LC-190 초경합금 분말을 이용한 레이저 클래딩 특성에 관한 연구(II) - 멀티패스 클래드 층의 특성 분석 –

A Study on the Characteristics of Laser Cladding Using the LC-190 Cemented Carbide Powder(II) - Characteristic Analysis of Multi-pass Clad Layer -

Article information

J Weld Join. 2018;36(6):40-45

Publication date (electronic) : 2018 November 26

doi : https://doi.org/10.5781/JWJ.2018.36.6.7

Jong-Do Kim ^*^,

, Su-Han Park ^**

, Moo-Keun Song ^***

김종도^*^,

, 박수한^**

, 송무근^***

* 한국해양대학교 기관공학부

* Division of Marine Engineering, Korea Maritime & Ocean Univ., Busan, 49112, Korea

** 한국해양대학교 대학원

** Graduate School, Korea Maritime & Ocean Univ., Busan, 49112, Korea

*** 한국해양대학교 레이저응용기술지원센터

*** Laser Advanced Machining Support Center, Korea Maritime & Ocean Univ., Busan, 49112, Korea

^†Corresponding author : jdkim@kmou.ac.kr

Received 2018 July 17; Revised 2018 July 31; Accepted 2018 October 30.

Abstract

Laser cladding is a process in which metal powder and wire are melted to form a cladding layer using a laser heat source to prevent material and surface from abrasion and corrosion. Since the dissimilar metal to be added is fusion bonded at the interface, the base material is partially dissolved to form a mixed melt bonding layer, whereby the thickness and composition of the bonding layer affect the physical properties of the base material and the clad layer. At this time, dilution of the added metal and the base material is preferably limited to a very small amount. Such laser cladding has been put to practical use in exhaust valves of ship industry, turbine blades and machine parts in the field of power generation facilities, and is expected to be put to practical use in the defense industry and aerospace industry. In this study, multi-pass cladding was performed by varying the superposition ratio and the powder feed rate using a diode laser and a powder feeding method with a maximum power of 8.0 kW, and the difference of the cladding layers was compared and analyzed. As a result, as the overlap ratio increased, the width decreased and the height increased. Also, it was found that the height of the clad layer increased as the powder feed amount increased, but cracks occurred when the feed amount was excessive, and a proper powder feed amount was required

Keywords: Laser cladding; Multi-pass cladding; Powder feed

1. 서 론

최근 많은 관심과 주목을 받고 다양한 산업분야에서 그 적용이 확대되고 있는 레이저 클래딩은 레이저를 이용하여 클래드 재료와 모재의 표면층을 일부 용융시켜 금속적으로 완전히 결합된 코팅층을 형성하는 프로세스이다1-3). 레이저 클래딩은 크게 분말 공급방식과 와이어 공급방식이 있으며, 가장 범용적으로 사용되고 있는 분말 공급방식의 경우는 분말량을 제어할 수 있어 클래드 층의 두께 변화가 용이하며, 희석률이 낮고 결합력이 우수한 장점이 있다4-6). 본 연구에서도 분말 공급 방식을 채택하여 레이저 클래딩을 실시하였다. 분말 공급 장치는 분말이 담겨져 있는 챔버와 분말이 공급되는 구멍이 있는 회전판으로 구성되어 있으며, 회전판의 속도 제어로 분말공급량을 결정한다7,8).

앞선 본 논문의 제 1보에서는 선박용 배기밸브의 소재인 내열강에 레이저 클래딩을 적용하기 위한 기초 연구로, 예열온도, 레이저 출력 및 분말 공급량에 따른 원패스(one-pass) 클래드 층의 특성을 살펴보았다. 하지만 선박용 배기밸브의 페이스부에 레이저 클래딩을 실시하기 위해서는 클래드 층의 중첩이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 클래드 층의 중첩률 및 분말 공급량 등을 변화시킨 멀티패스를 통한 특성을 확인하였다.

2. 실험 재료 및 방법

연구에 사용된 모재의 소재는 내열강 SNCrW이며, 클래딩시 공급되는 분말은 Co계 분말 중 텅스텐의 함량이 높은 LC-190 이다. 사용된 레이저 클래딩 장치는 크게 최대 출력 8.0 kW 연속발진 다이오드 레이저와 6축 외팔로 로봇, 그리고 로봇에 장착된 6 × 6 mm 크기의 사각빔을 가진 광학 헤드 및 분말 공급 장치로 구성되어 있다.

