KR102388622B1 - 미세조직 개선 및 인장강도 향상을 위한 초내열합금 in718의 3d 프린팅 제조방법 및 그에 의해 제조되는 초내열합금 in718 합금 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초내열합금 IN718의 3D 프린팅 제조방법 및 그에 의해 제조되는 초내열합금 IN718에 관한 것으로서, 3D 프린팅의 여러 방식 다양한 방식 변화 및 적층 방향의 변화, 스캔속도 및 용제화 열처리 조건 등을 변화를 통해 미세조직 개선 및 인장강도 향상을 위한 최적의 3D 프린팅 제조방법 및 그에 의해 제조되는 미세조직 및 인장강도가 개선된 초내열합금 IN718에 관한 것이다.
본 발명의 미세조직 개선 및 인장강도 향상을 위한 초내열합금 IN718의 3D 프린팅 제조방법은 high speed cell 간격과 용융풀의 크기가 감소하도록 스캔속도 빠르게 하고, 적층 방식은 이방성이 나타나는 것을 방지하고자 수평 방향으로 제작하여 인장강도와 항복강도가 크도록 하였으며, 용체화 열처리 조건을 900 ~ 1080℃로 하여 우수한 기계적 특성을 갖도록 하여 1150℃ 이상에서 재결정 발생으로 강도 저하되는 것을 방지할 수 있도록 하였다.

Description

미세조직 개선 및 인장강도 향상을 위한 초내열합금 IN718의 3D 프린팅 제조방법 및 그에 의해 제조되는 초내열합금 IN718 합금{Method of 3D Printing - Manufacturing Superalloy IN718 for Improving Microstructure and Tensil Strength and Superalloy IN718 manufactured thereby}

본 발명은 초내열합금 IN718의 3D 프린팅 제조방법 및 그에 의해 제조되는 초내열합금 IN718에 관한 것으로서, 3D 프린팅의 여러 방식 다양한 방식 변화 및 적층 방향의 변화, 스캔속도 및 용제화 열처리 조건 등을 변화를 통해 미세조직 개선 및 인장강도 향상을 위한 최적의 3D 프린팅 제조방법 및 그에 의해 제조되는 미세조직 및 인장강도가 개선된 초내열합금 IN718에 관한 것이다.

니켈기 초내열합금 중 인코넬(inconel)718 합금(이하, 'IN718 합금'이라 함)은 석출 강화 합금으로 가스 터빈 디스크, 로켓 모터, 항공 사업에 사용되고 있다. IN718의 주 석출물은 γ''과 γ'으로 γ기지와 정합을 이루고, γ''은 불안정 상이기 때문에 기지와 부정합을 이루는 δ상으로 변태될 수 있다. δ상은 기지에 강화를 주지 않지만 결정립계에 적절한 양이 존재하게 되면 결정 성장을 억제하고 결정립계에 크립 파단의 저항성을 향상시킨다. IN718 합금은 고온에서 높은 강도 특성을 가지며 고온 내식성, 내피로성, 내마모성, 우수한 용접성을 가진다.

3D printing으로 알려진 적층 제조 공정은 CAD로 설계된 도면을 통해 재료 분말을 용융하여 쌓아 올려 만드는 것으로 항공, 자동차, 의료, 등의 사업에 사용되고 있다. 일반적인 주조와 단조 공정과는 다르게 3D Printing은 복잡한 형상의 제품을 한번의 공정 과정을 통하여 제작할 수 있다. 따라서 내식성이 높은 IN718 합금을 적층 공정을 통하여 형상화하는 것은 일반적인 제조방법을 사용했을 때 보다 쉽게 부품을 제조할 수 있고, 위상 최적화를 통하여 재료 비용을 절감, 생산시간 단축, 제품의 무게감소 등 장점이 생기게 된다.

3D Printing 중 하나인 PBF(Powder Bed Fusion) 방법 중 SLM(Selective Laser Melting)공정은 CAD로 불러온 형상을 높은 에너지의 레이저를 기판에 분포되어 있는 금속 분말에 선택적으로 조사하여 용융시키는 단계를 반복하여 시편을 쌓아 올리는 공정이다. SLM 공정의 모식도를 도 1에 나타내었다. 선택되지 않은 금속 파우더는 열을 방출시키는 것에 도움을 주는 매개체 역할을 한다. 높은 에너지를 가진 레이저를 통해 분말을 용융시키기 때문에 급열과 급냉의 과정을 거치게 된다. 일반적인 공정으로 제조되는 부품의 미세조직과는 다르게 아주 미세한 수지상이 나타날 것이고, 높은 온도 구배에 의해 내부에 많은 잔류응력들이 존재하고, 따라서 특성에도 차이가 나타날 것이다. 또한 분말의 변화와 기계 유형의 변화는 기계적 특성과 기공의 정도 변화를 일으킨다.

SLM 공정은 스캐닝 속도, 적층 방향, 층의 두께, 레이저 파워 등에 따라 에너지 밀도에 영향을 주기 때문에 이러한 변수에 따른 미세조직과 특성차이가 다양하게 나타난다. 변수를 적절하게 조합하여 제품을 만드는 것이 중요하여 변수에 대한 많은 연구들이 이루어지고 있다. 이러한 변수 중 미세조직에 큰 변화를 주는 것은 스캐닝 속도와 레이저 파워로 에너지 밀도에 영향을 주는 것이다. 스캐닝 속도와 레이저 파워의 조합은 미세조직과 용융풀, 표면, 기공율, 인장 특성에 영향을 미친다. 또한 적층 방향에 나란하게 수지상과 결정립이 나타나 결정의 이방성이 기계적 특성에 영향을 주는 것으로 알려져 있다.

SLM 공정으로 제조된 IN718은 γ'과 γ''의 석출 강화형 합금이기 때문에 후 열처리가 필요하다. 열처리하기 전은 급냉으로 인해 Nb, Mo와 같은 원소들의 미세 편석이 나타나게 되고 비평형 응고로 인해 공정상인 Laves상이 생기게 된다. Laves상은

로 크랙의 시작과 전파를 가속화시키기 때문에 인장과, stress rupture특성을 저하시킨다. 또한 Laves상의 형성은 Nb과 Ti와 같은 합금 원소를 소비하며 형성되기 때문에 γ'과 γ''상의 형성에 영향을 주어 기계적 특성에 좋지 않은 영향을 미친다.

SLM 공정 후 열처리는 주로 일반적인 공정에 시행되는 열처리가 사용되고 있다. 많은 논문에서 열처리를 변화시켜 미세조직과 기계적특성에 대해 연구가 이루어졌다. 균질화 또는 고용체 열처리는 편석 원소의 확산과 탄화물 또는 Laves상과 같은 딱딱한 상을 γ기지로 용해를 촉진시키고, 시효 열처리는 γ'과 γ''석출을 일으킨다. 상기 논문에서는 HIP처리를 한 후 열처리를 하였다. HIP처리를 하게 되면 더 이상 SLM 공정으로 얻어진 미세조직(결정립, 수지상)의 특성이 사라지게 된다.

따라서 본 발명에서는 SLM 공정 중 스캔 속도, 적층 방향, SLM 공정 후 열처리를 변화시켜 미세조직과 기계적 특성 변화를 연구하였다. 스캔 속도가 미세조직에 영향을 미치는 정도와 상온 인장 특성 변화를 관찰하였고, 적층 방향이 조직의 이방성에 미치는 영향과 관련하여 기계적 특성에 미치는 영향을 관찰하였다. 또한 HIP처리를 하지 않고 용체화 열처리 시간을 변화시켜 석출물의 변화와 기계적 특성 변화를 관찰하였다.

니켈과 철을 포함하는 석출강화 합금은 블레이드, 디스크, 샤프트 등으로 가스 터빈 엔진, 스팀 터빈 부품에 쓰인다. 니켈-철기 초내열합금은 Carbide 와 γ'상과 γ''상의 석출에 의해 강화되는 FCC(Face-centered-cubic) γ(austenitic)기지로 이루어진 석출 강화형 합금이다. 니켈-철기 합금은 합금 원소의 첨가에 의한 결정립강화와 석출물 강화, 고용체 강화를 포함하는 강화효과를 통해 뛰어난 고온 특성을 가지는 초내열합금이다. 이러한 합금에 대한 공통된 특징은 다음과 같다. (1) 니켈과 철 기반인 austenitic γ matrix (2) 합금원소의 첨가로 인한 고용체 강화 (3) 합금 원소의 첨가로 인한 석출 강화 (4)결정립을 강화를 위한 합금원소 첨가이다. Fe-Ni기 합금은 니켈 대 철의 비율에 따라 사용 온도 범위와 비용이 달라지므로 사용 환경과 비용부담에 따라 합금의 첨가가 이루어지므로 합금의 특성이 결정된다. 이때 IN718 합금은 Ni의 조성이 가장 크고, ordered BCT γ''으로 강화되는 상이다. IN718 합금은 650℃까지 우수한 고온 특성을 가진다. 대부분의 Ni-Fe기 합금은 상대적으로 낮은 Carbon(<0.10%)와 상대적으로 많은 양의 ferrite안정화 원소와 γ(austenitic) matrix를 유지하기 위해 필요한 Ni의 최소 수준인 대략 25 wt%로 이루어진다.

