[논문]TiAl 소재의 브레이징접합에 대한 최신 기술동향

유호천

doi:10.5781/kwjs.2012.30.6.513

TiAl 소재의 브레이징접합에 대한 최신 기술동향
Recent Study of TiAl Brazing 원문보기

大韓溶接·接合學會誌 = Journal of the Korean Welding and Joining Society, v.30 no.6, 2012년, pp.27 - 35

유호천 (한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램)

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제안 방법

Ti-Ni용가재의 용융점은 수요가의 기대치보다 높아 용융점을 낮추기 위하여 Ti-Ni계 내에 Si첨가의 영향을 조사하였다⁸⁾. J.
TiAl 소재의 브레이징접합에 대한 최신 기술동향을 분석하기 위해서는 NDSL, ScienceDirect, KIPRIS 등의 검색을 하였으며, 해외 및 국내의 TiAl 브레이징 접합관련 학술지와 특허자료를 입수하여 최근의 연구개발현황을 분석하였다.
TiAl의 브레이징성 향상을 위한 제조조건을 파악하기 위하여 우선 여러 가지 제조조건을 파악하였으며, 기본 적으로 Ag계, Ti계 용가재(filler metal)의 제조조건을 분석하였으며, TiAl 소재의 브레이징 접합시 제조비용 절감을 위한 경제적 제조방법, 품질향상, 브레이징 온도의 감소기술 및 취성균열방지 기술을 분석하여 5～10년 후의 TiAl 소재의 브레이징 접합기술 및 확대될 수 있는 응용분야를 예측하고 향후 기술을 전망하고 방향을 제시하여 국내 TiAl 소재의 브레이징 접합기술의 향상과 경량 내열부품의 개발에 이바지할 수 있도록 하였다.
X. G. Song 등43)에 의해 고Nb함유 TiAl합금(Ti45Al-5Nb-(W,B,Y)(at.%))에 대하여 TiNi-Nb공정 브레이징합금(40Ti-40Ni-20Nb(at.%))을 이용하여 진공아크 재용해법으로 브레이징 접합한 결과, O-Ti2AlNb와 τ3-Al3(Ti, Nb)2Ni의 새로운 금속간 상을 관찰하였으며, 1220℃에서 10분간 열처리하여 308MPa의 상온 전단인장강도를 달성하였다.

대상 데이터

Nb이 함유되지 않은 TiAl금속간화합물의 화학성분으로 X. G. Song 등⁴³⁾에 의해 TiAl합금(Ti-42.5Al-9V0.3Y(at.%))이 선정되었고, Peng He 등⁷⁾에 의해 Ti-46.5Al-9.03V-0.27Y(as cast)이 선정되었고, L. I. Haixin 등²⁶⁾에 의해 TiAl(52.82 Al-44.88Ti-1.20Cr-1.10V)이 선정되었다. 전체적으로 보아, TiAl금속간화합물의 화학성분으로 Ti-Al-V계가 주류를 이루고 있다.
RIP(rapid isothermal process)의 일종인 매우 빠르고 값싼 적외선 접합방법을 사용하여 S. J. LEE 등37)은 아르곤분위기에서 1100～1200°C의 온도범위에서 30～60초 동안 TiAl을 적외선 접합하는데, Ti15Cu-15Ni(wt%) foil을 이용하였다.
구자명 등⁹⁾에 의하면, TiAl과 AISI 4040강의 접합 시에 Ag-Cu-Ti 삽입금속을 이용하여 800℃에서 60초간 브레이징한 결과, 모재강도의 70%인 296MPa의 최대 인장강도를 얻었다. 사용된 삽입금속은 Lucas-Milhaupt사의 두께가 100㎛인 Cerametil 721로 선정되었으며, Ag-rich, Ti-rich, CuTi 와 CuTi₂로 이루어졌음이 관찰되었다.
용가재는 50μm 두께의 Ag-27Cu-1Ni1-0.5Li(wt.%) foil(σb: 340MPa, 용융점: 780～820°C)로 선정되었다.
TiAl계 합금과 강은 Ag계 용가재를 이용하여 브레이징한 실적은 있지만 고강도를 제시할 수 있는 브레이징 접합부의 최적의 조건을 제시하는데 미흡하였다. 일례로 Ag-Cu/Ti/Ag-Cu 용가재로 시도하여 고강도의 접합부를 성취하였다.¹⁷⁾ 향후 최적의 품질을 나타낼 수 있는 용가재를 개발하는 연구가 추진될 것이다.
%), Houqin Wang 등²⁷⁾에 의해 Ti-46Al-2Cr-2Nb를 선정하였다. 특히 X. G. Song 등⁴³⁾에 의해 고Nb함유 TiAl합금 [Ti-45Al-5Nb-(W,B,Y)(at.%)], T. Tetsui 등⁴⁸⁾에 의해 Ti-47.1Al7.8Nb-1.0Cr-0.5Si, 이 선정되었다. 아울러 TiAl계 합금, 특히 Chen⁴⁾에 의해 개발된 고Nb함유 TiAl합금(Ti-46Al-5Nb)은 자동차산업에서 무게감량을 위해서 내열강과 초내열합금에 대한 매우 전망이 밝은 대체재료로 고려되고 있다.

