초록 ▼

Ti-Al계 금속간화합물 중, 우주, 항공 등에 요구되는 경량, 고온, 고강도의 모든 조건을 충족시키는 가장 이상적인 재료로 각광받고 있는 γ-TiAl은 낮은 상온 연성 및 파괴인성, 그리고 난가공성과 함께 Ti의 고융점과 고반응성에 따른 제조기술상의 난점으로 인하여 실용화에 장애가 되고 있다.
본 연구에서는 용해, 주조법과 분말야금법을 응용하여 Ti-Al계 금속간화합물(주로 γ-TiAl)의 제조와 재료평가에 대한 기초연구와 함께 차후 실용화를 위한 재료가공 방법의 기초자료를 제시하고자 3부분으로 분할하여 총 3년간에

Ti-Al계 금속간화합물 중, 우주, 항공 등에 요구되는 경량, 고온, 고강도의 모든 조건을 충족시키는 가장 이상적인 재료로 각광받고 있는 γ-TiAl은 낮은 상온 연성 및 파괴인성, 그리고 난가공성과 함께 Ti의 고융점과 고반응성에 따른 제조기술상의 난점으로 인하여 실용화에 장애가 되고 있다.
본 연구에서는 용해, 주조법과 분말야금법을 응용하여 Ti-Al계 금속간화합물(주로 γ-TiAl)의 제조와 재료평가에 대한 기초연구와 함께 차후 실용화를 위한 재료가공 방법의 기초자료를 제시하고자 3부분으로 분할하여 총 3년간에 걸쳐 체계적인 연구를 수행하였다. 전체적으로 γ-TiAl의 용해 및 주조기술의 개발, γ-TiAl 분말제조 및 소결 기술의 개발, 그리고 Ti 합금 및 γ-TiAl 재료특성 평가로 대별되며 이상의 연구를 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
1. γ-TiAl의 용해 및 주조기술
Ti의 고반응성을 억제할 수 있는 진공유도용해용 calcia 도가니와 플라즈마 아크용해로를 이용하여 용해기술과 정밀주조용 주형재료가 포함된 용해, 주조기술의 기초를 마련하였다. 용해 및 주조방법과 주형재료에 따른 γ-TiAl의 미세조직의 변화를 조사하였으며 제 3 원소 첨가에 따른 미세조직과 함께 열처리에 따른 조직변화 및 기계적 성질(경도 및 압축시험)이 조사 비교되었다. 이로부터 건전하고 미세구조가 제어된 γ-TiAl 주조재의 제조에 필요한 운전기술 및 자료를 확보하였다.
2. γ-TiAl 분말제조 및 소결 기술
고청정, 구형분말을 제조용 실험실 규모의 플라즈마 회전전극 장치를 설계, 제작 하였고, 이를 이용하여 179∼300㎛의 평균경을 갖는 구형 γ-TiAl 분말을 제조하였다. 분말의 입도특성에 미치는 제조변수의 영향과 분말특성이 분석되었다. 고밀도의 전류를 통전시켜 이론 밀도에 가까운 소결체를 단시간 내에 제조할 수 있는 가압 통전소설 장치를 설계, 제작하였고, 이를 이용하여 고밀도(이론 밀도의 99% 이상)의 소결체를 제조할 수 있었다. 또한 γ-TiAl 분말의 소결성에 미치는 제조변수의 영향도 조사,분석되었다.
3. Ti 합금 및 γ-TiAl 재료특성 평가
Ti-6Al-4V 합금의 α상의 미세조직과 기계적 성질은 용체화 처리, 냉각 방법 및 합금원소에 의하여 크게 영향을 받았다. γ-TiAl 재료의 주조조직과 열처리 조직에서 나타나는 α?/γ 층상조직의 생성과정과 함께 Al 함량에 따른 소결시편의 미세조직적 특성이 조사되었다. 주조시편과 소결시편에 대한 경도 및 압축시험과 분석이 행해졌고, 특히 경도는 제조방법에 무관하게 Al함량이 감소할수록 열처리온도가 높을수록 증가하였다. 변형후 투과 전자현미경 조직을 관찰한 결과, 제조 방법에 무관하게 소결체와 주조재의 고온에서 주요한 변형기구는 쌍정으로 확인되었다.

Abstract ▼

The intermetallic compound materials of Ti-Al system(γ-TiAl) have been known as one of the potential light weight/high temperature structural materials. The major problems limiting the practical use of this compound, however, are its poor ductility and fracture toughness at room temperature, in ad

