서론: 경량화와 내열성 사이의 딜레마
항공엔진과 가스터빈에서는 감량과 내열성에 대한 요구가 지속적으로 높아지고 있습니다. 니켈계 초내열합금의 밀도는 약 8.2 g/cm³로 경량화 여지가 제한적인 반면, γ-TiAl 금속간 화합물(대표 조성 Ti-48Al-2Cr-2Nb, 원자%)은 밀도가 3.9~4.2 g/cm³에 불과해 니켈계 합금의 약 절반 수준이며, 동시에 700~800°C에서 장시간 사용할 수 있습니다. 이러한 소재를 저압 터빈 블레이드, 압축기 케이싱 등 고온 구조 부품에 적용하는 것은 항공 경량화의 중요한 경로입니다. 그러나 TiAl은 본질적으로 취성이 높고 열전도율이 낮으며 알루미늄 원소가 산화되기 쉬워 기존 단조 및 주조가 매우 어렵습니다. 이에 따라 레이저 분말베드 용융(LPBF)은 가장 유망한 성형 방식 중 하나로 평가됩니다.
1. TiAl에 적층제조가 적합한 이유
γ-TiAl의 상온 연성은 일반적으로 2% 미만이며, 열간 가공 윈도가 좁고 기존 절삭 및 단조 공정에서 손실과 비용이 큽니다. LPBF는 층별 용융 적층 방식으로 대변형 가공의 난제를 우회할 수 있으며, 복잡한 내부 냉각 구조를 갖춘 니어넷셰이프 블레이드 블랭크를 직접 성형할 수 있습니다. 소량 다품종 고온 부품의 경우 적층제조는 납기와 설계 자유도 측면에서 뚜렷한 장점이 있으며, 실제 장착 전 빠른 반복 검증에도 유리합니다.
2. LPBF의 핵심 공정 과제
TiAl은 LPBF 공정에서 세 가지 대표적인 문제에 직면합니다. 첫째는 낮은 열전도율로 인한 급격한 온도 구배와 높은 잔류응력에서 비롯되는 열균열 및 냉간균열입니다. 둘째는 알루미늄의 높은 레이저 반사율과 높은 증기압으로 인해 구상화, 스패터 및 기공이 쉽게 발생한다는 점입니다. 셋째는 층간 산소 함량 증가가 취화 산화막을 형성해 연성과 피로 성능을 저하시킨다는 점입니다. 따라서 공정 윈도, 분위기, 후처리를 하나의 완전한 폐루프로 설계해야 합니다.
3. 공정 윈도와 파라미터 제어
엔지니어링 현장에서는 일반적으로 레이저 출력 150~350 W, 스캔 속도 600~1200 mm/s, 층 두께 30~50 μm 범위의 공정 조건을 사용하며, 열응력 균열을 완화하기 위해 기판 예열 200~400°C를 적용합니다. 일부 장비는 500°C급 고온 기판을 사용합니다. 에너지 밀도가 지나치게 높으면 키홀과 과용융이 발생하고, 너무 낮으면 치밀도가 부족해집니다. 목표 상대밀도는 99.5% 이상으로 안정적으로 유지해야 하며, 체스보드 또는 스트라이프 스캔 전략과 스캔 방향 회전을 통해 잔류응력 집중을 억제해야 합니다.
4. 분위기 및 산소 함량 제어
알루미늄의 높은 반응성으로 인해 TiAl은 산소에 매우 민감합니다. 성형 챔버의 산소 함량은 500 ppm 이하로 제어하는 것이 권장되며, 티타늄 알루미나이드 분말의 산소 함량은 0.1 wt% 미만이 적합합니다. 분말 공급과 부품 회수 과정은 전면 아르곤 글러브박스 또는 불활성 환경에서 수행해 흡습과 산화를 방지해야 합니다. 안정적인 분위기 관리는 취화를 억제하고 배치 간 일관성을 확보하기 위한 전제 조건이며, 이후 열처리에서 이상 현상이 발생하지 않도록 보장하는 기반이기도 합니다.
5. 후처리와 미세조직 제어
LPBF 상태의 TiAl에는 일반적으로 미용융 기공과 층간 결함이 존재하므로, 열간등방압가압(HIP, 약 1180~1250°C, 150~200 MPa)을 통해 기공을 폐쇄한 뒤 열처리를 적용해 α2+γ 라멜라 조직을 형성해야 합니다. 이를 통해 강도, 인성, 크리프 저항성을 균형 있게 확보할 수 있습니다. 적절한 열처리를 통해 상온 인장강도와 700°C 고온 인장강도를 각각 600~700 MPa 및 700~800 MPa 범위로 안정화할 수 있어, 고온 구조 부품의 사용 요구를 충족할 수 있습니다.
6. 성능과 대표 적용 분야
공정과 후처리를 함께 최적화한 TiAl 부품은 항공엔진 저압 터빈 블레이드, 제트 플랩, 압축기 부품에서 장착 검증이 이루어졌습니다. 그 가치는 단일 성능의 한계에 있는 것이 아니라, 밀도 절반 수준의 경량성과 향상된 내열성을 동시에 제공한다는 조합적 장점에 있습니다. 동일한 운용 온도에서 중량을 크게 줄여 추중비와 연료 효율을 향상시키는 것이며, 이것이 적층제조가 고온 경량 부품을 담당하는 핵심 논리입니다.
결론
γ-TiAl의 LPBF 성형은 소재, 공정, 후처리를 아우르는 시스템 엔지니어링입니다. 좁은 공정 윈도, 불활성 분위기, HIP 열처리라는 세 가지 관문을 제대로 제어해야 가공이 어려운 경량 고온 소재를 양산 가능하고 재검증 가능한 항공 구조 부품으로 전환할 수 있습니다. 경량화와 높은 추중비를 추구하는 제조사에게 TiAl 적층제조는 연구 단계에서 엔지니어링 적용 단계로 나아가고 있습니다.