[논문]Ti-6Al-4Fe 합금의 가공열처리 미세조직 분석

최병학; 최원열; 심종헌; 박찬희; 강주희; 김승언; 현용택

doi:10.3740/mrsk.2015.25.8.410

Ti-6Al-4Fe 합금의 가공열처리 미세조직 분석
Microstructural Analysis of Thermo-Mechanical Processed Ti-6Al-4Fe Alloy 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.25 no.8, 2015년, pp.410 - 416

최병학 (강릉원주대학교 신소재금속공학과) , 최원열 (강릉원주대학교 신소재금속공학과) , 심종헌 (강릉원주대학교 신소재금속공학과) , 박찬희 (재료연구소 타이타늄연구실) , 강주희 (재료연구소 재료설계분석연구실) , 김승언 (재료연구소 타이타늄연구실) , 현용택 (재료연구소 타이타늄연구실)

Abstract ▼ AI-Helper

Microstructural analysis of a (${\alpha}+{\beta}$) Ti alloy was investigated to consider phase transformation in each step of the thermo-mechanical process using by SEM and TEM EDS. The TAF (Ti-6Al-4Fe) alloy was thermo-mechanically treated with solid solution at $880^{\circ}C$, rolling at $880^{\circ}C$ and annealing at $800^{\circ}C$. In the STQ state, the TAF microstructure was composed of a normal hcp ${\alpha}$ and metastable ${\beta}$ phase. In a rolled state, it was composed of fine B2 precipitates in an ${\alpha}$ phase, which had high Fe segregation and a coherent relationship with the ${\beta}$ matrix. Finally, in the annealing state, the fine B2 precipitates had disappeared in the ${\alpha}$ phase and had gone to the boundary of the ${\alpha}$ and ${\beta}$ phase. On the other hand, in a lower rolling temperature of $704^{\circ}C$, the B2 precipitates were more coarse in both the ${\alpha}$ and the boundary of ${\alpha}$ and ${\beta}$ phase. We concluded that microstructural change affects the mechanical properties of formability including rolling defects and cracks.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 현재 상용합금으로 개발 중인 TAF 합금의 가공 및 열처리단계의 미세조직을 분석하여 고온성형성 개선방안으로 제시하고자한 것이다. 미세조직 및 상분석은 주로 SEM/EDS와 TEM/EDS로 수행하였으며, 이를 통해 각 상의 성분분석 및 상분석으로 인한 제조단계별 상변화를 예상하는 기본원리를 제공하고자 하였다.
본 연구는 현재 상용합금으로 개발 중인 TAF 합금의 가공 및 열처리단계의 미세조직을 분석하여 고온성형성 개선방안으로 제시하고자한 것이다. 미세조직 및 상분석은 주로 SEM/EDS와 TEM/EDS로 수행하였으며, 이를 통해 각 상의 성분분석 및 상분석으로 인한 제조단계별 상변화를 예상하는 기본원리를 제공하고자 하였다.
본 연구에서 기본적으로 설정된 각 단계별 온도는 (α + β) 2상영역의 880 ^oC 용체화처리와 880 ^oC 고온압연 및 800 ^oC 어닐링이다. 여기에 압연온도 영향을 알아보고자 704 ^oC (1300oF) 압연을 수행하였으며. 특히 Ti 합금의 β상 준안정특성은 용체화처리 후 급냉(STQ, solid solution & quenching) 상태에서 얻어지므로, TAF는 (α + β)의 2상 영역인 880 ^oC에서 열처리 후 급냉 처리하였다.
C에서 압연을 수행하고 미세조직을 분석하였다. 이 온도의 압연에서 TAF 판재는 균열이 유발되었는데 본 연구에서는 단순히 미세조직 측면으로 880 ^oC 압연상태와 비교하고자 하였다.

