새로운 티타늄기 MMCs(W/ Ti-6Al-4V)에 대한 기계적 특성에 대한 연구를 행하여 평가한 결과를 나타내었다. HIP(hot isostatic pressing) 제조법과 RS(Rotary Swaging) 2 차 가공을 통하여 텅스텐 섬유 함유율이 각각 6, 9, 12 vol%인 W/Ti-6Al-4V MMCs 를 제작하였으며, 경도는 기존의 Ti-6Al-4V 합금과 비교하여 20-30%, 인장강도는 50%(비강도-38%) 높은 값을 얻었다. 섬유 함유율 9vol.% 에서 가장 높은 인장 값을 나타내었으며, MMCs 에서 메트릭스와 계면 사이에 생성된 확산상에 의해서 경도 및 인장강도가 향상되었다. 또한 피로 강도를 향상 시키기 위한 방법으로 메트릭스의 질적 향상을 위한 HIP 제작조건에 대한 추가적인 연구가 필요하다.
새로운 티타늄기 MMCs(W/ Ti-6Al-4V)에 대한 기계적 특성에 대한 연구를 행하여 평가한 결과를 나타내었다. HIP(hot isostatic pressing) 제조법과 RS(Rotary Swaging) 2 차 가공을 통하여 텅스텐 섬유 함유율이 각각 6, 9, 12 vol%인 W/Ti-6Al-4V MMCs 를 제작하였으며, 경도는 기존의 Ti-6Al-4V 합금과 비교하여 20-30%, 인장강도는 50%(비강도-38%) 높은 값을 얻었다. 섬유 함유율 9vol.% 에서 가장 높은 인장 값을 나타내었으며, MMCs 에서 메트릭스와 계면 사이에 생성된 확산상에 의해서 경도 및 인장강도가 향상되었다. 또한 피로 강도를 향상 시키기 위한 방법으로 메트릭스의 질적 향상을 위한 HIP 제작조건에 대한 추가적인 연구가 필요하다.
The objective of this study is the estimation of the mechanical properties of HIP-treated MMCs by an optimized manufacturing process. The Ti-MMCs were fabricated by HIP and rotary swaging (RS) for secondary processing. The Ti-MMCs with different tungsten fiber contents of 0, 6, 9, and 12 vol% were s...
The objective of this study is the estimation of the mechanical properties of HIP-treated MMCs by an optimized manufacturing process. The Ti-MMCs were fabricated by HIP and rotary swaging (RS) for secondary processing. The Ti-MMCs with different tungsten fiber contents of 0, 6, 9, and 12 vol% were subjected to tensile tests, fatigue tests, and hardness tests. The results show that the hardness values of Ti-MMCs increased with the increasing volume percent of tungsten fibers, the tensile strength increased by approximately 50% (specific strength: 38%) at the 9 vol%. The value of tungsten-fiber orientation F affects the tensile strength. The fatigue strengths of the Ti-MMCs did not improve. HIP is a useful manufacturing method for Ti-MMCs and RS is an important process for improving fiber orientation during secondary processing.
The objective of this study is the estimation of the mechanical properties of HIP-treated MMCs by an optimized manufacturing process. The Ti-MMCs were fabricated by HIP and rotary swaging (RS) for secondary processing. The Ti-MMCs with different tungsten fiber contents of 0, 6, 9, and 12 vol% were subjected to tensile tests, fatigue tests, and hardness tests. The results show that the hardness values of Ti-MMCs increased with the increasing volume percent of tungsten fibers, the tensile strength increased by approximately 50% (specific strength: 38%) at the 9 vol%. The value of tungsten-fiber orientation F affects the tensile strength. The fatigue strengths of the Ti-MMCs did not improve. HIP is a useful manufacturing method for Ti-MMCs and RS is an important process for improving fiber orientation during secondary processing.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
따라서, 제조비용을 낮추기 위한 제조공정에 대한 체계적이고 지속적인 연구와 포괄적인 기계적 특성평가에 의한 재료의 특성에 맞는 이용법의 고찰과 기계적 특성의 향상으로 인한 구조물의 수리 및 부품교환에 사용되는 비용을 절감하게 된다면, 지금보다 훨씬 그 사용 범위가 확대될 것으로 기대된다.(4,5) 본 연구에서는 티타늄 합금의 우수한 비강도 특성과 관련하여 기지재로 티타늄 합금을 사용한 복합재료에 착안하였다. 지금까지의 티타늄 합금을 메트릭스로한 복합재료에 관한 연구는 다양한 제작방법으로 연구가 진행되고 있으나, 보강재로 금속섬유를 사용한 금속기복합재료(MMC; Metal Matrix Composite)의 제작조건에 대한 연구(6,7)는 비교적 드물다.
