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문제 정의
- 그러나 아직까지 니켈기 초합금에 대하여 laser-FSW 하이브리드 방식의 접합프로세스는 도입된 바가 없다. 따라서, 이 연구는 니켈기 초합금에 대하여 하이브리드 마찰교반접합의 적용 가능성을 평가하고, 이 과정에서 나타나는 미세조직과 기계적 물성의 발달 양상을 평가하고자 수행되었다.
제안 방법
- 이후 모재와 교반부의 결정립형상, 결정립크기와 입계특성분포 등을 분석하기 위해, 전자후방산란회절(electron back scattered diffraction, EBSD) 분석이 수행되었다. EBSD 분석은 FEG-SEM에 부착된 TSL-OIMTM을 이용하여 시편표면에 대해 수행하였다.
- 경도 측정을 위하여, 시편은 2 mm × 20 mm의 크기로 절단되었고, 기계적 연마를 통하여 시편표면의 경면을 얻은 후 시편의 cross-section면에 대해 경도를 측정하였다.
- 또한, 원활한 마찰교반접합을 위해, 툴이 접합진행방향에 대해 3° 기울어진 상태로 접합을 수행하였다.
- 두 종류의 접합소재에서 관찰된 온도분포 변화를 그림 5에 나타내었다. 온도분포측정은 교반부 정중앙의 저면에서 온도측정센서를 이용하여 수행하였다. 별도의 열원이 도입된 하이브리드 마찰교반접합의 경우, 그림 5에 나타난 바와 같이, 열원에 의해 sub-peak(화살표로 나타낸 부분)이 관찰되었고, 최고도달온도가 각각 810℃(300 mm/min)와 840℃(450 mm/min)로 나타남으로써, 마찰교반접합 단독으로 수행된 것 보다 다소 높은 것으로 확인되었다12).
- 접합 후 접합재의 거시조직과 미세조직을 관찰하기 위해, 시편은 2 mm × 20 mm크기로 제작되었고, 기계적 연마를 통해 시편의 경면을 얻었다. 이 후 제조된 97 ml HCl, 2 ml HNO3와 1 ml H2SO4용액을 이용하여, 시편표면에 대해 15초간 부식시킨 후 광학현미경을 통하여 거시조직과 미세조직을 관찰하였다. 이후 모재와 교반부의 결정립형상, 결정립크기와 입계특성분포 등을 분석하기 위해, 전자후방산란회절(electron back scattered diffraction, EBSD) 분석이 수행되었다.
- 별도의 열원으로서 2 kw의 YAG laser가 도입되었고, 재료와 laser 간의 조사각은 45도를 채택하였다. 이를 이용하여, 하중 22.5 ~ 35.3 kN, 툴 회전속도 400 rpm과 접합속도 300 ~ 450 mm/min의 조건하에, 그림 1에 도시된 바와 같이, laser를 조사하면서 마찰교반접합이 수행되었고, 접합 시 시편표면의 산화를 방지하기 위해, 아르곤 가스를 충분히 흘려주었다. 또한, 원활한 마찰교반접합을 위해, 툴이 접합진행방향에 대해 3° 기울어진 상태로 접합을 수행하였다.
- 경도 측정을 위하여, 시편은 2 mm × 20 mm의 크기로 절단되었고, 기계적 연마를 통하여 시편표면의 경면을 얻은 후 시편의 cross-section면에 대해 경도를 측정하였다. 이에 사용된 장비는 비커스 미소경도기 FM 7465였으며, 측정은 다이아몬드 압입자 1000 g의 하중으로 15초간 압입하는 방식으로 수행되었다. 인장시험의 경우, 교반부의 영향을 평가하기 위해, 그림 2에 도시된 바와 같이, 두께 1.
- 이후 모재와 교반부의 결정립형상, 결정립크기와 입계특성분포 등을 분석하기 위해, 전자후방산란회절(electron back scattered diffraction, EBSD) 분석이 수행되었다.
- 5 mm를 갖는 횡방향과 종방향 두 종류의 판상시편에 대해 인장시험이 수행되었다. 인장시험은 INSTRON 4481형 기계식 만능재료 시험기를 이용하여 상온에서 인장속도 0.72 mm/min의 조건으로 수행되었다. 각 시편의 인장값은 3회 측정치의 평균값을 취하였다.
