KR100209305B1 - Manufacturing method of gamma titanium aluminaid alloy - Google Patents

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KR100209305B1
KR100209305B1 KR1019960049453A KR19960049453A KR100209305B1 KR 100209305 B1 KR100209305 B1 KR 100209305B1 KR 1019960049453 A KR1019960049453 A KR 1019960049453A KR 19960049453 A KR19960049453 A KR 19960049453A KR 100209305 B1 KR100209305 B1 KR 100209305B1
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박종근
정재영
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최동환
국방과학연구소
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Abstract

본 발명은 고강도 내열구조용 티타늄 알루미나이드 합금이 고온에서는 물론 상온에서도 우수한 기계적 성질을 가져서 상온에서의 일반적인 기계 가공이 용이하도록 하기 위해 원자량%로, Al : 40-43%, Cr : 1-4%, Nb : 4% 이하, B : 0.3-2.5%, 그리고 나머지는 Ti 및 피할 수 없는 불순물로 이루어지거나, 또는 Al : 43-47%, Cr : 1-4%, Nb : 4% 이하, B : 0.1-0.5%, 그리고 나머지는 Ti 및 피할 수 없는 불순물로 이루어지는 고강도, 고연성의 내열구조용 감마계 티타늄 알루미나이드 합금 및 원자량%로, Al : 40-43%, Cr : 1-4%, Nb : 4% 이하, B : 0.3-2.5%, 그리고 나머지는 Ti 및 피할 수 없는 불순물로 이루어지거나, 또는 Al : 43-47%, Cr : 1-4%, Nb : 4% 이하, B : 0.1-0.5%, 그리고 나머지는 Ti 및 피할 수 없는 불순물로 이루어지는 합금의 주조체 및 상기 주조체의 가공재를 900-1400℃에서 1-72시간 동안 열처리를 행하는 10-100㎛의 미세한 결정립을 가지는 고강도, 고연성의 내열구조용 감마계 티타늄 알루미나이드 합금의 제조방법을 제공한다.In the present invention, the titanium aluminide alloy for high strength heat resistant structure has excellent mechanical properties at room temperature as well as at high temperature, so as to facilitate general machining at room temperature in atomic%, Al: 40-43%, Cr: 1-4%, Nb: 4% or less, B: 0.3-2.5%, and the balance consists of Ti and inevitable impurities, or Al: 43-47%, Cr: 1-4%, Nb: 4% or less, B: 0.1 -0.5%, and the remainder are high strength, high ductility gamma-based titanium aluminide alloys and atomic weight% consisting of Ti and inevitable impurities, Al: 40-43%, Cr: 1-4%, Nb: 4 % Or less, B: 0.3-2.5%, and the balance consists of Ti and inevitable impurities, or Al: 43-47%, Cr: 1-4%, Nb: 4% or less, B: 0.1-0.5% And the remainder of the cast of alloy consisting of Ti and unavoidable impurities and the workpiece of the cast for 1-72 hours at 900-1400 ° C. Having the fine crystal grains of 10-100㎛ performing provides a method for producing high strength, high heat-resistant structural systems gamma titanium aluminide alloy ductility.

Description

고강도, 고연성의 내열구조용 감마계 티타늄 알루미나이드 합금 및 그 제조방법High-strength, high-ductility, gamma-based titanium aluminide alloy for heat-resistant structure and manufacturing method

본 발명은 대부분 고온 및 가혹한 산화분위기에서 장시간 노출되는 가스터빈 엔진, 자동차 엔진, 고압 및 저압 압축기의 터빈 블레이드, 배기 엔진 밸브 및 터보 차저로터(charger rotor) 등의 주조체 부품 등으로 사용되는 고강도, 고연성의 내열구조용 감마계 티타늄 알루미나이드 합금 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention is a high strength, mostly used for casting parts such as gas turbine engines, automobile engines, turbine blades of high pressure and low pressure compressors, exhaust engine valves and turbocharger rotors that are exposed for a long time in a high temperature and harsh oxidation atmosphere, The present invention relates to a high ductility gamma-based titanium aluminide alloy and a method of manufacturing the same.

티타늄에 약 49에서 60원자량%의 알루미늄을 첨가하면 감마(γ)로 불리는 규칙구조를 갖는 TiAl 금속간 화합물이 형성된다. 이 감마상은 무게가 가볍고, 고온에서의 내산화성(~1000℃), 강도유지능력(~700℃) 및 내크립특성이 우수하다는 장점으로 인하여 니켈기지 초합금을 대체할 수 있는 고온용 구조재료로써 최근 크게 각광을 받고 있다. 그러나, 감마 TiAl 금속간화합물은 저온(20~600℃)에서 매우 낮은 연성을 나타내어 일반적인 기계가공이 어렵고, 또한 강도가 비교적 낮은 단점이 있다.Adding about 49 to 60 atomic percent aluminum to titanium forms a TiAl intermetallic compound having a regular structure called gamma (γ). This gamma phase is a high-temperature structural material that can replace nickel base superalloy due to its light weight, high oxidation resistance (~ 1000 ℃), strength holding ability (~ 700 ℃), and creep resistance. It is getting a lot of attention. However, gamma TiAl intermetallic compounds exhibit very low ductility at low temperatures (20 to 600 ° C.), which makes machining difficult and general low strength.