The intermetallic compound materials of Ti-Al system(γ-TiAl) have been known as one of the potential light weight/high temperature structural materials. The major problems limiting the practical use of this compound, however, are its poor ductility and fracture toughness at room temperature, in addition to and its low fabricability.
The official goal is to develop the intermetallic compound of Ti-Al system by means of three different methods which were the controlled melting and casting process, the powder metallurgy process, and the charactrization of prepared intermetallic compounds.
The results obtained from this 3-years works can be summarized as follow;
1. The controlled melting and casting process
Calcia crucible were developed for the successful vacuum induction melting process and also the water cooled copper mold(skull melting) were found to be satisfaction for the plasma are melting process. And also mold materials applicable to precision casting were tested. The effects of mold materials and alloying elements on the microstructures and mechanical properties of TiAl intermetallics were also investigated. From this results, the sound TiAl ingots could be cast to desirable shape.
2. Powder metallurgy process
The plasma rotating electrode process(PREP) developed in these studies was applied to the production of clean and spherical TiAl powders. The prepared powders showed mean particle diameter ranging 179∼300㎛ in size. The characterization of Ti-49∼51at% Al powders was carried out with various methods. The resistance/spark sintering process(new consolidation technique) for TiAl powder was developed. Compacts of high relative density(>99%) were obtained for short time of period(∼2 min) by applying two different pressure steps during the appication of high current density.
3. The charactrization of γ-TiAl developed.
Firstly, microstructures and mechanical properties of α phase in the Ti-6Al-4V alloys was examined. And the microstructural and mechanical characteristics of TiAl specimens prepared by casting process as well as sintering process were investigated. Hardness tests and compressive tests at various temperature ranges showed that the mechanical properties of TiAl intermetallics were dependent mainly on the Al contents, alloying elements, and heat treatment.

목차 Contents

• 연구과제 및 수행연구자...8
• 제 1장 서론...13
• 제1절 연구배경...13
• 제2절 연구목적과 연구내용...15
• 제 2장 연구방법...19
• 제1절 제1세부과제...19
• 제2절 제2세부과제...20
• 제3절 제3세부과제...20
• 제 3장 실험결과 및 고찰...22
• 제1절 제1세부과제...22
• 제2절 제2세부과제...25
• 제3절 제3세부과제...27
• 제 4장 결론...30
• 제1절 제1세부과제...30
• 제2절 제2세부과제...31
• 제3절 제3세부과제...32
• 제 5장 참고문헌...34
• 제 1 세 부 목 차...39
• 제 1장 서론...41
• 제1절 연구배경...41
• 제2절 연구목적과 연구범위...43
• 제 2장 연구방법...47
• 제1절 VIM에 의한 Titanium Aluminide용해...47
• 제2절 Plasma Melting법에 의한 티타늄 및 TiAl의 용해 및 주조...51
• 제3절 정밀주조용 주형 개발 및 주조품의 특성향상 연구...57
• 제4절 제3원소를 첨가한 TiAl합금 설계 및 열처리 특성 연구...57
• 제 3장 실험결과 및 고찰...61
• 제1절 VIM법에 의한 TiAl의 용해 및 주조...61
• 제2절 Plasma Melting법에 의한 티타늄 및 TiAl의 용해 및 주조...75
• 제3절 정밀 주조용 주형재료의 개발 및 주조품 제작...86
• 제4절 제 3원소 첨가의 영향...93
• 제5절 열처리방법에 의한 Ti-Al합금 주조재의 미세조직 제어...106
• 제 4장 결 론...126
• 제1절 VIM에 의한 TiAl의 용해...126
• 제2절 Plasma Arc Melting법에 의한 티타늄및 TiAl의 용해, 주조...127
• 제3절 정밀주조용 주형재료의 개발 및 특성비교...127
• 제4절 제 3원소 첨가영향...128
• 제5절 주조재의 열처리 방법에 관한 연구...129
• 제 5 장 참고문헌...130
• 제 2 세 부 목 차...135
• 제 1장 서론...137
• 제1절 연구배경...137
• 제2절 연구목적과 연구범위...140
• 제 2장 연구방법...142
• 제1절 분말 제조 및 특성 평가...142
• 제2절 가압 통전소결 및 소결특성 평가...153
• 제 3장 결과 및 고찰...162
• 제1절 분말 압도특성에 미치는 제조변수의 영향...162
• 제2절 TiAl 분말의 특성...173
• 제3절 가압 통전소결법에 의한 Ti-49%Al분말의 소결성...202
• 제 4장 결론...230
• 제1절 분말 입도특성에 미치는 제조변수의 영향...230
• 제2절 TiAl분말의 특성...230
• 제3절 가압 통전소결법에 의한 Ti-49%Al분말의 소결성...232
• 제 5장 참고문헌...234
• 제 3 세 부 목 차...241
• 제 1장 서론...243
• 제1절 연구배경...243
• 제2절 연구목적과 연구범위...248
• 제 2장 연구방법...250
• 제1절 Ti-6Al-4V 합금의 용체화처리 및 냉각조건에 따른 $\alpha$상의 미세조직변화와 기계적 성질의 변화...250
• 제2절 TiAl금속간화합물의 제조방법에 따른 미세조직과 기계적 성질의 변화...253
• 제 3장 실험결과 및 고찰...257
• 제1절 Ti-6Al-4V 합금의 용체화처리 및 냉각조건에 따른 $\alpha$상의 미세조직변화와 기계적 성질의 변화...257
• 제2절 TiAl금속간화합물의 제조방법에 따른 미세조직 변화...280
• 제3절 TiAl 금속간화합물의 제조방법에 따른 기계적 성질의 변화...305
• 제 4장 결 론...337
• 제 5장 참고문헌...340