대상 데이터
- 마찰교반접합을 수행하기 위해, 시편은 37.5 mm × 150 mm × 2 mm의 크기로 제작되었고, 쇼울더 직경 15 mm와 프로브 직경 6 mm와 길이 1.8 mm를 갖는 WC-Co툴이 준비되었다.
- 8 mm를 갖는 WC-Co툴이 준비되었다. 별도의 열원으로서 2 kw의 YAG laser가 도입되었고, 재료와 laser 간의 조사각은 45도를 채택하였다. 이를 이용하여, 하중 22.
- 이 연구에 사용된 재료는 니켈기 초합금 중 인코넬 600 합금이었고, 이에 대한 화학조성을 표 1에 나타내었다. 마찰교반접합을 수행하기 위해, 시편은 37.
- 이 연구에서 사용된 재료는 Inconel 600 합금으로서 중간 정도의 적층결함에너지를 갖는 소재이다. 이러한 재료는 동적회복(dynamic recovery)에 의한 전위의 재배열이 어렵기 때문에, 적층결함에너지가 높은 재료들 보다 동시 다발적인 재결정 핵생성에 더욱 유리한 조건을 갖고 있다13-14).
데이터처리
- 72 mm/min의 조건으로 수행되었다. 각 시편의 인장값은 3회 측정치의 평균값을 취하였다.
성능/효과
- 그림 6에서 관찰된 모재와 접합소재의 입계어긋남각(misorientation angle) 분포를 그림 7에 나타내었다. 모재는 그림 7(a)에 나타난 바와 같이 전체입계 중고경각입계(high angle grain boundary)가 95% 이상을 차지하였고, 그 중 60도 분포가 24%를 나타냄으로써 가장 높은 분율을 차지하였다. 이들 60도 분포는 fcc 결정구조를 갖는 금속들 중 적층결함에너지(stacking fault energy)가 낮은 재료에서 주로 생성되는 어닐링쌍정립계(annealing twin boundary)로 확인되었다.
- (a)에 나타난 바와 같이, 2 μm에서 25 μm 사이의 결정립들이 비교적 불균질하게 분포되어 있었고, 평균입도는 5.5 μm로 확인되었다.
- 이들 60도 분포는 fcc 결정구조를 갖는 금속들 중 적층결함에너지(stacking fault energy)가 낮은 재료에서 주로 생성되는 어닐링쌍정립계(annealing twin boundary)로 확인되었다. 하이브리드 마찰교반접합된 소재의 경우, 그림 7(b)와 (c)에 나타난 바와 같이, 고경각입계가 각각 87%(300 mm/min)와 90%(450 mm/min)를 차지하였고, 그 중 어닐링쌍정립계가 11%와 10%를 차지하는 것으로 확인되었다. 두 종류의 접합소재에서 모두 고경각입계가 87% 이상 분포되었는데, 이를 통해 하이브리드 마찰교반접합 과정 중 동적재결정이 양호하게 일어났음을 미루어 짐작할 수 있다.
- 초기 모재는 인장강도와 연신율이 각각 698 MPa와 38%를 나타내었고, 이에 대하여 하이브리드 마찰교반접합의 적용한 결과 점진적인 강도의 향상을 초래하였다. 그 결과, 접합속도 300 mm/min과 450 mm/min 조건에서 접합된 재료의 인장강도가 각각 718 MPa와 728 MPa로 나타났고, 연신율은 두 소재 모두 30%로 확인되었다. 한편, 교반부 시편의 경우, 인장강도가 736 MPa와 758 MPa로 모재와 접합재보다 증가한 반면, 연신율이 각각 30%와 28%로 감소되었다.
- 그 결과, 초기 모재에서 5.5 μm였던 평균 입도가, 그림 6에 나타난 바와 같이, 하이브리드 마찰교반접합 후 3.8 μm(300 mm/min)와 3.2 μm (450 mm/min)로 미세화 되었다.
- 그 결과, 초기 모재에서 5.5 μm였던 평균결정립이 3.8 μm와 3.2 μm 까지 현저히 미세화 되었다.
- 특히, 450 mm/min의 속도로 접합된 소재는 교반부의 경도와 강도값이 모재보다 각각 25%와 10% 이상 향상됨으로써, 기계적 물성의 향상에 탁월한 효과를 나타내었다. 따라서, Inconel 600 합금에 대한 하이브리드 마찰교반접합의 적용은 미세조직 발달과 기계적 물성의 향상에 효과적임을 알 수 있었다.
