NASA HR-1 냉각 채널 노즐: DED와 레이저 분말층 융합을 고르는 기준

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로켓 노즐은 몸체가 크더라도 수소가 흐르는 내부 냉각 채널의 벽은 얇아야 한다. NASA HR-1 노즐의 적층제조에서는 큰 형상을 쌓는 능력과 작은 채널을 구현하는 능력을 함께 비교해야 한다.

NASA 마셜 우주비행센터·글렌 연구센터의 기술 자료에 따르면, NASA HR-1은 고압 수소 환경에서의 취화와 산화·부식에 견디도록 설계된 철·니켈계 초합금이다. 노즐에서는 수소가 냉각제로 흐르므로 소재의 연성과 수소 환경 저항성이 중요하다.

AI 개념 이미지: NASA HR-1 로켓 노즐의 냉각 채널과 두 적층제조 방식을 보여준다. 실제 장비나 제품의 사진은 아니다.

NASA HR-1 노즐에서 DED와 분말층 융합은 어떻게 다른가

분말 분사식 직접 에너지 적층(DED)은 레이저가 금속을 녹이는 지점으로 분말을 불어 넣는다. 레이저와 분말 노즐을 결합한 헤드가 설계 경로를 따라 움직이며 재료를 쌓는다.

이 방식은 레이저 분말층 융합보다 훨씬 큰 부품을 만들 수 있고, 부품 안에 채널도 일체로 넣을 수 있다. 대신 높은 적층 속도에는 작은 구멍과 채널, 얇은 벽의 형상 정밀도가 떨어지는 절충이 따른다.

NASA 자료는 DED로 0.03인치 미만의 벽을 만든 사례를 소개하면서도, 자료가 다룬 당시 기술에서는 0.04인치를 더 현실적인 형상 치수로 제시한다. 채널 벽을 설계할 때 시연된 최소 치수와 계획에 쓸 치수를 구분하게 하는 대목이다.

레이저 분말층 융합(L-PBF)은 작업 면에 얇게 편 금속 분말에서 부품의 단면만 레이저로 녹이고, 이를 층층이 반복한다. NASA 자료가 제시한 일반적인 분말층 두께는 30~45마이크로미터이며, 이 과정을 반복해 내부 냉각 채널 같은 형상을 만든다.

출력 표면도 다르다. NASA 자료에 따르면 분말 분사식 DED 표면은 분말층 방식보다 훨씬 거칠고, 표면 상태는 피로 수명에 영향을 준다. 따라서 후처리가 필요할 수 있다.

응력 제거 열처리는 적층 중 쌓인 내부 응력을 줄여 후처리 전 변형 가능성을 낮춘다. 시효 열처리는 합금에 힘을 보태는 작은 조직인 γ′상(감마 프라임상)이 생기도록 돕는다. 열처리의 목적이 서로 다른 셈이다.

시효 조건에는 주의할 결과도 있다. NASA 연구진의 DED 패널·블록 시편에서는 1800°F에서 1시간 용체화 열처리한 뒤 취성 η상(에타상)이 관찰되지 않았으나, 1325°F에서 16시간 표준 시효 열처리한 뒤 두 시편 모두에서 다시 나타났다.

NASA 자료는 시효 온도를 1300°F 또는 1275°F로 낮추면 η상 석출을 막을 수 있지만, 인장강도는 약 5~10% 낮아진다고 설명한다. η상을 피할 때 강도 변화도 함께 살펴야 하는 이유다.

L-PBF 시편의 용체화·시효 단계는 이 연구에서 시험하지 않았다. 표준 시효 뒤 η상이 생길 수 있다는 설명은 연구진의 예상이며, 앞의 재형성 결과는 DED 시편에서 확인된 것이다.

아이컨택은 큰 일체형 노즐을 검토할 때 제작 크기만으로 DED를 고르기보다, 채널 벽의 형상과 표면 후처리, 시효 뒤 조직 확인을 같은 제작 계획에 넣을 만하다고 본다.