적층 제조 (Additive Manufacturing, AM) 공정은 4차 산업혁명의 핵심 기술로 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다 [1-5]. 적층제조 공정 중 하나인 고에너지 직접 적층법 (Direct Energy Deposition, DED)은 분말 (또는 와이어) 형태의 원재료를 분사하면서 레이저와 같은 고에너지 열원을 이용해 용융시켜 적층하는 방식을 뜻한다 [6-8]. DED 적층공정은 모재 또는 적층 대상 부품 표면이나 국부 영역에 금속 와이어나 분말을 공급하고 여기에 레이저 (laser) 또는 전자빔 (electron beam)을 이용하여 용융 및 급속 응고를 거쳐 적층하는 공정을 말하며 [8], 하나의 구조물을 제조할 때 여러 가지 다른 종류의 금속 분말을 사용할 수 있어 경사조성재료 제작에 매우 유리하다 [9,10]. 한편, 원자력발전소의 많은 부속 및 부품들은 사용 목적 및 환경에 따라 복합적인 재료들로 제작되어 사용되고 있다 [11]. 특히, 원전 냉각계통의 배관 및 밸브 등에는 다수의 이종금속 용접부가 존재하는 것으로 알려져 있다 [12]. 특히, 붕산수가 주입되고 325 °C의 온도와 15 MPa의 압력으로 유지되는 1차 냉각계통 배관 (primary coolant piping)에는 Alloy 600 니켈합금재료가 접합 재료로 사용되고 있다 [13,14]. 그러나 Alloy 600 니켈 합금 재료는 1차수 응력부식균열 (Primary Water Stress Corrosion Cracking, PWSCC)에 취약하기 때문에 1970년대부터 응력부식균열의 발생사례가 다수 보고 되어왔다 [13,15]. Alloy 600 니켈합금재료를 대체하여 오스테나이트계 스테인리스강과 페라이트계 저합금이 접합되어 사용되고 있으나, 이종금속 용접부에서는 재료물성의 차이로 인해 다양한 금속학적 문제가 발생하기 쉽다. 그러므로 이종접합에서 발생하는 문제를 완화시키기 위해서는 계면부에서 급격한 열적/물리적 특성 변화가 나타나지 않는 것이 매우 중요하다. 최근 연구가 되고 있는 경사조성재료 (Functionally Gradient Material, FGM) [16-21]의 개념을 이용하면 용접부 조성을 점진적으로 변화시켜서 이종금속접합의 문제점을 보완할 수 있을 것으로 기대된다 [22]. 그러나, 3D적층 가공된 금속재료를 비롯하여 용접 및 접합 법으로 제조된 원자력발전소용 부품들 내부에서는 반복적인 열팽창 및 수축으로 인해 잔류응력이 발생하기 쉽다. 실제로, 열영향부 (Heat Affected Zone, HAZ)에는 경(hard)하고 인성(toughness)이 낮은 미세조직들이 형성되기 쉬어 HAZ 성질을 저하시키는 것으로 보고되고 있다 [23,24]. 이에 따라, ASME Section에서는 후열처리 (Post-Weld Heat Treatment, PWHT)공정을 필수로 수행하도록 규정하고 있다 [25-27]. 그러나 냉각계통에서 주로 사용하는 300계열의 스테인리스강은 PWHT 후 예민화 (Sensitization) 현상이 발생 가능한 것으로 알려져 있다 [5]. 예민화 현상은 500~800 °C에서 스테인리스강을 장시간 열처리하면 결정립계 내부의 Cr이 결정립계면으로 이동하면서 탄소와 결합하여 Cr 과잉 탄화물을 생성시키는 현상이다. 이 때 생성된 탄화물은 입계 주변에 Cr 고갈지역 (Cr-depleted zone)을 형성시키고 이로 인해 입계부식이 가속화되어 조기 파단을 유발하게 된다 [28-30]. Lima [31]의 연구 결과에 따르면 스테인리스강 316L은 500 °C부터 예민화 현상이 발생했다고 한다. Atanda [32]는 750~900 °C에서 1~2시간의 짧은 열처리는 완전한 예민화가 나타났지만, 8시간 이상의 장시간 열처리에서는 탈예민화 (Desensitization)가 발생하였다. 또한 Li [33]의 연구에서는 650 °C에서 짧은 열처리에서는 예민화 현상이 발생하지 않았다. 현재까지 PWHT를 통한 예민화 현상에 대한 연구는 동일소재로 3D 적층 제조된 적층품과 용접된 소재에 관한 적은 수의 연구가 있었으나, 두 가지 합금을 3D 적층 제조한 경사조성재료의 예민화 현상 연구는 전무한 현실이다.

본 연구에서는 DED 적층 제조된 경사조성재료를 이용해 PWHT 처리를 수행하였고 이에 따른 미세조직과 기계적 특성의 변화를 알아보았다. 이를 위해 오스테나이트계와 페라이트계 금속을 경사조성재료 형태로 DED 적층 제조하여 제작하였다. 적층 제조된 FGM 시편을 이용하여 예민화 현상이 발생 가능한 온도범위에서 PWHT 처리하였고 그에 따른 미세조직 변화를 전자현미경으로 면밀히 관찰하였다.