이러한 단점을 개선하기 위한 한 가지 방법은 감마 TiAl 기지에 Ti3Al(알파2)상이 공존하는 2상 조직을 이용하는 것이다. 이러한 2상 조직은 Ti-(39~49 원자량%)Al 조성에서 나타나게 된다. 일반적으로, 2상 영역에서는 감마상의 분율이 높은 47~48 원자량% Al 합금이 강도뿐만 아니라 연신율도 동시에 우수한 것으로 알려져 있다. 이 조성을 기준으로 알루미늄 함량이 50 원자량% 이상으로 증가하면 감마상만이 존재하게 되어 내산화성은 다소 증가하나 연신율, 강도 및 파괴이성 등과 같은 기계적 특성은 열악해지는 단점이 있다. 따라서, 종래의 합금에 있어서는 47~48 원자량% Al의 조성범위에서 재료의 기계적 특성을 개선 또는 보강하려는 노력이 주로 이루어져 왔다.One way to overcome this drawback is to use a two-phase structure in which the Ti 3 Al (alpha 2) phase coexists with a gamma TiAl matrix. This two-phase structure appears in Ti- (39-49 atomic%) Al composition. In general, in the two-phase region, 47-48 atomic% Al alloy having a high fraction of gamma phase is known to be excellent not only in strength but also in elongation. If the aluminum content is increased to 50 atomic% or more based on this composition, only the gamma phase is present, and the oxidation resistance is slightly increased, but mechanical properties such as elongation, strength and fracture resistance are poor. Therefore, in the conventional alloy, efforts have been mainly made to improve or reinforce the mechanical properties of the material in the composition range of 47 to 48 atomic% Al.

이에 관한 종래의 기술은 미국 특허 4,294,615, 4,842,819, 4,842,820, 4,879,092등에 잘 나타나 있으며 주로 제3, 4원소를 첨가하여 기계적 특성 개선을 시도하였다. 이들 종래 합금의 알루미늄 조성범위는 대략 46~50 원자량%로 감마상이 지배적으로 존재하는 합금이다.Conventional techniques related to this are well described in US Pat. Nos. 4,294,615, 4,842,819, 4,842,820, 4,879,092 and the like, and mainly attempted to improve mechanical properties by adding third and fourth elements. The aluminum composition range of these conventional alloys is an alloy having a gamma phase predominantly at approximately 46 to 50 atomic%.

미국특허 4,294,615는 감마 TiAl 기지에 바나듐(V)을 첨가하여 연성을 개선시키고자 하였으며, 미국특허 4,842,820은 보론(B)을 첨가하여 강도와 연성을 증가시키고자 하였다. 미국특허 4,842,819 및 4,879,092는 각각 크롬(Cr)을 첨가하여 연성개선을 시도한 것과 크롬과 나이오븀을 동시에 첨가하여 연성과 내산화성의 향상을 도모한 것이다.U.S. Patent 4,294,615 intends to improve ductility by adding vanadium (V) to gamma TiAl base, and U.S. Patent 4,842,820 adds boron (B) to increase strength and ductility. US Pat. Nos. 4,842,819 and 4,879,092 attempt to improve ductility by adding chromium (Cr), respectively, and improve ductility and oxidation resistance by simultaneously adding chromium and niobium.

그러나, 이들은 특히 연성을 향상시키기 위해 열간단조나 급냉응고 및 열간압출 등의 열간가공처리를 행하고 있어서 이 결과로부터 단순 주조체의 특성 향상 여부를 예측하는 것이 쉽지 않다. 아울러, 보고한 가공체의 기계적 특성 역시 고온측정이나 굽힘시험 등을 사용했기 때문에 상온에서 그 절대적인 인장성질을 파악하는 것이 용이하지 않다.However, in order to improve the ductility, they are particularly hot processed such as hot forging, quench solidification, and hot extrusion, and it is not easy to predict whether the characteristics of a simple cast body will be improved from these results. In addition, the mechanical properties of the reported workpiece are also difficult to determine the absolute tensile properties at room temperature because high temperature measurement or bending test is used.

순수한 주조체에 관한 특허는 미국 특허 4,661,316, 4,849,168, 5,080,860 등을 들 수 있다.Patents relating to pure casts include US Pat. Nos. 4,661,316, 4,849,168, 5,080,860 and the like.

미국특허 4,661,316은 Mn을 첨가하여 연성향상을 도모한 것이고, 4,849,168은 B을 미량(0.3중량%이하) 첨가하여 연성향상을 꾀함과 동시에 니켈과 실리콘을 첨가함으로써 주조성 향상을 도모하고 있다.U.S. Patent 4,661,316 is to improve ductility by adding Mn, and 4,849,168 is to improve castability by adding nickel and silicon while adding trace amount (0.3 wt% or less) of B.

그러나, 이들은 굽힘시험을 하거나 고온 인장시험을 실시한 것으로써 상온 기계적 성질이 어떻게 향상되었는지는 명확치 않다.However, it is not clear how the room temperature mechanical properties have been improved by performing bending tests or high temperature tensile tests.

반면에, 미국특허 5,080,860은 Cr과 Nb을 미량 함유하는 감마기지 합금에 0.5에서 2원자량% B을 첨가함으로써 주조성을 향상시키고 균일한 등축조직의 주조조직을 얻고자 하였다. 이 때, 얻어진 상온 항복강도는 503~565MPa이었고, 연신율은 0.1~1.4%이었다. 이는 Ti-48 원자량% Al 이원계 합금의 항복강도(351~386MPa) 및 연신율(1.3~2,1%)보다 강도는 월등히 향상되었고, 연신율은 다소 저하된 결과이다.On the other hand, U.S. Patent 5,080,860 seeks to improve castability and to obtain a cast structure having a uniform equiaxed structure by adding 0.5 to 2 atomic% B in a gamma base alloy containing trace amounts of Cr and Nb. At this time, the obtained room temperature yield strength was 503-565 MPa and the elongation was 0.1-1.4%. This resulted in a much higher strength than the yield strength (351 to 386 MPa) and the elongation (1.3 to 2,1%) of Ti-48 atomic% Al binary alloy, and the elongation was slightly lowered.

