2.1 사용 재료

L-DED를 사용한 용접 공정은 MX-Lab (InssTek Inc, Daejeon, korea)을 이용하여 진행했다. 3 mm로 열간 압연 된 형상기억합금 판재를 압연 방향으로 75mm × 50 mm로 가공한 뒤 50 mm 변에 2 mm × 45° 크기의 그루브 (groove)를 가공했다. 용접 공정에 사용된 분말 용가재는 가스 분무법 (gas atomized)으로 제조된 입도 80-120 μm 인 구형의 고망간강 분말이며, 표 1에 모재와 용가재의 조성을 표기했다. 그림 1 (a)에 용접 공정의 진행 방식을 나타냈으며, 그림 1 (b)와 같은 형상의 지그에 모재를 고정하여 용접을 진행했다. 스캔 속도 (scanning speed), 해치 간격 (hatch spacing), 레이어 두께 (layer thickness)는 각각 840 mm/min, 0.3 mm, 0.15 mm로 고정했다. 레이저 출력은 150 W, 200 W, 250 W, 300 W로 변화시켜가며 실험을 진행하였으며, 용접 공정 조건은 표 2에 표기했다.

단면을 관측하기 위한 시편은 연마 후, 3% nital 용액으로 에칭한 뒤 광학현미경 (optical microscopy, Eclipse E200, Japan)을 사용하여 용접 시편의 용융풀 깊이와 형상 및 결점 등을 분석했다. 미세조직과 energy dispersive spectroscopy (EDS, X-MaxN, Oxford Instrument, UK)를 통한 조성 분석은 scanning electron microscopy (SEM, JSM7200F, JEOL, Japan)을 이용하여 실시했다. Inverse pole figure (IPF), pole figure (PF) 및 phase map 등은 electron backscatter diffraction (EBSD, Oxford Nordlysnano, UK)를 포함하는 SEM 장비를 사용하여 관측했다. EBSD 데이터를 가공하기 위해 CHANNEL 5 소프트웨어가 사용되었다. Kernel average misorientation (KAM)은 local misorientation 0-5°의 범위에서 측정되었다.

미세경도는 비커스 경도계 (Vickers microhardness, HM-200, Mitutoyo, Japan)을 사용해 0.05 kgf의 하중으로 측정하였다. 여러 개의 샘플을 준비하여 그림 2 (a)의 P1, P2, P3, P4 지점을 각각 5번씩 측정한 결과값의 평균을 경도 값으로 택했다. P1 지점은 모재, P2와 P3 지점은 열 영향부 (heat affected zone), P4 지점은 용접부다.

인장시편은 ASTM E8 sub-size 규격으로 가공하여 테스트했으며, 용접부를 중앙에 포함하는 형상으로 스캔 방향에 수직하는 방향으로 제작했다. 50 kN 용량의 인장시험기 (Quasar 50, Galdabini, Italy)를 이용하여 1.92 mm/min의 속도로 인장시험을 진행하였다.

형상회복응력을 측정하기 위한 시편은 ASTM E8 subsize 규격으로 가공되었으며, 인장시험기 (Instron 8516, Instron corporation, United States)를 이용해 측정했다. 형상회복응력은 2%의 pre-strain을 가한 시편을 전기 가열로에서 200°C까지 가열한 뒤, 50 MPa의 응력을 가한 채 상온 (25°C)까지 냉각하는 과정에서 인장시험기에 측정되는 응력의 변화를 통해 관측했다.

