최근 기술의 발달로 인해 우주 산업이나 해양산업 분야에서 제한 적이었던 심해 및 극지방 까지 에너지 자원 개발 범위가 넓어지고 극한 환경에서 활용 가능한 구조재료의 필요성이 크게 부각 되고 있다. 하지만 기존의 전통적인 합금 계에서는 한계점을 나타낸다. 기존의 전통적인 합금계는 하나의 주요 원소를 바탕으로 다양한 합금 원소를 첨가하여 제조되는데 이때 금속간 화합물(intermetallic compound)을 형성하며, 이는 소재의 기계적 특성을 취약하게 만들어 다량의 원소 첨가는 제한되어 왔다.[1-3] 그러나 기존 합금과는 다르게 하이엔트로피 합금(...
최근 기술의 발달로 인해 우주 산업이나 해양산업 분야에서 제한 적이었던 심해 및 극지방 까지 에너지 자원 개발 범위가 넓어지고 극한 환경에서 활용 가능한 구조재료의 필요성이 크게 부각 되고 있다. 하지만 기존의 전통적인 합금 계에서는 한계점을 나타낸다. 기존의 전통적인 합금계는 하나의 주요 원소를 바탕으로 다양한 합금 원소를 첨가하여 제조되는데 이때 금속간 화합물(intermetallic compound)을 형성하며, 이는 소재의 기계적 특성을 취약하게 만들어 다량의 원소 첨가는 제한되어 왔다.[1-3] 그러나 기존 합금과는 다르게 하이엔트로피 합금(high entropy alloy, HEA)은 하나의 주요원소에 첨가원소를 추가하는 형식이 아닌 모든 원소들이 주요 원소와 유사한 원자비율로 첨가되어 높은 혼합엔트로피를 가지게 되며, 금속간 화합물(intermetallic compound)을 형성하지 않고 단일 고용체 상태를 유지하는 것으로 학계에 보고 되고 있다.[4-5] 이러한 특성으로 인해 하이엔트로피 합금(high entropy alloy, HEA)의 구조적 특성인 심한 격자 뒤틀림에 의한 전위 이동 및 슬립 거동이 제한되어 우수한 내식성과 고온강도, 높은 비강도 등 물리적 특성이 증가하고, 기존 상용 합금과는 차별화된 새로운 물리적 특성을 나타낸다. Fig. 1.1은 기존 상용재료와 하이엔트로피 합금의 항복강도와 파괴인성에 대한 그래프를 통해 하이엔트로피 합금의 수준을 나타내고 있다. 이러한 새로운 물리적 특성으로 인해 초고온 또는 극저온과 같은 극한 환경에서 우수한 기계적 특성을 나타내며, 우주 산업에 필요한 고온 내열합금이나 내 부식성이 우수한 특성을 활용한 해양 산업 및 코팅 재료 등 여러 측면에서 활용 되고 있다.[6-8] 이번 연구에 사용된 칸토(Cantor) 합금의 경우 일반적인 내부식성은 304S 스테인레스 강재보다 우수한 것으로 보고 되고 있다.[9-10] 하이엔트로피 합금의 제조 방법으로는 아크용해와 같은 주조 방법, 분말 야금법, 코팅, 가스 분무법, 스퍼터링 등의 다양한 방법이 있으며, 합금 구성원소의 녹는점 차이 및 활용 방법에 따라 적합한 제조 방법이 구분 된다.[11] 고융점 하이엔트로피 합금은 기존의 초내열 합금이나 내열강보다 우수한 고온 특성을 유지하며, 항공우주 분야 및 핵융합 원자로 분야에서 많이 적용 되고 있다.[12-13] 고융점 하이엔트로피 합금의 경우 아크용해와 같은 주조법으로 제조시 제조법의 한계로 인해 실용화 측면에서 적용에 어려움이 있어 이를 해결하기 위해 최근 분말 야금법을 활용한 고융점 하이엔트로피 합금 제조에 관한 연구가 많이 진행되고 있다. 분말 야금 공정을 적용할 경우 매우 강한 기계적 에너지를 가해서 물리적으로 합금화가 가능하며, 결정립의 크기에 따른 고용 강화 및 가공 경화 등의 효과로 인해 우수한 기계적 특성을 부여할 수 있다. 또한 원소들의 융점의 차이로 인해 주조법으로 합금화가 곤란한 합금계도 쉽게 합금을 제조할 수 있으며,[14] 고 에너지 볼밀 중 분쇄, 냉간 압접 및 파쇄가 반복되면서 원소분포를 균일하게 형성시키고 비정질상, 나노 결정질상 등을 갖는 균일한 미세구조를 형성 할 수 있다.[15-17] 한편, 분말야금법 공정중 하나인 급속 응고법 중 가스분무법 에 의해 제조된 분말은 비교적 구형의 형상을 가져 성형성이 우수하고 편석이 없는 균일한 물성을 갖는 분말을 얻을 수 있는 이점이 있으며 대량생산에 적합하다. 가스 분무법에서는 용탕의 냉각속도에 따른 분말의 입도 및 형상을 제어할 수 있는 다수의 공정 변수를 갖고 있으며[10], 가스 분사 각, 가스의 용탕 타점거리, 가스 노즐의 수, 가스 노즐 직경, 금속용탕노즐의 직경 등과 같이 다양한 공정변수가 있다. 이 외에도 레이저 클래딩을 포함하는 액체 상태에서 제조를 시작하는 공정, 증기상태에서 원소들을 혼합하여 제조하는 스퍼터 증착, 펄스 레이저 증착, 원자층 증착, 분자빔 에피 택시 및 기상 증착 방법 등이 있다. 최근 각광 받고 있는 3D 프린팅이나 레이져클래딩 등의 분말을 원료로 하는 소결 공정에 관한 연구들은 활발히 진행되고 있지만 정작 출발 물질인 분말 자체에 관한 연구에 관해서는 미흡한 부분들이 있다 이에 본 연구에서는 용질원자 편석의 감소, 고용도의 증가, 균일 고용체 형성, 결정립 미세화 등의 장점을 가진 급속응고 방법 중 하나인 가스 분무법을 이용하여 각 원소를 20 at% 조성으로 하는 CoCrFeMnNi 합금을 제조 한 후 분말의 형상 및 유동특성과 미세조직, 상분석, 기공율 등을 평가하고 분말의 경도를 평가하여 가스 분무법으로 제조된 하이엔트로피 합금 분말의 입자 사이즈에 따른 분말 특성 분석을 목적으로 연구를 진행 하였다.