성능/효과

아르곤가스 분위기 중에서 120분 동안 기계적 밀링을 한 TiH₂-50wt.%Ni 분말 합금을 용가재로 1180℃에서 15분 동안 진공 노(furnace) 브레이징 접합한 결과, 가장 높은 전단강도를 얻을 수 있었다.
1) TiAl 소재는 높은 반응성으로 인하여 접합계면에 취성의 금속간 상과 산화물 상을 형성하기 쉬워 접합을 매우 어렵게 하고 있으나, 브레이징 접합기술은 이러한 문제점을 피할 수 있는 가장 실현가능하고 경제적, 효과적인 기술로 각광받고 있다.
Song 등⁴²⁾에 의해 비활성 AgCu 용가재를 이용하여 TiAl금속간화합물을 Si₃N₄ 세라믹과의 접합을 시도한 결과, 접합계면의 미세구조는 TiAl/B₂상/AlCuTi/AlCu₂Ti/Ag(s,s) + AlCu₂Ti/TiN + Ti₅Si₃/Si₃N₄이었으며, 브레이징온도가 증가함에 따라 중심부의 입상 AlCu₂Ti 금속간화합물의 분포가 변하였고, 질화실리콘기판에 인접한 TiN+Ti₅Si₃층의 두께가 증가 하였다. 860℃에서 5분간 브레이징 하여 124.6MPa의 전단강도를 얻었으며, AlCu₂Ti상의 석출을 위한 작은 Al₃V 금속간화합물의 핵생성으로 인하여 접합부 품질특성을 향상시켰음을 확인하였다.
TiAl판은 가스터빈에 Ni합금과 강 대신에 TiAl판을 대체재로 적용하면 무게를 40%까지 절감할 수 있었다. I.
930°C, 1분간 브레이징한 결과, 324MPa을 얻었다. 높은 온도 단시간이 낮은 온도 장시간보다 더욱 유리하였으며, 비평형 결정의 미세조직이 대부분 관찰되었다.
펀치 후 구멍은 C/C 복합재료의 탄성회복으로 인한 작은 공간(gap)이 되었으며, 브레이징 동안에 용가재의 모세관 작용을 증진시켰다. 또한 infiltration 강화효과로 전단강도는 Fig. 3에서 보는 바와 같이 획기적으로 향상시킬 수 있었다.
%)를 중간층으로 하여 단열(adia- batic) 온도를 이용하여 브레이징 접합하였다. 반응열이 증가함에 따라 접합부의 품질은 향상되었으나 반응열이 너무 높으면 접합부의 품질과 제품의 밀도는 오히려 감소되는 현상을 보였다. 단열온도가 2218℃인 경우 50Ti-35Al-15C(at.
브레이징 온도의 높낮이를 조절하여 최적의 유지시간에 대한 설정연구가 활발히 전개될 것이다. 셋째, 확산브레이징의 경우에는 거시적 변형을 방지하기 위하여 보통 3～10MPa의 낮은 압력이 사용된다. 그러나 HIP(hot isostatic pressing)에서는 더 높은 압력(200MPa)이 사용된다.
Yang 등¹¹⁾에 의해 TiB 위스커(30%)로 강화된 C/SiC복합재료와 TiAl을 Ti-Ni-B브레이징합금 용가재로 하여 브레이징 용접하였다. 아크용융법으로 제조된 Ti-Ni-B브레이징합금(용융점 1120℃)의 강화요인은 TiNi, TiNi₃ 및 TiB₂ 상에 의한 것이며, TiAl과 C/SiC복합재료의 접합은 1160℃에서 10분간 열처리 하여 브레이징접합한 결과, 상온과 600℃에서 평균 전단강도는 각각 90 MPa과 65Mpa에 달하였다.