실험은 원형의 평판 시험편에 총 6개의 클래드 층을 중첩시켜 멀티패스 레이저 클래딩을 실시하였다. 이때의 중첩률은 레이저빔 사이즈를 기준으로 진행하였다. 또한 텅스텐 함량이 높은 LC-190 합금 분말의 균열감수성을 고려하여 모재에 300 °C의 예열온도를 적용하였다. 그리고 클래딩시 산화를 방지하기 위해 헤드 내부에 장착된 실드가스 노즐을 통해 실드가스로써 Ar가스를 공급해주었다. 실드가스와 분말 공급 노즐 그리고 레이저빔은 모두 동축으로 하였다. 실험 장비 및 멀티패스 방법에 대한 사진을 Fig. 1에 나타낸다.

Fig. 1

Photos of equipment and clad layer

본 연구에서는 멀티패스 레이저 클래딩시 중첩률 및 분말 공급량을 변화시켜 실험을 실시하였다. 실험 후 클래드 층의 형상을 관찰하고 각 부분에 대하여 경도를 측정하였으며, EDS 선분석 및 EPMA 면분석을 통해 클래드 층의 합금 성분에 대한 분포 특성을 분석하였다.

3. 실험 결과 및 고찰

3.1 중첩률 및 분말 공급량 변화에 따른 클래드 층의 특성

본 연구의 1보에서 분말 공급량(R_f)이 19 ~ 20 g/min일 경우 레이저 출력 4 kW, 빔 이송속도 4 mm/s의 조건에서 높이 약 1.3mm의 건전한 원패스 클래드 층을 얻을 수 있었다. 이 조건에서 중첩률(O_Lap)을 10 %와 20 %로 변화시켜 멀티패스 클래딩을 실시하였으며, 그에 따른 클래드 층의 표면 및 횡단면 사진을 Fig. 2에 나타낸다. 단면을 살펴보면 중첩률 10 %에서 균열이 발생한 것을 볼 수 있으며, 광학현미경 사진을 통해 균열이 경계층에서부터 표면으로 전파된 것을 확인하였다. 20 %의 조건에서는 균열이 발생하지 않았는데, 이는 중첩시 10 %보다 상대적으로 넓은 1.2 mm의 레이저 빔이 겹치게 되면서 보다 큰 면적의 후열처리로 인해 용융 및 냉각으로 발생한 중첩부의 응력 집중이 완화된 것으로 생각된다.

Fig. 2

Shape of clad layer with overlapping ratio in Rf = 19 ~ 20 g/min

1보 논문에 서술한바와 같이, LC-190 분말을 이용한 멀티패스 레이저 클래드 층의 균열을 고려하여 분말 공급량을 5 ~ 6 g/min로 감소시켰다. 이때의 조건은 레이저 출력 2 kW, 빔 이송속도 3.5 mm/s였다. 이 조건에서 중첩률을 10 ~ 30 %까지 변화시키면서 멀티패스 클래딩을 실시하였으며, 중첩률을 변화시켜 형성된 클래드 층의 표면 및 횡단면 사진을 Fig. 3에 나타낸다. 모든 조건에서 균열 및 기공과 같은 결함은 발견되지 않았으며, 중첩률이 증가함에 따라서 클래드 층의 높이는 0.6에서 0.75mm까지 증가하고, 클래드 층의 폭은 점차 감소하였다.

Fig. 3

Shape of clad layer with overlapping ratio in Rf = 5 ~ 6 g/min

Fig. 4에 중첩률 20%일 때의 1층 클래드와 3층까지 적층시킨 클래드의 표면과 단면을 나타낸다. 높이를 측정한 결과, 1층은 약 0.7 mm, 3층은 약 2.0 mm였다. 표면 및 단면에는 기공 및 균열과 같은 결함은 발견되지 않았다. 이를 통해서 LC-190 분말을 사용하여 레이저 클래딩을 실시할 경우에는 클래드 층의 높이를 증가시키기 위해서는 입열량을 증가시켜 분말공급량의 용융량을 증가시키기 보다는 분말공급량을 감소시키더라도 저입열의 조건에서 적층수를 증가시키는 것이 결함이 없는 건전한 클래드 층을 얻을 수 있는 방법이라고 생각된다. LC-190 분말에서 높은 함량을 차지하는 텅스텐은 기계적 강도는 높지만 낮은 비열과 높은 열전도도로 인해서 균열 감수성이 높은 원소이기 때문에, LC-190 분말의 클래딩시 한번에 많은 양의 클래드 층이 용융 및 응고되면 원소간의 열팽창계수로 인한 응고수축의 차가 커지게 되어 균열이 발생하기 쉽기 때문에 분말공급량과 입열량의 적절한 제어가 필수적이다.

