과학자들이 지구상에서 가장 단단한 금속 중 하나를 3D 프린팅하는 방법을 발견했습니다.

WC-Co 초경합금은 절단 및 건설 도구를 포함하여 내마모성과 높은 경도가 요구되는 응용 분야에 필수적입니다. 전통적으로 이러한 재료는 분말야금을 통해 생산되었습니다. 이 공정에서는 WC와 Co의 분말을 고압으로 압축하고 소결기에서 가열하여 고체 초경합금을 형성합니다. 이 방법은 내구성이 매우 뛰어난 최종 제품을 생산하지만 상당한 양의 값비싼 원자재를 사용하고 비효율적인 수율을 생성합니다.

이 문제를 해결하기 위해 연구원들은 적층 제조(AM, 일반적으로 3D 프린팅이라고도 함)를 사용하는 다른 접근 방식을 모색했습니다. 그들의 작업에는 열선 레이저 조사라는 기술도 포함되어 있습니다. 이러한 방법은 재료 낭비와 생산 비용을 줄이면서 강도와 내구성을 유지하는 초경합금을 만드는 것을 목표로 합니다.

연구 결과는 내화 금속 및 경질 재료의 국제 저널 해당 저널의 2026년 4월 인쇄본에 게재될 예정입니다.

레이저 기반 적층 가공 방식

이 연구에서는 열선 레이저 조사를 사용하여 적층 제조를 조사하고 두 가지 다른 제조 전략을 테스트했습니다. 열선 레이저 조사(레이저 열선 용접이라고도 함)는 레이저 빔과 가열된 필러 와이어를 결합합니다. 이 페어링은 증착 속도(필러 금속이 추가되는 양)를 증가시키고 전반적인 제조 효율성을 향상시킵니다.

실험적 접근 방식 중 하나에서는 초경합금 막대가 제작 방향을 주도하고 레이저는 막대 상단에 직접 조사됩니다. 두 번째 접근 방식에서는 레이저가 공정을 주도하고 초경합금 막대의 바닥과 모재(철) 사이에 에너지를 전달합니다. 두 기술 모두 초경합금 구조를 형성하기 위해 재료가 완전히 녹는 대신 제조 과정에서 연화됩니다.

“초경합금은 절삭 공구 모서리 및 이와 유사한 응용 분야에 사용되는 매우 단단한 재료이지만 텅스텐 및 코발트와 같은 매우 값비싼 원료로 만들어지기 때문에 재료 사용량을 줄이는 것이 매우 바람직합니다. 적층 제조를 사용하면 초경합금을 필요한 곳에만 증착할 수 있으므로 재료 소비가 줄어듭니다.”라고 히로시마 대학 첨단 과학 기술 대학원 조교수인 Keita Marumoto가 말했습니다.

무결함 산업 경도 달성

실험에서는 이러한 적층 제조 전략이 기존 제조 방법을 통해 일반적으로 달성되는 경도와 기계적 강도를 보존할 수 있음을 보여주었습니다. 결과 재료는 결함이나 재료 파손을 방지하면서 1400HV(침투 저항을 나타내는 단위) 이상의 경도 수준에 도달했습니다.

이 수준의 경도를 가진 재료는 산업 응용 분야에서 사용되는 가장 견고한 재료 중 하나이며 사파이어 및 다이아몬드와 같은 초경질 재료 바로 아래에 속합니다. 결함 없는 초경합금 금형을 생산하는 것은 연구의 주요 목표인 이 접근 방식을 통해 달성 가능한 것으로 보입니다. 하지만 어떤 제작 방식을 사용하느냐에 따라 결과는 달랐다.

예를 들어, 로드 리딩 기술은 빌드 상단 근처에서 WC의 분해로 이어져 완성된 재료에 결함이 발생했습니다. 레이저 유도 방식도 성공에 필요한 경도를 유지하는 데 어려움을 겪었습니다.

연구원들은 니켈 합금 기반 중간층을 도입하여 이러한 문제를 해결했습니다. 온도 조건(코발트의 녹는점 이상, 입자 성장 온도 이하)의 세심한 제어와 결합하여 이러한 조정을 통해 재료의 경도를 유지하면서 적층 가공을 사용하여 초경합금을 생산할 수 있었습니다.

향후 개선 및 적용

결과는 향후 개발을 위한 유망한 출발점을 제공합니다. 향후 작업은 제작 중 균열을 줄이고 보다 복잡한 형상을 생성하는 데 중점을 둘 것입니다.

마루모토는 “금속 재료를 완전히 녹이는 것이 아니라 연화시켜 금속 재료를 형성하는 접근 방식은 참신하며 이번 연구의 초점이었던 초경합금뿐만 아니라 다른 재료에도 적용될 가능성이 있다”고 말했다.

앞으로 연구원들은 절단 도구를 제작하고, 다른 재료의 사용을 조사하고, 이 기술로 만든 부품의 내구성을 향상시키는 방법을 계속 연구하는 것을 목표로 하고 있습니다.

이 연구는 히로시마 대학 첨단과학기술대학원의 마루모토 케이타(Keita Marumoto)와 야마모토 모토미치(Motichi Yamamoto)가 수행했습니다.