공정변수에 따른 Selective Laser Sintering 공정으로 제조된 Cu 복합소재의 미세조직 변화와 기계적 특성

Abstract

국 문 요 약

선택적 레이저소결(SLS)는 CO2 레이저를 사용하여 금속, 폴리머 및 세라믹 파우더에서 3D 대상물을 생산하는 적층제조(AM) 기술이다. 매우 복잡한 제품들을 제조할 수 있고, 생산 시간을 줄이며, 제품에 양호한 거시적 특성을 제공할 수 있다는 점 등의 장점으로 인해 전통적인 방법에 비해 매우 유망한 제조 공정이다. 따라서 SLS는 우주 항공, 의료 및 임플란트 제조와 같은 많은 분야에 적용되고 있다. 오스테나이트 계 스테인리스강은 일반 탄소강에 비해 우수한 내식성, 내마모성 및 기계적 특성으로 주조재나 판재로 많이 사용되어 왔다. 이 중 STS316L(용융점 1375-1400°C)이 가장 많이 사용되고 있고, 특히 고온 Creep 강도가 우수하고, 입계부식에 대한 저항성과 용접성이 우수하여, 기계적인 강도를 요하는 부품보다는 복잡형상을 갖는 내식성 부품에 많이 응용되고 있다. Cu(용융점 1084.62°C)는 두 번째로 높은 열전도율과 대기, 해수, 산업 화합물의 다양한 외부 환경에 대해 높은 내부식성을 갖는다. Al2O3(용융점 2050°C)는 다이아몬드 다음가는 경도를 가졌고, 절연체이다. 내열성, 내약품성, 강도 등 세라믹스에 요구되는 일반적인 성질을 거의 만족시키는 데다 값이 싸므로 세계적으로 가장 많이 이용되고 있다. 본 연구에서는 STS316-Cu, Cu-Al2O3이 2가지 복합소재를 사용하여 연구를 진행하였다. STS316L-Cu 사용된 분말은 위성 분말이 없는 평균입도 35㎛ STS316L 구형분말과 순수 Cu 구형분말을 단순혼합으로 95:5(무게비)의 복합분말을 사용하였다. 이 두 개의 재료를 선택한 이유는 서로 고용되지 않는 불고용성을 가지고 있기 때문에 서로 합금화되지 않는 복합 분말을 이용하여 3D프린팅을 하였을 때 어떠한 결과가 나타날지 관찰하기 위함이다. Cu-Al2O3의 Al2O3 분말은 100nm 단위의 분말을 사용하였고 95:5(부피비)로 단순혼합 하였다. 이 Cu와 Al2O3 이 두 개의 분말을 혼합한 이유는 금속과-세라믹 이 두가지 분말을 혼합하였을 때의 결과를 알아보기 위함이고, 또한 Cu와 Al2O3는 Cu의 낮은 표면 기계적 특성을 Al2O3를 첨가함으로써 보완하는 연구가 진행중이므로 SLS공정을 활용하였을 때의 결과를 관찰하기 위함이다. 본 연구에서 SLS공정에서 가장 중요한 레이저의 출력과 적층패턴에 따른 소결체의 미세조직과 밀도변화를 분석하였고, 레이저의 패턴은 기본적으로 STS316L-Cu에서는 Offset-filling, Meander로 2가지 패턴을 Cu-Al2O3에서는 Meander(900rotation)와 Meander(690rotation)설정하여 진행하였고, 레이저 출력량(180W, 130W, 120W, 100W), 레이저 속도(600mm/s, 700mm/s, 800mm/s 1000mm/s, 1400mm/s)로 진행하였다. 패턴과 레이저 속도, 레이저 출력량의 영향에 따라 밀도의 변화와 미세조직의 변화 그리고 기계적 특성평가를 통하여 밀도의 최적화와 출력물의 특성에 대하여 연구하였고, 130W-1400mm/s, 100W-700Wmm/s 조건에서는 밀도 최적화 조건에 만족하지 않았으며, 미세조직에서 많은 기공을 확인 할 수 있었다. 120W-800mm/s Meander 패턴 조건에서는 밀도 최적화를 하였으며, STS316L-Cu의 시편에서 불고용성으로 인한 용출(melt-out) 현상을 관찰할 수 있었다. 또한 SLS시편의 특징인 레이저 용융대(melt pool)을 확인하였고, Offset-filling 패턴에서는 공통적으로 시편 중앙에 에너지 집중으로 인한 손상이 관찰 되었다.