L-PBF 공정으로 제조된 Fe-15Cr-7Ni-3Mn 합금의 상온 및 극저온(77K) 기계적 특성

Mechanical Properties of the Laser-powder Bed Fusion Processed Fe-15Cr-7Ni-3Mn Alloy at Room and Cryogenic Temperatures

Abstract

Additive manufacturing with 3XX austenitic stainless steels has been widely investigated during a decade due to its high strength, good corrosion resistance, and fair weldability. However, in recently, Ni price drastically increased due to the high demand of secondary battery for electric mobilities. Thus, it is essential to substitute the Ni with Mn for reducing stainless steels price. Meanwhile, the chemical composition changes in stainless steels not only affect to its properties but also change the optimal processing parameters during additive manufacturing. Therefore, it is necessary to optimize the processing parameters of each alloy for obtaining high-quality product using additive manufacturing. After processing optimization, mechanical properties and microstructure of the laser-powder bed fusion processed Fe-15Cr-7Ni-3Mn alloy were investigated in both room (298 K) and cryogenic (77 K) temperatures. Since the temperature reduction affects to the deformation mechanism transition, multi-scale microstructural characterization technique was conducted to reveal the deformation mechanism of each sample.

1. 서론

최근 레이저 기반 적층제조 공정은 복잡한 형상의 제품을 Computer-aided Design (CAD) 데이터 기반으로 한 번에 제작할 수 있을 뿐 만 아니라, near-net shape 성형에 따라 스크랩을 최소화하면서 기계가공 공정을 대폭 줄일 수 있는 장점이 있다[1-3]. 상기 장점에 의해 최근 다양한 금속소재에 대한 적층제조 적용성이 평가되고 있으며, 3XX계 스테인리스강은 고합금강임에도 불구하고 우수한 용접성을 가지고 있어 적층제조 공정 적용성에 대한 많은 평가가 다수 이루어졌다[4-6]. 레이저 기반 적층제조로 제작된 스테인리스강은 공정 중 빠른 냉각속도와 온도 구배의 영향으로 전위 셀, 편석, 석출상 등 멀티스케일 비평형 (Non-equilibrium) 미세구조를 형성한다[7-9]. 이들 비평형 미세조직은 결정립계 강화기구 및 역응력 강화기구를 포함한 다수의 강화현상을 유발해 적층제조 공정된 스테인리스강이 기존 스테인리스강 벌크재 대비 우수한 기계적 특성을 가지는데 기여한다[10, 11].

상기와 같은 우수한 기계적 특성에 의해 지난 10여년 간 3XX계 스테인리스강을 활용한 적층제조 공정 및 조형체 제조가 이루어져왔다. 그러나, 최근 탄소중립 달성을 위한 전기자동차 수요의 증가로 배터리 핵심소재인 Ni의 수요가 급증해 원자재 가격이 증가함에 따라 높은 Ni함량이 요구되는 3XX계 오스테나이트 스테인리스강의 가격 역시 증가하고 있다[12, 13]. 따라서, 스테인리스강의 가격 경쟁력을 확보하기 위해 Ni의 함량을 낮추고 Mn을 첨가한 2XX계 스테인리스강 역시 많은 연구개발이 이루어 졌다[14, 15]. 2XX계 스테인리스강은 기존 3XX 스테인리스강 대비 Ni 함량을 낮추고, Mn 함량을 증가시킴에 따라stacking fault energy (SFE) 및 상 안정성이 달라진다. 상기 함량 및 SFE 차이에 의해 2XX계 스테인리스강은 3XX계 스테인리스강 대비 용접성과 부식 저항성이 감소하지만, 유기쌍정변형 및 상변태에 의한 강화현상에 의해 3XX계 스테인리스강에 준하는 기계적 특성을 보이는 물성을 보이기에 저가형 소재 개발을 위한 연구가 수행되었다[16, 17].

이에 맞추어 최근 2XX계 스테인리스강을 적층제조 공정에 적용했을 때 물성 변화에 대한 연구 역시 일부 수행되었다[18-20]. 첫번째로 EBM 공정을 적용할 경우, 기존 공정에 준하는 기계적 특성을 나타낼 뿐 만 아니라 일부 적층제조 후 결함 (공공, 미용융분말)이 있음에도 물성 저하가 크지 않음을 확인했다[18, 19]. 또한, Laser powder bed fusion (L-PBF) 공정으로 제작된 15Cr-6Ni-6Mn 강은 상온에서도 기존 3XX계 스테인리스강에서는 보고되지 않았던 변형유기 상변태 (Transformation-induced plasticity)가 발생하고, 이에 따른 물성의 향상이 일어남을 확인하였다[20].

