Mechanical Property and Microstructure of the Annealed Fe-Si Alloy Manufactured by Laser-Powder Bed Fusion

L-PBF 공정 처리된 Fe-Si 합금의 열처리 조건에 따른 미세조직 및 기계적 특성

Abstract

To overcome a climate change, manufacturing complex-shaped electric mobility parts becomes one of the important issues for enhancing a performance of motor with reducing their weight. Therefore, development of laser-based additive manufacturing shed on light due to their flexible manufacturing capacity that can be suitable to solve the poor formability of Fe-Si alloys for electric mobility parts. Although there are several studies existed to optimize the performance of additively manufactured Fe-Si alloys, the post-annealing effect was not well investigated yet though this is important to control the texture and mechanical properties of additively manufactured parts. In the present work, annealing effect on the mechanical property and microstructure of additively manufactured Fe-4.5Si alloy was investigated. Because of the ordered phase initiation after annealing, the hardness of additively manufactured Fe-4.5Si alloy increased up to 1173 K while a hardness drop occurs at the 1273 K condition due to the micro-crack initiation. The response surface methodology result represents the 1173 K-5 h sample is an optimal condition to maximize the mechanical property of additively manufactured alloy without micro-cracks.

1. 서론

최근 기후변화로 인한 이상기후 빈도가 증가함에 따라 탄소배출량의 제어를 위한 전기차에 대한 관심이 증가되고 있으며, 이에 따라 전기차 구동계의 핵심소재 및 부품에 대한 연구수요가 크게 증가하고 있다 [1,2]. 특히, Fe-Si 합금계는 우수한 전자기적 성질, 높은 전기 저항성 및 낮은 자기 변형으로 인해 전자기 모터용 소재 후보군으로 꼽히고 있으며, 많은 전기차 제조업체에서 Fe-Si 합금에 기반한 모터 코어 설계를 시도하고 있다 [3,4]. 그러나, 높은 Si 첨가량 (> 3 wt%)에 의해 Fe-Si 합금은 취성이 발생하므로 부품 가공에 어려움이 존재하는 문제가 발생하게 된다 [5]. 따라서, 복잡한 형상의 전기차 부품을 제조하기 위해 최근 전통적인 제조 공법을 탈피해 적층제조에 기반한 부품 조형이 많이 시도되고 있다 [6-8].

레이저 기반 적층제조 공정은 조형 중 빠른 용융 및 냉각속도를 보여 취성을 갖는 ordered 상(e.g. B2, DO₃)의 형성을 억제해 조형 직후 연신율 저하 및 크랙 형성을 막을 수 있으므로 복잡한 형상의 전기차 부품을 제조할 수 있다 [9]. 대표적으로 Garribaldi et al. 그룹에서는 laser-powder bed fusion (L-PBF) 공정 처리된 Fe-6.9Si 합금의 자기적 특성을 검증했으며, as-built Fe-6.9Si 조형체의 특성이 상용 소재와 유사함을 확인하였다 [10]. 또한, Plotkowski et al. 연구그룹은 레이저 스캔 전략에 따른 L-PBF 공정 처리된 Fe-3Si 합금의 연자성 특성에 대해 조사했고 레이저 스캔에 따른 미세조직 변화가 연자성 특성에 영향을 미침을 확인할 수 있었다 [11]. 따라서, 적층제조 조형 후 자성 제어를 위해서는 미세조직 제어가 중요함을 알 수 있고 이를 위해 조형체에 대한 후열처리가 중요한 이슈로 대두된다.

따라서 일부 적층제조 후 열처리 변화에 대한 연구가 수행되었으며, Haines et al.은 <001> 방향으로 제어된 집합조직으로 인한 연자성의 저하를 억제하기 위해 열처리를 수행하였고 이에 따른 재결정 거동시 geometrically necessary dislocation 및 결정립 크기 변화에 대해 분석하였다 [12]. 다만, 상기 결과를 제외하고는 아직까지 Fe-Si 적층제조 조형체의 열처리 공정에 대한 결과는 보고되지 않는 상황이며, 특히 최적 열처리 조건에 대한 공정 최적화 역시 거의 이루어지지 않은 실정에 있다. 이에 본 연구에서는 이전 연구에서 수행된 L-PBF 공정 처리된 Fe-4.5Si 합금의 공정최적화 조건에 기반 [13], 해당 조형체에 다양한 열처리 조건을 적용하여 기계적 특성 데이터베이스를 획득 후, 실험계획법 중 하나인 반응표면분석법(Response Surface Methodology; RSM)을 적용해 최적의 공정 조건을 탐색하였다.

