$Si_3N_4$와 Ti 또는 TiAl 합금을 $900^{\circ}C$에서 확산쌍을 제조하여 분석하고, 확산층의 분석을 통하여 생성된 층마다의 조성을 분석하여 각 원소들의 확산 경로 및 속도를 비교 하였다. $Si_3N_4/Ti$의 확산 쌍의 확산 경로는 $Si_3N_4/Ti_5Si_3+TiN/TiN/Ti$로 나타났고, Ti 측면에서 TiN층이 생성 되었음으로 N의 확산 속도가 Si 보다 빠름을 알 수 있었다. $Si_3N_4/TiAl$ 합금의 확산쌍은 $Si_3N_4/Ti$ 사이의 확산쌍과는 다르게 Si, N, Ti, Al 의 각 원소 마다의 확산 속도 차이로 인하여 확산 경로는 $Si_3N_4/TiN(Al)/Ti_3Al/TiAl$ 상으로 나타났다. 상태도를 통하여 생성된 확산쌍의 확산경로를 파악한 결과, 확산경로의 요구사항을 모두 만족하였다. $Si_3N_4/Ti$ 확산에서 Ti를 이용한 적분확산 계수는 $Ti_5Si_3$, TiN에서 $2.18{\times}10^{-16}m^2/sec$, $2.19{\times}10^{-16}m^2/sec$, $Si_3N_4/TiAl$ 확산 쌍에서 Ti를 이용한 적분확산 계수는 각각 TiN(Al) 상에서 $2.88{\times}10^{-16}m^2/sec$, $Ti_3Al$ 상에서 $1.48{\times}10^{-15}m^2/sec$으로 나타났다. 본 연구는 $Si_3N_4$와 Ti 및 TiAl의 계면 반응을 분석한 결과로서 $Si_3N_4$ 상을 이용한 확산반응의 기초자료로 사용될 수 있을 것으로 사료된다.
$Si_3N_4$와 Ti 또는 TiAl 합금을 $900^{\circ}C$에서 확산쌍을 제조하여 분석하고, 확산층의 분석을 통하여 생성된 층마다의 조성을 분석하여 각 원소들의 확산 경로 및 속도를 비교 하였다. $Si_3N_4/Ti$의 확산 쌍의 확산 경로는 $Si_3N_4/Ti_5Si_3+TiN/TiN/Ti$로 나타났고, Ti 측면에서 TiN층이 생성 되었음으로 N의 확산 속도가 Si 보다 빠름을 알 수 있었다. $Si_3N_4/TiAl$ 합금의 확산쌍은 $Si_3N_4/Ti$ 사이의 확산쌍과는 다르게 Si, N, Ti, Al 의 각 원소 마다의 확산 속도 차이로 인하여 확산 경로는 $Si_3N_4/TiN(Al)/Ti_3Al/TiAl$ 상으로 나타났다. 상태도를 통하여 생성된 확산쌍의 확산경로를 파악한 결과, 확산경로의 요구사항을 모두 만족하였다. $Si_3N_4/Ti$ 확산에서 Ti를 이용한 적분확산 계수는 $Ti_5Si_3$, TiN에서 $2.18{\times}10^{-16}m^2/sec$, $2.19{\times}10^{-16}m^2/sec$, $Si_3N_4/TiAl$ 확산 쌍에서 Ti를 이용한 적분확산 계수는 각각 TiN(Al) 상에서 $2.88{\times}10^{-16}m^2/sec$, $Ti_3Al$ 상에서 $1.48{\times}10^{-15}m^2/sec$으로 나타났다. 본 연구는 $Si_3N_4$와 Ti 및 TiAl의 계면 반응을 분석한 결과로서 $Si_3N_4$ 상을 이용한 확산반응의 기초자료로 사용될 수 있을 것으로 사료된다.
$Si_3N_4$ is a ceramic material attracting attention in many fields because of its excellent abrasion resistance. In addition, Ti and TiAl alloys are metals used in a variety of high temperature environments, and have attracted much attention because of their high strength and high meltin...
