가. Stellite21 분말의 가열 온도에 따른 소결특성 분석 방법
전자빔을 이용하는 분말 베드 융해형 금속 적층 제조 공정은 적층중 금속 분말의 비산을 억제하기 위하여 예열을 통한 분말간의 약한 소결상태를 생성하여야 한다. 선 행 연구들에서는 EBM 공정에서의 예열 온도의 범위를 0.4 - 0.6 Tm 으로 제시하였다.94 그러나 적층 재료의 종류, 성분비 및 분말의 크기에 따라 소결 특성이 현저히 달라지 므로 적층에 사용하고자 하는 재료의 주위 온도에 따른 소결 특성 분석이 필요하다.
이 연구에 사용되는 Stellite21 분말에 대한 가열 온도에 따른 분말 소결특성 변화 분석 실험을 하였다. 실험 절차는 Fig. 16 과 같다.
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Fig. 16 Procedure of sintering experiments
Stellite21 분말의 가열 온도에 따른 소결 특성 분석 실험 Set-up 은 Fig. 17 과 같다.
Stellite21 분말의 가열 온도에 따른 소결특성 분석 실험에서는 온도 측정 및 제어의 용 이성을 고려하여 실시간 온도 측정 장치와 측정된 온도를 기준으로 레이저 출력이 제 어 가능한 레이저 보조가공 머시닝 시스템을 이용하였다.95 레이저 종류는 다이오드 레 이저 (Diode laser) 이며 최대 출력, 파장 범위 및 빔 품질은 각각 4 kW, 900 - 1,030 nm 및 20 - 150 mm·mrad 이다. 레이저 시스템과 연동된 온도 측정 장치는 LASCON infrared pyrometer 이다. 온도 측정 범위, 정밀도 및 분해능은 각각 100 - 2,200 C, 2 C 및 0.2 ms 이하 이다. 실험에 사용된 시편은 Fig. 18 과 같다. 실험에 적용된 분말층의 두께는 0.5 mm 이다.
Fig. 17 Experimental set-up for sintering experiments
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(a) Design of specimen (b) Fabricated specimen Fig. 18 Specimen of sintering experiments
소결 실험은 시편에 Stellite21 분말을 도포한 후 레이저 시스템을 통하여 30 초 동 안 한점을 가열한 후 분말의 소결상태를 분석하였다. 실험에 적용된 온도 범위는 610 - 1,860 oC 이다.
나. Stellite21 분말의 가열 온도에 따른 소결 특성 분석 실험 결과 및 고찰
Stellite21 분말의 가열 온도에 따른 소결 특성 분석 실험을 수행하고 표면의 상태 변화를 Fig. 19 와 같이 분석/고찰하였다. 실험 결과 Stellite21 분말은 표면의 평균온도 가 750 oC 이상으로 가열 되어야 소결되기 시작함을 알 수 있었다. 또한 표면의 평균 온도가 890 oC 이상으로 가열될 경우 빔이 조사된 영역의 대부분이 소결되는 것을 알 수 있었다. 표면의 평균온도가 1,295 -1,580 oC 일 때에는 분말 외부가 변색 되는 것 외 에는 큰 변화가 없지만, 표면의 평균온도가 1,720 oC 이상에서 분말층의 일부분이 과도 하게 용융되어 구형 형태로 뭉치게되는 볼링 (Balling) 결함이 발생하는 것을 확인할 수 있었다.
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Fig. 19 Variation of surface of the powder layer according to heating temperature
광학현미경을 사용하여 Stellite21 분말의 가열온도에 따른 표면부 분말 결합 형태 의 변화를 Fig. 20 과 같이 관찰하였다. 이 관찰 결과로부터 Fig. 21 과 같이 Stellite21 분말 가열 온도 영역별로 4 가지의 분말 상태를 도출할 수 있었다. 첫번째 상태는 Stellite21 분말을 가열했으나 분말의 변화가 발생하지 않는다. 표면 평균 온도가 610 oC 이하로 가열하였을 때 분말 표면의 일부가 산화되어 표면이 변색 되었으나, 분말의 소 결은 발생하지 않는 것을 알 수 있었다. 두번째 상태는 균일하게 도포된 분말층에서 크기가 작은 분말의 일부가 국부적으로 용융 결합되어 분말에 약한 소결층이 생성 되 는 것을 알 수 있었다. 분말 표면의 평균온도가 750 - 1,030 oC 범위로 가열할 경우 분 말의 일부가 용융되어 소결층이 생성됨을 알 수 있었다. 세번째 상태에서는 Stellite21 분말이 용융되어 덩어리가 형성된다.
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Fig. 20 Morphologies of powders for different heating temperatures
표면의 평균온도가 1,160 - 1,580 oC 범위에서 분말이 가열될 경우 분말층의 일부 분말이 완전히 용융 되는 것을 알 수 있었다. 마지막 상태에서는 Stellite21 분말이 국 부적으로 과도 용융되어 큰덩어리로 뭉치는 볼링 결함이 발생한다. 표면의 평균온도를 1,720 oC 이상으로 가열할 경우 분말 층의 일부가 과도 용융된 후 구형으로 결합하여 볼링 결함이 발생하는 것을 알 수 있었다. 재료의 용융온도인 1,295 oC 보다 낮은 온도
Fig. 21 Influence of heating temperature on the state of powder
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인 1,160 oC 부터 분말이 용융되기 시작하는 이유는 Fig. 22 와 같이 레이저 가열시스템 특성상 일시적으로 목표온도보다 높게 가열되는데 이로인하여 재료가 용융되는것으로 사료된다.
이 결과들로부터 Stellite21 분말에 소결층을 생성하기 위해서는 750 oC 정도로 분 말을 가열하여야 함을 알 수 있었다.
Fig. 22 Measured temperature during sintering experiment
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