[논문]TiAl-Nb 합금의 고온상변태와 일방향응고에 관한 연구

박종문; 장호승; 김성웅; 김승언; 손지하; 오명훈

doi:10.12656/jksht.2016.29.5.227

TiAl-Nb 합금의 고온상변태와 일방향응고에 관한 연구
Study on High Temperature Phase Transformation and Directional Solidification of TiAl-Nb Alloy 원문보기

열처리공학회지 = Journal of the Korean society for heat treatment, v.29 no.5, 2016년, pp.227 - 233

박종문 (금오공과대학교 신소재공학과) , 장호승 (금오공과대학교 신소재공학과) , 김성웅 (재료연구소 타이타늄연구실) , 김승언 (재료연구소 타이타늄연구실) , 손지하 (포항금속소재산업진흥원 첨단기술팀) , 오명훈 (금오공과대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Phase transformation phenomenon at high temperature was investigated by using designed TiAl-Nb alloys with addition of the ${\beta}$ stabilizer. Examination of dendritic morphologies in arc-melted button ingot could reveal the crystallography of the primary solidification phase. It was found that the addition of ${\beta}$ stabilizer(Nb) shifted the high temperature region of the binary Ti-Al phase diagram to the high Al composition side so that ${\beta}$ phase forms as a primary crystal even at higher Al composition compared with the binary Ti-Al system. The ${\beta}$ was found to be the primary solidification phase for alloys with Al content less than about 52 at.%. The composition of ${\beta}$ solidification in Ti-Al-Nb ternary system could be determined from the partial liquidus projection which was constructed by observing the microstructure of arc-melted buttons. The Ti-46Al-(6, 8)Nb composition was selected for ${\beta}$ solidification and the directional solidification was performed by a floating zone-type DS apparatus at the growth rate 30 mm/hr respectively.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 TiAl 합금의 고온강도 및 크리프강도 등의 고온특성과 내산화성 향상을 위해 첨가되고 있는 Nb을 β 안정화 원소로써 선정하여 완전 β 상으로 변태되기 위한 Nb의 첨가량을 조사하였다.
본 연구에서는 층상경계방위를 성장방향과 평행하게 제어하기 위해서 TiAl-Nb 3원계 합금의 β 안정화 원소에 따른 고온영역에서의 상평형 및 상태도 변화와 완전 β상으로 판단되는 Ti-46Al-(6, 8)Nb합금 조성에 대하여 일방향응고를 통하여 층상경계방위의 변화에 대한 조사를 수행하여 다음과 같은 연구 결과를 얻었다.

가설 설정

또한, 2원계 TiAl 합금의 L+β ↔ α 포정 반응시의 β상 조성도 Nb 첨가에 따라 실선의 구분선과 같은 기울기로 조성이 이동된다고 가정하고 점선으로 도시하였으며, 이러한 점선의 구분선의 왼쪽영역(Ti-rich조성영역)은 응고할 때 완전 β 상으로 변태가 일어날 것으로 생각되는 합금조성의 영역이다.