Fig. 4

Surface and cross section of 1st and 3rd layer

3.2 멀티패스 클래드 층의 기계적 특성

레이저 출력 2 kW, 빔 이송속도 3.5 mm/s 및 분말 공급량 5 ~ 6 g/min의 조건에서 20 %의 중첩률로 형성된 1층의 멀티패스 클래드 층에 대하여 종방향과 횡방향으로 경도를 측정하여 Fig. 5와 Fig. 6에 나타낸다.

Fig. 5

Longitudinal hardness distribution of 1st multipass clad layer at 20 % overlapping ratio

Fig. 6

Transverse hardness distribution of 1st multipass clad layer at 20 % overlapping ratio

종방향의 경도분포를 살펴보면, 첫 번재 클래드 층인 a는 평균 경도 값은 511 Hv, 2패스 이상의 클래드 층인 b, c, d는 각각 535 Hv, 539 Hv, 540 Hv로 모재의 경도값인 220 ~ 250 Hv 범위보다 약 2배 정도 상승한 높은 경도값을 나타내고 있다. 하지만 첫 번재 클래드 층인 a는 다른 경도값에 비하여 약 20 ~ 30 Hv 낮다. 이는 첫 번째 층의 경우에는 이미 형성된 클래드 층 위에 중첩되는 다른 층과 달리 모재의 용융량이 상대적으로 많아서 희석량이 증가하였기 때문이다.

횡방향 경도의 경우 a와 b의 평균 경도 값은 각각 582 Hv 및 555 Hv로, 클래드 층 하부에서 희석의 영향으로 상부에 비해 경도 감소가 다소 있지만 높은 경도값을 유지하고 있다. 중첩되는 영역에서는 클래드 층의 재용융 및 재응고로 인해 경도가 증감하는 경향이 나타나고 있다.

동일한 조건에서 3층까지 적층시킨 클래드 층의 종방향과 횡방향의 경도를 측정하여 Fig. 7과 Fig. 8에 각각 나타낸다. 모든 영역에서 평균경도는 600Hv 이상으로 높은 값을 나타내었다. 다만 경계부와 가까워질수록 모재와의 희석으로 인해서 경도가 감소하는 것을 확인할 수 있다. 횡방향의 경우에는 각각 641Hv, 630Hv로 1층의 횡방향보다 모두 높게 측정되었다.

Fig. 7

Longitudinal hardness distribution of 3rd multipass clad layer at 20 % overlapping ratio

Fig. 8

Transverse hardness distribution of 3rd multipass clad layer at 20 % overlapping ratio

3.3 클래드 층의 미세조직 및 성분분포

중첩률 20 %에서 얻어진 1층 멀티패스 클래드 층에 대해 광학현미경을 사용하여 중첩부와 경계부를 관찰하였으며, Fig. 9에 미세조직 사진을 나타낸다. 모든 영역에서 기공 및 균열과 같은 결함은 관찰되지 않았다. 조직은 덴드라이트 상을 나타냈으며, 재용융 및 재응고로 인해 중첩부 영역이 두드러진 것을 알 수 있다. A영역은 3번째 중첩부의 상부와 중앙부를 확대한 사진으로, 확대한 사진을 살펴보면 이미 형성된 클래드 층에 새로운 클래드 층이 중첩되면서 주상정 구조의 조대한 조직이 나타났으며, 이러한 조직은 새로운 클래드 층에서 다시 작아진 것을 확인할 수 있었다. B영역은 모재와 클래드 층의 경계부로, 열축적으로 인해 복잡한 결정성장 방향 및 조대해진 덴드라이트를 관찰할 수 있다.

Fig. 9

Microstructure of Multi-pass clad layer at 20 % overlapping ratio

1층 멀티패스 클래드 층의 표면에서 깊이방향으로 EDS 선분석을 실시하였으며, 그 결과를 Fig. 10에 나타낸다. 첫 번째 클래드 층인 a의 경우 경도 분포 결과와 마찬가지로 다른 영역인 b, c, d와 달리 모재와의 희석이 증가하여 모재의 주성분인 Fe가 가장 많이 검출되었다. 또한 모든 영역에서 모재와 가까워질수록 희석이 증가하여 Fe가 증가하는 경향이 나타났다.

