적층 제조용 EOS NickelAlloy

빔 성형 기술을 활용한 고급 처리

2025년 11월 3일 | 읽는 시간: 5분

초합금은 극한 조건에서 작동하도록 설계된 금속 재료의 일종이다. 고온에서도 기계적 강도를 유지하는 특성 덕분에 항공기 엔진, 발전소, 방위 장비에 필수적인 소재로 활용된다.

적층 제조(AM) 산업에서 가장 선호되는 소재 중 하나는 우수한 강도와 고온 내구성으로 유명한 초합금 247입니다. 그러나 이 초합금은 적층 제조 과정에서 다음과 같은 독특한 문제점(그림 1 참조)을 야기해 왔습니다:

레이저 분말 베드 융합(LPBF) 공정 중 미세 균열 발생
후처리 열처리 중 발생하는 거대 균열

강력한 산업 수요에도 불구하고, 합금 247의 적층 제조는 오랫동안 이러한 가공 및 후처리 과제들로 인해 제약을 받아왔습니다. 그러나 이제 변화가 일어나고 있습니다: 초합금 소재 포트폴리오에 EOS NickelAlloy 추가함으로써, 우리는 첨단 가공 전략과최첨단 빔 성형 기술, 그리고 고성능 소재의 잠재력을 최대한 끌어내는 고급 후처리 노하우를 결합하여 적층 제조의 가능성 한계를 넓혀가고 있습니다.

빔 쉐이핑

균열 민감 합금 가공을 위한 새로운 도구

수년간, 합금 247과 같은 균열 발생 가능성이높은 재료의 균열을 줄이기 위해 여러 전략이 모색되어 왔습니다. 여기에는 합금의 화학 성분 수정이나 고온 예열과 같은 복잡한 기계적 적응 방안이 포함됩니다. 이러한 방법들은 어느 정도 성과를 보였지만, 공정 안정성과 확장성 측면에서 종종 타협점을 요구했습니다. 차세대 빔 성형 기술의 도입으로 이제 생산성이나 부품 품질을 저하시키지 않으면서도 이러한 과제들을 해결할 수 있는 강력한 새로운 도구를 확보하게 되었습니다.

기존 LPBF 시스템에서 단일 모드 레이저는 일반적으로 가우시안 강도 분포로 작동합니다. 이는 용융 풀 역학 제어, 특히 균열 발생 경향이 있는 재료의 경우 제어 능력을 제한합니다.

빔 성형( )을 통해 다양한 모드에서 코어 가우시안 프로파일과 링 프로파일 사이의 강도 분포를 변경할 수 있습니다(그림 2 참조). 모드 0(완전 가우시안)부터 모드 6(완전 링)까지 재료 유형과 공정 요구사항에 따라 적합한 강도 분포를 선택할 수 있습니다. 이러한 유연성 덕분에 재료와 응용 분야의 특정 요구에 맞춰 에너지 입력을 조정할 수 있어, 기존에는 프린팅이 불가능하다고 여겨졌던 합금 가공에 새로운 가능성을 열어줍니다.

표준 가우시안 공정을 사용하는 기존의 LPBF 공정에서는 용융 풀이 깊을 경우, 특히 두 응고 전선이 만나는 지점에서, 특히 그 방향 이탈이 클 때 미세 균열이 발생하기 쉽습니다. 또한 균열은 주로 입계에서 형성되어 가우시안 레이저 빔 프로파일로 생성된 미세 입자 미세구조에서 높은 균열 밀도를 초래합니다. 이러한 표준 공정에서 균열을 방지하려면 낮은 레이어 두께와 레이저 출력을 사용해야 합니다. 이는 지나치게 긴 빌드 시간과 불안정한 공정으로 이어져 열악하고 일관성 없는 특성을 생성합니다. 빔 성형을 통해 강도 분포를 수정하여 다양한 유형의 용융 풀 형상을 생성할 수 있으며, 이를 통해 더 높은 출력과 일반적인 레이어 두께로 작동하면서도 반원형 또는 평평한 용융 풀 형상을 유지할 수 있습니다.

용융 풀이 평평해질수록 적층 방향을 따라 방향성 응고가 증가하여 용융 풀 중심부에서 방향이 어긋난 응고 전선의 충돌을 방지합니다. 이로 인해 적층 직후 상태에서 균열 밀도가 극히 낮아집니다. 또한 용융 풀 수준에서 일관되고 방향성 있는 응고는 원하는 특성 프로파일에 맞춰 결정립 크기를 조절할 수 있게 합니다. 예를 들어, 크리프 특성에 대해서는 큰 결정립이 선호될 수 있는 반면, 작은 결정립은 더 높은 강도나 더 긴 피로 수명을 제공합니다. 열처리가 완료된 후, 빔 성형 공정에서 생성된 LPBF 재료는 수백 마이크로미터에서 1mm에 이르는 입자 크기를 생성할 수 있으며, 이는 일반적인 LPBF에서 관찰되는 입자 크기보다 현저히 큽니다.

또한, 제작 상태에서 결함 비율이 0.04% 미만인 균열이 거의 없는 시편을 생산할 수 있습니다(그림 4 참조). 남아 있는 소량의 결함은 후처리 공정인 고온 등방성 압축(HIP)을 통해 처리할 수 있습니다(그림 5 참조).

개념에서 응용까지: EOS NickelAlloy 의 다음 단계는 무엇인가

우리는 첨단 하드웨어, 심층적인 재료 및 공정 전문성, 맞춤형 후가공을 통합하여 미세 균열을 최소화하고 이 고성능 합금의 잠재력을 최대한 발휘하는 것을 목표로 합니다. 우리의 초점은 EOS NickelAlloy 고온 성능이 가장 중요한 에너지, 항공우주 및 방위 산업용 중소형 부품에 맞춰져 있습니다. 관련된 기술적 복잡성을 고려하여, 이 공정은 완전히 개발된 제품이 아닌 Additive Minds 협력 프로젝트와 연계하여 우선 제공됩니다.

다음과 같이 구성됩니다: