재료를 한 층씩 쌓아 올려 3차원 형태의 입체물을 제조하는 적층제조 (additive manufacturing) 기술은 설계 자유도가 높고 맞춤형 다품종 소량생산에 유리하여 항공, 에너지, 국방 등 다양한 산업분야 전반에 걸쳐 중요성이 강조되고 있다. 이에 따라 최근까지 적층제조를 위한 금속분말 소재 개발과 적층 공정 최적화에 초점을 두고 많은 연구가 이루어지고 있다1-3). 한편, 적층제조품에 존재하는 높은 잔류응력의 문제가 있을 뿐만 아니라 적층제조 공정이 이루어지는 챔버(chamber)의 크기가 제한적이기 때문에 대형 부품이나 기기를 제작하기 위해서는 용접 공정이 필수적으로 수반되어야 한다. 또한 적층제조품의 보수, 현장 적용을 위한 설치 혹은 기존 제품과의 결합 시에도 용접 공정의 수행이 요구된다. 이에 따라 최근에는 적층제조품의 용접 연구에 대한 필요성이 대두되고 있으며, 관련 연구들이 지속적으로 증가하고 있다4-9). Matilainen 등5)은 적층제조된 316L 스테인리스강의 레이저 용접 시 용융금속의 형상, 레이저 출력 변화에 따른 용접 결함 발생 경향을 상용 단련재와 비교한 결과, 상대적으로 완전용입이 쉽고 입열량 변화에 따라 용접결함의 발생이 민감하게 변화하는 것을 확인하였다. Raza 등7,10)은 적층제조된 Inconel 718의 고온균열 감수성이 적층 그대로 상태에서는 상용 단련재와 유사한 수준이나 열간등압성형(hot isostatic pressing, HIP) 처리를 실시함에 따라 결정립 조대화에 의해 증가한다고 하였다.

본 연구에서는 laser powder bed fusion (L-PBF) 방식으로 적층제조된 316L 스테인리스강의 용접성을 평가하였다. 316L 스테인리스강은 적층제조용으로 많이 사용되는 소재 중 하나이며, 용접성을 저해하는 요인으로는 대표적으로 용접금속에서의 응고균열을 들 수 있다. Trans-Varestraint 시험을 통해 응고균열 감수성을 정량적으로 평가하여 상용 압연재와 비교하였으며, 응고균열 특성과 미세조직과의 상관관계를 분석하였다.

모재의 미세조직을 Fig. 4에 나타내었다. 압연재의 경우 등축정의 오스테나이트 기지(matrix)에 소량의 페라이트가 존재하는 반면, 적층제조 시편은 HIP 처리 유무와 관계없이 이차상(secondary phase)이 없는 오스테나이트 단상 조직을 가지는 것으로 확인되었다. 적층 그대로 상태의 시편은 응고 조직의 특성을 보였다. 용융 풀(molten pool)의 경계가 선명하게 관찰되며, 직선 형태의 이동결정립계(migrated grain boundary)가 적층 방향을 따라 발달된 것을 볼 수 있다. 또한 급속 응고로 인해 매우 미세한 셀 (cell) 구조가 형성되었으며, HIP 처리 후에는 재결정이 진행되면서 기존의 응고조직이 사라지고 새로운 결정립계가 형성된 것을 확인할 수 있다.

Fig. 5는 Trans-Varestraint 시험 결과 용접부에서 발생한 응고균열을 실체현미경으로 촬영하여 나타낸 것이다. 압연재에 비해 적층제조 시편에서 폭이 넓고 길이가 긴 균열이 형성되었으며, HIP을 수행함에 따라 적층 그대로 상태일 때보다 응고균열의 길이가 짧아지는 것을 볼 수 있다.

Trans-Varestraint 시험 결과 시편에 가해지는 변형량에 따른 MCL의 변화를 Fig. 6에 나타내었다. 각 시편에 가해지는 변형량에 차이가 있지만, 2.5%의 변형량을 갖는 적층제조 시편이 4%의 변형량을 갖는 압연재 시편보다 MCL이 크게 나타나는 것을 볼 수 있다. 즉, 용접부의 응고균열 감수성은 적층제조 시편이 압연재에 비해 매우 높게 나타났으며, 적층제조 시편 중에서도 HIP을 실시하였을 때보다 적층 그대로 상태일 때 더 높은 것으로 확인되었다.

