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.
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.
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...
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 casting were studied by X-ray diffractometer (XRD), optical microscopy (OM), field emission scanning electron microscopy (FE-SEM) and energy dispersive spectroscopy (EDS), microvickers hardness analyzer (HV). Two kinds of dendrite structures were observed with 4-fold and 6-fold symmetries. The FE-SEM, EDS and HV examinations of the as-cast TiAl showed that the thickness of the oxide layer (${\alpha}$-case) was typically less than $50{\mu}m$.
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 casting were studied by X-ray diffractometer (XRD), optical microscopy (OM), field emission scanning electron microscopy (FE-SEM) and energy dispersive spectroscopy (EDS), microvickers hardness analyzer (HV). Two kinds of dendrite structures were observed with 4-fold and 6-fold symmetries. The FE-SEM, EDS and HV examinations of the as-cast TiAl showed that the thickness of the oxide layer (${\alpha}$-case) was typically less than $50{\mu}m$.
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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.
제안 방법
0 × 10−3 Torr)에서 20 sec 동안 진행되었다. WD-XRF(Wavelength-dispersive X-ray fluorescence) 분석을 통하여 주조된 시편의 화학성분과 불순물 함입 여부를 조사하였다. 원심주조된 TiAl 휠 제품의 상분석은 XRD(X-ray diffraction)법으로 이루어졌으며, 광학현미경(Optical Microscopy), FE-SEM(Field Emission Scanning Electron Microscopy), EDX(Energy Dispersive X-ray Spectrometer), 마이크로비커스 경도기를 이용하여 미세구조 분석을 실시하였다.
용탕 상태에서 반응성이 심한 TiAl을 주조하는 경우에는 용탕의 온도를 올리거나 주형을 예열하는 방법에 의해 유동성을 향상시키는 방법 보다는 원심력에 의하여 용탕 유동성을 확보하는 것이 TiAl의 특성 상 보다 더 효과적이다[10-13]. 또한 본 연구에서 사용한 원심주조공정의 차이점은 Fig. 1에서 확인할 수 있듯이, 기존의 주형 내에서 원심력을 발생시키는 수직형 원심주조가 아니라, 용탕 자체에 원심력을 부여하는 수평형 원심주조를 이용하여 낮은 원심력으로 정밀 형상 부품의 치밀한 조직으로의 성공적인 주조가 가능하도록 하였다. 또한 기존 graphite 주형 및 고가의 산화물 주형을 적용한 TiAl의 용해주조의 경우에는 주조품 표면에 산화물층(alphacase)을 생성시켜 부품의 특성 저하를 야기한다.
본 연구에서는 자동차 터보차저(turbo charger)용 터빈 휠을 제조하기 위하여 고속원심주조법을 이용하여 TiAl 합금을 주조하였다. 알루미나에 티타늄 분말을 혼합한 주형을 사용하여 형상결함 혹은 주조결함이 없는 양질의 주조 제품을 제조할 수 있었다.
WD-XRF(Wavelength-dispersive X-ray fluorescence) 분석을 통하여 주조된 시편의 화학성분과 불순물 함입 여부를 조사하였다. 원심주조된 TiAl 휠 제품의 상분석은 XRD(X-ray diffraction)법으로 이루어졌으며, 광학현미경(Optical Microscopy), FE-SEM(Field Emission Scanning Electron Microscopy), EDX(Energy Dispersive X-ray Spectrometer), 마이크로비커스 경도기를 이용하여 미세구조 분석을 실시하였다.
5Cr(atomic %)이었으며, Table 1에는 본 연구에서 사용한 원심주조 조건을 나타내었다. 주조공정 전 500℃로 예열된 주형을 장비에 고정시킨 후, 가열 및 원심주조 공정을 일괄진행방식(one-step)으로 진행하였다. 회전시작 후 0.
대상 데이터
본 연구에서 사용한 TiAl 합금의 조성은 Ti-48Al1.5Nb-1.5Cr(atomic %)이었으며, Table 1에는 본 연구에서 사용한 원심주조 조건을 나타내었다. 주조공정 전 500℃로 예열된 주형을 장비에 고정시킨 후, 가열 및 원심주조 공정을 일괄진행방식(one-step)으로 진행하였다.
성능/효과
Fig. 4에서 확인할 수 있듯이 TiAl 샘플의 미세구조는 명암이 서로 다른 두 개의 상의 수지상(dendrite) 형태로 이루어져 있음을 확인할 수 있었다. Ti-Al 2원계는 액상 중에서 bcc인 β상이 초정(primary crystal)으로 생성될 때와 hcp인 α상이 초정으로 생성될 때 수지상의 형태가 달라진다고 알려져 있다[14, 15].
