신규 추가 제조 기술로서 DED(Direct Electric Discharge)는 높은 효율성, 낮은 비용 및 대형 부품 제작 능력으로 인해 Inconel 625 합금 제조에서 독특한 장점을 보여주고 있습니다. 그러나 전통적인 DED 공정은 일반적으로 <001> 배향성을 갖는 기둥 모양 결정 구조를 형성하여, 소재에서 이상적인 강도와 연성을 동시에 달성하는 것이 어렵습니다.
I. 연구 배경 및 의의
최근 연구에 따르면, 라인 에너지 밀도(LED)를 증가시킴으로써 기둥상 결정립을 근등축 결정립으로 전환하여 Inconel 625 합금의 성능을 효과적으로 개선할 수 있는 것으로 나타났습니다. 그러나 프린트 경로 전환의 역할에 대한 구체적인 메커니즘은 여전히 명확하지 않습니다. 또한, 적층 제조(AM)에서의 독특한 층간 계면 특성은 특히 고온 조건에서 재료의 기계적 특성에 큰 영향을 미치며, 이는 계면 변형 집중과 초기 파손으로 이어질 수 있습니다. 따라서 다양한 온도 조건에서 층간 계면의 영향 메커니즘을 조사하는 것은 공정 최적화 및 재료 성능 향상 측면에서 매우 중요한 가치를 지닙니다. .
위와 같은 연구 배경을 바탕으로 Enigma가 Technology and 팀과 협력하여 포르투갈의 NOVA 리스보아 대학교(NOVA University Lisbon) 와 협력하여 최근 연구 결과를 Materials Research Letters 에 게재하였으며, 그 제목은 “ 향상된 기계적 특성 및 변형 메커니즘 s in DED Inconel 625 via printing path switching 재료 미세조직 및 기계적 특성에 대한 프린팅 경로 설계의 영향을 체계적으로 탐구함.
출처 [1]
II. 실험 방법
이 연구에서는 보호 분위기로 70% Ar + 30% He 혼합 가스를 사용하여 콜드 메탈 트랜스퍼(CMT) 적층 용접 적층 제조(DED) 기술을 적용해 인코넬 625 합금 시편을 제작하였다. 실험 결과의 신뢰성을 확보하기 위해 연구팀은 주요 공정 파라미터를 최적화하였다: 전류 116 A, 와이어 공급 속도 4.6 m/분, 선 에너지 밀도 140 J/mm. 층간 90° 회전 경로 전략을 채택하여 직경 50 mm, 길이 100 mm의 원통형 시편을 제작하였다.
출처 [1]
재료 특성을 종합적으로 분석하기 위해 다중 스케일 분석 방법을 적용하였다. : XRD, OM, SEM-EBSD 및 TEM 시스템을 사용하여 미세구조 변화를 분석했으며, 기계적 특성은 상온 및 고온(400-850°C)에서의 마이크로경도 시험 및 인장 실험을 통해 평가하였다.
III. 결과 및 고찰
3.1 미세구조적 특성
미세구조 분석을 통해 프린팅 경로 설계의 중요한 영향을 확인하였다. 기존의 0° 경로 샘플과 비교할 때, 90° 경로 전환을 사용하여 제작한 샘플은 근등방성 결정 특성을 나타냈다: 평균 입자 길이는 527 ± 5 μm, 폭은 172 ± 7 μm(종횡비 3.06)이며, 층 경계면에서는 미세입자 영역(37 ± 2 μm)이 형성되었다. XRD 분석을 통해 샘플이 단일상 입방최밀충진 구조를 갖는다는 것을 확인하였다.
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연구를 통해 다음과 같은 사실이 확인되었다. 고출력 LED는 경로 전환과 결합함으로써 용융 풀 온도 구배를 효과적으로 낮추고, 기둥상 결정의 에피택셜 성장을 억제하며, 재용융 깊이를 증가시키고 새로운 핵생성 지점을 제공함으로써 등축 결정의 생성을 촉진함으로써 재료의 미세조직을 최적화할 수 있다 이러한 공정 조합은 기둥상 결정에서 등축 결정으로의 전환을 달성하기 위한 효과적인 수단을 제공한다.