3.1 결과 및 고찰

그림 3은 L-DED 공정을 이용하여 제작된 용접 시편단면의 광학현미경 이미지다. 모든 시편에서 그루브의 가장 하단부가 완전히 접합된 것을 확인할 수 있으며, 따라서 사용된 모든 레이저출력이 시편이 맞닿는 부분을 용융시키기에 충분한 것을 알 수 있다. 하지만 레이저 출력이 변함에 따라서 분말 용가재를 사용하여 적층을 통해 용접한 부분의 결함 발생양상이 달라졌다. 그림 3 (a)에서 볼 수 있듯이 레이저 출력이 150 W 일 때는 용융풀 내부에 융합 부족 (lack of fusion) 또는 가스 기공 (gas pore)으로 예상되는 기공들이 관찰되었으나 모재와의 접합 계면에서는 두드러진 결함이 발생하지 않았다. 반면 레이저출력이 증가함에 따라서 용융풀에 형성된 기공은 거의 사라졌지만 적층부와 모재의 계면에서 균열이 점점 증가하는 것을 볼 수 있다.

기공의 형성 양상을 보면 레이저 출력이 증가함에 따라서 기공이 줄어드는 경향을 보이기 때문에 150 W의 출력에서 용접된 시편에 형성된 기공은 가스 기공보다는 융합 부족일 것으로 사료된다[²²]. 모재와 적층부의 계면에 형성된 균열의 경우 레이저 출력이 증가할수록 더 많은 균열이 생기는 것을 확인할 수 있다. 특히 그림 3 (d)에서 나타난 것과 같이 300 μm 이상의 큰 공동 (void)들이 형성된 것을 볼 수가 있는데 이러한 공동은 이미 형성된 균열 위에 레이저가 조사되며 용융부가 응고 후 냉각시에 수축하는 현상에 의해 균열이 점점 성장하여 공동을 형성한 것으로 사료된다. 이러한 레이저 출력 증가에 따라 균열이 증가하는 양상을 설명하기 위해서 최상단 층의 용융풀 깊이를 측정한 결과 150W, 200W, 250W, 및 300W에서 각각 171.4 ~ 209.5 μm, 252.4 ~ 295.2 μm, 309.5 ~ 352.3 μm, 및 371.4 ~ 407.1 μm의 범위를 나타냈다. 레이저 출력이 증가함에 따라 증가한 단일 용융풀의 깊이는 모재와의 계면에서 더 큰 부피의 모재의 용융을 유도할 수 있고, 따라서 레이저 출력이 증가할수록 더 큰 응고수축을 유발하여 균열이 증가하는 것으로 사료된다.

그림 4는 L-DED 공정을 이용하여 용접된 시편 단면을 연마한 후 color etching한 후 관찰한 광학현미경 이미지다. 그림 4 (b~d)에서 볼 수 있듯이 200W 이상의 레이저 출력이 사용된 시편들의 경우 대체로 결정립의 성장이 단일 용융풀의 내부에서 끝나는 것에 반해, 150 W의 레이저 출력이 사용된 경우 (그림 4 (a)) 결정립이 수 개의 용융풀에 걸쳐서 형성됨으로써 매우 조대한 주상정의 결정립이 관찰되었다. 앞서 기술한 바와 같이 레이저 출력이 작을수록 얕은 용융풀의 깊이를 가지는데 Sun et al. [²³]의 연구에 따르면 레이저 출력이 상대적으로 높을 때는 적층방향으로 <011> 결정 방위를 가지기 쉬운 좁고 깊은 용융풀이 생성되며, 레이저 출력이 상대적으로 낮을 때는 적층방향으로 <001> 결정 방위를 갖는 얕고 넓은 용융풀이 발생하기 쉽다고 보고된 바 있다. 또한 Shao et al. [²⁴]은 다결정 모재에 적층 할 경우, 레이저 출력이 상대적으로 낮을 때 응고방향의 배열에 따라 적층 방향으로 주상정의 결정립이 쉽게 형성된다고 보고하였다. 이를 고려할 때, 가장 낮은 레이저출력인 150 W가 사용된 용접부의 단면조직을 나타낸 그림 4 (a)에서의 조대한 주상정 조직은 낮은 레이저 출력에 의해 형성된 얕고 넓은 용융풀 형성에 의한 것으로 사료된다. 레이저 출력이 200W 이상일 경우에는 등축정에 가까운 복잡한 형태의 결정립이 관찰되는데, 이는 레이저 출력의 향상으로 용융풀의 형태가 좁고 깊어지며 다양한 방향으로 응고가 발생되었기 때문으로 생각된다.

