[논문]산소함량에 따른 Ti-Al-Fe-Si-O 합금의 기계적 특성 및 미세조직 변화

배진주; 염종택; 박찬희; 홍재근; 김성웅; 윤석영; 이상원

doi:10.12656/jksht.2016.29.6.264

산소함량에 따른 Ti-Al-Fe-Si-O 합금의 기계적 특성 및 미세조직 변화
The Effects of Oxygen Content on Microstructure and Mechanical Properties of Ti-Al-Fe-Si-O alloy 원문보기

열처리공학회지 = Journal of the Korean society for heat treatment, v.29 no.6, 2016년, pp.264 - 271

배진주 (재료연구소 금속재료연구본부) , 염종택 (재료연구소 금속재료연구본부) , 박찬희 (재료연구소 금속재료연구본부) , 홍재근 (재료연구소 금속재료연구본부) , 김성웅 (재료연구소 금속재료연구본부) , 윤석영 (부산대학교 재료공학과) , 이상원 (재료연구소 금속재료연구본부)

Abstract ▼ AI-Helper

The effect of the oxygen content and the annealing temperature on the tensile behavior of the Ti-1.5Al-3Fe-0.25Si-(0.1~0.5)O alloy was investigated. The tensile properties were dependent on the volume fraction of the microstructure constituents, i.e. the equixed ${\alpha}$, equixed ${\beta}$ and lamellar ${\alpha}$. The results showed that the O-partitioned equixed ${\alpha}$ had a much higher strength compared to the equixed ${\beta}$. The strength of the lamellar ${\alpha}$ increased with increasing the annealing temperature because the O content of the lamellar ${\alpha}$ increased. Ti-1.5Al-3Fe-0.25Si-0.3O alloy annealed to $900^{\circ}C$ where the volume fraction of lamellar ${\alpha}$ was the highest exhibited an excellent combination of the strength (1198.5 MPa) and ductility (27.5%). The effect of the lamellar ${\alpha}$ on the ductility was discussed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

%)를 첨가함으로써 저가이면서도 고강도 Ti합금을 개발하였다. 또한 본 연구를 통하여 O 함량과 열처리 온도에 따른 미세조직 변화와 인장거동을 관찰하고 O첨가에 따른 성형성 저하를 최소화시키는 방법을 고찰하고자 하였다.

가설 설정

1. 각 상의 항복강도는 각 상의 O함량에 의해서만 결정된다.
3. TAFS-0.1O합금에서 O함량의 고용강화는 무시한다.

제안 방법

1 참조). 광학현미경(Optical Microscope, OlympusGX51)과 Electron backscatter diffraction(EBSD, Oxford)와 Energy dispersive spectrometer(EDS, Oxford)가 장착된 전계방사형 주사 전자 현미경(Field Emission-Scanning Electron Microscope, FE-SEM, JEOL JSM-7001F)을 이용하여 열처리 온도와 산소함량에 따른 미세조직변화를 관찰하였다. 광학현미경 관찰을 위한 시편은 기계적 연마 후 Colloid Silica 현탁액으로 20분 연마 후, Kroll 용액(5 ml HF + 10 ml HNO₃+ 85 ml H₂O)으로 부식하였다.
본 연구는 산소함량에 따른 Ti-1.5Al-3Fe-0.25Si- (0.1, 0.3, 0.5) O 합금의 미세조직 및 기계적 인장거동을 분석하였으며, 이에 따른 결과는 다음과 같다.
본 연구에서는 이러한 Ti-Al-Fe 계열의 합금(Ti1.5Al-3Fe-0.25Si, wt.%)을 설계하고 침입형 원소인 O(0.1-0.5 wt.%)를 첨가함으로써 저가이면서도 고강도 Ti합금을 개발하였다. 또한 본 연구를 통하여 O 함량과 열처리 온도에 따른 미세조직 변화와 인장거동을 관찰하고 O첨가에 따른 성형성 저하를 최소화시키는 방법을 고찰하고자 하였다.
9%)를 사용하여 제어하였다. 진공 아크 재용해법(VAR, Vacuum Arc Remelting)을 이용하여 용해하였으며, 최종 합금 조성은 Ti-1.5Al-3Fe-0.25Si-(0.1, 0.3, 0.5) O이며 이후 각 조성을 산소함량에 따라 차례대로 TAFS-0.1O, TAFS-0.3O, TAFS-0.5O으로 기술 하였다. N/O 분석기를 활용하여 각 합금의 O 함량은 0.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 원소재는 10 mm × 20 mm × 0.5 mm strip 형태의 grade 1 Ti, 8~12 mm 크기의 Al(99.9%), 3~12 mm 크기의 Fe(99.95%), 3~6 mm 크기의 Si(99.999%), 산소의 함량은 1~4 mm 크기의 TiO₂(99.9%)를 사용하여 제어하였다. 진공 아크 재용해법(VAR, Vacuum Arc Remelting)을 이용하여 용해하였으며, 최종 합금 조성은 Ti-1.