제안 방법
2 에는 구체적인 HIP 조건을 나타내었다. HIP 처리 후, 텅스텐 섬유의 배열성을 좋게 하기 위하여 2 차 가공으로 RS(Rotary Swaging)을 각각 실시하였다. 텅스텐 섬유의 함유율은 0, 6, 9, 12 vol%로 각각 달리 하였으며, 시험편은 HIP- 2 차 가공-섬유함유율 순으로 나타내었다.
경도시험은 마이크로 비커스 경도기 (JIS-Z2244)로 측정하였으며 인장시험은 각 Simatsu 사의 유압식 만능시험기 (용량 98kN)를 사용하였으며, Ono 형의 회전굽힘 피로시험기(용량 14.7N⋅m, 3000rpm)로 상온에서 피로시험을 행하였다.
7N⋅m, 3000rpm)로 상온에서 피로시험을 행하였다. 또 실험후의 파단면은 SEM 관찰을 하였다. Fig.
먼저, 티타늄 분말과 텅스텐 단섬유의 혼합분을 용기에 넣어 혼합 가압성형(성형압 80∼140MPa)한 후, Ar 분위기에서 HIP 처리(Dr. hip)를 하였다.
7 은 Ti-6Al-4V 합금에서 피로시험 후 파면의 SEM 사진을 나타낸 것으로 파면에서 미소공공이 관찰되었다. 미소공공은 피로강도를 저하시키는 요인으로 생각되는데 이러한 미소공공의 밀도와 텅스텐 섬유량과의 관계를 고찰 하기 위해 스테레오 스코프로 미소공공의 밀도를 측정하였으며 이를 Fig. 8 에 나타내었다. 미소공공은 크기가 대략 3~4μm 정도로 Ti-6Al-4V 메트릭스와 텅스텐 주변에서 관찰되었으며, 미소공공의 양은 텅스텐 섬유량이 증가할수록 함께 증가하였다.
상기 MMC 에 대한 제조방법으로는 HIP(9) (Hot Isostatic Pressing) 제작법으로 온도 조건을 달리하여 시험편을 제작하였으며 또한 2 차 가공의 영향을 평가하기 위하여 RS (Rotary Swaging)으로 섬유의 배향성을 향상시켰다. 본 연구에서는 HIP 처리 후, 2 차 가공으로 RS 과정을 거쳐 제작된 MMCs 의 미세구조 관찰과 더불어 인장 및 피로시험에 의한 상온에서의 기계적 특성을 상용 Ti-6Al-4V 합금(Sumimoto materials)과 비교 평가하였다.
따라서 본 연구에서는 실험 재료로 티타늄 합금 중에서 가장 대표적인 Ti-6Al-4V 합금을 메트릭스로 사용하였으며,(8) 보강재로는 금속 중에서도 가장 높은 용융점을 가지며 기계적 가공성이 우수한 텅스텐 섬유를 사용하였다. 상기 MMC 에 대한 제조방법으로는 HIP(9) (Hot Isostatic Pressing) 제작법으로 온도 조건을 달리하여 시험편을 제작하였으며 또한 2 차 가공의 영향을 평가하기 위하여 RS (Rotary Swaging)으로 섬유의 배향성을 향상시켰다. 본 연구에서는 HIP 처리 후, 2 차 가공으로 RS 과정을 거쳐 제작된 MMCs 의 미세구조 관찰과 더불어 인장 및 피로시험에 의한 상온에서의 기계적 특성을 상용 Ti-6Al-4V 합금(Sumimoto materials)과 비교 평가하였다.
