[논문]롤 본딩된 Ti/Al/Ti 3-ply 다층금속 판재의 접합강도 향상을 위한 최적 후열처리 조건 도출

김민호; 봉혁종; 김지훈; 이광석

doi:10.5228/kstp.2022.31.4.179

[국내논문] 롤 본딩된 Ti/Al/Ti 3-ply 다층금속 판재의 접합강도 향상을 위한 최적 후열처리 조건 도출
Optimal Post Heat-treatment Conditions for Improving Bonding Strength of Roll-bonded 3-ply Ti/Al/Ti Sheets 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.31 no.4, 2022년, pp.179 - 185

김민호 (한국재료연구원 재료공정연구실, 부산대학교 기계공학부) , 봉혁종 (한국재료연구원 재료공정연구실) , 김지훈 (부산대학교 기계공학부) , 이광석 (한국재료연구원 재료공정연구실)

Abstract ▼ AI-Helper

The influence of post-roll bonding heat treatment conditions such as temperature and time on the variation in the diffusion layer, generated at the bonding interface and the subsequent mechanical properties of the roll-bonded Ti grade 1/Al1050/Ti grade 1 sheets, was systematically investigated. The intermetallic compound (IMC) phase generated by post heat treatment conditions adopted in this study was obviously indexed as monolithic TiAl3. Whereas the thickness of IMC layer generated by annealing at 500 ℃ was approximately 100 nm scale, it drastically increased above 1.5 ㎛ when annealed at 600 ℃. Uniaxial tensile and peel tests were then performed to compare mechanical properties. As a result, the bonding strength drastically increased above 7.9 N/mm by annealing at 600 ℃, which implies that proper annealing condition was a prerequisite, to improving interface bonding strength as well as global elongation properties for Ti/Al/Ti 3-ply sheet.

Keyword

표/그림 (12)

그림 Fig. 1 Schematic diagram for manufacturing process of Ti/Al/Ti multi-layered sheet.
표 Table 1 Chemical compositions of the constituent alloys adopted in this study.
표 Table 2 Annealing conditions of Ti/Al/Ti 3-ply sheets adopted in this study.
그림 Fig. 2 (a) Picture of the ASTM E8 sub-size specimen used for uniaxial tensile test. (b) Schematic diagram of the ISO 11339 specimen used for the peel test adopted in this study. (c) The appearance of the peel test specimen installed in the universal tensile tester.
그림 Fig. 3 (a) Representative SEM image of the Ti/Al interface subjected to heat treatment at a temperature of 400 ℃ to 600 ℃ for 5 hours. (b) Thickness comparison graph of the IMC layers at the Ti/Al interface obtained by SEM images.
그림 Fig. 4 Ti/Al interface images from the representative specimen heat-treated (a) at 500 ℃ for 2 hours, and (b) at 600 ℃ for 5 hours.
그림 Fig. 5 EDS mapping images obtained from the representative specimens heat-treated (a) at 500 ℃ for 2 hours, and (b) at 600 ℃ for 5 hours.
$Fig. 6 Bright-field TEM images obtained from the representative specimens heat-treated (a) at 500 ℃ for 2 hours and (b) at 600 ℃ for 5 hours. Selected area diffraction patterns obtained from the redrectangular boxes in (c) Fig. 6(a) and (d) Fig. 6(b), respectively.$ 그림 Fig. 6 Bright-field TEM images obtained from the representative specimens heat-treated (a) at 500 ℃ for 2 hours and (b) at 600 ℃ for 5 hours. Selected area diffraction patterns obtained from the redrectangular boxes in (c) Fig. 6(a) and (d) Fig. 6(b), respectively.
표 Table 3 Chemical compositions measured at four points (P1~P4) from Fig. 4(b).
그림 Fig. 8 Engineering stress-strain curves for heat treatment conditions of Ti/Al/Ti 3-ply specimens which were heat-treated at different temperatures for 5 hours.
그림 Fig. 7 (a) OM images of A3 and A9 with nano indenter press-fitting marks. (b) SEM image of point number 5 of press-fitting marks of A3 and A9. (c) Hardness measurement graph of A3 and A9 specimens.
그림 Fig. 9 Comparison between the thickness of the IMC layer created at the Ti/Al interface bonding strength.

