KR100256362B1 - 저밀도 고온 구조용 내열합금 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고온구조용 내열합금에 관한 것이며, 그 목적은 저밀도를 갖는 상온 인성이 우수한 알루미늄(Al)-티타늄(Ti)-바나듐(V) 내열 합금을 제공함에 있다.

본 발명은 원자 %로, Ti : 5-15%, V : 15-30%, 및 나머지는 Al로 조성되는 저밀도 고온구조용 내열합금에 관한 것을 그 기술적 요지로 한다.

Description

저밀도 고온구조용 내열합금

제1도는 본 발명 합금의 미세조직 사진.

본 발명은 고온구조용 내열합금에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 저밀도를 갖는 상온 인성이 우수한 알루미늄(Al)-티타늄(Ti)-바나듐(V) 내열합금에 관한 것이다.

최근들어 항공우주산업계를 중심으로 새로운 고온구조용 재료개발의 중요성이 대두되어 왔다. 이러한 고온구조용 재료는 고온성능 향상을 위해서는 저밀도이면서 밀도에 대한 강도비(비강도)가 높아야 한다는 것이 필수적이다. 현재 적용되고 있는 통상의 고온구조용 합금은 주로 니켈을 주성분으로 한 내열합금으로서, 약 8g/cc의 밀도를 지닌다.

반면에 Ni계 내열합금 보다도 절반정도의 밀도를 갖는 것이 있는데, 예를들면 Al, Ti의 이원 Al-Ti 금속간 합금이 있다. 그러나, 상기 Al-Ti 금속간 합금의 경우 저밀도, 고융점, 고경도(약 400HDP) 우수한 내산화성 등을 지니고 있지만, 이원 합금(Al₃Ti)의 제조가 곤란하고 상온에서 극히 취약하다고 알려져 있다(M. Yamaguchi, Y. Umakoshi 및 T.Yamane; Philosophical Magazine, A, 55(1987), 301).

즉, 상기 Al₃Ti는 대칭성이 낮은 규칙형 정방구조(DO₂₂)를 지니므로 상온 변형시 충분한 변형계(slip system)를 제공하지 못한다.

이러한 Al-Ti 금속간 합금의 상온취성 문제를 극복하기 위해 지금까지는 정방정 Al₃Ti에 Cr, Mn, Fe, Ni, Cu 등의 천이금속을 제3의 원소로 첨가하여 결정구조를 대치성이 높은 입방정구조(Ll₂)로 전환시켜 변형시 충분한 변형계를 확보하는 방안이 시도되어 왔다(미국특허 4891184. 5006054 및 K.S. Kumar MTcrostructure and Mechanical Properties of Ternary Ll₂Aluminium-Rich Intermetallics, Struc tural Intermetallics, TMS, Warrendale, PA, 1993, p.87). 그러나, 이와같이 제조된 삼원계 입방정 합금에서도 구조용 재료로서 요구되는 최소한의 상온 인장연성은 나타나지 않는다. 예를 들면, 상기한 K.S.Kumar에 의하면 삼원계합금중 가장 우수한 상온연성을 지니는 Cr, Mn 첨가 Al-Ti 합금에서도 상온에서의 인장연성은 거의 0%로 나타나 있다. 따라서, Al₃Ti 합금의 경우 결정구조의 전환만으로는 상온 연성 내지는 인성의 개선에 한계가 있음을 알 수 있다.

이에, 본 발명자들은 취약한 Al₃Ti의 상온 연성 내지는 인성을 개선하기 위해 금속간화합물이 단상으로 존재하는 한 결정구조가 가장 대칭성이 높은 입방정 조건에서도 상온에서의 인장연성 확보가 불가능하다는 상기의 연구결과들을 바탕으로 지금까지의 시도와는 달리 금속간화합물인 Al₃Ti 상에 연성 및 인성이 우수한 금속상을 분산시킨 복합조직을 합금설계를 통해 자연적으로 형성시켜 저밀도의 상온 인성이 우수한 금속간합금의 제조가 가능하다는 것을 밝혀내고 본 발명을 제안한 것이다.

즉, 본 발명은 Al-Ti 합금에 V을 적절히 첨가하여 고온에서 금속상과 2상영역을 형성시키므로서, 저밀도를 갖으면서 상온 인성이 우수한 Al-Ti-V3 원계 내열합금을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

이하, 본 발명에 대하여 설명한다.