대상 데이터
hip)를 하였다. Fig. 1 은 본 실험에 사용된 Ti-6Al-4V 합금 분말 과 텅스텐 섬유를 나타낸 것이며, Fig. 2 에는 구체적인 HIP 조건을 나타내었다. HIP 처리 후, 텅스텐 섬유의 배열성을 좋게 하기 위하여 2 차 가공으로 RS(Rotary Swaging)을 각각 실시하였다.
Table 1 에 본 실험의 메트릭스로 사용된 Ti-6Al-4V 합금 분말(Automizing//평균직경 약 70μm)의 화학성분을 나타내었다.
지금까지의 티타늄 합금을 메트릭스로한 복합재료에 관한 연구는 다양한 제작방법으로 연구가 진행되고 있으나, 보강재로 금속섬유를 사용한 금속기복합재료(MMC; Metal Matrix Composite)의 제작조건에 대한 연구(6,7)는 비교적 드물다. 따라서 본 연구에서는 실험 재료로 티타늄 합금 중에서 가장 대표적인 Ti-6Al-4V 합금을 메트릭스로 사용하였으며,(8) 보강재로는 금속 중에서도 가장 높은 용융점을 가지며 기계적 가공성이 우수한 텅스텐 섬유를 사용하였다. 상기 MMC 에 대한 제조방법으로는 HIP(9) (Hot Isostatic Pressing) 제작법으로 온도 조건을 달리하여 시험편을 제작하였으며 또한 2 차 가공의 영향을 평가하기 위하여 RS (Rotary Swaging)으로 섬유의 배향성을 향상시켰다.
데이터처리
Fig. 4 에 본 실험에서 사용되어진 MMCs 의 미소구조를 Ti-6Al-4V 합금과 비교하여 나타내었다. 이 그림으로부터 HIP 처리에 의하여 β상이 parallel 하게 배열된 것이 관찰되었으며(b), 또한 텅스텐 섬유 함유에 의해 β상의 충분한 성장보다는 텅스텐 섬유와 Ti-6Al-4V 기지재 사이에 계면이 눈에 띄었으며, 텅스텐 섬유의 분산과 배열은 양호한 것으로 관찰되었다(c).
이론/모형
보강섬유의 배향성의 영향을 알아보기 위하여 Hellman’s orientation coefficient(10)를 이용하여 섬유배열계수를 계산하였다.
성능/효과
섬유 함유율 9vol.% 에서 가장 높은 인장 값을 나타내었으며, MMCs 에서 메트릭스와 계면 사이에 생성된 확산상에 의해서 경도 및 인장강도가 향상 되었다.
(1) HIP 제조법과 RS(Rotary Swaging) 2 차 가공을 통하여 텅스텐 섬유 함유율이 각각 6, 9, 12 vol%인 W/Ti-6Al-4V MMCs 를 제작할 수 있었다.
(2) W/Ti-6Al-4V MMCs 의 경도는 기존의 Ti-6Al-4V 합금과 비교하여 20-30%, 인장강도는 50%(비강도-38%) 높은 값을 얻었다. 섬유 함유율 9vol.
(3) W/Ti-6Al-4V MMCs 의 피로강도는 저하되었는데, 파단면 관찰결과 피로강도를 저하시킨 원인으로 생각되는 미소공공이 Ti-6Al-4V 메트릭스에서 관찰되었으며 텅스텐 섬유의 함유율이 증가할수록 미소공공의 밀도도 함께 증가 하였다.
