서론: 왜 난용융 금속에 적층제조가 필요한가
텅스텐, 몰리브덴, 나이오븀, 탄탈럼은 “난용융 금속”으로 불리며, 각각의 융점은 3422°C, 2623°C, 2477°C, 3017°C로 모두 대체로 2000°C를 넘는다. 이들은 항공우주 고온부 부품, 원자력 및 핵융합 제1벽, 전자 패키징, 고온 금형에서 대체 불가능한 소재다. 그러나 바로 이러한 높은 융점 때문에 전통적인 단조와 기계가공은 매우 어렵다. 예를 들어 텅스텐 절삭은 거의 방전가공과 연마 워터젯에 의존하며, 재료 이용률이 낮고 주기가 길며 복잡한 내부 공동을 일체 성형하기 어렵다. 레이저 분말 베드 용융(LPBF)은 금속을 직접 근정형 형상으로 “성장”시키므로 이 난제를 해결할 수 있을 것으로 기대된다. 하지만 실제 프린팅에서는 고융점으로 인한 높은 반사율, 강한 산소 친화성, 극심한 열응력 때문에 균열과 취화가 흔히 발생한다. 이 글은 난용융 금속 LPBF의 공정 경로, 즉 고융점, 산소 제어, 균열 억제라는 세 가지 관문을 어떻게 하나씩 돌파할 것인지에 초점을 맞춘다.
1. 네 가지 난용융 금속의 프린팅 난점 분석
난용융 금속은 하나의 동일한 공정군이 아니며, 네 가지 소재는 각각 고유한 “성격”을 가진다. 텅스텐(W)은 융점이 가장 높고 레이저 흡수율이 낮아(1064nm에서 약 30%–40%) 가장 높은 체적 에너지 밀도가 필요하다. 몰리브덴(Mo)은 텅스텐과 유사하지만 더 쉽게 산화되며, 산소 함량이 높아지면 취화가 현저해진다. 나이오븀(Nb)과 탄탈럼(Ta)은 상대적으로 융점이 낮지만 산소, 질소, 수소의 침입형 고용으로 인해 연성-취성 천이 온도가 상승하여 실온에서 취성이 커질 수 있다. 공통 난점은 세 가지다. 첫째, 높은 반사율로 인해 용융풀이 불안정하고 구상화 경향이 강하다. 둘째, 높은 산소 친화성 때문에 분말이 빌드 챔버 안에서 수분을 흡수하고 산화되며, 결정립계에 취성 산화물 막이 형성된다. 셋째, 선팽창계수와 열전도율의 조합이 만드는 큰 열구배로 인해 층간 인장응력이 소재의 항복강도를 초과하면서 균열이 발생한다. 이러한 차이를 이해하는 것이 공정 윈도우를 선택하는 전제 조건이다.
2. 산소 함량 제어: 분말부터 빌드 챔버까지 전 공정 폐쇄 관리
난용융 금속에서 산소는 가장 큰 적이다. 실무적으로 성형품의 산소 함량은 100ppm 이하로 제어해야 하며, 핵심 하중 지지 부품은 50ppm 미만을 요구하기도 한다. 이를 위해 두 가지 방어선이 동시에 성립해야 한다. 첫째, 가스 분무 분말의 산소 증가량이 작아야 하며, 공급사는 불활성 분위기에서 체질과 포장을 수행해야 한다. 입고 후에는 밀봉 보관하고 수분 함량을 샘플링 검사해야 한다. 둘째, LPBF 장비는 빌드 챔버 산소 함량 폐루프 제어를 갖춰야 한다. 산업적 방안은 챔버 내부에 고순도 아르곤을 주입하여 산소 분압을 100ppm 이하, 이슬점을 -40°C 이하로 유지하는 것이다. 일부 텅스텐 부품은 열충격을 줄이기 위해 200°C–400°C로 예열된 빌드 기판 위에서 프린팅해야 한다. 단 한 번의 챔버 개방 보충이나 불활성 가스 치환 불충분만으로도 밤새 쌓은 노력이 결정립계 취화로 무너질 수 있다.
