The microstructure and phase configuration of Ti-6Al-4V laser cladding were investigated in this study. The cladding microstructures were divided into the base metal of the substrate and heat-affected zone (HAZ), and the weld metal of the weld. However, depending on the location, the microstructure shapes were different, owing to heat transfer effects. The final solidification area of the weld metal had a fine structure because of the rapid cooling on contact with the air layer rather than at the center. HAZ also exhibited a relatively fine structure, owing to the rapid cooling of the substrate contact. All microstructure compositions consisted of a lamellar structure of a lean V-content α phase and a rich V-content β phase. The lamellar spacing in the HAZ was 0.5 μm, which was narrower than the 1.5 μm weld metal. However, the average hardness of the HAZ was lower than that of the 500 HV weld metal because of the low alloy content in the HAZ area, as it was welded on a pure Ti substrate. The alloy content of the weld metal welded using Ti-6Al-4V constituent electrodes was high; therefore, the estimated hardness value was high despite the coarse microstructure. In the weld area, cracks were formed in the HAZ because of the pores generated through the separation of oxides and weld residual stresses. The microstructure, phase configuration, and defects of Ti-6Al-4V laser cladding were identified, and the cladding is useful for the cladding process.
Ti Grade 5로 명칭되는 Ti-6Al-4V 재질의 레이저 용접 또는 클래딩은 기존 Tungsten inert Gas (TIG) 또는 Electron Beam (EB) 용접 방식에 비하여 유리한 측면이 보고되고 있다
Ti-6Al-4V 재질은 고강도/고인성 및 내부식성과 안정된 고온 특성으로 항공기 부품 등 다양한 고급 재질로 사용되고 있다
본 연구에서는 Ti-6Al-4V 재질 ERTi-5 와이어의 레이저 클래딩 제작품에 대한 조직 구성과 기계적 특성을 고찰하고자 하였다. 이를 위해서 마크로 및 마이크로 조직을 관찰하고 경도를 측정하였다. 레이저 클래딩 제품의 미세조직은 응고와 열전달에 의해 구성되고, 경도 분포 등의 특성이 용접 조직 구성에 의존하는 것으로 판단된다. 또한 레이저 클래딩 제품에 발생되는 균열과 기공의 용접 결함을 분석하여
WPS에서 Ti-6Al-4V 레이저 클래딩 시제품 용접봉은 지름 2.4mm 와이어 ERTi-5 [Ti-6Al-4V] 재질이며 5 layer 이상 적층으로 클래딩 하도록 명시된다. Ti 소재는 300°C부터 산화되므로 200°C 이상에서 아르곤 쉴딩 가스로 산화 억제를 수행해야 한다. WPS로부터 예상된 클래딩 제품은 그림과 같이 W(10) × L(50) × T(10)이며, 이를 통해 순수 Ti 기판 위에 레이저 클래딩 시제품을 제작하였다.
클래드 코리아 자체 조립 제작의 레이저 용접 장비를 이용하여 클래딩 시제품이 제작되었는데, 적용된 전력은 1.0~1.5kW, 전압은 25~30V, 전류는 40~50A이다. 쉴딩 가스는 15L/min으로 설정하였으며, 용접 속도는 2m/min으로 작업하였다.
Ti-6Al-4V 레이저 클래딩 시제품 단면에 대하여 광학현미경으로 마크로 조직 및 마이크로 미세조직을 관찰하였다. 여기에 사용된 에칭액은 증류수(100ml)+질산(2ml)+불산(1ml)을 사용하였다. 그리고 미세조직은 광학 (OLYMPUS BX51M) 및 주사전자현미경 (JEOL JP/JSM-7500F)을 이용하여 관찰하였고 성분은 EDS (AMETEK EDAX ELITE)로 분석하였다. 또한 시편 용접부, 열영향부 및 기판 모재에 대한 비커스 경도를 (Future Tech JP-FM-7)으로 측정하였다.
순수 Ti 기판 위에 Ti-6Al-4V 용접 와이어의 레이저 클래딩 시제품은
Prototype of Ti-6Al-4V laser cladding
Macrostructure and hardness values of Ti-6Al-4V laser cladding; 1st (#1), 2nd (#2~#4), 3rd (#5~#7), 4th (#8~#10) and 5th (#11)
Ti-6Al-4V의 레이저 클래딩과 GTAW 공정으로 제작된 시험편의 마크로 조직 비교는
Macrostructure comparison of (a) laser and (b) GTAW cladding for Ti-6Al-4V
또한
이에 비해 열영향부 (HAZ) 입도는 마크로 에칭에서 확인하기 어려울 정도로 미세하며, HAZ인 13번~16번 지역의 평균 경도는 464HV로 인근의 WM 경도에 비하여 감소한다. 또한 Ti64 기판의 경도는 평균 194HV로 WM 및 HAZ 부위 경도에 비하여 크게 낮은 것을 알 수 있다.
또한 열영향부 (HAZ)의 미세조직은 용접부 (WM)과 마찬가지로 라멜라 구조로 관찰된다.
