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초록
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본 연구에서는 자동차 터보차저(turbo charger)용 터빈휠을 제조하기 위하여 고속원심주조법을 이용하여 TiAl 합금을 주조하였다. 여러 가지 조성의 주형을 사용하여 주조결함이 최소화 되는 최적의 몰드 조건을 찾고자 하였으며, 주조된 TiAl 합금의 결정구조와 미세조직을 고찰하였다. TiAl 샘플의 XRD 분석 결과 ${\gamma}$-TiAl 상과 ${\alpha}_2-Ti_3Al$ 상으로 구성되어 있음을 확인하였으며, 광학현미경과 FE-SEM 분석을 통하여 TiAl 샘플은 6-fold 및 4-fold 대칭성으로 이루어진 두 개의 수지상(dendrite) 형태로 이루어져 있음을 확인할 수 있었다. 또한 샘플의 단면에서 표면과 가까운 지점과 내부에서 측정한 원소함량의 차이를 확인할 수 있었으며, 마이크로비커스 경도계를 이용하여 표면에서 $50{\mu}m$ 미만의 영역에서 경도상승 영역 alpha-case 층이 형성되었음을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, TiAl alloy was fabricated by a centrifugal casting method for turbo charge of automotive. Optimum conditions for defectless morphology using various ceramic mold were investigated. The crystal structure, microstructure, and chemical composition of the TiAl prepared by centrifugal cast...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • Al의 함량이 더 높은 Ti-52Al 조성의 경우 α상이 hcp 구조이기 때문에 6-fold 대칭성을 갖게 되고 수지상의 1차 가지와 2차 가지가 60o를 이루게 된다. 본 연구에서 광학현미경에서는 이러한 수지상 구조를 발견할 수 없었으나, FE-SEM 분석을 통하여 이를 확인하고자 하였다.
  • 특히, 일반적으로 사용되는 Al2O3 몰드의 경우 500~600 μm 이상의 alpha-case를 형성하는 것으로 알려져 있다[16, 17]. 본 연구에서는 Ti 분말을 Al2O3에 혼합한 세라믹 몰드를 사용하여 몰드 내부에 alpha-case 성분을 미리 형성시켜, 용탕과의 접촉시에 주조품 표면에 생성되는 alpha-case 생성을 최대한 억제하고자 하였다. Fig.
  • 또한 기존 graphite 주형 및 고가의 산화물 주형을 적용한 TiAl의 용해주조의 경우에는 주조품 표면에 산화물층(alphacase)을 생성시켜 부품의 특성 저하를 야기한다. 본 연구에서는 기존 주조공정에서 사용되는 산화물(zirconia, yttria, alumina)들과 알루미나에 Ti power를 혼합한 주형(mould)을 사용하여 주조결함이 최소화되는 최적의몰드 조건을 찾고자 하였다.
  • 따라서 터빈휠의 모서리(edge) 부위까지 완전한 성형이 가능하기 위해서는 고속원심력을 부여해 줄 수 있는 주조공법이 적용되어야 한다[12, 13]. 본 연구에서는 자동차 터보차저(turbo charger)용 터빈휠을 제조하기 위하여 고속원심주조법을 이용하여 TiAl 합금을 주조하고, 주조된 TiAl 합금의 결정구조와 미세조직을 고찰하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
γ-TiAl 합금의 특징은? 또 다른 합금계로서, γ-TiAl 합금은 기존의 대표적 내열합금으로 개발된 니켈기 초합금에 비하여 비중이 절반밖에 되지 않을 뿐만 아니라, 융점 부근인 1700 K까지 금속간 화합물의 규칙구조를 유지하며, 높은 비강도, 우수한 내산화성 및 고온 크리프 특성을 고루 가진 내열경량합금이다. 따라서 현재까지 TiAl 합금은 이러한 우수한 특성들을 바탕으로, 극한의 환경에서 사용되는 항공기 엔진의 성능을 비약적으로 발전시키기 위하여, 항공기 등의 엔진 티빈 블레이드로 적용하고자 하는 연구가 진행되었다[5-7].
Ti-6Al-4V 합금이란? Ti-합금 중 대표적인 조성으로 Ti-6Al-4V(6 wt% Al, 4 wt% V) 합금을 예로 들 수가 있는데, 기계적 특성이 매우 우수하여 실제 상업적으로 응용되는 Ti-합금 중 60 % 이상을 차지한다. Ti-6Al-4V(이하 Ti-64) 합금은 Ti-합금의 일반적인 분류 중 α + β형 합금이며, α형 Ti-합금의 특징과 β형 Ti-합금의 중간적 성질을 가지기 때문에 다양한 용도로 사용된다. 또한 열처리 및 냉각 방법에 따라 철계 합금과 같이 다양한 미세조직과 기계적 성질을 얻을 수 있기 때문에 그 효용 가치가 매우 높은 합금계이다[3, 4].
Ti-64 합금이 효용 가치가 높은 이유는? Ti-6Al-4V(이하 Ti-64) 합금은 Ti-합금의 일반적인 분류 중 α + β형 합금이며, α형 Ti-합금의 특징과 β형 Ti-합금의 중간적 성질을 가지기 때문에 다양한 용도로 사용된다. 또한 열처리 및 냉각 방법에 따라 철계 합금과 같이 다양한 미세조직과 기계적 성질을 얻을 수 있기 때문에 그 효용 가치가 매우 높은 합금계이다[3, 4].
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참고문헌 (17)

