[논문]2상 타이타늄 합금의 미세조직 제어를 통한 초소성 특성 향상

박찬희; 이종수

doi:10.5228/kspp.2010.19.1.005

[국내논문] 2상 타이타늄 합금의 미세조직 제어를 통한 초소성 특성 향상
Enhanced Superplasticity of Two-phase Titanium Alloys by Microstructure Control 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.19 no.1 = no.115, 2010년, pp.5 - 10

박찬희 (포항공과대학교 신소재공학과) , 이종수 (포항공과대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The current understanding for phase/grain boundary sliding and low-temperature/high-strain rate superplasticity of two-phase titanium alloys is summarized. The quantitative analysis on boundary sliding revealed increased sliding resistance on the order of ${\alpha}/{\beta}\;\ll\;{\alpha}/{\alpha}\;{\approx}\;{\beta}/{\beta}$ boundary, hence, led to the conclusion that approximately 50% alpha(or beta) volume fraction and/or grain refinement is beneficial for obtaining large superplastic elongation at low temperature and/or high strain rate. To predict the temperature for 50% alpha volume in various alpha/beta Ti, artificial neural network was applied. Finally, much enhanced superplasticity was achieved through grain refinement utilizing dynamic globularization.

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문제 정의

본 논문에서는 2상 타이타늄의 초소성과 관련하여 기 연구된 내용 중 P/GBS에 미치는 각 계면의 영향, 미세조직 제어를 통한 초소성 특성 향상 및 이와 관련된 결정립 성장거동을 체계적으로 요약하고자 하였다.
Reddy 등[3]은 2상 타이타늄 합금의 온도에 대한 상분율 변화가 α 및 β 안정화 원소의 화학적 조성에 의해 결정된다는 사실에 기인하여 인공신경망기법(artificial neural network)을 이용해 2상 타이타늄 합금의 상분율 변화를 예측하는 방법을 제시했는데 이는 다양한 합금조성, 열처리 온도, 상분율 등의 데이터베이스를 입력값으로 하여 각변수에 가중치를 부여한 후 출력값을 최적화시켜 특정한 조성 및 온도에서 상분율을 예측하는 것이다. 본 연구에서는 제시된 기법의 유효성을 검토하고 이를 통한 초소성 성형 최적화 방법을 소개하고자 한다. 앞서 Kim 등[2]의 결과에 따르면 동일한 결정립 크기에서는 α와 β의 상분율이 5:5 인 온도에서 α/β 계면적이 가장 커지므로 초소성에 유리하다.
이러한 불편을 해소하기 위해 개발된 상분율 예측 프로그램의 유효성을 검토했다. Fig.

제안 방법

3μm까지 미세화시킨 후 초소성 특성을 분석하였다. 이를 위해 초기조직과 미세화된 조직에 대하여 600~700℃의 온도구간에서 변형률속도를 변화시켜가며 대기 분위기에서 인장실험을 실시했고 결과를 Fig. 4에 요약했다. 초기조직의 경우 모든 조건에서 164% 이하의 연신율을 기록한 반면 미세화된 조직의 경우 600~700℃의 비교적 낮은 온도구간에서 변형률속도가 10^-4 ~10^-3s^-1 일 때 239~477%의 연신율을 보였다.

