[학위논문]높은 비정질 형성능을 가지는 Ti-Zr-Be-Cu-Ni 합금에서의 복합재의 제조 및 특성 Synthesis and characterization of in-situ composites in Ti-Zr-Be-Cu-Ni alloy with high glass forming ability원문보기
벌크 비정질 합금은 고강도, 내식성, 내마모성, 우수한 자기적 특성 등 뛰어난 물리적 특성을 가지고 있어 기초과학 및 공학적 측면에서 활발히 연구가 되어져 오고 있다. 특히, Ti계 비정질 합금은 높은 강도를 가지는 동시에 상대적으로 낮은 밀도를 가지고 있기 때문에 벌크 비정질 합금의 활용영역을 더욱 광범위하게 증대 시킬 수 있어 관심이 집중되고 있다. 그러나 모든 비정질 합금은 그러한 우수한 특성을 가지고 있음에도 불구하고 변형이 가해졌을 때 국부적인 ...
벌크 비정질 합금은 고강도, 내식성, 내마모성, 우수한 자기적 특성 등 뛰어난 물리적 특성을 가지고 있어 기초과학 및 공학적 측면에서 활발히 연구가 되어져 오고 있다. 특히, Ti계 비정질 합금은 높은 강도를 가지는 동시에 상대적으로 낮은 밀도를 가지고 있기 때문에 벌크 비정질 합금의 활용영역을 더욱 광범위하게 증대 시킬 수 있어 관심이 집중되고 있다. 그러나 모든 비정질 합금은 그러한 우수한 특성을 가지고 있음에도 불구하고 변형이 가해졌을 때 국부적인 응력 집중으로 인하여 shear bands의 형성과 이들이 시편전체로 순간적으로 전파되어 두드러진 소성변형영역이 없이 갑작스런 파괴가 일어나는 단점이 있다. 이러한 연신율의 결핍은 비정질 합금의 신뢰성을 떨어뜨리게 되어 산업용, 공업용 재료로의 적용에 한계가 있어왔다. 따라서 최근의 벌크 비정질 합금에 대한 연구는 이러한 벌크 비정질의 취성을 개선하기 위해 벌크 비정질을 기지로 하는 복합재의 제조에 관한 연구에 집중되고 있다. 특히 in-situ, ex-situ 방법으로 hard, soft한 상들을 비정질의 기지 내에 균일하게 분포시킴으로써 기계적 성질의 향상을 꾀하여 왔다. 여기서 제 2상들은 어떤 하나의 특정한 shear band가 시편 전체로 전파되는 것을 막아주며 다수의 shear bands의 형성을 촉진시켜 벌크비정질 합금에 연성을 부여한다고 알려져 있다. 본 연구에서는 고순도의 Ti, Zr, Be-Cu-Ni 모합금 원소를 아르곤 분위기 하에서 아크 용해하여 모합금을 제조하였고, melt spinner를 이용하여 리본형태의 시편을 제작하였다. 또한, injection casting법과 arc-melt forging법을 이용하여 봉상 및 판상형태의 벌크시편을 제조하였다. 제조 되어진 벌크 비정질 합금과 비정질 기지 복합재는 열분석기를 이용하여 시편의 유리천이온도(T_(g)), 결정화 온도(T_(x)), 용융온도(T_(l)), 과냉각 액체영역(ΔT_(x)), 환산유리천이온도(T_(rg)), γ 인자를 결정하였고, 광학 현미경과 주사전자 현미경을 이용하여 변형기구, 파괴기구 및 미세조직을 관찰하였고, 투과전자 현미경과 X선 회절 분석기를 이용하여 결정화 거동 및 형성되는 상을 분석하였다. 제조되어진 각각의 벌크시편은 미소경도시험, 압축시험, 3점 굽힘 시험을 통하여 기계적 특성을 확인하였다. 이러한 연구들을 통하여 제조된 Ti-Zr-Be-Cu-Ni 비정질 합금은 Be과 Zr의 적절한 치환을 통하여 Ti-rich(≥40 at%) 영역에서 우수한 비정질 형성능을 가지는 조성영역을 가지고, 최대 직경 10 mm에 이르는 기존에 보고 되어진 어떠한 Ti계 비정질 합금보다 뛰어난 비정질 형성능을 확인할 수 있었다. 결정화 거동을 고찰해본 결과 조성에 따라 초기에 서로 다른 나노 준결정상(nanoquasicrystqal), α-Ti상, 나노 결정상(nanocrystal) 등이 석출되었고, 최종상으로 C14 Laves상, Ti_(2)Cu상 등이 형성되어졌다. 