최근 기술의 발달로 인해 우주 산업이나 해양산업 분야에서 제한 적이었던 심해 및 극지방 까지 에너지 자원 개발 범위가 넓어지고 극한 환경에서 활용 가능한 구조재료의 필요성이 크게 부각 되고 있다. 하지만 기존의 전통적인 합금 계에서는 한계점을 나타낸다. 기존의 전통적인 합금계는 하나의 주요 원소를 바탕으로 다양한 합금 원소를 첨가하여 제조되는데 이때 금속간 화합물(intermetallic compound)을 형성하며, 이는 소재의 기계적 특성을 취약하게 만들어 다량의 원소 첨가는 제한되어 왔다.[1-3] 그러나 기존 합금과는 다르게 하이엔트로피 합금(high entropy alloy, HEA)은 하나의 주요원소에 첨가원소를 추가하는 형식이 아닌 모든 원소들이 주요 원소와 유사한 원자비율로 첨가되어 높은 혼합엔트로피를 가지게 되며, 금속간 화합물(intermetallic compound)을 형성하지 않고 단일 고용체 상태를 유지하는 것으로 학계에 보고 되고 있다.[4-5] 이러한 특성으로 인해 하이엔트로피 합금(high entropy alloy, HEA)의 구조적 특성인 심한 격자 뒤틀림에 의한 전위 이동 및 슬립 거동이 제한되어 우수한 내식성과 고온강도, 높은 비강도 등 물리적 특성이 증가하고, 기존 상용 합금과는 차별화된 새로운 물리적 특성을 나타낸다. Fig. 1.1은 기존 상용재료와 하이엔트로피 합금의 항복강도와 파괴인성에 대한 그래프를 통해 하이엔트로피 합금의 수준을 나타내고 있다. 이러한 새로운 물리적 특성으로 인해 초고온 또는 극저온과 같은 극한 환경에서 우수한 기계적 특성을 나타내며, 우주 산업에 필요한 고온 내열합금이나 내 부식성이 우수한 특성을 활용한 해양 산업 및 코팅 재료 등 여러 측면에서 활용 되고 있다.[6-8] 이번 연구에 사용된 칸토(Cantor) 합금의 경우 일반적인 내부식성은 304S 스테인레스 강재보다 우수한 것으로 보고 되고 있다.[9-10] 하이엔트로피 합금의 제조 방법으로는 아크용해와 같은 주조 방법, 분말 야금법, 코팅, 가스 분무법, 스퍼터링 등의 다양한 방법이 있으며, 합금 구성원소의 녹는점 차이 및 활용 방법에 따라 적합한 제조 방법이 구분 된다.[11] 고융점 하이엔트로피 합금은 기존의 초내열 합금이나 내열강보다 우수한 고온 특성을 유지하며, 항공우주 분야 및 핵융합 원자로 분야에서 많이 적용 되고 있다.[12-13] 고융점 하이엔트로피 합금의 경우 아크용해와 같은 주조법으로 제조시 제조법의 한계로 인해 실용화 측면에서 적용에 어려움이 있어 이를 해결하기 위해 최근 분말 야금법을 활용한 고융점 하이엔트로피 합금 제조에 관한 연구가 많이 진행되고 있다. 분말 야금 공정을 적용할 경우 매우 강한 기계적 에너지를 가해서 물리적으로 합금화가 가능하며, 결정립의 크기에 따른 고용 강화 및 가공 경화 등의 효과로 인해 우수한 기계적 특성을 부여할 수 있다. 또한 원소들의 융점의 차이로 인해 주조법으로 합금화가 곤란한 합금계도 쉽게 합금을 제조할 수 있으며,[14] 고 에너지 볼밀 중 분쇄, 냉간 압접 및 파쇄가 반복되면서 원소분포를 균일하게 형성시키고 비정질상, 나노 결정질상 등을 갖는 균일한 미세구조를 형성 할 수 있다.[15-17] 한편, 분말야금법 공정중 하나인 급속 응고법 중 가스분무법 에 의해 제조된 분말은 비교적 구형의 형상을 가져 성형성이 우수하고 편석이 없는 균일한 물성을 갖는 분말을 얻을 수 있는 이점이 있으며 대량생산에 적합하다. 가스 분무법에서는 용탕의 냉각속도에 따른 분말의 입도 및 형상을 제어할 수 있는 다수의 공정 변수를 갖고 있으며[10], 가스 분사 각, 가스의 용탕 타점거리, 가스 노즐의 수, 가스 노즐 직경, 금속용탕노즐의 직경 등과 같이 다양한 공정변수가 있다. 이 외에도 레이저 클래딩을 포함하는 액체 상태에서 제조를 시작하는 공정, 증기상태에서 원소들을 혼합하여 제조하는 스퍼터 증착, 펄스 레이저 증착, 원자층 증착, 분자빔 에피 택시 및 기상 증착 방법 등이 있다. 최근 각광 받고 있는 3D 프린팅이나 레이져 클래딩 등의 분말을 원료로 하는 소결 공정에 관한 연구들은 활발히 진행되고 있지만 정작 출발 물질인 분말 자체에 관한 연구에 관해서는 미흡한 부분들이 있다 이에 본 연구에서는 용질원자 편석의 감소, 고용도의 증가, 균일 고용체 형성, 결정립 미세화 등의 장점을 가진 급속응고 방법 중 하나인 가스 분무법을 이용하여 각 원소를 20 at% 조성으로 하는 CoCrFeMnNi 합금을 제조 한 후 분말의 형상 및 유동특성과 미세조직, 상분석, 기공율 등을 평가하고 분말의 경도를 평가하여 가스 분무법으로 제조된 하이엔트로피 합금 분말의 입자 사이즈에 따른 분말 특성 분석을 목적으로 연구를 진행 하였다.
The gas atomization is an extensively useful method for producing the metal-based alloys. For instance, the fabrication of an equiatomic CoCrFeMnNi alloy using a gas atomization offers an excellent chemical homogeneity and without elemental segregation. In this work, we focused mainly on powder char...