3.2 상온 기계적 특성
상온 기계적 특성 시험 결과에 따르면 90° 각도의 프린팅 경로를 사용하여 제작된 Inconel 625 시편은 우수한 인장강도-연성의 균형을 보이며, 항복강도는 401 ± 12 MPa, 인장강도는 724 ± 5 MPa, 연신율은 57 ± 5%를 나타낸다 .해당 소재는 전형적인 3단계 가공 경화 거동을 나타내며, 특히 8~25% 변형률 범위에서 향상된 가공 경화 능력을 보여주어 41.3 GPa*%의 높은 연성-강도 곱을 달성하였으며, 이는 기존 열간 압연 합금(32.1 GPa*%)에 비해 현저히 우수한 수치이다.
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미세구조 분석 결과, 근등축 조직을 가진 시편이 더 큰 결정립 크기를 나타내었으며 (232 ± 16 μm 대 열간 압연 시편 < 130 μm), 이러한 우수한 성능은 주로 두 가지 요인에서 기인한다: 첫째, 전위 증강 효과의 핵심 역할과 둘째, 독특한 변형 메커니즘이 그것이다. 미세구조 분석을 통해 변형 중 해당 소재가 고밀도 전위벽과 전위 고정 구조를 형성하는 것을 확인하였다. 이러한 미세구조 특성은 전위 이동을 효과적으로 억제함으로써 소재의 강도를 증가시킨다 . 더욱 중요한 점은 층간 계면에서 응력 집중이 관찰되지 않았다는 점이다, 균계 내에서 항상 균열이 발생하여 프린팅 경로에 의해 형성된 계면이 재료 성능에 영향을 미치지 않는다는 사실이 확인되었다 이러한 독특한 전위 운동과 함께 온전한 계면이 공동으로 작용함으로써 재료의 뛰어난 종합적 특성이 부여된다
3.3 고온 기계적 특성
고온 기계적 특성 시험을 통해 근등방성 인코넬 625 합금의 우수한 고온 적응성이 밝혀졌다 연구에 따르면 400–850°C의 넓은 온도 범위 내에서 이 재료의 강도 특성은 기존 주조 합금들의 특성을 일관되게 능가한다 특히, 700°C 이하에서는 신율이 여전히 높은 수준을 유지하였으며, 700°C를 초과한 이후에야 약간의 감소가 관찰되었다. 파면 분석을 통해 연구는 온도 의존적인 파괴 거동 전이 현상을 확인하였다: 600°C에서는 파면이 일반적인 입계 연성 파단 특성을 보였으며, 파면에는 균일하게 분포된 얕은 연성 딤플이 나타났다; 750°C에서 800°C 사이에서는 파단 모드가 입계 파단으로 전이되며 명확한 취성 파단 특성이 나타났다; 온도가 850°C에 도달했을 때는 파면이 연성 딤플과 취성 파단면이 혼재하는 혼합 파단 특성을 보였다.
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결론
본 연구는 Inconel 625 합금의 미세구조 및 특성에 대한 프린팅 경로 설계의 결정적 영향을 보여줍니다. 높은 에너지 입력과 층 간 90° 회전을 결합한 프린팅 전략을 적용함으로써, 기존의 기둥상 미세구조를 균일한 등축 입상 구조로 성공적으로 전환할 수 있었습니다. 고도화된 미세구조 분석 기술을 통해 이 독특한 구조가 변형 시 평면 슬립(planar slip)뿐만 아니라 고밀도 전위벽(high-density dislocation walls) 및 특수한 전위 잠금 구조(special dislocation lock structures)의 형성과 같은 독특한 전위 운동 패턴을 보이는 것을 확인했습니다. 이러한 미세구조적 메커니즘들의 상호작용은 재료에 우수한 인장강도와 연성을 동시에 부여합니다.
주목할 점은 적층 제조 과정에서 형성된 층간 미세입자 영역이 성능을 약화시키지 않았을 뿐만 아니라 오히려 이를 향상시켰다는 것입니다. 시험 결과는 이 최적화된 근등축 정상 구조가 상온에서 고온에 이르기까지 넓은 온도 범위에서 뛰어난 기계적 특성을 보여준다는 것을 입증합니다. 이 발견은 항공우주 및 기타 분야의 핵심 부품 제작을 위한 고품질 적층 제조 공정에 새로운 통찰을 제공하며, 광범위한 응용 가능성과 전망을 보여줍니다.
논문 링크：
[1] https://doi.org/10.1080/21663831.2025.2476174
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