이론/모형

O 함량과 열처리 온도에 따른 미세조직 변화를 보다 자세히 알아보기 위하여 EBSD를 이용하였으며 그 결과를 Fig. 3에 나타내었다.
EBSD분석을 위한 시편은 Colloid Silica 현탁액으로 시계 방향으로 30분 이상 연마 후, 그 반대방향으로 10분 추가 연마하여 관찰하였다. 기계적 특성을 알아보기 위해서 ASTM E8(strain rate:10⁻³/s)로 상온인장시험(INSTRON 4206)을 진행하였다.
본 연구에서는 항복강도, 상분율과 최소자승법을 활용하여 각 상의 항복강도를 계산해보았다. 계산하기 위한 가정은 다음과 같다.

성능/효과

1. 열처리 온도가 증가할수록 또는 산소함량이 감소할수록 등축정 α와 β상은 감소하고 층상 α은 증가했다.
3. 그러나 열처리 온도가 β 변태 온도 이상일 경우 냉각 중 생성되는 단일 층상 α의 높은 O 함량으로 인하여 성형성이 저하되었다.
5O으로 기술 하였다. N/O 분석기를 활용하여 각 합금의 O 함량은 0.09 wt.%(TAFS-0.1O), 0.35 wt.%(TAFS-0.3O), 0.47 wt.%(TAFS-0.5O)으로 나타났으며 치환형 원소의 경우, ICP를 이용하여 설계조성 대비 0.1%wt.% 이내로 차이가 남을 확인하였다. 시차열분석(DTA)을 이용하여 측정된 β-변태 온도를 중심으로, 100도 높은 온도에서 β 단조 후 수냉 하였으며 이후 β-변태온도보다 50도 낮은 온도에서 α+β 단조 후 공냉 하였다.
2. TAFS-0.3O 합금의 경우 β 변태 온도 이하에서 높은 열처리온도(900도)를 이용할 경우 TAFS0.1O와 비교하여 우수한 강도(1198.5 MPa)와 연신율(27.5%)을 보여주었다. TAFS-0.
이것은 O 함량이 증가함에 따른 등축정 α의 높은 분율때문에, 공냉 중 β에서 층상 α로 변태되는 구동력을 감소되 었기 때문으로 풀이된다. TAFS-0.5O에서는 열처리 온도와 무관하게 실험 합금 중 냉각 후 잔류 β상 분율이 가장 높게 나타났다.
9는 β변태온도 이하에서 층상 α상의 분율이 높을수록 성형성이 우수함을 보여준다. 실험적으로도 900도에서 열처리 후 냉각된 TAFS-0.3O의 경우, TAFS-0.1O대비 O 첨가에 의해 강도(1198.5 MPa)가 향상되었고 층상 α상분율이 높아 우수한 연신율(27.5%)을 보여주었다. TAFS-0.
4에 나타내었다. 열처리 온도가 증가할수록 또는 O 함량이 감소할수록, 등축정 α+β 분율은 감소하고 층상α 분율은 증가함을 확인 할 수 있었다. 상평형 상태에서는 강한 α 안정화원소인 O 함량이 증가함에 따라 β상 분율이 감소하지만 본 실험결과에서는 반대의 모습을 보여주고 있다(Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Ti합금에 침입형 원소를 첨가하였을때 발생하는 문제는?	% 당 590 MPa)와 비교하여 고용강화 효과가 큰것으로 보고되고 있다[13]. 그러나 N을 첨가하기 위한 TiN 분말의 녹는점(2950oC)이 O를 첨가하기 위한 TiO2 분말(1843oC)보다 월등히 높고 상용화가 어렵기 때문에[17], 상대적으로 O 첨가에 대한 고강도화 연구 비중이 높을 뿐만 아니라 이러한 침입형 원소의 첨가는 성형성 저하를 불러와 그 양이 제한되어왔다[13-16].
	순수 타이타늄의 경우 N첨가가 인장강도에 미치는 영향은?	또한 O, N, C과 같은 고용강화효과가 큰 침입형 원소첨가에 대한 고강도 타이타늄 합금 개발 보고가 많이 있다[13-16]. 특히 순수 타이타늄에서의 경우, N 첨가가 1 wt.% 당 2580 MPa 만큼 인장강도가 증가되어 다른 침입형 원소 O(1 wt.% 당 1320 MPa), C(1 wt.
	타이타늄합금의 경우 O 첨가 대한 고강도화 연구의 비중이 큰 이유는?	% 당 590 MPa)와 비교하여 고용강화 효과가 큰것으로 보고되고 있다[13]. 그러나 N을 첨가하기 위한 TiN 분말의 녹는점(2950oC)이 O를 첨가하기 위한 TiO2 분말(1843oC)보다 월등히 높고 상용화가 어렵기 때문에[17], 상대적으로 O 첨가에 대한 고강도화 연구 비중이 높을 뿐만 아니라 이러한 침입형 원소의 첨가는 성형성 저하를 불러와 그 양이 제한되어왔다[13-16].

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