그림 1(a)는 DED로 적층한 적층물의 모식도로서 서로 다른 합금조성을 가지는 5개의 층을 보여준다. 각 층은 Type 316L 스테인리스강 (Stainless Steel, SS)과 저합금강 (Low Alloy Steel, LAS) 2가지 분말이 서로 다른 비율로 혼합되어 적층된 구조를 가지고 있다. 각 층의 혼합비율은 표 1에 정리하였다. 본 연구에서 사용된 Type 316L 분말과 LAS 분말의 입도는 45~150 μm 수준으로 서로 동일한 입도를 가진 분말들이 사용되었다. 적층에 사용된 공정은 레이저빔 크기 800 μm, 스캔속도 14 mm/s, 초점거리 9 mm, 그리고 레이저 출력 500W 등이었다. 레이저 스캐닝 방법으로는 X 방향으로 일방향 적층 후 그 위에 Y방향으로 다시 일방향 적층하는 Orthogonal 법을 적용하였다. 총 5층을 S45C 기판 위에 적층 하였으며, 제일 아래층 (E층)은 100% LAS 분말을 이용해 10 mm 높이로 적층되었다. 이후 중간 3개의 층 (B, C, D)은 5 mm 높이로 각각 SS 25%: LAS 75%, SS 50% : LAS 50%, SS 75% : LAS 25% 의 무게 비율로 혼합된 분말을 이용해 적층되었다. 가장 위층 (A층)은 다시 10 mm 높이로 100% Type 316L SS 분말을 이용해 적층되었다 (그림 1a).

열처리 영향을 조사하기 위해 DED 법으로 적층된 시편들을 이용해 후열처리 실험을 수행하였다. 열처리 전에 시편의 표면에 델타글레이즈 (Deltaglaze, SiO₂)를 도포하여 산화를 방지하였다. 모든 시편들은 10 °C/min의 속도로 승온 되었으며 각각 700 °C, 900 °C, 1100 °C에서 4시간 유지 후 상온까지 로냉 되었다. As-built와 열처리 후의 미세조직 변화를 알아보기 위해 Scanning Electron Microscope (SEM, JSM-7100F)에 장착된 Energy Dispersive Spectroscopy (EDS, EDAX-TEAM XP) 분석과 Electron Back Scatter Diffraction (EBSD, TSL Hikari Super)을 이용해 미세조직을 분석하였다. EBSD 분석 프로그램은 OIM Analysis 8을 활용하였고 Invers Pole Figure (IPF), Image Quality (IQ), Kernel Average Misorientation (KAM) 그리고 Phase 지도 등을 확인하였다. 결정립계를 조사하기 위하여 에칭을 수행하였고, 이때 에칭용액은 HCl (3) : Glycerol (2) : HNO3 (1) 비율을 사용하였다. 광학현미경 (100배율) 관찰을 통해 시편의 기공을 관찰하였다. 이 후 Image J 프로그램을 이용하여 두 시편에 대한 기공분율을 정량적으로 계산하였다. 이후 SEM (JSM-7100F)를 이용하여 결정립계에 생성되는 Cr 및 탄화물을 확인하였다. 한편, 비커스 경도 측정은 적층물의 Y면에 대하여 A층에서 E층까지 순차적으로 측정하였다. 이 때 사용된 조건은 하중 100 g, 유지시간 10 sec, 500배율, 측정간격 0.5 mm 등이었다.

본 연구는 Type 316L-저합금강을 경사조성재료로 사용하여DED 적층가공을 하였으며, 후열처리한 경사조성재료에 대한 미세조직 변화 및EDS, EBSD, 경도시험을 수행하였으며, 이에 따른 연구 결론은 다음과 같다.

(1) DED 적층물간의 균열 및 박리는 발생하지 않았고, 적층물과 기판 사이에서도 발생하지 않아 온전한 경사조성 재료를 적층 제조하였다. As-built와 700 °C 시편은 비드선과 용융풀을 관찰할 수 있었지만, 900 °C와 1100 °C의 시편은 결정립이 확산하여 비드선과 용융풀의 경계가 사라져 관찰할 수 없었다.

(2) EBSD 층간 분석결과, As-built는 A층에서 오스테나이트, B층은 오스테나이트, 마르텐사이트, C층과 D층은 마르텐사이트, 페라이트, 잔류 오스테나이트가 생성되었고, 가장 아래층인 E층에서는 마르텐사이트, 페라이트가 생성되었다. 후열처리의 온도가 증가할수록 결정립 크기가 증가하였다. 700 °C 시편은 C층과 D층에서 MA와 GB 그리고 BF가 생성되었고 E층은 결정립이 조대한 등축정 페라이트상이 생성되었다. 900 °C 시편은 700 °C 시편과 유사하였고, 1100 °C 시편은 C층과 D층에서는 BF와 LM이 생성되었다.

(3) As-built의 모든 층에서는 Cr과 탄소 그리고 Fe 함량이 결정립계와 내부에서의 조성함량 차이가 없어 예민화 현상이 발생하지 않았다. 700 °C 시편의 B층에서 결정립계에 생성된 석출물이 결정립 내부의 Cr과 탄소 함량보다 1 wt% ~ 4 wt% 증가하였고, Fe는 2~8 wt% 가량 감소하여 예민화 현상이 발생할 때 생성되는 탄화물 (M₂₃C₆)을 결정립계에서 확인하였다. C층과 D층에선 Cr과 탄소 함량 변화가 없어 예민화 현상이 없었다. 900 °C 시편과 1100 °C 시편에서는 As-built와 동일하게 예민화 현상을 발견할 수 없었다.

(4) 경도 측정 결과, A층과 B층에서는 150~250 Hv의 경도로 일정한 값이 나타났다. 반면 C층과 D층에서는 Asbuilt의 경도 값이 330~350 Hv로 비교적 일정 하였지만, 열처리된 시편은 D층이 C층보다 경도 값이 낮았다. 또한, 1100 °C 시편이 다른 시편에 비해 매우 높은 경도 값을 보였다. 이는 1100 °C 시편의 C, D층에 생성된 미세한 LM구조 때문으로 판단된다. 한편, E층에서는 열처리에 따라 페라이트 결정립 크기가 증가함으로써 As-built 보다 경도가 낮아졌다.