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1. 서 론

최근 원전의 안전성 강화와 더불어 초소형 원전 개발이 주요 이슈로 부상하였고, 이에 따라 초소형 원전에 사용되는 복잡한 형상을 지닌 부품 및 제조기술 개발이 필요하다. 그러나 기존의 제조 기술의 한계로 인하여 복잡한 형상을 지닌 부품이나, 작은 크기의 부품 제작에는 어려움이 수반된다. 또한 원전 크기의 제약으로 인하여 이에 적용되는 부품의 크기 또한 기존 원전 대비 소형화되고, 효율 증대 도모를 위하여 부품 및 원전 설계가 복잡한 형상을 요구하게 되므로 초소형 원전용 부품 개발에 기존의 방식이 아닌 새로운 방식으로의 접근이 필요하다.

3D 프린팅 기술은 물질의 적층을 통해 제품을 제조하는 방식으로 복잡한 부품 제조가 가능하여 최근 다양한 영역에서 사용되고 있는 기술이다. 금속 3D 프린팅 기술은 항공, 자동차, 에너지 산업 등에서 사용되고 있다[1-3].

3D 프린팅 방식은 크게 powder bed fusion (PBF)와 direct energy deposition (DED)의 두 가지로 나누어 질수 있는데 DED는 복잡한 형상을 지닌 부분에 공정을 진행할 수 있다[1,4-6]. 또한 파우더의 형상에 영향을 받지 않고 실제 이론상 밀도와 유사한 밀도를 지닌 층을 적층할 수 있기에[7] 코팅층 적층에 유리하다[7-9]. 이에 모재의 성능을 유지하며 요구되는 성능의 추가가 가능한, 즉, 표면 개질에 유리한[10] DED 방식이 원자력 부품에 적합하게 적용 가능하다.

또한 금속 3D 프린팅은 원전에 사용되는 많은 부품의 유연한 설계를 가능하게 해준다. 예를 들어, 열교환기의 경우 3D 프린팅 기술을 통하면 내부에 많은 유로를 지닌 효율적인 설계품의 실제 제작이 가능하다.

원자력 분야에 적용할 소재는 사용 조건의 극한 특성으로 인하여 소재의 개발에 장시간이 소요되며, 개발된 소재 및 부품은 극한 환경에서도 우수한 성능을 보유하여야 한다. 용융과 냉각을 반복하는 3D 프린팅 공정의 특성으로 인하여 소재가 지닌 고유의 특성 외에도 미세 조직의 특성들이 부품의 성능에 중요한 변수로 작용한다[7,11,12,13]. 레이저의 에너지 및 레이저의 작업 경로 등이 재료의 용융·냉각에 영향을 미치고 이에 따라 후보 재료의 적층·제조 공정 기술 개발에 장시간이 소요된다. 또한 소재를 사용한 실제 제품 적층 시에도 시간이 소요되므로 최적의 부품 제조 공정 기술을 개발하여 시간적·비용적 측면에서 기존 전통 제조공정 대비 우월성을 확보하는 것이 3D 프린팅으로 적층 된 원자력 분야 부품개발 및 상용화에서 가장 중요한 부분이다.

3D 프린팅 공정으로 완성된 부품의 특성은 공정상의 다양한 변수의 영향을 받는다. 레이저 고유의 특성 및 파우더의 특성은 3D 프린팅 공정에서 중요한 변수이나 이는 초기 장치 구매·설치 및 파우더 구매 시 설정되기에, 실제 적층 공정에서 영향을 미치는 조절 가능한 변수는 공정변수이다. 예를 들어, 적층 공정에서 파우더는 노즐 헤드에서 샘플 표면까지 노즐 구조에 따라 결정되는 궤적을 따라서 분사가 이루어지는데, shielding gas 및 레이저 경로 등의 영향을 받는다. 그리고 이러한 feeding 변수와 공정 변수가 서로 영향을 주며, 적층 된 소재의 미세조직 특성에 영향을 미친다. 이때 레이저로 인해 상승된 적층 소재의 온도 및 열확산에 영향을 주는 기본 구조 또한 주요 변수로 작용한다. 그리고 이들 변수는 상호작용을 하므로 각각의 공정 변수의 기본 영향에 대한 연구가 필요하다.

