[논문]Ti-6Al-4V 합금의 고온성형시 미세조직 예측에 관한 연구

이유환; 신태진; 황상무; 박노광; 심인옥; 이종수

doi:10.5228/kspp.2003.12.4.290

Ti-6Al-4V 합금의 고온성형시 미세조직 예측에 관한 연구
Prediction of Microstructure During High Temperature Forming of Ti-6Al-4V Alloy 원문보기

이유환 (포항공과대학교 신소재공학과) , 신태진 (포항공과대학교 기계공학과) , 황상무 (포항공과대학교 기계공학과) , 박노광 (한국기계연구원 공정연구부 소성응용그룹) , 심인옥 (국방과학연구소) , 이종수 (포항공과대학교 신소재공학과)

High temperature deformation behavior and prediction of final microstructure after forming of Ti-6Al-4V alloy were investigated in this study. Equiaxed and Widmanstatten microstructures of Ti-6Al-4V alloys were prepared as initial microstructures and compression tests were performed to obtain the flow curves at high temperatures (700∼110$0^{\circ}C$) and various strain rates (10$^{-4}$ ∼10$^2$/s). From the results of compression test, strain rate sensitivity (m) and activation energy (Q) were calculated and used to establish constitutive equation. To predict the final microstructure after farming, finite element analysis was performed considering the microstructural parameters such as grain size and volume fraction of second phase.

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문제 정의

기존에 고온 변형 거동, 유동 곡선을 정량화하기 위하여 사용되어 오던 구성방정식의 형태는 다양하게 이용되어 왔으나, 본 연구에서는 미세조직의 영향을 고려하기 위하여 내부상태 변수가 포함된 구성방정식을 사용하였고, 이를 미세조직의 변화와 연계하여 미세조직 예측을 수행하고자 하였다. 일반적인 경우 대 변형이 주어지는 소성가공의 경우 종종 유동응력(특히 변형율)의 영향을 무시하는 경향이 있는데, 이 경우 다음과 같이Zener- Hollomon 인자를 이용하여 표현된다.
또한 그것이 미 세 조직 에 바탕을 두었다 하더라도 매우 제한적인 변형기구와 현상학적인 결론만을 보고하고 있으며, 실제 고온 가공조건 및 공정제어에 응용되는 데는 어려움이 따른다. 따라서 본 연구에서는 고온 가공성 평가에 대한 기존 개념 및 모델들에 대한 고찰을 통하여 미세조직적 영향과 외부 가공조건의 영향을 고려한 Ti-6A1-4V 합금의 고온 가공성 고찰과 최종 미세조직 예측 식을 제안하고자 한다. 또한 이와 같은 예측 식을 유한요소해석을 이용한 비등 온 후방압출 공정에 적용하여 실제 결과와 비교하고 타당성을 확인하고자 한다.
따라서 본 연구에서는 고온 가공성 평가에 대한 기존 개념 및 모델들에 대한 고찰을 통하여 미세조직적 영향과 외부 가공조건의 영향을 고려한 Ti-6A1-4V 합금의 고온 가공성 고찰과 최종 미세조직 예측 식을 제안하고자 한다. 또한 이와 같은 예측 식을 유한요소해석을 이용한 비등 온 후방압출 공정에 적용하여 실제 결과와 비교하고 타당성을 확인하고자 한다.

제안 방법

6 에 도달할 때까지 압축시험을 수행하였다. 고온 압축시험 장비로는 Gleeble 3500을 사용하였으며, 시편의 양쪽 압축 다이의 온도를 제어하여 항온조건을 유도하고 마찰을 최대한 감소시킨 상태에서 수행되었다. 모든 시험은 진공 분위기에서 수행되었으며, 승온 속도 5t/s로 설정 온도까지 도달한 후, 5분 유지하여 설정된 변 형 율 속도로 압축 및 급냉 하였다.
고온 유동 곡선과 조건에 해당하는 미세조직 결과를 얻을 목적으로 고온 압축시험을 수행하였다. 설정된 온도 범위는 700-1100℃ 사이에 50℃ 간격, 변형율속도 범위 lb七l02/sec 사이에서 일정 변형 율 속도를 10배 간격으로 제어하여 수행되었고, 진 변형율 0.
고온 유동 곡선과 조건에 해당하는 미세조직 결과를 얻을 목적으로 고온 압축시험을 수행하였다. 설정된 온도 범위는 700-1100℃ 사이에 50℃ 간격, 변형율속도 범위 lb七l02/sec 사이에서 일정 변형 율 속도를 10배 간격으로 제어하여 수행되었고, 진 변형율 0.6 에 도달할 때까지 압축시험을 수행하였다. 고온 압축시험 장비로는 Gleeble 3500을 사용하였으며, 시편의 양쪽 압축 다이의 온도를 제어하여 항온조건을 유도하고 마찰을 최대한 감소시킨 상태에서 수행되었다.
모든 시험은 진공 분위기에서 수행되었으며, 승온 속도 5t/s로 설정 온도까지 도달한 후, 5분 유지하여 설정된 변 형 율 속도로 압축 및 급냉 하였다. 이렇게 얻어진 변형된 시편은 압축 축에 수직으로 절단하여 Krol 1's Etchant 를 이용하여 광학현미경과 전자 현미경을 통하여 변형 미세조직을 관찰하였다.
최 대응력과 정상 상태의 응력을 비교하여 보면, 온도가 감소할수록 유동응력은 증가하였다. 하지만 온도가 감소함에도 불구하고 유동응력이 감소하는 경우도 관찰되는데, 이는 주로 가공 발(deformation heating)에 기인한 것으로서 고온 압축시험 시 측정되는 온도를 이용하여 일정 온도 조건으로 보정을 하여 추후 요구되는 상수 값 들을 계산하였다. Fig.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 초기 미세조직은 Fig. 1과 같은 등축정(equiaxed)과 Fig. 2와 같은 층상조직 (Widmansta tten)의 두 가지 조직이 었다.

데이터처리

출 단조 공정에 적용하여 예측 결과와 실제 결과를 비교하였다. 변형 초기 소재의 온도는 970℃, 하 부 다이의 온도는 420℃ 및 상부 펀치의 온도는 720℃ , 압하 속도는 30 tnm/sec 로 설정되었다.

성능/효과

(2) 내부상태변수를 도입한 구성방정식을 이용하여 후방압출 단조 공정을 모사하고 실제 성형 결과와 비교한 결과, 유사한 경향성을 나타내었다.
최 대응력과 정상 상태의 응력을 비교하여 보면, 온도가 감소할수록 유동응력은 증가하였다. 하지만 온도가 감소함에도 불구하고 유동응력이 감소하는 경우도 관찰되는데, 이는 주로 가공 발(deformation heating)에 기인한 것으로서 고온 압축시험 시 측정되는 온도를 이용하여 일정 온도 조건으로 보정을 하여 추후 요구되는 상수 값 들을 계산하였다.

후속연구

Fig. 7의 예측 결과와 비교하여 볼 때 잘 일치 하는 경향을 나타내었으며, 더욱 정확한 예측을 위하여 추후 미세조직 변화에 대한 냉각속도의 영향이 고려되어야 할 것이다.

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