  1. S.G. Pyo, J.K. Oh, N.J. Kim and M. Yamaguchi, "Al compositional dependence on the deformation behavior and mechanical properties in ultra high purity TiAl alloys", J. Kor. Inst. Met. & Mater. 38 (2000) 629. 

  2. I.-S. Jung, M.-C. Kim, J.-H. Lee, M.-H. Oh and D.-M. Wee, "Phase equilibria of TiAl alloy by directional solidification", J. Kor. Inst. Met. & Mater. 37 (1999) 448. 

  3. Y.H. Lee, J.T. Yeom, N.K. Park, S.S. Hong, I.O. Shim, S.M. Hwang and C.S. Lee, "Prediction of microstructure durign high temperature forming of Ti-6Al-4V alloy", J. Kor. Inst. Met. & Mater. 43 (2005) 847. 

  4. D.-G. Lee, Y.H. Lee, C.S. Lee and S. Lee, "Effect of volume fraction of tempered martensite on dynamic deformation properties of Ti-6Al-4V alloy having bimodal microstructure", J. Kor. Inst. Met. & Mater. 42 (2004) 455. 

  5. X. Wu, "Review of alloy and process development of TiAl alloys", Intermetallics 14 (2006) 1114. 

  6. J.Y. Jung, J.K. Park and C.H. Chun, "Influence of Al content on cast microstructures of Ti-Al intermetallic compounds", Intermetallics 7 (1999) 1033. 

  7. T. Tetsui, K. Shindo, S. Kobayashi and M. Takeyama, "A newly developed hot worked TiAl alloy for blades and structural components", Scripta Mater. 47 (2002) 399. 

  8. S. Djanarthany, J.-C. Viala and J. Bouix, "An overview of monolithic titanium aluminides based on $Ti_3Al$ and TiAl", Mater. Chem. Phys. 72 (2001) 301. 

  9. H. Clemens and H. Kestler, "Processing and application of intermetallic ${\gamma}$ -TiAl-based alloys", Adv. Eng. Mater. 2 (2000) 551. 

  10. T. Tetsui, "Application of TiAl in a turbocharger for passenger vehicles", Adv. Eng. Mater. 3 (2001) 307. 

  11. K. Liu, Y.C. Ma, M. Gao, G.B. Rao, Y.Y. Li, K. Wei, X. Wu and M.H. Loretto, "Single step centrifugal casting TiAl automotive valves", Intermetallics 13 (2005) 925. 

  12. S.-Y. Sung and Y.-J. Kim, "Modeling of titanium aluminides turbo-charger casting", Intermetallics 15 (2007) 468. 

  13. P.X. Fu, X.H. Kang, Y.C. Ma, K. Liu, D.Z. Li and Y.Y. Li, "Centrifugal casting of TiAl exhaust valves", Intermetallics 16 (2008) 130. 

  14. J. Fan, X. Li, Y. Su, J. Guo and H. Fu, "Effect of growth rate on microstructure parameters and microhardness in directionally solidified Ti-49Al alloy", Mater. Des. 34 (2012) 552. 

  15. H.-S. Jang, I.-S. Jung, M.-H. Oh and D.-M. Wee, "Characterization of TiAl alloy including ${\beta}$ -stabilizer I. Phase transformation at elevated temperatrure", J. Kor. Inst. Met & Mater. 38 (2000) 1042. 

  16. I.-S. Jung, H.-S. Jang, M.-H. Oh and D.-M. Wee, "Characterization of TiAl alloy including ${\beta}$ -stabilizer II. Directional solidification and mechanical properties", J. Kor. Inst. Met & Mater. 38 (2000) 1047. 

  17. S.Y. Sung and Y.J. Kim, "Alpha-case formation mechanism on titanium investment casting", Mater. Sci. Eng. A 405 (2005) 173. 

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