본 발명의 발명자들은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 지속적인 연구를 행하여, 보론이 미량 첨가되고 알루미늄 함량이 비교적 작은 경우 주조체의 결정립이 600~900㎛에서 10~40㎛로 급격히 감소한다는 사실과 그 결과 주조체의 항복강도가 530~800MPa로 상승하며 연신율도 0.7~1.6%의 높은 연신율을 나타낸다는 새로운 사실을 발견하였다.The inventors of the present invention have made continuous studies to solve the above-mentioned problems of the prior art, and the fact that when the boron is added in a small amount and the aluminum content is relatively small, the grain size of the cast rapidly decreases from 600 to 900 µm to 10 to 40 µm. As a result, a new finding was found that the yield strength of the cast body increased to 530-800 MPa and the elongation also showed a high elongation of 0.7-1.6%.

이것은 보론과 알루미늄의 복합작용에 의한 것으로 적절한 보론과 알루미늄 함량에서 응고시 발생하는 고온 고상변태(베타상→알파상)의 모드가 급격히 변화하고, 그 결과 본 발명 특유의 바스킷위브(basketweave) 형태의 미세한 비드만스테텐(Widmanstatten) 조직이 얻어지기 때문이다. 이와 같은 독특한 바스킷위브 조직형성에 극히 미세한 결정립 조직을 얻기 위해서는 Al 함량과 B 함량을 적절히 선택하는 것이 필수적이다.This is due to the complex action of boron and aluminum, and the mode of high temperature solid state transformation (beta phase → alpha phase) generated during solidification at the proper boron and aluminum content changes rapidly. This is because a fine Widmanstatten tissue of is obtained. In order to obtain an extremely fine grain structure for this unique basket weave tissue formation, it is essential to properly select the Al content and the B content.

제1도는 종래 기술에 의한 합금(B를 함유하지 않은 합금과 B를 함유하는 합금) 및 Al 함량이 많은 본 발명에 의한 합금의 인장특성을 비교한 도표이다.1 is a chart comparing the tensile properties of the alloy according to the prior art (alloy not containing B and the alloy containing B) and the alloy having a high Al content.

(A) B을 함유하지 않는 종래 기술에 의한 합금(비교예 9, 1290℃)(A) Alloy according to the prior art without containing B (Comparative Example 9, 1290 ° C)

(B) B을 함유하는 종래 기술에 의한 합금(비교예 14, 1290℃)(B) Alloy according to the prior art containing B (comparative example 14, 1290 degreeC)

(C) Al 함량이 많은 본 발명에 의한 합금(실시예 2, 1290℃)(C) Alloy according to the present invention with high Al content (Example 2, 1290 ° C.)

제2도는 종래 기술에 의한 합금(B을 포함하는)과 Al 함량이 작은 본 발명에 의한 합금(고강도 합금과 고연성 합금)의 인장특성을 비교한 도표이다.2 is a chart comparing the tensile properties of the alloy according to the prior art (including B) and the alloy according to the present invention (high strength alloy and high ductility alloy) having a low Al content.

(A) B을 함유하는 종래 기술에 의한 합금(비교예 14, 1290℃)(A) Alloy according to the prior art containing B (comparative example 14, 1290 degreeC)

(B) 본 발명에 의한 고강도 합금(실시예 8)(B) High-strength alloy according to the present invention (Example 8)

(C) 본 발명에 의한 고연성 합금(실시예11)(C) High Ductility Alloy According to the Present Invention (Example 11)

제3도는 다음 각 합금에 대한 주조조직의 결정립 조직을 비교하는 광학현미경 사진이다.3 is an optical micrograph comparing the grain structure of the cast structure for each of the following alloys.

(a) B을 함유하지 않는 종래 기술에 의한 합금(비교예 9)(a) Alloy according to the prior art without containing B (Comparative Example 9)

(b) B을 함유하는 종래 기술에 의한 합금(비교예 14) : 결정립은 서로 다른 라멜라 방향으로 구분가능함(미세한 검은 선들은 보라이드 화합물임)(b) Alloy according to the prior art containing B (Comparative Example 14): Grains can be distinguished in different lamellar directions (fine black lines are boride compounds)

(c) 본 발명에 의한 합금(실시예 7)(c) Alloy according to the present invention (Example 7)

제4도는 본 발명에 의한 합금에서 B 함량 변화에 따른 열처리 주조조직(바스킷위브조직)의 변화를 보여주는 광학현미경 사진이다.Figure 4 is an optical micrograph showing the change of the heat treatment casting structure (basket weave structure) according to the B content change in the alloy according to the present invention.

(a) B 함량이 적은 본 발명에 의한 합금(Ti-42.8Al-2Cr-4Nb-1.0B)을 1290℃에서 24시간 유지한 후 공냉하고 900℃에서 4시간 유지한 것임.(a) The alloy according to the present invention (Ti-42.8Al-2Cr-4Nb-1.0B) having a low B content was maintained at 1290 ° C. for 24 hours and then air-cooled and maintained at 900 ° C. for 4 hours.

(b) B 함량이 많은 본 발명에 의한 합금(Ti-42.8Al-2Cr-4Nb-2.0B)을 1290℃에서 24시간 유지한 후 공냉하고 900℃에서 4시간 유지한 것임.(b) After maintaining the alloy according to the present invention (Ti-42.8Al-2Cr-4Nb-2.0B) with a large amount of B for 24 hours at 1290 ° C and air-cooled and maintained at 900 ° C for 4 hours.

