멀티패스 레이저 클래딩에 있어서 중첩률의 기준에 따른 클래드 층의 특성 비교

1. 서 론

최근 엔진의 고성능·고출력화 및 저연비화로 엔진의 부하가 증대되면서 엔진 밸브 시트와 페이스는 엔진 성능에 영향을 미치는 중요한 요소 중 하나가 되었다. 이 부분에는 약 500~800 ℃의 고온 연소가스에 의해 높은 빈도의 충격 및 침식이 발생하기 때문에 내마모성, 내열성 및 내식성 향상이 요구되고 있다. 또한 비용 절감을 위해 선박 연료유가 저질화되면서 부식마모 및 부식성이 강해지고 있으므로 손상은 더욱 심화되고 있다[1]-[3]. Figure 1 (a)에 나타내듯이 오버레이 용접 전 밸브 페이스에는 오목한 홈이 있으며, 현재 산업현장에서는 이 부분을 PTA 오버레이 용접을 적용하고 있다. 기존에 사용되어온 기술로 Figure 1 (b)와 같이 넓은 면적에 표면층을 높게 쌓아올릴 수 있으나 열 영향부 면적이 상당히 넓으며 모재 희석이 많이 발생하는 문제가 있다[4]. 이와 달리 레이저 클래딩을 적용하면 낮은 희석률로 고온에서의 내마모성, 피로 강도 및 내식성이 개선되고 모재에 대한 입열량이 적어 열 영향 및 열 변형을 줄일 수 있다[5]. 하지만 이러한 장점에도 불구하고 레이저 빔의 특성상 1 패스(1 pass) 클래드 층의 폭이 제한적이라는 단점이 있기에, 실제로 6 × 6 mm 크기의 사각빔을 이용하여 레이저 클래딩 시, 6~10 mm 정도의 폭을 가진 클래드 층을 형성할 수 있다. 따라서 1 패스 클래드 층의 폭 보다 넓은 면적을 클래딩하기 위해서는 중첩(overlapping)이 불가피하다. 현재까지 진행된 연구에서 중첩률 기준을 빔 사이즈와 클래드 층 폭으로 나누었으므로, 따라서 본 연구에서는 중첩 기준이 멀티패스 클래드 층에 미치는 영향을 조사하였다[6]. 기준을 빔 사이즈 또는 클래드 층 폭으로 할 때, 멀티 패스(multi pass) 클래드 층의 형상과 경도 및 합금 성분 분포의 차이를 파악하여 중첩률 기준을 정하고자 하였다.

Figure 1:

Photos of exhaust valve face

2. 실험 재료 및 방법

2.1 실험 재료

본 실험에서는 선박엔진 밸브용 내열강 SNCrW를 모재로, stellite 6과 동일한 조성의 EuTroLoy 16006을 분말로 사용하였으며, 각각의 화학조성을 Table 1과 Table 2에 나타낸다. 내열강은 500 ℃에서 최대 750 ℃까지의 온도 범위에서 사용될 수 있는 합금강으로 고온강도, 내산화성, 내마모성 및 고온피로강도가 우수하다[7]. stellite는 Co에 Cr과 W 등을 섞은 내열성 합금으로 경질이고 내마모성, 내식성, 내고온 산화성 및 내열성이 우수하며 stellite 6이 가장 범용적으로 사용되고 있다[8].

Table 1:

Chemical composition of SNCrW

Table 2:

Chemical composition of EuTroLoy 16006

SNCrW 시험편은 원형의 형태로 지름 115 mm, 두께 20 mm이다. 가스 분사법(gas atomization)으로 제조된 분말은 둥글거나 불규칙한 형상을 나타내며 크기는 53~150 μm이다.