제안 방법

TAF 합금을 880 ^oC에서 용체화처리 목적으로 2시간 유지시킨 후 그 온도에서 압연을 수행하였다. TAF 합금의 880 ^oC 압연상태 미세조직은 Fig.
TAF 합금의 880 ^oC 압연 후 가공경화 효과를 제거하여 냉간가공을 용이하게 하고자 800 ^oC 어닐링이 제시되었다. Fig.
TAF 합금의 건전한 고온압연 온도를 찾고자 704 ^oC에서 압연을 수행하고 미세조직을 분석하였다. 이 온도의 압연에서 TAF 판재는 균열이 유발되었는데 본 연구에서는 단순히 미세조직 측면으로 880 ^oC 압연상태와 비교하고자 하였다.
여기에서 SEM 시험편 에칭을 위해 에칭액(4%HF 2%HNO₃, 96&H₂O)이 사용되었다. 또한 TEM 시험편은 집속이온빔(FIB, focused ion beam)으로 채취하여 일반 제트연마에 의해 발생될 수 있는 표면 산화효과를 배제하였다.
특히 Ti 합금의 β상 준안정특성은 용체화처리 후 급냉(STQ, solid solution & quenching) 상태에서 얻어지므로, TAF는 (α + β)의 2상 영역인 880 oC에서 열처리 후 급냉 처리하였다.

대상 데이터

본 연구에서 기본적으로 설정된 각 단계별 온도는 (α + β) 2상영역의 880 oC 용체화처리와 880 oC 고온압연 및 800 oC 어닐링이다.
여기에서 SEM 시험편 에칭을 위해 에칭액(4%HF 2%HNO3, 96&H2O)이 사용되었다.

이론/모형

TAF 합금의 각 열처리 단계별 상분석에는 SEM(scaning electron microscope) 및 TEM(transmission electron microscope)이 사용되었다. 이것은 SEM의 HITACHI QUANTA 3D FEG 기종 및 TEM의 JEOL JEM 2000FX 기종으로써 각각 성분분석을 위한 EDS(energy dispersive spectrometer)가 장착된 것이다.

성능/효과

1) TAF (Ti-6A-4Fe) 합금 880 oC 용체화처리 미세조직은 hcp α상과 bcc β상으로 구성되는데, β상은 전형적인 준안정상의 특징으로써 모듈레이트 구조와 위성회절점 현상을 갖는 것으로 분석된다.
2) TAF 합금 880 oC 용체화처리 후 880 oC 압연상태에서는 α상 내부에 Fe가 편석된 미세한 석출상이 유도되는 것으로 확인된다.
3) TAF 합금 880 oC 용체화처리 후 704 oC 압연상태에서는 α상 내부에 Fe가 편석된 미세한 석출상과 더불어 α상/β상 경계에 조대한 석출상이 유도되는데, 이것은 B2 규칙격자인 것으로 분석된다.
4) TAF 합금 880 oC 압연 후 800 oC 어닐링상태에서는 α상 내부에 미세 석출상이 사라지며 α상/β상 경계에 조대한 석출상으로 유도되는 것으로 관찰된다.
또한 이것을 회절도형으로 분석한 결과 기지조직의 하나인 β상과 정합관계를 유지하는 B2 규칙격자인 것으로 확인된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Ti (α + β)계 합금의 특징은?	열처리에 의해 α상은 초석의 괴상으로 존재하고 용체화처리로 β형성 원소가 과고용된 β상은 시효에 의해 α + β 중첩의 라멜라 구조로 구성된다. 이러한 Ti (α + β)계 합금은 우수한 비강도, 내식특성 및 성형성을 나타내어, 이 합금계의 Ti-6Al-4V 합금은 상용합금으로 사용 가치가 크다.3,4,5) TAF 합금도 Ti(α + β)계 합금인 Ti-6Al-4V과 유사한 미세조직 구성을 갖는 것으로 보고된다.
	TAF 합금은 어떤 순서로 열처리되는가?	2Si이다. 이것은 (α + β) 합금계로 용체화처리 → 고온압연 → 어닐링 단계로 가공 및 열처리된다. 본 연구에서 기본적으로 설정된 각 단계별 온도는 (α + β) 2상영역의 880 oC 용체화처리와 880 oC 고온압연 및 800 oC 어닐링이다.
	Ti-6A-4V에서 α상과 β상은 어떤 형태로 존재하는가?	TAF 합금과 유사한 (α + β)계 합금인 Ti-6A-4V은 α상과 β상으로 구성된다. 열처리에 의해 α상은 초석의 괴상으로 존재하고 용체화처리로 β형성 원소가 과고용된 β상은 시효에 의해 α + β 중첩의 라멜라 구조로 구성된다. 이러한 Ti (α + β)계 합금은 우수한 비강도, 내식특성 및 성형성을 나타내어, 이 합금계의 Ti-6Al-4V 합금은 상용합금으로 사용 가치가 크다.

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