3D 프린팅으로 알려져 있는 적층 제조 (additive manufacturing)공정은 CAD 모델(Computer Aided Design)로부터 원하는 부품을 최종 형상에 가깝게(near-net shape) 제조할 수 있는 공정이다. 금속 적층 제조 공정 중 하나인 PBF (Powder Bed Fusion)의 경우 금속 분말 베드에 고출력 레이저를 조사하여 layer-by-layer로 쌓아 올리는 공정으로, 타 방식 대비 빠른 응고속도를 나타내는 공정이다. 반복적으로 일어나는 용융-응고 수축에 의해 미세조직적으로 결정립 내부와 결정립계의 misorientation을 야기 하고 전위가 집적된다고 알려져 있다. 한편, PBF 공정 중 파우더 베드의 미용융 분말이 서포트로써 작용할 수 있어 내부에 빈 공간을 형성하게될 시 제조품 형상 유지가 가능하다는 특징이 있다. 이를 이용하면 내부에 빈 공간을 디자인할 수 있다. 본 연구에서는 전술한 PBF 공정의 빠른 응고 속도를 접목하여 처음으로 Fe-16Mn-10Al-5Ni-0.86C 경량 철강 벌크 소재(3~4장)를 제조함과 동시에 니켈기 초내열 합금인 IN718 소재에 격자 구조 디자인을 적용하여 IN718 니켈기 초내열 합금 격자 구조체 (5~6장)를 적층 제조 하였다.
첫째, 처음으로 Fe-16Mn-10Al-5Ni-0.86C 경량 철강의 미세조직 및 기계적 특성을 조사하고 열연재와 비교 분석 하였다. 그 결과 오스테나이트 기지 조직을 나타내며 그 결정립 내부와 결정립계를 따라 미세한 B2-ordered 금속간 화합물 (B2-IMC)이 석출되어 있었다. LPBF로 적층 제조된 LPBF 1.38 GPa 우수한 인장 강도와 약 22 %의 우수한 연신율 조합을 나타냈다. 고주기 피로한 (fatigue limit)은 390 MPa로 항복 강도의 약 35% 부근에서 확인되었다. 위의 결과를 바탕으로 열처리에 따른 미세 구조 진화, 인장 변형 및 피로 파괴 기구를 고찰했다.
두 번째로 Fe-16Mn-10Al-5Ni-0.86C 경량 철강의 후열처리에 따른 미세 구조 변화를 확인하기 위하여 시간에 따른 소둔 처리와 direct tempering (DT)을 수행하였다. 소둔 처리는 B2-ordered 금속간화합물 변태 온도인 900℃에서 수행하였으며, 시간이 증가함에 따라 오스테나이트 결정립 및 B2-IMC의 크기와 분율이 증가하였다. 한편, DT처리 이후 κ-탄화물이 확인되었다. 상 변화가 나타남에 따라 인장 특성에 차이를 보였다. 어닐링 시간이 증가할수록 강도와 연신율은 감소하는 결과를 나타냈다. 반면 DT재의 경우 AB(as-built)보다 높은 항복 강도와 인장 강도를 나타냈다.
세 번째 파트의 경우 격자 구조 디자인을 적용한 IN718 합금 격자 구조체를 제조하고 미세조직과 상온 압축 특성에 미치는 격자 형상과 크기에 대해 조사하였다. 스트럿 기반의 격자 구조인 BCC, FCC와 함께 적층 방향을 따라 스트럿이 추가된 BCCZ, FCCZ 구조를 디자인하고, 디자인된 구조에 서로 다른 2 mm, 3 mm, 4 mm 크기의 unit cell size를 적용하여 총 12개의 서로 다른 격자 구조를 디자인 하였다. 상대 밀도는 BCCZ, FCCZ, FCC, BCC 구조 순서로 낮아지는 결과를 보였다. 상온 압축 곡선의 경우 전형적인 격자 구조체의 압축 곡선이 확인되었으며, 압축 강도는 모든 unit cell size에서 FCCZ가 가장 높았으며, BCCZ, FCC, BCC 순으로 상대밀도 경향과 다른 결과를 보였다. 이를 구조적 특징과 상대밀도를 연계하여 해석하였다.
마지막으로 IN718 격자 구조체에 후열처리를 수행하여 미세조직 및 상온, 650℃기계적 특성을 제어하고자 했다. 후열처리에 의하여 γ'' 및 δ 상이 형성됨에 따라 기계적 강도가 크게 향상되는 결과를 얻을 수 있었다. 후열처리에 의해 격자 구조체의 압축 변형 거동이 as-built 대비 눈에 띄게 변화하였으며, 이를 미세조직과 기계적 특성을 연계하여 고찰하였다.