2. 실험 방법

본 연구에서 사용된 Fe-4.5Si 합금분말(MK Metal, Korea)은 가스 아토마이징 공법으로 제조되었으며, Fig. 1(a)과 같이 대체로 구형의 형상을 가지는 것을 확인할 수 있다. Fig. 1(b)는 레이저 입도 분석기(CILAS 1090 LD Shape Analyzer, 3P Instruments, Germany)를 이용해 측정된 합금분말의 입도 분포도를 나타내며 D₁₀ = 19.16 μm, D₅₀ = 32.13 μm, D₉₀ = 49.58 μm로 L-PBF 에 적합한 것으로 확인되었다. 기존 동일 연구그룹에서 수행한 Fe-Si 합금 L-PBF 공정 최적화 관련 선행연구 결과에 기반해 최적화된 공정조건으로 L-PBF 장비(M-lab 200R, GE Additive, USA)를 활용해 시험편을 제조했으며, 세부 공정변수는 표 1과 같이 요약할 수 있다 [13]. 적층제조 중 시험편의 산화를 막기 위해 Ar 분위기를 제어하며 0.2% 이하의 산소농도를 유지했으며, 조형치 내 이방성 및 잔류 응력 집중을 막기 위해 Fig. 2(a)와 같이 체스보드 패턴의 레이저 스캔을 수행하고 각 레이어마다 90º 씩 시계방향을 회전시키며 적층을 진행했다. 원활한 미세조직 분석 및 기계적 특성 평가를 위해 Fig. 2(b)와 같이 8 mm(가로) x 12 mm(세로) x 45 mm(높이) 크기의 직육면체 시험편을 조형해 충분한 조형체 크기를 확보했으며, 열처리 조건에 따른 기계적 특성 및 미세조직의 변화를 관찰하기 위하여 Ar 분위기 하에서 표 2의 조건과 같이 열처리 수행 후 공냉하였다. 분석을 위해 SEM(JSM-7900F, JEOL, Japan)을 이용하여 변형 후 인장시험편을 관찰하였다.

Fig. 1 (a) The scanning electron microscope (SEM) micrograph and (b) particle size distribution histogram of the Fe-4.5Si pre-alloyed powder.

Fig. 2 (a) Schematic of laser-powder bed fusion (L-PBF) machine with a 90º rotation laser scan strategy and (b) the image and schematic of as-built Fe-4.5Si samples.

Table 1 Optimized processing parameter for L-PBF processed Fi-4.5Si samples.

Table 2 Summary of heat treatment conditions for Fe-4.5Si sample.

Fe-4.5Si 조형체의 열처리 조건에 따른 기계적 특성 변화를 확인하기 위해 비커스 경도 시험기(HV-114, Mitutoyo, Japan)를 활용해 경도를 측정했다. 조형체 적층 방향에 따른 경도 편차를 줄이기 위해 각 시편의 적층 방향면(Building Direction; BD)을 따라 경도를 측정했으며, 1 kgf의 하중으로 10 초 동안 압입하여 12 회 측정 후 최대, 최소값을 제외한 평균값을 사용했다. 해당 경도 데이터를 기반으로 최적의 열처리 조건을 도출하기 위해 중심합성계획법(Central Composition Method; CCM)에 기반한 RSM 을 적용했으며, 원활한 결과 예측을 위해 상용 소프트웨어인 미니탭(Minitab)을 활용했다.

또한, 기계적 특성 변화와 연관 짓기 위해 주사전자현미경(Scanning electron microscope; SEM, JEOL-L7900F, JEOL, Japan) 및 투과전자현미경(Transmission electron microscope; TEM, TF30ST, FEI, USA)을 활용해 수행되었다. 첫번째로 조형 후 및 열처리 이후 결정립 크기 변화를 확인하기 위해 Electron Backscatter Diffraction (EBSD; C-Nano, Oxford Instruments, UK) 분석을 수행하였으며, L-PBF 공정 후 as-built 상태에서 기지 내 원소 분포의 불균질성을 검증하기 위해 Energy Dispersive Spectroscopy (EDS; Xplore, Oxford Instrument, UK)분석을 수행했다. SEM 관찰 중 스크래치 및 손상면에 의한 오류를 최대한 줄이기 위해 기계적 연마 및 콜로이달 연마를 함께 수행하였다. 두번째로 열처리 이후 기지 내 나노크기로 분포하는 B2 이차상의 유무를 확인하기 위해 TEM을 활용한 회절 패턴 분석을 수행하였다. 원활한 TEM 관찰을 위해 각 열처리된 시험편의 기지 내에서 Focused-Ion Beam (FIB; AMBER G, TESCAN, Czech Republic) 장비를 활용해 100 nm 이하의 두께를 가지는 시편을 획득하였다.