Microstructures of (a), (b) WM, (c) HAZ and (d) substrate
α상과 β상의 라멜라 적층 간격은 WM의 경우 평균 1.5㎛로 HAZ의 평균 0.5㎛에 비하여 3배 정도 크게 측정된다. 이것은 HAZ 부위의 열전달 속도가 커서 라멜라 간격이 WM보다 작은 것으로 판단된다. 그런데 라멜라 적층 간격이 조대한 WM의 평균 경도가 500HV 정도로 HAZ의 464HV 보다 높게 측정되는 것은 용접 와이어에 강도/경도 보강을 위한 성분이 첨가되었기 때문으로 보여 진다.
Ti-6Al-4V 클래딩의 기판은 순수 Ti를 사용하였으며 이것의 모재 (BM) 미세조직은
용접부 (WM) 부위에 대한 SEM 미세조직은 그림과 같이 α/β/α/β 적층의 라멜라 구조이다. 그리고 각 상에 대한 성분을 EDS로 분석한 결과
SEM/EDS analysis of WM for Ti-6Al-4V laser cladding, (a), (b) SEM microstructures
그리고
SEM/EDS analysis of pits for Ti-6Al-4V laser cladding, (a), (b) SEM microstructures and (c), (d) EDS analyses
용접 열영향부 (HAZ) 부위에 대한 SEM 미세조직은
SEM/EDS analysis of HAZ for Ti-6Al-4V laser cladding, (a) SEM microstructure and (b), (c), (d) EDS analyses
그림에서 요철 부위는 서로 성분 차이를 보이지 않았는데, 이것으로부터 HAZ 지역의 라멜라 구조는 α/β/α/ β 적층이라기보다는 Ti-6Al-4V 합금의 마르텐사이트 래쓰에 기인한 요철 구조인 것을 알 수 있다. 즉 V 함량이 상대적으로 적은 HAZ 지역의 냉각 속도가 빨라서 확산에 의한 α/β/α/β 적층이 억제되고 마르텐사이트래쓰가 유도된 것으로 판단된다.
이러한 결과를 종합하면 순수 Ti 기판 위에 용접된 Ti-6Al-4V 레이저 클래딩의 WM/HAZ/BM 미세조직은 α/β/α/β 적층과 마르텐사이트 래쓰 경계로 구성되는 것을 알 수 있다.
SEM/EDS analysis of WM/HAZ/BM for Ti-6Al-4V Laser cladding, (a) SEM microstructure and (b), (c), (d) EDS analyses
용접부 균열은 그림과 같이 두 곳에서 관찰된다.
Cracks in HAZ of Ti-6Al-4V laser cladding, (a) full and (b) micro structure
그리고 용접 열영향부 (HAZ)에 또 다른 균열이 관찰된다. 균열은
Stress corrosion crack (SCC) in HAZ of Ti-6Al- 4V laser cladding
이와 같이 레이저 클래딩의 열영향부에 발생된 응력부식균열 형태의 균열 결함은 클래딩 공정에서 유발된 잔류응력이 기판과 용접부 예각 부위에 집중하였고, 여기에 미세조직 에칭 용액에 의한 부식 분위기에서 균열이 시작하고 진전한 것으로 추정된다. Liu는 특정 부식 분위기가 적용된 Ti-6Al-4V 용접에서 노치 부위의 잔류응력은 응력부식균열의 높은 감도를 제공하는 것으로 보고 한다
1) Ti-6Al-4V 레이저 클래딩에서 용접부 (WM) 미세조직은 확산에 의한 V-rich α상과 V-lean β상이 적층된 라멜라 조직으로 구성된다. 이에 비해 용접 열영향부 (HAZ) 미세조직은 빠른 냉각에 의한 무확산 변태로 성분 차이가 없는 마르텐사이트 래쓰의 요철 구조로 구성된다. 2) Ti-6Al-4V 레이저 클래딩에서 라멜라 간격은 1.5㎛ 폭의 WM 보다 0.5㎛ 폭의 HAZ 지역이 미세하게 관찰되었는데, 이것은 HAZ 냉각속도가 WM 보다 빨라서 HAZ 지역에 마르텐사이트 래쓰 형성에 기인한 것으로 판단된다. 3) 레이저 클래딩 WM 및 HAZ 지역에 피트 또는 기공이 발생하였는데, 여기에서 관찰된 성분은 Ti-(0.5~ 2.6)V 성분으로 Al 성분이 포함되어 있지 않은 특징을 보인다. 이는 Ti-6Al-4V 합금 클래딩 용융 중에 용접부에 Al2O3 와 같은 알루미나 산화 개재물이 생성되고 이것이 시편 연마 중에 이탈하여 기공이 형성되었기 때문이다. 4) 레이저 클래딩 경도 측정에서 WM/HAZ/ BM 경도는 500/464/194HV 로 측정되는데, 여기에서 WM 경도값이 HAZ보다 큰 것은 BM 에 접촉한 HAZ의 합금 성분량이 WM의 Ti-6Al- 4V 보다 작기 때문이다.
이 논문은 2020년도 강릉원주대학교 전임교원 연구년 지원에 의하여 수행되었음.