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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.
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