- 2 μm 까지 현저히 미세화 되었다. 또한, 교반부의 결정립 미세화는 접합재의 기계적 물성의 향상에 직접적인 영향을 주어, 경도와 인장강도가 증가되는 양상을 나타내었다. 특히, 450 mm/min의 속도로 접합된 소재는 교반부의 경도와 강도값이 모재보다 각각 25%와 10% 이상 향상됨으로써, 기계적 물성의 향상에 탁월한 효과를 나타내었다.
- 별도의 열원으로서 YAG laser의 도입은 마찰교반접합 시 충분한 예열효과를 나타냄으로써, 접합속도의 증가에 직접적인 영향을 주었다. 이 연구에서 적용되었던 접합조건과 동일한 조건하(22.
- 별도의 열원을 이용한 하이브리드 마찰교반접합이 300 mm/min과 450 mm/min의 접합속도로 접합결함 없이 성공적으로 수행되었다. 하이브리드 마찰교반접합의 적용은 교반부의 결정립 미세화를 촉진시켰고, 접합속도의 증가에 의해 결정립 미세화가 더욱 가속화되었다.
- 5 Tm 이상으로써, 접합시 동적재결정을 유발하기에 충반한 온도이다. 이 연구에서 측정된 온도분포결과 또한, 그림 5에 나타난 바와 같이, 810 ℃(300mm/min)와 845 ℃(450mm/min)로 확인됨으로써 Inconel 600 합금이 재결정 되기에 충분한 것으로 나타났다. 특히, 접합속도의 증가에 의해 결정립 미세화 효과도 증가되었는데, 이와 같은 결과는 접합 시 동반되는 변형량과 냉각속도의 증가를 통해 얻어진 결과라 할 수 있다.
- 이와 같은 접합속도의 증가는 예열효과에 기초한 툴과 재료간의 마찰감소로 해석될 수 있다. 즉, 열원을 도입하지 않은 마찰교반접합은 접합시 재료와 툴간의 마찰이 크게 작용함으로써, 접합속도 증가에 제한적인 요소로 작용하나, 열원의 도입을 통해 재료가 연화되어 마찰감소를 촉진함으로써, 접합속도가 증가된 것이라 할 수 있다. 따라서, 하이브리드 마찰교반접합의 적용은 고융점 재료의 마찰교반접합에서 극복할 수 없었던 접합속도의 증가와 더불어 접합재의 양호한 접합성을 얻는데 효과적이라 할 수 있다.
- 또한, 교반부의 결정립 미세화는 접합재의 기계적 물성의 향상에 직접적인 영향을 주어, 경도와 인장강도가 증가되는 양상을 나타내었다. 특히, 450 mm/min의 속도로 접합된 소재는 교반부의 경도와 강도값이 모재보다 각각 25%와 10% 이상 향상됨으로써, 기계적 물성의 향상에 탁월한 효과를 나타내었다. 따라서, Inconel 600 합금에 대한 하이브리드 마찰교반접합의 적용은 미세조직 발달과 기계적 물성의 향상에 효과적임을 알 수 있었다.
- 모재는, 그림 8(a)와 (b)에 도시된 바와 같이, 185 Hv에서 197Hv 정도의 경도분포를 나타내었고, 평균 192 Hv 값을 나타내었다. 하이브리드 마찰교반접합의 적용은 경도분포의 향상을 촉진하였고, 접합속도가 증가함에 따라 경도값이 더욱 증가하는 양상을 나타내었다. 그 결과, 접합속도 300 mm/min와 450 mm/min 조건의 교반부는, 그림 8(a)와 (b)에 나타난 바와 같이, 각각 200 ~ 242 Hv와 210 ~ 250 Hv 값을 나타냄으로써, 모재보다 현저히 증가된 경도분포를 나타내었다.
- 하이브리드 마찰교반접합의 적용은 접합재의 기계적물성의 향상에 효과적 이었다. 경도분포의 경우, 초기 모재에서 185 ~ 195 Hv 정도로 분포되어 있었으나, 교반부는 그림 8에 나타난 바와 같이, 200 ~ 242 Hv(300 mm/min)와 210 ~ 250 Hv(450 mm/min)값을 나타냄으로서, 모재보다 현저히 증가된 경도분포를 나타내었다.
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