특히, 초기에 나노 준결정상이 석출되고 고온에서 Laves상으로 변태하는 조성중 합금의 열분석결과에서 흡열반응을 나타내는 조성이 확인되었는데 이는 기존에 알려진 대부분의 준결정상은 준안정상이라는 것과는 달리 온도변화에 따라 가역적으로 상전이하는 안정한 준결정상이 형성됨을 확인 할 수 있었다. 또한, 벌크 비정질 기지 복합재는 상이한 열적이력을 통하여 각각 다른 크기의 결정상을 포함한 복합재를 제조할 수 있었는데, 합금의 조성과 냉각속도를 변화시켜 비정질 기지에 마이크로미터 크기의 결정상을 형성시킨 복합재와 비정질을 부분 결정화시킴으로써 나노미터 크기의 결정상을 석출시킨 복합재를 제조하였다. 마이크로미터 크기의 결정상을 포함한 비정질 기지 복합재는 조성과 냉각속도의 변화에 따라 각각 서로 다른 종류의 상을 포함한 복합조직을 얻을 수 있었으며, 기계적 특성은 형성되어지는 상의 종류에 따라 약간의 편차는 있었으나 완전한 비정질 합금에 비해 기계적 특성이 유사하거나 오히려 감소하는 결과를 보였고, 나노미터 크기의 준결정상(icosahedral phase)을 포함한 비정질 기지 복합재는 결정화 분율을 조절함에 따라 완전한 비정질에 비하여 강도뿐만 아니라 연신율까지 향상되어지는 결과를 얻었다. 마이크로미터 크기의 결정상을 포함한 비정질 기지 복합재는 비정질 기지 내에 존재하는 결정상의 크기, 분포, 분율이 적절히 조절되지 못하여 즉, 결정상의 미세구조를 이상적으로 제어하지 못함으로써 shear bands의 거동 조절을 통한 기계적 특성의 향상을 꾀하지 못하였다. 그러나, 나노미터 크기의 준결정상이 석출 되어진 경우는 기존의 nano결정상이 석출되어질 경우와 마찬가지로 나노미터 크기의 결정상이 비정질 기지 내에 균일하게 분포됨으로써 분산강화효과로 인한 강도의 향상을 이루었고, 또한 준결정상은 비정질상과 구조적으로 유사하여 계면에너지가 낮아 계면이 안정할 수 있고, 일반 결정상과는 다른 20회 축이라는 높은 결정학적 대칭구조를 가지고 있어 다축으로 응력을 고르게 분산시킬 수 있어 연신율의 향상을 얻을 수 있었다. 본 연구를 통하여 얻어진 Ti-Zr-Be-Ci-Ni 합금은 우수한 비정질 형성능을 가질 뿐만 아니라 비정질 기지 복합재로서 제조도 용이하여 공업적 활용에 있어서 적용범위 및 파급효과의 향상을 가져올 것으로 예상된다.
벌크 비정질 합금은 고강도, 내식성, 내마모성, 우수한 자기적 특성 등 뛰어난 물리적 특성을 가지고 있어 기초과학 및 공학적 측면에서 활발히 연구가 되어져 오고 있다. 특히, Ti계 비정질 합금은 높은 강도를 가지는 동시에 상대적으로 낮은 밀도를 가지고 있기 때문에 벌크 비정질 합금의 활용영역을 더욱 광범위하게 증대 시킬 수 있어 관심이 집중되고 있다. 그러나 모든 비정질 합금은 그러한 우수한 특성을 가지고 있음에도 불구하고 변형이 가해졌을 때 국부적인 응력 집중으로 인하여 shear bands의 형성과 이들이 시편전체로 순간적으로 전파되어 두드러진 소성변형영역이 없이 갑작스런 파괴가 일어나는 단점이 있다. 이러한 연신율의 결핍은 비정질 합금의 신뢰성을 떨어뜨리게 되어 산업용, 공업용 재료로의 적용에 한계가 있어왔다. 따라서 최근의 벌크 비정질 합금에 대한 연구는 이러한 벌크 비정질의 취성을 개선하기 위해 벌크 비정질을 기지로 하는 복합재의 제조에 관한 연구에 집중되고 있다. 특히 in-situ, ex-situ 방법으로 hard, soft한 상들을 비정질의 기지 내에 균일하게 분포시킴으로써 기계적 성질의 향상을 꾀하여 왔다. 여기서 제 2상들은 어떤 하나의 특정한 shear band가 시편 전체로 전파되는 것을 막아주며 다수의 shear bands의 형성을 촉진시켜 벌크비정질 합금에 연성을 부여한다고 알려져 있다. 