[논문]미세 결정립 Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si 합금의 저온 초소성 변형 거동

박찬희; 이병갑; 이종수

doi:10.5228/kspp.2009.18.7.544

미세 결정립 Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si 합금의 저온 초소성 변형 거동
Low-Temperature Superplastic Deformation Behavior of Fine-Grained Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si Alloy 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.18 no.7 = no.113, 2009년, pp.544 - 549

박찬희 (포항공과대학교 신소재공학과) , 이병갑 (포항공과대학교 신소재공학과) , 이종수 (포항공과대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This study aimed to elucidate the deformation mechanism during low-temperature superplasticity of fine-grained Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si alloy in the context of constitutive equation. For this purpose, initial coarse equiaxed microstructure was refined to $2.2{\mu}m$ via dynamic globularization. Globularized microstructure exhibited large superplastic elongations(434-826%) at temperatures of $650-750^{\circ}C$ and strain rate of $10^{-4}s^{-1}$. It was found that the main deformation mechanism of fine-grained material was grain boundary sliding accommodated by dislocation motion with both stress exponent (n) and grain size exponent (p) values of 2. When the alpha grain size, not sub-grain size, was considered to be an effective grain size, the apparent activation energy for low-temperature superplasticity of the present alloy(169kJ/mol) was closed to that of Ti-6Al-4V alloy(160kJ/mol).

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 동적 구상화를 통하여 Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si 합금의 미세조직을 균일하고 미세한 등축조직으로 제어한 후 전반적인 저온 초소성 특성, 변형률 속도 민감지수 및 결정립 크기 지수에 근거한 변형 기구 및 변형 활성화 에너지에 대해 살펴보았다.

제안 방법

(1) 초기 등축조직(13μm)을 마르텐사이트로 유도한 후 775℃에서 동적 구상화를 통해 결정립 크기를 미세화(2.2μm) 시켰다.
동적 구상화를 통하여 Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si 합금의 저온 초소성 특성을 향상 시켰으며 이에 대한 변형 기구에 대해 고찰하였다.
미세조직은 시편의 표면 광택 후 크롤 용액(5% HNO₃ + 10% HF + 85% H₂O)으로 부식하여 광학현미경으로 관찰되었고, 투과전자현미경 관찰을 위해 박판의 시편을 -40℃ 에서 5% H₂SO₄ 와 95% CH₃OH 혼합용액으로 전해연마 후 가속전압 200 kV 에서 HR-STEM, JF-2200 을 사용했다. 또한 EBSD 관찰을 위해서 표면 광택 후 가속전압 30 kV 에서 Helios nanolab^TM 600 을 사용했으며 스텝 크기는 0.
본 연구에서는 동적 구상화를 이용하여 결정립을 미세화 시켰다. 동적 구상화는 초기 미세조직을 층상조직으로 유도한 다음 변형을 부가해 층구조를 분절시켜 미세한 등축조직을 유도하는 방법으로써[9], 층 간격이 좁을수록 동적 구상화를 위해 필요한 변형량이 작을 뿐만 아니라 구상화 후 결정립 크기도 미세해 진다[10].
본 연구에서는 이러한 관점에서 15º 이상의 고경각 경계를 가지는 알파상(2.2μm)을 유효 결정립으로 간주하였다.
저온 초소성 특성 평가를 위한 인장실험은 초기 미세조직과 동적 구상화 후 미세조직, 결정립 크기지수를 구하기 위해 동적 구상화 후 850℃에서 각각 6시간, 24시간 어닐링한 미세조직에 대해 5mm의 표점 거리를 갖는 인장시편을 제조 후 INSTRON 1361을 사용하여 온도 600℃, 650℃, 700℃와 초기 변형률 속도 10-2s-1, 5×10-3s-1, 10-3s-1, 5×10-4, 10-4s-1에서 수행되었다.

대상 데이터

본 소재의 저온 초소성 변형 시 활성화 에너지는 Fig. 8의 기울기(Q/2.3R)로부터 구해졌으며 169kJ/mol 이었다. 이 값은 미세한 등축조직을 가지는 Ti-6Al-4V 합금의 초소성 변형 시 알파상을 유효 결정립으로 간주한 활성화 에너지(160kJ/mol)와 유사하다[6].
본 연구에 사용된 소재는 RMI에서 생산된 Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si 합금으로서 표 1에 그 화학적 조성을 나타내었다. 베타 변태 온도는 1005℃ 이며, 초기 미세조직은 베타 단상 온도인 1100℃ 에서 단조 후 954℃에서 1시간 동안 열처리 후 공랭하고 다시 593℃에서 8시간 동안 열처리 후 공랭하여 얻어진 13μm의 결정립 크기를 가지는 등축조직이었다(Fig.