그림 5는 그림 2에서 표시된 P1 – P4 지점에서의 미세경도를 나타내며 측정값을 표 3에도 나타냈다. 레이저 출력과 무관하게 모든 시편의 열영향부에서 경도가 크게 감소한 것을 알 수 있으며, 이는 L-DED 공정을 이용하여 용접을 진행하는 동안 모재와 용접부의 계면에 발생한 열로 인한 풀림 및 결정립 성장 효과 때문인 것으로 사료된다. 그림 5 (b~d)는 열영향부에서 경도가 감소하다가 용접부에서 다시 증가하는 양상을 보이는데 그림 5 (a)에서는 경도가 모재에서 용접부까지 점진적으로 감소한다. 표 3에 나타난 각 시편의 열영향부 경도 값을 살펴보면 150 W, 200 W, 250 W, 300 W의 조건에서 제작된 시편들은 각각 284.9 Hv, 266.6 Hv, 256.0 Hv, 260.0 Hv 로 150W의 출력에서 제작된 시편의 경도감소가 가장 적은 것은 확인할 수 있다. 또한 용접부의 경도는 300 W를 제외하면 대체로 비슷하기 때문에 그림 5 (a)에서 경도가 점진적으로 감소하는 양상을 나타낸 것으로 사료된다. 150 W에서 제작된 시편의 높은 열영향부 경도는 낮은 레이저 출력 사용 에 따른 입열량의 감소로 인해 모재의 열영향 효과가 더 높은 레이저 출력에서 제작된 시편에 비해 적었기 때문인 것으로 사료된다. 한편, 300 W에서 제작된 시편의 경우 용접부의 경도가 다른 시편에 비해 높게 나타났는데, 본 연구의 목적은 적절한 용접부 및 용접 계면을 형성할 수 있는 적층 제조 조건을 찾고 그 시편의 특성을 분석하는데 있고, 용접부와 모재 사이에 많은 균열이 발생한 공정조건에 대한 상세한 미세조직 평가는 본 연구의 목적을 벗어나기 때문에 추가적인 분석은 진행하지 않았으며, 향후 본 조건으로 적층 제조한 샘플을 별도로 제작하여 분석할 계획이다.

그림 6 (a)는 L-DED 공정을 이용하여 용접된 시편을 인장시험 했을 때 얻어진 응력-변형률 곡선이며, 인장강도, 항복강도 및 연신율을 표 4에 나타냈다. 항복강도를 살펴보면 모든 시편에서 모재보다 높은 항복강도를 나타내는 것을 확인할 수 있다. 혼합법칙을 고려했을 때, 국부적으로 용융이 진행되는 레이저 공정의 특성상 모재의 미세조직은 변함이 없다고 가정하면 용접된 시편의 항복강도 증가는 L-DED 공정을 이용하여 형성된 용접부의 기여가 절대적일 것으로 사료된다. 이러한 용접부의 항복강도 증가에 대한 기여는 그림 8에서 용접부의 미세조직과 함께 고찰하고자 한다.