동일한 소재로 적층 된 부품도 공정 변수에 따라 미세조직의 특성의 차이가 발생하고 이는 나아가 부품 전체의 성능 및 특성에 영향을 준다. 3D 프린팅 적층 공정 시, 결정립의 성장 방향은 레이저의 진행 방향과 연관이 있는데 3D 프린팅으로 제조된 제품은 결정립 구조를 지니게 되며, 이에 따라 결정립 크기 및 결정립 계 등 결정립과 관련된 미세조직의 특성이 중요한 영향을 미치기에 미세조직제어 기술은 3D 프린팅 공정에서 가장 핵심적인 기술이라 하겠다.

현재 3D 프린팅에 적용 가능한 금속 소재로는 Ti 합금 및 스테인레스 스틸(SS) 등이 있다[14]. SS304는 내열성 및 기계적 성질이 우수하여 산업계 전반에 사용되고 있으며 많은 연구가 이루어 지고 있다[15]. 특히, 원자력 분야에서 사용되는 SS304L는 우수한 용접성으로 인하여 3D 프린팅을 사용한 부품 제조에 적합한 소재이다. 특히 이는 내식성이 우수하며 swelling에 좋은 특성을 지니고 있어 3D 프린팅을 사용하여 제조된 차세대 원자력 발전용 부품에도 사용 가능성이 높다.

이 때, 미세조직 상의 결함이 없고 적층 효율이 좋아야 하며, 적층 부분의 기계적 성능이 기존 가공 소재와 동등하거나 혹은 그 이상인 적층 공정을 확보하는 것이 공정 최적화의 목적이다. 본 연구에서는 DED 방식을 사용하여 SS304L single track을 적층, 3D 프린팅 공정에서의 각각의 공정 변수 영향에 관한 연구를 수행하였다. 이를 통하여 궁극적으로 향후 공정 변수 설정을 통한 적층 공정 최적화를 위한 연구를 진행하였다.

2. 연구방법 및 내용

본 연구에서는 한국원자력연구원에서 자체 개발·제작한 direct energy deposition (DED) 방식의 3D 프린팅 장비를 사용하여 다양한 공정 조건 하에서 SS304L(Carpenters powder products Inc, 53 - 150 μm)를 적층하였다. Fig 1은 연구에 사용된 DED 장비를 나타낸다. 파우더 공급기는 장비 상단부에 위치하며, 파우더는 공급기에서부터 4 way nozzle을 따라 이동 후, 노즐 헤드에서 샘플 표면으로 분사되어 적층된다. 본 장비는 파우더 feeder는 2개 이상 병렬로 부착이 가능하며, 작동 방식 제어를 통하여 2종 이상의 소재의 합금화나 경사 기능을 부여한 적층도 가능하다. 적층 시 모재 기판은 Fig 1 하단부에 위치하며 수냉방식으로 냉각된다. 본 연구에서는, 공정 변수를 변화시키며 SS316 기판 (50 × 50 × 10 mm)에 SS304 싱글 트랙을 30 mm 적층하여 이에 대한 적층 조건 최적화에 관한 연구를 진행하였다.

Fig. 1.

Customized DED instrument.

실제 공정 시에는 다양한 변수들이 존재하나 본 연구에서는 레이저 출력(laser power), coaxial gas, 스캔 속도(scan speed), 파우더 공급량(feeder rate)을 각각 변화시켰다. 적층 제조는 용접처럼 라인들이 모여 면을 이루고 면들이 모여 입체화가 되므로 width, height, dilution은 적층 효율과 결함 생성에 중요한 변수이다. 한번 적층 시 폭(width), 높이(height)가 크면 적층 효율은 높아지지만 내부에 결함이 생성될 확률 또한 높아지므로 결함이 없이 최대폭과 높이를 얻는 것이 필요하다.