본 연구에서는 고순도의 Ti, Zr, Be-Cu-Ni 모합금 원소를 아르곤 분위기 하에서 아크 용해하여 모합금을 제조하였고, melt spinner를 이용하여 리본형태의 시편을 제작하였다. 또한, injection casting법과 arc-melt forging법을 이용하여 봉상 및 판상형태의 벌크시편을 제조하였다. 제조 되어진 벌크 비정질 합금과 비정질 기지 복합재는 열분석기를 이용하여 시편의 유리천이온도(T_(g)), 결정화 온도(T_(x)), 용융온도(T_(l)), 과냉각 액체영역(ΔT_(x)), 환산유리천이온도(T_(rg)), γ 인자를 결정하였고, 광학 현미경과 주사전자 현미경을 이용하여 변형기구, 파괴기구 및 미세조직을 관찰하였고, 투과전자 현미경과 X선 회절 분석기를 이용하여 결정화 거동 및 형성되는 상을 분석하였다. 제조되어진 각각의 벌크시편은 미소경도시험, 압축시험, 3점 굽힘 시험을 통하여 기계적 특성을 확인하였다. 이러한 연구들을 통하여 제조된 Ti-Zr-Be-Cu-Ni 비정질 합금은 Be과 Zr의 적절한 치환을 통하여 Ti-rich(≥40 at%) 영역에서 우수한 비정질 형성능을 가지는 조성영역을 가지고, 최대 직경 10 mm에 이르는 기존에 보고 되어진 어떠한 Ti계 비정질 합금보다 뛰어난 비정질 형성능을 확인할 수 있었다. 결정화 거동을 고찰해본 결과 조성에 따라 초기에 서로 다른 나노 준결정상(nanoquasicrystqal), α-Ti상, 나노 결정상(nanocrystal) 등이 석출되었고, 최종상으로 C14 Laves상, Ti_(2)Cu상 등이 형성되어졌다. 특히, 초기에 나노 준결정상이 석출되고 고온에서 Laves상으로 변태하는 조성중 합금의 열분석결과에서 흡열반응을 나타내는 조성이 확인되었는데 이는 기존에 알려진 대부분의 준결정상은 준안정상이라는 것과는 달리 온도변화에 따라 가역적으로 상전이하는 안정한 준결정상이 형성됨을 확인 할 수 있었다. 또한, 벌크 비정질 기지 복합재는 상이한 열적이력을 통하여 각각 다른 크기의 결정상을 포함한 복합재를 제조할 수 있었는데, 합금의 조성과 냉각속도를 변화시켜 비정질 기지에 마이크로미터 크기의 결정상을 형성시킨 복합재와 비정질을 부분 결정화시킴으로써 나노미터 크기의 결정상을 석출시킨 복합재를 제조하였다. 마이크로미터 크기의 결정상을 포함한 비정질 기지 복합재는 조성과 냉각속도의 변화에 따라 각각 서로 다른 종류의 상을 포함한 복합조직을 얻을 수 있었으며, 기계적 특성은 형성되어지는 상의 종류에 따라 약간의 편차는 있었으나 완전한 비정질 합금에 비해 기계적 특성이 유사하거나 오히려 감소하는 결과를 보였고, 나노미터 크기의 준결정상(icosahedral phase)을 포함한 비정질 기지 복합재는 결정화 분율을 조절함에 따라 완전한 비정질에 비하여 강도뿐만 아니라 연신율까지 향상되어지는 결과를 얻었다. 마이크로미터 크기의 결정상을 포함한 비정질 기지 복합재는 비정질 기지 내에 존재하는 결정상의 크기, 분포, 분율이 적절히 조절되지 못하여 즉, 결정상의 미세구조를 이상적으로 제어하지 못함으로써 shear bands의 거동 조절을 통한 기계적 특성의 향상을 꾀하지 못하였다. 그러나, 나노미터 크기의 준결정상이 석출 되어진 경우는 기존의 nano결정상이 석출되어질 경우와 마찬가지로 나노미터 크기의 결정상이 비정질 기지 내에 균일하게 분포됨으로써 분산강화효과로 인한 강도의 향상을 이루었고, 또한 준결정상은 비정질상과 구조적으로 유사하여 계면에너지가 낮아 계면이 안정할 수 있고, 일반 결정상과는 다른 20회 축이라는 높은 결정학적 대칭구조를 가지고 있어 다축으로 응력을 고르게 분산시킬 수 있어 연신율의 향상을 얻을 수 있었다. 본 연구를 통하여 얻어진 Ti-Zr-Be-Ci-Ni 합금은 우수한 비정질 형성능을 가질 뿐만 아니라 비정질 기지 복합재로서 제조도 용이하여 공업적 활용에 있어서 적용범위 및 파급효과의 향상을 가져올 것으로 예상된다.