하지만, 대부분의 연구결과는 2010년대 후반 들어서야 보고가 될 만큼 2XX계 스테인리스강을 적층제조 공정에 적용한 연구는 거의 이루어지지 못하였다. 특히, 극저온 환경에서는 전위 회복이 거의 이루어지지 못해 높은 전위집중이 일어나면서 강도 향상과 함께 급격한 연신율 감소가 일어날 수 있다[21, 22]. 하지만 언급이 되었듯이 2XX계 스테인리스 강의 경우 적층제조 공정최적화 및 물성 평가에 대한 연구가 제한적으로 되었기에 극저온 물성에 대한 평가 역시 부족한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 L-PBF 공정이 적용된 Fe-15Cr-7Ni-3Mn 합금의 상온 및 극저온 환경에서의 미세조직 변화와 기계적 특성에 대해 분석하였다.

2. 실험 방법

본 연구에서는 가스분사법으로 제조된 Fe-15Cr-7Ni-3Mn 합금분말 (MK metal, Korea)을 사용하였고, 합금 분말의 조성은 Table 1에 나타냈다. 향후 설명의 편의성을 위해 본문의 Fe-15Cr-7Ni-3Mn은 “1573”으로 표현하였다. Fig. 1은 합금분말의 Scanning Electron Microscope (SEM; JSM -7900F, JEOL, Japan) 이미지와 레이저 입도 분석기 (CILAS 1090 LD Shape Analyzer, 3P Instruments, Germany)를 이용하여 측정된 분말 입도 분포도를 나타낸다. Fig. 1(a)의 SEM 이미지 관찰 결과, 대부분의 분말이 구형의 형상을 가지고 있음을 확인할 수 있다. 또한, Fig. 1(b)의 입도분포와 같이 합금분말은 15 ~ 45 μm의 입자 크기를 나타내 L-PBF 공정에 사용하기 적합함을 확인할 수 있다.

Table 1 Chemical composition of initial powder (wt.%)

Fig. 1 (a) Initial morphology; (b) particle size distribution histogram of Fe-15Cr-7Ni-3Mn prealloyed powders

조형체는 L-PBF 장비 (M-Lab 200R, GE Additive, USA)를 사용해 제작했으며, 공정 중 레이저 스캔에 따른 이방성을 방지하고 잔류응력을 최소화하기 위해 각 레이어 사이에 90° 회전하여 공정을 실시했다. 또한, 해당 조성의 선행연구가 존재하지 않아 공정조건 최적화를 위해 Laser power = 150~180 W, Scan speed = 750~950 mm/s 영역에서 20개의 8×8 × 8 mm³의 정육면체 시험편을 제작하였다. 이후, 각 시험편의 특성을 평가하기 위해 상대밀도, 경도를 각각 아르키메데스법과 비커스 경도를 측정하였다. 이때, 상대밀도 계산을 위해 합금의 이론밀도 (7.80 g/mm³)를 사용하였으며, 비커스 경도 시험 (HV-114, Mitutoyo, Japan) 중 방향에 따른 편차를 줄이기 위해 적층 방향 (Building direction, BD)에서 하중 1 kgf, 10초 동안 압입하였다.

Fig. 2는 각 L-PBF 공정조건에 따른 상대밀도와 경도분포를 나타내며, 상대적으로 높은 상대밀도와 경도를 나타낸 Laser power 160~1800 W, Scan speed 800~900 mm/s 영역에서 Minitab 프로그램의 중심 합성 계획법 (Central composite method, CCM)을 이용한 반응표면분석법을 실시하였다. Fig. 3는 반응표면분석법을 통해 예측된 값과 실험값을 대조한 결과로 3% 이하의 오차를 나타내 해당 모델이 적합한 것을 확인했다. 이에 본 모델을 기반으로 상대밀도와 경도를 종속변수로 설정하고, Laser power와 Scan speed를 독립변수로 설정하여 상대밀도는 99.9%, 경도는 최대값을 목표로 최적공정조건을 도출하였다.