Table 1은 본 연구에서의 변화시킨 공정 변수를 나타내며, 레이저 소스로는 Ytterbium Laser system(YLS – 1000; IPG Photonics)가 사용되었다. 레이저 출력은 100 - 900W 범위에서, 스캔 속도는 100 - 1000 mm/min 범위에서 그리고 coaxial gas flow는 4 - 12 L/min의 범위에서 일정한 간격으로 변화시켰다. Feeder rate는 100 - 1000 rpm 사이로 변화시키며 적용하였다. 이 때, 레이저 spot size는 1 mm이다.

Table 1.

Experimental conditions

적층 후의 표면 및 계면 특성은 광학 현미경 (optical microscope, OM)을 사용하여 분석하였고, electron backscatter diffraction(EBSD)를 통하여 미세 조직을 분석하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 공정 변수에 따른 영향 결과 분석

100W부터 900W까지 100W 간격으로 레이저 출력을 증가시키면서 영향을 확인하였다. Fig 2에서와 같이 100W에서는 파우더의 적층없이 레이저 트랙만 관찰되며, 따라서 적층을 위해서는 200W 이상의 레이저 출력이 요구되는 것으로 확인된다. 레이저 출력은 공정 시, 에너지 밀도에 영향을 주는 가장 중요한 공정 변수로서, 출력이 높을수록 표면이 변색되는 표면 산화가 심화되는 것[16]이 확인된다. (Fig 2).

Fig. 2.

Surface after powder deposition according to the laser power (W).

레이저 출력 변화에 따른 비드 형상 및 미세조직 변화는 Fig 3에 있다. 트랙의 폭은 레이저 출력에 따라 증가하며(Fig 4), 레이저 출력과 총 적층 두께인 (height + dilution)도 400W 이상에서 linear relationship을 보인다. 이 때, height는 모재 표면으로부터 적층 높이까지의 값을 의미하며, dilution은 모재 표면으로부터 적층 물질이 모재에 침투한 깊이 값을 의미한다. 200 W에서는 적층 두께(height + dilution)보다 적층 폭이 큰 값을 가지는데 이는 가해진 에너지 대부분이 파우더 용융에 사용되고 적은 양의 에너지만 모재에 영향을 주었음을 의미한다 할 수 있다. 표면의 산화는 관찰되지 않으므로, 200W로 적층 후 모재와의 우수한 접찹력만 보유한다면 모재에 얇은 코팅을 목적으로 사용되기에 적절한 조건 값이라 하겠다.

Fig. 3.

Optical microscope images and EBSD under after deposition according to the laser power.

Fig. 4.

Laser power versus width, height and dilution.

Height/dilution 비는 300W 이상에서 레이저 출력이 증가할수록 증가한다. 400W 이상에서 모재 표면 위로 적층된 높이인 height 값이 130 μm 내외의 일정한 범위 내로 유지되는데 이로 보아 주어진 출력 범위에서 공급되는 에너지는 파우더 용융에는 충분하고, 이후 남은 에너지가 모재의 용융 및 적층 표면의 산화에 영향을 주었음을 예상할 수 있다. Fig 3의 EBSD 미세조직 이미지에서도 레이저 출력이 결정립의 성장에 미치는 영향을 확인할 수 있었다. 출력이 높을수록 모재 및 파우더의 용융이 많이 발생했고, 최상층 표면은 high angle grain boundary를 지녔다. DED 공정은 모재와 적층 된 층 사이에 큰 온도 구배가 발생하여 냉각속도가 빠르므로[17] 결정립의 크기가 작다. 레이저 출력이 높을 시, 기기의 광학 부품 손상이 발생할 수 있어 높은 출력은 추천되지 않는다[18]. 더불어 레이저 출력은 모재와 적층 물질의 용융 및 냉각과 관계되어 미세구조 형성에 영향을 주므로 공정에 적절한 레이저 출력을 찾는 것이 중요하다. 그러나 Fig 2 및 Fig 3의 광학 사진으로 판단할 때 300W에서 400W 사이가 최적의 범위로 판단된다.

