KR100241032B1 - 감마 티타늄 알루미나이드의 용접방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 항공기 엔진의 터빈 블레이드, 트럭의 토보차저등의 소재로 사용되는 감마 티타늄 알루미나이드의 용접방법에 관한 것으로, 감마티타늄 알루미나이드를 레이저빔 용접을 이용해 용접조건 및 예열온도를 제어하므로서 응고 및 고상군열을 억제하고 이음부 효율 또는 우수한 용접부를 얻을 수 있는 감마 티타늄 알루미나이드의 용접방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 감마 티타늄 알루미나이드를 용접하는 방법에 있어서, Al 이 원자% 로 45-48% 범위로 함유되어 있는 이원계, 삼원계 또는 사원계의 감마 티타늄 알루미나이드를 레이저빔 용접시 용접속도 : 3.0-13.0mm/s, 예열온도 : 600℃ 이하 및 1550-800℃ 의 온도구간에서의 냉각속도 : 150-1000℃/s 를 만족하고, 보호가스로는 He 또는 Ar 중 선택된 1종을 사용하는 것을 포함하여 이루어지는 감마 티타늄 알루미나이드의 용접방법에 관한 것을 그 요지로 한다.

Description

감마 티타늄 알루미나이드의 용접방법
제1도는 용접응고균열(solidification cracking)감수성에 미치는 용접속도의 영향을 알루미늄 함량에 따라 나타내는 그래프.
제2도는 고상균열(sold-state cracking) 감수성에 미치는 용접속도 및 예열온도의 영향을 보여주는 그래프.
제3도는 용접균열 감수성에 미치는 냉각속도의 영향을 보여주는 그래프.
제4도는 용접속도가 본 발명의 범위를 벗어나는 비교예(14)의 경우 결함이 발생됨을 보여주는 용접부 사진.
본 발명은 항공기 엔진의 터빈 블레이드, 트럭의 터브 차저등의 소재로 사용되는 감마 티타늄 알루미나이드의 용접방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 용접을 행하여도 균열이 발생하지 않고 용접부 강도도 우수한 용접부를 얻을 수 있는 레이저 빔 용접방법에 관한 것이다.
감마 티타늄 알루미나이드(gamma titanium aluminides)는 비중이 매우 낮고 비강도(specific strength)가 크며 고온성질이 우수하기 때문에 항공기 부품용 소재로 이용되던 기존의 Ni 베이스 초합금(Ni-based superalloy)을 대체할 새로운 소재로 각광받고 있다. 이 소재는 전술한 바와같이 낮은 비중, 높은 비강도, 우수한 내산화성 및 내크립성등의 장점을 갖고 있으나, 상온연성이 1-3% 에 불과하고 연성-취성천이온도가 약 650℃에 달하는 낮은 파괴인성 때문에 이 소재의 현장적용이 제한되어 왔다. 이같은 문제점들을 해결하기 위하여 많은 연구가 집중되었으며 최근에 와서 합금조성과 열처리 및 제조공정등을 조절함으로서 소재의 상온연성성을 7-9% 까지 향상시킴으로서 1996년 부터 이 소재를 이용한 항공기, 트럭등의 생산될 단계에 와 있다.
이처럼 감마 합금의 현장적용이 가능해짐에 따라 새로이 대두된 이슈들중의 하나가 용접성이다. 감마 합금을 최종제품으로 가공하기 위해서는 소재의 가공이 필요하나 이 소재의 가공성은 아직도 매우 나쁘기 때문에 복잡한 형상의 최종 제품으로 가공하기 위한 절삭, 압연, 단조등은 기술적, 경제적으로 많은 문제점을 안고 있다. 이같은 문제들을 일시에 해결할 수 있는 공정이 용접으로서 용접은 정밀주조, 항온 단조등에 의해 제작된 단순형상의 부품들을 접합해 최종 제품으로 만들 수 있고 또 최종 제품을 사용중에 발생하는 균열등의 결함을 보수할 수 있는 유효한 방법이다.
이같은 감마 티타늄 알루미나이드 합금 용접시 합금 용접시 가장 큰 문제점은 심한 고상균열로 알려져 있으며, 균열이 발생하지 않는 건전한 용접부를 만들 수 있는가가 용접의 관건이 되어 왔으나 용접에 관한 검토는 매우 적었으며 용접법으로서 확산접합, 마찰용접, 전자빔 용접, GTAW(Gas tungsten arc welding)에 대한 제안은 각각 1-1건 정도의 제안이 있었으나 레이져 용접에 관한 연구는 거의 전무한 상태이다.
