2.1 분말 및 LPBF 공정 변수 설정

본 연구에서는 격자 구조체 적층 제조를 위해 SLM Solutions Group AG사(Germany)의 상용 Inconel 718 분말 소재를 사용하였다. 사용된 분말들의 평균 입도를 측정하고자 ASTM B215-15에 따라 채취하고 레이저 입도 분석기(Beckman Coulter LS™ 13320)를 사용하여 분석한 결과, D90=30.4 μm로 나타났다. 그림 1에 도시한 바와 같이 Inconel 718 합금 분말들은 구형 형상을 보였으며, 에너지 분산 분광 분석(EDS, Oxford Instruments) 결과 합금 원소가 균일하게 분포하는 것을 확인할 수 있었다.

격자 구조체의 단위 셀(unit cell)은 체심 입방(BCC, body centered cubic) 형상으로 설계하였으며, 단위 셀 크기는 각각 2 mm와 4 mm로 설정하였다. 전체 외부 치수는 24 × 24 × 24 mm³ 로 동일하게 디자인하였다. 적층 제조는 동일 회사의 LPBF 장비(SLM 125HL, SLM Solutions Group AG, Lübeck, Germany)를 사용하여 수행하였다. SLM 125HL은 파장 1070 nm, 빔 직경 약 70 μm의 연속형 Yb-파이버 레이저를 장착되어 있다. 모든 격자 구조체와 빌드 플레이트 사이에는 블록 서포트를 적용하였으며, 블록 서포트와 격자 구조체를 연결하기 위해 두께 0.2 mm의 얇은 판(thin plate)을 적층 하였다. Inconel 718 빌드 플레이트는 100 °C로 예열 후 적층을 시작하였으며, 산화 방지를 위해 챔버 내 산소 농도를 0.1% 이하로 유지하고, 고순도 아르곤(Ar, 99.9%) 가스를 사용하여 분위기를 조성하였다.

스트럿(strut) 적층은 스트라이프 스캔(stripe scan)과 카운터 스캔(counter scan)을 병행하여 진행하였으며, 각 층(layer) 간 17°씩 회전하며 수행하였다. 스트라이프 스캔 조건은 레이저 출력 200 W, 스캔 속도 900 mm/s로 설정하였으며, 카운터 스캔은 레이저 출력 125 W, 스캔 속도 450 mm/s로 진행하였다. 이 때 해치 간격(hatch spacing)은 0.1 mm, 층 두께(slice thickness)는 0.03 mm로 고정하였다. 설계된 BCC 모델과 제조된 두 격자 구조체들의 거시적 이미지를 그림 2에 제시하였으며, 주요 치수와 물리적 특성은 표 1에 요약하였다. 이후 본 논문에서는 단위 셀 크기에 따라 두 격자 구조체들을 각각 BCC 2(unit cell size: 2 mm) 및 BCC 4(unit cell size: 4 mm)로 구분하고자 한다.

2.2 구조 및 미세조직 분석

격자 구조체의 표면 형상은 전계 방출형 주사 전자 현미경(FE-SEM, TESCAN MIRA3)을 이용해 관찰하였다. 상대 밀도(relative density, ρ*/ρ)는 아르키메데스(Achimededes) 방법(RADWAG-AS-R-series)으로 측정하였다. 단면 미세조직 분석을 위해 시편을 절단 후 열전도성 수지로 마운팅 하였다. 이후 SiC 연마지(#400~#2000)를 이용해 기계적 연마를 수행하고, 1 μm 다이아몬드 현탁액과 0.04 μm 콜로이드 실리카를 사용해 거울 연마(mirror polishing)하였다. 연마된 시편은 80% 에탄올과 20% 인산 혼합 용액을 사용해 4 V 조건에서 20초간 전해 에칭(electrolytic etching, Allied MetPrep 3™ with ElectroMet™ 4)을 수행하였다.Table 2.

