KR100644880B1

KR100644880B1 - 층상조직의 열적안정성 및 기계적 성질이 매우 우수한 일방향응고 TiAlNbSiC계 합금

Info

Publication number: KR100644880B1
Application number: KR1020040099489A
Authority: KR
Inventors: 김성웅; 김정환; 오명훈; 위당문
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2004-11-30
Filing date: 2004-11-30
Publication date: 2006-11-15
Also published as: KR20060060425A

Abstract

본 발명은 층상조직의 열적안정성과 기계적 성질이 우수한 TiAlNbSiC계 합금 에 관한 것으로 보다 상세하게는 TiAl 합금에 있어서, 나이오븀(niobium, Nb), 실리콘(Si), 탄소(C)가 함유하도록 하여 층상조직의 열적안정성과 기계적 성질이 우수한 TiAlNbSiC계 합금에 관한 것이다.

본 발명의 TiAlNbSiC계 합금은 종래 TiAl 합금에 있어서, 나이오븀(Nb), 실리콘(Si), 탄소(C)가 함유된 TiAlNbSiC계 합금을 포함한다. 상기 TiAlNbSiC계 합금에서 Al은 44.5∼45at％, Nb는 2∼3at％, Si는 0.4∼0.6at％, C는 0.2∼0.3at％ 이다.

Description

층상조직의 열적안정성 및 기계적 성질이 매우 우수한 일방향응고 TiAlNbSiC계 합금{Alloy design of directionally solidified TiAl-Nb-Si-C alloys with excellent thermal stability and mechanical properties with lamellar microstructures}

도 1은 종자결정을 이용하여 층상방향성을 유지시키는 방법을 나타낸 것이다.

도 2는 종자결정 없이 고온 응고과정을 베타(β)상(bcc)으로 유도하여 고상변태과정 중에 층상방위를 제어하는 방법을 나타낸 것이다.

도 3은 FZ(floating zone) 로에서의 부분용해법을 나타낸 것이다.(참고문헌 1,2)

도 4는 Ti-44.5Al-3Nb-0.6Si-0.2C 합금의 미세조직을 나타낸 사진이다.

도 5는 Ti-44.5Al-3Nb-0.6Si-0.2C 합금 및 Ti-45Al-2Nb-0.6Si-0.2C 합금의 인장특성을 나타낸 그래프이다.

도 6은 Ti-44.5Al-3Nb-0.6Si-0.2C 합금 및 Ti-45Al-2Nb-0.6Si-0.2C 합금의 압축강도 특성을 나타낸 그래프이다.

차세대 경량내열재료로서 주목받고 있는 금속간화합물(intermetallic compound)의 일종인 TiAl은 Ti₃Al을 10％ 정도 포함하고 있는 2상(two-phase)합금으로서, 통상적인 용해응고법으로 제조하면 TiAl(γ)+Ti₃Al(α₂)의 2상으로 이루어지는 층상조직(lamellar structure)의 잉고트(ingot)를 얻게된다.

TiAl의 층상조직은 파괴인성, 피로강도, 크리프강도가 우수해서 TiAl을 경량고온재료로서 실용화하는데 유용한 특성을 제공하는 것으로 알려져 있으나, 상온에서의 연성 부족이 주조재로 사용하는데 가장 큰 장애요소로 알려져 있다. 이러한 연성부족의 가장 큰 원인은 층상경계면(lamellar boundary)에 수직한 방향으로 응력이 작용할 때 경계면에서의 분리현상(delamination)이 일어나기 때문인 것으로 알려져 있다. 이는 취성방위를 전혀 포함하지 않고 연성방위로만 이루어지는 주조(cast)재를 제조할 수 있다면 고강도, 고연성을 기대할 수 있다는 것을 의미한다. 따라서 일방향응고에 의하여 모든 층상조직 결정립의 층상경계 방향을 고강도, 고 연성이 기대되는 방향으로 조절해서 TiAl에 고강도와 고연성을 동시에 부여하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

본 발명에서 일방향응고에 의하여 모든 층상조직 결정립의 층상경계 방향이 고강도, 고연성이 기대되는 방향을 "A방향" 이라고 약칭한다.

