성이 더 높기 때문에 실제 산업에서 적용하기에 더 적합하다고 볼 수 있다. 각 전해질별 전해연마의 특징이 다르게 나타남에 따라 표면 거칠기를 감소시키기 위한 후처리로 전해연마를 활용할 때 각 전해질의 특징을 고려해 공정을 선택하는 것이 합리적인 방법인 것으로 판단된다.
Final surface roughness (Ra), thickness reduction amount and rate of PBF-ed AlSi10Mg (as-built) specimens in each electrolyte: PEA, CEG, and PEG
4. 결 론
본 연구에서는 Powder Bed Fusion(PBF)으로 제작된 AlSi10Mg 합금의 표면 거칠기 개선을 위한 전해연마 공정을 탐색하였다. 기존의 알루미늄 전해연마 전해질인 탄산나트륨-인산 삼나트륨(STP) 수용액, 과염소산-에탄올(PEA), 염화콜린-에틸렌 글리콜(CEG) 용액과 이를 기반으로 고안한 과염소산-에틸렌 글리콜(PEG) 용액을 적용하여 PBF로 제작된 AlSi10Mg 소재를 전해연마 하였다. 전해질 별 인가전압과 처리 시간에 따른 표면 거칠기 감소, 두께 감소 및 표면 형상 변화를 분석한 결과, STP는 AlSi10Mg 소재의 표면 거칠기 및 두께의 감소가 크게 발생하지 않아 표면연마를 위한 후처리 전해연마 용액으로 적합하지 않음을 확인했다. CEG는 낮은 재료 제거율로 인해 표면 거칠기 완화에 오랜 시간이 요구되지만, 두께 감소가 작아 치수의 변형을 최소화할 수 있다. 과염소산으로 인해 활발한 용해 반응이 발생하는 PEA와 PEG는 짧은 처리 시간으로 표면 거칠기를 크게 감소시킬 수 있지만, 이는 빠른 시간 내에 많은 두께 변화를 수반한다. PEA, CEG 및 PEG를 표면 결함을 가지는 PBF로 제작된 AlSi10Mg에 적용한 결과, 모든 전해질들은 전해연마 후 표면 거칠기를 77% 이상 감소시킬 수 있다. 특히, PEG는 가장 뛰어난 거칠기 저감 효과를 나타내며, up-skin과 down-skin의 표면 거칠기 차이를 3 μm 이하로 줄일 수 있다. 한편, 유사한 수준의 표면 거칠기를 기준으로 보면 CEG 전해질에서 두께 변화를 최소화할 수 있다. 이러한 결과를 활용하여 소재의 손실을 최소화하며 목표로 하는 표면 거칠기를 구현하기 위한 공정을 설계한다면, PBF로 제작된 AlSi10Mg 부품의 높은 치수 정확도를 확보하면서 표면 거칠기를 효과적으로 개선할 수 있다. 따라서, 본 연구에서 제시하는 접근법을 통해 적층 제조된 부품의 표면 거칠기 개선을 위한 표면가공법의 개발이 가능하다.
Notes
감사의 글
본 연구는 산업통상자원부 우수기업연구소육성사업(ATC+,과제번호: 20023135)의 지원을 받아 수행되었습니다.