3. 실험 결과 및 고찰

Figure 3은 as-built Fe-4.5Si 합금의 적층 방향면에서 확인한 EDS 원소분포 분석 결과로 기지 내에 Fe, Si 원소가 편석을 형성하지 않고 일정하게 분포함을 확인할 수 있다. 상기 원소분포 분석 결과에 기반해 Fe-Si 계열 합금의 레이저 기반 적층제조 시 원소 불균일성에 따른 효과는 무시할 수 있는 것으로 확인하였다. Figure 4는 열처리 온도와 시간에 따른 상대밀도의 변화를 나타내며, 열처리 온도 증가에 따라 소결효과로 인한 lack of fusion 분율의 감소에 의해 상대밀도 증가가 일어나게 된다. 다만, 1273 K 조건에서는 상대밀도의 급격한 감소가 발생하게 되는데, 이는 Fe-Si 합금의 열처리 중 발생하는 B2 ordered 상이 취성을 유발하는데 기인한다 [6].

Fig. 3 Representative elemental distribution map of the as-built Fe-4.5Si sample.

Fig. 4 Relative density of the additively manufactured Fe-4.5Si alloy as the heat treatment conditions changes.

Figure 5(a)는 열처리 온도와 시간에 따른 경도 값을 나타낸 그래프로 동일한 열처리 시간을 적용할 때 열처리 온도가 증가함에 따라 경도 값이 증가하는 경향을 볼 수 있다. 다만, 7 시간 열처리 조건에서는 열처리 온도가 1173 K까지 경도가 증가하다가 떨어지는 경향을 보이는데, 이는 1273 K 열처리 조건에서 형성되는 미세크랙의 분율이 열처리 시간이 증가함에 따라 증가하기 때문이다. 두번째로 동일한 열처리 온도에서 열처리 시간에 따른 경도 변화를 볼 경우, 5시간까지 열처리가 될 경우 경도가 증가하다가 7시간까지 열처리 시 오히려 경도가 감소하는 경향을 확인할 수 있다. 상기 결과를 통해 열처리 온도 및 시간에 따른 경도 데이터베이스를 확보했으며, 각 변수의 변화에 따른 경도 변화를 확인할 수 있지만 최적의 조건을 직관적으로 확인하는데 어려움이 있다. 이를 해결하기 위해 Minitab 소프트 웨어를 활용한 RSM 예측을 수행했으며, Figure 5(b)는 온도 및 시간에 따른 Fe-4.5Si 합금의 경도 변화를 예측한 분포도이다. RSM 예측 범위 설정 시 1273 K 조건에서는 Figures 3, 4(a)와 같이 시험편에서 미세크랙이 형성되어 상대밀도 및 경도가 떨어지는 경향이 관찰되므로, 건전치 못한 열처리 조건을 제외하기 위해 3-7 시간, 973-1173 K의 온도 범위에서 RSM을 수행하였다. 상기 범위에서 RSM을 수행한 결과, 1173 K 온도 미세크랙 없이 가장 높은 기계적 특성을 보임을 확인할 수 있으며, 5시간에서 가장 높은 경도를 획득함을 확인할 수 있다. 이에 본 연구에서는 RSM 예측에서 최적 조건으로 선정된 1173 K, 5시간 열처리 조건을 중심으로 열처리 온도 변화에 따른 미세조직의 변화에 대해 추가로 분석을 수행했다.

Fig. 5 (a) The average hardness changes of Fe-4.5Si as the heat treatment conditions changes and (b) the hardness contour plot of heat-treated Fe–4.5Si samples estimated by RSM.