본 발명의 발명자들은 지난 수년간의 체계적인 연구 수행의 결과로서 일방향응고법을 이용해서 A방향의 층상조직을 갖는 TiAl 합금을 제조하는데 성공하였으며, 또한 일방향응고재 제조를 위한 제조공정상의 기술을 축적하였다. 이를 요약하면, 일반적으로 A방향으로 정렬된 층상방위를 갖는 TiAl 잉고트를 제조하는 방법으로 (1)A방향의 종자결정을 이용하여 층상방향성을 유지시키는 방법(도 1 참조), (2)종자결정 없이 고온 응고과정을 베타(β)상(bcc)으로 유도하여 고상변태과정 중에 층상방위를 제어하는 방법이 있다(도 2 참조). 그러나 응고과정의 수정을 통한 도 2의 방법은 완전한 베타상으로의 변태만을 전제로 하기 때문에 알파(α)상(hcp)이 초정인 합금의 경우에는 층상경계의 방향제어가 어려워 베타상으로부터 변태가 일어나더라도 베타상과 알파상의 면관계에 의하여 A방향의 층상경계를 지닌 잉고트를 얻을 확률은 1/3일 수밖에 없다는 문제점을 지니고 있다. 이에 반해서, 종자결정을 이용한 일방향응고 공정은 잉고트 전체의 층상경계 방향을 A방향으로 제어하는데 보다 유리하다.

그러나 종자결정을 이용한 일방향응고법에 의해 층상경계 방향을 제어하는 경우에는 종자결정의 층상조직 열적안정성이 필수적이다. 이는 종자결정의 층상조직이 융점부근까지 열적안정성을 지니지 못하면 일방향응고시 승온 중에 재결정이 일어나서 초기에 지니고 있던 층상조직의 방향이 변하기 때문에 성장되는 결정의 층상경계방향이 의도하였던 A방향이 아닌 다른 방향으로 형성되기 때문이다.

TiAl 합금의 층상조직 열적안정성을 조사하기 위한 방법으로는 FZ(floating zone) 로에서의 부분용해법이 알려져 있다(도 3 참조).

본 발명의 발명자는 수년간의 층상조직의 열적안정성과 관련된 연구를 통하여 TiAl 합금에 Mo-C 및 Mo-Si이 복합 첨가된 경우 열적안정성이 현저하게 개선되는 것을 확인하였다. 또한 위 합금계에서 열적으로 매우 안정한 것으로 확인된 Ti-46Al-1.5Mo-0.2C 합금 및 Ti-46Al-1.5Mo-1Si 합금을 종자결정으로 사용하여 동일 조성 및 다른 조성 합금의 층상방위를 A 방향으로 제어하는 데 성공하였다. 또한 TiAl 합금에 Mo와 Si이 복합 첨가된 경우 안정한 조성영역이 매우 확장되는 것을 확인하였다.

그러나 Mo과 Si이 복합 첨가된 경우에는 Si이 1% 이상 첨가된 경우에만 안정한 것으로 알려져 있으며, 이와 같은 다량의 Si 첨가에 의해 석출물(Ti₅Si₃)이 형성되고 인장 및 압축 특성이 매우 저하되는 문제점이 보고되었다.

한편 본 발명과 관련된 종래 기술로서 일방향응고시 사용되는 TiAl-Si계에서 열적으로 안정한 Ti-43Al-3Si 합금을 개발하여 층상조직 제어에 성공한 것이 있다(D. R. Johnson et al., Acta Mater., 44 (1996) p. 2523). 그러나 Ti-43Al-3Si 합금은 열적으로 안정하나 다량의 Si의 첨가로 인해 인장특성이 매우 좋지 않으며, 일방향응고시 액상의 길이가 길어 공정상의 어려움이 있다.

