[논문]Ti-6Al-4V 소형 날개형상의 항온단조 공정 및 금형설계

염종택; 박노광; 이유환; 신태진; 홍성석; 심인옥; 황상무; 이종수

문제 정의

그러나, 항온단조공정은 고온에서 견딜 수 있는 고가의 금형재질과 함께 항온 유지를 위한 가열시스템 등의 관련설비에 많은 투자비가 요구되고 있어 Near Net Shaping 또는 Net Shaping을 통한 공정최소화에 의해 재료비 및 후 가공비를 절감할 수 있는 기술개발이 절실히 요구된다. 따라서, 본 연구에서는 Ti-6A1-4V 합금의 3D 날개형상에 대하여 단일공정에 의한 Near Net Shaping 항온 단조공정설계가 FEM 해석에 의해 수행되었고, 단조하중을 최소화하고 균일한 변형을 얻기 위한 금형 및 초기 빌렛(billet) 형상, 항온단조 공정조건 등을 제시하고자 하였다.
본 연구에서는 Ti-6A1-4V 합금 소형 날개 형상에 대한 항온단조 금형 및 공정설계가 3D FE 해석과 함께 수행되었고, 단조하중의 최소화와 균일 변형량 분포를 얻기 위한 여러 금형설계, 초기빌렛형상및 크기, 단조조건 등의 영향을 조사하였다. 공정설계 변수 중 금형의 flash 두께 및 폭과 함께 초기 빌렛형상과 크기는 하중의 증가와 균일 변형량 분포를 얻기 위해서 상당히 중요한 변수임을 알 수 있었고, 주어진 단조설비 및 환경에서 이들 변수를 최적화한 공정설계와 항온성형품의 외관검사 및 부위별 미세조직 관찰결과와의 .

가설 설정

이때 초기빌렛 형상 및 크기, 금형 및 공정설계는 단조작업의 용이성, 단조하중, 변형의 균일성 등을 기초로 이루어 졌다. FE 항온단조 공정해석은 강소성 (rigid-plastic)으로 가정하여 해석하였고, 항온단조임을 감안하여 금형 및 빌렛 모두 970℃ 로 설정하였으나 변형시 발생되는 변형 열은 해석에 반영되었다. 또한 항온단조속도는 5mm/s 로 가정하였고, 해석에 사용된 마찰계수와 계면 열전달 계수는 실제 실험으로부터 얻어진 0.
FE 항온단조 공정해석은 강소성 (rigid-plastic)으로 가정하여 해석하였고, 항온단조임을 감안하여 금형 및 빌렛 모두 970℃ 로 설정하였으나 변형시 발생되는 변형 열은 해석에 반영되었다. 또한 항온단조속도는 5mm/s 로 가정하였고, 해석에 사용된 마찰계수와 계면 열전달 계수는 실제 실험으로부터 얻어진 0.3 과 akW/m^C 를 적 용하였다.

제안 방법

FE 항온단조해석을 토대로 실제 Ti-6A1-4V 3D 날개형상의 항온단조를 수행하였으며, 금형에 이형 재인 BN 을 도포하고, glass 코팅된 소재를 안착한 후 진공분위기에서 850℃ 로 가열하여 성형을 수행하였다. 그림 6 은 항온단조에 의해서 얻어진 T1-6AI-4V 3D 날개형상에 대한 성형품사진을 나타낸 것이다.
금형과 소재의 온도를 동일하게 유지하는 항온단조에 앞서 Ti-6A1-4V 3D 날개형상의 열간단조시 미충진 및 성형결함 문제 등을 검토하기 위해서 열간단조에 의한 시험단조를 수행하였다. 금형과 초기빌렛은 그림 3 에 제시된 설계를 기초로 제작하였고, 초기빌렛은 가열시 산화방지를 위해잉ass 코팅을 실시하였으며, Alloy718 로 제작된 상하부 금형에는 이형재 역할로 Boron Nitride(BN)를 도포하였다.
금형과 초기빌렛은 그림 3 에 제시된 설계를 기초로 제작하였고, 초기빌렛은 가열시 산화방지를 위해잉ass 코팅을 실시하였으며, Alloy718 로 제작된 상하부 금형에는 이형재 역할로 Boron Nitride(BN)를 도포하였다. 열간 시험단조는 5mm/s 이하의 속도로 금형온도는 700℃, 빌렛온도는 970℃ 로 설정하여 시험하였다.
또한 균열 및 lap 등의 성형결함으로 발전할 수 있는 부위들이 나타나고 있음을 관찰할 수 있다. 따라서, 미충진, 과도한 소성변형 문제를 해결하기 위해서 각 모서리 및 각진 부위에 대한 R3 이상의 rounding 을 부가하여 금형을 수정하였다. 또한 부족한 소재를 채우기 위해 초기 빌렛의 단면적을 최대한으로 넓게 변경하여 성형하중을 최대한 감소시키고 변형량 분포가 균일하게 되도록 수정하였다.
열간 시험단조는 5mm/s 이하의 속도로 금형온도는 700℃, 빌렛온도는 970℃ 로 설정하여 시험하였다. 또한 단계별 성형거동을 이해하기 위해 성형하중을 200 톤과 400 톤이 걸리는 시점에서 시험을 중단하고 그때의 시험편형상을 관찰하였다. 그림 4는 400 톤까지의 단조하중으로 열간 시험단조한 후 시험편의 외관을 관찰한 결과이다.
따라서, 미충진, 과도한 소성변형 문제를 해결하기 위해서 각 모서리 및 각진 부위에 대한 R3 이상의 rounding 을 부가하여 금형을 수정하였다. 또한 부족한 소재를 채우기 위해 초기 빌렛의 단면적을 최대한으로 넓게 변경하여 성형하중을 최대한 감소시키고 변형량 분포가 균일하게 되도록 수정하였다. 그러나, 수정된 금형 및 초기빌렛을 통해 열간단조를 수행할 경우 여전히 미충진부위와 과도한 변형의 흔적을 발견할 수 있었으며, 특히 성형하중의 부족으로 인해 원하는 형상을 구현하기가 어려운 것을 확인 할 수 있었다.
실제 Ti-6A1-4V 3D 날개형상의 항온단조에 앞서 FE 성형해석을 통해 성형성 및 성형하중 등을 검토하였고, 항온단조조건은 표 1 에 요약하였다. 표에서 알 수 있는 바와 같이 항온단조온도는 850℃ 를 선정하였으며, 이것은 기 보고된 논문에서 제시된 Ti-6A1-4V 합금의 최적 성형온도 조건을 기준으로 한 것이다.
초기금형형상을 토대로 그림 2 와 같은 3가지 형태의 초기 빌렛형상에 따라 FE 해석을 수행하였다. 그 결과 직사각형 형태(그림 2(c))는 최대하중이 -3000 톤 이상으로 나타났으며, 특히 위쪽 중심의 flame 부위에 변형이 집중(최대 유효 변형률 약 4.