3. 공정 윈도우: 고에너지 밀도와 기판 예열의 시너지
난용융 금속은 충분한 용융을 위해 티타늄 합금이나 알루미늄 합금보다 훨씬 높은 체적 에너지 밀도가 필요하다. 일반적인 파라미터 범위는 레이저 출력 200–400W, 스캔 속도 200–800mm/s, 층 두께 20–40μm이며, 이에 대응하는 에너지 밀도는 약 100–300 J/mm³이다. 어려운 점은 출력이 부족하면 미용융과 높은 기공률이 발생하고, 출력이 과도하면 스패터와 과소결이 생긴다는 것이다. 더 중요한 것은 기판과 분말 베드 예열이다. 몰리브덴과 나이오븀은 약 200°C에서도 균열을 크게 줄일 수 있지만, 텅스텐은 융점이 너무 높아 전용 LPBF 장비의 통합 가열 플랫폼을 사용해 기판을 800°C–1000°C까지 예열하여 냉각 속도를 낮추는 경우가 많다. 스캔 전략에서는 스트립/아일랜드 분할 스캔과 층간 67° 회전을 결합하면 열응력 축적 방향을 분산시킬 수 있어 단방향 스캔보다 균열이 덜 발생한다.
4. 균열 억제: 열응력, 결정립계 취화와 합금화
균열은 난용융 금속 LPBF에서 가장 완고한 실패 모드다. 메커니즘에 따라 두 가지로 나눌 수 있다. 하나는 응고 및 냉각 과정의 열균열로, 높은 온도 구배에서 수축이 구속되면서 발생한다. 다른 하나는 실온에서의 결정립계 취성 균열로, 산소/탄소 불순물이 결정립계에 편석되면서 발생한다. 억제 방법은 세 가지다. 첫째, 기판 예열과 낮은 냉각 속도를 통해 열응력 피크를 직접 낮춘다. 둘째, 합금화 또는 분산강화 원소를 도입해 결정립계를 개선한다. 예를 들어 Mo-La₂O₃, TZM 몰리브덴 합금은 란타넘계 산화물이 결정립계를 고정하고 결정립을 미세화하여 실온 소성을 크게 개선하므로 몰리브덴 프린팅의 성숙한 등급으로 자리 잡았다. 셋째, 프린팅 후 응력 제거 열처리 또는 열간 등방압 성형(HIP)을 수행하여 내부 미세 기공을 폐쇄하고 잔류응력을 완화한다. 주의할 점은 텅스텐 자체가 매우 취성이 크기 때문에 순수 텅스텐 프린팅품은 주로 방사선 차폐, 무게추, 고온 치공구에 사용되며, 하중 지지 구조에는 W-Cu, WNiCu 등의 합금계를 우선 고려해야 한다는 것이다.
5. 대표 합금과 적용 분야
순금속 외에 엔지니어링에서는 합금계가 더 자주 사용된다. 텅스텐계에서는 W-Ni-Cu, W-Cu가 고밀도 무게추, 방열, 전기 접점에 사용되며, 순수 W는 핵융합 제1벽과 X선 타깃에 사용된다. 몰리브덴계에서는 TZM(Mo-0.5Ti-0.1Zr)과 MHC(Mo-La₂O₃)가 고온 구조용으로 우선 선택되며, 항공우주 엔진 노즐 라이너와 고온로 부품에 쓰인다. 나이오븀계에서는 C103(Nb-Hf-Ti) 등의 나이오븀-하프늄 합금이 로켓 추력실에 사용된다. 탄탈럼계에서는 순수 Ta와 Ta-10W가 뛰어난 내식성과 생체적합성 덕분에 화학공업 내식 부품과 의료용 임플란트에 적용된다. Lanpitu 3D는 이러한 고융점 소재 주문을 수행할 때 먼저 분말의 산소 및 수분 함량을 검사하고 공정 윈도우 시험편을 제작한 뒤, 동일 빌드 내 샘플 블록으로 밀도와 경도를 보정해 모든 난용융 금속 부품이 검색 가능하고, 재검사 가능하며, 추적 가능하도록 보장한다.
결론
난용융 금속 LPBF는 티타늄 합금 파라미터의 출력을 단순히 키우는 작업이 아니라, “고융점—산소 제어—균열 억제”를 중심으로 한 시스템 공학이다. 고순도 불활성 성형 환경은 산소의 하한선을 지키고, 고에너지 밀도와 기판 예열은 용융과 열응력 사이의 균형을 맞추며, 합금화와 후처리 응력 제거는 실온 인성을 보완한다. 이 세 관문의 공정 논리를掌握해야 텅스텐, 몰리브덴, 나이오븀, 탄탈럼은 단순히 “프린팅 가능”한 수준을 넘어 “하중 지지 가능, 양산 가능”한 소재로 나아가 항공우주 고온부, 에너지, 고온 산업 현장에 안정적으로 적용될 수 있다.