고용 강화를 위해 일반적으로 Ni-Fe기 초내열합금에 크로뮴(Chromium)을 10-25%, 몰리브덴(Molydenum)을 0-9%를 추가한다. 고용 강화제를 추가하는 것은 오스테나이트(austenite)의 격자 파라미터(parameter)의 팽창을 일으킨다. 팽창은 오스테나이트(austenite)와 첨가제 사이의 원소 부피의 차이에 의한 내부 응력을 주게 되고 격자 파라미터(parameter)의 팽창은 격자 불일치도의 정도에 영향을 준다. 게다가, 고용 강화제는 적층 결함 에너지(stacking fault energy)를 감소시켜서 고온에서 cross-slip을 저하시킨다. 또한 니켈-철기 초내열합금에 Cr의 첨가는 고온에서 부식-산화 저항성을 높여 준다. 석출 강화(Ti, Cb, Al)를 위해 추가한 원소들에 의해서 고용 강화 효과도 나타난다.

Ni-Fe기 초내열합금에서 Ordered γ'은 주 석출강화 원소로서 Ti와 Al을 포함하는 합금에서 형성된다. γ와 γ'사이의 격자 불일치도 차이를 최소화하기 위해 Ti대 Al의 비율을 높여야 한다. 이러한 비율이 대략 2:1을 초과할 때 고온으로 노출되는 중 준안정 FCC γ'상은 안정한 hexagonal

(η)상으로 바뀌게 된다. 이러한 상의 형성은 고온 특성에 좋지 않은 영향을 미치게 된다. 0.003-0.030% Boron의 첨가는 니켈-철기 초내열합금의 응력 파단(stress rupture)특성과 고온 가공성을 향상시키고, 결정립계에서 핵생성을 지연시키므로 준 안정상 γ'을 η로의 전이를 지연시키는 것으로 알려진다. Al 또한 γ-γ'격자 불일치도를 줄이기 때문에 변형의 구동력을 줄인다. In718 합금에서 γ'강화는 Ni-Fe 초내열 합금의 크리프 안정성을 극대화하기 위해 경험적으로 개발되었기 때문에 부수적인 강화상으로 기계적 특성에 큰 영향을 끼치지 않는다.

Ni-Fe기 초내열합금에서 Ordered BCT γ''상은 주 석출 강화 원소로서 Nb을 포함하는 합금에서 형성된다. 이러한 시효 강화 합금에서는 FCC γ'이 형성되고, γ''과 공존하게 된다. Al 함류량이 0.5%까지 증가하면 γ'상 석출이 우세하게 된다. 기계적 특성에 영향을 주는 것은 γ''상이 우수하기 때문에 이러한 Al 함류량 증가와 같은 변화는 인장강도의 감소에 영향을 미친다. γ''은 ordered

구조로 준안정상이고, 시효 시간이 연장되는 중에 사방정계(orthorhombic)

(δ)상으로 변형된다. δ상은 650℃-980℃ 온도에서 노출되는 중에 나타나게 되고 이 온도를 넘어서 In718의 특성을 저하시킨다. δ상은 결정립계나 MC-carbide에서 핵 생성하여 γ''을 소비하며 성장이 일어난다. δ상의 형성 속도는 700℃이상에서 꽤 빠르게 나타나고 885℃까지 γ''의 조대화가 동반되고 그 이상의 온도에서 γ''의 용체화가 일어난다. 결정립계에 적절한 양의 δ상은 IN718 합금의 노치 민감성에 유익한 효과를 준다. 게다가 δ상은 결정립 크기 미세화와 전위의 이동을 억제하기 때문에 어느정도 기계적 특성을 향상시킨다.

Ni-Fe기 초내열합금에서 압축률의 요인으로 인해 대부분의 Ni-Fe 합금의 원자간 거리가 비정상적으로 짧은 상인 TCP을 형성하게 되는데 Laves상도 이 중 하나이다. In718에서 Laves상의 형성은 일반적으로 상의 취성 특성으로 기계적 특성을 저하시킨다. Ni-Fe 합금에서 Cd, Ti, Si의 증가는 Laves상을 촉진시키는 반면 B과 Zr은 Laves상과 μ상 형성을 최소화한다.

3D Printing은 1980년대에 시제품 생산단계에서 시제품을 제작하는 시간을 줄이기 위해 기술이 개발되었다. 자동차의 대시보드, 바디 패널 및 부품의 시제품 제작에 3D printing공정을 사용한다. 3D Printing으로 알려진 적층 공정(AM; Additive Manufacturing)은 제품을 층층이 쌓아 올리는 공정을 말한다. 일반적인 공정처럼 기계 가공 등을 통하여 자르거나 깎는 절삭가공 제조방식과 반대되는 적층 공정은 한번의 공정으로 복잡한 제품을 제작할 수 있고, 위상 최적화를 통해 제품을 경량화 할 수 있기 때문에 가격절감의 효과도 가져오고, 다양한 디자인을 제작할 수 있다. 이러한 이유로 항공, 자동차, 의료, 쥬얼리 등의 사업 등에 쓰이고, 특히 3D printing을 이용한 가스 터빈과 엔진과 같은 복잡한 형상을 가지는 부품 적층에 대해 상당한 연구가 이루어지고 있다.

3D Printing은 AM(additive manufacturing)으로 불리며 ASTM(American Society for Testing and Materials)에서 AM공정을 7가지로 분류하였다. 이 분류를 표1에 나타내었다. 이 중 금속 소재로 공정을 하는 것은 DED방법과 PBF 방법이 있다. PBF 방법 중 가장 많이 쓰이는 공정은 SLM(Selective Laser Melting)과 EBM(electron beam melting)이 있다.

과정(Process)	원리(Principle)	기술 타입 (Teqchnology type)
Binder jetting	분말 소재 위에 액체 접착제를 분사시켜 분말을 결합	CJP(3DP, PBP), BJ
Direct Energy Deposition	고에너지원(레이저, 전자빔, 플라즈마 아크)으로 금속 분말을 용융시켜 결합	DMT, LENS, DMD
Material Extrusion	필라멘트 타입의 수지를 부분적으로 가열하여 노즐을 통해 연속적으로 밀어내며 위치를 이동시켜 물체를 형성시킴	FDM
Material Jetting	프린터 헤드를 통해 액체 원료를 분출시키고 자외선으로 경화	PolyJet, MJP
Powder Bed Fusion	분말 형태의 소재를 분말 베드 위에 일정한 두께로 이송하여 고에너지빔(레이저, 전자빔)을 주사하여 선택적으로 결합	SLS, DMLS, SLM, EBM
Sheet Lamination	얇은 필름형태의 종이, 박판 수지나 금속을 열접착제 등으로 붙여가며 적층	LOM, SDL
Vat Photopolymerization	빛의 조사로 광경화성 수지를 광중합 반응을 일으켜 선택적으로 고형화 시키는 방식	SLA, DLP, CLIP

< 3D Printing 타입 >

PBF방법 중 SLM은 분말로부터 금속 제품을 레이저를 이용해 한 번에 제조하는 공정이다. SLM 공정은 복잡한 기하학적 제품을 제작할 수 있고, 주조와 단조와 같은 일반적인 제조 공정으로부터 나타나는 기하학적 제한을 극복할 수 있다. SLM 공정은 부품의 3D 모델(CAD)이 설계되어 레이저 기반 AM기계로 전송된 후, Base plate에 얇은 분말 층을 도포하는 것으로 공정이 시작된다. 레이저 빔을 사용하여 현재 layer에 대한 설계 데이터에 의해 정해진 위치에서 분말을 녹인 후 base plate를 일정 두께로 내려 처음 도포한 분말과 동일한 두께의 새로운 분말층을 도포한다. 이러한 과정을 반복하여서 부품을 제작한다. EBM 공정과 비교하면 분말을 녹이기 전에 하향식 레이저 빔 예열 단계가 없다는 것을 알 수 있다. 이것은 상대적으로 낮은 power와 작은 레이저 빔 크기 때문이고, 전체 파우더 베드를 효율적으로 예열하고 높은 온도로 유지할 수 없다. 따라서 기판을 예열시키기 위해 저항 열 module이 기판 아래에 설치되어 있다.