제안 방법

Fig. 3(e)의 A 조성은 점선으로 표시된 투영선에 걸쳐있는 조성이므로 일방향응고와 같은 서냉 작업에서는 대부분 β 상으로 변태될 것이므로 β 응고를 통한 층상경계방위제어에 효과적일 것으로 판단되며, Ti-45Al-6Nb와 Ti-46Al-8Nb에 대하여 floating zone방식을 활용하여 일방향응고를 수행하였다.
그리고 완전 β 상을 지날 것으로 판단되는 TiAl-Nb합금의 조성에 대하여 일방향응고를 수행하여 조성에 따른 층상경계방위제어에 관하여 조사하였다.
미세조직 관찰을 위해 5 ml HF, 10 ml H2O2 , 200 ml H2O 혼합용액으로 에칭을 실시한 후, 광학현미경과 전자현미경을 이용하여 미세조직을 분석하였다.
완전 β 상을 지날 것으로 판단되는 TiAl-Nb 조성을 이용하여 고순도 아르곤 가스분위기하에서 floating zone 방식 일방향응고 장치를 이용하여 30 mm/hr의 성장속도로 일방향응고를 수행하였다.
완전층상조직 γ-TiAl 합금의 층상경계방위를 성장방향으로 제어하기 위한 방법으로 고온상변태를 이용한 응고과정의 수정을 통한 방법(β 응고법)을 선택하였다.
999%) 분위기의 진공아크용해로에서 비소모성 텅스텐 전극으로 버튼 형태의 잉코트를 제조하였다. 이 때 잉고트의 균질도를 높이기 위하여 6번의 재용해를 실시하였다. 제조된 버튼 형태의 잉코트를 종단으로 절단하여 수지상의 대칭성을 조사함으로써 TiAl-Nb 합금에 대하여 액상과 평형을 이루고 있는 상을 결정할 수 있었으며 그 결과를 이용하여 부분 액상선 투영도를 제작하였다.
완전 β 상을 지날 것으로 판단되는 TiAl-Nb 조성을 이용하여 고순도 아르곤 가스분위기하에서 floating zone 방식 일방향응고 장치를 이용하여 30 mm/hr의 성장속도로 일방향응고를 수행하였다. 일방향응고된 시편은 성장방향과 평행한 방향으로 절단하여 미세조직 관찰을 관찰하였다.
제조된 버튼 형태의 잉코트를 이용하여 일방향응고를 수행하기 위해 시가형태로 제조한 후, 와이어 방전가공설비를 이용하여 φ 9.5 mm × 80 mm 크기로 봉 형태의 잉코트를 제조하였다.
이 때 잉고트의 균질도를 높이기 위하여 6번의 재용해를 실시하였다. 제조된 버튼 형태의 잉코트를 종단으로 절단하여 수지상의 대칭성을 조사함으로써 TiAl-Nb 합금에 대하여 액상과 평형을 이루고 있는 상을 결정할 수 있었으며 그 결과를 이용하여 부분 액상선 투영도를 제작하였다. 제조된 버튼 형태의 잉코트를 이용하여 일방향응고를 수행하기 위해 시가형태로 제조한 후, 와이어 방전가공설비를 이용하여 φ 9.

대상 데이터

(e)에서 A로 표기된 것과 같이 완전 β 상을 지날 것으로 판단되는 TiAl-Nb 3원계 합금조성을 Ti-46Al-(6, 8)Nb로 선정하였다.
본 연구에서는 고순도의 Ti(99.99%) sponge, Al(99.99%) grain, Nb(99.9%) grain을 이용하여 합금조성에 맞게 정량하였다. 합금화를 위하여 고순도 아르곤(99.
본 연구에서는 높은 Al 함량에서도 완전 β 상을 지나가게 하기 위해서 β 안정화 원소로 Nb을 선정하였다.
9%) grain을 이용하여 합금조성에 맞게 정량하였다. 합금화를 위하여 고순도 아르곤(99.999%) 분위기의 진공아크용해로에서 비소모성 텅스텐 전극으로 버튼 형태의 잉코트를 제조하였다. 이 때 잉고트의 균질도를 높이기 위하여 6번의 재용해를 실시하였다.

성능/효과

%까지는 4-fold 대칭성을 갖고 52Al at.% 이상의 합금조성에서는 6-fold 대칭성을 갖는 것을 관찰할 수 있었다. 즉, β 안정화 원소인 Nb의 첨가에 따라 β 영역이 확장된 것을 알 수 있다.
1. β 안정화 원소인 Nb은 2원계 TiAl 합금의 고온영역 상태도를 높은 Al 조성 쪽으로 이동시켜, 2원계 TiAl 합금의 경우보다 높은 Al 조성에서도 β상이 초정으로 형성되는 것을 확인하였다.
2. β 안정화 원소로써의 Nb의 경우 3at% 이상에서는 Ti에 대한 당량 효과가 줄어들기 때문에 TiAl-Nb 3원계 합금의 층상경계방향을 유리하게 제어하기 위해서는 최소 6at% 이상 첨가되어야 함을 확인하였다.
3. Ti-46Al-(6, 8)Nb 3원계 합금을 30 mm/hr의 성장속도로 일방향응고를 수행한 결과, 일방향응고 잉고트의 주상정 내부에서 층상경계방위가 성장방향과 45°를 이루고 있으며, 이를 통해 Ti-46Al-(6, 8)Nb 합금이 완전 β 상을 통과하여 응고가 진행되었음을 확인하였다.
4. 완전 β 상을 지나는 합금조성에서 일방향응고를 수행하였을 때, 높은 온도구배와 빠른 성장속도에 의해 우선성장방위의 천이가 발생되어 층상경계방위를 제어하기 위해서는 적절한 성장속도가 필요한 것으로 판단된다.
5. 동일한 성장속도에서도 첨가된 Nb의 함량에 따라 층상간격이 차이나는 것이 관찰되었으며, Ti-46Al-6Nb 합금의 층상간격은 0.24~0.35 μm이고, Ti-46Al-8Nb 합금의 층상간격은 0.53~0.76 μm으로 측정되어 Nb의 첨가에 의해 확산거동에 영향을 끼쳐 성장속도에 의한 층상간격의 변화와 같은 효과가 나타나는 것으로 판단된다.
즉, 성장조건에 따라 성장속도가 빠른 경우, 빠른 응고속도로 인하여 변형에너지 인자가 수지상의 우선 성장을 결정하고, 성장속도가 느린 경우, 느린 응고속도로 인하여 계면에너지 인자가 수지상의 성장방향을 결정하기 때문인 것으로 판단된다. 즉, 온도구배와 성장속도 변화에 따른 우선성장방위의 천이가 발생하는 것으로 판단되었다.