대상 데이터

본 연구에서 항온단조공정에 활용된 3D 형상은 중량의 감소와 응력 등을 감안하여 설계된 실제 날개 flame 의 중요부분을 현재 본 연구에 활용하고자 하는 800 톤 유압프레스의 제한된 용량과 단조시 금속유동을 고려하여 축소한 형상으로 그림 1 에 나타내었다.

이론/모형

이러한 Ti64 3D 날개형상에 대한 기본도면을 기초로 하여 초기금형형상을 모델링하였고, FE 항온단조 공정 해석 은 상용 DEFORM-3D 를 이 용하여 수행하였다. 이때 초기빌렛 형상 및 크기, 금형 및 공정설계는 단조작업의 용이성, 단조하중, 변형의 균일성 등을 기초로 이루어 졌다.

성능/효과

또한 부족한 소재를 채우기 위해 초기 빌렛의 단면적을 최대한으로 넓게 변경하여 성형하중을 최대한 감소시키고 변형량 분포가 균일하게 되도록 수정하였다. 그러나, 수정된 금형 및 초기빌렛을 통해 열간단조를 수행할 경우 여전히 미충진부위와 과도한 변형의 흔적을 발견할 수 있었으며, 특히 성형하중의 부족으로 인해 원하는 형상을 구현하기가 어려운 것을 확인 할 수 있었다.
그림 7 에 제시된 항온단조품의 절단면 부위에대한 FE 해석 결과를 좀더 자세히 살펴 본 결과, 온도분포는 850~860℃ 정도로 변형열에 의한 최대온도상승이 약 1VC 정도로 균일하며, 유효변형량에 있어서는 0.3 -1.5 정도로 부위별로 다소 차이를 보이고는 있으나, 대부분 flash 생성 부위인 끝단에 변형이 집중되어 있고 중심부위의 변형률은 0.5 이하로 균일한 것으로 해석되었다. 이러한 해석결과는 미세조직관찰 결과에서 보여진 전체적으로 균일한 (a+8) structure 의 결과를 잘 반영 하는것이다.
변형량 분포에서 알 수 있는 바와 같이 균일변형에 의해 성형이 진행되는 것을 확인할 수 있으며, 온도 또한 일부 flash 생성부위를 제외하고 균일한 분포를 나타내고 있음을알 수 있다. 또한 해석상에 나타난 성형 최대하중이 700 톤 정도로 나타나 800 톤 유압프레스에서 성형이 가능한 것으로 해석되었다.
나타낸 것이다. 변형량 분포에서 알 수 있는 바와 같이 균일변형에 의해 성형이 진행되는 것을 확인할 수 있으며, 온도 또한 일부 flash 생성부위를 제외하고 균일한 분포를 나타내고 있음을알 수 있다. 또한 해석상에 나타난 성형 최대하중이 700 톤 정도로 나타나 800 톤 유압프레스에서 성형이 가능한 것으로 해석되었다.
공정설계 변수 중 금형의 flash 두께 및 폭과 함께 초기 빌렛형상과 크기는 하중의 증가와 균일 변형량 분포를 얻기 위해서 상당히 중요한 변수임을 알 수 있었고, 주어진 단조설비 및 환경에서 이들 변수를 최적화한 공정설계와 항온성형품의 외관검사 및 부위별 미세조직 관찰결과와의 .비교를 통해 소형 Ti-6A1-4V3D 날개 형 상의 항온성 형 이 성공적으로 이루어 졌음을 확인할 수 있었다.
그림 6 은 항온단조에 의해서 얻어진 T1-6AI-4V 3D 날개형상에 대한 성형품사진을 나타낸 것이다. 사진에서 알 수 있는 바와 같이 성형품의 표면상태가 상당히 양호하며, 미충진부위 및 과도 변형집중이 없이 성형된 것을 관찰할 수 있다.

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Ti-6Al-4V 소형 날개형상의 항온단조 공정 및 금형설계
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