3. 실험 결과 및 고찰

3.1 중첩률 기준에 따른 클래드 층의 형상 비교

높이 약 1 mm, 폭 약 10 mm의 1 패스 클래드 층을 형성하는 레이저 출력(P) 4 kW, 클래딩 속도(v) 4 mm/s, 분말 공급량(R_f) 19~20 g/min의 조건에서 중첩률(O_Lap.r) 기준을 빔 사이즈와 클래드 층 폭으로 나누어 실험을 진행하였다. 먼저, 6 × 6 mm의 빔 사이즈 기준으로 중첩률을 0~30 %까지 10 % 단위로 변화시킬 때의 실험 진행 모식도와 클래드 층의 횡단면을 Figure 2에 나타낸다. 중첩률 0 %는 빔이 겹치지 않고 연속적으로 이어지며, 10, 20, 30 %로 중첩률이 증가할수록 빔이 겹치는 영역이 0.6 mm 만큼씩 넓어지는 것을 모식도를 통해 확인할 수 있다. 전체적으로 균일한 높이의 클래드 층이 형성되었으며 중첩률이 증가할수록 클래드 층의 폭이 감소하고 높이가 상승하는 것을 Figure 2의 횡단면을 통해 알 수 있다. 다음은 1 패스 클래드 층의 폭을 기준으로 중첩률을 0~40 %까지 10 % 단위로 변화시키면서 전과 동일하게 실험을 진행하였다. 중첩 실험과 동일한 조건에서 1 패스 클래드 층의 폭은 9.864 mm로, 중첩률 0 %는 클래드 층이 전혀 겹치지 않고 연속적으로 이어지며, 10 %는 0.99 mm, 20 %는 1.97 mm, 30 %에서 2.96 mm, 40 %는 3.94 mm 겹치는 것을 Figure 3의 실험 진행 모식도에서 확인할 수 있다. 또한 중첩률 30 %까지는 레이저 빔이 겹치지 않으나 40 %에서 0.1 mm 겹치는 것을 알 수 있다. Figure 3의 클래드 층 횡단면 관찰 결과, 0 %와 10 %일 때 클래드 층의 표면 높이 차이가 상당하였으나 중첩률이 증가할수록 점차 감소하여 40 %조건에서 가장 균일하였다.

Figure 2:

Schematic diagram and cross section of multi pass clad with overlapping ration by beam size criterion

Figure 3:

Schematic diagram and cross section of multi pass clad with overlapping ration by clad layer width criterion

각 중첩률 기준에 따른 멀티 패스 클래드 층의 폭과 높이를 정량적으로 계측하였으며, 그 결과를 Figure 4에 나타낸다. 빔 사이즈 기준일 때 모든 중첩률 조건에서 높이 1.5 mm, 길이 30 mm 이상의 클래드 층을 얻을 수 있었다. 동일한 중첩률 조건에서 클래드 층 폭 기준일 때보다 높이가 더 상승하였으며 길이는 짧았다. 기준에 상관없이 중첩률이 0 %에서 30 %로 증가할 때 클래드 층의 폭은 약 10 mm 이상 감소하므로 작업 생산성을 고려하여 적절한 중첩률의 선정이 필요하다는 것을 알 수 있다.

Figure 4:

Variation of multi pass clad with different overlapping criterion

3.2 중첩률 기준에 따른 물성 및 성분 분포 비교

3.2.1 멀티 패스 클래드 층의 경도 분포

중첩률 기준에 따른 클래드 층의 형상 차이를 확인한 후, 물성 차이를 비교하기 위해 클래드 층의 경도 분포를 조사하였다. 클래드 층의 표면이 균일해지는 조건에서 첫 번째, 네 번째 그리고 마지막 클래드 층의 표면부터 모재까지 깊이 방향으로 60 μm 간격을 두고 측정하였다.

빔 사이즈 기준 중첩률 20 % 조건의 경도 분포를 Figure 5에 나타낸다. 첫 번째 클래드 층 영역인 a에서 경도 값은 400~460 Hv으로 평균 440 Hv을 나타낸다. 하지만 나머지 영역에서 클래드 층의 평균 경도는 482 Hv, 494 Hv로, 첫 번째 클래드 층보다 값이 높은 것을 알 수 있다. 첫 번째 클래드 층은 모재의 희석이 많이 발생하면서 경도 값이 감소하였으나 두 번째 클래드 층부터는 희석이 줄어들면서 경도가 상승한 것으로 판단된다. Figure 6은 클래드 층 폭기준 중첩률 30 % 조건의 경도 측정 결과로, Figure 5와 달리 a, b, c 그래프 모두 비슷한 값을 나타내었다. 전체적으로 모재의 희석이 증가하면서 클래드 층의 경도가 400~500 Hv, 평균 450 Hv으로 빔 사이즈 기준 20 % 조건 보다 낮은 값을 나타내었다.

