Tailoring Microstructure and Corrosion Performance of In-Situ Alloyed Ti-5Cu-1Si Alloy via Laser Powder Bed Fusion: Impact of Volumetric Energy Density

티타늄은 그 강도와 인체 내부에서 평화롭게 공존할 수 있는 능력 덕분에 엔지니어와 의사들이 사랑하는 금속입니다. 티타늄은 체액에 저항하고 쉽게 녹슬지 않기 때문에 인공 고관절이나 치과용 임플란트의 데로 선택되는 재료입니다. 그러나 환자 개개인에게 맞춘 복잡한 형상의 티타늄 부품을 만드는 것은 주조나 절삭과 같은 전통적인 방식을 사용하면 종종 어렵고 비용이 많이 듭니다. 최근 몇 년 동안, 레이저 분말 베드 융합(laser powder bed fusion)이라는 기술이 강력한 대안으로 등장했습니다. 이 과정은 고정밀 3D 프린터처럼 작동하며, 초점이 맞춰진 레이저 빔을 사용하여 미세한 금속 분말 입자를 층층이 녹여 아래에서부터 위로 단단한 물체를 쌓아 올립니다. 이 방법은 놀라운 설계 자유도를 제공하지만, 급격한 가열과 냉각 과정이 포함되어 금속의 미세 구조가 완벽하게 균일하지 않을 수 있으며, 때로는 원하는 것보다 더 약하거나 부식에 취ずつ 취약해질 수 있습니다.

연구자들은 인쇄 전 분말에 직접 다른 원소들을 혼합함으로써 이러한 인쇄된 금속을 개선하는 방법을 탐구해 왔습니다. 유망한 조합 중 하나는 티타늄에 구리와 실리콘을 첨가하는 것입니다. 구리는 박테리아와 싸우는 능력이 있는 것으로 알려져 있어 의료용 임플란트에 큰 이점이 되며, 실리콘은 금속을 강화하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 문제는 인쇄 과정 중에 이 서로 다른 원소들을 완벽하게 혼합하는 것입니다. 만약 이들이 잘 섞이지 않으면, 섞이지 않은 물질의 작은 주머니들이 형성되어 부식이 시작될 수 있는 약점을 만들 수 있습니다. 이 퍼즐을 해결하는 열쇠는 전달되는 레이저 에너지가 최종적인 금속 구조에 어떤 영향을 미치는지 이해하는 데 있습니다.

최근 한 연구에서 연구팀은 인쇄 과정 중에 사용되는 에너지의 양이 구리와 실리콘을 포함한 새로운 티타늄 합금의 품질에 어떻게 영향을 미치는지 조사했습니다. 그들은 체적 에너지 밀도(volumetric energy density)라고 불리는 특정 척도에 집중했는데, 이는 본질적으로 주어진 부피의 재료에 얼마나 많은 레이저 출력이 가해지는지를 설명합니다. 이 새로운 합금 샘플을 세 가지 다른 에너지 조건으로 인쇄함으로써, 연구진은 금속의 내부 구조가 어떻게 변하는지, 그리고 그 변화가 인체의 체액과 유사한 소금물 환경에서 부식에 저항하는 능력에 어떤 영향을 미치는지 관찰할 수 있었습니다.

연구진은 순수 티타늄과 새로운 티타늄-구리-실리콘 합금으로 된 작은 정육면체를 인쇄하며 시작했습니다. 그들은 레이저를 사용하여 분말을 녹였으며, 레이저 속도와 전달되는 출력을 세심하게 조절하여 세 가지 뚜렷한 에너지 조건을 만들었습니다. 가장 낮은 에너지 설정은 기준점이 되었고, 나머지 두 설정은 훨씬 더 많은 열을 제공했습니다. 또한 연구진은 순수 티타늄을 가장 낮은 에너지와 가장 높은 에너지 설정에서 인쇄하여, 첨가 원소들이 순수 티타늄과 비교하여 금속의 거동을 구체적으로 어떻게 변화시키는지 확인했습니다. 인쇄 후, 그들은 강력한 현미경으로 샘플을 검사하고 소금물 용액에서 테스트하여 금속이 녹에 얼마나 잘 견디는지 측정했습니다.