(b), 또한 텅스텐 섬유 함유에 의해 β상의 충분한 성장보다는 텅스텐 섬유와 Ti-6Al-4V 기지재 사이에 계면이 눈에 띄었으며, 텅스텐 섬유의 분산과 배열은 양호한 것으로 관찰되었다
이 결과로부터 텅스텐 보강섬유와 기지재 사이 계면의 경도값은 Ti-6Al-4V 합금과 비교하여 20~30% 정도 향상된 것을 알 수 있다. 그리고 섬유 함유율이 증가할 수 경도 값이 증가하는 것을 알 수 있는데, 본 MMCs 에서 섬유 함유율의 증가에 따라 계면의 확산상도 증가한다고 볼때 확산상의 존재가 경도값의 향상과 관련이 있다고 생각된다. 또한 텅스텐 섬유 첨가에 따른 각 조건별 이론 밀도와 HIP 처리후의 각 시편의 상대 밀도를 Table 4 에 나타내었다.
그림에서 볼 수 있듯이 인장 파단면에서 섬유와 계면은 분리되지 않고 잘 접착되어 있었으며, 비교적 평탄한 파단면을 보였다. 또한 기지재의 파단과 섬유의 파단이 비교적 고르게 나타나고 있는 것이 관찰되었으며, 기존의 Ti-6Al-4V 합금과 비교 하여 HIPRS-9 의 경우 최고 50% 이상 향상된 인장강도 값을 보이는 것으로 보아 파단시 기지재와 더불어 응력분산 역할을 잘 수행하였다고 생각된다.
특히, 섬유함유율 9 vol% 에서 가장 높은 인장강도 값을 나타내었으며, 기존의 Ti-6Al-4V 합금과 비교해 볼 때 약 50%(비강도 38%)정도 향상되었다. 또한 보강섬유를 첨가한 HIP-RS-9 의 경우 연신이 거의 없었으며, 보강섬유를 첨가하지 않은 HIP-RS-0 의 경우도 기존의 Ti-6Al-4V 합금과 비교해서 매우 낮은 연신율을 보였다. 이러한 결과로부터 HIP 처리로 인하여 연신율이 저하되며, 섬유보강시 생성되는 계면의 존재가 연성을 더욱 저하시킨다고 사료된다.
미소공공은 크기가 대략 3~4μm 정도로 Ti-6Al-4V 메트릭스와 텅스텐 주변에서 관찰되었으며, 미소공공의 양은 텅스텐 섬유량이 증가할수록 함께 증가하였다.
이 그림으로부터 HIP 처리에 의하여 β상이 parallel 하게 배열된 것이 관찰되었으며(b), 또한 텅스텐 섬유 함유에 의해 β상의 충분한 성장보다는 텅스텐 섬유와 Ti-6Al-4V 기지재 사이에 계면이 눈에 띄었으며, 텅스텐 섬유의 분산과 배열은 양호한 것으로 관찰되었다(c). 섬유와 기지재 사이의 계면은 EPMA 분석결과 텅스텐 섬유의 분자가 Ti-6Al-4V 기지재로 확산된 확산상으로 나타났다. 그것을 Fig.
Table 5 에 본 실험에 사용된 재료들의 인장실험 결과를 나타내었다. 실험 결과로부터 텅스텐 섬유가 보강된 MMCs 시험편의 인장강도가 향상된 것을 알 수 있다. 특히, 섬유함유율 9 vol% 에서 가장 높은 인장강도 값을 나타내었으며, 기존의 Ti-6Al-4V 합금과 비교해 볼 때 약 50%(비강도 38%)정도 향상되었다.
MMCs 에서의 각 부분에 대한 경도측정 결과를 Table 3 에 나타내었다. 이 결과로부터 텅스텐 보강섬유와 기지재 사이 계면의 경도값은 Ti-6Al-4V 합금과 비교하여 20~30% 정도 향상된 것을 알 수 있다. 그리고 섬유 함유율이 증가할 수 경도 값이 증가하는 것을 알 수 있는데, 본 MMCs 에서 섬유 함유율의 증가에 따라 계면의 확산상도 증가한다고 볼때 확산상의 존재가 경도값의 향상과 관련이 있다고 생각된다.
