[논문]Ti-15V-3Al합금의 시효거동과 열처리에 따른 고온 기계적 특성

이재원; 이백희; 이규환; 김영도

doi:10.3740/mrsk.2004.14.1.013

Ti-15V-3Al합금의 시효거동과 열처리에 따른 고온 기계적 특성
Aging Behavior and Effect of Heat Treatment on High Temperature Mechanical Properties in Ti-15V-3AI-3Cr-3Sn 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.14 no.1, 2004년, pp.13 - 18

이재원 (한양대학교 공과대학 재료공학과) , 이백희 (한양대학교 공과대학 재료공학과) , 이규환 (한국과학기술원 미래기술연구부) , 김영도 (한양대학교 공과대학 재료공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Titanium alloys are the one of promising candidate materials for medium high temperature parts in the aircraft, automobile, petrochemistry and electrochemistry because of their high strength with low density in medium high temperature. In this study, the effects of aging and heat treatments on the mechanical properties of Ti-15-3 alloy in medium high temperature, which was $400^{\circ}C$, were studied. Solid solution treatment was performed at $8000^{\circ}C$ of $\beta$ phase region for 1 h and the alloy was quenched in water. The alloy was aged at $5000^{\circ}C$ of $\alpha$ and $\beta$ two-phase region for 1, 2, 4, 8, ... and 100 h to increase the mechanical property. The $\beta$ single phase was observed at all parts of specimens in Ti-15-3 alloy after ST. As the aging at $500^{\circ}C$, fine precipitates of a phase was generated from matrix of $\beta$ phase and the microstructure was consisted of weaving structure such as Widmanstiitten a phase. The most suitable aging time is 24h in$ 400^{\circ}C$. At this time, strength is 1164 MPa and elongation is about 12%. In room temperature, elongation of Ti-15-3 alloy aged at $500^{\circ}C$ for 16 h is poor (=3%) in spite of high tensile strength (1458 MPa).

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문제 정의

본 연구에서는 준안정 β형 Ti-15-3 합금에서의 용체화처리 후 수냉 및 시효 등의 열처리에 따른 미세조직의 변화와 고온 기계적 특성을 고찰하였다. 열처리에 따른 미세조직변화를 알아보기 위하여 광학현미경, 주사현미경 그리고 투과현미경으로 석출물의 형상 및 분포를 조사하였다.
열처리에 따른 미세조직변화를 알아보기 위하여 광학현미경, 주사현미경 그리고 투과현미경으로 석출물의 형상 및 분포를 조사하였다. 석출물의 변화가 고온과 상온에서의 인장성질과 파단면의 형상에 어떠한 영향을 미치는지를 고찰하였다.

제안 방법

열처리시의 상변화 거동은 XRD 및 투과전자현미경의 회절도형을 이용하여 관찰하였다. 미세조직의 광학현미경 관찰은 Krolls (3 mlHF+7 mlHN03 +100mlH₂₀) 용액으로 에칭 후 수행하였다. 투과전자현미경 관찰을 위한 시편박막은 기계적 연마 후 -40℃의 80% methanol+20%의 Perchloric Acid 용액에서 Twin- Jet Polishing 방법으로 제조하였으며, JEOL사의 JEM 2000FX를 사용하여 관찰하였다.
2(d)와 같이 α상은 Widmanstatten 구조로 석출된다. 시효처리시 석출된 αa상의 미세구조를 자세히 확인하기 위하여 24시간 이후의 미세조직을 주사전자현미경으로 관찰하였다. Fig.
이 시험편을 상온과 400℃에서 lⅹ10³/sec의 속도로 인장시험을 수행하였고, 미세구조는 광학현미경과 주사전자현미경을 사용하여 관찰하였다. 열처리시의 상변화 거동은 XRD 및 투과전자현미경의 회절도형을 이용하여 관찰하였다. 미세조직의 광학현미경 관찰은 Krolls (3 mlHF+7 mlHN03 +100mlH₂₀) 용액으로 에칭 후 수행하였다.
변화와 고온 기계적 특성을 고찰하였다. 열처리에 따른 미세조직변화를 알아보기 위하여 광학현미경, 주사현미경 그리고 투과현미경으로 석출물의 형상 및 분포를 조사하였다. 석출물의 변화가 고온과 상온에서의 인장성질과 파단면의 형상에 어떠한 영향을 미치는지를 고찰하였다.
용체화 처리 후 수냉된 시험편들을 다시 캡슐화하여 500℃에서 100시간까지 등온시효를 수행하였다. 이 시험편을 상온과 400℃에서 lⅹ10³/sec의 속도로 인장시험을 수행하였고, 미세구조는 광학현미경과 주사전자현미경을 사용하여 관찰하였다. 열처리시의 상변화 거동은 XRD 및 투과전자현미경의 회절도형을 이용하여 관찰하였다.