SLM 부품과 관련된 일반적인 결함은 잔류응력, 균열, 및 다공성이며, 이 중 잔류응력은 제조 공정 안정성과 형상 정확도 관점에서 주 관심사이다. SLM 공정에서 잔류응력의 근본적인 원인은 용융 중 가열된 영역에 국한된 불균일 온도 구배이며, 이는 레이저 빔이 멀어질 때 냉각 중에 불균일한 변형을 일으킬 수 있다. 잔류응력은 기계적 특성뿐 아니라 기하학적 정확성과 부품의 치수에 상당히 영향을 준다. 또한 잔류응력은 크랙 시발점이 되고, 기판으로부터 부품이 분리되거나 박리될 수 있다. 잔류 응력의 발생은 공정 변수에 크게 의존한다. 공정 변수의 최적화는 공정 중에 축적되는 잔류응력을 최소화하는 현실적인 방법이다. SLM 공정에서 분말 bed를 예열하는 것은 열 구배와 냉각 속도를 줄일 수 있고 따라서 부품에 축적되는 잔류응력을 효과적으로 줄일 수 있다. 균열은 위에서 언급한 것과 같이 대부분 국부적이고 상대적으로 높은 잔류응력에 의해 발생한다. 균열이 생성되고 확장됨에 의해 잔류응력은 완화된다. 또한 결정립계에서 Nb과 Mo의 상당한 편석은 낮은 융점을 가지는 공정상 형성 경향을 증가시킬 것이며, incipient melting이 일어나 결정립계에서 균열을 생성할 수 있다. SLM부품에서 구형 또는 불규칙한 기공이 발견되는데, 이러한 구형 기공은 불활성 기체가 용융풀에 포함되거나 파우더 안에 갇힌 기체가 빠져나오지 못하여 생성된다. 상대적으로 구형 기공보다 불규칙한 기공에 응력 집중이 발생되어 파단이 일어난다.

PBF방법 중 또다른 방법인 EBM은 전자 빔을 사용하여 각 층에서 설계된 형상을 선택적으로 녹이고 분말 베드에서 이전에 응고된 층과 동시에 융합시키는 공정으로 SLM 공정과의 차이는 열원차이이다. 공정 전반에 걸쳐 고진공이 유지되기 때문에 EBM은 특히 화학 물질에 민감한 재료를 제조하는데 적절하다. 그러나 전자빔의 특성은 전도성 물질만 가열될 수 있기 때문에 공정이 전도성 물질로 제한된다. 전자기 렌즈를 사용하면 가열 또는 용융 목적으로 에너지 밀도를 조정하기 위해 전자 빔의 초점을 맞추거나 초점을 흐리게 할 수 있다. EBM 공정은 분말 특성, 즉 분말의 크기, 모양, 형태, 조성, 다공성 및 유동성은 공정 안정성 및 재료 특성에 상당한 영향을 미친다. powder bed는 공정 전반에 걸쳐 상대적으로 높은 적층 온도로 가열 및 유지되어 잔류응력이 낮은 부품을 생산한다. Base plate는 분말의 첫번째 층이 쓰이기 전에 적층 온도보다 약간 높게 예열된다. 더 나은 전기 전도성과 공정 안정성을 위해 분말을 약간 소결하고 전체 챔버 내에서 상대적으로 높은 적층 온도를 유지하기 위한 것이다. 소결은 입자 경계면의 원자가 인접한 입자로 확산되어 중간 융점과 최대 융점 사이의 온도에서 서로 결합하는 공정이다. 약간의 소결은 전기전도성을 향상시키고 스모크(smoke) 현상을 효율적으로 방지할 수 있다. 베이스 플레이트(Base plate)에 도포된 일정 두께의 분말을 미리 설계된 패턴으로 전자빔을 조사한 후, 일정 두께의 분말을 가진 새로운 층을 놓기 위해 베이스 플레이트(base plate)를 낮춘다. 전자빔의 스캐닝은 먼저 현재 분말 층을 예열하고 약간 소결한 다음 분말 층을 녹여 고체 층을 형성하는 것이다. 전자빔이 흐려지고(defocused) 분말 층을 여러 번 스캔하는 예열단계는 이 분말 층이 실제로 녹아서 함께 융합되기 전에 수행되는 단계이다. 이러한 단계를 계속 반복하여 부품을 완성하게 되면 챔버에 적절한 헬륨(helium)을 주입시켜 파우더 베드(powder bed)의 온도를 떨어뜨린다. 전체 공정이 끝난 후, 적층 부품은 파우더 베드(powder bed)에 약간 소결되어 나타난다. 소결된 분말은 샌드 블라스팅(sand blasting)을 통해 쉽게 제거되고 이러한 분말은 적절하게 걸러 재활용할 수 있다.

DED 공정은 PBF와 다르게 보호가스 분위기에서 실시간으로 분말을 공급하면서 고출력의 레이저를 사용하여 분말이 공급되는 동시에 즉시 용융시켜 적층하는 방식이다. DED 공정에서는 여러가지 분말을 동시에 활용하여 실시간으로 합금을 제작하거나, 다른 재질의 합금을 사용할 수 있지만 비교적으로 정밀도가 떨어지므로 후가공이 필요하다. 생산성이 비교적 높고 반복 재현성이 우수하고 강도와 충격치가 높은 장점을 가지고 있다. PBF보다 큰 제품을 만들 수 있으나 형태에 제한이 있는 단점이 있다. PBF와 DED 방식의 차이를 표 2에 나타내었다.

	PBF	DED
적층 속도	5-20	Up to 0.5kg/h(70
정밀도	±0.02-0.05mm/25mm	±0.125-0.25mm/25mm
표면 조도	Ra 4-10μm	Ra 7-20μm
최대 크기	800×400×500	2,000×1,500×750
주요 소재	Tool steel, Al, Ti, CoCr, Ni base alloy, Bronze
주 응용분야	금형 및 임플란트, 항공 우주 부품, 모든 유형의 부품	부품 수리, 의료용, 에어 포일, 샤프트

< PBF와 DED의 차이 >

종래 유사한 선행기술로 공개특허 10-2010-0056842 "고온 산화특성 및 고온 기계적 특성이 향상된 초내열합금 인코넬 ６１７ 및 이의 제조방법" 이 공개되어 있으나, 초내열합금 인코넬의 3D 프린팅 방식에 의한 제조방법이나, 인코넬 718 합금에 대한 내용은 공개된 바 없다.

공개특허 10-2010-0056842

본 발명의 목적은 니켈기 초내열합금 인코넬 718를 미세조직과 인장 강도 등 기계적 특성이 향상될 수 있는 공정변수를 찾아 이를 최적화한 초내열합금 인코넬 718의 3D printing 제조방법 및 그에 의해 제조되는 초내열합금 IN718을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 미세조직 개선 및 인장강도 향상을 위한 초내열합금 IN718의 3D 프린팅 제조방법은 초내열합금 IN718을 3D 프린팅 방식 중 SLM 적층 방식에 의해 적층 방향에 수직 방향(type 2)으로 제작되며, 용제화 열처리는 900 ~ 1080℃에서 진행되고, 스캔 속도는 1060 ~ 1160mm/s인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 초내열합금 IN718은 Ni 50 ~ 55 wt%, Cr 17 ~ 21 wt%, Nb 4.75 ~ 5.50 wt%, Mo 2.8 ~ 3.30 wt%, Ti 0.65 ~ 1.15 wt%, Al 0.28 ~ 0.80 wt%, Co 0.1 ~ 1 wt% 및 Cu 0.01 ~ 0.35 wt%를 포함하는 것이 바람직하다.

또 다른 실시예에 따라 상기 초내열합금 IN718 제조는 용제화 열처리없이 aging만 실시할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 실시예들 중 어느 하나에 의해 3D 프린팅 제조방법으로 제조되는 초내열합금 IN718을 제공한다.

본 발명에 따라. 다양한 스캔 속도 및 적층 방향을 달리하여 SLM 공정으로 제작한 Inconel718 합금을 이용하여 공정 변수에 따른 미세조직의 변화 및 기계적 특성 변화를 관찰하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

1) 스캔 속도가 빠를수록 high speed cell의 간격과 용융풀의 크기가 감소하는 것을 관찰하였다. 경도는 크게 변화되지 않았으나 인장강도와 항복강도는 증가하고, 연신율은 줄어드는 것을 관찰하였다. 이는 미세한 high speed cell의 생성과 높은 전위밀도에 기인한 것으로 판단된다.

2) 적층 방향차이에 의한 미세조직의 변화는 나타나지 않았다. 이는 에너지 밀도의 차이가 없기 때문에 high speed cell의 간격과 용융풀의 크기 및 결정립의 크기 변화를 유발시키지 못한 것으로 확인하였다. 그러나 적층 방향에 따라 cell 성장 방향이 달라지므로 이방성이 나타났고, 인장 특성의 차이를 유발시켰다. 수평으로 제작한 type2(적층 방향의 수직 방향)의 인장강도와 항복강도가 수직으로 제작한 type1(적층 방향에 수평 방향)보다 높고, 연신은 더 작은 것으로 평가되었다.