The gas atomization is an extensively useful method for producing the metal-based alloys. For instance, the fabrication of an equiatomic CoCrFeMnNi alloy using a gas atomization offers an excellent chemical homogeneity and without elemental segregation. In this work, we focused mainly on powder characteristics such as flowability, compressibility and circularity according to the various size distributions of gas atomized CoCrFeMnNi alloy powder. For this reason, we classified the CoCrFeMnNi alloy powders accordingly (a) < 53 µm, (b) 53 ~ 106 µm, (c) 106 ~ 150 µm and (d) 150~200 µm. The XRD results confirm that all the alloy powders show a single-phase FCC solid solution. The microstructural characteristics reveal that an increase of dendritic structure by increasing the particle size. Moreover, we investigated the micro Vickers hardness measurements with different particle sizes. The obtained results show 394.7 Hv, 382.3 Hv, 349 Hv and 335.Hv for their corresponding particle sizes of < 53 µm, 53 ~ 106 µm, 106 ~ 150 µm and 150~200 µm respectively. From this study, we conclude the obtained spherical and high quality of high entropy alloy powder would be expected to utilize for advanced 3D printing technology for making the complex shaped components.
The gas atomization is an extensively useful method for producing the metal-based alloys. For instance, the fabrication of an equiatomic CoCrFeMnNi alloy using a gas atomization offers an excellent chemical homogeneity and without elemental segregation. In this work, we focused mainly on powder characteristics such as flowability, compressibility and circularity according to the various size distributions of gas atomized CoCrFeMnNi alloy powder. For this reason, we classified the CoCrFeMnNi alloy powders accordingly (a) < 53 µm, (b) 53 ~ 106 µm, (c) 106 ~ 150 µm and (d) 150~200 µm. The XRD results confirm that all the alloy powders show a single-phase FCC solid solution. The microstructural characteristics reveal that an increase of dendritic structure by increasing the particle size. Moreover, we investigated the micro Vickers hardness measurements with different particle sizes. The obtained results show 394.7 Hv, 382.3 Hv, 349 Hv and 335.Hv for their corresponding particle sizes of < 53 µm, 53 ~ 106 µm, 106 ~ 150 µm and 150~200 µm respectively. From this study, we conclude the obtained spherical and high quality of high entropy alloy powder would be expected to utilize for advanced 3D printing technology for making the complex shaped components.
주제어
#High entropy alloy, Gas atomization, CoCrFeNiMn , Powder characteristics
학위논문 정보
저자
강래철
학위수여기관
공주대학교 일반대학원
학위구분
국내석사
학과
신소재공학과
발행연도
2019
총페이지
66p
키워드
High entropy alloy, Gas atomization, CoCrFeNiMn , Powder characteristics
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