[논문]열간가공된 γ-TiAl 합금의 미세조직 제어 및 기계적 특성 평가

박성현; 김재권; 김성웅; 김승언; 박노진; 오명훈

doi:10.12656/jksht.2019.32.6.256

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The microstructural features and texture development by both hot rolling and hot forging in ${\gamma}-TiAl$ alloy were investigated. In addition, additional heat treatment after hot forging was conducted to recognize change of the microstructure and texture evolution. The obtained microst...

The microstructural features and texture development by both hot rolling and hot forging in ${\gamma}-TiAl$ alloy were investigated. In addition, additional heat treatment after hot forging was conducted to recognize change of the microstructure and texture evolution. The obtained microstructural features through dynamic recrystallization after hot deformed ${\gamma}-TiAl$ were quite different because two kinds of formation process were occurred depending on deformation condition. However, analyzed texture tends to be random orientation due to intermediate annealing up to ${\alpha}+{\beta}$ region during the hot deformation process. After additional heat treatment, microstructure transformed into fully lamellar microstructure and randomly oriented texture was also observed due to the same reason as before. Tensile test at room temperature demonstrated that anisotropy of mechanical properties were not appeared and transgranular fracture was occurred between interface of ${\alpha}_2/{\gamma}$. As a result, it could be suggested that microstructural features influenced much more than texture development on mechanical properties at room temperature.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Prediction of Ti-Al-5Nb Ternary pseudo-phase diagram (Red dotted line) by Thermo-Calc after adding 5Nb (at.%) and Ti-Al binary equilibrium phase diagram for reference (Black solid line).
$Fig. 2. Schematic representation of hot rolling, hot forging and additional heat treatment process for microstructure control to fully lamellar microstructure. Left image is correspond with the phase volume fraction in α+β region.$ 그림 Fig. 2. Schematic representation of hot rolling, hot forging and additional heat treatment process for microstructure control to fully lamellar microstructure. Left image is correspond with the phase volume fraction in α+β region.
그림 Fig. 3. Optical microscopy observation obtained from (a) as-cast, (b) as-rolled, (c) as-forged and (d) after heat treatment using as-forged specimen for the fully lamellar microstructure, respectively.
그림 Fig. 4. Random distribution of γ-TiAl phase of inverse pole figure maps in (a) as-rolled and (b) as-forged state.
그림 Fig. 5. Recalculated (001), (100) and (111) pole figures of the γ-TiAl phase in (a) as-rolled and (b) as-forged state, respectively.
그림 Fig. 6. Inverse pole figures of the γ-TiAl phase in (a) as-forged state and (b) after heat treatment for the fully lamellar microstructure to compare the intensity of texture development.
그림 Fig. 7. Room temperature stress-strain curve from tensile test of fully lamellar microstructure with LD and TD orientations.
$Fig. 8. SEM images of the fracture surface after room temperature tensile test for the fully lamellar micros-tructure with (a) LD and (b) TD orientations.$ 그림 Fig. 8. SEM images of the fracture surface after room temperature tensile test for the fully lamellar micros-tructure with (a) LD and (b) TD orientations.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 β안정화 원소가 첨가된 γ-TiAl 합금을 대상으로 열간압연 및 열간단조에 의해 형성되는 미세조직과 집합조직의 변화를 관찰하였으며, 열단단조 후 수행한 조직제어 열처리에 따른 미세조직의 변화도 조사하였다. 그리고 상온인장시험을 통하여 미세조직과 집합조직의 변화가 기계적 물성에 미치는 영향을 파악하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

