Wire arc directed energy deposition of 18Ni-350 maraging steel: process optimization, mechanical properties and aging response

우리가 거대한 금속 덩어리에서 깎아내거나 용융된 금속을 틀에 붓는 대신, 마치 중장비를 위한 3D 프린터처럼 층을 쌓아 올려 거대하고 복잡한 금속 물체를 만들 수 있는 세상을 상상해 보십시오. 이것이 바로 적층 제조(Additive Manufacturing)의 영역입니다. 어떤 3D 프린터는 레이저를 사용하여 아주 작은 금속 분말을 녹이는 반면, 다른 것들은 거대한 로봇 용접 토치를 사용하여 와이어를 녹이며 쌓아 올립니다. 이 특정 방식은 와이어 아크 직접 에너지 퇴적(WA-DED)이라고 불립니다. 이것은 마치 매우 정밀하고 초고속인 '핫 글루 건(hot glue gun)'과 같지만, 풀 대신 녹은 강철을 내뿜는 형태라고 생각하면 됩니다.

여기서 다루는 재료는 "마라징 강(maraging steel)"이라는 특별한 종류의 강철입니다. 그 이름은 "마르텐사이트(martensite, 매우 강력한 결정 구조)"와 "에이징(aging, 열을 가하고 일정 시간 두면 더욱 강해지는 과정)"의 합성어처럼 들립니다. 이 강철은 믿기 힘들 정도로 질기고 강해서 로켓 부품이나 고성능 공구에 사용되는 종류입니다. 하지만 용접 토치를 이용해 이 특정 강철을 출력하는 것은 까다로운 일입니다. 만약 "글루 건"이 흔들리거나 열 조절이 잘못되면, 금속이 약해지거나 구멍이 생길 수 있습니다. 과학자들은 이 과정을 안정적으로 구현하기 위해 속도, 열, 그리고 와이어 속도의 완벽한 레시피를 찾아내기 위해 노력해 왔습니다. 이것이 바로 연구자들이 해결하고자 했던 퍼즐입니다.

위대한 금속 프린팅 퍼즐

이 연구에서 포르투갈의 연구팀은 금속 프린팅 과정을 하나의 거대한 과학 실험처럼 다루기로 했습니다. 그들은 와이어 공급 방식의 용접 토치를 사용하여 18Ni-350 마라징 강을 출력하기 위한 "골디락스(Goldilocks, 딱 적당한)" 설정을 찾고자 했습니다. 그들의 목표는 단순히 금속 블록을 만드는 것이 아니라, 강하고 질기며 결함이 없는 블록을 만든 다음, 특수한 열처리를 했을 때 어떤 일이 일어나는지 확인하는 것이었습니다.

완벽한 레시피 찾기
연구팀은 기계의 세 가지 주요 조절 노브를 조절하며 시작했습니다: 토치의 이동 속도(Travel Speed), 와이어가 불꽃 속으로 공급되는 속도(Wire Feed Speed), 그리고 사용되는 전압(Voltage)입니다. 그들은 수개월의 시간을 낭비하지 않고 수십 가지의 조합을 테스트하기 위해 "실험 계획법(Design of Experiments)"이라는 영리한 통계적 방법을 사용했습니다.

그들은 "아크 안정성(arc stability)", 즉 용접 불꽃이 얼마나 일정한지를 측정했습니다. 펜이 계속 흔들리면서 직선을 그리려고 노력하는 상황을 상상해 보십시오. 그것이 불안정한 아크입니다. 펜이 안정적이라면 매끄러운 선을 얻을 수 있습니다. 연구진은 전압(Voltage)과 와이어 공급 속도(Wire Feed Speed)가 가장 중요한 요소라는 것을 발견했습니다. 토치의 속도는 그리 중요하지 않았습니다.

수치를 분석한 결과, 그들은 불꽃을 안정적으로 유지하기 위한 완벽한 설정을 찾아냈습니다:

• 이동 속도: 481 mm/min
• 와이어 공급 속도: 5.9 m/min
• 전압: 23.4 V

이 설정에서 그들은 아크가 약 **96.3%**의 확률로 안정적일 것이라고 예측했습니다. 이는 치약 튜브를 정확한 압력으로 짜서 튀지 않고 일정한 흐름으로 나오게 하는 것과 같습니다.

벽 쌓기
완벽한 레시レシピ를 찾은 후, 그들은 두 종류의 금속 벽을 만들었습니다. 먼저, 금속이 잡아당겨질 때 얼마나 강한지(인장 강도) 테스트하기 위해 얇은 단일 층 벽을 만들었습니다. 그다음, 더 현실적인 덩어리 형태에서 금속이 어떻게 작동하는지 보기 위해, 벽돌을 쌓듯 약간의 겹침을 주어 한 층에 네 개의 비드(bead)를 쌓아 훨씬 두꺼운 벽을 만들었습니다.

결과: 더 강하고 더 질기게
얇은 벽을 테스트했을 때, 결과는 인상적이었습니다.

• 열처리 전 (As-Built): 금속은 이미 꽤 강했으며, 잡아당기는 방향에 따라 1253 MPa에서 1366 MPa 사이의 인장 강도를 보였습니다.
• 열처리 후 (Aged): 그들은 금속을 480 °C에서 5시간 동안 가열한 뒤 식혔습니다. 이것이 바로 "에이징(aging)" 단계입니다. 갑자기 금속은 더욱 강해져서 1613 MPa에서 1687 MPa에 도달했습니다. 더 나아가, 금속은 더 잘 늘어나는 성질(연신율이 약 **6%**에서 **8.5~10.2%**로 증가)을 갖게 되었습니다.

보통 금로가 강해지면 더 부서지기 쉬워집니다(마른 나뭇가지가 툭 부러지는 것처럼). 하지만 여기서는 금속이 더 강해지면서 동시에 더 유연해졌습니다. 연구진은 이것이 열처리가 프린팅 과정에서 남겨진 미세한 결함들을 매끄럽게 만들어주었기 때문이라고 생각합니다.

두꺼운 벽의 놀라움
두꺼운 다층 벽을 관찰했을 때, 경도에 관한 흥미로운 사실을 발견했습니다.

• 열처리 전: 이미 508 HV1.0으로 상당히 단단했습니다.
• 열처리 후: 열처리를 통해 625 HV1.0까지 더 단단해졌습니다.

"As-built(제조 직후)" 상태의 금속이 이미 이토록 단단하다는 사실은, 두꺼운 벽을 만드는 과정 자체가 자체적인 미니 열처리 역할을 했음을 시사합니다. 새로운 뜨거운 금속 층이 추가될 때마다, 아래층을 다시 가열하여 최종 오븐 베이킹 전에 약간의 템퍼링(tempering) 효과를 준 것입니다.

인성 테스트
마지막으로, 그들은 휘둘러지는 해머를 사용하는 샤르피 충격 시험(Charpy V-notch)을 통해 금속이 파괴되기 전까지 얼마나 많은 에너지를 흡수할 수 있는지(충격 인성) 테스트했습니다.

• 제조 직후 (As-Built): 438 ± 2 J
• 에이징 후 (Aged): 440 ± 3 J

여기에는 반전이 있습니다. 열처리는 금속을 더 단단하고 강하게 만들었지만, 에너지를 흡수하는 능력은 변화시키지 않았습니다. 인성은 똑같이 유지되었습니다. 연구진은 금속이 파괴되는 방식을 결정하는 특징들이 최종 가열 단계가 아니라, 프린팅 과정 자체에서 이미 결정되었다고 설명합니다. 이는 초콜릿 바의 "질감"이 나중에 포장지로 싸는 방식이 아니라, 재료를 어떻게 섞느냐에 의해 결정되는 것과 같습니다.

앞으로의 과제
이 연구는 이 방법이 18Ni-350 마라링 강으로 크고 강하며 질긴 부품을 만드는 데 실행 가능한 방법임을 결론짓습니다. 그들은 용접의 "단락(short-circuit)" 모드에 잘 작동하는 기계 설정의 최적점을 찾아냈습니다. 그러나 그들은 이 "최적점"이 테스트한 설정 범위의 가장자리에 위치해 있다고 언급했습니다. 진정한 전역 최적값(global optimum)을 찾으려면 더 넓은 범위의 설정을 테스트해야 할 것입니다. 또한, 향-후 연구에서는 금속 내부의 미세한 결정들을 더 깊이 살펴보고, 최종 에이징 전의 다른 종류의 열처리가 부품을 더 좋게 만들 수 있는지 확인해야 한다고 제안했습니다.

요약하자면, 이 연구진은 거대한 금속 3D 프린터를 조율하여 따뜻한 목욕(열처리) 후에 더욱 강력해지는 초강력 강철을 만드는 방법을 알아냈으며, 이를 통해 백만 달러짜리 레이저 장비 없이도 복잡하고 고성능인 부품을 만들 수 있음을 증명했습니다.