알루미늄 적층 제조 공정에는 어떤 것들이 있나요?

저밀도, 높은 비강도와 비강성, 우수한 연성, 뛰어난 전기 및 열 전도성, 그리고 우수한 내식성을 갖춘 알루미늄 합금은 항공우주, 운송 및 해양 분야에서 선호되는 경량 구조용 소재입니다. 제품 개발 주기가 단축됨에 따라, 기존의 용해, 주조 및 단조 공법만으로는 복잡한 정밀 부품에 대한 수요를 충족시키기가 점점 더 어려워지고 있습니다. 제조 공정은 효율적이어야 하며, 설계 변경에 신속하게 대응하고, 복잡한 형상에 유연하게 적응할 수 있어야 합니다.

적층 제조는 물리적 부품을 층층이 쌓아 올려 제작하는 방식입니다. 항공우주, 생의학, 철도 운송 분야에서는 이 기술을 통해 단일 부품이나 소량 생산을 신속하게 수행할 수 있을 뿐만 아니라, 설계의 자유도를 높이고 복잡한 형상의 맞춤형 제작이 가능하며, 시장 출시 기간을 단축하는 동시에 기존 방식의 일부 규모적 한계를 극복할 수 있습니다.

알루미늄 적층 제조 공정은 주로 작동 원리와 열원에 따라 레이저, 전자빔, 아크, 초음파, 마찰 교반 적층 제조 등으로 분류됩니다. 각 공정은 뚜렷한 공정적 특성을 가지고 있습니다.

알루미늄 합금의 레이저 적층 제조

레이저 적층 제조는 레이저 열원을 사용하며, 높은 성형 정밀도, 비교적 적은 내부 결함, 우수한 기계적 특성을 제공합니다. 일반적으로 알루미늄 합금 분말을 사용합니다. 분말 입자 사이의 불규칙한 틈은 부품의 밀도를 낮출 수 있으며, 대부분의 알루미늄 합금은 레이저 반사율이 높아 에너지 효율을 떨어뜨립니다. 따라서 이 공법은 주로 주조용 알루미늄 합금이나 용접성이 우수한 합금에 사용됩니다.

주요 변형 방식으로는 금속 분말 공급이 동기화된 레이저 용융 적층 방식과 레이저 분말 베드 용융 방식이 있다. 전자는 분말을 지속적으로 공급하는 반면, 후자는 분말 베드 내에서 연속적인 층을 정밀하게 용융시켜 복잡한 구조를 형성한다.

Al-Si 합금은 우수한 주조 및 열간 성형 특성을 지니고 있어 널리 연구되고 있다. 시안교통대학교의 연구진은 AlSi10Mg의 선택적 레이저 용융 공정을 위해 레이저 출력, 스캐닝 속도 및 해치 간격을 최적화했으며, 에너지 투입량과 밀도 간의 관계를 설명하는 에너지 밀도 모델을 도입했다. 4.0~6.0 J/mm², 밀도는 98%를 초과했다. 중국과학원 금속연구소는 밀도 99.63%에 우수한 기계적 특성을 지닌 AlSi10Mg 시편을 제작하고, 적층판과 평행하게 배향된 재료에 대한 다양한 열처리 방법을 비교했다. 적층 직후의 수평 인장 강도는 478 MPa에 달했고, 연신율은 약 8%, 평균 경도는 약 122 HV였다. 130°C에서 4시간 동안 시효 처리를 한 후, 용융 풀은 완전한 네트워크 형태의 실리콘 구조를 유지했다. 고강도는 유지된 상태에서 소성률은 약 11.9%까지 상승했으며, 평균 경도는 133 HV로 증가하여 적층 직후 값보다 약 9% 높아졌습니다.

고강도 2xxx 및 7xxx 계열 알루미늄 합금의 레이저 가공은 여전히 어려운 과제이다. 연구자들은 파라미터 최적화, 나노입자 핵형성제, 조성 변경 및 후처리를 통해 내부 결함을 줄이고 기계적 특성을 개선하고 있다. 실리콘 함량이 다른 7075 분말을 사용한 레이저 파우더 베드 융합 실험에서, 실리콘에 의한 결정립 미세화는 미세 균열을 현저히 감소시켰다.

알루미늄 합금의 전자빔 적층 제조

전자빔 적층 제조는 원료에 따라 전자빔 분말층 용융 방식과 전자빔 와이어 공급 방식의 적층 제조로 나뉩니다.

