티타늄의 레이저, 전자빔, 아크 방식 적층 제조 비교

티타늄 합금은 높은 비강도, 내식성 및 내열성을 겸비하고 있지만, 기존의 가공 방식은 비용이 많이 들고 어렵다. 적층 제조는 근사형(near-net-shape) 부품을 층층이 쌓아 올려 제작하므로, 복잡한 항공우주 및 의료용 부품에 매력적인 기술이다. 주요 에너지원으로는 레이저, 전자빔, 전기 아크 등이 있다.

레이저 적층 제조

선택적 레이저 용융

선택적 레이저 용융 공법은 집속된 레이저를 사용하여 슬라이스된 모델 데이터에 따라 분말 베드의 각 층을 차례로 녹입니다. 한 층이 굳으면 제작 플랫폼이 내려가고, 새로운 분말이 뿌려진 후 이 과정이 반복됩니다.

레이저 출력, 스캔 속도, 층 두께, 해치 간격, 스캔 전략과 같은 공정 파라미터는 밀도, 결함, 잔류 응력 및 조직을 제어합니다. 출처에 인용된 Ti-6Al-4V에 대한 연구에 따르면, 840°C에서 2시간 동안 완전 어닐링을 실시하면 제작 직후의 미세구조가 변화하고 균일성이 향상된다고 보고하고 있습니다.

레이저 금속 증착

레이저 금속 적층 공법은 분말이나 와이어를 레이저로 생성된 용융 풀에 직접 공급합니다. 이 공법은 더 큰 형상을 제작하고 고가의 부품을 수리할 수 있지만, 적층 정밀도와 표면 품질은 일반적으로 분말 베드 융합 공법보다 낮습니다. 급속 방향성 응고 공법은 Ti-17의 경우에서 볼 수 있듯이, 거친 기둥상 프리-베타 결정립과 바구니 짜임 구조를 생성할 수 있습니다.

레이저 공정은 높은 정밀도와 재료 활용도를 제공하지만, 분말 비용, 잔류 응력, 제한된 적층 크기, 공정 안정성, 그리고 후가공의 필요성 등이 여전히 제약 요인으로 남아 있습니다.

전자빔 적층 제조

전자빔 분말층 용융 공정은 진공 상태에서 이루어지며, 분말층을 예열함으로써 열 구배와 잔류 응력을 줄여줍니다. 이 공정은 반응성 티타늄 합금에 매우 적합하며 높은 적층 속도를 달성할 수 있지만, 표면 마감도와 치수 정밀도는 일반적으로 레이저 분말층 용융 공정보다 낮습니다.

이 자료에 따르면, 분말층 용융 공법으로 제조된 Ti-6Al-4V는 우수한 극저온 연성을 유지할 수 있으며, 20 K에서 약 20%, 77 K에서 29%의 연신율을 나타내며, 이러한 거동을 변형 쌍정 현상과 관련지었다.

와이어 아크 적층 제조

와이어 아크 적층 제조는 전기 아크와 와이어 원료를 사용합니다. 이 공법은 적층 속도가 빠르고 원료 비용이 저렴하여 대형 구조 부품에 적합하지만, 열 입력량이 많고 치수 정밀도가 낮으며 상당한 양의 기계 가공이 필요할 수 있습니다. 이러한 열 사이클로 인해 Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V 용착부에는 거시적인 띠 모양 구조와 이질적인 미세구조가 형성될 수 있습니다.

어떤 티타늄 적층 제조 공정을 선택해야 할까요?

향후 연구는 티타늄 기지 복합재료, 600°C 이상에서 사용 가능한 합금, 그리고 TiB 및 TiC와 같은 나노 규모 보강재로 방향을 전환하고 있다. 산업 현장에서의 폭넓은 도입을 위해서는 신뢰할 수 있는 모니터링, 시뮬레이션, 결함 제어 및 공정별 설계 규칙이 필수적일 것이다.