[논문]타이타늄 합금 분말 형상 및 치밀화 기구에 따른 미세조직 및 기계적 물성 영향 연구

김영무; 권영삼; 송영범; 이성호

doi:10.4150/kpmi.2019.26.4.311

[국내논문] 타이타늄 합금 분말 형상 및 치밀화 기구에 따른 미세조직 및 기계적 물성 영향 연구
Effects of Powder Shape and Densification Mechanism on the Microstructures and Mechanical Properties of Ti-6Al-4V Components 원문보기

한국분말야금학회지 = Journal of Korean Powder Metallurgy Institute, v.26 no.4, 2019년, pp.311 - 318

김영무 (국방과학연구소) , 권영삼 ((주)쎄타텍) , 송영범 (국방과학연구소) , 이성호 (국방과학연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

The objective of this study is to investigate the influence of powder shape and densification mechanism on the microstructure and mechanical properties of Ti-6Al-4V components. BE powders are uniaxially and isostatically pressed, and PA ones are injection molded because of their high strengths. The isostatically compacted samples exhibit a density of 80%, which is higher than those of other samples, because hydrostatic compression can lead to higher strain hardening. Owing to the higher green density, the density of BE-CS (97%) is found to be as high as that of other samples (BE-DS (95%) and P-S (94%)). Furthermore, we have found that BE powders can be consolidated by sintering densification and chemical homogenization, whereas PA ones can be consolidated only by simple densification. After sintering, BE-CS and P-S are hot isostatically pressed and BE-DS is hot forged to remove residual pores in the sintered samples. Apparent microstructural evolution is not observed in BE-CSH and P-SH. Moreover, BE-DSF exhibits significantly fine grains and high density of low-angle grain boundaries. Thus, these microstructures provide Ti-6Al-4V components with enhanced mechanical properties (tensile strength of 1179 MPa).

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이에 본 논문에서는 Ti-6Al-4V 합금의 BE 및 PA 분말에 따른 성형 및 소결 거동을 비교 평가하였으며, 이에 따른 미세조직 변화를 분석하였다. 또한 소결체의 후 처리 공정인 열간 등압 성형 및 열간 단조에 따른 미세조직 변화 및 기계적 물성을 평가함으로서, Ti-6 Al-4V 원소재 분말에 따른 공정 변수, 미세조직 및 물성에 대한 연관성을 비교 분석 하였다.

제안 방법

이에 본 논문에서는 Ti-6Al-4V 합금의 BE 및 PA 분말에 따른 성형 및 소결 거동을 비교 평가하였으며, 이에 따른 미세조직 변화를 분석하였다. 또한 소결체의 후 처리 공정인 열간 등압 성형 및 열간 단조에 따른 미세조직 변화 및 기계적 물성을 평가함으로서, Ti-6 Al-4V 원소재 분말에 따른 공정 변수, 미세조직 및 물성에 대한 연관성을 비교 분석 하였다.
또한 치밀화 방법에 따른 시편의 표기는 표 2에 나타내었다. 분말 및 소결체의 특성 평가의 경우, 분말의 입도와 분포는 레이저 회절 입도 분석기(LS 230, Beckmann Coulter)를 통해, 그리고 화학 조성 분석의 경우, Ti, Al, V 및 Fe 등 금속 원소는 발광 분광 분석기(ARL 4460, Thermo Scientific) 로, 침입형 원소인 C, H, N, O는 불활성 가스 용융 분석 기(836 series, LECO)를 통해 측정하였다. 또한 소결체 및 후 처리된 시편의 밀도는 아르키메데스법으로, 그리고 미세 조직 분석은 0.

대상 데이터

본 연구에서는 수소화-탈수소화 공정으로 제조된 순수 Ti 분말(Xi’an Sailong Metal Materials Co., 중국) 과 테르 밋 반응으로 제조된 6Al/4V 모합금(Xi’an Sailong Metal Materials Co., 중국) 분말을 무게 대비 9:1로 볼 밀링하여 제조한 혼합 분말과, 플라즈마 분무 공정으로 제조된 Ti- 6Al-4V(AP&C, 캐나다) 합금 분말을 사용하였다. 우선, 혼합 분말의 성형체 제조는 원통형의 고무 몰드에 분말을 충진한 후, 400 MPa 의 압력으로 냉간 등압 성형하거나, 원통형(소결성 평가용) 혹은 인장 시편 형상(기계적 물성 평가용) 금형에 분말을 충진한 후 위와 동일한 압력으로 일축 성형하였다.

