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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 유도가열 방식을 사용하여 Ti-6Al-4V 합금의 30분 이하 단시간 고온 노출 조건에서 노출시간 변화에 따른 모재와 용접부의 고온 강도를 평가하고, 대표적인 온도 구간 및 시간에서 급격한 온도 냉각이 발생할 경우의 고온 강도 및 회복 특성을 확인하고자 하였다.
제안 방법
- 따라서 예비시험 결과를 통해 선정된 최대 가열속도 20℃/sec로 최대 노출 온도 500℃에 대한 모재와 용접 시편의 노출시간 변화에 따른 고온 강도 시험을 수행하였다. 500℃에 도달하는 데 걸리는 시간은 상온 기준으로 약 25초 이내이며, 도달한 시점을 기준으로 하여 0, 2, 4, 6,8, 10, 20, 30분에 대해 각각 인장시험을 수행하였다. 인장 속도는 시간 경과에 따른 강도 저하 효과를 최소화하기 위해 10mm/min으로 비교적 크게 설정하였다.
- Ti-6Al-4V 합금의 고온 환경을 모사하기 위해 Fig. 1과 같이 급속 유도 가열 장비를 사용하여 시험을 수행하였다. 시편의 가열방식에는 여러가지가 있으나 크게 전기로(furnace)와 유도 가열(induction heating) 방식으로 구분할 수 있다.
- 고속 비행체 구조물 설계를 위한 30분 이하 단기노출 환경에서의 고온 강도 및 노출 온도 냉각에 따른 강도 회복 특성을 확인하고자 유도 가열방식을 사용하여 모재 및 용접부의 고온 인장 시험을 각각 수행하였다.
- 고온 인장 시험을 수행하기에 앞서, Fig. 2～4와 같이 최대 가열 속도를 선정하기 위한 예비 시험을 수행하였다. 최대 가열 속도를 15, 20, 30℃/sec로 증가시켜가며 시편의 상/하부에 열전대(thermocouple)를 부착하여 온도 제어 명령에 대한 응답 특성을 확인하였다.
- 9는 노출 온도 냉각 시 Ti-6Al-4V 합금의 강도회복 특성 시험을 위한 온도 프로파일로서 최대 가열속도 20℃/sec로 30초 이내에 최대 노출 온도 500℃에 도달하고 10분을 유지한 뒤 400℃ 또는 300℃로 냉각되는 조건으로 설정하였다. 그리고 400℃ 또는 300℃냉각 완료 시점을 기점으로 하여 0, 2, 4, 6, 8, 10, 20,30분으로 노출 시간을 변경하면서 모재와 용접시편의 인장 시험을 수행하였다. Fig.
- Table 5는 노출 시간 30분일 때 노출 온도 별 고온강도 시험 결과이다. 노출 온도 500℃ 조건에서의 고온 강도 시험 결과에서 노출 시간 변화에 따른 강도차이가 크지 않았기 때문에 400℃와 300℃의 경우에는 규격에 제시된 자료와의 비교 및 온도 냉각 시 강도 회복율을 판단하기 위한 기준 데이터로서 사용하고자 하여, 노출 시간 30분에 대해서만 고온 인장시험을 수행하였다. 시험결과, 노출 온도 500℃ 조건과 마찬가지로 규격에 제시된 강도의 10% 이상을 상회하는 결과를 나타냈다.
- 그러나 열전대 부착이 불가능한 비철 금속의 경우에는 사용이 불가능하고 온도 균일 구간이 일부 제한적인 것이 단점이라고 볼 수 있다. 따라서 목표 온도까지 일정한 가열속도와 비교적 빠른 가열 및 냉각 조건을 만족시킬 수 있는 온도 제어가 용이한 유도 가열 방식을 채택하여 고온인장시험을 수행하였다. 시편의 형상은 Table 1과 같이 ASTM E 8M에 규정된 판상형 축소 시편(subsize)의 요구 조건을 만족하도록 하였고, 용접 시편의 경우에는 맞대기 형상의 sheet 소재를 전자빔 용접을 사용하여 제작하였다.
- 가열속도 15℃/sec일 경우에는 오버슈트는 10℃ 이내로 만족할만한 수준이었지만 급속 가열 조건을 충족하지 못했고, 가열속도 30℃/sec에서는 오버슈트가 50℃ 이상으로 온도 응답 특성이 떨어지는 것으로 확인되었다. 따라서 예비시험 결과를 통해 선정된 최대 가열속도 20℃/sec로 최대 노출 온도 500℃에 대한 모재와 용접 시편의 노출시간 변화에 따른 고온 강도 시험을 수행하였다. 500℃에 도달하는 데 걸리는 시간은 상온 기준으로 약 25초 이내이며, 도달한 시점을 기준으로 하여 0, 2, 4, 6,8, 10, 20, 30분에 대해 각각 인장시험을 수행하였다.