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

이에 본 연구에서는 폭 80 mm급 Ti/Al/Ti 3-ply 이종금속 판재의 롤 본딩 공정 적용 제조 가능 조건및 접합 강도 향상을 위한 최적 후열처리 조건을 도출하고자 하였다.
본 연구에서는 롤 본딩 공법으로 제작된 Ti/Al/Ti 3-ply 다층금속판재의 계면 접합 강도 향상을 위한 최적 열처리 조건을 도출하기 위한 다양한 실험 및 분석을 진행하였으며, 그 결과는 하기와 같이 정리할 수 있다.

제안 방법

롤 본딩 및 열처리한 시편들의 구성 모재 및 Ti/Al 계면 미세 조직은 에너지 분산형 X-선 분석기 (Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy, 이하 EDS)가 부착된 전계방사형 주사전자현미경(Field-Emission Scanning Electron Microscope, 이하 FE-SEM), 후방산란전자 회절패턴분석기(Electron Back-Scatter Diffraction, EBSD) 및 투과전자현미경(Transmission Electron Microscope, 이하 TEM, model Hitachi HF5000)을 이용해 확인하였다.
Ti/Al/Ti 3-ply 다층금속판재의 후열처리 전후 Ti/Al 계면에 생성된 나노 혹은 수 마이크로미터 스케일 금속간 화합물층(Intermetallic compounds, 이하 IMCs) 경도 측정을 위해 나노인덴터(모델명 Nanotest Xtreme, Micro Materials)를 활용하였다. Berkovich Diamond팁을 사용했으며, 계면 근방의 범위를 100 ㎛ X 100 ㎛로 3D mapping한 후 측정 포인트를 지정하여 진행함에 있어, depth-load type으로 최대 하중을 5mN으로 설정하여 Ti grade1, 금속간 화합물층, Al1050 위치별 경도 데이터를 비교하였다.
후 열처리 조건이 전체 3-ply 다층금속판재의 기계적 물성에 미치는 영향을 확인해보기 위해 또한 일축 인장 시험을 진행하였다. 일축 인장 시험에 사용한 인장시편은 Fig.
또한 열처리 온도에 따른 Ti/Al/Ti 다층금속판재의 계면 접합 강도 변화를 보기 위해 박리 실험을 진행하였다. 시편 사이즈는 ISO 11339 규격으로 Fig.
Ti/Al 금속간화합물층의 정확한 두께 및 상 확인을 위해 TEM을 이용하여 Ti/Al 계면을 측정하였다. Fig.
롤 본딩 제조된 Ti/Al/Ti 다층금속 판재의 후 열처리 조건에 따라 계면에 생성되는 금속간화합물층의물성 확인을 위해 우선 저온(400 ℃, A3) 및 고온 (600 ℃, A9)에서 열처리한 두 개의 시편에 대해 나노압입시험기를 활용하여 구성 모재군 및 계면 경도를 측정하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 모재는 Ti/Al 2-ply 판재로 길이 200 mm, 폭 80 mm, 두께 0.8 mm이며, 구성 소재는 순티타늄(Grade 1)과 알루미늄(Al1050)으로 화학 성분은 표 1과 같다. 이를 활용한 Ti/Al/Ti 3-ply 다층금속 판재 제조를 위한 롤 본딩 공정은 Fig.
Al 표면을 400메쉬의 사포로 그라인딩하여 표면에 생성된 알루미늄 산화층을 제거하였으며, 원활한 접합을 위해 400 ℃의 온도에서 가열한 후 접합하였다. 이 때 압하율은 대략적으로 25% 내외로 설정하였으며, 롤 본딩 공정을 거친 Ti/Al/Ti 3-ply 다층금속 판재는 길이 약 240 mm, 폭 80 mm, 두께는 1.2 mm수준이었다. Ti/Al/Ti 3-ply 다층금속 판재 물성에 영향을 미치는 최적의 후열처리 조건을 도출하기 위한모든 열처리 환경은 관상로에서 진행하였고, 후 열처리 시간 및 온도에 따른 시편 번호는 표 2와 같이 정리하였다.
2 mm수준이었다. Ti/Al/Ti 3-ply 다층금속 판재 물성에 영향을 미치는 최적의 후열처리 조건을 도출하기 위한모든 열처리 환경은 관상로에서 진행하였고, 후 열처리 시간 및 온도에 따른 시편 번호는 표 2와 같이 정리하였다.
후 열처리 조건이 전체 3-ply 다층금속판재의 기계적 물성에 미치는 영향을 확인해보기 위해 또한 일축 인장 시험을 진행하였다. 일축 인장 시험에 사용한 인장시편은 Fig. 2(a)의 실사와 같이 표점 거리 (gage length)가 25 mm인 ASTM E8 sub-size로 제작하였고, 1,000 kN의 로드셀(Load Cell)이 장착된 인장 시험 기(Universal Testing Machine, UTM)를 사용하였다.