본 발명은 원자량%로, Al : 40-43%, Cr : 1-4%, Nb : 4% 이하, B : 0.3-2.5%, 그리고 나머지는 Ti 및 피할 수 없는 불순물로 이루어지거나, 또는 Al : 43-47%, Cr : 1-4%, Nb : 4% 이하, B : 0.1-0.5%, 그리고 나머지는 Ti 및 피할 수 없는 불순물로 이루어지는 고강도, 고연성의 내열구조용 감마계 티타늄 알루미나이드 합금을 제공한다.The present invention is atomic percent, Al: 40-43%, Cr: 1-4%, Nb: 4% or less, B: 0.3-2.5%, and the remainder is made of Ti and inevitable impurities, or Al: 43-47%, Cr: 1-4%, Nb: 4% or less, B: 0.1-0.5%, and the remainder are high-strength, high-ductility gamma-based titanium aluminide alloys made of Ti and inevitable impurities. to provide.

또한, 본 발명은 원자량%로, Al : 40-43%, Cr : 1-4%, Nb : 4% 이하, B : 0.3-2.5%, 그리고 나머지는 Ti 및 피할 수 없는 불순물로 이루어지거나, 또는 Al : 43-47%, Cr : 1-4%, Nb : 4% 이하, B : 0.1-0.5%, 그리고 나머지는 Ti 및 피할 수 없는 불순물로 이루어지는 합금의 주조체 및 상기 주조체의 가공재를 900-1400℃에서 1-72시간 동안 열처리를 행하는 10-100㎛의 미세한 결정립을 가지는 고강도, 고연성의 내열구조용 감마계 티타늄 알루미나이드 합금의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention is the atomic weight%, Al: 40-43%, Cr: 1-4%, Nb: 4% or less, B: 0.3-2.5%, and the rest is made of Ti and inevitable impurities, or A cast of alloy and a workpiece of the cast made of Al: 43-47%, Cr: 1-4%, Nb: 4% or less, B: 0.1-0.5%, and the remainder are Ti and inevitable impurities. Provided is a method for producing a high-strength, high-ductility, gamma-based titanium aluminide alloy having fine grains of 10-100 µm which are heat treated at -1400 ° C. for 1-72 hours.

이에 부가하여, 본 발명은 상기 합금의 주조체에 대한 상기 열처리에 선행하여 900-1200℃에서 히핑(HIPing)처리를 행하는 미세한 결정립을 가지는 고강도, 고연성의 내열구조용 감마계 티타늄 알루미나이드 합금의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a high-strength, high-ductility, gamma-based titanium aluminide alloy having fine grains which are subjected to a hiping treatment at 900-1200 ° C. prior to the heat treatment of the casting of the alloy. Provide a method.

본 발명에서 화학조성의 한정이유는 다음과 같다.The reason for limitation of chemical composition in the present invention is as follows.

[알루미늄 및 보론][Aluminum and boron]

알루미늄(Al)은 그 함량이 47원자량% 이상인 경우에는 바스킷위브 조직형성에 의한 극히 미세한 결정립(10~40㎛)으로 이루어진 본 발명특유의 주조조직을 얻을 수 없고, 알루미늄의 함량이 40원자량% 미만인 경우에는 본 발명의 2상 조직에 있어서 감마상의 분율이 충분치 못하게 된다.If the aluminum (Al) is 47 atomic% or more, the cast structure peculiar to the present invention consisting of extremely fine grains (10-40 μm) due to the formation of the basket weave cannot be obtained, and the content of aluminum is 40 atomic% If less, the fraction of gamma phase in the two-phase tissue of the present invention becomes insufficient.

알루미늄 함량이 47원자량% 미만 43원자량%인 경우에는 본 발명 특유의 주조조직을 얻기 위한 B 함량은 0.1~0.5원자량%이다. 알루미늄 함량이 43원자량% 이하인 경우에는 상당량의 감마상을 함유하면서 본 발명 특유의 주조조직을 얻기 위해서는 0.3 원자량% 이상의 B이 필요하며 2.5원자량% 이상의 B에서는 보론 화합물이 조대하게 생성되어 연성이 크게 저하될 수 있다.When the aluminum content is less than 47 atomic% and 43 atomic%, the B content for obtaining a cast structure peculiar to the present invention is 0.1 to 0.5 atomic%. When the aluminum content is 43 atomic% or less, a considerable amount of gamma phase is contained, and in order to obtain a cast structure peculiar to the present invention, 0.3 atomic% or more of B is required. Can be.

보론(B)은 상술한 본 발명 특유의 주조조직 형성 목적 이외에도 주조조직 및 열처리 조직을 미세화하는데 효과적이며, 아울러 주물의 유동성을 증가시켜 주조성을 크게 향상시키는 효과가 있다.Boron (B) is effective in miniaturizing the casting structure and heat treatment structure in addition to the purpose of forming the cast structure unique to the present invention described above, and also has an effect of greatly improving the castability by increasing the fluidity of the casting.

[크롬][chrome]

크롬(Cr)은 감마상의 평형조성을 변화시켜 감마상의 연성을 개선하기 위한 목적으로 첨가한다. 그 함량이 1원자량% 이하인 경우에는 효과가 거의 없고 4원자량% 이상인 경우에는 연성을 저하시킨다.Chromium (Cr) is added for the purpose of changing the equilibrium composition of the gamma phase to improve the ductility of the gamma phase. If the content is less than 1 atomic percent, the effect is almost no, and if more than 4 atomic percent, the ductility is reduced.