대상 데이터

합금이다. Ti-15-3 합금은 중국의 중국과학 금속분석 연구센터로부터 판상형태의 시험편을 구입하였으며 이 합금의 조성은 Table 1과 같다.
본 실험에 사용된 상용 Ti 합금인 Ti-15-3은 V, Cr과 같은 β 안정화 원소가 다량으로 첨가되어 있으며, 고용강화를 돕고 내산화성을 향상시키는 α상 안정화 원소인 A1 과 합금간에 취성을 일으키지 않고 효과적으로 고용강화를 시킬 수 있는 Sn이 첨가되어 있는 준안정 /3-Ti 합금이다. Ti-15-3 합금은 중국의 중국과학 금속분석 연구센터로부터 판상형태의 시험편을 구입하였으며 이 합금의 조성은 Table 1과 같다.

이론/모형

미세조직의 광학현미경 관찰은 Krolls (3 mlHF+7 mlHN03 +100mlH₂₀) 용액으로 에칭 후 수행하였다. 투과전자현미경 관찰을 위한 시편박막은 기계적 연마 후 -40℃의 80% methanol+20%의 Perchloric Acid 용액에서 Twin- Jet Polishing 방법으로 제조하였으며, JEOL사의 JEM 2000FX를 사용하여 관찰하였다.

성능/효과

용체화 처리 후 수냉한 시험편은 Fig. 2(a)와 같이 20㎛ 정도의 평균 결정 입도를 가지는 β단일상의 등축정 (equiaxed) 구조를 보이며 Fig. 3에서와 같이 X선 회절분석 결과 격자상수가 0.318 nm이고 bcc구조의 β 단일상임을 확인하였고 500℃ 에서 시효시간이 길어짐에 따라 격자상수가 a=0.294nm, c=0.436nm인 hep구조의 α상이 석출됨이 확인되며, 약 24시간 후에 화학양론적으로 a상이 모두 석출됨이 관찰된다. 500℃에서 1시간 시효시는 Fig.
1. Ti-15-3 합금을 800℃ 에서 1시간 용체화처리 후 체심입방 정구 조인 β단일상 등축정 구조를 가지며, 500℃ 에서 시효처리가 됨에 따라 조밀육방정구조의 미세한 α상이 β상기지에서 석출된다. 석출 α상과 기지조직인 β상은 최대조밀면과 최대조밀방향들이 각각 서로 평행한 방위관계를 가지기 때문에 석출상의 미세조직은 침상의 α상 짜깁기 구조인 Widmanstatten 구조를 나타낸다.
100시간의 시효시간에서는 연성파괴와 부분적인 facet이 관찰되나 연신율의 급격한 감소는 보이지 않는다. 100시간 시효시에는 미세한 딤플링의 연성파괴거동이 취성파괴보다 연신율에 더 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다.
2. 시효시간에 따른 상온에서의 경도값은 시효시간이 길어짐에 따라 증가하며, 약 8시간이상에서 약 380Hv의 최대경도값을 보이는 steady state에 이른다. 약 100시간까지 시효처리를 했음에도 불구하고 경도의 감소는 나타나지 않는다.
3. 상온에서의 인장시험결과, 인장강도는 시효시간의 경과함에 따라 증가하다가 16시간에서 최대값인 1458 MPa 을 가지지만 연신율은 용체화처리 시험편의 경우 약 29% 에서 16시간 시효시에는 3%정도로 떨어진다.
4. 400℃에서의 고온 기계적 특성은 용체화처리 후 수냉시에는 약 600 MPa과 약 28%의 연신율을 나타낸다. 시효가 진행됨에 따라 인장강도는 증가하고 연신률은 감소된다.
반면 Fig. 6에서 보는 시효온도에 따른 상온에서의 기계적 특성은 시효시간의 경과에 따라 증가하다가 16시간에서 최대값인 1458 MPa을 가지지만 연신율은 3% 정도로 떨어져 공업재료로 사용하기에는 적당치 않다는 것이 확인되었다. 24시간 이후에는 1200MPa 정도로 일정한 값을 유지한다.
5에 시효시간에 따른 상온경도값을 나타내었다. 시효시간에 따른 상온에서의 경도값은 시효시간이 길어짐에 따라 증가하며, 약 8시간이 경과하면 거의 최대경도에 도달하며 최대경도값은 385 Hv로 측정되었다.

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