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AZ31합금의 미세조직과 피로 균열 성장에 미치는 레이저 충격피닝(LSP) 효과

전문가 제언: ○ 구형의 투사체(shot)를 금속표면에 고속으로 충돌시키는 숏피닝은 가공경화에 의한 내마모성의 향상과 압축잔류응력에 의한 피로강도의 향상에 효과가 있어 표면개질법으로 많이 이용되고 있다. 그러나 숏피닝은 재료의 표면이 거칠어지고 투사체와 재료의 마모로 분진이 발생하는 문제가 있다. 투사체를 사용하지 않는 피닝법으로 강력한 펄스 레이저를 재료 표면에 조사하여 이때 발생하는 고압의 플라스마 가스의 충격력을 이용하는 레이저충격피닝법(LSP : Laser Shock Peening)이 있다.

○ 본 연구에서는 LSP를 AZ31B Mg합금에 적용하여 피로균열의 성장 억제에 현저한 효과가 있음을 실증하였다. LSP에 의해 두께 20 ㎛의 표면층에 20 ㎚의 나노결정립 조직이 형성되고 표면거칠기의 감소가 압축잔류응력을 증가시켜 피로균열의 성장속도를 저하시킨다. LSP는 피로강도의 증대와 응력부식균열(SCC)의 억제에도 유효함이 스테인리스강, Ni기 합금(Alloy 600), 고장력강, 용접구조용강 등에 적용되어 입증된 바 있다. 이와 같은 효과는 Mg합금에서도 기대할 수 있을 것이다.

○ 공업적으로 많이 이용되고 있는 숏피닝법은 장치가 크지만 LSP법은 장치의 소형화가 가능하고 목적과 대상물에 따라 처리조건의 설정이 가능하다. 또 처리효과의 재현성이 높으며 압축잔류응력이 재료 깊숙이 미치는 장점이 있다. 특히 비접촉 상태에서 제어가 가능하므로 원자로 구조물의 원격 보수를 비롯하여 항공기 부품, 자동차 부품 등에 적용이 시도되고 있다. 일본에서는 경수로(BWR)의 SCC 대책으로서 LSP효과를 비파괴로 확인하는 방법이 개발되고 있다.

○ 국내에서도 LSP의 최적화를 위한 시뮬레이션 기법, 잔류응력의 측정기법, 금속표면의 강화 등에 관한 연구개발이 수행되고 있다. 그러나 LSP는 비용이 드는 방법이므로 숏피닝의 대체가 아니라 제어성과 비파괴성을 활용하여 필요한 부위에 선택적으로 적용하여 부가가치를 창출하는 방안을 모색할 필요가 있다. 예를 들면 미국에서는 제트전투기 엔진블레이드에 실용되고 있으며 일본에서는 증기터빈의 동익과 원자로 구조물에 이용이 검토되고 있다.

저자: Mao-Zhong Ge, Jian-Yun Xiang
자료유형: 니즈학술정보