[나이오븀][Niobium]

나이오븀(Nb)은 TiAl 금속간화합물의 강도와 내산화성을 향상시키기 위한 목적으로 첨가하는데, 그 함량이 4원자량%를 초과하는 경우에는 연성감소를 초래한다.Niobium (Nb) is added for the purpose of improving the strength and oxidation resistance of the TiAl intermetallic compound, but when the content exceeds 4 atomic percent, ductility decreases.

본 발명의 합금조성으로 제조한 주조체는 900~1200℃에서 히핑(Hot Isostatic Processing(HIPing)) 처리하여 균질 효과와 아울러 미세가공 등 주조결함을 제거할 수 있다.The cast body manufactured by the alloy composition of the present invention can be subjected to a hot (Hot Isostatic Processing (HIPing)) treatment at 900 ~ 1200 ℃ can remove casting defects, such as homogeneous effect and fine processing.

주조체 혹은 히핑처리된 주조체는 균일한 미세조직을 얻기 위하여 900~1400℃ 범위에서 1~72시간 동안 열처리 할 수 있다. 이 경우 제2상을 미량 함유하는 감마 단일상에 가까운 조직, 감마상, 알파 2상, 등축 결정립이 혼재된 2-상조직, 미세한 감마/알파 2상의 층상조직으로 이루어진 라멜라조직 등이 형성될 수 있는데, 각 조직은 주로 알루미늄 함량과 열처리 온도에 의해 결정된다. 따라서, 주조체의 기계적 성질은 알루미늄 함량 뿐만 아니라 열처리 온도(그리고 시간)에 따라 크게 영향을 받게 된다.Castings or bottomed castings can be heat treated for 1 to 72 hours in the range 900 ~ 1400 ℃ to obtain a uniform microstructure. In this case, a tissue close to the gamma single phase containing a small amount of the second phase, a gamma phase, an alpha two phase, a two-phase tissue mixed with equiaxed grains, a lamellar tissue composed of a fine gamma / alpha two-phase layered tissue, and the like may be formed. Each tissue is mainly determined by the aluminum content and the heat treatment temperature. Therefore, the mechanical properties of the cast are greatly affected by the heat treatment temperature (and time) as well as the aluminum content.

본 발명 합금의 주조체는 종래 합금의 그것과는 현저히 다르게, 특유의 바스킷위브 주조조직 형성에 의한 극히 미세한 결정립(10~40㎛)으로 이루어져 있으며, 이를 상기 조건으로 열처리하는 경우에도 그 형상이 등축화될 뿐 크기가 30~70㎛으로 별다른 결정립 성장이 일어나지 않는다. 그 결과, 본 발명 합금의 주조체 혹은 열처리한 주조체는 B을 함유치 않는 종래 합금(결정립 크기 ~600㎛)은 물론 B을 함유하는 종래 합금(결정립 크기 ~200㎛)에 비해서도 항복강도가 월등히 증가하였으며, 연신율도 항복강도 570MPa 수준에서 1.6% 수준의 높은 값을 나타내었다.The cast body of the alloy of the present invention is significantly different from that of the conventional alloy, it is composed of extremely fine grains (10 ~ 40㎛) by the formation of a unique basket weave cast structure, even when the heat treatment under the above conditions the shape is It is only equiaxed, its size is 30 ~ 70㎛, and no grain growth occurs. As a result, the cast or heat-treated castings of the alloy of the present invention have a much higher yield strength than conventional alloys (grain size ˜600 μm) containing no B as well as conventional alloys (grain size ˜200 μm) containing B. The elongation also showed a high value of 1.6% at the yield strength of 570 MPa.

이하에서 실시예 및 비교예를 통해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples.

[비교예 1 내지 7][Comparative Examples 1 to 7]

일곱가지의 합금주괴가 Ti, Al의 농도가 다르게 준비되었다. 각 주괴는 진공아크용 해로를 이용하여 아르곤 분위기하에서 제조되었다. 각 주괴는 균질화와 미세조직 조절을 위해 1200℃에서 24시간 열처리후 공냉하였다. 공냉조직을 안정화하기 위해 900℃에서 4시간 동안 후열처리하였다. 이 후열처리는 모든 비교예 및 실시예에 공히 적용되었다. 표 1은 인장시험과 결과를 보여준다(Φ3×18㎜ 봉상시편). 46원자량% 이하의 알루미늄을 함유하는 합금은 거의 연신율이 없는 취성파괴를 나타낸다. 이 결과는 알파 2상의 체적분율 증가가 그 원인인 것으로 판단된다. 50원자량% 이상의 알루미늄을 함유하는 합금은 연신율 뿐만 아니라 강도 또한 매우 낮은 값을 보인다. 반면 47에서 49원자량% 알루미늄을 함유하는 합금은 그 중 가장 우수한 강도와 연신율을 나타낸다. 그러나 이들의 강도는 260에서 359MPa 정도로써 충분치 못하고 아울러 미세조직이 종종 불균일한 단점이 있다.Seven alloy ingots were prepared with different concentrations of Ti and Al. Each ingot was made under argon atmosphere using a vacuum arc furnace. Each ingot was air cooled after heat treatment at 1200 ° C. for 24 hours for homogenization and microstructure control. Post-heat treatment was performed at 900 ° C. for 4 hours to stabilize the air-cooled tissue. This post heat treatment was applied to all the comparative examples and examples. Table 1 shows the tensile test and results (Φ3 × 18mm rod-shaped specimens). Alloys containing up to 46 atomic percent aluminum show brittle fracture with almost no elongation. This result seems to be attributed to the increase in the volume fraction of the alpha 2 phase. Alloys containing more than 50 atomic percent aluminum show very low elongation as well as strength. On the other hand, alloys containing 47 to 49 atomic percent aluminum show the best strength and elongation. However, their strength is about 260 to 359 MPa, which is not enough, and the microstructure is often uneven.