- 앞서 언급하였듯이, 400℃와 300℃에 해당하는 강도값은 30분 노출을 기준으로 표기하였으며, 그래프의 점선은 MMPDS에 제시된 규격 값을 나타냈다. 또한 노출 시간이 10분 이상으로 증가하게 되면 더 이상의 강도 회복은 발생하지 않고 거의 일정한 상태로 유지되는 것으로 판단되므로, 노출 시간 30분 강도를 기준으로 하여 노출 온도가 500℃에서 400℃ 또는 300℃로 냉각되었을 때의 인장 시험결과와 해당 온도에서의 고온 강도 시험 결과를 비교하여 Table 6에 정리한 바와 같이 강도 회복율을 계산하였다. 노출 온도가 500℃에서 400℃로 냉각되었을 때, 30분 노출 시 극한 강도기준으로 모재는 약 96.
- 따라서 목표 온도까지 일정한 가열속도와 비교적 빠른 가열 및 냉각 조건을 만족시킬 수 있는 온도 제어가 용이한 유도 가열 방식을 채택하여 고온인장시험을 수행하였다. 시편의 형상은 Table 1과 같이 ASTM E 8M에 규정된 판상형 축소 시편(subsize)의 요구 조건을 만족하도록 하였고, 용접 시편의 경우에는 맞대기 형상의 sheet 소재를 전자빔 용접을 사용하여 제작하였다.
- 500℃에 도달하는 데 걸리는 시간은 상온 기준으로 약 25초 이내이며, 도달한 시점을 기준으로 하여 0, 2, 4, 6,8, 10, 20, 30분에 대해 각각 인장시험을 수행하였다. 인장 속도는 시간 경과에 따른 강도 저하 효과를 최소화하기 위해 10mm/min으로 비교적 크게 설정하였다. Table 2는 MMPDS[9]에 명시된 Ti-6Al-4V의 30분 노출조건에 대한 온도별 인장 강도를 나타낸다.
- 2～4와 같이 최대 가열 속도를 선정하기 위한 예비 시험을 수행하였다. 최대 가열 속도를 15, 20, 30℃/sec로 증가시켜가며 시편의 상/하부에 열전대(thermocouple)를 부착하여 온도 제어 명령에 대한 응답 특성을 확인하였다. 최대 가열 속도 선정을 위한 기준으로는 가열 과정 중시편 온도의 오버슈트(overshoot)가 10℃ 이상 발생하지 않고 안정적인 온도 유지가 가능해야 한다.
성능/효과
- 500℃ 온도 조건의 경우에는 노출 시간 변화에 따른 고온 강도 시험을 수행하였고, 10분 이하 구간에서 강도가 소폭 상승하였으나 이후 구간에서는 일정하게 유지되는 경향이 나타났다. 400℃와 300℃의 경우에는 MMPDS의 값과 비교를 위해 노출 시간 30분에 대해서만 고온 강도 시험을 실시하였고, 500℃온도 조건과 유사하게 규격 강도 대비 10% 이상을 상회하는 결과를 보였다. 용접 시편의 경우에는 동일온도 조건에서 모재 대비 약 7% 강도가 높게 나타났으며, 이는 Ti-6Al-4V 합금의 경우 용접 시 주로 사용하는 전자 빔, 레이저 빔 용접이 타 용접에 비해 낮은 용접 에너지와 높은 냉각 속도로 인해 매우 조밀하고 높은 경도와 강도를 가지는 마르텐사이트 조직을 생성하여 모재에 비해 높은 강도를 가지는 것으로 판단된다.
- 고온 강도 시험 결과, 모든 시험 조건에서 노출 시간 30분 규격에 제시된 강도에 비해 10% 이상 높게 나타났다. 500℃ 온도 조건의 경우에는 노출 시간 변화에 따른 고온 강도 시험을 수행하였고, 10분 이하 구간에서 강도가 소폭 상승하였으나 이후 구간에서는 일정하게 유지되는 경향이 나타났다. 400℃와 300℃의 경우에는 MMPDS의 값과 비교를 위해 노출 시간 30분에 대해서만 고온 강도 시험을 실시하였고, 500℃온도 조건과 유사하게 규격 강도 대비 10% 이상을 상회하는 결과를 보였다.
- Ti-6Al-4V 합금의 경우 일반적으로 타 금속에 비해 고온 강도 특성이 매우 우수하고, 강도 회복이 상당히 빠르게 진행되는 것으로 확인되었다. 또한 노출시간의 변화보다는 노출 온도에 따라 기계적 강도 영향이 크게 작용하는 것으로 확인되었다.