3) Type에 따른 파단 분석 결과 본 논문에서는 type1의 경우 용융풀 경계에서 파단이 일어나고 type2는 high speed cell의 경계에서 파단이 일어나는 것으로 파단 model 제안을 통해 해석할 수 있게 되었다.

용체화 온도에 따른 조직 및 기계적 특성 평가 결과 용체화 처리 없이 aging만 실시한 경우에도 상당히 높은 경도 특성을 갖는 것으로 확인되었다. 이는 비록 냉각 중 생성되는 Nb를 포함한 석출상이 존재해 주 강화 석출물인 γ'과 γ''상 석출이 다소 적어져도 냉각 중 생성되는 높은 밀도의 전위와 미세한 cell boundary가 강도에 기여하는 것으로 확인되었다. 가장 우수한 용체화 조건은 980℃에서 얻어 졌으며, 1150℃의 경우 재결정이 발생되어 강도 저하 및 연신율 증가가 관찰되었다.

즉, 본 발명의 미세조직 개선 및 인장강도 향상을 위한 초내열합금 IN718의 3D 프린팅 제조방법은 high speed cell 간격과 용융풀의 크기가 감소하도록 스캔속도 빠르게 하고, 적층 방식은 이방성이 나타나는 것을 방지하고자 적층방향에 수직 방향으로 제작하여 인장강도와 항복강도가 크도록 하였으며, 용체화 열처리 조건을 900 ~ 1080℃로 하여 우수한 기계적 특성을 갖도록 하여 1150℃ 이상에서 재결정 발생으로 강도 저하되는 것을 방지할 수 있도록 하였다.

또한, 다른 일 실시예에 따라 용체화없이 aging만 실시하여 높은 경도 특성을 갖도록 제작할 수도 있다.

도 1은 SLM 공정의 모식도를 나타낸 것이다.
도 2는 SLM 공정의 공정 변수의 개략도를 나타낸 것이다.
도 3은 적층 방향에 시편의 모식도를 나타낸 것이다.
도 4는 일방향 응고 장비를 개략도를 나타낸 것이다.
도 5는 3D Printing 공정의 적절한 열처리를 찾기 위해 900℃에서 1150℃까지 용체화 온도를 변화시킨 열처리의 공정을 나타낸 것이다.
도 6은 도 6은 적층 방향(Z-axis)에 수직한 면 (XZ plane)과 적층 방향에 평행한 면(XY plane)을 각각 A와 B로 명명해 사용하여 모식도로 나타낸 것이다.
도 7은 상온 인장시험과 열간 동적 재료 물성 시험의 시편 규격은 나타낸 것이다.
도 8은 응고 속도 R과 온도구배 G의 관계를 이용해 생성되는 조직을 예측할 수 있도록 제안된 도면이다.
도 9는 스캔 속도를 960, 1060, 1160mm/s로 조절하여 적층 방향과 수직한면(xy plane: 도 6의 A면)의 미세조직을 나타낸 것이다.
도 10은 스캔 속도를 960, 1060, 1160mm/s로 조절하여 적층 방향과 평행한면(xz plane: 도 6의 B면)의 미세조직을 나타낸 것이다.
도 11은 스캔 속도 차이에 따른 용융 band와 용융 풀의 크기 변화를 나타낸 것이다.
도 12는 응고 조직 이해를 위해서 B면을 SEM으로 관찰한 결과를 나타낸 것이다.
도 13은 SLM 공정 후 전위 조직을 관찰 한 결과를 나타낸 것이다.
도 14는 열처리 후 시편 B면의 미세조직을 나타낸 것이다.
도 15는 스캔 속도에 따라 A면과 B면에서 결정립 크기를 측정한 결과를 나타낸 것이고, 속도가 증가할수록 결정립 크기가 감소하는 것이 관찰되었다.
도 16은 석출물 관찰을 위해서 시편의 B면을 SEM으로 관찰한 결과를 나타낸 것이다.
도 17은 열처리 이후 EDS mapping 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 18은 열처리 후의 전위 조직을 관찰하기 위해 TEM분석 한 결과를 나타낸 것이다.
도 19는 열처리 전, 후 경도 값은 각 시편마다 A면에 10곳을 평균 낸 결과를 나타낸 것이다.
도 20은 SLM 공정에 의해 제조된 IN718의 각 스캔 속도에 대한 상온 인장 시험 결과((a) YS 및 UTS (b)EL)를 나타낸 것이다.
도 21은 열처리를 한 후 인장시험의 결과를 나타낸 것이다.
도 22는 Type1과 type2 B면의 OM과 SEM 사진을 나타낸 것이다.
도 23은 열처리 후 SEM미세조직을 나타낸 것이다.
도 24는 EBSD로 결정립의 크기를 비교한 결과를 나타낸 것이다. 열처리 전과 후의 결정립의 변화는 크지 않은 것으로 확인되었다.
도 25는 전위 차이를 관찰하기 위해 TEM 조직 관찰 결과를 나타낸 것이다.
도 26은 적층 방향에 따라 A면과 B면의 경도 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 27은 각 type에 따른 열처리 전, 후의 상온 인장시험 시행 결과를 나타낸 것이다.
도 28 및 도 29는 각 Type에 따른 인장 파단면을 나타낸 것이다.
도 30은 항복응력 이상 인장응력 이하의 응력 고온 정응력 유지 파단 시험 실시 결과를 나타낸 것이다.
도 31은 Type에 따른 파단 mode 변화를 모식적으로 표현한 것을 나타낸 것이다.
도 32는 이를 확인하기 위해 고배율 파면 사진을 관찰한 결과를 나타낸 것이다.
도 33은 열처리 후 나타나는 결정립 형상과 δ상과 Laves상의 크기 차이를 관찰하기 위해 OM과 SEM분석을 하였고, 각 조건에서 관찰된 OM사진을 나타낸 것이다.
도 34는 석출물의 차이를 관찰한 결과를 나타낸 것이다.
도 35는 P1, P2, 그리고 P3조건에서 EBSD를 이용해 분석한 결과를 나타낸 것이다.
도 36은 각 열처리 조건에 따른 경도 시험을 한 결과를 나타낸 것이다.
도 37은 경도 및 기계적 특성을 비교하기 위하여 일반적으로 쓰이는 열처리인 P2와 경도 값이 높게 나타난 P3, 재결정이 발생한 P6 열처리한 시편의 인장시험 결과를 나타낸 것이다.

본 발명에 있어서 미세조직 개선 및 인장강도 향상을 위한 초내열합금 IN718의 3D 프린팅 제조방법 및 그에 의해 제조되는 초내열합금 IN718 합금을 실시예를 들어 설명을 하면 다음과 같다. 본 발명은 하기의 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명이 속한 기술분야의 당업자에 의한 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명한다.

1. 실험 방법

[실시예 1: 3D 프린팅 시편 제조]

3D Printing의 대표적인 방법 중 하나인 PBF(Powder Bed Fusion)공정 중 SLM(Selective Laser Melting)공정 방법으로 본 발명의 시편을 제작하였다. SLM 공정은 기판에 분말을 도포하고 선택된 영역을 레이저로 녹인 후 다시 분말을 도포하고 용융하는 과정을 반복하여 제품을 만드는 공정이다. SLM 공정의 공정 변수의 개략도를 도 2에 나타내었다.

본 발명에 사용된 SLM장비는 Yb fiver laser source를 갖춘 EOS M290 장비이다. 시편 제작을 위해 가스 분무로 만들어진 IN718분말을 사용하였다. IN718 분말의 평균 크기는 50μm이다. 레이저 분사 전 산소 농도 0.1%이하의 Ar분위기 하에서 기판을 150℃로 예열을 하였다. SLM 공정 중 스캔 속도, 레이저 패턴, 레이저 파워, 레이저 두께 등을 제어하여 여러 조건에 따라 변수를 제어하여 많은 조건에 따른 연구가 이루어지고 있다.

본 발명에서는 SLM 공정의 레이저 파워는 285W, 스캔속도는 960, 1060, 1160mm/s, 레이저 두께는 0.04mm, 해치 간격은 0.11mm 해치 각도는 67°로 고정하여 stripe 패턴으로 시편을 제조하였다. 해치 각도도 미세조직과 기계적 특성에 영향을 주게 되는데 본 발명에서는 해치 각도를 67°로 고정하였다. 해치 각도가 90°일 때와 본 발명에서 나타나는 조직이 다르게 나타났다. 적층 방향에 따른 미세조직과 기계적 특성의 차이를 관찰하기 위해 적층 방향에 평행한 시편과 수직한 시편을 제조하였고, 모식도를 도 3에 나타내었다. 제조된 시편의 화학 조성 분석을 위해 X-ray 형광분석기(X-ray Fluorescence Spectrometer; XRF)를 사용하여 분석하였고, 결과를 표 3에 나타내었다.