Figure 6는 as-built 및 열처리 조건에 따른 L-PBF 공정 처리된 Fe-4.5Si 합금 조형체의 EBSD inverse pole figure (IPF) 분포도 분석 결과로 as-built 상태인 Fig. 5(a)에서는 레이저 기반 적층제조 중 발생하는 강한 열구배의 영향으로 인해 (001)면이 발달한 집합조직이 발달하는 것을 확인할 수 있다. 이후 열처리가 진행될 경우, 열처리 온도 증가에 따라 (001)면의 비율이 감소하는 것을 확인할 수 있고 이는 Fe-4.5Si 합금 기지 내 재결정에 의한 것으로 예상된다. 다만, 열처리 온도 증가에 따른 결정립 크기의 정량적 변화는 IPF 맵을 통해 확인하기 어렵기 때문에 온도 변화에 따른 평균 결정립 변화를 Figure 6과 같이 확인하였다. 일반적으로 적층제조를 통해 제작된 샘플의 열처리 이후 결정립 성장, 전위밀도 감소등의 이유로 경도 값이 감소하는 경향을 보이는 것으로 알려져있는데, Figure 7에서는 열처리 이후 평균 결정립 크기가 5~15% 증가함에도 불구하고 경도 값이 약 10% 증가하는 결과를 나타낸다. 이는 Si 함량이 3 wt% 이상의 Fe-Si 합금내에 ordering에 의해 B2, DO3 상의 형성으로 인해 경도가 증가하기 때문으로 예측된다 [14]. 다만, 현재 EBSD 분석 결과에서는 상기 ordered 상의 형성을 확인하는데 한계가 있으므로 TEM selected area electron diffraction (SAED) 패턴 분석을 추가로 진행하였다.

Fig. 6 Electron backscatter diffraction (EBSD) inverse pole figure (IPF) maps of Fe-4.5Si alloys with different heat treatment conditions. a) as-built, b) 973 K 5h, c) 1073 K 5h, d) 1173 K 5h, e) 1273 K 5h.

Fig. 7 The average grain size and hardness of heat-treated Fe-4.5Si samples with 5 hours.

Figure 8은 [001] zone-axis에서의 TEM 회절 패턴을 나타낸다. Figure 8(a)에서는 B2상의 회절 패턴을 관찰할 수 없지만, 열처리 이후의 샘플인 Fig. 8 (b), (c), (d), (e)에서는 B2상의 회절 패턴을 관찰할 수 있었다. 이러한 ordered 상의 영향으로 열처리 이후의 샘플에서 결정립의 크기가 증가함에도 경도 값이 증가한 것을 확인할 수 있었다. 따라서 본 연구에서 제작된 조형체의 열처리에 따른 기계적 특성은 미세 조직 보다 B2 ordered 상의 영향이 지배적으로 기여하는 것을 본 실험 결과를 통해 유추할 수 있다. 다만, 본 연구에서는 coupon 샘플의 열처리에 따른 경도 및 밀도만을 비교하였기 때문에 이러한 공정이 적용된 bulk 형태의 샘플에 대한 기계적 특성을 대표하기에는 한계가 존재하며, TEM 장비의 한계로 ordered 상의 크기 등 정량화가 어려운 문제가 존재해 추가적으로 이들 공정에 대한 인장 특성 및 조직 정량화 등의 연구가 필요할 것으로 예상된다.

Fig. 8 TEM SAED pattern of Fe-4.5Si alloys with different heat treatment conditions. a) as-built, b) 973 K 5h, c) 1073 K 5h, d) 1173 K 5h, e) 1273 K 5h. f) diagram of B2 phase diffraction pattern

4. 결론

본 연구에서는 L-PBF 공정 처리된 Fe-4.5Si 합금의 후열처리 후 기계적 특성 및 미세조직 변화에 대해 확인했으며, 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.

(1) L-PBF 공정 처리된 Fe-4.5Si 합금의 후열처리시 온도 증가에 따라 평균 결정립 크기가 큰 차이가 없음에도 불구하고, B2 ordered 상의 형성으로 인해 경도가 증가함을 확인할 수 있었다. 다만, 1273 K 조건에서는 과도한 열처리 온도로 인해 B2 ordered 상이 형성됨과 동시에 미세 크랙이 형성되어 기계적 특성에 나쁜 영향을 미침을 확인하였다.

(2) As-built 상태의 Fe-4.5Si 합금의 경우 적층제조 중 발생하는 열구배로 인해 (001)면에 대해 강한 집합조직을 가지고 있으나, 열처리가 진행됨에 따라(001)면의 비율이 감소하므로 적층제조 공정으로 형성된 이방성이 약화됨을 검증하였다.

(3) 열처리 온도 및 시간에 따른 경도 데이터베이스를 활용하여 RSM 기반 공정최적화를 수행한 결과, 1273 K, 5 시간 열처리를 수행 시 가장 높은 경도가 나올 것으로 예측되었지만 열처리 중 발생하는 미세크랙을 고려할 경우 1173 K, 5 시간 조건에서 최적의 물성이 관찰되었다.

후기

J.G.K. acknowledges the financial support from the National Research Foundation of Korea (NRF) grant funded by the Korean government (MSIT) (2022R1G1A1007479). This study also financially supported by the “Leaders inIndustry-university Cooperation 3.0 (LINC 3.0)” project, supported by the ministry of education and NRF.