레이저 스캔 속도의 영향은 Fig 5에 있다. 레이저 출력을 400W로 유지하며 주어진 조건 하(100 – 1000 mm/min)에서 스캔 속도가 빠를수록 표면층의 산화가 줄어드는 것을 알 수 있었다. 레이저의 속도가 느리면 레이저가 모재의 한 부분에 머무르는 시간이 증가하여 모재 및 적층 물질의 온도를 증가시켜 100 mm/min에서처럼 산화된 모습이 나타난다. 실제 적층 공정 중에는 shielding gas가 표면 산화를 방지하나 적층 후 레이저(혹은 모재)가 이동하면 shielding gas의 산화방지 효과가 사라진다. Shielding gas의 이동 속도 또한 빠른 300 mm/min 이상에서 표면 산화가 관찰되지 않은 것으로 보아 100 mm/min의 스캔속도에서는 shielding gas보다 냉각 속도가 표면 산화에 영향을 더 미침을 알 수 있다.

Fig. 5.

Surface after powder deposition according to scan speed (mm/min).

스캔 속도가 빠를수록 트랙의 폭과 총 높이 모두 감소한다(Fig 6). 이는 스캔 속도가 빠를수록 적층을 위해 단일 spot에 공급되는 파우더의 공급량이 감소하기 때문이다. 총 높이(height + dilution)에서 height는 스캔 속도가 증가할수록 높아지고, dilution 깊이는 레이저 스피드 변화에 영향을 받지 않고 일정한 200 μm를 유지한다. Dilution은 층간 접합력과 연계되는데, dilution이 크면 층간 적층 높이가 감소되고 적으면 층간 결함 생성 가능성이 높기 때문에 최적 조건 설정이 필요하다. 100W와 200W에서는 height/dilution 비율이 각각 2.33과 1.32로 타 스캔 속도에서의 값 보다 크며, 적층 부 표면의 산화가 관찰된다. 400 mm/min 이상에서는 dilution과 width 값이 일정하게 유지되고 height 또한 큰 변동없이 수렴하는 것으로 보아 이에 따라 일정한 속도 이상에서 다른 변수들이 고정되면 스캔 속도의 영향은 크지 않음이 확인되었다. 스캔 속도가 빠르면 파우더가 비산되는 등의 연유로 인하여 적층이 되지 않는다는 점을 고려할 때, 본 연구에서는 300 mm/min이 적절한 값으로 생각된다.

Fig. 6.

Scans peed versus width, height and dilution.

Fig 7의 EBSD를 통해 미세구조의 변화를 살펴보면 스캔 속도가 빠를수록 빠른 냉각으로 인하여 미세한 결정립이 형성됨을 알 수 있으며, 이는 스캔 속도가 DED 공정에서 미세조직제어에 가장 중요한 공정 변수임을 의미한다. DED 방식은 냉각속도가 빠르므로[17] 특정부분이 열에 노출되는 시간과 연관이 있는 스캔 속도는, 냉각 속도가 확보되면 적층에 영향을 주지 않으며, 본 연구에서는 300W 이상이 이에 해당되는 것이 확인되었다.

Fig. 7.

Optical microscope images and EBSD under after deposition according to scan speed (mm/min).

파우더 공급량의 영향을 보기 위하여 앞서 공정에서 표면이 산화되지 않는 공정 조건인 400W, 800 mm/min에서 파우더 feeder rate를 변화시켰다(Fig 8). 주어진 조건 하에서 feeder rate의 변화는 트랙의 폭과 dilution 깊이에는 영향을 미치지 않았다. 다만 100 rpm(~ 36 mg/sec) 에서는 height가 ~ 17 μm으로 녹아서 공급된 파우더 량이 작기 때문에 dilution은 레이저의 직접 조사로 인한 모재의 용융 및 응고 조직이라 하겠다. Height는 파우더 공급량 증가에 따라 증가하였으며 따라서 적층 높이는 파우더 공급량과 연관되어 있음을 알 수 있다. 따라서 추후 SS304L및 타 소재 적층 시 요구되는 높이에 맞추어 적층이 가능하다 하겠다.