<SML 공정에 의해 제조된 IN718의 화학적 조성> 단위wt%

시편은 1.5×1.5×9(cm)로 제작되었다(도 3 참조). 제조된 시편의 기계적 거동에 영향을 미치는 미세조직을 분석하기 위해서 잔류 해소 열처리와 HIP(Hot Isostatic Pressing)처리를 하지 않고 기판에서 시편을 제거하였다. 또한 시편을 제작한 후 아르키메데스법으로 밀도를 측정한 결과 모든 시편의 상대밀도가 99%이상으로 측정되어 건전하게 시편이 제작된 것을 확인할 수 있었다.

[실시예 2 : 일방향 응고 실험]

SLM 공정으로 제조된 시편은 아주 빠른 급냉과 급열의 과정을 거치므로 일반적으로 SLM 공정으로 제조된 시편은 이방성을 가진 조직이 관찰된다. Inconel 718 합금의 일방향 응고 실험을 통해 응고 속도를 제어하여 나타나는 조직과 SLM 공정으로 나타나는 조직과 비교하기 위해 일방향 응고 장비를 활용하였고 개략도를 도 4에 나타내었다.

IN718 잉곳에서 직경 4.9mm로 가공한 후 시편의 산화 피막을 제거하여 알루미나 튜브에 삽입한 후, 장비의 상단부에 고정하였다. 높은 온도에서 시편이 산화되는 것을 방지하기위해 진공 분위기로 만든 후 고순도 Ar가스를 주입하여 Ar 분위기 하에서 시험을 진행하였다. 시험은 IN718시편을 용해시키기 위해 1600℃로 가열 후 고액 계면을 안정화시키기 위해 30분 유지를 하였다. 이후 1, 50, 100mm/s의 속도로 가열 로를 상향시켜 5cm성장 시킨 후 ??칭시켜 고액 계면의 형상을 관찰하였다. Inconel 718 잉곳의 화학 조성 분석을 위해 유도결합 플라즈마 발광분석기 (Inductive Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry; ICP-OES)를 사용하였고, 그 결과를 표 4에 나타내었다.

<Inconel 718 잉곳의 화학 조성 분석> (단위 wt%)

[실시예 3 : 열처리]

일반적으로 SLM 공정의 빠른 급열과 급냉으로 인해 제조된 시편에 남아있는 잔류 응력이 크기 때문에 기판에서 제거하기 전 잔류응력해소 열처리를 한다. 본 발명에서는 제조된 시편의 열처리 전과 후의 미세조직을 분석하기 위해 잔류응력해소 열처리를 시행하지 않고 기판에서 3mm띄워 시편을 가공하였다.

본 발명에서 제조된 시편 중 스캔속도와 적층 방향에 따라 미세조직의에 따른 기계적 특성의 차이를 관찰하는 시험의 열처리는 IN718 합금의 주조와 단조 공정에 적용되는 표준 열처리인 ASTM 5662열처리를 하였다. 낮은 냉각 속도로 제조되는 IN718 합금에서 용체화 온도의 허용 범위는 1160℃에서 1075℃ 사이에서 시작되는 Laves 공정 반응의 온도에 가깝게 간주되고 있다. 3D Printing 공정의 적절한 열처리를 찾기 위해 900℃에서 1150℃까지 용체화 온도를 변화시킨 열처리의 공정을 도 5과 표 5에 나타내었다.

< SLM 공정에 의해 제조된 IN718 합금의 열처리 사이클 >

SLM 공정으로 제조된 Inconel 718 합금은 라베스(Laves) 상이 생기게 되고 시편을 열처리함에 따라서 δ상과 γ'과 γ''상이 석출된다. 본 발명에서는 고용화 열처리의 시간과 온도에 따른 미세조직과 표준 열처리의 미세조직에서의 석출물 차이를 관찰하고 이에 따른 기계적 비교하였다.

[실시예 4 : 미세조직 분석]

세가지 스캔 속도와 두가지 적층 방향으로 제조된 시편을 기판에서 분리한 후 적층 방향에 수직방향(xy plane)과 평행한 방향(xz plane)으로 가공을 하여 각각을 연마하였다. 미세조직을 관찰하기 위해 Kalling's 2 에칭액 (CuCl₂ 2.5 g + Ethanol 100 mL + HCl 50 mL)를 사용하여 IN718 합금의 표면을 부식시킨 후 광학현미경(Optical Microscope; OM)을 사용하여 열처리 전, 후의 미세조직에서 나타나는 용융풀과 결정립의 변화를 관찰하였다.

공정변수에 따른 미세조직 차이와 열처리 전 후의 미세조직의 차이를 분석하고 조성분석과 파단면 분석을 위하여 Jeol 사의 주사 전자 현미경 (Scanning Electron Microscopy / Energy Dispersive Spectrometry; SEM / EDS) (JSM-6510 모델)을 사용하였다. 수지상 간격과 결정립의 변화를 관찰하기 위해 Tescan 사의 전계방사형 주사 전자 현미경 (Field Emission SEM; FE-SEM)(CZ / MIRA I LMH 모델)을 사용하였고, 열처리 전 후의 전위와 석출물 형상관찰을 위해 Jeol 사의 고분해능 투과 전자 현미경(Field Emission Transmission Electron Microscope; FE-TEM)(JEM 2100F)을 사용하였다.

또한, 도 6은 적층 방향(Z-axis)에 수직한 면 (XZ plane)과 적층 방향에 평행한 면(XY plane)을 각각 A와 B로 명명해 사용하여 모식도로 나타낸 것이다.

[실시예 5 : 경도 시험]

SLM 공정으로 제작한 시편을 길이방향에 따라 1cm씩 가공하여 스캔 속도와 적층 ₁향과 열처리에 따른 경도 값의 변화를 분석하기 위해 비커스 경도시험기(MITUTOYO HM-122)을 사용하였다. 시편 경도는 한 시편당 10개씩 측정한 평균 값이고 0.5kgf 하중 조건에서 시험하였다. 이 때 시편의 적층 방향에 수직한 면과 수평한 면을 각각 측정하여 적층 방향의 윗면과 옆면의 경도 차이를 측정하였다.

[실시예 6 : 인장 시험]

SLM 공정을 통해 제작된 시편을 스캔 속도, 적층 방향에 따라 상온 인장 시험을 진행하였고, 표준 열처리와 900℃에서부터 1150℃까지 1시간씩 고용화 열처리와 2차 시효 처리한 시편을 가공하여 25°C에서 1.5mm/min의 변위 제어 모드로 인장 시험(MTDI 사의 UT-100F model)을 진행하였다. 파단 mechanism을 분석을 위해 열간 동적 재료 물성 (Dynamic Thermal-Mechanical Testing Mache) (GLEEBLE 3800)장비를 사용하여 800℃에서 일정 하중을 부과한 후 파단까지 유지시키는 시험을 실시하였다. 상온 인장시험과 열간 동적 재료 물성 시험의 시편 규격은 도 7에 나타내었다.

2. 시험 결과 및 검토

1) 스캔 속도에 따른 미세조직 변화

1) 열처리 전

SLM 공정은 레이저를 사용하여 분말을 녹여 제품을 만드는 공정이기 때문에 매우 빠른 냉각 속도를 가진다. 따라서 일반적인 주조와는 다른 미세조직이 나타날 것이다. 응고 속도와 온도 구배에 따른 미세조직을 도 8에 나타내었다. 일방향 응고 영역에서는 속도를 1mm/s에서 100mm/s까지 제어하였으며, 속도가 1mm/s에서는 계면이 셀 형상, 100mm/s 속도에서는 미세한 수지상 계면이 관찰되었다. 합금의 응고 형상은 G와 V의 변수에 의존한다. 이때 G는 고-액 계면에서의 온도 구배이고, 예열 온도, 중첩, 레이어 두께, 레이저 스캔속도, 레이저 파워와 같은 열원과 관련되어 있는 기술적 변수이다. V는 응고 속도로 레이저 스캔 속도와 비례한다. 본 발명에 적용된 SLM 공정의 경우 큰 온도구배와 빠른 응고 속도를 가지게 될 것으로 예상된다.