전자빔 분말층 용융 공정은 진공 상태에서 전자빔을 열원으로 사용합니다. 고속 스캐닝을 통해 금속 분말을 층별로 가열 및 용융시켜 부품을 형성합니다. 와이어 공급식 전자빔 적층 제조는 고에너지 빔으로 동시에 공급되는 와이어를 용융시켜, CAD로 정의된 경로를 따라 층층이 적층하여 고밀도 부품이 형성될 때까지 가공합니다. 전자빔의 흡수율이 레이저 빔보다 2배 이상 높기 때문에, 이 기술은 고강도 알루미늄 합금 분야에서 상당한 잠재력을 가지고 있습니다.

관련 연구는 여전히 제한적이며, 주로 와이어 공급식 전자빔 공정에 초점을 맞추고 있다. NASA 랭글리 연구 센터는 2219 알루미늄 합금의 가공 가능 범위를 조사하고, 이송 속도, 와이어 공급 속도, 빔 출력이 미세구조 및 기계적 특성에 미치는 영향을 연구했다. 록히드 마틴 스페이스 시스템즈(Lockheed Martin Space Systems)의 브라이스(Brice)는 전자빔 직접 에너지 증착법을 통해 2139 알루미늄 시편을 제작하고, 마그네슘 증발이 석출 및 기계적 성능에 미치는 영향을 평가했는데, 증착 과정에서 마그네슘 손실량은 65%에 달했다. 칭화대학교 연구진은 2024 알루미늄 합금의 전자빔 분말층 가공을 연구했다. 빔 전류와 스캐닝 속도는 상대 밀도와 미세구조에 상당한 영향을 미쳤다. α-Al 매트릭스의 입계 부근에 구리, 망간, 철을 함유한 석출물이 형성되었다. 적절한 공정을 적용했을 때 인장 강도는 최대 314 MPa, 연신율은 6%에 달했다.

알루미늄 합금의 아크 적층 제조

아크 적층 제조는 아크 열원과 동기화된 와이어 공급을 통해 부품을 층층이 쌓아 올리는 방식입니다. 높은 재료 활용도, 비교적 낮은 장비 비용, 넓은 제작 영역 덕분에 크고 복잡한 구조물에 적합합니다. 그러나 높은 용접 열입력과 상대적으로 낮은 표면 품질 및 정밀도로 인해 일반적으로 상당한 후처리가 필요합니다. 정밀도와 표면 품질을 향상시키기 위해 열입력을 줄이는 것이 주요 연구 목표입니다.

6xxx 및 7xxx 계열 합금에 대한 연구는 비교적 제한적이다. 가스 금속 아크 용접 및 가스 텅스텐 아크 용접을 통해 4047, 5356, 2024 및 7075 합금을 성공적으로 용접했다. 이 시편들은 기존 방식으로 제조된 시편보다 더 높은 인장 강도를 보였으며, 더 미세한 결정립을 나타냈다.

또한 냉간 금속 전이 공법을 통해 미세한 결정립과 기공이 적으며 기계적 특성이 개선된 2319, 5087, 5183 알루미늄 합금 시편을 제조하였다. 5336 알루미늄 합금의 냉간 금속 전이 증착물에서는 등축 또는 기둥상 결정립 구조가 거의 관찰되지 않았으며, 열입력이 증가함에 따라 결정립 크기가 감소했다. 열 입력은 형상, 미세구조, 결함, 기계적 및 화학적 특성을 좌우합니다. 다층 증착 과정에서, 특히 높은 열 입력 시 가열 및 냉각이 고르지 않으면 열 축적, 거친 결정립, 잔류 응력 및 변형이 발생할 수 있습니다. 성공적인 가공을 위해서는 전류, 전압, 와이어 공급 속도, 이동 속도 및 기타 변수를 제어해야 합니다.

알루미늄 합금의 초음파 적층 제조

초음파 적층 제조는 고출력 초음파 에너지를 활용합니다. 알루미늄 합금 박막 층들 간의 진동과 마찰로 인해 열이 발생하고, 계면에서의 원자 확산이 촉진되며, 고체 상태의 금속학적 결합이 형성됩니다.