$Si_3N_4$ is a ceramic material attracting attention in many fields because of its excellent abrasion resistance. In addition, Ti and TiAl alloys are metals used in a variety of high temperature environments, and have attracted much attention because of their high strength and high melting points. Therefore, study of the interface reaction between $Si_3N_4/Ti$ and $Si_3N_4/TiAl$ can be a useful practice to identify phase selection and diffusion control. In this study, $Si_3N_4/Ti_5Si_3+TiN/TiN/Ti$ diffusing pairs were formed in the $Si_3N_4/Ti$ interfacial reaction and $Si_3N_4/TiN(Al)/Ti_3Al/TiAl$ diffusion pathway was identified in the $Si_3N_4/TiAl$ interfacial reaction. The diffusion layers of the interface reactions were identified and, to investigate the kinetics of the diffusion layer, the integrated diffusion coefficients were estimated.
$Si_3N_4$ is a ceramic material attracting attention in many fields because of its excellent abrasion resistance. In addition, Ti and TiAl alloys are metals used in a variety of high temperature environments, and have attracted much attention because of their high strength and high melting points. Therefore, study of the interface reaction between $Si_3N_4/Ti$ and $Si_3N_4/TiAl$ can be a useful practice to identify phase selection and diffusion control. In this study, $Si_3N_4/Ti_5Si_3+TiN/TiN/Ti$ diffusing pairs were formed in the $Si_3N_4/Ti$ interfacial reaction and $Si_3N_4/TiN(Al)/Ti_3Al/TiAl$ diffusion pathway was identified in the $Si_3N_4/TiAl$ interfacial reaction. The diffusion layers of the interface reactions were identified and, to investigate the kinetics of the diffusion layer, the integrated diffusion coefficients were estimated.
/ TiAl의 계면반응을 고찰하기 위하여 확산쌍을 통하여 확산을 진행시켜, 계면에서 생성되는 상을 분석하고 시간에 따른 상의성장을 속도론적으로 고찰하는 것을 목적으로 하였다. 또한, 계면의 생성상을 분석하여 확산경로를 파악하고 Si3N4의 확산 거동을 고찰하고자 하였다. ;
본 연구에서는 Si3N4/ Ti 그리고 Si3N4/ TiAl의 계면반응을 고찰하기 위하여 확산쌍을 통하여 확산을 진행시켜, 계면에서 생성되는 상을 분석하고 시간에 따른 상의성장을 속도론적으로 고찰하는 것을 목적으로 하였다. 또한, 계면의 생성상을 분석하여 확산경로를 파악하고 Si3N4의 확산 거동을 고찰하고자 하였다.
제안 방법
Si3N4와 Ti 또는 TiAl 합금을 900oC에서 확산쌍을 제조하여 분석하고, 확산층의 분석을 통하여 생성된 층마다의 조성을 분석하여 각 원소들의 확산 경로 및 속도를 비교 하였다. Si3N4 / Ti의 확산 쌍의 확산 경로는 Si3N4 / Ti5Si3+ TiN / TiN / Ti로 나타났고, Ti 측면에서 TiN층이 생성 되었음으로 N의 확산 속도가 Si 보다 빠름을 알 수 있었다.
대상 데이터
준비된 시험편은 스테인리스강으로 제작된 두 개의 플레이트를 볼트로 고정하여 Si3N4/ Ti 및 Si3N4/ TiAl을 제작 하였다. Fig.
이론/모형
하지만, 매우 낮은 고용도를 가지는 금속간화합물의 경우에 농도의 구배는 거의 존재하지 않다. 이러한 농도구배가 거의 존재하지 않는 상의 생성에 대하여 Wagner는 적분확산계수(Dint(integrated diffusion coefficient))를 소개하였다.14) 즉, 적분확산계수는 몰분율이 N' 부터 N"인 상에 대한 상호확산계수의 적분 값으로써 식(1)과 같이 표현할 수 있다.
성능/효과
Si3N4 / Ti의 확산 쌍의 확산 경로는 Si3N4 / Ti5Si3+ TiN / TiN / Ti로 나타났고, Ti 측면에서 TiN층이 생성 되었음으로 N의 확산 속도가 Si 보다 빠름을 알 수 있었다. Si3N4 / TiAl 합금의 확산쌍은 Si3N4 /Ti 사이의 확산쌍과는 다르게 Si, N, Ti, Al 의 각 원소마다의 확산 속도 차이로 인하여 확산 경로는 Si3N4 /TiN(Al) / Ti3Al / TiAl 상으로 나타났다. 상태도를 통하여 생성된 확산쌍의 확산경로를 파악한 결과, 확산경로의 요구사항을 모두 만족하였다.