그리고 주 사전자현미경(JEOL Co. Ltd., JSM-7001F)을 통해 후방산란전자 회절패턴(Electron backscatter diffraction, EBSD)을 이용한 집합조직 관찰은 기계 연마 후 perchloric acid 25 ml + ethylene glycol 175 ml + methyl alcohol 325 ml 용액을 통해 전해연마 한 후에 3.5 μm의 step size로 진행하였으며, X-선 회절기(X-Ray Diffraction, DE/D-5005, Co-Kα선)를 이용한 경우 {111}, {002}, {200}, {202}, {113} 등 5개의 불완전 극점도를 측정하였다. 또한 열간단조 후 조직제어 열처리에 따른 변화를 확인하기 위한 조직제어 열처리 공정은 1290°C/30min-FC-800°C/6h-FC 조건으로 수행하였으며, 이후 위에서 언급한 것과 같은 방법으로 미세조직 및 집합조직의 변화를 관찰하였다.
따라서 본 연구에서는 β안정화 원소가 첨가된 γTiAl을 대상으로 열간압연 및 열간단조 가공공정을 진행하였을 때 나타나는 미세조직과 집합조직의 차이 를 관찰하고, 또한 열간단조 후 미세조직제어 열처리를 실시하여 이때 나타나는 미세조직과 집합조직의 변화도 함께 조사하였다. 그리고 상온인장 시험을 통해서 최종적으로 미세조직 제어와 집합조직 변화가 기계적 성질이 미치는 영향을 확인하였다.
2에 나타낸 그림과 같이 주조상태의 가공된 시험편으로부터 전기로를 사용하여 α+β상의 영역 온도까지 가열한 후 열간압연의 경우 4회에 걸쳐 총 압하율 70%까지, 열간단조의 경우 3회에 걸쳐 총 압하율 75%까지 수행하였다. 그리고 열간가공 중 불가피하게 발생하는 온도 저하로 인한 가공 불량을 최소화하기 위하여 매 가공 후 중간소둔(intermediate annealing)을 실시하였다.
따라서 본 연구에서는 β안정화 원소가 첨가된 γTiAl을 대상으로 열간압연 및 열간단조 가공공정을 진행하였을 때 나타나는 미세조직과 집합조직의 차이 를 관찰하고, 또한 열간단조 후 미세조직제어 열처리를 실시하여 이때 나타나는 미세조직과 집합조직의 변화도 함께 조사하였다. 그리고 상온인장 시험을 통해서 최종적으로 미세조직 제어와 집합조직 변화가 기계적 성질이 미치는 영향을 확인하였다.
마지막으로 관찰된 미세조직 및 집합조직이 기계적 성질에 미치는 영향은 표점거리 5 mm, 단면적 2×1 mm² 의 판상 시험편을 제작한 후 만능재료시험기(Galdabini, Galdabini Quasar 100)를 이용하여 대기 중에서 2×10⁴ s⁻¹의 변형속도로 상온 인장 시험을 수행하여 조사하였다.
미세조직은 광학현미경(Olympus, BX41M-LED)을 이용하여 열간가공된 시험편을 1 μm까지 미세연마한 후 불산 1.5 ml+염산 5 ml+증류수 100 ml 용액을 통해 수 초간 부식하여 관찰하였다. 그리고 주 사전자현미경(JEOL Co.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 β안정화 원소가 첨가된 γTiAl 합금의 조성은 Ti-44Al-5Nb-(Cr, W, Si, C) at.%으로 잉곳은 TiC(99.5%)를 제외한 순도 99.9% 이상의 원소들을 이용하여 Ar 분위기 하에서 플라즈마 아크 용해(Plasma arc melting) 방법을 통해 제조하였다. 그리고 잉곳의 균질도를 높이기 위해 최소 5번 이상 재용해를 실시하였으며, 그 후 열간압연용 시험편은 40×100×15 mm³ , 열간단조용 시험편은 φ50×100 mm의 크기로 가공하였다.