도 8은 응고 속도 R과 온도구배 G의 관계를 이용해 생성되는 조직을 예측할 수 있도록 제안된 것으로 많이 사용되고 있다. 현재 적용된 SLM 공정 조건의 경우 ~1000mm/sec정도로 조절해 제조되었음으로 미세하게 핵생성이 발생하고 빠르게 응고하게 된다. 이러한 조건을 도8에 나타내어 보면 오른쪽 긴 사각형 위치의 매우 빠른 응고속도를 가지므로 미세한 cellular 조직이 생성될 것으로 예상된다. 본 논문에서는 이러한 조직을 “high speed cell”로 명명해 사용할 예정이다. High speed cell의 경우 매우 빠르게 생성되므로 냉각 중 응고응력이 크게 발생될 것으로 예상되므로 이에 대한 영향도 고찰할 예정이다.

스캔 속도 변화에 따른 미세조직을 고찰하기 위해 SLM장비 EOS에서 IN718 합금의 최적 공정속도로 알려진 속도 1060mm/s와 그 속도의 ±100mm/s 조건에서 제작하였다. 스캔 속도를 960, 1060, 1160mm/s로 조절하여 적층 방향과 수직한면(xy plane: 도 6의 A면) 그리고 평행한면(xz plane: 도 6의 B면)의 미세조직을 도 9와 도 10에 나타내었다. 도 9의 A면에서는 레이저가 지나가고 난 용융 band가 관찰되고, 도 10에서는 용융 풀이 관찰되었다.

도 11은 스캔 속도 차이에 따른 용융 band와 용융 풀의 크기 변화를 나타낸 것이다. 스캔 속도가 증가할수록 용*풀의 깊이는 90, 83, 74 mm, 너비는 181, 149, 134mm로 스캔 속도가 빨라질수록 용융풀의 너비와 깊이는 감소하는 경향을 관찰할 수 있다. 이는 동일한 전류, 전압 조건에서 스캔 속도가 빨라질수록 단위면적당 에너지 밀도가 감소하게 되므로 용융풀의 크기가 작아지게 되는 것으로 판단된다.

도 12는 응고 조직 이해를 위해서 B면을 SEM으로 관찰한 결과를 나타낸 것이다. 도 12(a)에서 급냉 과정에 생성된 high speed cell들이 대부분 적층 방향과 나란하게 성장하는 것을 확인할 수 있다. 이는 열이 적층 방향과 반대로 빠져나가기 때문에 대부분의 high speed cell이 적층 방향과 나란하게 성장한다. 또한 성장 방향이 완전히 관찰면의 기울기와 일치하지 않은 경우 (b)와 같은 모양의 high speed cell이 적층 방향에 각도를 가지며 성장한 것으로 관찰된다. 용융풀 내에서 high speed cell이 아래에서부터 윗부분으로 갈수록 high speed cell 간격이 증가하는 것을 관찰할 수 있고, 이는 용융풀 내의 냉각 속도의 차이에 의해 나타나는 현상이다.

스캔 속도가 증가할수록 high speed cell의 간격이 0.93, 0.83, 0.64mm로 감소되는 것으로 측정되고, 이는 동일한 냉각 열전달 조건에서는 에너지 밀도가 낮을수록 냉각속도가 증가되는 효과로 인해 high speed cell 간격이 감소하는 것을 사료된다.

도 12 (c)는 high speed cell 경계를 따라 생성된 상들을 관찰한 것으로, 빠른 급열과 급냉이 발생되는 SLM 공정 특성상 상대적으로 무거운 원소들(Nb, Mo)의 경우 느린 확산으로 high speed cell 경계에 고농도로 편석되어 응고 과정에 셀 경계에 Laves상 형태로 석출하게 된다. 도 12(c)에서 검은 영역들이 γ-matrix 영역이고 밝게 나타나는 영역이 괴상의 모양을 갖는 Laves 상이다.

도 13은 SLM 공정 후 전위 조직을 관찰 한 결과를 나타낸 것이다. 도 13 (a)와(b)에서 앞에서 언급한 빠른 냉각 과정에서 cell의 생성과 성장과정에서 인접 cell간의 결정학적 연속성을 유지하기 위해 high speed cell경계에서 발생되는 높은 응고 잔류응력에 의해 다량의 전위발생이 불가피 하게 되고 이러한 전위는 cell 경계에 석출된 Laves상과 전위가 tangle된 형태로 관찰되고 있다.

또한 도 13(c)에서 cell boundary의 Nb원소 mapping결과 boundary에서 Nb이 상대적으로 높게 측정되고, 이러한 Nb 편석 뿐만 아니라 cell boundary의 높은 에너지, 그리고 boundary에 존재하는 높은 전위밀도에 의해 Laves상이 cell boundary에 쉽게 석출되는 것으로 판단된다. 도 13의 (b)와 같이 미세한 Laves상은 전위와 상호작용해 tangle되어 있는 전위는, 전위의 이동과 소멸을 방해하는 역할도 하게 된다.

2) 열처리 후

스캔 속도에 따라 제작된 시편을 980℃에서 1시간 용체화 열처리를 한 후 720℃에서 8시간, 620℃ 8시간 시효 열처리를 수행하였다.

도 14는 열처리 후 시편 B면의 미세조직을 나타낸 것이다. 도 14에서는 전체적으로 결정립들이 적층 방향과 나란하게 성장된 것이 관찰되었다.

도 15는 스캔 속도에 따라 A면과 B면에서 결정립 크기를 측정한 결과를 나타낸 것으로, 속도가 증가할수록 결정립 크기가 감소하는 것이 관찰되었다.

도 16은 석출물 관찰을 위해서 시편의 B면을 SEM으로 관찰한 결과를 나타낸 것이다. 입계에서 Laves상이 관찰되고 lath 혹은 plate형태 δ상은 대부분 입내에서 석출되었고, 일부 입계에서도 관찰되었다.

도 17은 열처리 이후 EDS mapping 분석 결과를 나타낸 것이다. 결정립계에 존재하는 석출물들에 Cr, Fe, Nb, Mo와 같은 무거운 원소들이 rich하게 분포하는 것을 관찰하였고, Nb, Mo과 같은 원소들의 낮은 확산계수와 충분히 높지 않은 용체화 온도때문에 Laves상이 980℃에서 완전히 용해되지 않고 있음을 보여주고 있다.

도 18은 열처리 후의 전위 조직을 관찰하기 위해 TEM분석 한 결과를 나타낸 것이다. 열처리 전 조직에서의 high speed cell 경계 및 cell내부의 높은 tangle된 전위 조직과 달리 도 18(a)에서는 아직 전위가 존재하고 있으므로 재결정에 의한 새로운 grain이 아닌 전위 회복과정에 의한 sub grain이 생성된 것을 확인할 수 있다.

또한, 도 18(b)에서는 열처리 과정에 cell boundary의 고밀도 입계 근처의 전위들도 cell boundary로 회복과정을 거쳐 도 (b)의 “A”와 같이 상대적으로 뚜렷한 cell boundary를 형성하는데 기여하는 것으로 판단된다. 도 18(c)에서 aging과정에서 생성된 주요 강화 석출물인 γ''상의 크기는 대략 10nm 인 것으로 관찰되었다.

동일한 스캔 속도에서 열처리 전, 후 cell boundary 간격을 측정한 결과 간격이 비슷한 것으로 측정되므로 열처리 과정에서 cell boundary 성장은 뚜렷하게 발생하지 않은 것으로 판단되며, 이는 cell들의 경계에 존재하는 석출물들로 인해 boundary 성장이 어느정도 억제되는 효과를 받은 것으로 예상할 수 있다. 이를 확인하기 위해 EBSD로 결정립의 크기를 비교한 결과 열처리 전과 후의 결정립의 변화는 크지 않은 것으로 확인되었다(도 24).

2. 스캔 속도에 따른 기계적 특성 변화

SLM 공정의 스캔 속도변화에 따른 기계적 특성 변화를 관찰하기 위하여 속도 조건에 따른 비커스 경도 시험을 시행하였다.

도 19는 열처리 전, 후 경도 값은 각 시편마다 A면에 10곳을 평균 낸 결과를 나타낸 것이다. 스캔 속도가 증가할수록 316, 324, 323Hv값을 갖는 것으로 측정되었고, 열처리 후의 경도 값은 속도가 증가할수록 511, 512, 511Hv로 확인되었다. 열처리를 수행함에 따라 스캔 속도차와 상관없이 γ'과 γ''석출상이 석출되기 때문에 모든 조건에서 경도 값은 상승하였다. 본 발명 내 스캔 속도 변화는 경도 값에 미치는 영향이 미비한 것을 관찰하였다. 이러한 결과는 K.Moussaoui [K. moussaoui, W. Rubio, M. Mousseigne, Material Science & Engineering A 735, 182-190 (2018)]에서는 에너지 밀도에 따라 경도 차이가 나타나지 않은 연구와 일치하는 결과이다.