성능/효과

800℃에서 응력이완 및 인장 실험을 실시해 각 계면이 P/GBS에 미치는 영향을 분석했는데 응력이완 실험결과를 Ha 등[7]이 제안한 내부변형변수 이론을 바탕으로 분석한 결과 48%의 β 상분율을 가지는 경우 계면 미끄러짐 현상에 대한 마찰 저항력이 가장 낮은 것으로 밝혀졌고 이는 α/β 상계면이 P/GBS에 가장 유리함을 의미한다.
인장 실험결과 850, 875, 900, 950℃에서 각각 806, 914, 778, 517%의 연신율을 나타내었으며 α와 β의 상분율이 5:5인 875℃에서 최대의 초소성 연신율이 얻어짐을 확인했다.
또한 인장 실험 후 각 계면에서의 P/GBS를 측정한 결과 역시 α/β의 상계면 미끄러짐이 α/α, β/β의 결정립계 미끄러짐보다 우세함을 보였다(Fig. 1).
결론적으로 Kim 등[2]의 연구에 의하면 P/GBS를 위해서는 α/β 계면의 분율이 높을수록 유리하다는 것을 알 수 있다.
013 C, Bal. Ti의 화학조성을 가지는 Ti-6Al-4V 합금에 대한 상분율 예측 값과 측정값을 온도변화에 따라 표시했으며 오차 5% 이내의 비교적 정확한 결과를 보였다. 이를 바탕으로 판단할때 본 소재의 경우 875℃에서 가장 높은 초소성 연신율을 나타낼 것으로 예상된다.
Ti의 화학조성을 가지는 Ti-6Al-4V 합금에 대한 상분율 예측 값과 측정값을 온도변화에 따라 표시했으며 오차 5% 이내의 비교적 정확한 결과를 보였다. 이를 바탕으로 판단할때 본 소재의 경우 875℃에서 가장 높은 초소성 연신율을 나타낼 것으로 예상된다. 이를 확인하기 위하여 동일한 소재에 대해 10^-3s^-1 에서 인장 실험을 실시했고 결과를 Fig.
한편, 변형률속도 민감도지수(strain rate sensitivity, m)를 계산한 결과 초기조직은 변형률속도에 관계없이 0.11의 동일한 값을 보인 반면 미세화된 조직은 구간 I, II, III의 3부분으로 확연히 구분되었으며 높은 연신율을 보이는 구간 II에서의 m 값은 0.34였다. 일반적으로 초소성 영역에서 m값은 0.
3이상을 나타내며 본 연구결과는 ECAP 이후 미세화된 소재의 저온 초소성 특성을 잘 반영한다. 또한 P/GBS에 대한 정량적인 연구 결과, 초기 소재의 경우 전체 변형량에 대해 P/GBS로 인한 변화가 10% 이하인 반면 미세화된 소재의 경우 그 비율이 45 %로 크게 증가했다(Fig. 5).
또한 응력이완 실험결과를 비탄성 변형이론을 통해 분석한 결과 전체 변형량에 대한 결정립계 미끄러짐 현상의 분율이 초기조직은 20% 미만인데 반해 동적 구상화된 조직은 40% 정도의 높은 값을 나타내었다(Fig. 8).
(1) 초소성 변형의 주 기구인 P/GBS는 α와 β의 상분율이 5:5인 경우 가장 활발하게 발생했으며 이로부터 α/β 상계면이 α/α나 β/β의 결정립계면 보다 초소성에 유리하다는 결론을 내릴 수 있었다. 그러므로 초소성 특성 향상을 위해서는 동일한 결정립 크기에서 α와 β 상분율을 5:5로 제어하거나 동일한 상분율에서 결정립 크기를 미세화시켜 α/β 계면적을 증가시키는 것이 유리하다.
(2) 특정한 Ti-6Al-4V 합금에 대해 인공신경망기법의 상분율 예측 신뢰성을 재검토 한 결과 소모적인 실험없이 화학조성의 정보만으로 온도에 따른 상분율 변화를 5%의 오차 내에서 예측할 수 있었고 875℃에서 5:5의 상분율을 보였다. 또한 고온 인장 실험결과 875℃에서 914%의 최대 연신율을 보였으며 이를 바탕으로 초소성 성형 온도 최적화가 가능했다.
(2) 특정한 Ti-6Al-4V 합금에 대해 인공신경망기법의 상분율 예측 신뢰성을 재검토 한 결과 소모적인 실험없이 화학조성의 정보만으로 온도에 따른 상분율 변화를 5%의 오차 내에서 예측할 수 있었고 875℃에서 5:5의 상분율을 보였다. 또한 고온 인장 실험결과 875℃에서 914%의 최대 연신율을 보였으며 이를 바탕으로 초소성 성형 온도 최적화가 가능했다.
(3) ECAP 및 동적 구상화를 통해 Ti-6Al-4V 및 Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si 합금의 결정립 미세립화가 가능했으며 저온/고속 초소성 특성을 얻었다. 이는 결정립 미세화의 효과 및 동일한 상분율에서 α/β 상계면의 증가에 의한 것으로 판단된다.
이는 결정립 미세화의 효과 및 동일한 상분율에서 α/β 상계면의 증가에 의한 것으로 판단된다. 또한 비탄성 변형이론에 근거한 응력이완 실험을 실시한 결과 저온/고속 초소성 변형 시 활발한 P/GBS 현상이 관찰되었다.
(4) Ti-6Al-4V 및 Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si 합금의 저온 초소성 변형 시 결정립 성장속도는 정적인 상태와 비교하여 10배 정도 빨랐다. 또한 Ti-6Al-4V의 경우 결정립 성장속도 상수가 Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.

후속연구

인장 실험결과 850, 875, 900, 950℃에서 각각 806, 914, 778, 517%의 연신율을 나타내었으며 α와 β의 상분율이 5:5인 875℃에서 최대의 초소성 연신율이 얻어짐을 확인했다. 이로써 인공신경망기법을 활용할 경우 기존의 방법에 비해 효과적으로 초소성 성형을 최적화시킬 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	2상(two phase) 타이타늄 합금의 특성은 무엇인가?	2상(two phase) 타이타늄 합금은 우수한 비강도, 내부식성, 고온강도 등의 특성을 가지고 있기 때문에 항공기 및 발전설비용 소재로 광범위하게 사용되고 있다. 특히, 높은 고온 연신율을 바탕으로 한 초소성 성형 및 확산 접합은 부품의 무게 및 제조 비용의 감소를 가능하게 하므로 산업적 잠재력이 크다.
	2상(two phase) 타이타늄 합금은 어디에 사용되는가?	2상(two phase) 타이타늄 합금은 우수한 비강도, 내부식성, 고온강도 등의 특성을 가지고 있기 때문에 항공기 및 발전설비용 소재로 광범위하게 사용되고 있다. 특히, 높은 고온 연신율을 바탕으로 한 초소성 성형 및 확산 접합은 부품의 무게 및 제조 비용의 감소를 가능하게 하므로 산업적 잠재력이 크다.
	2상(two phase) 타이타늄 합금의 단점은 무엇인가?	특히, 높은 고온 연신율을 바탕으로 한 초소성 성형 및 확산 접합은 부품의 무게 및 제조 비용의 감소를 가능하게 하므로 산업적 잠재력이 크다. 그러나 일반적으로 초소성 성형은 850 ºC 이상의 높은 가공온도 또는 10-3 s-1 이하의 느린 가공속도에서만 가능하므로[1], 부품 제조의 순환이 느리고 다이(die) 비용과 에너지의 소비가 크다는 단점이 있다. 그러므로 750 ºC 이하의 저온 또는 10-2s-1 이상의 고속 초소성 성형 기술이 요구되고 있다.

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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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