3.2.2 멀티 패스 클래드 층의 성분 분포

경도 차이가 발생하는 이유를 클래드 층의 성분 분포를 통해 알아보고자 하였다. Figure 7은 중첩률이 빔 사이즈 기준 20 % 일 때 횡단면의 광학현미경 사진과 실험 모식도, SEM-EDS 라인 분석 결과를 나타낸다. a~d는 클래드 층 표면에서부터 깊이 방향으로, e와 f는 클래딩 진행 방향으로 성분 분석을 진행한 결과이다. 먼저, 각각의 그래프를 통해 Fe이 다르게 분포하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 첫 번째 클래드 층에서 Fe은 약 20 % 가까이 나타났지만 b 그래프 상부에서 10 % 미만으로 감소하였다가 다시 증가하였다. c와 d 그래프에서는 클래드 층 전체에서 Fe이 10 % 미만으로 적은 양을 나타내었다. 첫 번째 클래드 층부터 두 번째 클래드 층까지를 측정한 e 그래프 또한 첫 번째 층이 포함된 영역에서 Fe이 20 % 가까이 높게 측정되었지만 두 번째 층이 중첩되는 영역에서 감소하였다. f 그래프는 c 및 d와 동일하게 매우 적은 양으로 고른 분포를 나타내었다.

Figure 5:

Variation of hardness at overlapping ratio 20 % by beam size criterion

Figure 6:

Variation of hardness at overlapping ratio 30 % by clad layer width criterion

Figure 7:

Results of EDS lining analysis on cross section of multi pass clad at overlapping ratio 20 % by beam size criterion

레이저 빔이 1.2 mm 겹치는 중첩률 20 % 조건으로 멀티패스 클래딩 시, 처음에는 6 mm 길이의 레이저가 모재에 조사되지만 두 번째 클래드 층을 형성할 때부터는 기존에 형성된 클래드 층에도 레이저가 조사되면서 모재에 직접적으로 닿는 빔의 길이가 약 3mm로 감소하게 되는 것을 실험 모식도를 통해 확인할 수 있다. 따라서 모재의 입열량에 의한 희석률 변화로 경도 값의 차이가 발생한 것으로 판단된다.

Figure 8은 중첩률이 클래드 층 폭 기준 30 % 일 때 횡단면 사진과 실험 진행 모식도, 합금 성분 분포를 나타낸 것으로 성분 분석은 전과 동일한 방식으로 실시하였다. 클래드 층이 2.96 mm 겹치는 중첩률 30 % 조건에서 레이저는 약 0.9 mm 간격을 두고 조사되는 것을 실험 모식도에서 확인할 수 있다. 첫 번째 클래드 층 형성 시, 6 mm 길이의 레이저가 모재에 조사된다. 두 번째 클래드 층을 형성할 때도 기존에 형성된 클래드 층에 빔이 조사되지만 모재에 직접적으로 닿는 빔의 길이가 6 mm 가까운 것을 알 수 있다. 따라서 분석을 진행한 위치에 관계없이 Fe은 20 %에 가까운 높은 양을 나타내었으며, 빔 사이즈 기준일 때보다 경도 값도 낮게 측정된 것을 알 수 있었다. 결론적으로 멀티패스 클래딩 시 중첩률의 기준을 클래드 층의 폭으로 할 경우, 희석률이 증가하여 경도가 감소하고 무엇보다도 출력과 클래딩 속도, 분말 공급량과 같이 클래드 층 형상에 영향을 주는 변수를 변화시킬 때마다 폭의 길이가 증감하게 되므로 추후 중첩 실험에서는 빔 사이즈를 중심으로 중첩률을 정의하였다.

