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최근 학술지 'Additive Manufacturing Letters'에 발표된 논문에서 연구진은 적층 제조에서 분말 수명을 연장하는 데 화학적으로 에칭된 스테인리스강 스패터의 유용성에 대해 논의했습니다.
연구: 적층 제조에서 분말 수명 연장: 스테인리스강 스패터의 화학적 에칭. 이미지 출처: MarinaGrigorivna/Shutterstock.com
금속 레이저 분말 베드 융합(LPBF)에서 발생하는 스플래시 입자는 용융 풀에서 분출되는 용융된 액체 방울이나 레이저 빔을 통과하면서 용융점 근처 또는 그 이상으로 가열된 분말 입자에 의해 생성됩니다.
불활성 환경을 사용했음에도 불구하고, 금속이 용융 온도 근처에서 높은 반응성을 보여 산화가 촉진됩니다. LPBF 용융 과정에서 분출되는 비산물 입자가 표면에 적어도 짧은 시간 동안 머무르더라도, 휘발성 원소가 표면으로 확산될 가능성이 높으며, 산소에 대한 친화력이 높은 이러한 원소들은 두꺼운 산화층을 형성합니다.
LPBF에서 산소의 부분 압력은 일반적으로 가스 분무 방식보다 높기 때문에 산소와의 결합 가능성이 증가합니다.
스테인리스강 및 니켈계 합금 스패터는 빠르게 산화되어 최대 수 미터 두께의 섬 형태를 형성하는 것으로 알려져 있습니다. 또한, 섬 형태의 산화물 스패터를 생성하는 스테인리스강 및 니켈계 합금은 LPBF(액상 분말 야금)에서 흔히 가공되는 재료이며, 이 방법을 보다 일반적인 LPBF 금속 스패터에 적용하여 화학적 재생이 분말 야금에 매우 중요하다는 것을 입증하고자 합니다.
(a) 스테인리스강 스패터 입자의 SEM 이미지, (b) 열화학적 에칭 실험 방법, (c) 탈산된 스패터 입자의 LPBF 처리. 이미지 출처: Murray, J. W, et al, Additive Manufacturing Letters
본 연구에서는 산화된 스테인리스강 스플래시 파우더 표면의 산화물을 제거하기 위해 새로운 화학적 에칭 기술을 적용했습니다. 파우더 표면의 산화물 섬 주변 및 아래에서 금속이 용해되는 것을 주요 산화물 제거 메커니즘으로 활용하여 보다 강력한 산화물 제거를 가능하게 했습니다. 스플래시 파우더, 에칭 파우더, 그리고 원료 파우더는 LPBF 공정을 위해 동일한 분말 크기 범위로 체질했습니다.
연구팀은 화학적 기법을 사용하여 분말 표면에 Si 및 Mn이 풍부한 산화물 섬을 형성하도록 분리된 스테인리스강 스패터 입자에서 산화물을 제거하는 방법을 시연했습니다. LPBF 프린트의 분말층에서 316L의 스패터를 수집하고 침지법을 사용하여 화학적으로 에칭했습니다. 모든 입자를 동일한 크기 범위로 선별한 후, 최적화된 에칭 스패터와 순수 스테인리스강을 사용하여 LPBF 공정을 한 번에 진행했습니다.
연구진은 온도와 두 가지 종류의 스테인리스강 에칭액을 살펴보았습니다. 동일한 크기 범위로 선별한 후, 유사한 원료 분말, 스플래시 분말, 그리고 효율적으로 에칭된 스플래시 분말을 사용하여 LPBF 단일 트랙을 생성했습니다.
스패터, 에칭 스패터 및 순수 분말에서 생성된 개별 LPBF 흔적. 고배율 이미지는 스퍼터링된 트랙에 흔히 존재하는 산화층이 에칭된 스퍼터링 트랙에서는 제거되었음을 보여줍니다. 원래 분말에는 여전히 일부 산화물이 남아 있었습니다. 이미지 출처: Murray, J. W, et al, Additive Manufacturing Letters
316L 스테인리스강 비산 분말 표면의 산화물 면적은 랄프 시약을 65°C 수조에서 1시간 동안 가열한 후 7%에서 0.7%로 10분의 1로 감소했습니다. 넓은 영역을 분석한 EDX 데이터는 산소 함량이 13.5%에서 4.5%로 감소했음을 보여주었습니다.
