Diode Area Melting of Ti6Al4V: Effects of Multi-Laser Processing on Microstructure and Residual Stress

기술 요약: Ti6Al4V의 다이오드 영역 용융 – 멀티 레이저 공정이 미세 구조 및 잔류 응력에 미치는 영향

문제 정의
레이저 분말 베드 용융(LPBF)은 금속 부품 제조를 위한 지배적인 적층 제조 기술이지만, 급격한 열 사이클로 인해 발생하는 가파른 온도 구배와 높은 잔류 응력에 의해 제약을 받는다. 이러한 조건은 Ti6Al4V와 같은 부품에서 변형, 균열 및 치수 불안정성을 초래하는 경우가 많다. LPBF는 강도에 유리한 미세 구조를 생성하지만, 연관된 열 이력은 응고 거동에 대한 제어를 제한한다. 다이오드 영역 용융(DAM)은 단일 고출력 파이버 레이저를 갈보 시스템(galvo system)으로 반사하는 대신, 저출력 다이오드 레이저 배열을 사용하는 새로운 대안으로 등장했다. 이전 연구들이 다양한 금속에 대한 DAM의 타당성과 냉각 속도를 감소시킬 수 있는 잠재력을 입증했으나, 멀티 레이저 상호작용이 Ti6Al4V의 열 침투, 응고 거동 및 잔류 응력 발달에 구체적으로 어떻게 영향을 미치는지에 대한 이해는 여전히 제한적이다.

연구 방법론
본 연구는 최대 100개의 저출력 다이오드 레이저를 통합할 수 있는 갠트리 기반 광학 헤드를 특징으로 하는 University of Sheffield에서 개발된 맞춤형 DAM 시스템을 활용하였다. 본 조사에서는 3, 4, 5개의 정렬된 다이오드 레이저(808 nm 파장, 레이저당 5 W)를 사용하여 단층 Ti6Al4V 시편을 제작하였다. 실험 설계는 해치 간격(hatch spacing)을 200 µm로, 분말 베드 두께를 1 mm로 유지하면서 활성화된 레이저의 수와 스캐닝 속도(100, 150, 200, 250 mm/min)를 체계적으로 변화시켰다.

특성 분석에는 다음이 포함되었다:

• 표면 분석: 표면 거칠기($R_a$) 측정을 위한 3D 프로파일로메트리.
• 미세 구조 분석: 용융 풀 기하학을 위한 광학 현미경(OM) 및 주사 전자 현미경(SEM); 결정립 구조, 상 식별 및 $\alpha$-라스(lath) 간격을 위한 전자 후방 산란 회절(EBSD); 상 구성 분석을 위한 X선 회절(XRD).
• 잔류 응력 분석: 스캐닝($\sigma_{xx}$) 및 수직($\sigma_{yy}$) 방향 모두에서 근표면 잔류 응력을 측정하기 위한 $\sin^2\psi$법을 이용한 XRD.
• 시뮬레이션: 특정 공정 조건 하에서의 냉각 속도를 추정하기 위해 FLOW-3D™ 소프트웨어를 이용한 전산 유체 역학(CFD).

주요 결과

1. 표면 형태: DAM 공정은 일반적인 as-built LPBF Ti6Al4V(종종 10–15 µm의 $R_a$를 보임)에 비해 현저히 매끄러운 표면을 생성하였다. 5-레이저 구성은 인접한 용융 트랙 간의 중첩 비율(약 45.9%)이 높아 부분 재용융을 촉진하고 볼링(balling) 현상을 억란함으로써 가장 매끄러운 표면($R_a$ = 1.2–1.3 µm)을 나타냈다. 반면, 3-레이저 구성은 낮은 중첩과 열적 불연속성으로 인해 더 거친 표면($R_a$ = 5.4–6.6 µm)을 생성하였다.
2. 용융 풀 및 열 침투: 레이저 수가 증가함에 따라 용융 풀 깊이와 열영향부(HAZ) 깊이가 모두 증가하였다. 100 mm/min에서의 5-레이저 구성은 약 108 µm의 용융 풀 깊이와 약 475 µm의 HAZ 깊이를 달성하였다. 스캐닝 속도가 높아질수록 열 침투가 감소하여 용융 풀이 얕아지고 불안정성이 증가하였다.
3. 미세 구조 및 상: DAM 공정은 LPBF(통상 <0.5 µm)에 비해 더 조대한 $\alpha$-라스 구조(0.8–1.3 µm)를 생성하였다. 이러한 조대화는 DAM에서 관찰된 현저히 낮은 냉각 속도와 연관되어 있다. 결정적으로, 4- 및 5-레이저 시편, 특히 낮은 스캐닝 속도에서 검출 가능한 $\beta$-상의 잔류가 관찰되었다. 이는 급격한 냉각이 마르텐사이트 $\alpha'$를 선호하여 $\beta$-상 잔류를 억제하는 LPBF와 대조된다. $\beta$-상의 존재는 느린 냉각 속도가 확산 제어 변태를 허용했기 때문으로 분석되었다.
4. 냉각 속도: 시뮬레이션된 냉각 속도는 2,211 K/s에서 8,400 K/s 범위였으며, 이는 LPBF의 전형적인 $10^4$–$10^7$ K/s보다 상당히 낮은 수준이다. 냉각 속도는 레이저 수의 증가(열 축적에 의해)에 따라 감소하였고, 스캐닝 속도의 증가에 따라 증가하였다.
5. 잔류 응력: DAM 시편의 잔류 인장 응력은 LPBF에서 보고된 값보다 현저히 낮았다. 측정된 최대 인장 응력은 138.2 MPa(3-레이저, 250 mm/min 조건)였으며, 이는 688 MPa를 초과할 수 있는 LPBF 값과 대조적이다. 응력 수준은 레이저 수가 증가함에 따라 감소하였고(5-레이저 시편이 가장 낮은 응력을 보임), 스캐닝 속도가 증가함에 따라 높아졌다. 응력 이방성은 $\sigma_{xx}$(스캐닝 방향)가 $\sigma_{yy}$보다 일관되게 높다는 점에서 LPBF의 경향을 따랐다.

의의 및 주장
저자들은 DAM 공정이 Ti6Al4V 부품에 대해 응고 거동과 응력 진화에 대한 개선된 제어를 제공한다고 주장한다. 여러 개의 저출력 다이오드 레이저를 사용함으로써, DAM은 훨씬 낮은 냉각 속도를 달적으로 달성하며, 이는 LPBF의 마르텐사이트 구조와는 다른 조대한 $\alpha$-라스 형성 및 $\beta$-상 잔류를 용이하게 한다.

본 연구는 이러한 낮은 냉각 속도가 잔류 인장 응력을 대폭 감소시키는 주요 메커니즘이라고 상정한다. 느린 열 사이클은 고온에서의 소성 변형을 통한 응력 완화를 허용하여, LPBF 부품에서 흔히 발생하는 높은 잔류 응력과 그로 인한 변형 및 균열을 완화한다. 또한, 개선된 표면 조도와 감소된 응력 수준은 DAM이 피로 균열 개시를 억제함으로써 부품의 서비스 수명을 연장할 잠재력이 있음을 시사한다.

저자들은 현재의 결과가 층간 열 사이클링에 의한 응력 축적이 최소화된 단층 시편에 국한되어 있다는 점을 명시하며 신중한 범위를 유지하였다. 그들은 DAM 공정이 신뢰할 수 있는 제조 가능성을 보여주지만, 벌크 부품 생산에서의 누적 열 효과를 완전히 이해하기 위해서는 향-후 연구가 다층 시편으로 확장되어야 한다고 결론지었다.