본 발명은 원자 %로, Ti : 5-15%, V : 15-30％, 나머지는 Al로 조성되고, 800-1100℃의 온도범위에서 Al₃(Ti, V)과 β-(Ti, V)상의 2상을 갖음을 특징으로 하는 저밀도 고온구조용 내열합금에 관한 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

지금까지 보고된 Al-Ti-X(X=천이금속) 삼원계 합금의 고온 평형상태도에 따르면 Cr, Mn, Fe, Ni, Cu등 대부분의 천이금속은 Al₃Ti 조성에 제3원소로 첨가시 Al원자와 치환되며 입방정 결정구조를 지닌 3원계 단상 합금을 형성하는데 비해, Al-Ti-V 삼원계에서는 V이 Ti원자 위치에 우선적으로 치환되어 Al₃Ti의 결정구조는 변화되지 않는다. 반면에 Al₃Ti 조성을 중심으로 금속상과의 복합조직 형성 가능성을 보여준다. 즉, 이 삼원계에서 Al₃Ti는 동일한 결정구조를 지니는 Al₃V과 Al₃(Ti, V) 형태의 고용체를 형성하여 이원 합금 Al₃Ti가 근본적으로 지니고 있는 합금 여력(alloying poten tial)의 한계를 상당 수준 극복할 수 있으며, 또한 이 고용체 금속간화합물상은 금속상인 β-(Ti, V)과 고온(800-1100℃)에서 이상 영역을 형성한다. 본 발명은 이러한 Al₃(Ti, V)과 β 상간의 이상역에 해당되는 조성을 지니는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 3원계 내열합금의 조성을 살펴보면 다음과 같다.

본 Al-Ti-V 삼원계 합금은 Al₃Ti 조성을 중심으로 연성을 지닌 금속 β상과의 복합 조직화가 가능하지만, 합금의 최종 밀도를 고려해야 하고 주위에 여러 종류의 취약한 금속간화합물상이 함께 존재함으로서 구성 원소의 성분은 본 발명의 한정 범위에 제한되어야 한다.

우선, 티타늄이 약 5원자% 미만일 경우 인접한 Al₈V₅상이 형성되어 합금이 취약해지며, 반면에 약 15원자% 초과시 Al₃Ti에 비해 밀도가 높고, 취약한 TiAl상이 혼재하게 된다.

바나듐은 본 발명에 있어서 Al₃(Ti,V)을 금속 β상과 이상 조직을 형성하게 하고 바나듐의 함량조절에 의해 β상의 부피분율도 조절 가능하다. 약 15원자% 미만에서는 β상의 형성이 어렵고 30% 초과시 합금의 밀도가 높아지므로 바람직하지 않다.

알루미늄은 본 발명의 필수 원소로서 가장 비중이 낮은 원소이므로 합금의 최종 밀도를 낮추기 위해서는 가급적 알루미늄의 조성이 높을수록 바람직하지만, 이 경우 취약한 Al₃(Ti,V)상의 부피분율이 높고 금속상의 분율이 상대적으로 낮아 제2상에 의한 향상을 기대하기 힘들다. 따라서 알루미늄 조성은 티타늄과 바나듐의 함량을 결정한 후 실질적으로 나머지가 알루미늄으로 구성되게 한다.

상기의 조성 범위에서 제조된 본 발명 합금은 약 3.6g/cc의 매우 낮은 밀도를 지면서도 상온 인성이 우수하다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다.

[실시예]

Al이 주성분인 Al₇₀Ti₁₀V₂₀과 Al₆₂Ti₁₀V₂₈조성의 저밀도 삼원계 금속간 합금을 순수한 원소들을 이용하여 아크용해에 의해 제조하였다. 용해된 소재는 균질화를 위해 약 800-1100℃ 범위에서 약 100시간 열처리를 행하였다. 이러한 합금의 조직을 모재인 Al₃(Ti,V)상에 인성이 우수한 β 금속상이 분산되어 있는 이상 조직을 나타내며 합금조성중 V 함량의 조절에 따라 금속상인 β상의 부피분율이 증감될 수 있다.

제1도는 Al₇₀Ti₁₀V₂₀합금의 열처리 후 미세조직을 나타내며 미세한 β상이 균일하게 분포되어 있음을 알 수 있다. 이렇게 분산된 금속 β상은 외부 하중에 의한 변형시 크랙의 발생 및 전파 방지에 유효하게 작용할 수 있다. 열처리후 본 발명의 합금의 경도는 조성에 관계없이 약 420HDP로서 이원 합금인 Al₃Ti의 400HDP보다 다소 높은 경도를 지녔다.

또한, 본 발명 합금의 다이아몬드 피라미드 경도(HDP) 압흔 주위에서의 크랙에 대한 저항성은 이원 합금인 Al₃Ti보다 훨씬 우수하였다. 예를 들어 Al₃Ti의 경우 약 0.5kg의 부하 하중하에서 압흔 주위에 상당한 크랙이 발생하는데 비해 본 발명 합금의 경우 본 발명에서 적용한 최대 하중인 20kg까지 압흔 주위에서 크랙이 발생하지 않았다. 따라서, 본 발명 합금은 종래의 Al₃Ti 합금에 비해 상온에서 우수한 인성을 지님을 알 수 있었다.

Claims (1)

1. 원자 %로, Ti : 5-15%, V : 15-30%, 나머지는 Al로 조성되고, 800-1100℃의 온도범위에서 Al₃(Ti, V)과 β-(Ti, V)상의 2상을 갖음을 특징으로 하는 저밀도 고온구조용 내열합금.