확산접합은 접합은 가능하였으나 접합부의 효율(접합부 강도/모재의 강도)이 매우 낮았으며, 마찰용접은 많은 용접 균열을 발생시키고 매우 제한된 용접 조건에서만 용접이 가능하였으며, 전자빔 용접은 매우 느린 속도에서는 균열발생이 없는 용접이 가능하였으나 용접이 진공상태에서만 가능하기 때문에 진공유지, 부품 크기의 제한등의 경제적, 기술적 문제들을 내포하고 있다. GTAW의 경우는 균열없는 용접부를 만들기 위해서 800℃ 이상의 예열을 요구되고 있다.
이같은 문제점들 외에도 지금까지 행해진 모든 제안들이 고상균열을 막을 수 있는지의 여부에 집중이 되었고 지금까지 보고된 적이 없는 응고균열에 대해서는 전혀 검토되지 않았다. 그러나, 실제로는 응고균열도 발생하기 때문에 이에 대한 보완이 필수적이다.
이에, 본 발명자는 감마 티타늄 알루미나이드의 용접시 상기한 종래 방법들의 문제점을 해결할 뿐만 아니라 응고균열에 대한 문제점 또한 해결하기 위하여 연구와 실험을 행하고, 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로, 본 발명은 감마티타늄 알루미나이드를 레이저빔 용접을 이용해 용접조건 및 예열온도를 제어하므로서 응고 및 고상균열을 억제하고 이음부 효율 또한 우수한 용접부를 얻을 수 있는 감마 티타늄 알루미나이드의 용접방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.
이하, 본 발명에 대하여 설명한다.
본 발명은 감마 티타늄 알루미나이드를 용접하는 방법에 있어서, Al이 원자%로 45-48% 범위로 함유되어 있는 이원계, 삼원계 또는 사원계의 감마 티타늄 알루미나이드를 레이저빔 용접시 용접속도 : 3.0-13.0mm/s, 예열온도 : 600℃ 이하 및 1550-800℃의 온도구간에서의 냉각속도 : 150-1000℃/s를 만족하고, 보호가스로는 He 또는 Ar 중 선택된 1종을 사용하는 것을 포함하여 이루어지는 감마 티타늄 알루미나이드의 용접 방법에 관한 것이다.
이하, 본 발명에 대하여 보다 상세하게 설명한다.
상기한 본 발명의 목적은 상기한 바와같이 용접조건들을 적절히 제어함에 의해 그 해결이 가능하다.
본 발명의 대상은 Al 이 45-48원자%(이하,‘%’로 칭함) 함유되어 있는 이원계, 삼원계 또는 사원계 감마 티타늄 알루미나이드로서 Al 이 45% 보다 낮으면 α-2(alpha-two)상의 분율이 높아져 연성 및 가공성이 매우 저하하고 Al 이 48% 보다 높으면 감마상의 분율이 높아져 기계적 성질의 저하가 현저하기 때문이다. 이같은 소재를 레이저 빔 용접에 의해 용접함으로서 감마 티타늄 알루미나이드를 이용해 복잡한 형상의 최종 제품 제조시 소재의 나쁜 가공성에 기인한 단조, 압연, 절단시의 기술적 문제를 해결함과 동시에 제조원가의 저감도 가능해진다.
본 발명에서 균열 발생하지 않는 용접부를 얻기 위해 레이저 용접조건의 범위를 설정한 이유는 다음과 같다.
감마 티타늄 알루미나이드 용접시 용접균열 감수성에 미치는 용접속도의 영향을 제1도 및 제2도에 나타내었다. 제2도에서 알 수 있듯이 고상균열 감수성은 용접속도가 증가하게 되면 증가하며 예열온도가 증가하면 감소함을 알 수 있다. 제2도에서 Y 축으로 표시한 균열빈도(crack frequency)는 용접 비드길이 5cm 당 고상균열의 수를 나타낸다. 용접속도가 13.0mm/s 보다 빠르게 되면 600℃ 부근 또는 그 이상의 온도로 예열함으로서 균열이 없는 용접부를 얻을 수는 있으나 제4도에서 보여주고 있듯이 빠른 응고속도에 기인한 기공, 응고균열등이 발생해 이음부의 효율을 저하시키게 된다. 한편, 용접속도가 3.0mm/s 보다 느리게 되면 조대한 주상형의 덴드라이트들이 성장, 맞부딪히는 용접부 센타라인에서 Al 의 편석이 일어나며 이센타라인을 따라 응고균열이 발생하기 때문에 접합부에 치명적인 결함을 내재하게 된다.