- 고온 강도 시험 결과, 모든 시험 조건에서 노출 시간 30분 규격에 제시된 강도에 비해 10% 이상 높게 나타났다. 500℃ 온도 조건의 경우에는 노출 시간 변화에 따른 고온 강도 시험을 수행하였고, 10분 이하 구간에서 강도가 소폭 상승하였으나 이후 구간에서는 일정하게 유지되는 경향이 나타났다.
- 또한 일반 인장 시험에 비해 상대적으로 빠르게 설정한 인장 속도의 영향일 수도 있으나, 고온 시험일 경우 상온에 비해 상대적으로 가공경화에 의한 영향이 적기 때문에 인장속도로 인한 강도 편차는 비교적 작을 것이라고 판단된다. 그리고 노출 온도가 Ti-6Al-4V 합금의 beta transus 온도이거나 상회하는 경우에는 합금의 조직 특성에 의한 영향으로 인해 결과가 달라질 수 있으나, 500℃의 경우에는 전반적으로 노출 시간 변화에 따른 강도 차이는 크지 않았으며, 모든 시험 조건에서 MMPDS[9]에 제시된 규격 강도 대비 10% 이상 높게 나타났다.
- 용접 시편의 경우에는 동일온도 조건에서 모재 대비 약 7% 강도가 높게 나타났으며, 이는 Ti-6Al-4V 합금의 경우 용접 시 주로 사용하는 전자 빔, 레이저 빔 용접이 타 용접에 비해 낮은 용접 에너지와 높은 냉각 속도로 인해 매우 조밀하고 높은 경도와 강도를 가지는 마르텐사이트 조직을 생성하여 모재에 비해 높은 강도를 가지는 것으로 판단된다. 노출 온도 냉각에 따른 강도 회복 시험 결과, 500℃에서 400℃로 냉각되었을 경우에는 400℃ 고온 강도시험결과의 96.8～97.3%까지 강도 회복이 나타났다.
- 노출 온도가 500℃에서 300℃로 냉각되었을 때는 300℃고온 강도 시험결과를 기준으로 강도 회복율이 100.3%이상으로 확인되었다. Al2219 합금의 경우 유사 시험조건에서 강도 회복율이 약 50% 수준인 것을 고려하면 온도 냉각 시 Ti-6Al-4V 합금의 강도 회복 특성이 상당히 우수한 것으로 확인되었다.
- 또한 노출 시간이 10분 이상으로 증가하게 되면 더 이상의 강도 회복은 발생하지 않고 거의 일정한 상태로 유지되는 것으로 판단되므로, 노출 시간 30분 강도를 기준으로 하여 노출 온도가 500℃에서 400℃ 또는 300℃로 냉각되었을 때의 인장 시험결과와 해당 온도에서의 고온 강도 시험 결과를 비교하여 Table 6에 정리한 바와 같이 강도 회복율을 계산하였다. 노출 온도가 500℃에서 400℃로 냉각되었을 때, 30분 노출 시 극한 강도기준으로 모재는 약 96.8%, 용접 시편은 약 97.3%의 강도 회복을 보였고, 노출 온도가 500℃에서 300℃로 냉각되었을 경우에는 모재와 용접시편 모두에서 30분 노출, 300℃의 고온 강도 시험 결과를 상회하는 강도회복 결과를 보였다. 유사한 시험 조건에 대해서 알루미늄 합금(Al2219)의 경우 약 50% 수준의 강도 회복율을 나타낸 것과 비교하면 Ti-6Al-4V 합금의 경우 상당히 높은 강도 회복 결과라는 것을 알 수 있다.
- 또한 노출시간의 변화보다는 노출 온도에 따라 기계적 강도 영향이 크게 작용하는 것으로 확인되었다. 따라서 기존 단기 노출 환경 조건에 대한 설계 적용 시 노출 시간 30분 강도를 적용하는 것에 대한 타당함을 확인할 수 있었다.
- 합금의 종류에 따라 많은 차이를 보일 수 있지만, 온도 조건 및 시간에 따라 잔류 응력 풀림과 같은 후 열처리(postheat treatment) 효과가 나타날 수 있고, 특히 일정 온도구간에서 냉각속도가 빠를 경우 Ti-6Al-4V 합금의 조직을 조밀하게 유지하는데 도움을 주게 되어 기계적물성이 향상될 수 있다고 판단된다. 또한 Ti-6Al-4V 합금의 aging 온도가 약 540℃임을 감안하면 노출 온도 및 시간, 냉각 속도가 기계적 물성 회복 및 상승에 일정 부분 영향을 주었을 것이라고 판단된다.