한편, 인장강도와 연신율의 경우 레이저 출력이 증가할수록 현저히 감소하는 것을 볼 수 있으며 이는 레이저 출력 증가에 따른 계면 결함 증가와 관련 있는 것으로 사료된다. 그림 3에서 볼 수 있듯이 레이저 출력이 증가할수록 계면에서의 균열이 증가하였다. 이러한 계면에서의 불안정성이 인장시험시 조기 파단으로 이어진 것으로 사료되며 그림 6 (c)에서 인장시험 후 계면에서 파단 된 것을 볼 수 있다. 인장강도의 감소 역시 조기 파단으로 인해 충분한 가공경화가 이루어지지 못했기 때문인 것으로 사료된다. 그림 3에서 양호한 계면을 형성한 150 W에서 제작된 시편의 경우 23.2%의 연신율을 나타내며 모재보다 약간 높은 996.8 MPa의 인장강도를 나타내어 용접된 시편 중 가장 좋은 강도-연신율 조합을 나타냈다. 또한 높은 계면 안정성 이외에도 높은 강도의 용접부 형성으로 용접부가 아닌 모재에서 파단이 일어나 매우 건전한 용접부가 형성된 것을 확인할 수 있다. 하지만 여전히 42.8%의 연신율을 보인 모재보다 훨씬 낮은 23.2%의 연신율을 나타냈는데, 이는 용접부의 높은 강도로 인해 변형이 모재에 집중되어 비교적 조기에 파단이 일어난 것으로 사료된다.

광학현미경을 통한 용접부 및 계면 건전성 평가, 미세경도 시험 및 인장시험 등을 통해 150 W의 레이저 출력에서 제작된 시편에서 균열이 없는 건전한 계면이 형성되었을 뿐만 아니라 열영향부의 경도저하가 가장 낮았기 때문에, 본 연구에서는 150 W 조건에서 제작된 시편을 이용하여 추가적인 미세조직 및 형상기억특성에 대해 조사하였다. 추가적으로 150 W와 200 W 사이의 레이저 출력에서 기공이 없고 균열 없이 건전한 계면을 가진 시편을 얻을 수 있을 것으로 판단해 175 W를 레이저 출력을 사용해 실험을 진행했으나, 인장 시험을 진행한 결과 200 W 시편과 유사하게 계면에서 파단이 발생해 낮은 인장 응력과 연신율을 나타내는 것을 확인했다.

그림 7은 L-DED 공정을 이용하여 용접된 시편의 계면에서의 EDS 및 EBSD 관찰 결과다. 그림 7 (a)는 용접부에서 모재까지의 EDS line scan 결과를 나타내는데, 표 2에서 나타낸 Cr, Mn, Si, V 등 모재와 용접부에 사용된 용가재의 조성차이를 확연히 확인할 수 있다. 그림 7 (b)와 (c)는 계면에서의 IPF coloring 이미지와 phase map을 나타낸다. 그림 7 (b)를 보면 용접부의 결정립들은 계면에서 수직하게 형성되어 용접부의 중심으로 갈수록 점점 적층 방향으로 정렬되는 것을 볼 수 있으며, 이는 용접부의 중심으로 갈수록 레이저가 직접 조사되는 적층 방향으로 <001> 결정 방위의 결정립이 성장하기 때문이다[²³,²⁴]. 그림 7 (c)는 모재와 용접부 모두 면심입방구조를 갖는 γ상인 것으로 확인되었으며 이는 모재와 용접부에 사용된 용가재의 조성을 갖는 시편의 미세조직을 보고한 다른 연구자들의 결과와 같다[¹⁰,²⁵].

