[논문]Ni/Ni-aluminide//Ti/Ti-aluminide 구조경사형 층상재료의 균열 전파 거동

정동석; 김진곤; 조현

Ni/Ni-aluminide//Ti/Ti-aluminide 구조경사형 층상재료의 균열 전파 거동
Crack propagation behavior of in-situ structural gradient Ni/Ni-aluminide//Ti/Ti-aluminide laminate materials 원문보기

한국결정성장학회지 = Journal of the Korean crystal growth and crystal technology, v.15 no.6, 2005년, pp.269 - 275

정동석 (대구기능대학 신소재응용과) , 김진곤 (밀양대학교 신소재공학부) , 조현 (밀양대학교 신소재공학부)

초록
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Ni/Ni-aluminide//Ti/Ti-aluminide 경사기능 층상 복합재료를 박막 hot press법을 이용하여 제작하였다. NiAl과 $TiAl_3$ 금속간화합물 층이 자전고온합성반응을 통해 비교적 두껍게 형성되었고, 얇고 연속적인 $Ni_3Al$과 TiAl 층이 고상 확산을 통해 형성되었다. 파괴저항은 하중 방향이 crack arrester인 경우가 금속 층이 균열의 성장을 방해하기 때문에 crack divider 방향인 경우보다 높다. $Ni_3Al$과 NiAl 금속간화합물 층은 각각 벽개파괴와 입계파괴 거동을 보였고, $TiAl_3$층의 파괴 형태는 입내벽개파괴이었다. Ni/Ni-aluminide 층에서 관찰되는 기공과 금속 층과 금속간화합물 층의 미결합 부위가 낮은 파괴저항의 원인으로 판단된다. Acoustic emission (AE) 원파형 해석을 통해 제작된 복합재료의 파괴특성을 고찰하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Ni/Ni-aluminide/Ti/Ti-aluminide laminate composite, considered as a functionally gradient material, was manufactured by thin foil hot press technique. Thick intermetallic layers of NiAl and $TiAl_3$ were formed by a self-propagating high-temperature synthesis (SHS) reaction, and thin continuous taters of $Ni_3Al$ and TiAl were formed by a solid-state diffusion. Fracture resistance with loading along the crack arrester direction is higher than crack divider direction due to the interruption of crack growth in metal layers. The $Ni_3Al$ and NiAl intermetallic layer showed cleavage and intergranular fracture behavior, respectively, while the fracture mode of $TiAl_3$ layer was found to be an intragranular cleavage. The debonding between metal and intermetallic layer and the pores were observed in the Ni/Ni-aluminide layers, resulting in the lower fracture resistance. With the results of acoustic emission (AE) source characterization the real time of failure and the effect of AE to crack growth could be monitored.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 Ni, Ti, Al 순금속을 Ni/Al/Ni/…/Ni/ Al/Ti/…/Ti/Al/Ti 형태로 적층하여 박판간에 자전고온반응을 통해 Ni/Ni-aluminide와 Ti/Ti-aluminide로 적층된새로운 형태의 구조경사형 복합재료를 제조하여 조직 및 기계적 성질, 파괴특성을 조사 분석하고자 하였다.
내·외적인 요인으로 재료 내부에서 균열과 변형이 발생하게 되면 탄성파가 방출되고 피검체내를 초음파대역의 탄성파로서 전파한다. 이 탄성파를 피검체 내의 접촉 매질을 사이에 두고 압전 소자를 사용한 AE 변환자로 검출하고 신호처리를 하여 변형과 파괴 현상을 대응시키는 것이다. 이때 해석에 사용되는 수식은 식 (1)과 같다.