- 5는 노출 온도가 500℃일 경우 노출시간 변화에 따른 모재와 용접 시편의 고온 강도 시험 결과이며, 상온 대비 약 46% 이상 강도 저하가 발생한 것으로 나타났다. 또한 고온에 노출되는 시간에 따라 강도 저하 차이가 크게 발생할 것으로 예상하였으나, 노출 시간 10분 이하 구간에서는 노출 시간이 길어질수록 오히려 강도가 소폭 상승하는 결과가 나타났다. 이러한 원인으로는 유도 가열 방식을 사용하였기 때문에 노출 시간이 매우 짧은 구간에서는 시편전체의 온도 균일성 문제로 인한 시험 오차가 반영된 결과라고 판단된다.
- Ti-6Al-4V 합금의 경우 일반적으로 타 금속에 비해 고온 강도 특성이 매우 우수하고, 강도 회복이 상당히 빠르게 진행되는 것으로 확인되었다. 또한 노출시간의 변화보다는 노출 온도에 따라 기계적 강도 영향이 크게 작용하는 것으로 확인되었다. 따라서 기존 단기 노출 환경 조건에 대한 설계 적용 시 노출 시간 30분 강도를 적용하는 것에 대한 타당함을 확인할 수 있었다.
- 노출 온도 500℃ 조건에서의 고온 강도 시험 결과에서 노출 시간 변화에 따른 강도차이가 크지 않았기 때문에 400℃와 300℃의 경우에는 규격에 제시된 자료와의 비교 및 온도 냉각 시 강도 회복율을 판단하기 위한 기준 데이터로서 사용하고자 하여, 노출 시간 30분에 대해서만 고온 인장시험을 수행하였다. 시험결과, 노출 온도 500℃ 조건과 마찬가지로 규격에 제시된 강도의 10% 이상을 상회하는 결과를 나타냈다.
- 예비 시험을 통해 확인한 온도 프로파일을 통해 고온 인장시험을 수행한 결과, Fig. 12～17에서 보는 바와 같이 모재와 용접 시편에서 모두 상당한 강도 회복이 발생하는 것으로 나타났다.
- 400℃와 300℃의 경우에는 MMPDS의 값과 비교를 위해 노출 시간 30분에 대해서만 고온 강도 시험을 실시하였고, 500℃온도 조건과 유사하게 규격 강도 대비 10% 이상을 상회하는 결과를 보였다. 용접 시편의 경우에는 동일온도 조건에서 모재 대비 약 7% 강도가 높게 나타났으며, 이는 Ti-6Al-4V 합금의 경우 용접 시 주로 사용하는 전자 빔, 레이저 빔 용접이 타 용접에 비해 낮은 용접 에너지와 높은 냉각 속도로 인해 매우 조밀하고 높은 경도와 강도를 가지는 마르텐사이트 조직을 생성하여 모재에 비해 높은 강도를 가지는 것으로 판단된다. 노출 온도 냉각에 따른 강도 회복 시험 결과, 500℃에서 400℃로 냉각되었을 경우에는 400℃ 고온 강도시험결과의 96.
- 최대 가열 속도를 선정하기 위해 시편의 상/하부에 열전대를 부착하여 온도 제어 명령에 대한 응답 특성을 확인한 결과, 20℃/sec에서 오버슈트 없이 가장 안정적인 온도 제어가 가능한 것으로 나타났다.
- 최대 가열 속도 선정을 위한 기준으로는 가열 과정 중시편 온도의 오버슈트(overshoot)가 10℃ 이상 발생하지 않고 안정적인 온도 유지가 가능해야 한다. 최대 가열속도 선정을 위한 예비 시험을 수행한 결과, 가열속도20℃/sec에서 가장 안정적인 온도 제어 및 급속 가열조건을 충족하는 것으로 나타났다. 가열속도 15℃/sec일 경우에는 오버슈트는 10℃ 이내로 만족할만한 수준이었지만 급속 가열 조건을 충족하지 못했고, 가열속도 30℃/sec에서는 오버슈트가 50℃ 이상으로 온도 응답 특성이 떨어지는 것으로 확인되었다.
후속연구
- Ti-6Al-4V용접부의 기계적 물성은 크게 용접 에너지와 냉각속도에 따라 달라질 수 있는데, 티타늄 합금 용접 시주로 사용하는 전자 빔, 레이저 빔 용접은 타 용접에 비해 낮은 용접 에너지와 높은 냉각속도를 가지므로 매우 조밀하고 높은 경도와 강도를 가지는 마르텐사이트(martensite) 조직이 생성되어 모재에 비해 높은 강도를 가지게 된다. 그러나 용접부의 경도가 높아지게 되면 금속의 연성이 떨어지게 되며, 용접 공정으로 인한 결함 등이 발생할 수 있으므로 설계 시 이를 고려한 적정 안전 계수를 적용해야 할 것으로 판단된다.
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