적층제조된 Inconel 625 초내열합금의 강도 및 연성 향상을 위한 최적 열처리 조건

국문 초록 (Abstract)

현재 항공/방산과 같은 고온용 부품의 소재로 사용되는 니켈기 초내열합금인 IN 625의 경우 4차 산업 혁명에 발맞추어 3D 프린팅을 이용한 적층제조가 활발히 적용되어지고 있다. 이때, 적층제조된 니켈기 초내열합금의 경우 열변형에 의해 잔류응력이 과다하게 축적되며 특정 결정학적 방형으로 배향되는 미세조직이 나타나므로 기계적 특성에 있어 취약한 경향을 보인다. 아울러, 높은 밀도의 전위와 편석들도 잔존하기 때문에 후속 열처리를 통해 미세조직 안정화를 통한 기계적 특성의 건성성 확보가 요구된다. 하지만 적층제조를 통해 제작된 초내열합금의 경우 적정 미세조직 및 물성치 달성을 위한 열처리 조건이 확립되어 있지 않아 통상의 제조방법(주조후 압연 혹은 단조)에 의해 제조된 초내열합금에 사용되는 표준 열처리 조건들을 인용하고 있는 실정이다. 따라서 경제적이면서 강도와 연성을 함께 향상시킬 수 있는 최적 열처리 방법을 고안하고자 하였다. 최적 조건을 위한 후보 조건은 870~1207℃ 수준의 고온 범위로 설정되었다. 온도별 열처리 시 1000℃ 이상의 온도에서 재결정이 발생하는 것으로 확인되며, 그 이상의 온도에서는 모두 동일한 경향으로 나타나는 것으로 확인된다. 따라서 효율성을 고려했을 때 1038℃/1hr 열처리 시 잔류응력해소와 균질화 및 재결정 효과를 동시에 확보할 수 있을 것으로 기대되어 최종 조건으로 선택하였다. 1038°C/1시간 열처리 후 내부응력 측정 결과 열처리 전과는 상이하게 모든 부분에서 랜덤한 압축응력이 발생하며, 응력의 절대 값은 현저히 감소하였다. 한편 1038℃/1hr 조건에서 균질화 열처리 후 상온 인장시험 시 인장 강도가 약 870MPa로 목표 기준 조건인 890MPa 이상을 만족하지 못하는 것으로 확인되는데, 이는 고온 열처리에 의한 강화상 γʺ 및 미세 탄화물의 용해로 인한 결과이다. 따라서 주강화상 γʺ 및 미세 탄화물의 석출 유도를 위해 추가적으로 700℃에서 시효 열처리를 시행하는 방안을 고안하였다. 이때 경제적 측면을 고려하여 1038℃ 균질화 열처리 후 상온으로 냉각하지 않고 700℃로 20℃/min 이상의 냉각속도로 냉각한 후 유지하는 시효 열처리를 제안하고자 하였다. 이는 냉각 중 발생할 수 있는 결정립 및 γʺ 강화상의 조대화 방지를 목적으로 하였다. 제안된 시효 열처리 효과 검증은 12시간 까지 2시간 간격으로 시간에 따른 경도를 측정하는 방법을 이용하였다. 시간에 따른 경도측정 값은 초기 약 230HV로부터 4~6시간 열처리 시 약 245HV로 증가한 후 유지는 경향으로 확인되었다. 일반적으로 경도와 비례관계를 보이는 상온 인장 강도의 경우 초기 약 870MPa로부터 2시간 시효 열처리 시 902MPa로 증가하고 4시간 열처리 시 912MPa로 소폭 상승하였으며, 이후 유사한 경향으로 확인되었다. 따라서 700℃/4hr 시효 열처리가 가장 합리적인 최적 조건으로 판단하였다.