Niobium C103는 니오븀을 모재로 하고 하프늄(약 10%)과 티타늄(약 1%)을 첨가한 내열 합금입니다. 우수한 고온 강도, 양호한 상온 가소성 및 용접성 덕분에 항공우주 분야의 고온 부품용 핵심 소재로 자리 잡았습니다. 전통적으로 C103 부품은 주로 단조나 기계 가공과 같은 절삭형(subtractive) 방식으로 제조되었으나, 소재 활용률이 매우 낮다는 단점이 있습니다. 기존 단조 방식은 소재의 최대 95%가 낭비될 수 있으며 복잡한 구조를 제조하기도 어렵습니다. 그러나 적층 제조(additive manufacturing) 기술의 도입은 이 소재의 활용에 있어 완전히 새로운 길을 열어주었습니다.
C103 합금 분야에서 적층 제조가 연구의 핵심으로 떠오른 이유는 기존 가공 방식의 한계를 극복할 수 있기 때문입니다. 첫째, 소재 활용률을 획기적으로 높여 제조 비용을 절감할 수 있습니다. 둘째, 복잡한 형상을 일체형으로 성형할 수 있어 제조 공정 기간을 단축합니다. 특히 극초음속 비행체나 로켓 엔진 연소실(추력실)과 같이 복잡한 내열 구조가 필수적으로 요구되는 분야에서 적층 제조는 대체 불가능한 해결책으로 평가받습니다.
적층 제조를 위해서는 먼저 적합한 품질의 원재료가 필요합니다. 현재 C103 적층 제조에는 주로 두 가지 형태의 원재료가 사용됩니다. 그중 하나는 분말 형태입니다. 구형 C103 분말은 EIGA(전극 유도 가스 분무법) 또는 PREP(플라즈마 회전 전극 분무법) 공정을 통해 제조되며, 입자 크기는 일반적으로 15~53μm 또는 45~105μm 범위입니다. 이러한 고품질 구형 분말은 L-PBF(레이저 분말 베드 융용)와 같은 분말 기반 공정의 핵심 토대가 됩니다. 와이어 원료: C103 용접 와이어는 적층 제조에 직접 사용되므로 분말 제조에 따른 복잡성과 비용을 피할 수 있으며, 특히 대형 부품 제조에 적합합니다.
현재 C103 합금의 적층 제조 연구는 주로 레이저 분말 베드 융용(L-PBF)이라는 두 가지 기술적 경로에 집중되어 있습니다. L-PBF는 현재 가장 광범위하게 연구되고 있는 분말 기반 공정입니다. NASA 글렌 연구센터(Glenn Research Center)와 같은 기관에서는 상온에서 1400°C에 이르는 온도 범위에서 L-PBF로 성형된 C103의 기계적 특성을 체계적으로 평가했습니다. 연구 결과, D50 입자 크기가 약 29μm인 구형 C103 분말을 사용하고 산소 함량이 200ppm 미만인 불활성 분위기에서 공정을 수행할 경우, 상대 밀도가 99.8%를 초과하는 치밀한 부품을 제조할 수 있는 것으로 나타났습니다. 그러나 L-PBF 공정은 상대적으로 낮은 적층 속도와 제한된 생산 규모라는 단점이 있습니다.
레이저 직접 에너지 증착(DED): DED 기술은 높은 적층 효율과 더 큰 성형 크기 덕분에 C103 적층 제조의 또 다른 중요한 방향으로 자리 잡았습니다. 공급 형태에 따라 DED는 분말 기반 DED와 와이어(필라멘트) 기반 DED(LWDED)로 나눌 수 있습니다.
분말 기반 DED: 미국의 오크리지 국립연구소(Oak Ridge National Laboratory)는 다중 물리 용융 풀(melt pool) 시뮬레이션과 실험을 결합하여 C103 분말 기반 DED의 공정 변수를 체계적으로 최적화했습니다. 그 결과, 출력 대 속도 비율(P/V)이 1에 가까울 때 결함 없는 출력물을 얻을 수 있음을 확인했습니다.
와이어 기반 DED: 한국의 KAIST 연구팀은 C103을 위한 레이저 공급 방식의 DED 공정을 최초로 보고했습니다. 이들은 안정적인 용융 풀을 형성하기 위해 2000~2600W의 레이저 출력이 필요하다는 사실을 확인했으며, 과도한 출력은 레이저 반사 및 아크(arcing)를 유발하여 적층 공정을 방해할 수 있음을 밝혔습니다. 이 공정으로 성형된 C103의 항복 강도는 ASTM B654 표준을 10% 이상 상회합니다. 미국의 오리건 주립대학교와 같은 기관들도 박벽(thin-walled) 구조물 제조를 위한 C103 필라멘트 DED 공정을 개발하고 있습니다.