후속연구

일례로 Ag-Cu/Ti/Ag-Cu 용가재로 시도하여 고강도의 접합부를 성취하였다.¹⁷⁾ 향후 최적의 품질을 나타낼 수 있는 용가재를 개발하는 연구가 추진될 것이다.
2) TiAl 금속간화합물은 미래의 환경친화적 내열 신소재로 우주항공산업, 자동차산업 등에 적용이 활성화될 것으로 예상된다. 이에 부응하여 TiAl의 브레이징성 향상을 위한 제조조건을 확립하기 위해서는 Ag계와 Ti계 용가재를 이용한 브레이징 접합기술의 국내기술의 정착이 시급한 과제로 대두되고 있다.
4) 5-10년 후 예측되는 기술로서 경제적 제조기술, 품질향상기술, 브레이징 온도의 감소기술, 취성 및 균열 방지기술이 있으며, 이에 대한 연구개발이 활성화될 것을 예상된다.
매우 높은 고온에서 뛰어난 열 및 기계적 성질로 인하여 C/C 복합재료는 비행기 날개끝부분(wing edges), 원자력반응용기 및 디스크브레이트 등에 사용되고 있다. C/C 복합재료와 TiAl의 접합으로 인한 구조체는 응용분야를 확대할 수 있을 것이다.
TiAl 소재와 강의 접합은 일례로, 미사일과 탱크엔진 터보부품의 접합에 적용할 수 있으나, 심한 고온균열의 발생경향과 취성의 금속간화합물을 형성으로 인하여 생산에 어려움이 있으므로 이에 대한 해결책이 모색될 것이다³⁴⁾.
TiAl과 구조용강에 적용되는 접합기술로서는 향후 진공 브레이징과 마찰용접이 주로 거론될 수 있을 것이다. 그러나 TiAl과 강의 마찰용접은 접합 후의 냉각에서 구조용강의 마르텐사이트 변이에 의한 내부응력의 증가로 인해 접합부의 취성인 경계에서의 균열 때문에 어려움을 겪고 있어, 취성균열의 방지에 브레이징 접합 기술이 더욱 선호될 것이다.
값비싼 Ag계 용가재 대신에 Ti계 용가재로 브레이징 하는 연구가 활성화될 것으로 예상되며, 향후 다른 금속에 대한 브레이징 적용연구가 확대될 것으로 예상된다.
. 그래서 브레이징한 후에도 TiAl합금의 내산 화성을 향상시키기 위하여 이온주입법, 마그네트론 스퍼터링, PVD, 플라즈마용사법, Siliconizing과 같은 표면개질에 관한 연구가 주로 시도될 수 있을 것이다.
TiAl이 활성물질이기 때문에 진공상태에서 TiAl과 구조용강의 접합이 용이하게 실시되고 있으나, 특히 자동차산업에서 진공 브레이징은 높은 비용 때문에 비실용적이다. 그래서 향후 낮은 비용과 높은 강도를 얻는 기술을 개발하기 위하여, 열처리속도가 빠르고 효율성과 생산성이 높은 빠른 유도브레이징 기술이 활발하게 추진될 수 있을 것으로 예상된다.
만큼 높아 대량생산이나 복잡한 부품의 생산에 매우 유리한 것으로 판단된다. 기존의 진공브레이징 기술을 탈피한 유도 진공브레이징 방식에 대한 연구가 활성화 될 것으로 예상된다.
다섯째, 삽입층으로 적용되는 금속 복합층의 발열특성은 γ-TiAl 상에 대한 박막의 열발생에 대한 활용은 접합공정에 요구되는 에너지의 감소에 기여하므로 이에 대한 연구의 활성화가 예상된다.
브레이징 접합 시에 접합온도의 감소연구가 활발히 진행될 것이다. Ag-Cu 공정(eutectic) 삽입금속의 경우, 비교적 낮은 접합온도, 우수한 젖음성과 접합강도를 나타내는 장점이 있다.
그러나 HIP(hot isostatic pressing)에서는 더 높은 압력(200MPa)이 사용된다. 이 경우 표면마무리가공 정도는 단축의 경우에서와 같이 결정적인 영향은 미치지 않으므로 유리한 측면이 있어, 이에 대한 연구개발이 선호될 수 있을 것이다. 넷째, γ-TiAl 합금의 고상 확산접합시 스퍼터링공법으로 Ti/Al복합층의 박막(foil)으로 나노결정구조를 형성시킨다.
최고전단강도를 얻기 위해서는 가장 적당한 브레이징온도의 시간의 파악이 중요하다. 일례로 Ti-Ni 용가재에 Si을 첨가하여 용가재의 용융점을 낮추는 연구가 활성화될 것으로 예상된다.
향후 항공기 터빈엔진, 기체(airframe)과 자동차의 엔진과 같은 부분의 초내열합금에 대한 대체 가능성을 검토하고 한다. 특히 TiAl은 미래의 환경친화적 자동차용 고온 부품을 개발하기 위한 신소재로 자동차 내열부품의 개발에 이바지할 것이다.