[비교예 8 내지 10][Comparative Examples 8 to 10]

세가지 서로 다른 조성의 TiAl 금속간화합물을 비교예 1 내지 7과 동일한 방법으로 제조하였다. 여기서는 열처리 온도를 조절(1200에서 1400℃; 24시간) 함으로써 미세조직을 변화시켜 최적의 기계적 특성을 도출하고자 하였다. 우수한 강도와 연성을 보이는 Ti-47Al 이원합금과 여기에 크롬과 나이오븀을 첨가하여 제조한 사원계 합금(미국 특허 4,879,092)을 비교한 것을 표 2에 나타내었다. 크롬은 1300℃ 근처에서 열처리한 주조체의 인장특성(강도 및 연신율)을 향상시키는 경향이 있다. 그로나 이들 합금 역시 강도가 충분치 못하고, 아울러 그 주조조직이 조대한 주상정으로 이루어져 있으며 주조성이 우수하지 못한 단점이 있다.TiAl intermetallic compounds of three different compositions were prepared in the same manner as in Comparative Examples 1 to 7. Here, by adjusting the heat treatment temperature (1200 to 1400 ℃; 24 hours) to change the microstructure to derive the optimum mechanical properties. Table 2 shows a comparison of a Ti-47Al binary alloy showing excellent strength and ductility with a quaternary alloy prepared by adding chromium and niobium (US Pat. No. 4,879,092). Chromium tends to improve the tensile properties (strength and elongation) of the cast heat treated at around 1300 ° C. However, these alloys also do not have sufficient strength, and the casting structure is composed of coarse columnar tablets and has a disadvantage in that castability is not excellent.

[실시예 1 내지 4 및 비교예 11 내지 14][Examples 1 to 4 and Comparative Examples 11 to 14]

본 실시예 및 비교예에서는 Cr 및 Nb을 기본으로 함유하고 알루미늄 함량이 43% 이상이며 B을 미량 함유한 합금을 비교예 8 내지 10과 동일한 방법으로 제조한 감마기지 금속간화합물의 기계적 특성을 보여준다. B을 함유하지 않은 종래합금(비교예 9 및 10)에 종래의 B 함유합금(미국 특허 5,080,860)과는 다르게 0.5원자량% 이하인 미량의 B(예 : 0.4원자량%)을 첨가한 결과 합금의 항복강도가 월등히 증가하였으며 연신율도 1% 이상의 수준을 유지하였다. Al 함량이 46원자량% 이하로 감소하게 되면 항복강도는 급격히 증가하게 된다. 그러나, 이 경우 열처리 온도를 낮추게 되면 실시예 2에서 보는 바와 같이 항복강도는 530에서 570MPa의 고강도를 유지하면서도 1.1에서 1.3% 정도의 높은 연신율을 얻을 수 있다. 이와 같은 항복강도는 제1도에서 보는 것처럼 종래의 Cr-Nb 합금(비교예 9 : Ti-47Al-2Cr-4Nb)의 항복강도에 비해 월등히 증가된 결과이며, 종래의 Cr-Nb-B 합금(비교예 14)에 비해서도 항복강도가 상당히 증가한 결과이다. 반면에 연신율은 상대적으로 감소하는 경향이 있으나 역시 1.0% 이상을 유지하므로 기계가공에 충분한 연신율을 나타낸다.This Example and Comparative Example shows the mechanical properties of the gamma base intermetallic compound prepared by the same method as Comparative Examples 8 to 10 containing Cr and Nb, an aluminum content of 43% or more and a trace amount of B . Yield strength of the alloy as a result of adding a small amount of B (e.g. 0.4 atomic%) to a conventional alloy containing no B (Comparative Examples 9 and 10), unlike conventional B-containing alloys (US Pat. No. 5,080,860) The rate of increase was very high and the elongation was maintained at over 1%. When the Al content decreases below 46 atomic percent, the yield strength increases rapidly. However, in this case, when the heat treatment temperature is lowered, as shown in Example 2, the yield strength can be obtained at a high elongation of about 1.1 to 1.3% while maintaining the high strength of 570 to 570 MPa. This yield strength is a result of a significantly increased yield strength compared to the conventional Cr-Nb alloy (Comparative Example 9: Ti-47Al-2Cr-4Nb), as shown in FIG. 1, and the conventional Cr-Nb-B alloy ( Compared with Comparative Example 14), the yield strength was significantly increased. On the other hand, the elongation tends to decrease relatively, but also maintains more than 1.0%, indicating sufficient elongation for machining.

이와 같이 B을 미량 함유하고 Al 함량이 47원자량% 이하인 합금이 항복강도가 매우 높으면서도 상당한 연신율을 나타내는 것은 B을 함유하지 않은 합금에 비해 현저한 결정립 크기 차이가 있기 때문이다. 즉 다음의 실시예 (5-14)에서 설명하는 바와 같이 B을 미량 첨가한 합금의 경우는 미세한 바스킷위브 형태의 주조조직이 발달하여 결정립 크기가 급격히 감소하기 때문이다.Thus, an alloy containing a small amount of B and an Al content of 47 atomic percent or less shows a very high yield strength and a considerable elongation, because there is a remarkable grain size difference in comparison with an alloy containing no B. That is, in the case of an alloy containing a small amount of B as described in the following Example (5-14), a fine basket weave-shaped casting structure develops and the grain size rapidly decreases.