성능/효과

1. 열간압연 및 열간단조에 의해 형성되는 미세조직은 가공조건 차이 때문에 발생하는 서로 다른 동적 재결정기구로 인하여 상이하게 나타나는 것을 확인하였다.
2. 집합조직 측정결과 모든 시험편에서 무질서한 방위의 집합조직이 형성되었으며, 이는 가공 후 진행α+β영역에서의 중간소둔 때문에 기존에 형성되어 있던 집합조직이 소멸되었기 때문으로 판단되며, 또한 α상에서의 열처리를 통해 제어한 완전층상조직 에서도 같은 경향이 나타났다.
7에 나타내었다. 그 결과 완전층상조직이 가지는 미세조직의 이방성으로 인하여 취성적인 파괴가 나타나 파단 지점의 강도와 변형량만을 확인할 수 있었고, 인장 방향에 따른 파괴강도와 인장 연신율(파단지점까지의 변형량)의 변화는 눈에 띄게 관찰되지 않았다.
3. 완전층상조직의 상온인장시험 결과 시편방위에 따른 상온연신율의 차이가 거의 나타나지 않았다. 이는 γ-TiAl 층상조직의 파괴특성인 상경계(lamellar boundary)가 빠르게 박리되는 형태로 파단이 일어나 며, 따라서 집합조직의 영향보다는 미세조직 특성이 강하게 영향을 미친 결과로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	조직에 따라 인장 연신율의 이방성이 변화하는 이유는?	하지만 α+γ영역에서 80% 항온단조된 시험편에 조직제어 열처리를 수행한 후에 집합조직이 유지된 상태임을 확인하고 실시한 복합조직(Duplex microstructure) 및 준층상조직(Nearly lamellar microstructure)에서의 상온인장시험 결과에 의하면, 복합조직에서는 인장 연신율의 이방성이 크게 나타나는 반면에 준층상조직에서는 감소하는 경향을 나타내었다[13, 14]. 그 이유로는 미세조직 변화에 따른 파괴특성에 의한 결과로 복합조직의 경우에는 작은 등축정 결정립계를 따라 균열이 전파되어서 파단이 지연되지만, 층상조직의 경우에는 균열전파(Crack propagation)가 톱니바퀴 형태로 서로 결합된 결정립 계를 따라 균열이 전파되는 입계파괴보다는 우선적으로 약한 상 경계를 따라 빠르게 균열전파가 진행되는 박리현상(Lamellar boundary delamination)을 통한 입내파괴가 지배적으로 나타나기 때문이다. 본 연구에서도 이와 같은 경향을 확인할 수 있었는데, 그 예로서 Fig.
	γ-TiAl이 해결해야 할 문제점은?	금속간화합물 γ-TiAl은 높은 비강도를 가지며 우수한 내산화성 및 크리프 저항성 등을 바탕으로 에너지 효율 및 환경문제를 개선하기 위해 기존에 사용되고 있는 비행기와 자동차 엔진의 부품 등을 대체 할 수 있는 경량 고강도 내열재료이다[1-3]. 그러나 모든 금속간화합물들에서와 같이 γ-TiAl에서도 나타나는 상온에서의 낮은 연성은 이 재료의 실용화를 위해 해결해야 할 중요한 문제점이다. 따라서 이를 해결하기 위한 다양한 연구들이 진행되었으며 합금원소 첨가를 통한 기계적 특성 개선 및 열간단조, 열간압연 등의 열간가공 공정(Thermo-mechanical processing, TMP)을 이용한 미세조직 제어, 그리고 고온에서의 가공 변형 시 발생하는 동적 재결정 (Dynamic recrystallization) 및 집합조직(Texture) 형성을 통한 이방성의 활용은 γ-TiAl이 나타내는 낮은 상온연성을 개선할 수 있는 가능성을 제시하고 있다[2, 4-6].
	γ-TiAl의 특징은?	금속간화합물 γ-TiAl은 높은 비강도를 가지며 우수한 내산화성 및 크리프 저항성 등을 바탕으로 에너지 효율 및 환경문제를 개선하기 위해 기존에 사용되고 있는 비행기와 자동차 엔진의 부품 등을 대체 할 수 있는 경량 고강도 내열재료이다[1-3]. 그러나 모든 금속간화합물들에서와 같이 γ-TiAl에서도 나타나는 상온에서의 낮은 연성은 이 재료의 실용화를 위해 해결해야 할 중요한 문제점이다.

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