예열온도를 600℃ 이하로 규제한 것은 예열온도가 600℃ 보다 높게 되면 실제 현장에서 국부적인 예열이 거의 불가능해지며 13.0mm/s 이상의 빠른 용접속도에서도 응고균열을 발생시키기 때문이며, 또한 구조물 용접시 국부적이 열 변형을 야기시켜 칫수 정도가 좋아야 하는 부품의 용접에는 적합치 않게 된다.
이같은 용접조건의 범위내에서 레이저 빔의 전력, 용접속도와 예열온도를 용접부의 냉각속도(1550℃ - 800℃ 의 온도구간에서)가 150-1000℃/s 범위가 되도록 조절하여야 하는데, 그 이유는 제3도에서 알 수 있듯이, 냉각속도가 1000℃/s 보다 크게 되고 고상균열이, 냉각속도가 150℃/s 보다 작게 되면 응고균열이 발생하여 양호한 용접부를 얻을 수 없게 된다.
보호가스의 경우, 레이저 빔 용접시 Ar, He 모두 사용이 가능하나 Ar은 용접시 이온으로 쉽게 해리되기 때문에 용접되는 부위의 표면(바로 위)에 플라즈마 또는 플룸(Plume)을 형성하여 레이저 빔을 분산시켜 용접효율(시편의 용해에 사용된 에너지/전원에서 사용된 에너지)을 현저히 저하시키게 되며 그 결과, 용입이 매우 작아지게 된다. 반면에 He 은 이온 해리에 필요한 에너지가 커서 쉽게 해리되지 않아 시편 표면에 플라즈마 형성이 어려우며 열전도도도 좋아 용접효율이 우수하기 때문에 레이저빔 용접에 적합하다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
[실시예]
하기표 1과 같은 조성(원자%)을 갖는 감마 감마 티타늄 알루미나이드 소재를 하기표 2와 같이 용접속도, 예열온도 및 보호가스를 변화시키면서 레이저빔 용접을 실시하여 용접균열 발생여부와 이음부 효율을 조사하고, 그 결과를 하기표 2에 나타내었다.
이때, 하기표 1과 같은 조성으로 주조된 감마 티타늄 알루미나이드를 HIP(Hot lsostatic Pressing) 및 열처리한 후, 레이저 빔 용접을 실시하였다. 용접시 레이저 빔의 전력은 1, 1.5, 2.2, 4kW 의 3조건을 이용하였으며 용접속도, 예열온도를 변화시켜 용접을 행한 후 균열발생 유무, 결함발생 여부와 이음부 효율을 조사하였다.
하기표 2에서 비교예(20,21)은 GTAW 로 용접한 경우이다.
[표 1]
[표 2]
상기표 2에서 알 수 있는 바와같이, 본 발명의 범위내에서 용접된 발명예(1-9)의 용접부는 응고균열, 고상균열, 기공(pore), 용입불량(loack of penetration), 용락(burn through)등이 전혀 발생하지 않았고 이음부 효율도 0.95 이상으로 양호하였다. 그러나, 비교예(10-21)의 경우 용접속도가 3mm/s 보다 느린 경우에는 응고균열, 용락등의 결함이 발생하고 있었으며, 13.0mm/s 보다 빠른 경우에는 다수의 기공이 발생하였다. 또한 용접부 냉가속도가 150-1000℃/s 의 범위를 벗어나면 응고균열(냉각속도가 150℃/s 보다 느린 경우)또는 고상균열(1,000℃/s 보다 빠른 경우)이 발생하였다. 보호가스의 경우도 Ar 을 사용하면 매우 느린 용접속도에서도 용입불량이 발생하였다.
상술한 바와같이, 본 발명은 Al 을 45-48원자% 범위로 함유하는 감마 티타늄 알루미나이드를 레이저 빔 용접시 용접속도, 예열온도 및 냉각속도, 그리고 보호가스를 적절히 제어하고 설정함에 의해 균열의 발생이 없을 뿐만 아니라 용접부 강도 또한 우수한 용접부를 얻을 수 있는 효과가 있다.

Claims (1)

  1. 감마 티타늄 알루미나이드를 용접하는 방법에 있어서, Al이 원자%로 45-48% 범위로 함유되어 있는 이원계, 삼원계 또는 사원계 감마티타늄 알루미나이드를 레이저빔 용접시, 1550-800℃의 온도구간에서 냉각속도가 150-1000℃/s의 범위로 유지되도록, 용접속도를 3.0-13.0mm/s의 범위내에서 설정하고, 예열온도를 600℃이하로 설정하여 용접을 행하고, 보호가스로는 He 또는 Ar 중 선택된 1종을 사용하는 것을 특징으로 하는 감마 티타늄 알루미나이드의 용접방법.
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