도 20은 SLM 공정의 스캔 속도에 따른 기계적 특성 변화를 관찰하기 위하여 각 속도 조건에서 얻어진 시편을 이용해 상온 인장 시험을 시행하였고, 열처리 전 결과를 나타낸 것이며, 그 결과를 표 6에도 함께 나타내었다. 경도 변화 거동과 달리 스캔 속도가 증가하면 열처리 적용 여부와 상관없이 항복 및 인장강도는 증가하고, 연신율은 감소하는 것으로 확인되었다.

스캔 속도가 빨라지면 냉각 속도가 빨라져 Nb원소의 확산 시간이 줄어들어 high speed cell 간격과 Laves상의 부피 분율이 감소하게 되고, 이러한 효과는 조직 미세화 효과를 발생시켜 항복강도(YS; Yield strength)와 인장강도(UTS; Ultra tensile strength)가 증가하고 연신(EL; Elongation)이 감소하는 경향으로 나타나는 것으로 판단된다.

도 21은 열처리를 한 후 인장시험의 결과를 나타낸 것으로 이를 표 7로 정리하였다. 열처리 후 연신은 γ''과 γ' 뿐만 아니라 미세한 δ상과 Laves상 석출에 의해 열처리 전보다 상당히 감소하는 것으로 생각된다. 항복 및 인장강도의 증가는 열처리 과정에 생성되는 γ''과 γ'에 의해 크게 강도가 증가되지만 고온 열처리 후에도 도 18과 같이 high speed cell조직을 갖는 것으로부터, 본 실험의 경우, 열처리 과정에서 경도 저하의 원인이 될 수 있는 전위 밀도 감소가 고밀도의 전위 회복 과정에서 내부에 새로운 sub-grain 생성을 촉진시키고, 일부는

계 근처로 이동하여 입계를 강화시키는 효과를 유발할 수 있을 것으로 판단된다. 그리고 입계에 우선 생성하는 Laves상 역시 high speed cell 성장 및 이동을 억제하는 효과를 통해 부과적으로 강도에 기여할 수 있을 것으로 평가할 수 있다.

<SLM에 의해 제조된 IN718의 각 스캔속도별 상온 인장시험 결과>

<SLM에 의해 제조된 IN718의 열처리 후 각 스캔 속도별 상온 인장시험 결과>

3. 적층 방향에 따른 미세조직 변화

적층 방향에 따른 미세조직의 변화를 관찰하기 위해 EOS M290에서 Inconel 718 합금의 최적 공정으로 주어진 조건으로 변수를 고정시키고 적층할 때 Z-axis와 XY-axis를 각각 장축으로 설계하여 시편을 제작하였고, 시편을 각각 type1과 type2로 임의로 정하였다(도 3). Type1과 type2 B면의 OM과 SEM 사진을 도 22에 나타내었다. Type1 용융풀의 너비와 깊이를 측정하였을 때 각각 148, 83 mm, type2는 148, 83mm로 측정되었다. 각 type별 스캔속도와 레이저 파워, 레이저 두께 등이 같은 조건이므로 에너지 밀도 차이가 나지 않아 용융풀 크기 차이가 나지 않는 것으로 판단된다.

도 22에서 나타난 것과 같이 수지상은 주로 적층 방향과 평행하게 성장하는 것이 관찰되었고, high speed cell 간격이 차이가 나지 않는 것으로 측정되었다.

도 23은 열처리 후 SEM미세조직을 나타낸 것이다. 도 16과 같이 입계에 Laves상이 존재하고, 입내와 입계에 δ상이 석출된 것을 관찰하였다.

도 24는 두 Type에 따른 결정립 형상과 크기를 비교하기 위해 열처리 전과 후의 EBSD 분석한 결과를 나타낸 것이다. 결정립들이 적층 방향에 나란하게 성장한 것을 관찰할 수 있고, 결정립 크기는 Type별, 열처리 여부와 상관없이 차이가 나타나지 않았다.

도 25는 전위 차이를 관찰하기 위해 TEM 조직 관찰 결과를 나타낸 것이다. Type별 high speed cell의 간격을 측정한 결과 각각 0.50, 0.51νm로 크게 차이가 나지 않으므로 적층 type에 따른 열처리 영향은 크지 않은 것으로 판단할 수 있다.

즉, 적층 type에 따른 조직 변화 검토 결과 용융 pool의 크기 및 내부 high speed cell의 간격 등이 차이가 없으므로 냉각 변수로 생각 할 수 있는 용융 pool과 base plate와의 거리, 적층 pool의 개수차이에 의해 발생하는 냉각 속도 차이는 현재 제조 조건에서는 크게 영향을 미치지 않는 것으로 평가할 수 있다.

4. 적층 방향에 따른 기계적 특성 변화

적층 방향에 따른 기계적 특성 변화를 관찰하기위해 각 type에 따라 열처리 전 후의 경도 값을 측정하였다.

도 26은 적층 방향에 따라 A면과 B면의 경도 측정한 결과를 나타낸 것이다. Type1의 열처리 전, 후의 경도 값은 323, 506Hv type2의 열처리 전, 후의 경도 값은 324, 508Hv으로 열처리 후에는 γ'과 γ''의 석출로 인해 경도 값이 증가하나, type별 열처리 전의 경도 값의 차이가 없었고, 이는 type에 따라 생성되는 미세조직의 차이가 미비하기 때문으로 판단된다.

도 27은 각 type에 따라 열처리 전, 후의 상온 인장시험을 시행하였고, 결과를 나타낸 것이다. 열처리 전, 후 인장 결과 type2의 인장강도와 항복강도가 type1보다 높고 연성은 작은 것을 관찰할 수 있다. 따라서 type별로 인장 시편에 가해지는 인장 하중의 방향이 다르기 때문에 다른 기계적 특성이 나타나는 것을 알 수 있다. 이는 결정립과 용융풀의 형상 및 수지상 성장 방향에 따른 이방성이 나타나기 때문이다. 인장 하중이 적층 방향과 수평하게 가해질 때 더 많은 결정립계를 가진다. 결정립계는 전위의 이동을 방해하기 때문에 type2의 인장강도와 항복강도가 더 우수한 것으로 판단된다.

도 28 및 도 29는 Type에 따른 인장 파단면을 나타낸 것이다. 열처리 전 인장파면(도 28)에서 볼 수 있듯이 미세한 dimple이 발달된 것을 관찰할 수 있으며, type에 따른 뚜렷한 차이는 확인하기 어렵다. 그러나 열처리 후 인장 파면(도 29)에서는 Type에 따라 파단 mode가 차이가 있음을 알 수 있다. 그러나 열처리 전의 dimple이 생성된 인장 파면과 같이 미세한 dimple이 나타나는 파단면이 관찰되었다.

도 30은 Mode 차이를 명확히 분석하기 위해 항복응력 이상 인장응력 이하의 응력 고온 정응력 유지 파단 시험을 실시한 결과를 나타낸 것이다. 도 30(a)에서는 너비가 대략 115νm 정도 되는 큰 구덩이(pit)들이 생성된 것을 볼 수 있다. 이것은 도 22에서 알 수 있듯이 type1의 용융 풀 너비가 약 140νm정도로 크기와 형상이 비슷한 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과로부터 고온에서 type1의 파단은 melt pool boundary를 따라 일어나는 것으로 유추할 수 있다. 그러나, type2의 경우 type1과 달리 상대적으로 facet 한 경향성이 높은 파면 특성을 확인할 수 있다. 이러한 파단면은 high speed cell boundary를 따라 파단 된 것으로 판단된다.

도 31은 Type에 따른 파단 mode 변화를 모식적으로 표현한 것이다. Type1의 경우 대부분 인장 방향에 수직한 용융 pool boundary를 따라서 파단이 발생하고, Type2는 대부분 δ상이 석출되어 있는 cell boundary와 일부 pool boundary를 따라 발생하는 것으로 제안할 수 있다.

도 32는 이를 확인하기 위해 고배율 파면 사진을 관찰한 결과를 나타낸 것이다. 도 32의 (a)의 경우 전체적으로 매우 낮은 dimple이 전체적으로 형성된 것을 확인할 수 있고, pit으로 관찰되는 주위의 영역에서는 입내 파단 형성이 아닌 melt pool boundary가 분리된 듯한 형상이 명확히 관찰된다. Type2 (b)의 경우 파단면 표면에 미세한 석출물이 균일하고 일정하게 존재하는 것으로부터 cell boundary에 생성된 δ상으로 판단할 수 있으며, 파단은 주로 cell boundary 경계를 따라 발생된 것으로 평가할 수 있다. 이러한 결과는 제안된 파단 model과 일치한다.