2.3 상온 압축 시험 및 DIC 분석

압축 시험은 상온에서 적층 방향과 평행하게 수행하였으며, 이 때 Instron 8501 시험기를 사용하였다. 변형률 속도(strain rate)는 1×10^-3 s^-1로 설정하였고, 압축 변형률 0.6(mm/mm)까지 시험을 진행하였다. 시험을 위해 격자 구조체(24 × 24 × 24 mm³)를 와이어 방전 가공하여 ASTM E9에서 권장하는 높이-가로변 비(1.2~2.0) 범위 내에서 가공하였으며, BCC 2는 10 × 10 × 12 mm, BCC 4는 8 × 8 × 12 mm 크기의 시험편으로 제작하였다. 시험편의 단면적은 변형 전 고해상도 이미지를 사각형 형태로 인식하여 실측하였고, 이를 바탕으로 하중을 환산하여 응력을 계산하였다. 변형 거동 분석은 디지털 이미지 상관 분석(Digital Image Correlation, DIC, GOM Aramis) 방식을 통해 수행하였으며, 측정된 압축 응력–변형률 곡선을 기반으로 기계적 특성을 평가하였다. 시험 결과들은 좌굴(buckling), 굽힘 지배 변형(bending-dominated deformation), 치밀화(densification) 거동 등 격자 크기에 따른 변형 메커니즘을 비교·해석하는 데 활용되었다.

3.1 격자 구조 크기가 상대 밀도에 미치는 영향

그림 3에 BCC 2 및 BCC 4 격자 구조체들의 상대 밀도(ρ*/ρ) 측정 값들을 제시하였다. BCC 2의 상대 밀도는 31.48±0.14%, BCC 4는 8.67±0.13%로 측정되었다. 즉 BCC 4의 상대 밀도는 BCC 2 대비 약 27.5% 수준으로 분석되었다. 표 1에 나타낸 CAD 기반 이론 밀도를 고려해 보았을 때, BCC 4는 BCC 2 대비 약 27.75% 수준의 이론 밀도를 나타내어 실측한 아르키메데스 밀도와 유사한 경향을 보였다.

BCC 4의 상대 밀도가 낮게 측정된 주된 이유는 격자 크기 증가에 따른 내부 기공 비율(void fraction) 확대에 기인한 것으로 판단된다. 동일한 외부 부피 조건에서 형성되는 단위 셀 수는 BCC 2가 1,728개, BCC 4는 216개로 BCC 4가 약 12.5% 수준으로 적다. 이처럼 단위 셀 크기는 증가했으나 스트럿(strut) 두께는 동일하게 유지되면서 상대적으로 큰 내부 기공이 형성되어 밀도가 감소한 것으로 설명될 수 있다. 이와 함께 아르키메데스 밀도가 이론 밀도 대비 약 2배 높게 측정된 것은 LPBF 공정 중 분말층에 의해 레이저 스캐닝 시 용융풀(melting pool) 주변부 분말이 함께 용융되어 부피를 채웠기 때문으로 추정된다.

3.2 스트럿 표면 및 단면 미세조직

그림 4는 BCC 2와 BCC 4의 스트럿 표면을 주사전자현미경으로 관찰한 결과들이다. 전체적으로 두 격자 구조들은 매끄러운 표면들을 보였으나, 측면 관찰에서는 일부 미용융 또는 부분 용융된 분말이 스트럿에 부착되어 있었으며 (빨간색 화살표), 이는 앞서 언급한 바와 같이 상대 밀도 상승의 원인 중 하나로 작용했을 가능성이 있다. 이러한 분말 부착은 LPBF 공정 중 레이저 스캐닝에 의한 용융과 흐름에 따라 발생하는 마랑고니 효과(Marangoni effect)[²²], 반동압(recoil pressure)[³¹], 용융풀 내 대류(convection)[³²], 다공성 구조 특성 등이 복합적으로 작용해 응고 중 부착된 것으로 설명될 수 있다.