Fig. 2 Summarization of the (a) relative density; (b) hardness distributions of the L-PBF processed 1573

Fig. 3 Comparison between the experimental and RSM predicted values of the L-PBF processed 1573: (a) relative density; (b) hardness

Table 2는 반응표면분석을 통해 최종적으로 도출된 최적 공정조건으로 상기 조건을 활용해 Fig. 4(a)와 같이 직경 6 mm, 높이 60 mm의 원기둥 샘플을 제작하여 Fig. 4(b)와 같이 ASTM E8/E8M sub-size 규격으로 인장시편을 가공하였다. 제작된 1573합금의 인장물성 평가는 위해 인장시험기 (UT-100E, MTDI, Kor.)를 이용하여 상온 (RT, 298 K)과 극저온 (CT, 77 K)에서 진행하였다. 이 때, 인장시험 중 준정적 조건을 유지하기 위해 10^-3s^-1의 변형률 속도로 인장시험을 진행하였으며, 극저온 인장시험은 액화질소에 10분간 안정화를 진행한 이후 인장시험을 진행했다. 최종적으로 인장시험 결과의 신뢰성을 확인하기 위해 각 조건당 3회의 인장시험을 진행하였다.

Table 2 Summarization of the optimized L-PBF processing parameters for 1573

Fig. 4 Schematic of (a) rod-shaped samples manufactured by L-PBF; (b) the ASTM E8/E8M sub-sized tensile specimen

각 환경에서의 미세조직 및 상 변화가 물성에 미치는 영향을 확인하기 위해 Electron backscatter diffraction (EBSD; C-Nano, Oxford Instruments, UK) 분석을 수행했으며, 인장시험 중 온도 변화에 따른 전위 거동 차이를 확인하기 위해 Transmission electron microscope (TEM; TF30ST, FEI, USA) 관찰을 실시하였다. 이 때, TEM 관찰을 위한 시험편은 각 인장시험편의 고변형부에서 Focused Ion Beam (FIB; AMBER-G, Tescan, Czech Republic)을 이용해 가공하였다.

3. 실험 결과 및 고찰

Fig. 5는 최적공정조건으로 제작된 1573 조형체의 Invers pore figure (IPF) map, Phase map, Kernel average misorientation (KAM) map을 나타낸다. 초기 미세조직분석 결과, L-PBF 공정된 1573은 단상의 body-centered cubic (BCC) 미세조직을 가지며, 반복적인 입열과 냉각에 의해 높은 KAM을 포함해 복잡한 미세 조직을 가진다.

Fig. 5 IPF, phase, and KAM maps of the L-PBF processed 1573

Fig. 6은 1573 조형체의 인장시험 결과와 가공경화율 그래프를 나타낸다. Table 3의 물성 요약과 같이 CT는 RT에 비해 항복강도가 약 81%, 최대 인장강도 약 55%가 증가하고, 연신율 또한 약 46% 증가함을 보여준다. Fig. 6(b)에 나타낸 가공경화율 곡선은 CT에서 인장 변형 중 가공경화율이 감소하지 않고 일정하게 유지되는 영역이 관찰된다. 이는 온도 감소의 영향으로 BCC에서의 slip계가 제한되어 cross-slip이 어려워져 planar slip의 비율이 증가하게 되고, 이로 인해 전위간 상호작용의 제한되기에 나타난 것으로 예상된다[23].

Fig. 6 Representative (a) engineering stress-strain curves; (b) strain-hardening rate curves of the tensile tested 1573 samples under RT and CT

Table 3 Mechanical properties of the L-PBF processed 1573 under RT and CT

이를 확인하기 위해 각 인장시험편에서의 미세조직 변화를 확인했으며, Fig. 7은 1573의 인장 변형 후 EBSD 분석결과를 나타낸다. 그 결과, RT와 CT 환경 모두 인장방향을 따라 결정립 연신이 발생함을 확인할 수 있다. 또한, KAM map 분석 시 결정립 내부와 결정립계에 변형이 고르게 분포하는 것을 확인할 수 있는데, 평균 KAM의 역시 RT: 1.18 ± 0.1°, 1573 CT: 1.10 ± 0.12°로 오차 범위 내에 있으므로 큰 차이를 나타내지 않는다. 상기 결과를 통해 1573 소재에서 온도 변화에 따른 전위 거동 차이가 나타날 것으로 예상되지만, SEM 기반 분석에서는 전위 거동에 대한 정확한 분석에 한계가 있음을 알 수 있으므로 전위 변형거동 차이를 명확히 확인하기 위해 TEM 관찰을 실시하였다.