Bulk metallic glasses (BMGs) have unique properties suitable for engineering applications : very high strength (up to 2 GPa) and fracture toughness (40-55 MPa m^(1/2)), a near theoretical specific strength, excellent wear and corrosion resistance, and high elastic strain limit (up to 2%). Especially...
Bulk metallic glasses (BMGs) have unique properties suitable for engineering applications : very high strength (up to 2 GPa) and fracture toughness (40-55 MPa m^(1/2)), a near theoretical specific strength, excellent wear and corrosion resistance, and high elastic strain limit (up to 2%). Especially, Ti-based bulk metallic glasses are However, when loaded without constraint, BMGs fracture catastrophically due to formation of macroscopic shear bands, which lowers their reliability. To address this issue, BMG-matrix composite have been developed. Bulk metallic glass matrix composites (MGMCs) containing constituent phases with different length-scales are prepared via in situ method by copper mold casting of a homogeneous Ti-Zr-Be-Cu-Ni melt and by annealing of Ti-Zr-Be-Cu-Ni amorphous alloy. The phase formation and the microstructure of the resultant composite materials are investigated by differential scanning calorimetry, X-ray diffraction, optical, scanning and transmission electron microscopy. The size, type and morphology of the phases present in the composites was compared for the samples prepared by two distinct thermal history; micro-scale secondary phases reinforced MGMCs are produced by controlling cooling rate and alloy composition and nano-scale secondary phases reinforced MGMC are produced by partially crystallization of BMGs. The mechanical properties of composite materials with quasicrystalline, intermediate or ductile bcc phase reinforcements are tested in uniaxial compression at room temperature. micro-scale secondary phases reinforced MGMCs does not show a significant improvement in mechanical properties compared to the monolithic BMGs due to difficulty in optimizing the microstructure. But, MGMCs containing nano-scale quasicrystalline icosahedral phase demonstrated the enhanced strength and ductility compared to the monolithic BMGs, when the volume fraction of precipitated phase is controlled below 10%. Therefore, It is proposed that the interface between icosahedral phase and amorphous matrix is compatible at early stage of crystallization and the improved mechanical properties are mainly due to the stability of the interface.
Bulk metallic glasses (BMGs) have unique properties suitable for engineering applications : very high strength (up to 2 GPa) and fracture toughness (40-55 MPa m^(1/2)), a near theoretical specific strength, excellent wear and corrosion resistance, and high elastic strain limit (up to 2%). Especially, Ti-based bulk metallic glasses are However, when loaded without constraint, BMGs fracture catastrophically due to formation of macroscopic shear bands, which lowers their reliability. To address this issue, BMG-matrix composite have been developed. Bulk metallic glass matrix composites (MGMCs) containing constituent phases with different length-scales are prepared via in situ method by copper mold casting of a homogeneous Ti-Zr-Be-Cu-Ni melt and by annealing of Ti-Zr-Be-Cu-Ni amorphous alloy. The phase formation and the microstructure of the resultant composite materials are investigated by differential scanning calorimetry, X-ray diffraction, optical, scanning and transmission electron microscopy. The size, type and morphology of the phases present in the composites was compared for the samples prepared by two distinct thermal history; micro-scale secondary phases reinforced MGMCs are produced by controlling cooling rate and alloy composition and nano-scale secondary phases reinforced MGMC are produced by partially crystallization of BMGs. The mechanical properties of composite materials with quasicrystalline, intermediate or ductile bcc phase reinforcements are tested in uniaxial compression at room temperature. micro-scale secondary phases reinforced MGMCs does not show a significant improvement in mechanical properties compared to the monolithic BMGs due to difficulty in optimizing the microstructure. But, MGMCs containing nano-scale quasicrystalline icosahedral phase demonstrated the enhanced strength and ductility compared to the monolithic BMGs, when the volume fraction of precipitated phase is controlled below 10%. Therefore, It is proposed that the interface between icosahedral phase and amorphous matrix is compatible at early stage of crystallization and the improved mechanical properties are mainly due to the stability of the interface.
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