고배율 SEM 이미지(그림 5)에서는 층별 적층 특유의 주름진 형상(corrugated shape)이 관찰되었다. 또한 스트럿 단면 관찰 결과, BCC 2 및 BCC 4 모두 내부에 기공들이 존재하였으며, melt pool boundary 근처에 위치하고 있었다. 기공들은 원형에 가까운 형상을 가지고 있었으며, 최대 크기 32.6 μm, 최소 크기는 2.2 μm 로 측정되었다. PBF 적층 제조 공정 중 나타나는 결함은 적층 에너지 부족(lack of fusion)에 의해 나타나는 결함, 과도하고 높은 에너지가 가해져 형성되는 key hole 결함으로 구분된다. 마지막으로 에너지 조사 후 빠른 응고로 인해 적층 제조 챔버를 구성하던 불활성 기체가 갇혀 형성되는 결함으로 구분될 수 있다. 전술한 3개의 결함은 형상으로 구분되며, 에너지 부족에 의한 결함은 일반적으로 melt pool 경계와 그 내부의 cellular structure, columnar structure 경계를 따라 관찰되며, key hole 결함은 내부 방향을 따라 불균일한 동굴 형태의 결함으로 나타난다. 본 연구에 사용된 격자 구조체에서 관찰된 결함의 형태는 원형에 가까우며, 열쇠 구멍과 같은 형상 또한 관찰되지 않았다. 따라서 불활성 기체가 갇히거나 불완전 용융에 기인하는 것으로 판단된다[⁵,¹¹,²⁹,³⁰]. Melt pool 내부뿐만 아니라, 그 경계 주변에 형성된 점으로 미루어 보았을 때, 적층으로 인해 반복 용융됨에 따라 불활성 기체가 갇혀 형성된 것으로 사료된다. 두 격자 구조체들의 용융풀 내부에서는 열 방출 방향을 따라 응고된 전형적인 cellular 조직 및 columnar(기둥형) 조직이 관찰되었으며, 기둥형 조직의 두께와 길이에는 큰 차이가 없었다.

주목할 점은, BCC 2는 스트럿 간 간격이 더 좁았음에도 불구하고 고에너지 레이저 스캐닝에 기인한 뚜렷한 열 영향이 관찰되지 않았다는 것이다. 이는 LPBF 공정에서 격자 크기 변화에 따른 열 영향이 제한적이며, 결과적으로 구조 크기 변화와 무관하게 균일한 적층 품질 확보가 가능함을 의미하는 결과로 사료된다.

3.3 상온 압축 응력–변형률 곡선

그림 6에 BCC 2와 BCC 4 압축 시험편의 상온 압축 응력–변형률 곡선들(검은색, 빨간색)과 가공 경화 곡선들(파란색)을 나타내었다. BCC 2는 탄성 영역 이후 변형률이 약 0.43에 도달할 때까지 응력이 점진적으로 증가하다가 이후 급격히 상승하는 치밀화 구간이 뚜렷하게 나타났다. 반면 BCC 4는 탄성 영역 이후 압축 변형률 0.6까지 응력이 완만하게 증가하며 치밀화 구간이 확인되지 않았다.

일반적으로 격자 구조체의 압축 변형 거동은 탄성 변형, 소성 변형, 치밀화 단계로 구분될 수 있다. 특히 소성 변형 중 스트럿의 균열 또는 파단이 일어날 경우 응력이 증가하지 않거나 감소하며, 이후 파단된 스트럿이 맞닿아 마찰과 같은 상호 작용이 발생하면서 치밀화 단계에서 응력이 다시 급격히 상승하게 된다. 이러한 관점에서 BCC 2는 상대 밀도가 증가하며 치밀화가 나타난 반면, BCC 4는 내부 기공 비율이 커 치밀화가 관찰되지 않은 것으로 해석된다. 치밀화 개시 변형률은 압축 응력–변형률 곡선에서 plateau 구간과 응력이 급격히 증가하는 구간 각각의 기울기를 선형 회귀하여 도출한 두 직선의 교점을 기준으로 산정하였다. 이는 이전 연구들로부터 소성 변형 구간에서 동일하게 적용된 방법이다[⁴⁰,⁴¹,⁴²]. 이 방법은 2D 평면에서 관찰 가능한 DIC 분석의 공간적 한계와 3차원 격자 내부 변형 관찰의 어려움을 보완하는 적절한 산정법이라 판단된다.

표 3에 두 격자들의 압축 항복 강도, 치밀화 변형률, 최대 응력 및 시험편별 노드 개수를 함께 요약하였다. 평균 압축 강도는 BCC 2가 58.47±3.23 MPa, BCC 4는 1.78±0.11 MPa로 측정되었다.

한편 두 격자들의 상대 강도를 Gibson–Ashby 모델[³²]에 따라 벌크재(Inconel 718)의 압축 강도(σ_s=1059 MPa)와 비교해 계산하였다.

여기서 C는 형상 계수(shape factor, 금속의 경우 0.3), σ는 격자 구조체의 강도, ρ/ρ_s는 상대 밀도를 의미한다. 계산 결과 BCC 2는 56.13 MPa, BCC 4는 8.10 MPa로 예측되었으며, BCC 4는 실험값 대비 약 4.5배 높게 평가되었다. 이는 격자 크기 증가에 따른 내부 기공 확대, 노드·스트럿 수 감소로 좌굴 민감도가 증가한 데 기인하는 것으로 판단된다.