에칭 처리된 스패터는 일반 스패터에 비해 트랙 표면에 산화물 슬래그 코팅이 적습니다. 또한, 분말의 화학적 에칭은 트랙에서 분말의 흡수율을 높입니다. 화학적 에칭은 널리 사용되고 내식성이 뛰어난 스테인리스강 분말로 만들어진 스패터 또는 대량 사용 분말의 재사용성과 내구성을 향상시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.
45~63µm 체 크기 범위 전체에 걸쳐, 에칭 처리된 분말과 에칭 처리되지 않은 분말에 남아있는 응집 입자는 에칭 처리된 분말과 스패터 분말의 미량 부피가 유사한 반면, 원래 분말의 부피는 약 50% 더 큰 이유를 설명합니다. 응집되거나 위성 입자를 형성하는 분말은 벌크 밀도에 영향을 미치고 결과적으로 부피에도 영향을 미치는 것으로 관찰되었습니다.
에칭된 스패터는 일반 스패터에 비해 트랙 표면에 산화물 슬래그 코팅이 적습니다. 산화물을 화학적으로 제거하면 반결합 분말과 순수 분말에서 환원된 산화물의 결합력이 더 우수해지는 것을 확인할 수 있는데, 이는 더 나은 습윤성 때문입니다.
스테인리스강 시스템에서 비산 분말로부터 산화물을 화학적으로 제거할 때 LPBF 처리의 이점을 보여주는 개략도. 산화물을 제거함으로써 탁월한 습윤성을 얻을 수 있다. 이미지 출처: Murray, J. W, et al, Additive Manufacturing Letters
요약하자면, 본 연구에서는 염산에 염화제2철과 염화구리를 용해시킨 랄프 시약에 침지하는 화학적 에칭 공정을 이용하여 고도로 산화된 스테인리스강 비산 분말을 화학적으로 재생시켰습니다. 가열된 랄프 에칭 용액에 1시간 동안 침지시킨 결과, 비산 분말 표면의 산화 영역이 10배 감소하는 것을 관찰했습니다.
저자들은 화학적 에칭이 개선되어 더 넓은 범위에서 활용될 경우, 재사용되는 여러 개의 스패터 입자 또는 LPBF 분말을 재생하여 고가의 분말 기반 재료의 가치를 높일 수 있는 잠재력을 가지고 있다고 믿습니다.
Murray, JW, Speidel, A., Spierings, A. 외. 적층 제조에서 분말 수명 연장: 스테인리스강 스패터의 화학적 에칭. Additive Manufacturing Letters 100057 (2022). https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772369022000317
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수르비 자인은 인도 델리에 거주하는 프리랜서 기술 작가입니다. 그녀는 델리 대학교에서 물리학 박사 학위를 받았으며, 다양한 과학, 문화 및 스포츠 활동에 참여했습니다. 그녀의 학문적 배경은 재료 과학 연구이며, 특히 광학 장치 및 센서 개발을 전문으로 합니다. 콘텐츠 작성, 편집, 실험 데이터 분석 및 프로젝트 관리 분야에서 폭넓은 경험을 보유하고 있으며, 스코퍼스(Scopus) 색인 저널에 7편의 연구 논문을 발표하고 연구 결과를 바탕으로 2건의 인도 특허를 출원했습니다. 독서, 글쓰기, 연구 및 기술에 대한 열정을 가지고 있으며, 요리, 연기, 정원 가꾸기 및 스포츠를 즐깁니다.
Jainism, Subi.(2022년 5월 24일). 새로운 화학적 에칭 방법으로 산화된 스테인리스 스틸 스플래시 파우더에서 산화물을 제거합니다.AZOM.2022년 7월 21일 https://www.azom.com/news.aspx?newsID=59143에서 검색함.
Jainism, Subi. "산화된 스테인리스강 스패터 파우더에서 산화물을 제거하는 새로운 화학적 에칭 방법".AZOM.2022년 7월 21일.
Jainism, Subi. "산화된 스테인리스강 스패터 파우더에서 산화물을 제거하는 새로운 화학적 에칭 방법".AZOM.https://www.azom.com/news.aspx?newsID=59143.(2022년 7월 21일 접속).
Jainism, Subi.2022. 산화된 스테인리스강 스플래시 파우더에서 산화물을 제거하는 새로운 화학적 에칭 방법.AZoM, 2022년 7월 21일 접속, https://www.azom.com/news.aspx?newsID=59143.
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