Effect of micro rolling on laser-induced arc additive manufacturing of 2319 aluminum alloy

더 가볍고 강한 기계를 만들기 위한 탐구 과정에서, 엔지니어들은 종종 알루미늄으로 눈을 돌립니다. 알루미늄은 철 무게의 약 3분의 1에 불과하면서도 항공우주 및 국방 분야의 까다로운 작업에 필요한 강도와 부식 저항성을 갖춘 금속입니다. 하지만 이 금속을 복잡하고 맞춤화된 모양의 부품으로 만드는 것은 어렵습니다. 주조나 기계 가공과 같은 전통적인 방식은 낭비가 심하거나 만들 수 있는 형상이 제한적일 수 있습니다. 3D 프린터와 유사하지만 훨씬 더 큰 규모로 작동하는 적층 제조(additive manufacturing)라고 알려진 새로운 접근 방식이 있습니다. 이 기술은 큰 가능성을 보여주지만, 중요한 난관에 직면해 있습니다. 금속 와이어를 녹이는 데 사용되는 강렬한 열이 재료를 불균일하게 냉각시킬 수 있다는 점입니다. 이러한 불균일한 냉각은 종종 크고 약한 결정 구조와 미세한 내부 구멍들을 유발하며, 이는 최종 부품이 응력 하에서 균열이 생기거나 부서지기 쉽게 만듭니다. 까다로운 용도에 사용되는 특정 유형의 알루미늄 합금인 2319 시리즈의 경우, 이러한 결함은 특히 골칫거리이며, 실제 환경 조건에서 금속이 얼마나 잘 성능을 발휘하는지를 제한합니다.

이를 해결하기 위해 다롄 공과대학교와 화차오 대학교의 연구진은 두 가지 뚜렷한 공정을 결합한 새로운 방법을 개발했습니다. 그들은 하이브리드 열원과 기계적 압착을 결합했습니다. 연구진은 전기 아크와 저출력 레이저를 결합하여 알루미늄 와이어를 녹이는 레이저 유도 아크 적층 제조 기술을 사용했습니다. 이 하이브리드 접근 방식은 전기 아크만을 사용할 때보다 더 안정적인 용융 상태를 만드는 데 도움이 됩니다. 하지만 진정한 혁신은 각 층이 쌓인 직후에 일어납니다. 뜨거운 금속을 자연스럽게 식히는 대신, 연구팀은 금속이 아직 따뜻할 때 무거운 롤러를 새 층 위로 굴렸습니다. 마이크로 롤링(micro-rolling)이라고 알려진 이 과정은 표면을 평평하게 만들고 금속에 압력을 가합니다. 연구진은 이 단순한 롤링 행위가 열로 인해 발생하는 내부 결함을 고치고 최종 알루미늄 부품의 강도를 개선할 수 있는지 확인하고자 했습니다.

연구팀은 2319 알루미늄 합금 와이어를 사용하여 테스트 블록을 제작하였으며, 롤링 단계를 거친 샘플과 거치지 않은 샘플을 만들었습니다. 그런 다음 이 블록들을 면밀히 조사하여 금속 내부에서 어떤 일이 일어나는지 살펴보았습니다. 롤링이 없으면 금속은 냉동실의 얼음 결정이 형성되는 방식과 유사하게 위쪽으로 자라나는 길고 기둥 같은 결정들이 지배하는 구조로 냉각되었습니다. 이 긴 결정들과 구리와 알루미늄이 섞여 형성된 취성 있는 그물 모양의 패턴은 재료의 약점을 만들었습니다. 롤링되지 않은 샘플의 표면 또한 용접 아크에 의해 남겨진 작은 홈과 물결 모양으로 인해 고르지 않았습니다. 연구진이 롤링 과정을 적용했을 때, 결과는 극적으로 변했습니다. 롤러의 압력은 표면을 평평하게 만들어 물결 모양을 제거하고 다음 층을 위한 매끄럽고 수평인 기반을 만들었습니다. 더 중요한 것은, 기계적 압력이 길고 기둥 같은 결정들과 취성 있는 그물 패턴을 부수었다는 점입니다. 그 자리에는 작고 균일하며 둥근 알갱이(grain)들이 재료 전체에 고르게 흩어져 형성되었습니다.

금속의 내부 구조에서 일어난 이러한 변화는 직접적이고 측정 가능한 강도에 영향을 미쳤습니다. 연구진은 롤링된 샘플이 롤링되지 않은 샘플보다 현저히 더 단단하고 강하다는 것을 발견했습니다. 평균적으로 롤링된 금속의 경도는 4.6% 증가했고, 인장 강도라고 불리는 잡아당기는 힘에 저항하는 능력은 9.13% 향상되었습니다. 또한 금속은 더 일관되게 변하여, 한 지점과 다른 지점 사이의 강도 변화가 줄어들었으며, 이는 부품이 응력 하에서 더 예측 가능하게 작동함을 의미합니다. 롤링 과정은 또한 용융 과정 중에 금속 내부에 갇히기 쉬운 미세한 공기 주머니, 즉 기공(pore)을 제거하는 데에도 도움이 되었습니다. 롤링되지 않은 샘플에서 이러한 기공은 더 컸고 결합하는 경향이 있어 균열이 시작될 수 있는 약점으로 작용했습니다. 롤링된 샘플에서는 이러한 기공이 훨씬 작고 고르게 퍼져 있어, 균열이 형성되고 성장하기가 훨씬 더 어려워졌습니다.

이러한 개선의 이유는 금속이 압력과 열에 어떻게 반응했는지에 달려 있습니다. 롤러가 따뜻한 금속을 눌렀을 때, 그것은 원자들이 재배열되고 결정이 더 작은 조각으로 부서지도록 강제했습니다. 이 과정은 이동을 방해하는 장벽 역할을 하는 전위(dislocation)라는 내부 결함의 밀도를 높여 금속이 변형되기 어렵게 만들었습니다. 다음 층의 용융 금속이 위에 추가될 때, 그 층의 열은 부드러운 어닐링(annealing) 처럼 작용하여, 압력의 이점을 잃지 않으면서 금속이 새로운 미세 구조로 자리 잡을 수 있게 해주었습니다. 합금 내의 구리와 망간 요소들 또한 롤링에 의해 더 균일하게 분산되었습니다. 이러한 균일한 분포는 부품을 약화시킬 수 있는 크고 취성 있는 클러스터의 형성을 방지했습니다. 연구진은 금속 결정이 자라는 방향성이 덜 지배적이 되어, 재료가 한 방향으로는 강하지만 다른 방향으로는 약해지는 경향이 줄어드는 것을 관찰했습니다.

궁극적으로, 이 연구는 제조 공정에 단순한 롤링 단계를 추가하는 것이 표준 알루미늄 부품을 고성능 부품으로 바꿀 수 있음을 입증합니다. 결정 구조를 정밀하게 다듬고 결함을 제거함으로써, 연구진은 이 특정 합금에 대한 기존 적층 제조의 한계를 극복할 수 있음을 보여주었습니다. 이 연구 결과는 결합된 이 접근 방식이 가벼우면서도 항공우주 및 국방 분야의 가장 까다로운 용도에 적합할 만큼 강한 대형 복잡 알루미늄 부품을 제작할 수 있는 실질적인 경로을 제공한다는 것을 시사합니다. 이 작업은 금속을 녹이는 데 사용하는 열만큼이나 금속이 식는 동안 물리적 상태를 제어하는 것이 중요하다는 것을 확인시켜 주며, 엔지니어들이 더 나은 기계를 만들 수 있는 새로운 도구를 제공합니다.