그림 8은 용접부 중앙의 EBSD 관찰결과를 나타낸다. 그림 8 (a~c)는 IPF map을 나타내는데 적층 방향인 BD를 따라 연신 된 주상정의 결정립이 형성된 것을 볼 수 있다. 또한 동일 층을 적층 할 때 레이저가 이동하는 방향인 SD1 및 SD2에서는 뚜렷한 집합조직을 나타내지 않지만 적층 방향인 BD를 따라 뚜렷한 {100} 집합조직이 형성된 것을 확인할 수 있다. 그림 8 (f)의 PF와 IPF 역시 BD 방향으로의 뚜렷한 {100} 집합조직을 나타내고 있으며 SD 방향으로는 무질서한 결정방위를 가져 {100}-fiber-like 집합조직을 갖는 것으로 사료된다. 그림 (d)는 phase map을 나타내는데 용접부 중앙에서도 용접부 계면과 모재와 마찬가지로 γ상이 형성된 것을 볼 수 있다. 한편 그림 8 (e)는 KAM map을 나타내는데 결정립계 뿐만 아니라 하나의 결정립 내부에도 local misorientation이 높은 영역이 굉장히 많은 것으로 관찰된다. 이러한 local misorientation은 매우 빠른 응고속도를 갖는 레이저 프로세스를 이용하는 적층 제조 공정으로 제작된 금속 시편에서 특징적으로 나타나는 현상이며, cellular 구조의 셀 경계 또는 저각입계 (low-angle grain boundary) 등에서 높은 local misorientation이 관찰된다[²⁶]. 셀 경계와 저각입계 모두 전위의 이동을 효과적으로 방해하여 강도 향상에 기여하는 것으로 보고되고 있으며[²⁷–²⁹], 그림 8 (e)에서 나타난 것처럼 LDED 공정을 이용하여 형성된 용접부의 높은 KAM 값 또한 전위의 이동을 방해하는 결함들에 의해 측정된 것으로 사료되며, 용접부의 높은 강도 또한 이러한 결함의 형성 때문인 것으로 보인다.

그림 9은 2%의 사전변형을 준 시편을 구속시킨 상태로 200°C까지 가열 후 다시 상온까지 냉각시켰을 때 발생하는 회복응력을 측정한 결과를 나타낸 그래프다. 상온까지 냉각한 후 발생한 회복응력은 용접을 적용하지 않은 모재의 경우 260 MPa인 반면 L-DED 공정을 이용하여 용접된 시편은 320 MPa로 나타났다. 용접된 시편의 경우 용가재로 사용된 분말은 형상기억합금 분말이 아니기 때문에 전체 시편에서 형상기억합금의 체적분율은 줄어들었음에도 불구하고 오히려 높은 회복응력을 나타냈다. 이러한 상반된 결과는 용접된 시편의 높은 항복강도에 기인하는 것으로 사료된다. Leinenbach et al. 및 Wang et al. 은 Fe-17Mn-5Si-10Cr-4Ni-(V, C)의 조성을 갖는 형상기억합금을 이용하여 다양한 열-기계적 (thermo-mechanical)처리를 거친 시편들의 형상기억특성들을 연구하였는데, 회복응력의 경우 형상기억효과로 일컬어지는 형상의 복원량 보다는 항복강도에 더 의존한다고 보고하였다. 구속된 Fe-Mn-Si계 형상기억합금을 가열할 때는 사전변형을 줄 때 형성된 응력유기변태 상인 ε-martensite 상으로부터 γ-austenite 상으로의 역변태로 인한 형상복원에 의해 회복응력이 발생하고 냉각시에는 주로 열수축에 의해서 추가적인 회복응력이 발생한다. 이 때 시편에 발생되는 회복응력에 의해 다시 γ-austenite에서 ε-martensite로의 변태가 일어나면서 응력-온도 곡선의 기울기가 줄어들거나 심한 경우 회복응력이 감소하는 경우가 발생할 수 있다. 항복강도가 높을수록 γ-austenite에서 ε-martensite로의 상변태에 대한 저항성이 높아지기 때문에 냉각 시 회복응력의 증가율의 감소를 효과적으로 막을 수 있다. 본 연구에서도 L-DED공정을 적용하여 형성시킨 고망간강 용접부의 높은 항복강도로 인해 형상기억합금의 체적분율이 감소하였음에도 불구하고 더 높은 회복응력을 얻을 수 있었으며, 이는 L-DED 공정을 이용하여 용접부를 형성하는 경우, 그 목적이 더 높은 강도나 회복응력일 경우 반드시 모재와 동일한 형상 기억합금 분말을 사용해야만 하는 것이 아니라 전혀 다른 조성을 갖는 분말을 이용하여 특성을 개선할 수 있음을 시사한다.