이론/모형

Ti/Al/Ti 3-ply 다층금속판재의 후열처리 전후 Ti/Al 계면에 생성된 나노 혹은 수 마이크로미터 스케일 금속간 화합물층(Intermetallic compounds, 이하 IMCs) 경도 측정을 위해 나노인덴터(모델명 Nanotest Xtreme, Micro Materials)를 활용하였다. Berkovich Diamond팁을 사용했으며, 계면 근방의 범위를 100 ㎛ X 100 ㎛로 3D mapping한 후 측정 포인트를 지정하여 진행함에 있어, depth-load type으로 최대 하중을 5mN으로 설정하여 Ti grade1, 금속간 화합물층, Al1050 위치별 경도 데이터를 비교하였다.
열처리를 진행한 Ti/Al/Ti 3-ply 다층금속판재의 계면을 방전가공한 후, 시편 그립부를 벌려 T 자 모양으로 만들어 Fig. 2(c)와 같이 만능 인장 시험기 홀더에 박리 시편 그립부를 물려 분당 6 mm의 속도로 계면 박리 실험(T-peel test)을 진행하였다.

성능/효과

(1) 본 연구에서 진행한 롤 본딩 후열처리 조건 범위(400~600 ℃, 2~5 시간)에서 Ti/Al 계면에 생성된 IMC layer는 TEM을 활용한 EDS 및 회절 패턴 분석결과 TiAl₃ 단일 상으로 확인할 수 있었다.
(2) 나노압입시험기를 사용하여 열처리 조건에 따른 모재 및 계면 금속간화합물층 경도의 차이를 확 인하였다. Al 및 Ti 층은 본 연구에서의 열처리 조건과 상관없이 각각 0.
(2) 나노압입시험기를 사용하여 열처리 조건에 따른 모재 및 계면 금속간화합물층 경도의 차이를 확 인하였다. Al 및 Ti 층은 본 연구에서의 열처리 조건과 상관없이 각각 0.27 GPa, 2.51 GPa 내외로 거의 유사한 경도 값을 보였고, TiAl₃ 금속간화합물층의 경도값은 7.79 GPa 이상으로 상당히 높은 값을 보였다.
(3) 열처리 조건에 따른 응력-변형률 선도를 보았을때 열처리를 하지 않은 AR 시편의 항복강도 값이 141.4 MPa 로 가장 높게 측정되었다. 반면에 연신율은 열처리 온도가 올라갈수록 증가하는 경향을 확인하였다.
4 MPa 로 가장 높게 측정되었다. 반면에 연신율은 열처리 온도가 올라갈수록 증가하는 경향을 확인하였다.
(4) 400 ℃에서 열처리한 시편의 접합강도는 4 N/mm 이하이며, 500 ℃에서 열처리한 시편의 접합강도는 5 N/mm 내외로 400 ℃의 접합강도 결과에 비해 유의미한 차이는 없었다. 반면에 600 ℃에서 열처리한 시편의 접합강도는 최소 7.
(4) 400 ℃에서 열처리한 시편의 접합강도는 4 N/mm 이하이며, 500 ℃에서 열처리한 시편의 접합강도는 5 N/mm 내외로 400 ℃의 접합강도 결과에 비해 유의미한 차이는 없었다. 반면에 600 ℃에서 열처리한 시편의 접합강도는 최소 7.9 N/mm, 최대 17.9 N/mm 로 다른 열처리 조건에 비해 큰 차이를 보였으며, 이로부터 계면에 TiAl₃ 단일 상을 유지하면서 그 두께를 1.5 ㎛ 이상 수준까지 증가시킴으로써 유의미한 접합강도 증가 효과를 도출하였다.

