Effect of HIP and Laser Shock Peening Sequence on the Fatigue Behavior of Laser Powder Bed Fused Ti6Al4V
본 연구는 결함이 많은 레이저 분말 베드 용융 방식의 Ti-6Al4V에 대하여, 열간 등압 성형 후에 레이저 충격 피닝을 수행하는 것이 역순으로 수행하는 것보다 우수한 피로 성능을 나타낸다는 것을 보여주며, 이는 내부 결함 지표가 유사함에도 불구하고 전자가 유익한 표면 압축 응력을 보존하기 때문인 것으로 보인다.
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항공기 및 의료용 임플란트용 금속 부품은 고출력 레이저를 사용하여 미세한 금속 분말을 녹여 한 층씩 쌓아 올리는 방식으로 점점 더 많이 제작되고 있습니다. 레이저 분말 베드 융합(laser powder fusion)이라고 알려진 이 방식은 엔지니어들이 고체 블록으로부터 기계 가공으로는 불가능한 형상을 만들 수 있게 해줍니다. 그러나 이러한 신속한 제조 과정에는 숨겨진 비용이 따릅니다. 부품 내부에 미세한 결함이 포함되는 경우가 많다는 점입니다. 갇힌 가스로 인한 작은 주머니와 금속이 완전히 녹아 붙지 않은 영역은 균열의 시작점이 될 수 있습니다. 이러한 부품이 엔진의 진동이나 인체의 무게와 같은 반복적인 응력을 받을 때, 이 작은 결함들은 균열로 커져 부품이 예상보다 훨씬 일찍 파손되게 만들 수 있습니다. 이러한 부품을 중요한 용도에 안전하게 사용하기 위해 제조업체는 결함을 제거하고 표면을 강화해야 하지만, 이러한 보정 작업을 적용하는 순서가 이전에 생각했던 것보다 더 중요합니다.
연구진은 티타늄 합금 부품에 사용되는 두 가지 강력한 수리 기술에 관한 구체적인 질문을 테스트하기 위해 연구를 시작했습니다. 첫 번째 기술인 열간 등압 성형(hot isostatic pressing)은 금속을 화씨 약 1,500도까지 가열하면서 엄청난 가스 압력으로 쥐어짜는 과정을 포함합니다. 이 과정은 금속에 대해 심해 잠수사의 압력복처럼 작용하여, 내부의 공기 주머니를 무너뜨리고 재료를 다시 용접하여 결합시킵약 합니다. 두 번째 기술인 레이저 쇼크 피닝(laser shock peening)은 고에너지 레이저 펄스를 사용하여 충격파를 발생시켜 표면에 타격을 줍니다. 이 충격은 외층을 소성 변형시켜, 균열이 시작되거나 퍼지는 것을 훨씬 어렵게 만드는 압축 상태로 효과적으로 두드려 만듭니다. 두 방법 모두 성능을 향상시키는 것으로 알려져 있지만, 과학자들은 이들을 적용하는 순서가 최종 결과에 변화를 주는지 알고 싶었습니다. 금속을 먼저 쥐어짜고 가열한 다음 피닝을 할 것인지, 아니면 피닝을 먼저 하고 나서 쥐어짜는 것이 중요할 것인지 말입니다.
답을 찾기 위해 연구팀은 완벽하지 않은 제조 공정을 모사하기 위해 의도적으로 결함이 가득하도록 설계된 작은 노치(notched) 형태의 티타늄 시편 한 배치를 제작했습니다. 그들은 이 부품들을 두 그룹으로 나누었습니다. 한 그룹은 레이저 쇼크 피닝 처리를 먼저 받은 후 열간 등압 성형을 받았습니다. 다른 그룹은 그 반대 순서, 즉 열간 등압 성형을 먼저 받은 후 피닝을 받았습니다. 그 후, 연구진은 부품 내부를 들여다보기 위해 첨단 X선 이미징 기술을 사용하여 남아 있는 결함의 수를 세고 크기와 모양을 측정했습니다. 그런 다음 모든 시편에 대해 제어된 하중 하에서 부러지거나 100만 회의 사이클을 견뎌낼 때까지 앞뒤로 굽히는 엄격한 피로 테스트를 실시했습니다.
결과는 X선 영상이 보여주는 모습과 부품이 실제로 작동하는 방식 사이에 놀라운 괴리가 있음을 드러냈습니다. 연구진이 금속 내부를 관찰했을 때, 두 그룹은 매우 유사해 보였습니다. 두 그룹 모두 처리되지 않은 부품에 비해 내부 결함이 감소했으며, 남아 있는 구멍의 평균적인 모양도 거의 동일했습니다. 사실, 열간 등압 성형을 먼저 하고 피닝을 한 그룹이 스캔 결과상 단일 최대 결함과 가장 큰 총 내부 결함 부피를 포함하고 있었습니다. 순수하게 이러한 내부 측정값만을 근에 기반했다면, 이 그룹의 성능이 더 떨어질 것이라고 예상할 수도 있었습니다. 그러나 실제 테스트를 진행했을 때, 정반대의 결과가 나타났습니다. 피닝을 마지막에 수행한 시편들이 현저히 더 오래 생존했습니다. 두 개의 시편은 100만 회의 사이클 이후에도 파손되지 않았는데, 이는 '런아웃(run-out)'이라 불리는 결과입니다. 반면 다른 그룹의 시편 중 어느 것도 이 이정표에 도달하지 못했습니다.
연구진은 작업 순서가 금속 표면의 최종 상태를 근본적으로 변화시켰으며, 이는 X선 내부 스캔으로는 볼 수 없는 요소라고 결론지었습니다. 레이저 쇼크 피닝을 마지막에 적용했을 때, 이는 신선하고 경화되었으며 압축된 표면층을 만들어 이후의 테스트 동안 온전하게 유지되었습니다. 반면 피닝을 먼저 수행한 다른 순서에서는, 피닝 후에 금속이 열간 등압 성형의 높은 열에 노출되었습니다. 이러한 열 노출은 피닝에 의해 생성된 유익한 압축 응력을 완화시키거나 사라지게 하여, 표면을 균열로부터 덜 보호받는 상태로 만들었을 가능성이 큽니다. 이 연구는 티타늄 부품의 경우, 공정의 마지막 단계가 피로 수명에 가장 결정적이라는 점을 시사합니다. 이는 제조업체가 내부 치유 처리를 마친 후 표면 강화 처리를 수행하여, 부품이 실제 서비스에 투입될 때까지 보호적인 표면 상태가 유지되도록 해야 함을 의미합니다. 이 발견은 복잡한 제조 공정에서 단계의 순서가 단계 그 자체만큼이나 중요하다는 점을 강조합니다. 또한 내부 결함만을 살펴보는 것이 때로는 부품이 성공하거나 실패하는 진짜 이유를 놓칠 수 있다는 점을 보여줍니다.
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