Al 함량이 47원자량% 이상으로 증가한 경우에는 B을 미량 첨가했음에도 불구하고 강도와 연신율이 모두 감소하는 경향을 보였다(비교예 11). 이것은 이러한 Al 조성에서는 바스킷위브 주조조직이 형성되지 않으며 감마상의 체적분율이 월등히 증가하기 때문이다.When the Al content increased to more than 47 atomic%, both the strength and the elongation tended to decrease despite the addition of a small amount of B (Comparative Example 11). This is because the basket weave casting structure is not formed in this Al composition and the volume fraction of the gamma phase is significantly increased.

[실시예 5 내지 14][Examples 5 to 14]

본 실시예는 상술한 비교예 및 실시예와 같은 방법으로 제조하고 그 조성도 유사하지만 Al 함량이 43원자량% 이하이고 B 함량이 상이한 합금에 관한 기계적 성질의 측정 결과이다. Al 함량이 43원자량% 이하로 감소함에 따라 합금의 강도는 계속적으로 증가하는 경향을 보여서 800MPa 수준까지의 매우 높은 항복강도를 나타낸다(실시예 8). 반면에 연신율은 다소 감소하나 거의 1% 수준에 육박하였다. 제2도에서 보는 바와 같이 이러한 항복강도 수준은 종래의 고강도 Cr-Nb-B 합금(비교예 14)에 비해서도 70-80%의 강도 증가에 해당한다.This Example is prepared by the same method as the Comparative Examples and Examples described above, and the composition is similar, but the measurement results of the mechanical properties of alloys with Al content of 43 atomic% or less and different B content. As the Al content decreases below 43 atomic percent, the strength of the alloy tends to increase steadily, resulting in very high yield strengths up to the 800 MPa level (Example 8). On the other hand, the elongation decreased somewhat, but it was nearly 1%. As shown in FIG. 2, this yield strength level corresponds to a 70-80% increase in strength compared to a conventional high strength Cr-Nb-B alloy (Comparative Example 14).

이와 같은 현저한 강도와 연신율 차이는 제3도에서 보는 바와 같이 현격한 주조조직의 차이에 기인하는 것이다. 즉, 종래의 Cr-Nb 합금(비교예 9)인 경우는 그 주조조직이 조대한 주상정으로 이루어져 있는 반면, 종래의 고강도 Cr-Nb-B 합금(비교예 14)은 B 첨가에 의한 등축 결정립이 형성되고 결정립도 상당히 미세화하는 경향이 있다. 이에 비해 본 발명합금의 경우(실시예 7)는 종래의 B 합금보다도 현저히 미세화한 결정립 조직을 보이는데 이는 본 발명 특유의 미세한 바스킷위브 조직의 발달로 그 결정립 크기가 급격히 감소하였기 때문이다. 바스킷위브 조직의 발달은 고온 베타상→알파상의 고상변태시 발생하는 것으로 Al 함량과 B 함량에 크게 영향을 받는 것으로 판단된다.This significant difference in strength and elongation is due to the sharp difference in cast structure as shown in FIG. That is, in the case of the conventional Cr-Nb alloy (Comparative Example 9), the casting structure is composed of coarse columnar crystals, while the conventional high-strength Cr-Nb-B alloy (Comparative Example 14) is equiaxed crystal grain by B addition. This is formed and crystal grains tend to be considerably finer. On the other hand, the present invention (Example 7) shows a significantly finer grain structure than the conventional B alloy because the grain size was drastically reduced due to the development of the fine basket weave peculiar to the present invention. The development of the basketweave tissue is caused by the solid phase transformation of the high temperature beta phase to the alpha phase.

B 함량의 영향은 감마+알파2의 2-상 조직(1200℃에서 열처리한 경우)에서 현저히 관찰되었는데 실시예 10-13은 이를 잘 설명해준다. B 함량이 증가할 때 1.5원자량%까지는 연신율이 증가하여 1.6%로 최대가 되었다가 그 이후는 감소하는 경향을 보인다. 이 때 강도는 다소 감소하나 580MPa 수준의 높은 항복강도를 유지하였다. 이 결과는 제2도에서 보는 것처럼 종래의 고강도 B 합금(비교예 14)과 비교할 때 항복강도가 월등히 증가했을 뿐만 아니라 연신율도 오히려 증가하여 종래의 B이 없는 합금(비교예 9)의 수준에 도달한 사실을 보여주는 것이다.The effect of the B content was remarkably observed in the two-phase tissues of gamma + alpha 2 (annealed at 1200 ° C.), examples 10-13 illustrate this well. When the B content is increased, the elongation is increased to 1.5 atomic percent, reaching a maximum of 1.6 percent, and then decreasing. At this time, the strength decreased slightly, but the yield strength of 580 MPa was maintained. This result shows that the yield strength not only increased significantly but also the elongation increased compared to the conventional high strength B alloy (Comparative Example 14), as shown in FIG. 2, to reach the level of the conventional B-free alloy (Comparative Example 9). It shows one fact.

