초록 ▼

□ 연구개요
ㅇ W 및 W 계 합금은 높은 융점과 밀도 및 우수한 고온물성으로 고온/고강도 구조재, 합금원소, 핵융합 divertor, 국방 분야 관통자 등의 극한 환경과 microelectronic 분야의 diffusion barrier layer 등에 사용되는 필수 소재
ㅇ 그러나 W의 높은 융점으로 인한 고밀도 소결체 제조의 한계 때문에 현재 W 벌크소재를 양산하는 회사는 전 세계적으로 극소수이며 고난이도의 기술적 수준이 필요함. 또한 고밀도화를 위해 다양한 후속 공정을 적용하나 고비용/복잡가공 단계와 정밀한 미세조

□ 연구개요
ㅇ W 및 W 계 합금은 높은 융점과 밀도 및 우수한 고온물성으로 고온/고강도 구조재, 합금원소, 핵융합 divertor, 국방 분야 관통자 등의 극한 환경과 microelectronic 분야의 diffusion barrier layer 등에 사용되는 필수 소재
ㅇ 그러나 W의 높은 융점으로 인한 고밀도 소결체 제조의 한계 때문에 현재 W 벌크소재를 양산하는 회사는 전 세계적으로 극소수이며 고난이도의 기술적 수준이 필요함. 또한 고밀도화를 위해 다양한 후속 공정을 적용하나 고비용/복잡가공 단계와 정밀한 미세조직 제어의 문제가 있어 다양한 산업분야로의 부품소재 적용에는 한계
ㅇ 따라서 미세조직 제어 고밀도화와 기계적 특성 향상을 위한 새로운 개념의 분말 설계 및 소결공정 도입이 요구
ㅇ 본 연구에서는 소결성 향상을 위한 하이브리드 구조분말과 산화제어 초고압 성형 및 가압소결 등을 조합하는 독창적 미세조직 설계와 제조공정으로 고밀도 W 및 W 합금 소결체를 제조하는 창의적인 기술을 적용하여 향상된 소결밀도와 기계적 특성을 가지는 W-계 재료의 새로운 제조공정과 응용분야를 개척하고자 함.

□ 연구 목표대비 연구결과
연구 목표를 적절하게 달성하였으며 세부 연구 목표대비 결과는 아래와 같음
ㅇ 나노, 나노/마이크로 구조 W 분말합성: 100 ㎚ 이하의 W 입자 및 마이크로(~15㎛) 분말표면에 나노(<50 ㎚) 입자가 코팅된 하이브리드 구조 분말 합성
ㅇ 고밀도 성형체: Magnetic pulse 성형을 이용하여 75% 이상의 성형체 밀도 도달
ㅇ SPS 이용 치밀화: 소결온도 등 공정변수와 분말특성에 따른 치밀체 특성 해석
ㅇ 하이브리드 구조 W 계 분말 제조 및 최적화: 볼 밀링, 환원/탈수소 반응거동 해석과 나노 W 및 W-10% Ti(<10 ㎛) 분말 제조공정 최적화 완료
ㅇ W-Ni 계 합금분말: W-NiO/Ni-nitrate 이용 합금분말 제조 및 수소환원 거동 해석
ㅇ 고밀도 성형체 상압소결 및 SPS 이용 고밀도 소결체 제조: Magnetic pulse 성형 이용 고밀도 성형체에서 나노분말 첨가량에 따른 상압소결 거동 해석 완료, SPS 소결에서 carbon/carbon 복합재료 금형을 이용하여 가압력 최대화 및 가압력에 따른 소결밀도 의존성 해석, 상대밀도 98% 이상의 W 및 99% 이상의 W-Ni 소결체 제조
ㅇ HIP, SPS 이용 고밀도 소결체 제조: 나노 W분말을 SPS한 경우 96.8%의 상대밀도 구현 및 1650℃, 150 MPa의 압력으로 HIP한 시편은 98.1%의 상대밀도 달성, 입도 1.22 ㎛ W분말을 각각 MPC+SPS공정으로 소결한 W 치밀체에서 최소 2.86 ㎛ 입도 달성과 원료분말 특성과 소결조건에 따른 공정 최적화
ㅇ 소결체 특성평가 및 상관관계 해석: W 및 W 합금의 경도측정과 해석 완료, 이축 굽힘강도(Piston-on-3-ball)을 이용한 강도측정 및 최대 강도 948.6 MPa
ㅇ 제조공정/미세조직/특성 상관관계의 정량적 해석 완료

□ 연구개발결과의 중요성
ㅇ 순수한 W 및 W 계 합금재료는 성능의 고도화가 요구되는 핵융합 산업, 방위산업 및 전자부품 산업에서 향후 국가경쟁력의 중요한 부분을 차지할 수 있는 중요한 소재이나 고융점을 가지는 W 계 재료는 주조방법으로 제조가 어려우며, 분말야금 공정을 적용할 경우에도 고밀도화의 한계가 있음
ㅇ 따라서 본 연구수행으로 얻은 결과인 WO₃의 볼 밀링 및 수소환원에 의한 나노와 나노/마이크로 구조의 W 분말 제조, TiH₂의 탈수소화 반응을 이용한 산화억제 W-Ti 균일 합금분말의 제조, 소결성 향상을 위한 초고압 성형 및 W-Ni 등 활성소결 기술의 조합은 미세조직과 기계적 특성이 제어된 고밀도의 W 계 재료를 제조할 수 있는 독창적인 방법이라는 점에서 학문적, 기술적 및 산업적 중요성을 보여줌

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 1) 연구개발의 필요성 ... 4
• 2) 연구가설 ... 4
• 3) 최종목표 및 연구범위 ... 4
• 4) 목표달성도 ... 5
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 6
• 1) 나노구조, 나노/마이크로 구조 W 분말 합성 ... 6
• 2) 성형밀도 75% 이상의 고밀도 성형체 제조 및 분말특성과의 상관관계 해석 ... 7
• 3) SPS의 공정변수 및 분말특성에 따른 소결성 분석 ... 8
• 4) 하이브리드 구조 W 및 W-Ti 합금 분말 제조 공정 최적화 ... 8
• 5) W-Ni 계 합금분말 제조 및 공정 최적화 ... 10
• 6) 고밀도 성형체의 상압소결 및 SPS 이용 고밀도 소결체 제조 ... 11
• 7) HIP, SPS 이용 입자성장 억제 고밀도 소결체 제조 ... 13
• 8) 소결체 특성 평가 및 공정과의 상관관계 해석 ... 14
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 17
• 1) 연구결과의 의미 ... 17
• 2) 연구결과의 중요성 ... 17
• 4. 참고문헌 ... 18
• 5. 연구성과 ... 19
• 대표적 연구실적 ... 22
• 끝페이지 ... 37