성능/효과

또한 Ti-6Al-4V 분말 종류 및 성형 방법에 따른 소결 밀도 영향을 그림 4에 나타내었다. 소결 온도가 750^oC부터 1350^oC까지 증가 함에 따라 PA-S, BE-DS 및 BE-CS의 소결 밀도는 각각 59%부터 94%, 75%에서 95%, 그리고, 80%에서 97%으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 우선 BE 분말 소결체의 밀도가 PA 소결체 보다 소결 온도 전 영역에서 높은 밀도를 나타내었다.
이로 인해, PA 분말은 BE 분말 대비 입도가 작음에도 불구하고, 냉간 성형으로 인한 분말 간의 기계적 결합이 없어, BE 분말성 형체보다 소결 시작 온도는 높으나, 수축은 빠른 것으로 진행되는 것으로 확인되었다. 또한 PA-S, BE-DS 및 BE- CS의 소결성은 초기 성형체의 밀도 차이에 기인하여, P-S 가 BE 소결체 보다 소결밀도가 낮으며, 또한 BE-CS가 BE-DS보다 높은 것으로 나타났다. 이는 PA 분말의 경우, 외부 압력에 의한 성형이 불가하기 때문이고, BE 분말의 경우, 일축 성형 보다 정수압 성형의 가공 경화도가 높기 때문이다.
또한 소결체의 잔류 기공 제거를 위해 열간 등압 성형 및 열간 단조를 수행한 결과, 열간 등압 성형의 경우, 성형 전후의 결정립도 변화는 거의 없으나, 기공 제거로 인해 연신 특성이 향상 되는 것으로 분석하였다(P-SH, BE- CSH). 반면에, 열간 단조 후에는 항복 강도가 1 GPa 이상으로 급격히 증가함을 확인하였는데, 이는 결정립 미세화와 높은 저각 결정립계의 밀도로 인해 전위 이동에 대한 저항성이 높아짐에 기인한다고 분석하였다.
이에 반해 PA 분말의 치밀화는 분말 제조 시 합금화가 완료되었으므로, 분말 자체의 소결만 일어난다. 이로 인해, PA 분말은 BE 분말 대비 입도가 작음에도 불구하고, 냉간 성형으로 인한 분말 간의 기계적 결합이 없어, BE 분말성 형체보다 소결 시작 온도는 높으나, 수축은 빠른 것으로 진행되는 것으로 확인되었다. 또한 PA-S, BE-DS 및 BE- CS의 소결성은 초기 성형체의 밀도 차이에 기인하여, P-S 가 BE 소결체 보다 소결밀도가 낮으며, 또한 BE-CS가 BE-DS보다 높은 것으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Ti에 후 처리 공정이 필요한 이유는?	이러한 분말 특성 차이는 이후의 성형 및 소결 공정에 영향을 미치게 된다. 또한, Ti의 침입형 원소와의 높은 반응성 때문에 다른 금속 분말과 달리 미립 분말의 적용이 어려워, 비가압 소결 시 잔류 기공이 존재할 확률이 매우 높아 이를 제거하기 위한 후 처리 공정이 반드시 필요하다. 이에 현재까지 Ti-6Al-4V 분말 관련 연구는 각 분말에 적합한 치밀화 공정을 연구하고, 이에 따른 침입형 원소 함량을 제어함으로서 실제 부품에 적용 가능한 물성 수준을 확보하는 데 집중되어 있다[25].
	성형 및 소결 공정에 영향을 미치는 Ti-6Al-4V의 분말 특성 차이는 어떻게 나타나는가?	Ti-6Al-4V의 경우, 합금 구성 원소인 Ti, Al 및 V 입자를 혼합한 BE 분말과, 모합금을 분무법 등을 통해 제조한 PA 분말이 적용된다 [23]. 일반적으로, BE 분말은 수소화-탈수소화 공정을 통해 제조하므로, 불규칙한 분말 형상을 나타내며, 비교적 침입형 원소의 함량이 높은 특징이 있다[24]. 이에 비해 PA 분말은 가스 혹은 플라즈마 분무법 등을 통해 제조되며, 이로 인해 침입형 원소의 함량이 매우 낮고 구형의 형상을 나타낸다[24]. 이러한 분말 특성 차이는 이후의 성형 및 소결 공정에 영향을 미치게 된다.
	타이타늄은 무엇인가?	타이타늄(Titanium, 이하 Ti)은 지각을 구성하는 금속 원소 중 4번째로 매장량이 풍부하고, 대부분 금홍석(rutile) 내에 산화물(TiO2) 형태로 존재하고 있으며, ASTM 규격 에 의거 조성에 따라 39 등급(grade)으로, 그리고 결정 구조에 따라 α, α+β, β 합금으로 구분할 수 있다[1]. 이들 중, α+β 합금은 타 합금 대비 우수한 강도, 인성 및 가공성 등을 나타내어, 전 세계 타이타늄 사용량의 50% 이상을 점유하고 있다[1].

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