Figure 8:

Results of EDS lining analysis on cross section of multi pass clad at overlapping ratio 30 % by clad layer width criterion

3.3멀티 패스 클래드 층의 미세조직

중첩률 20 % 조건의 클래드 층에 대하여 중첩부 및 경계층 미세조직을 광학현미경으로 관찰하였으며, 그 사진을 Figure 9에 나타낸다. 중첩 후 클래드 층의 단면에서 기공이나 균열과 같은 결함이 발생하지 않았으며, 모재 표면 일부가 용융되면서 클래드 층과 금속학적 결합이 이루어진 것을 확인할 수 있다. 모재와 경계층에서부터 클래드 층 표면까지 평활계면 응고, 셀형 응고, 셀형 수지상 응고 및 등축 수지상 응고 구조가 관찰되었으며 중첩되는 영역이 뚜렷하게 구분되었다. 중첩부는 미세한 덴드라이트 구조의 클래드 층이 재용융 및 재가열되면서 조대해진 주상과 세포상 구조가 형성되었으며 새로운 클래드 층에서 결정립 크기가 다시 작아지는 것이 관찰되었다. 클래딩이 진행될수록 계속되는 열 축적으로 클래드 층의 온도 구배는 점차 감소하며, 열은 모재보다는 주위 대기를 통해 방출하게 되므로 1 패스 클래드 층보다 더 복잡한 결정성장 방향이 나타났다[9].

Figure 9:

Optical microscope photos of microstructure

4. 결 론

넓은 면적에 클래딩 시 레이저 빔의 특성상 1패스 클래드 층의 중첩이 불가피하며 중첩 실험 전, 멀티패스 클래드 층에 미치는 중첩 기준의 영향을 조사하였으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

• (1) 중첩률 기준을 달리하여 멀티패스 클래딩을 실시한 결과, 기준에 관계없이 중첩률이 증가할수록 클래드 층의 폭이 감소하고 높이가 증가하였다. 클래드 층 폭 기준일 때 보다 빔 사이즈 기준으로 형성한 클래드 층의 높이는 더 높았으며 길이는 짧았다.
• (2) 멀티패스 클래드 층의 경도를 측정한 결과, 빔 사이즈 기준 중첩률 20 % 조건에서 첫 번째 클래드 층은 희석이 증가하여 경도 값이 낮게 측정되었으며, 다른 영역에서는 희석이 감소하면서 평균 경도가 470~490 Hv으로 증가하였다. 클래드 층 폭 기준 30 %의 경우 전체적으로 빔 사이즈 기준일 때 보다 낮은 값을 나타내었다.
• (3) 경도값의 차이가 발생하는 이유를 SEM-EDS 라인 분석을 통해 확인하였다. 중첩률이 빔 사이즈 기준 20 % 일 때, 첫 번째 클래드 층에서 Fe은 약 20 % 가까이 측정되었으나, 두 번째 층부터는 10 % 미만으로 감소하였다. 클래드 층 형성 시 모재에 직접적으로 조사되는 빔 길이의 변화로 모재 용융량이 달라지면서 경도 차이가 발생하였다. 이와 달리 클래드 층 폭 기준 중첩률 30 %는 클래드 층의 어느 위치에서든 Fe이 20 %에 가까운 높은 양을 나타내었다. 따라서 빔 사이즈 기준일 때보다 전체적으로 모재 성분이 증가하여 경도가 감소하였다.
• (4) 멀티 패스 클래딩 시 중첩률의 기준을 클래드 층 폭으로 할 경우, 공정변수를 변화시킬 때 마다 폭의 길이가 증감하게 되므로 빔 사이즈를 중첩률 기준으로 정하였다.
• (5) 멀티 패스 클래드 층의 조직 분포를 관찰한 결과, 중첩 후에도 결함이 발견되지 않았으며 모재와 클래드 층은 금속학적으로 결합되었다. 중첩부는 미세한 덴드라이트 구조의 클래드 층이 용융·응고되면서 조대해진 주상 및 세포상 구조가 형성되었다.

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