3.4 격자 구조 크기에 따른 상온 압축 변형 거동 차이

그림 7은 압축 변형률 0.3까지의 디지털 이미지 상관 분석(DIC) 결과들이다. 초기 2% 변형에서는 두 격자들 모두 균일한 압축 변형을 보였으며, 20% 변형 시 BCC 2는 스트럿 좌굴이 시작되었고, 30%에서는 전체 구조가 붕괴되었다. 반면 BCC 4는 주로 스트럿 굽힘 변형이 우세하였으며, 30% 이후에도 구조 붕괴 없이 형태를 유지하였다. Maxwell은 격자 설계에 따라 압축 파괴 거동(compressive failure behavior)을 정량적으로 예측하고자 단위정 강성(unit cell stiffness)를 식 (2)를 통해 정의하였다.

여기서 s는 스트럿(strut)의 개수, n은 노드(node)의 개수를 나타낸다. Maxwell 수(M)에 따르면, M<0일 경우 노드에서 발생하는 보정 모멘트(moment) 없이 외력을 지지하기에 충분한 스트럿 수가 확보되지 않아 스트럿 내부에 굽힘 응력(bending stress)이 발생하며 굽힘 지배 거동(bending-dominated behavior)을 나타내게 된다. 반면 M>0일 경우 외부 하중이 스트럿의 축방향 인장(tension) 및 압축(compression)만으로 평형을 이루며, 노드에서 굽힘이 발생하지 않아 스트레칭 지배 거동(stretch-dominated behavior)을 나타낸다[⁴]. 마지막으로 M=0일 경우 굽힘과 스트레칭이 동시에 나타나는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서 분석한 격자의 스트럿과 노드의 수 및 계산된 M 값은 BCC 2가 M=0, BCC 4가 M=-42로 계산되었다. 이를 디지털 이미지 상관 분석(DIC) 결과들과 연계하였을 때, BCC 4는 하부 격자에 응력이 집중되면서 굽힘 지배 변형 거동(bending-dominated deformation behavior)을 보인 것으로 판단된다. 반면 BCC 2는 BCC 4 대비 높은 상대 밀도 및 더 많은 노드와 스트럿 개수에 기인하여 더 높은 압축 강도(compressive strength)를 나타내고, 변형률이 증가함에 따라 좌굴되는 압축 거동(buckling compression behavior)을 보인 것으로 해석된다.

이전 문단에서 DIC와 Maxwell 수를 통해 도출된 압축 변형 거동을 조사하고자, 그림 8에 압축 변형률 ε = 0.6까지 변형된 BCC 2 및 BCC 4 격자의 에칭된 단면 미세조직(etched microstructure) SEM 이미지를 정리하여 나타내었다. 그 결과, 두 구조들 모두 빨간 점선(red dash line)으로 표시된 것과 같이 스트럿이 굽힘되어 물결 형상(wavy shape)을 나타냈다. 또한 두 격자들의 노드 하부에서는 제조 후 초기 미세조직에서 분석되었던 용융풀 경계(melt pool boundary)를 따라 균열이 형성되어 있었다. 이 균열은 형성 시점에 따라 두 가지로 구분된다. 일부는 제조 시 형성된 미세 기공이나 용융풀 경계상의 미세 불연속부에서 시작되었을 가능성이 있으며, 다른 일부는 변형률 약 0.3 이후 국부 좌굴·굽힘 집중에 의해 신규로 형성된 균열형 결함으로 해석된다. 제조 후 초기 미세조직에서 노드 부위 역시 스트럿 하부와 동일한 레이저 주사 및 적층 조건을 적용한 점으로 미루어 볼 때, 단면 관찰(그림 5)에서와 같이 제조 시점에서는 균열형 결함이 관찰되지 않았다. 따라서 본 연구에서 관찰된 일부 균열형 결함은 변형 과정에서 새롭게 형성된 것으로 사료된다.