Fig. 8.

(a) Surface after powder deposition according to feeder rate (rpm), (b) optical microscope images, (c) feeder rate versus width, height and dilution.

Coaxial gas 유량을 4 ~ 12 L/min으로 변화시키며 유량이 증가할수록 표면이 적게 산화되는 것을 관찰했으나 (Fig 9(a)), 적층 폭(width)과 height, dilution 및 height/dilution 비는 Fig 9(b), (c)에서 확인되듯이 변하지 않는다. 이를 통해 주어진 실험 조건에서 적층 크기를 결정하는 데에 coaxial gas 유량은 중요한 변수가 아닌 것을 알 수 있다. Coaxial gas는 레이저 조사 시 플라즈마 생성을 방지하고 레이저 반사로 인한 기기의 손상 방지를 주목적으로 한다. 또한 이는 파우더의 궤적에 영향을 주어 적층 크기와 표면 거칠기를 조절할 수 있다. 본 연구에서 주어진 조건으로 SS304 적층 시, coaxial gas가 10 L/min 이상이 공급되면 표면 산화가 방지됨을 Fig 9에서 확인할 수 있다.

Fig. 9.

(a) Surface after powder deposition according to coaxial gas flow rate (L/min), (b) optical microscope images, (c) coaxial gas flow versus width, height and dilution.

위에서 연구된 변수들의 영향을 분석한 결과, 레이저 출력은 300W, 스캔 속도는 800 mm/min, coaxial gas는 11 L/min로 도출되었으며 이 조건으로 적층 된 single layer는 Fig 10에 있다. 레이저 진행 방향(A-B)과 레이저 진행 방향에 수직인 방향(C-D)으로 절단한 단면을 보면 결함이 없이 적층 된 것이 확인된다.

Fig. 10.

Single layer deposition using an optimized process

4. 결 론

본 연구에서는 direct energy deposition (DED) 방식의 3D 프린팅을 이용한 SS304 적층 공정 최적화에 관한 연구를 진행하였다. 이를 위해, 3D 프린팅 공정 상의 세부 공정 변수 중, 레이저 출력, 스캔 속도, 파우더 공급량 및 coaxial gas 유량을 변화 적용시켰으며 결과는 다음과 같다.

레이저 출력은 표면 산화 및 적층 폭, height, dilution의 많은 분야에 영향을 미치는 변수로서, 가장 세밀하게 조절되어야 할 변수이다. 레이저 스캔 속도가 빠를수록 조밀한 구조의 미세조직이 생성되며 이는 본 연구에서 주어진 변수 중 미세조직 구조에 가장 큰 영향을 끼지는 변수이다. 파우더 공급량은 모재 표면으로부터 적층 된 표층까지의 높이에 영향을 주며 이는 공정 시 모재에 미치는 영향의 변화없이 적층 높이를 변화시키는 변수임을 알 수 있다. Coaxial gas 유량은 적층 크기에는 영향을 주는 변수는 아니며 표면 산화에 영향을 준다. 4 가지 변수의 영향을 토대로 하나는 고정하고 나머지를 변화시키는 시험을 통하여 최적 변수는 레이저 출력은 300W, 스캔 속도는 800 mm/min, coaxial gas는 11 L/min로 도출되었다.

본 연구를 바탕으로, SS304 외에도 DED 방식으로 적층된 물질의 미세 조직과 물성 분석을 통하여 소재 및 부품 제조를 위한 최적의 공정 및 제조기술 개발에의 적용이 가능함을 알 수 있었다. 추후, 개별 소재에 대한 제조 기술은 이종 소재를 사용한 부품 제조에 사용될 수 있으며, 극한 가동 조건에서 안전하게 사용될 수 있는 원전 적용 소재의 개발 및 제조를 위해 적용 될 수 있을 것이다.

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