Fig. 10

EDS line analysis results of 1st multi-pass clad layer at 20 % overlapping ratio

Fig. 11에는 3층까지 적층된 클래드 층의 EDS 선분석 결과를 나타낸다. 모든 영역에서 전반적으로 1층 클래드 층의 성분 분포와 유사한 경향을 나타내지만, 적층에 의해서 상부에 희석율에 감소하여 Fe가 감소하고 Cr 및 Co의 함량이 증가한 것을 확인할 수 있다.

Fig. 11

EDS line analysis results of 3rd multi-pass clad layer at 20 % overlapping ratio

1층 클래드의 중첩부 및 경계부 성분 분포 특성을 좀 더 면밀히 관찰하기 위해 EPMA 면분석을 실시하였으며, 그 결과를 Fig. 12에 나타낸다. 첫 번째와 두 번째 클래드 층의 충첩부인 (a)를 살펴보면 Co와 Fe의 성분 분포를 통해 첫 번째 클래드 층과 두 번째 클래드 층의 희석률 차이를 알 수 있다. 클래딩 분말의 주성분인 Co의 경우 두 번째 클래드 층에서 더 많은 양이 분포하였다. Fe 성분의 경우 모재와의 희석으로 첫 번째 클래드 층에서 증가한 것을 알 수 있다. 또한 빠른 냉각 속도 및 응고속도로 분포가 균일하지 않았다. 그 외 Cr, Ni, W 및 C의 성분은 희석률의 차이로 인해 분포의 차이는 있었지만 그 차이는 미미하였다.

Fig. 12

EPMA results of 1st multi-pass clad layer

중첩시 모재와의 희석이 가장 많이 발생했던 첫 번째 클래드 층과 모재 사이의 경계부 성분 분포인 (b)를 분석한 결과, 클래드 층 내에 Co가 고르게 분포한 것을 알 수 있었으며, Fe는 32 ~ 49 ㎛의 두께를 가진 희석층에서 급격하게 감소하였다. 세 번째 클래드 층과 모재 사이의 경계부인 (c)는 (b)와 유사한 성분 분포를 나타내었으나 상대적으로 희석이 감소하여 모재와 클래드 층의 성분 분포의 차이가 더 뚜렷해진 것을 알 수 있다.

3층까지 적층시킨 클래드 층의 주요 원소에 대한 EPMA 분석 결과를 Fig. 13에 나타낸다. (a)는 2층 및 3층이 적층되는 영역이며, (b)는 1층과 2층이 적층되는 영역이다. 모든 영역에서 성분 차이가 층과의 경계부에서만 구분이 될 뿐 큰 차이가 없음을 알 수 있다.

Fig. 13

EPMA results of 3rd multi-pass clad layer

4. 결 론

내열강 SNCrW에 LC-190 분말을 이용하여 멀티패스 클래딩시 중첩률 및 분말 공급량에 따른 클래드 층의 특성을 분석하였으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

1) 분말 공급량이 증가할수록 클래드 층의 높이가 증가하였지만 공급량이 너무 많으면 균열이 발생하였기 때문에 적절한 분말 공급량 및 입열량의 제어가 필요하였다.
2) 레이저 출력 2 kW, 이송속도 3.5 mm/s, 분말공급량 5 ~ 6 g/min, 중첩률 20%인 조건에서 클래드 층의 1층 높이는 약 0.7mm 였으며, 3층까지의 적층 높이는 약 2.0 mm 였다.
3) 멀티패스 클래드 층의 경도는 클래드 1층의 경우 평균 511Hv 이상으로 모재보다 2배 이상 상승하였으며, 3층 적층의 클래드 층은 평균 600Hv 이상의 경도 값을 나타내었다.
4) 광학현미경을 이용하여 미세조직을 관찰한 결과, 모든 영역에서 기공 및 균열과 같은 결함은 나타나지 았았으며, 조직은 덴드라이트 상을 나타내었다.
5) EDS 및 EPMA 성분 분석을 통해 첫 번째 클래드 층에서 모재와의 희석이 가장 많았으며, 희석률이 경도 값에 영향을 미친다는 것을 확인하였다. 그 외의 클래드 층에서는 차이가 크지 않은 성분 분포를 나타내었다.

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