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].

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.

실험에 사용한 레이저 클래딩 장치는 크게 최대출력 8 kW의 CW 고출력 다이오드 레이저, 분말 공급 장치, 6축 제어 로봇 3가지로 구성되어 있다. 다이오드 레이저는 965~985 nm의 파장대를 가지며, 조사되는 레이저 빔은 균일한 파워밀도 분포를 가지는 6×6 mm 크기의 사각빔(rectangular beam)이다. 실드가스 노즐을 클래딩 헤드 내부에 장착하여 클래딩이 진행되는 동안 산화를 방지하였다. 레이저, 분말, 이송가스 및 실드가스 모두 동일한 방향에서 공급되었다.

멀티패스 클래드는 총 6개의 1 패스 클래드 층을 같은 방향으로 중첩하여 형성하였으며 이 때, 중첩률 기준을 빔사이즈 일 때와 클래드 층 폭 길이 일 때로 나누어 실험을 진행하였다. 기준에 따른 클래드 층의 횡단면 모양 및 크기를 비교하였으며, 표면 조도가 가장 일정한 조건에서 경도 및 합금 성분 분포 차이를 조사하여 중첩률 기준을 선정하였다.

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

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