또한, MMCs 의 계면 사이 확산상의 존재는 국부적인 계면 즉, 텅스텐 섬유와 Ti-6Al-4V 기지재 사이의 강도를 향상시킴으로 인장 강도를 향상시키는데 기여 했다고 생각된다. 텅스텐 섬유를 보강함으로 경도 및 인장 강도가 향상되는 효과를 얻었다. 보강섬유의 배향성의 영향을 알아보기 위하여 Hellman’s orientation coefficient(10)를 이용하여 섬유배열계수를 계산하였다.
또한 텅스텐 섬유 첨가에 따른 각 조건별 이론 밀도와 HIP 처리후의 각 시편의 상대 밀도를 Table 4 에 나타내었다. 텅스텐 섬유의 함유율이 증가할수록 이론밀도는 낮은 값을 보였으며, 상대밀도는 HIP 처리에 의해 감소하였다.
실험 결과로부터 텅스텐 섬유가 보강된 MMCs 시험편의 인장강도가 향상된 것을 알 수 있다. 특히, 섬유함유율 9 vol% 에서 가장 높은 인장강도 값을 나타내었으며, 기존의 Ti-6Al-4V 합금과 비교해 볼 때 약 50%(비강도 38%)정도 향상되었다. 또한 보강섬유를 첨가한 HIP-RS-9 의 경우 연신이 거의 없었으며, 보강섬유를 첨가하지 않은 HIP-RS-0 의 경우도 기존의 Ti-6Al-4V 합금과 비교해서 매우 낮은 연신율을 보였다.
후속연구
(4) 피로 강도를 향상시키기 위한 방법으로 메트릭스의 질적 향상을 위한 HIP 제작조건에 대한 추가적인 연구가 필요하다.
이러한 경제적인 이유로 우수한 기계적 특성과 풍부한 매장량을 가지고 있음에도 불구하고 그 사용범위가 제한되어 있다. 따라서, 제조비용을 낮추기 위한 제조공정에 대한 체계적이고 지속적인 연구와 포괄적인 기계적 특성평가에 의한 재료의 특성에 맞는 이용법의 고찰과 기계적 특성의 향상으로 인한 구조물의 수리 및 부품교환에 사용되는 비용을 절감하게 된다면, 지금보다 훨씬 그 사용 범위가 확대될 것으로 기대된다.(4,5) 본 연구에서는 티타늄 합금의 우수한 비강도 특성과 관련하여 기지재로 티타늄 합금을 사용한 복합재료에 착안하였다.
비교적 내부의 결함에 민감하지 않은 인장 강도와는 달리 표면 및 내부의 결함에 매우 민감한 피로파괴는 특히, 텅스텐 섬유의 배향성이 낮고 미소공공의 밀도가 높은 HIPRS-12 시험편에서 강도의 저하가 더욱 두드러졌다. 본 연구를 통하여 MMCs 에서 피로 강도를 향상시키기 위해서는 기지재의 결함을 최소화한 HIP 제작 조건확립과 결함의 발생메카니즘을 규명하기 위한 추가적인 연구가 지속적으로 필요하다는 것을 확인하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
티타늄 합금 중에서 가장 대표적인 합금은 무엇인가?
지금까지의 티타늄 합금을 메트릭스로한 복합재료에 관한 연구는 다양한 제작방법으로 연구가 진행되고 있으나, 보강재로 금속섬유를 사용한 금속기복합재료(MMC; Metal Matrix Composite)의 제작조건에 대한 연구(6,7)는 비교적 드물다. 따라서 본 연구에서는 실험 재료로 티타늄 합금 중에서 가장 대표적인 Ti-6Al-4V 합금을 메트릭스로 사용하였으며,(8) 보강재로는 금속 중에서도 가장 높은 용융점을 가지며 기계적 가공성이 우수한 텅스텐 섬유를 사용하였다. 상기 MMC 에 대한 제조방법으로는 HIP(9) (Hot Isostatic Pressing) 제작법으로 온도 조건을 달리하여 시험편을 제작하였으며 또한 2 차 가공의 영향을 평가하기 위하여 RS (Rotary Swaging)으로 섬유의 배향성을 향상시켰다.