제안 방법

1) Ni, Ti, Al 금속박판을 박판 hot press법을 통해 Ni/Ni₃Al/NiAl과 Ti/TiAl/TiAl₃ 금속간화합물 층으로 구성된 Ni/Ni-aluminide//Ti/Ti-aIuminide 층상 복합재료를 제작하였다. 반응 초기에 NiAl과 TiAl₃ 상이 자전고온반응을 통해 형성되고 그 뒤에 고상 상태에서 반응성 확산에 의해 TiAl과 Ni3Al 상이 형성되었음을 알 수 있었다.
세척한 A1 박판 30장, Ni과 Ti 박판 각 15장을 Ni/Al/Ni/…/Ni/Al/Ti/…/Ti/Al/Ti 순서로 적층한 후 흑연 몰드를 이용하여 hot press에 장착하였다. 반응 중의 시료의 산화를 방지하기 위하여 hot press 내의 진공도를 5×1^-4 torr 이상으로 유지하면서 온도와 압력을 동시에 변화시켰다. 적층 시료를 640℃에서 30분 유지한 후 760℃에서 10 MPa 압력을 가하면서 10시간, 860℃에서 35 MPa 압력을 가하면서 2시간 유지하였다.
본 연구에서 사용된 층상복합재료의 제작 과정은 다른 문헌에 자세히 보고하였다[12]. 세척한 A1 박판 30장, Ni과 Ti 박판 각 15장을 Ni/Al/Ni/…/Ni/Al/Ti/…/Ti/Al/Ti 순서로 적층한 후 흑연 몰드를 이용하여 hot press에 장착하였다. 반응 중의 시료의 산화를 방지하기 위하여 hot press 내의 진공도를 5×1^-4 torr 이상으로 유지하면서 온도와 압력을 동시에 변화시켰다.
반응 중의 시료의 산화를 방지하기 위하여 hot press 내의 진공도를 5×1^-4 torr 이상으로 유지하면서 온도와 압력을 동시에 변화시켰다. 적층 시료를 640℃에서 30분 유지한 후 760℃에서 10 MPa 압력을 가하면서 10시간, 860℃에서 35 MPa 압력을 가하면서 2시간 유지하였다. Fig.
제작된 복합재료의 미세조직은 광학현미경 (Olympus, BH 1700)과 FE-SEM(Hitachi, S-4200)을 이용하여 관찰하였고, 각 층의 상분석 및 성분 변화는 FE-SEM에 부착된 EDS(Horiba Super Xerophy, EMAX-5770) 로 분석하였다. 파괴인성은 적층 방향인 crack-arrester 방향과 적층 방향에 수직인 crack-divider 방향으로 나누어 38.
2는 본 연구에서 사용한 파괴인성시험 및 AE 측정 장치의 개략도이다. 파괴인성시험과 동시에 발생하는 신호로부터 AE 원파형 해석을 시도하여 실제 균열의 전파 시점 및 파괴시점을 예측하고 균열의 진전, 형태와 AE 의 발생 위치를 비교분석 함으로서 이들의 상호관계를 확인하였다.
파괴인성은 적층 방향인 crack-arrester 방향과 적층 방향에 수직인 crack-divider 방향으로 나누어 38.5×3×4 ㎜ 크기 시편에 시편 두께의 1/3 정도 깊이, 두께 0.1 ㎜로 노치를 준 후 Instron-4482에서 0.1 ㎜/min 변형속도로 3점 굽힘시험을 통해 측정하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 소재는 300×300×0.1㎜ Al (99.9%), Ni(99.7%)과 Ti(99.0%) 박판이며 이를 50×50×0.1 ㎜ 크기로 절단한 후, 아세톤으로 세척하였다. 본 연구에서 사용된 층상복합재료의 제작 과정은 다른 문헌에 자세히 보고하였다[12].

이론/모형

본 연구에서 제작된 복합재료의 파괴 특성을 고찰하는데 있어 미시균열의 정략적 평가는 AE(acoustic emission) 원파형 해석을 사용하였다[13, 14]. 내·외적인 요인으로 재료 내부에서 균열과 변형이 발생하게 되면 탄성파가 방출되고 피검체내를 초음파대역의 탄성파로서 전파한다.

성능/효과

2) 파괴인성은 crack-arrester 방향인 경우가 crack-divider 방향인 경우보다 높았다. 이것은 반응하지 않고 남은 금속 층이 균열의 진전을 억제하고 금속간화합물층의 변형에너지를 흡수하여 응력집중을 완화시키기 때문으로 판단된다.
3) Ti/Ti-aluminide 층에서 시작된 균열은 Ni/Ni-aluminide 층을 관통하여 전파되었으나 Ni/Ni-aluminide 층에서 출발한 균열은 Ti/Ti-aluminide 층을 관통하지 못하고 Ti/Ti-aluminide 층 인접 영역에서 초기 노치 방향에 수직하게 편향되어 성장하였다. 또한 금속간화합물 층은 서로 다른 파괴 형태를 보였다.
4) Ti/Ti-aluminide 층보다 Ni/Ni-aluminide 층에서 다수의 AE가 폭넓게 분포하였다. 이는 Ni/Ni-aluminide 층에서 순금속 층과 금속간화합물 층간의 박리와 기공이 AE의 발생 위치로서 작용하였기 때문으로 판단된다.
4로 표시된 영역의 EDS 결과는 Ti-aluminide 층과 Ni-aluminide 층의 영향을 받은 결과로 보인다. Ti-Al계와 Ni-A 계에서 TiAG와 NiAl의 형성 엔탈피가 가장 낮은 점을 고려해 볼 때 [15], 이상의 결과로부터 금속간화합물 층상 조직의 형성 순서는 TiAL와 NiAl이 자전고온반응을 통해 형성되고, 이후 고상상태에서 반응성 확산에 의해 TiAl₃와 Ti 층 사이에서 TiAl이, NiAl과 Ni 층 사이에서 Ni₃Al 형성된 것으로 판단된다.

참고문헌 (18)

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상세보기
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T. Kishi, 'Acoustic emission source characterization and its application to micro-cracking', Z. Metallkde. 76 (1985) 512

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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