후속연구

실용화를 고려하면, casting 후 바로 제품으로 사용할수 있는 β 응고법이 층상경계방위를 제어하는 방법으로 개발되어야 할 것으로 판단되며, 이것이 본 연구를 수행한 이유이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	완전층상조직 TiAl/Ti3Al 2상합금은 Ti3Al를 얼마나 포함하고 있는가?	γ-TiAl 기지합금은 높은 비강도와 우수한 고온강도 및 크리프특성 등으로 인하여 제트엔진 및 터보차저로터, 밸브 등 부품용 재료로써 항공기, 자동차 그리고 발전공장설비에 대한 활용도가 높아 많은 연구가 이루어지고 있으며, 특히 완전층상조직 TiAl/Ti3Al 2상합금은 우수한 고온물성이 요구되는 부품들을 경량화하기 위하여 Ni계 초합금(superalloy)를 대체할 수 있는 경량내열재료로써 가능성을 인정받고 있다[1, 2]. 완전층상조직 TiAl/Ti3Al 2상합금은 Ti3Al을 10%정도 포함하면서 파괴인성, 피로강도 그리고 고온크리프강도가 우수하지만, 상온에서의 연성이 부족하여 주조재로써 이용하기에는 상온연성 개선이라는 가장 큰 해결과제가 남아있다[2]. 이러한 연성부족의 가장큰 원인은 층상조직의 경계에 수직한 방향으로 응력이 작용할 때에 경계면의 분리현상이 쉽게 일어나기 때문인 것으로 밝혀지고 있다[3].
	β 응고법은 고온에서 상변태를 무슨 상으로 유도해야하는가?	β 응고법은 고온상변태를 이용하여 응고과정 중의수정이 필요하기 때문에 무엇보다도 고온에서의 상변태를 bcc β 상으로 유도해야 하며, 이를 위해 고온영역 상태도 및 고온상변태에 관한 연구가 필수적이다[4, 5, 9]. Jung[4, 5] 등에 의해서 2원계 TiAl합금의 상태도에 근거하여 일방향응고를 통한 완전β 변태하는 2원계 TiAl 합금조성에서 층상경계방위제어의 가능성은 확인되었지만, 2원계 TiAl 합금조성의 완전 β 변태 조성은 Al 함량이 낮아 상온에서의 기계적 성질이 취약하여 실용화를 위해서는 완전 β변태하는 TiAl 합금조성을 높은 Al 조성 쪽으로 이동시킬 수 있는 β 안정화 원소의 첨가가 필수적이다[5, 8, 9].
	완전층상조직 TiAl/Ti3Al 2상합금 연성부족의 가장 큰 원인은?	완전층상조직 TiAl/Ti3Al 2상합금은 Ti3Al을 10%정도 포함하면서 파괴인성, 피로강도 그리고 고온크리프강도가 우수하지만, 상온에서의 연성이 부족하여 주조재로써 이용하기에는 상온연성 개선이라는 가장 큰 해결과제가 남아있다[2]. 이러한 연성부족의 가장큰 원인은 층상조직의 경계에 수직한 방향으로 응력이 작용할 때에 경계면의 분리현상이 쉽게 일어나기 때문인 것으로 밝혀지고 있다[3]. 따라서 완전층상조직 TiAl 합금의 부족한 상온연성개선을 위해서 많은 연구가 시도되고 있으며, 그 일환으로 일방향응고법을 도입하여 층상경계방위를 연성화 방향으로 제어하려는 연구가 진행되었다[4-6].

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저자의 다른 논문 :

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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