참고문헌 (14)

J. Lacaze, S. Tierce, M. C. Lafont, Y. Thebault, N. Pebere, G. Mankowski, C. Blanc, H. Robidou, D. Vaumousse and D. Daloz, 2005, Study of the microstructure resulting from brazed aluminum materials used in heat exchangers, Mater. Sci. Eng. A, vol. 413, pp. 317-321. https://doi.org/10.1016/j.msea.2005.08.187

상세보기
K.S. Lee, Y.S. Lee, Y.N. Kwon, 2014, Influence of Secondary Warm Rolling on the Interface Microstructure and Mechanical Properties of a Roll-Bonded Three-Ply Al/Mg/Al Sheet, Mater. Sci. Eng. A, vol. 606, pp. 205-213. https://doi.org/10.1016/j.msea.2014.03.082

상세보기
X. Li, G. Zu, M. Ding, Y. Mu, P. Wang, 2011, Interfacial microstructure and mechanical properties of Cu/Al clad sheet fabricated by asymmetrical roll bonding and annealing, Mater. Sci. Eng. A, vol 529, pp. 485-491. https://doi.org/10.1016/j.msea.2011.09.087

상세보기
P.P. Gudur, M.A. Salunkhe, U.S. Dixit, 2007, A theoretical study on the application of asymmetric rolling for the estimation of friction, Int. J. Mech. Sci., vol 50, pp. 315-327. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2007.06.002

상세보기
K.X. Liu, W.D. Liu, J.T. Wang, H.H. Yan, X.J. Li, Y.J. Huang, X.S. Wei, J. Shen, 2008, Atomic scale bonding of bulk metallic glass to crystalline aluminum, Appl. Phys. Lett., vol. 93, 081918. https://doi.org/10.1063/1.2976667

상세보기
M.H. Bina, F. Dehghani, M. Salimi, 2013, Effect of heat treatment on bonding interface in explosive welding copper/stainless steel, Mater. Des., vol. 45, pp. 504-509. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2012.09.037

상세보기
H. Zhao, Y. Zhou, P. Li, Z. Huang, 2012, An investigation of the microstructure and properties of the explosively welded Gr5-SS304 clad plates for golf heads, Int. J. Mater. Res., vol. 103, pp. 571-574. https://doi.org/10.3139/146.110722

상세보기
S. Dziallach, W. Bleck, M. Kohler, G. Nicolini, S. Richter, 2009, Roll-bonded titanium/stainless-steel couples, part 1: Diffusion and interface-layer investigations, Adv. Eng. Mater., vol. 11, pp. 75-81. https://doi.org/10.1002/adem.200800276

상세보기
W. Yao, A.P. Wu, G.S. Zou, J.L. Ren, 2008, Formation process of the bonding joint in Ti/Al diffusion bonding, Mater. Sci. Eng. A, vol. 480, pp. 456-463. https://doi.org/10.1016/j.msea.2007.07.027

상세보기
P. Wang, Z. Chen, C. Hu, B. Li, J. Lin, Q. Liu, 2020, Effects of annealing on the interface microstructures and mechanical properties of hot roll bonded Ti6Al4V/AA6061 clad sheets, J. Mater. Res. Tech., vol. 9, pp. 11823-11825. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2020.08.070

상세보기
Y. M. Jo, K.S. Lee, N.H. Kang, Y.S. Lee, 2014, Influence of annealing on the interface-correlated mechanical properties of a Ti/STS clad sheet, Korean J. Met. Mater., vol. 52, pp. 881-891. 0.3365/KJMM.2014.52.11.881

상세보기
K.S. Lee, S.J. Bea, H.W. Lee, S.H. Kang, 2017, Interface-correlated bonding properties for a roll-bonded Ti/Al 2-ply sheet, Mater. Char., vol. 134, pp. 163-171. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2017.10.009

상세보기
H. Xiao, Z. Qi, C. Yu, C Xu, 2017, Preparation and properties for Ti/Al clad plates generated by differential temperature rolling, J. Mater. Proc. Tech., vol. 249, pp. 285-290. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2017.06.013

상세보기
D.H. Lee, J.S. Kim, H.J. Song, S.H. Lee, 2017, Tensile property improvement in Ti/Al clad sheets fabricated by twin-roll casting and annealing, Met. Mater. Int., vol. 23, pp. 805-812.

상세보기

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증