그들이 발견한 것은 사용된 에너지의 양이 금속의 내부 구조에 극적인 차이를 만든다는 것이었습니다. 가장 낮은 에너지 수준에서 금속은 완벽하게 혼합되지 않았습니다. 현미경 관찰 결과, 원래의 티타늄 분말 입자 일부가 완전히 녹지 않았으며, 구리와 실리콘이 재료 전체에 고르게 퍼지지 않았음이 드러났습니다. 대신, 이 원소들은 별도의 영역에 뭉쳐져 있어 서로 다른 성분들이 섞인 패치워크 형태를 만들었습니다. 이러한 불균일함은 문제가 될 수 있는데, 금속의 각 부분이 물과 염분에 다르게 반응하여 국부적인 부식을 일으킬 수 있기 때문입니다. 그러나 연구진이 에너지 밀도를 높이자 금속은 훨씬 더 균일해졌습니다. 높은 열은 분말 입자가 완전히 녹도록 허용했고, 구리와 실리콘 원자가 고르게 퍼질 수 있는 충분한 시간을 주어 덩어리를 제거하고 균질한 혼합물을 만들어냈습니다.

이러한 혼합의 변화는 또한 금속을 구성하는 작은 결정인 금속의 결정립(grains)의 모양과 크기를 변화시켰습니다. 저에너지 샘플에서는 결정립이 크고 긴 기둥 형태로 길게 늘어져 있었습니다. 에너지가 증가함에 따라 이 기둥들은 재료 전체에 고르게 분포된 더 작고 둥근 결정립들로 부서졌습니다. 평균 결정립 크기는 크게 줄어들어, 저에너지 샘플의 거의 5 마이크로미터에서 고에너지 샘플의 2 마이크로미터 미만으로 떨어졌습니다. 이러한 결정립 미세화는 결정립이 작고 균일할수록 일반적으로 금속이 더 강해지고 손상에 잘 견디게 된다는 점에서 중요합니다.

연구는 또한 냉각 중에 형성되는 금속의 상(phases), 즉 상태에 대해서도 살펴보았습니다. 티타늄는 냉각 속도에 따라 다양한 구조적 형태를 가질 수 있습니다. 저에너지 샘-플은 매우 빠르게 냉각되었기 때문에, 용해된 구리와 실리콘이 풍부하지만 구조적으로 불안정한 비평형 상(non-equilibrium phase)을 많이 포함하고 있었습니다. 이 상은 더 반응성이 높고 부식되기 쉽습니다. 반면, 고에너지 샘플은 더 천천히 냉각되어 구리와 실리콘이 더 안정적인 배열로 자리 잡을 수 있었습니다. 이는 결과적으로 부식에 더 잘 견디는 안정적인 상의 비율을 높였습니다. 연구진은 금속의 결정 격자 내부에 있는 내부 응력을 측정하였고, 고에너지 샘플이 훨씬 적은 내부 변형을 가지고 있다는 것을 발견했는데, 이는 더 완화되고 안정적인 구조를 나타냅니다.

이 샘플들을 소금물에서 테스트했을 때, 성능의 차이는 명확했습니다. 높은 에너지 밀도로 인쇄된 샘플들은 부식에 대한 저항력이 훨씬 강했습니다. 금속이 녹슬 가능성을 나타내는 척도인 부식 전위는 더 양(+)의 값으로 이동하여 더 높은 안정성을 나타냈습니다. 더 중요한 것은 금속이 부식되는 속도가 현저히 감소했다는 점입니다. 고에너지 샘 샘플은 저에너지 샘플보다 5배 이상 느린 속도로 재료가 손실되었습니다. 이러한 개선은 금속 표면에 더 나은 보호막이 형성된 것과 직접적으로 연결되어 있었습니다. 균일한 구조와 안정적인 상 덕분에 얇고 보호적인 산화층이 더 효과적으로 형성되어, 짠물로부터 방패 역할을 할 수 있었습니다.

연구진은 인쇄 중에 사용하는 에너지를 단순히 높이는 것만으로도 금속의 특성을 변화시키기에 충분하다는 결론을 내렸습니다. 충분한 열을 제공하여 완전한 용융과 혼합을 보장하고, 약간 더 느린 냉각 속도를 허용함으로써, 섞이지 않은 원소와 불안정한 상으로 인한 약점을 제거할 수 있었습니다. 이 접근 방식은 인쇄 후 추가적인 열처리를 필요로 하지 않으므로 시간과 비용을 절감할 수 있습니다. 이 연구 결과는 에너지 입력을 정밀하게 제어함으로써, 제조업체들이 강하면서도 항균 능력을 갖추고 인체의 부식성 환경에 매우 잘 견디는 티타늄 임플란트를 생산할 수 있으며, 이는 잠재적으로 더 오래 지속되고 더 안전한 의료 기기로 이어질 수 있음을 시사합니다.