그림 6에 나타난 두 격자들의 가공 경화 곡선들(work hardening curves)이 치밀화 이전에 구조가 붕괴되는 구간에서 응력이 감소하는 형태를 보였던 점을 고려할 때, 압축 시험 중 노드 하부에 균열이 발생하며 단면적(cross-sectional area)이 감소하였고, 이로 인해 가공 경화가 감소하는 것을 유추할 수 있었다. 치밀화가 나타났던 BCC 2의 경우, 빨간 화살표(red arrow)로 표시된 것과 같이 스트럿 간 맞닿아서(overlapped strut) 일어나는 치밀화가 다수 관찰되었다. 반면 BCC 4는 일부 스트럿 간 접촉만 관찰되었으며, 이 접촉은 그림 7 및 그림 8에서 확인되듯 면적과 개수가 제한적이었다. 표 3의 노드·스트럿 개수(각각 48개, 96개)와 그림 3의 상대 밀도(8.67%) 차이를 고려하면, BCC 4에서는 스트럿 상호작용 경로가 부족하여 접촉이 응력 상승으로 이어지기 어려웠다. 실제로 그림 6(b)의 가공 경화 곡선에서도 치밀화 단계에서 나타나는 비선형 상승 구간이 확인되지 않아, 스트럿 접촉에 의한 비선형 경화 기여는 제한적인 것으로 판단된다. 거시적 이미지(macro image)를 통해 살펴보면, BCC 2와 달리 좌굴 수준의 치밀화는 나타나지 않은 것으로 확인되었다.

한편, BCC 2의 Maxwell 수가 M=0으로 계산된 것은 기하학적으로 스트레칭 지배와 굽힘 지배의 경계적 특성을 가짐을 의미한다. 변형률 ε=0.6까지의 거시 형상 (그림 8) 및 단면 SEM 관찰 결과, 스트럿의 국부 좌굴과 중첩이 동시에 발생하였으며, 이는 치밀화 개시 시점(ε≈0.43, 그림 6) 이후에도 구조가 완전 붕괴하지 않고 분산된 좌굴–접촉–재지지 과정이 반복되었음을 의미한다. BCC 2는 동일 외형 치수에서 단위 셀 크기가 작아 더 많은 노드와 스트럿(노드 252개, 스트럿 1,200개; 표 3)을 포함하고 있어, M=0 조건에서 하중 경로의 재분배가 가능하였다고 판단된다. 이러한 경향은 그림 6에서 관찰된 치밀화 변형률 차이와 그림 8의 스트럿 접촉 양상에서 일관되게 확인되었다. Maxwell 수는 이처럼 기하학적 안정성 경향과 변형 모드를 정성적으로 분류하는 데 유용하지만, 제조 결함 분포, 스트럿 길이–지름 비(L/D), 응력집중 위치 등 비기하학적 요인을 반영하지 못한다. 따라서 Maxwell 수는 설계 초기 단계에서 변형 모드 경향을 예측하는 참고 지표로 적합하며, 정량적 성능 예측을 위해서는 상대 밀도, 결함 특성 등의 보완 변수를 함께 고려해야 한다. 이에 따라 국부 굽힘이 발생하더라도 인접 부재가 부하를 우회 전달하여 전체 구조의 연속적인 치밀화를 유도한 것으로 사료된다. 반면 BCC 4는 노드 수(48개)와 스트럿 수(96개)가 적어 연결성이 낮고, M<0 특성이 강화된 굽힘 지배 변형이 우세하였다. 따라서, BCC 2의 M=0은 이론적으로 기하학적 경계 조건임을 의미하며, 실험적으로는 좌굴과 스트레칭이 공존하는 혼합 거동으로 나타난 것으로 판단된다.

전술한 변형 조직 관찰 결과와 Maxwell 수 해석을 종합하면, 스트럿 두께를 일정하게 유지한 상태에서 격자 크기만 증가시킴에 따라 상대 밀도가 감소하고 내부 기공 비율(void fraction)이 증가하였으며, 단위 셀을 구성하는 노드와 스트럿의 개수 감소로 구조적 불안정성이 증가하였다. BCC 4는 이러한 기하학적 특성과 M<0 조건으로 인해 굽힘 지배 변형이 우세하였으며, 국부 변형 집중으로 예측 모델 대비 낮은 압축 항복 강도를 나타냈다. 반면 BCC 2는 M=0 조건에서 스트레칭과 굽힘이 혼합된 거동을 보이며, 국부 좌굴 이후에도 하중 경로의 재분배가 가능하여 연속적인 치밀화가 진행된 것으로 판단된다. 따라서, 격자 크기 증대는 기하학적 안정성 저하와 변형 모드 변화를 동시에 유발하며, 그 결과 치밀화 거동(densification behavior)은 뚜렷하게 나타나지 않는 것으로 사료된다.