용접부의 미세조직을 Fig. 7에 나타내었다. 모재와 달리 모든 시편에서 다량의 페라이트가 생성되어 오스테나이트와 페라이트의 이상조직이 나타났다. 페라이트 함량 측정기를 통해 확인한 결과 Table 4에 제시한 바와 같이 압연재의 용접부보다 적층제조 시편의 용접부에서 페라이트 함량이 낮은 것을 알 수 있다. 한편 페라이트의 형상이 압연재 및 적층제조 시편 각각의 용접부에서 크게 다른 것을 확인할 수 있다. 압연재의 용접부에서는 vermicular 및 lathy 페라이트가 혼재하는 반면, 적층제조 시편의 용접부에서는 interdendritic 페라이트가 관찰되었다. 이와 같이 페라이트의 함량과 형상이 다르게 나타나는 것은 각 용접부가 서로 다른 응고모드를 가지기 때문인 것으로 예상할 수 있다. Fig. 8에 나타낸 바와 같이 초정 오스테나이트 응고 시 응고의 최종 단계에 interdendritic 페라이트가 생성되는 반면, 초정 페라이트 응고 시 페라이트의 최종 형상이 vermicular 혹은 lathy 형태를 보이게 된다11-13). 즉, 적층제조 및 압연재 시편의 용접부는 각각 초정 오스테나이트 및 초정 페라이트 응고모드를 가지는 것으로 판단할 수 있다. 응고모드는 오스테나이트계 스테인리스강 용접부의 응고균열 감수성에 결정적인 영향을 미치는데, 일반적으로 초정 페라이트 응고 시 응고균열의 발생이 억제되는 것으로 잘 알려져 있다14-15). 따라서, Fig. 6에서 보듯이 적층제조 시편의 용접부가 매우 높은 응고균열 감수성을 보이게 되는 주된 원인은 초정 오스테나이트 응고를 하기 때문인 것으로 판단된다. 초정 페라이트 응고 시 응고균열의 감수성이 낮아지는 원인으로 여러가지가 제시되고 있다. 대표적으로, 페라이트는 S, P와 같은 저융점 원소에 대한 고용도가 높기 때문에 응고온도범위를 감소시키는 효과가 있다고 알려져 있다16-17). 또한, 초정 페라이트 응고를 할 때 이종, 즉 오스테나이트와 페라이트 간의 수지상 (dendrite) 경계의 면적이 넓게 되는데 이러한 경계는 응고 최종단계에 남아있는 액상과의 젖음성(wettability)이 낮으므로 응고균열의 직접적인 원인이 되는 액상필름이 생기기 어려워지게 된다고 한다11,13). 용접부의 응고모드는 화학조성과 용접조건에 의해 결정되는데9,11,14,16), 여기에서 용접조건은 동일하므로 화학조성의 차이가 결정인자라고 할 수 있다. Ni 당량(equivalent)이 높을수록 초정 오스테나이트 응고를 하기 쉽다. Table 2에서 보듯이 적층제조 시편의 질소 함량은 압연재에 비해 0.035%만큼 높은데, 질소는 Ni 당량을 크게 증가시키는 원소로 WRC-1992 Diagram에 따르면 Ni 당량은 0.7%만큼 증가하게 된다. WRC-1992 Diagram에 따른 Ni 당량식은 Eq. 2와 같다.

적층제조 시편의 질소 함량이 상대적으로 높은 것은 가스분무법(gas atomization)을 통해 적층제조에 사용되는 분말 소재 제조 시 질소 가스를 사용하기 때문인 것으로 사료된다. 한편 Fig. 6에서 보듯이 적층제조 시편 중에서도 HIP을 실시하였을 때보다 적층 그대로 상태일 때 용접부의 응고균열 감수성이 높다. 이는 Fig. 3에서 알 수 있듯이 모재의 기계적 성질이 다를 뿐만 아니라 적층 그대로 상태일 때 존재하는 잔류응력이 고온에서 수행하는 HIP 공정에 의해 완화되는 효과가 있기 때문인 것으로 사료되나 이에 대해서는 추가적인 연구가 필요할 것으로 보인다.

Fig. 9은 용접부에서 발생한 응고균열을 관찰한 것이다. 초정 페라이트 응고를 하는 압연재 용접부에서는 균열의 길이가 짧고 전파 경로가 자주 바뀌는 반면 초정 오스테나이트 응고를 하는 적층제조 시편의 용접부에서는 균열이 직선 형태로 길게 형성되었다. 초정 페라이트 응고 시, 응고균열의 전파 경로가 되는 수지상 경계가 매우 구불구불한 형태가 되므로 균열이 생성되더라도 전파가 어려워지는 것을 확인할 수 있다. 반면 초정 오스테나이트 응고 시에는 상대적으로 굴곡이 적은 동종의 수지상 입계가 주를 이루게 되면서 균열에 대한 전파 저항성이 감소한 것으로 보인다9).

본 연구에서는 PBF 방식으로 적층제조된 316L 스테인리스강 용접금속의 응고균열 감수성을 평가하였다. 응고균열 감수성을 평가하기 위해 Trans-Varestraint 시험을 실시였으며 시험 후 용접금속에서 발생한 최대 균열길이를 측정하였다. 비교를 위해 316L 스테인리스강 압연재를 대상으로도 동일한 시험을 수행하였으며, 주요 결과는 아래와 같다. 용접부의 응고균열 감수성은 적층제조 시편이 압연재에 비해 매우 높게 나타났으며, 적층제조 시편 중에서도 HIP을 실시하였을 때보다 적층 그대로 상태일 때 더 높은 것으로 확인되었다. 적층제조 시편의 용접부가 매우 높은 응고균열 감수성을 보이는 주된 원인은 초정 페라이트 응고를 하는 압연재 용접부와 달리 초정 오스테나이트 응고를 하기 때문인 것으로 판단되며, 이와 같은 응고모드의 차이를 보이는 것은 적층제조 시편의 질소 함량이 압연재에 비해 높기 때문인 것으로 사료된다. 따라서 적층제조된 316L 스테인리스강 부품의 용접성을 높이기 위해서는 적층제조에 사용되는 분말의 질소 함량에 대한 정밀한 제어와 관리가 필요할 것으로 판단된다.