성능/효과

(2) 동적 구상화된 미세조직은 초기 조직과 비교하여 약 2.5배 향상된 저온 초소성 특성을 가졌으며, 특히 750℃, 10^-4s^-1 에서는 826%의 연신률을 보였다.
(3) 동적 구상화된 미세조직의 저온 초소성 변형 시 변형기구는 전위 운동에 의해 수용되는 결정립계 미끄러짐 현상이었으며(n=2, p=2), 이때 알파상을 유효 결정립으로 한 활성화 에너지 값은 169kJ/mol 이었다.
결론적으로 동적 구상화된 소재는 초소성 구간에서 n과 p 모두 2의 값을 가지며 앞서 서술한 바에 근거할때 변형기구는 전위 운동에 의해 수용되는 결정립계 미끄러짐 현상으로 판단된다.
전체적인 곡선의 형태는 초반에 가파른 가공경화를 보이며 최대응력에 도달한 후 점차적인 가공연화를 보인 Ti-6Al-4V 합금에 대한 이전 연구와 유사한 경향을 보였다[4]. 또한 두 소재 모두 변형률 속도가 감소할수록 최대응력이 감소했으며 초기 미세조직을 가지는 시편의 경우 동적 구상화된 것과 비교해 동일한 실험조건 하에서 높은 최대응력을 보였다. 한편, 변형률속도가 10^-4s^-1인 경우 초기 미세조직을 가지는 시편의 경우 변형량 0.
전체적으로 동적 구상화된 소재의 경우 초기 미세조직과 비교해 650-750℃에서 2.5배 향상된 초소성 특성을 보였다. 특히 750℃, 10^-4s^-1 조건에서는 940℃의 고온에서 실험한 이전 연구결과와 비슷한 연신율을 보였으며(Fig.
3에 나타내었다. 전체적인 곡선의 형태는 초반에 가파른 가공경화를 보이며 최대응력에 도달한 후 점차적인 가공연화를 보인 Ti-6Al-4V 합금에 대한 이전 연구와 유사한 경향을 보였다[4]. 또한 두 소재 모두 변형률 속도가 감소할수록 최대응력이 감소했으며 초기 미세조직을 가지는 시편의 경우 동적 구상화된 것과 비교해 동일한 실험조건 하에서 높은 최대응력을 보였다.
1Si 합금의 압연 시 725℃ 에서는 시편 표면에 균열이 발생하였다. 최종 적으로 본 소재의 동적 구상화를 위해서 775℃에서 10%의 압하량으로 교차압연을 실시해 총 80%의 압하량에서 미세하게 구상화된 등축조직을 얻었다. Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	동적 구상화를 통하여 Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si 합금의 저온 초소성 특성을 향상 시켰으며 이에 대한 변형 기구에 대해 고찰하자면, 어떻게 구분할 수 있는가?	(1) 초기 등축조직(13μm)을 마르텐사이트로 유도한 후 775℃에서 동적 구상화를 통해 결정립 크기를 미세화(2.2μm) 시켰다. (2) 동적 구상화된 미세조직은 초기 조직과 비교하여 약 2.5배 향상된 저온 초소성 특성을 가졌으며, 특히 750℃, 10-4s-1 에서는 826%의 연신률을 보였다. (3) 동적 구상화된 미세조직의 저온 초소성 변형 시 변형기구는 전위 운동에 의해 수용되는 결정립계 미끄러짐 현상이었으며(n=2, p=2), 이때 알파상을 유효 결정립으로 한 활성화 에너지 값은 169kJ/mol 이었다.
	Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si 합금은 우수한 비강도, 내식성, 고온 크립 특성을 가지고 있어 어디에 주로 사용되고 있는가?	Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si 합금은 우수한 비강도, 내식성, 고온 크립 특성을 가지고 있어 터빈 블래이드, 압축 디스크 등 매력적인 항공기 구조용 재료로 사용되고 있다. 특히 본 소재는 우수한 고온 연신율을 바탕으로 한 초소성 성형 및 확산 접합이 가능해 복잡한 부품의 일체화 성형 및 제조단가절감, 무게감소 등의 이점을 가지고 있어 산업적으로 높은 잠재력을 지니고 있다[1, 2].
	Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si 합금의 초소성 성형은 일반적으로 몇 ℃ 이상의 높은 가공온도를 필요로 하는가?	특히 본 소재는 우수한 고온 연신율을 바탕으로 한 초소성 성형 및 확산 접합이 가능해 복잡한 부품의 일체화 성형 및 제조단가절감, 무게감소 등의 이점을 가지고 있어 산업적으로 높은 잠재력을 지니고 있다[1, 2]. 하지만 본 소재의 초소성 성형은 일반적으로 900℃ 이상의 높은 가공온도와 10-3s-1 이하의 느린 가공속도에서 가능하기 때문에[2] 이러한 단점을 극복하기 위해 많은 연구가 이루어졌다.

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저자의 다른 논문 :

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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