결론적으로 도 29의 상온 인장 파단면 관찰 결과는 고온 평가 결과보다 명확하지는 않지만 type1의 경우 pool boundary를 따라 파단이 발생되었고, type2는 cell boundary를 따라서 파단이 진행된 것으로 해석할 수 있다. 이러한 결과는 실제 제품 제조과정에 부품의 주요 응력 방향을 고려한 제조 방법이 선정되어야 됨을 보여주고 있다.

5. 열 처리에 따른 미세조직 변화

현재 Inconel 718소재의 3d프린팅 제조 과정에 적용되는 열처리가 기존 전통적인 제조방법인 주조, 단조에 적용되고 있는 조건이 그대로 적용되고 있다. SLM으로 제조된 시편은 미세한 편석과 잔류응력 등이 매우 다르게 나타나므로 3D printing 특성을 고려한 열처리를 적용하여 편석과 잔류응력을 제거하고, 우수한 특성을 얻기 위해 미세조직을 최적화하는 것이 필요하다. 이를 위해 적절한 열처리의 조건을 찾기 위하여 본 실험에서는 용체화 온도와 시간을 달리하며 미세조직의 변화를 관찰하였다. 용체화 온도를 증가시키면 편석되어 있던 용질원소들의 확산의 정도가 커지기 때문에 δ상과 Laves상의 분율이 달라질 것이고 이에 따라 기계적 특성의 차이가 나타날 것으로 예상할 수 있다. 본 발명에서 시행한 열처리 시간과 온도를 표8에 나타내었다.

도 33은 열처리 후 나타나는 결정립 형상과 δ상과 Laves상의 크기 차이를 관찰하기위해 OM과 SEM분석을 통해 각 조건에서 관찰된 OM사진을 나타낸 것이다. 용체화 처리를 하지 않고 바로 시효처리한 P1조건(도 33(a))에서는 용융풀의 형상이 원래 상태를 유지하면서 석출이 일어난 것으로 판단된다.

용체화 온도가 900℃에서 1080℃까지 상승시켜도 결정립의 형상이 크게 달라지지 않았고, P1, P2, 그리고 P3조건에서 EBSD를 이용해 분석한 결과를 도 35에 나타내었다. 결정립의 형상과 결정립 크기 변화가 미비한 것을 관찰하였다. B Diepold, N Vorlaufer, International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials. Vol. 27, 640 (2020)에 따르면 1090℃에서 용체화하여도 결정립의 형상뿐만 아니라 결정립의 크기도 크게 차이 나지 않은 연구 결과와 본 실험의 결과가 일치하였다. P5와 P6 조건에서 재결정이 일어난 결정립이 관찰되었다.

< Inconel 718 합금의 열처리 사이클 >

도 34는 석출물의 차이를 관찰한 결과를 나타내 것이다. 용체화 처리를 하지 않고 시효처리만 한 P1 조건의 경우 (도 34의 1)는 δ상이 관찰되지 않았고, 열처리하기 전과 비슷한 조직을 가지면서 SEM에서는 Laves상만 관찰되었다.

P2조건과 P3조건을 비교하였을 때 P2조건에서 δ상의 크기가 더 큰 것을 관찰할 수 있고, 결정립계에도 비교적 큰 Laves상과 δ상이 관찰되었다. 이는 온도가 낮을 때 확산 속도가 느려 무거운 원소들이 빠르게 확산 고용되지 못하기 때문인 것으로 판단된다. P4조건(도 34의 4)에서 δ상이 용해되어 거의 관찰되지 않았고, 결정립 내부에 Laves상은 완전 고용되지 않고 조금 남아 있는 것으로 판단된다. P5와 P6조건에서는 재결정이 일어나는 것을 OM분석에서 관찰할 수 있으나 일부 결정립계 Laves상이 남아있는 것이 관찰되었다.

Nb을 포함하는 Laves상과 δ상의 분율이 줄어드는 것은 석출물 생성에 기여하는 합금 성분이 기지에 고용되는 것이므로 γ'과 γ''상의 분율이 커짐을 의미한다.

이러한 석출물 변화 및 재결정 발생 여부는 기계적 특성 변화의 주요 원인이 된다. 또한 도 35에 SLM 공정 상태와, P2와 P3의 열처리 조건에서 EBSD 분석 결과를 나타내었다. 결정립의 형상이 유사하게 관찰되었고, 크기 차이도 없는 것으로 측정되었다. 이는 열처리 전의 cell과 grain boundary에 존재하는 석출물로 인해 성장이 저하된 것으로 판단되었다.

6. 열처리에 따른 기계적 특성 변화

도 36은 용체화 온도와 시간의 변화로 인한 미세조직 및 석출물에 따른 기계적 특성 변화를 관찰하기 위하여 각 열처리 조건에 따른 경도 시험을 한 결과를 나타낸 것이다.

시효 처리만 한 P1의 경우 497Hv 정도로 어느 정도 높게 나타났다. 이는 용해 중 생성되는 Nb등의 조대한 석출 상이 생성되지만 빠른 냉각에 의해 미세한 cell 생성과 다량의 전위가 생성되기 때문에 시효처리를 실시하지 않아도 상당히 높은 경도 값을 보이는 것으로 판단된다. 그러나 P2조건에서는 경도 값이 다른 조건들 보다 현저히 떨어졌는데 이는, 냉각 과정에 생성된 다량의 전위가 고온 노출에 따라 상당히 회복되는 현상과 Laves상과 δ상이 완전히 용해되지 않고 많이 남아 있어 시효 처리를 하더라도 γ'과 γ''상이 충분히 석출되지 못한 것에 기인한 것으로 평가할 수 있다. 따라서 재결정이 일어나기 전의 온도인 P4조건까지 온도를 높여서 용체화 처리할수록 경도의 값은 증가하는 것을 볼 수 있다. 즉 Laves상과 δ상이 많이 용해되어 있는 상태에서 시효처리를 할 때 γ'과 γ''상이 더 많은 분율로 석출 되기 때문으로 판단된다.

P5와 P6조건에서 재결정이 일어나고 결정립계 일부에서만 Laves상만 조금씩 남아있게 되지만 γ'과 γ''상이 충분히 석출되기 때문에 경도 특성이 상대적으로 높은 결과를 보여주고 있다. 3DP 공정의 특징으로 알려진 high speed cell조직의 높은 전위밀도와 cell boundary가 소멸되어 나타나는 현상과 같이 γ'과 γ''의 높은 분율으로 해석할 수 있다. 즉, 높은 전위와 cell boundary역시 재료의 기계적 향상에 기여하고 있음을 보여주는 결과이다.

도 37은 경도 및 기계적 특성을 비교하기 위하여 일반적으로 쓰이는 열처리인 P2와 경도 값이 높게 나타난 P3, 재결정이 발생한 P6 열처리한 시편의 인장시험 결과를 나타낸 것이다.

인장 특성은 경도 변화와 다른 결과를 얻었으며, 재결정이 발생한 P6열처리 조건이 가장 낮은 강도 값과 높은 연신율을 갖는 것을 확인할 수 있다. 적당한 석출물 생성과 cell boundary를 유지하고 있는 P3과 P4의 경우 높은 강도를 갖는 것으로 평가되었다. 따라서 최적 물성 값을 확보하기 위해서는 다양한 열처리에 따른 조직 변화를 잘 고찰할 필요가 있다.

< 각 열처리 조건에 대한 상온에서의 인장 강도 결과 >

상기에 제시된 실시예는 예시적인 것으로 이 분야에서 통상의 지식을 가지는 자는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 제시된 실시예에 대한 다양한 변형 및 수정 발명을 만들 수 있을 것이다. 이러한 변형 및 수정 발명에 의하여 본 발명의 범위는 제한되지 않는다

Claims (4)

1. Ni 50 ~ 55 wt%, Cr 17 ~ 21 wt%, Nb 4.75 ~ 5.50 wt%, Mo 2.8 ~ 3.30 wt%, Ti 0.65 ~ 1.15 wt%, Al 0.28 ~ 0.80 wt%, Co 0.1 ~ 1 wt% 및 Cu 0.01 ~ 0.35 wt%를 포함하는 초내열합금 IN718을 3D 프린팅 방식 중 SLM(Selective Laser Melting) 적층 방식에 의해 적층 방향의 수직 방향(type 2)으로 제작되며, 용제화 열처리는 900 ~ 1080℃에서 진행되고, 스캔 속도는 1060 ~ 1160mm/s인 것을 특징으로 하는 미세조직 개선 및 인장강도 향상을 위한 초내열합금 IN718의 3D 프린팅 제조방법.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   용제화 열처리없이 aging만 실시하는 것을 특징으로 하는 미세조직 개선 및 인장강도 향상을 위한 초내열합금 IN718의 3D 프린팅 제조방법.
   
4. 제1항 또는 제3항 중 어느 한 항에 의해 3D 프린팅으로 제조되는 초내열합금 IN718.
   

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