이와 같이 B 함량이 증가함에 따라 연신율이 증가하는 이유는 제4도에서 알 수 있는 것처럼 비교적 B 함량이 적을 때 뚜렷이 관찰되는 바스킷위브 형태의 미세한 결정립 조직이 B 함량이 증가함에 따라 미세한 등축조직으로 변화하기 때문이다. 이때 결정립의 등축화만이 주로 일어나기 때문에 그 크기는 큰 변화가 없다. 그 결과 B을 다량 함유한 합금은 바스킷위브 조직과 유사한 크기의 미세한 등축결정립 조직을 나타낸다. B 함량이 1.5원자량% 이상이 되면 조대한 보론화합물의 형성으로 오히려 연신율이 저하하게 되어 ~1.5원자량% B에서 최대의 연신율을 보이는 것으로 판단된다.The reason why the elongation increases as the B content increases is that as shown in FIG. 4, the fine grain structure of the basket weave which is clearly observed when the B content is relatively small is reduced to a fine isometric structure as the B content increases. Because it changes. At this time, since only isotropic crystallization of grains occurs, the size does not change significantly. As a result, the alloy containing a large amount of B shows a fine equiaxed grain structure similar in size to the basket weave structure. If the B content is more than 1.5 atomic%, the elongation is lowered due to the formation of coarse boron compound, which is considered to have the maximum elongation at ~ 1.5 atomic% B.

실시예 14는 최적의 B 함량(~1.5원자량%)에서 Al 함량의 변화 효과를 보여주는 예로써 Al 함량이 감소하면 항복강도는 630MPa 이상으로 증가하는 반면, 연신율은 다소 감소하나 그래도 1.3% 이상의 높은 연신율을 유지하고 있음을 보여주는 결과이다.Example 14 shows an effect of changing the Al content at the optimum B content (~ 1.5 atomic%). As the Al content decreases, the yield strength increases to 630 MPa or more, while the elongation slightly decreases, but the elongation higher than 1.3%. This shows that it is maintained.

본 발명에 의해 고온과 가혹한 산화분위기에서 장시간 노출되는 주조체의 부품 등에 사용되는 미세한 결정립을 가지는 고강도, 고연성의 내열구조용 감마계 티타늄 알루미나이드 합금이 제공된다.The present invention provides a high-strength, high-ductility, gamma-based titanium aluminide alloy having fine grains used for parts of a cast body that are exposed to high temperatures and harsh oxidation atmospheres for a long time.

Claims (6)

원자량%로, Al : 40-43%, Cr : 1-4%, Nb : 4% 이하, B : 0.3-2.5%, 그리고 나머지는 Ti 및 피할 수 없는 불순물로 이루어지는 고강도 고연성의 내열구조용 감마계 티타늄 알루미나이드 합금.High-strength, high-ductility heat-resistant gamma system composed of atomic weight%, Al: 40-43%, Cr: 1-4%, Nb: 4% or less, B: 0.3-2.5%, and the rest are Ti and inevitable impurities Titanium aluminide alloy. 원자량%로 Al : 40-43%, Cr : 1-4%, Nb : 4% 이하, B : 0.3-2.5%, 그리고 나머지는 Ti 및 피할 수 없는 불순물로 이루어지는 합금의 주조체 및 상기 주조체의 가공재를 900-1400℃에서 1-72시간 동안 열처리를 행하는 10-100㎛의 미세한 결정립을 가지는 고강도 고연성의 내열구조용 감마계 티타늄 알루미나이드 합금의 제조방법.Of the cast and alloy of the alloy consisting of atomic weight% of Al: 40-43%, Cr: 1-4%, Nb: 4% or less, B: 0.3-2.5%, and the remainder of Ti and inevitable impurities A method for producing a high-strength, high-ductility, gamma-based titanium aluminide alloy having fine grains of 10-100 µm in which a processed material is heat-treated at 900-1400 ° C. for 1-72 hours. 제2항에 있어서, 상기 합금의 주조체에 대한 상기 열처리에 선행하여 900-1200℃에서 히핑(HIPing)처리를 행하는 미세한 결정립을 가지는 고강도 고연성의 내열구조용 감마계 티타늄 알루미나이드 합금의 제조방법.The method for producing a high-strength, high-ductility, gamma-based titanium aluminide alloy having fine grains subjected to a hiping treatment at 900-1200 ° C prior to the heat treatment of the casting of the alloy. 원자량%로, Al : 43-47%, Cr : 1-4%, Nb : 4% 이하, B : 0.1-0.5%, 그리고 나머지는 Ti 및 피할 수 없는 불순물로 이루어지는 고강도 고연성의 내열구조용 감마계 티타늄 알루미나이드 합금.GaA system for high strength, high ductility, heat resistant structure consisting of atomic weight%, 43: 47%, Cr: 1-4%, Nb: 4% or less, B: 0.1-0.5%, and the rest is Ti and inevitable impurities Titanium aluminide alloy. 원자량%로, Al : 43-47%, Cr : 1-4%, Nb : 4% 이하, B : 0.1-0.5%, 그리고 나머지는 Ti 및 피할 수 없는 불순물로 이루어지는 합금의 주조체 및 상기 주조체의 가공재를 900-1400℃에서 1-72시간 동안 열처리를 행하는 10-100㎛의 미세한 결정립을 가지는 고강도, 고연성의 내열구조용 감마계 티타늄 알루미나이드 합금의 제조방법.Castings and alloys of alloys consisting of atomic weight%, Al: 43-47%, Cr: 1-4%, Nb: 4% or less, B: 0.1-0.5%, and the rest are Ti and inevitable impurities Method for producing a high strength, high ductility gamma-based titanium aluminide alloy having a fine grain of 10-100㎛ to heat-treat the workpiece at 900-1400 ℃ for 1-72 hours. 제5항에 있어서, 상기 합금의 주조체에 대한 상기 열처리에 선행하여 900-1200℃에서 히핑(HIPing)처리를 행하는 미세한 결정립을 가지는 고강도 고연성의 내열구조용 감마계 티타늄 알루미나이드 합금의 제조방법.The method of producing a high strength, high ductility, gamma-based titanium aluminide alloy having fine grains, which is subjected to a HIPing treatment at 900-1200 ° C. prior to the heat treatment of the casting of the alloy.
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