C에서 확산쌍을 제조하여 분석하고, 확산층의 분석을 통하여 생성된 층마다의 조성을 분석하여 각 원소들의 확산 경로 및 속도를 비교 하였다. Si3N4 / Ti의 확산 쌍의 확산 경로는 Si3N4 / Ti5Si3+ TiN / TiN / Ti로 나타났고, Ti 측면에서 TiN층이 생성 되었음으로 N의 확산 속도가 Si 보다 빠름을 알 수 있었다. Si3N4 / TiAl 합금의 확산쌍은 Si3N4 /Ti 사이의 확산쌍과는 다르게 Si, N, Ti, Al 의 각 원소마다의 확산 속도 차이로 인하여 확산 경로는 Si3N4 /TiN(Al) / Ti3Al / TiAl 상으로 나타났다.
Si3N4 / TiAl 합금의 확산쌍은 Si3N4 /Ti 사이의 확산쌍과는 다르게 Si, N, Ti, Al 의 각 원소마다의 확산 속도 차이로 인하여 확산 경로는 Si3N4 /TiN(Al) / Ti3Al / TiAl 상으로 나타났다. 상태도를 통하여 생성된 확산쌍의 확산경로를 파악한 결과, 확산경로의 요구사항을 모두 만족하였다. Si3N4 / Ti 확산에서 Ti를 이용한 적분확산 계수는 Ti5Si3, TiN에서 2.
후속연구
48 × 10−15m2/sec으로 나타났다. 본 연구는 Si3N4와 Ti 및 TiAl의 계면 반응을 분석한 결과로서 Si3N4 상을 이용한 확산반응의 기초자료로 사용될 수 있을 것으로 사료된다. ;
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Si3N4는 그 결정구조 때문에 어떤 응용분야에 사용되는가?
Si3N4는 우수한 내마모성으로 인하여 주목 받고 있는 세라믹재료로서 구조재료뿐 아니라 전자소재부분에서도 많은 잠재성을 보유하고 있다.1-4) 특히, Si3N4는 주로 마이크로 일렉트로닉스, 태양전지 및 내마모성 응용 분야에서 사용되며 다양한 결정구조를 가지기 때문에 주목받고 있다.5) 또한, Si3N4는 필러 메탈로서 브레이징의 재료로 사용되고 있음으로 다른 금속과의 고온반응시 새로운 상의 형성은 중요한 요소로 고려되고 있는 실정이다.
TiAl 재료는 어디에 사용되는가?
이러한 저자들은 계면 반응에 대한 생성상은 Si3N4의 상태에 따른 변화를 보고하였으나, 온도 및 시간에 따른 생성상의 속도론적인 고찰이 미흡하여 이에 대한 보다 자세한 연구가 필요하다고 사료된다. 한편, 최근 TiAl 재료는 비행체의 터어빈 블래이드 와 터보 차져에 사용되고 있어 다시 각광을 받고 있는 소재이다. 따라서, 재료의 접합 측면에서 고온에서 사용이 가능한 구조재료인 TiAl과 내마모성이 우수한 Si3N4를 결합하여 사용한다면, 복합적인 특성을 활용할 수 있는 고온재료로 응용될 수 있어 이에 대한 기초 연구가 필요하다고 사료된다.
Si3N4와 Ti에 대한 계면반응에 대해 어떤 연구들이 이루어졌는가?
Si3N4와 Ti에 대한 계면반응은 기존의 연구자들에 의하여 다양하게 연구되어 왔다.8-11) Maeda등은 1000 oC 이상에서 계면 반응을 고찰한 결과, 중간상으로서 TiN과 Ti5Si3층이 단일층과 복합층으로 생성되는 것을 보고하였고,12) Paulasto등은 열역학 계산을 수행하여 TiN과 Ti5Si3상이 단일층으로 생성되는 것을 보고하였다.11) Si3N4와 Ti의 계면반응이 상이한 결과를 나타내는 이유는 Si3N4 소결조건에 따라 생성상의 형상등은 일부 변화가 있다고 사료된다.
참고문헌 (14)
W. S. Kim, W. S. Hong, S. H. Park and K. B. Kim, Korean J. Mater. Res., 17, 402 (2007).
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