일본 도호쿠 대학의 연구진은 6061 알루미늄 합금의 초음파 적층 제조 과정에서 발생하는 계면 미세구조와 분포를 연구했다. 계면은 미세구조에 상당한 영향을 미치며, 재결정화 동력이 계면 영역에서 미세한 상 변화를 일으키고, 계면에는 기공이 형성된다.

저온 공정에서는 합금 원소의 증발을 방지하고 접합부의 특성을 유지할 수 있어, 이 공정은 특히 알루미늄에 적합합니다. 첨단 장비에 대한 수출 제한과 국내 연구의 한계로 인해 여전히 큰 연구 잠재력이 남아 있습니다. 재료 계면에서의 원자 확산에 대한 완전한 이론적 모델은 아직 확립되지 않았으며, 계면 소성 변형과 마찰 발열을 설명하는 통합된 프레임워크도 존재하지 않는다. 정확성, 효율성 및 상용화를 위해서는 추가적인 개발이 중요하다.

알루미늄 합금의 마찰 교반 적층 제조

마찰 교반 적층 제조는 마찰 교반 용접에서 발전한 기술입니다. 고속으로 회전하는 공구가 알루미늄 시트에 침투하여 정해진 방향을 따라 이동합니다. 마찰열로 인해 재료가 가소화되고 연화되며, 이 재료는 공구 뒤쪽으로 흘러가 공극을 채워 한 층의 적층층을 형성합니다. 그런 다음 동일한 경로를 따라 추가 재료를 적층하고 가공합니다. 출처에 따르면, 이로 인해 얻어지는 기계적 특성은 단조품에 필적할 수 있다고 하지만, 이 문장의 일부가 누락되어 있습니다.

노스웨스턴 공과대학교의 연구진은 고정 숄더 마찰 교반 적층 제조 기술을 도입하여 고강도 7075-O 알루미늄 합금 부품을 성공적으로 제작했다. 연구진은 적층 과정 중 금속의 유동 거동을 조사한 결과, 적층 방향에 따라 미세구조와 기계적 특성에 상당한 차이가 있음을 확인했다. 기존의 회전식 마찰 교반 기술과 비교할 때, 고정식 마찰 교반 방식에서는 용접 시 핀이 고속으로 회전하는 동안 숄더가 고정된 상태를 유지하므로, 숄더 영향 영역이 제거되고 근형상 제조가 가능해집니다.

고강도 2024 알루미늄을 마찰 교반 적층 제조한 결과, 재결정된 미세한 등축립 조직이 형성되었다. 입자 크기는 적층체의 하단에서 상단으로 갈수록 감소했다. 제2상(2상)은 재용해되었으며, 그 전체 함량은 모재에 비해 현저히 낮았으나 하부에서 상부로 갈수록 증가했다. 용융 및 응고를 피함으로써 내부 결함을 크게 줄일 수 있지만, 부적절한 공정 파라미터는 여전히 계면 결함을 유발할 수 있다.

베이징공과대학의 연구진은 2024-O 알루미늄에 대한 마찰 교반 적층 제조의 성형 메커니즘을 분석했다. 이들은 기계적 특성의 방향별 차이와 그 원인에 주목했으며, 결함 없는 다층·다회차 적층에 성공했다.

개발 동향

알루미늄 적층 제조는 복잡한 정밀 성형과 경량 설계를 가능하게 하므로 군사 및 민간 분야에서 큰 잠재력을 지니고 있습니다. 주요 연구 방향으로는 새로운 공정 개발과 공정-미세구조-물성 간의 관계에 대한 심층적인 연구가 포함됩니다. 연구를 통해 특히 대형 복합 부품에서 응력 발생 기전을 규명하고 잔류 응력의 크기와 분포를 제어해야 한다. 또한 미세 규모의 용융 풀에서 일어나는 물질 전달, 비평형 응고, 냉각, 물리 야금학 및 상변태를 명확히 파악하여 미세구조를 정밀하게 제어할 수 있도록 해야 한다. 실험과 수치 시뮬레이션을 결합하면 온도 분포를 예측하고 열영향부를 관리할 수 있다. 적층 제조와 밀링 공정을 결합한 하이브리드 장비는 성형 정밀도를 높이고 정밀한 마무리 가공을 가능하게 한다. 공정 및 장비 개선을 통해 기공을 제거하고 밀도를 높이며 전반적인 기계적 특성을 향상시킴으로써, 이 기술을 더 높은 정밀도, 효율성 및 기능성으로 발전시킬 수 있다.