브레이징 접합은 형상과 크기의 제한이 거의 없고 정밀한 접합이 가능하며, 상대적으로 낮은 접합온도에서, 한 공정으로 여러 접합부를 동시에 접합이 가능한 장점이 있다. 특히 TiAl의 응용범위를 확대하기 위하여 간단한 형상에서부터 복잡한 형상에까지 구분하여 경제적으로 생산할 수 있는 접합기술이 요구되고 있어 향후 국내에서도 이에 대한 연구가 활성화될 것이다.
따라서 적외선가열은 높은 에너지효율을 지닌 전망이 밝은 방법¹²⁾으로 내다보고 있다. 특히 사용에너지를 획기적으로 절감할 수 있으므로 향후 산업분야에 적용의 확대가 기대된다.
감마(γ)-TiAl은 고강도, 낮은 밀도, 양호한 내산화성을 인하여 최고의 추진중량비(Thrust/weight)와 높은 사용온도에 대한 품질을 보증해야 하는 극초음속 비행체 (hypersonic vehicle)에 적합한 소재, 즉, 극초음속 엔진 내에 있는 대형의 정적 구조체 부품으로 적합한 재료로 판명되고 있다. 향후 설계방법론(design methodology), 제조기술, 유한요소 분석 및 요구되는 재료의 특성에 대한 기술개발이 활성화 될 것이다¹³⁾.
진공브레이징 접합부의 품질은 TiC층의 형성에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 알려져 있는데, 균열은 주로 Ag-rich상과 TiC층을 따라 진전하므로, 균열의 방지에는 TiC층의 감소가 가장 중요한 인자로 고려되고 있다. 향후 이러한 인자들에 대한 관심은 취성균열 방지에 대한 도움이 될 수 있을 것이다.
그러므로 브레이징 온도와 시간의 단축으로 인하여 계면반응의 감소, 에로젼부식성의 저하, 모재금속 성질의 최소손실을 가져온다⁴¹⁾. 향후 적외선 진공브레이징 기술의 확대가 활성화될 것이다.
TiAl 금속간 합금은 우주항공산업와 자동차 산업에서 터빈블레이드, 배기밸브 및 터보차저 로터와 같은 분야에 적용이 성공적으로 시도되고 있다. 향후 항공기 터빈엔진, 기체(airframe)과 자동차의 엔진과 같은 부분의 초내열합금에 대한 대체 가능성을 검토하고 한다. 특히 TiAl은 미래의 환경친화적 자동차용 고온 부품을 개발하기 위한 신소재로 자동차 내열부품의 개발에 이바지할 것이다.
. 향후 항공기 터빈엔진, 기체(airframe)와 자동차의 엔진과 같은 부분의 초내열합금에 대한 대체 가능성을 검토하여야 한다. 특히 TiAl은 미래의 환경친화적 자동차용 고온 부품을 개발하기 위한 신소재로 자동차 내열부품의 개발에 이바지할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	TiAl(티타늄 알루미나이트) 합금은 어떤 특성을 가지고 있는가?	TiAl(티타늄 알루미나이트) 합금은 높은 비강도, 내산화 특성, 뛰어난 크리프강도, 고온에서 높은 강성을 나타내고 있으며, 감마(γ)-TiAl로 분류되는 금속간 화합물이다. TiAl은 가벼운 질량과 열저항성으로 인해 가장 실용적인 재료로 주목을 받고 있다.
	Ti-Al 소재의 접합을 어렵게 하는 방법은 어떤 것이 있는가?	Ti-Al 소재의 접합에 GTAW, 브레이징, 레이저 용접, 전자빔용접과 같은 종래의 용융용접방법이 종종 사용되고 있다. 그러나 높은 잔류응력과 낮은 연성을 가진 이 소재는 높은 반응성으로 인하여 접합계면에 취성의 금속간 상과 산화물 상을 형성하기 쉬워 TiAl의 접합을 매우 어렵게 하고 있다.
	TiAl는 어떤 산업에서 전망이 밝은가?	TiAl은 가벼운 질량과 열저항성으로 인해 가장 실용적인 재료로 주목을 받고 있다. 값비싼 니켈 등을 대체할 수 있는 내열강과 초내열합금(superalloy)에 대한 대체재료로 매우 전망이 밝으며, 약 40% 정도의 획기적인 무게감량을 기할 수 있으므로 특히 자동차 산업과 항공우주산업에의 적용에 상당히 활성화 될 것으로 예상하고 있다. 그러나 TiAl은 접합부에 취성을 형성하기 쉬워, 접합을 매우 어렵게 하고 있으나 브레이징 접합은 이러한 문제점을 피할 수 있는 가장 효과적인 기술로 인정받고 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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