티타늄 및 그 합금의 한계점은 무엇인가?
티타늄 및 그 합금은 많은 우수한 기계적 특성, 그 중에서도 특히 고강도 및 내부식성에 대한 성질이 우수해서 우주, 항공, 해양, 의료, 레저 산업 등에 널리 사용되고 있다.(1~3) 그러나 이 재료를 사용하여 최종적인 제품형태까지 만드는 데까지의 비용은 다른 철강 재료들과 비교해서 훨씬 많이 드는 것이 사실이다. 이러한 경제적인 이유로 우수한 기계적 특성과 풍부한 매장량을 가지고 있음에도 불구하고 그 사용범위가 제한되어 있다. 따라서, 제조비용을 낮추기 위한 제조공정에 대한 체계적이고 지속적인 연구와 포괄적인 기계적 특성평가에 의한 재료의 특성에 맞는 이용법의 고찰과 기계적 특성의 향상으로 인한 구조물의 수리 및 부품교환에 사용되는 비용을 절감하게 된다면, 지금보다 훨씬 그 사용 범위가 확대될 것으로 기대된다.
티타늄 및 그 합금은 어디에 널리 사용되고 있는가?
티타늄 및 그 합금은 많은 우수한 기계적 특성, 그 중에서도 특히 고강도 및 내부식성에 대한 성질이 우수해서 우주, 항공, 해양, 의료, 레저 산업 등에 널리 사용되고 있다.(1~3) 그러나 이 재료를 사용하여 최종적인 제품형태까지 만드는 데까지의 비용은 다른 철강 재료들과 비교해서 훨씬 많이 드는 것이 사실이다.
참고문헌 (10)
Hayashi, T., 1980, "The Composite Material Engineering," pp. 1173-1181
Ritchie, R.O., Dauskardt, R.H. and B.N.Cox., 1991 "Fatigue of Advanced Materials," MEPE Ltd, 315.9
Ochiai, S., Hojo, M., 1995, "Analysis of the Interface Mechanics and Its Characteristics of Composite Material," JSCM, 21-2, pp. 37-46.
Smith., W.F., 1994, "Structure and Properties of Engineering Alloys," McGraw-Hill Book Co.
Donachie, M.J. Jr., 1988, "Titanium a Technical Guide," ASM international.
Son, S., Nishida, S., Hattori, N. and Nakano, K., 2002, Fatigue Properties of Tungsten Fiber Reinforced Ti-6Al- 4V alloy by HIP Fabrication, JSME, 68-666 (A), pp. 93-98
Son, S., Nishida, S., Hattori, N., Nakano, K., 2000, Fatigue Properties of Tungsten Fiber Reinforced Ti-6Al- 4V Alloy, Key Eng. Mat., Trans Tech, 183-187(2), pp. 963-968
Nishida, S., Hayashi, K., Hattori, N., Nakano, K., Yanagida, Y., Tamasaki, H., 2000, "Mechanical Properties of MMC Based on Ti alloy," Key Eng. Mat., Trans Tech., pp. 1243-1248
1989, Titanium Material Researchers, Present Aspect of Titanium Materials Research in Japan, p. 81.
Lee, D., Kim, J., Kim, S., Lee, W. and Kim, W., 1993, "Study on the Processing of Long Fiber - Reinforced Composite Materials for Thermoforming-On the Correlation Coefficient between Separation and Orientation," Trans. Of the KSME (A), Vol. 17, No. 5, pp. 1106-1111.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.