TiAl 주조품의 XRD 분석 결과, tetragonal lattice인 γ-TiAl 상과 close packed hexagonal lattice 구조의 α2-Ti3Al 상으로 구성되어 있음을 확인하였으며, c/a 비율 값은 XRF 분석에서의 측정된 Ti/Al 함량비와 합치하는 결과로 판단되었다. FESEM에서 관찰한 결과 TiAl 시편 전반적으로 6-fold 대칭성 및 4-fold 대칭성 수지상 구조가 혼합되어 있는 것을 확인할 수 있었으며, EDX 분석 결과 XRF로 분석한 결과와 유사하였다. 마이크로비커스 경도값 변화 그래프에서 표면에서 50 μm 미만의 영역에서 경도상승 영역 alpha-case 층이 형성되었음을 확인할 수 있었으며, 이러한 alpha-case 층의 두께는 EDX mapping 결과에서 나타난 산소원자의 농도 분포 변화와도 일치하였다.
Fig. 3에서 확인할 수 있듯이 TiAl 샘플은 tetragonal lattice(a = 0.4016 nm, c = 0.4073 nm, c/aratio 1.014)인 γ-TiAl 상이 main phase로 구성되어 있었으며, close packed hexagonal lattice(a = 0.5753 nm, c =0.4644 nm)인 α2-Ti3Al 상이 minor phase로 구성되어 있음을 확인하였다.
5는 FE-SEM으로 원심주조법에 의해 제조된 TiAl 샘플의 내부 미세구조를 보여주고 있다. Fig. 5에서 관찰할 수 있는 바와 같이 샘플 전반적으로 6-fold 대칭성 및 4-fold 대칭성 수지상 구조가 혼합되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 샘플 전반적으로 특이한 석출물이나 불순물은 발견되지 않았으며 Fig.
Table 2는 원심 주조방식으로 주조된 TiAl(Al 48 mol%) 터보차저 제품의 WD-XRF 분석결과를 보여준다. Table 2에서 확인할 수 있듯이 원심주조방식으로 제조된 TiAl시편의 Ti : Al 조성의 비는 50.00 : 48.52 %로 계산되어 최종적으로 원하는 TiAl(Al 48 mol%) 조성이 성공적으로 제조되었음을 확인할 수 있었다. 주요한 조성인 Ti, Al 이외에 소량의 Nb, Cr, Ni, Si이 함유되어 있었으며 산소의 함량이 9 % 정도로 관찰되었고, 이러한 높은 산소 함량은 주조시편 표면의 산화층(alpha-case)에 포함되어 있는 산소함량에 의한 것으로 사료되었다.
TiAl 주조품의 XRD 분석 결과, tetragonal lattice인 γ-TiAl 상과 close packed hexagonal lattice 구조의 α2-Ti3Al 상으로 구성되어 있음을 확인하였으며, c/a 비율 값은 XRF 분석에서의 측정된 Ti/Al 함량비와 합치하는 결과로 판단되었다.
마이크로비커스 경도값 변화 그래프에서 표면에서 50 μm 미만의 영역에서 경도상승 영역 alpha-case 층이 형성되었음을 확인할 수 있었으며, 이러한 alpha-case 층의 두께는 EDX mapping 결과에서 나타난 산소원자의 농도 분포 변화와도 일치하였다.
02로 계산된다. 이러한 c/a 비율 값은 Al의 함량이 올라감에 따라 증가하고, Ti/Al의 비율이 1:1이 되었을 때 c/a의 비율이 1.03이 되는 것으로 알려져 있는 것을 감안할 때, XRF 분석에서의 측정된 Ti/Al 함량비와 합치하는 결과로 판단되었다. TiAl 주조시에 쉽게 발견되는 bcc(body centered cubic) 구조인 β상은 발견되지 않았으며, 불순물 탄소(carbon)에 의해 쉽게 발생할 수 있는 TiC 혹은 TiCN 불순물도 발견되지 않았다.
52 %로 계산되어 최종적으로 원하는 TiAl(Al 48 mol%) 조성이 성공적으로 제조되었음을 확인할 수 있었다. 주요한 조성인 Ti, Al 이외에 소량의 Nb, Cr, Ni, Si이 함유되어 있었으며 산소의 함량이 9 % 정도로 관찰되었고, 이러한 높은 산소 함량은 주조시편 표면의 산화층(alpha-case)에 포함되어 있는 산소함량에 의한 것으로 사료되었다.
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].
참고문헌 (17)
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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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