Fig. 7 IPF, phase, and KAM maps of tensile deformed 1573

Fig. 8은 인장 변형된 1573 시험편에서의 TEM 분석 결과로 고변형부의 bright field image를 나타낸다. Fig. 8(a)은 RT에서 1573 시험편이 변형되었을 때의 조직 변화를 나타내며, 전형적인 wavy slip 과 함께 전위 간 상호작용이 발생하여 꼬임이 관찰됨을 알 수 있다. 반면, Fig. 8(b)의 CT 환경에서 인장 변형된 1573 시험편에서는 온도 감소의 효과로 cross-slip이 억제되어 상대적으로 많은 planar slip trace가 관찰되며, 제한된 전위의 움직임으로 인해 직선형의 전위 형태가 관찰된다[24, 25]. 따라서, 1573 합금의 TEM 분석 결과를 통해 온도 감소에 따라 cross-slip 빈도가 감소하고 planar slip의 비율이 증가하는 등 전위 움직임의 차이가 발생함을 확인할 수 있었고, 해당 전위 거동에 차이에 의해 온도에 따른 물성 변화가 발생함을 예상할 수 있었다.

Fig. 8 The representative TEM bright-field micrographs of the 1573: (a) RT; (b) CT

정리하자면, BCC 단상의 미세조직을 가지는 1573 합금은 전위 slip에 지배적인 변형거동을 나타내었으며, Fig. 8의 TEM 관찰결과를 이용해 RT 및 CT 환경에서의 전위 거동 차이를 확인할 수 있었다. 이는 기존에 보고된 BCC 금속에서의 온도 변화에 따른 slip 거동 변화와 합치된다. Kaufmann은 BCC 금속은 소성 변형 시 나선전위가 정렬된 형태로 집적되며 온도 감소의 영향으로 전위의 활주가 제한됨을 보고했는데[26], 이로 인해 cross-slip이 제한되고 상온에 비해 극저온에서 전위의 길이가 길고 상대적으로 직선형의 형태를 나타내게 된다. 또한, in-situ TEM 분석 시 제한된 전위의 움직임으로 갑작스러운 전위의 jump가 발생할 수 있다는 결과 역시 알려져 있다[27]. 이전의 연구결과들과 비교해 보았을 때, L-PBF 공정으로 제조된 1573 시험편 역시 극저온 환경에서 제한된 cross-slip이 Fig. 8과 같은 선형적인 전위 배열을 유발하고 이들 제한된 전위의 움직임이 가공경화율의 상승으로 이어져 Fig. 6(a)와 같은 물성차이를 유발한 것으로 보인다.

다만, 현재까지의 결과는 단상의 BCC 구조를 갖는 소재에 국한하여 분석되었으므로 향후 2XX계 스테인리스강 기반 적층제조 공정 결과에 대한 타당성 검토를 위해서는 다상의 구조를 갖은 철강소재에 대한 추가적인 가공 및 검증이 필요할 것으로 예상된다.

4. 결론

본 연구에서는 반응표면분석법을 통해 1573 시험 편의 L-PBF 공정조건 최적화를 수행하였으며, 최적 조건으로 조형된 합금의 미세조직과 기계적 특성 사이의 상관관계를 분석하였다. 상기의 시험분석 결과, 하기와 같은 결론을 도출할 수 있었다.

(1) 반응표면분석법을 활용해 CCM 모델을 구성한 결과, 실험치와 3% 이하의 오차를 보임을 확인할 수 있다. 상기 모델을 이용해 L-PBF 공정으로 제조된 1573 합금의 최적 공정조건은 Laser power = 160 W, Scan speed = 800 mm/s로 도출되었다.

(2) 고가의 Ni를 상대적으로 저가의 Mn으로 치환함에 따라 상 안정성이 감소된 1573 합금은 최적조건으로 L-PBF 공정 시 BCC 단상의 미세조직을 가지고 있다.

(3) L-PBF으로 제조된 1573은 전위 slip에 지배적인 변형거동을 나타내며, RT에서는 wavy slip이 발생하였으나 CT에서는 제한된 cross-slip에 따라 planar slip 거동이 관찰되었다.

(4) CT 환경에서는 RT 조건에 비해 제한된 전위 거동으로 인해 선형의 전위배열이 관찰되며, 이에 따른 가공경화율이 증가됨에 따라 우수한 강도 및 연신율을 보인다.

후기

J.G.K. acknowledges the financial support from the National Research Foundation of Korea (NRF) grant funded by the Korean government (MSIT) (2022R1G1A1007479).