한편 또 다른 종래 기술로써 본원발명의 발명자가 연구한 TiAl-Mo-Si계에서 열적으로 안정안 종자결정인 Ti-46Al-1.5Mo-1Si 합금을 개발하여 층상조직을 제어에 성공한 것이 있다(H. N. Lee et al., Mat. Sci. & Eng.. A 329/331 (2002) p. 19). Ti-46Al-1.5Mo-1Si 합금의 경우에도 열적으로 안정하나 Si의 첨가에 의한 석출물(Ti₅Si₃) 형성에 의해 인장특성이 좋지 않아 결과적으로 합금의 기계적 성질이 저하되는 문제점을 가지고 있다. 또한 Ti-43Al-3Si, Ti-46Al-1.5Mo-1Si의 조성을 종자결정으로 사용하여 조성이 다른 합금을 일방향응고 시키면 상당한 영역이 키우고자하는 합금조성과 달라지게 되고, 액상(mushy zone)이 길어서 층상방위 제어가 수월하지 않은 문제점을 지니고 있다.

기존의 일방향응고시 사용되었던 TiAl-Mo-Si, TiAl-Si 합금계의 종자결정은 다량의 Si을 포함하기 때문에, 일방향응고 공정시 액상의 길이가 매우 길어 일방향응고재를 제어하기가 매우 어렵고, 제조된 잉고트의 거의 전 영역에 걸쳐 기계적 성질을 저하시키는 석출물이 생성되는 문제점을 나타내었다. 또한, Mo의 첨가시 고온에서의 내산화성 및 강도가 매우 저하되었다.

이러한 문제점을 극복하기 위하여 우수한 열적안정성을 가지는 종자결정으로 상온에서 기계적 성질 및 고온강도가 우수할 것으로 기대되는 TiAl-Nb-Si-C계 합금을 선택함으로써 일방향응고시 종자결정과 키우고자하는 합금의 조성 차이에서 유 발되는 공정상의 문제점을 극복하여 실용화의 가능성을 높이고자 한다.

따라서, 본 발명은 TiAl-Nb-Si-C 합금계의 종자결정 개발을 통해 Si의 첨가량을 고용한도인 0.6at％ 이하로 낮추어 석출물 형성을 억제시켜 기계적성질을 개선시키며, Nb 첨가를 통해 고온내산화성 및 강도를 향상시킬 수 있는 TiAl-Nb-Si-C계 합금의 제공을 목적으로 한다.

상기에서 언급한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 TiAlNbSiC계 합금은 종래 TiAl 합금에 있어서, 나이오븀(Nb), 실리콘(Si), 탄소(C)가 함유된 TiAlNbSiC계 합금을 포함한다. 상기 TiAlNbSiC계 합금에서 Al은 44.5∼45at％, Nb는 2∼3at％, Si는 0.4∼0.6at％, C는 0.2∼0.3at％ 이다.

본 발명의 TiAlNbSiC계 합금에 있어서, Si는 합금의 기계적 성질을 개선시키기 위해 사용한다. Si의 함량이 0.6at％ 초과하여 사용하면 석출물 형성이 많아져서 결과적으로 합급의 기계적 성질이 감소하는 문제가 있다.

본 발명의 TiAlNbSiC계 합금에 있어서, Nb는 합금의 고온내산화성 및 강도를 향상시키기 위해 사용한다. 본 발명에서 다양한 함량에 대해 Nb를 첨가한바, Nb의 첨가량이 2∼3at％일 때 Nb를 첨가하는 최대효과를 얻을 수 있어 본 발명의 TiAlNbSiC계 합금에서 Nb는 2∼3at％ 첨가되어지는 것이 바람직하다.

본 발명의 TiAlNbSiC계 합금에 있어서, C은 합금의 열적안정성을 개선시키고 Si의 첨가량을 고용한도 이하로 낮추기 위하여 첨가되었으며, 0.2∼0.3at％ 첨가한 이유는 소량첨가를 통해서도 충분히 열적안정성을 개선시킬 수 있기 때문이다.

본 발명의 TiAlNbSiC계 합금의 일예로써 Ti-44.5Al-3Nb-0.6Si-0.2C 합금 또는 Ti-45Al-2Nb-0.6Si-0.2C 합금을 나타낼 수 있다.

본 발명의 TiAlNbSiC계 합금은 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 나이오븀(Nb), 실리콘(Si), 탄소(C)를 적량 첨가하고 종래 선행기술에 언급된 방법에 의해 제조할 수 있다(H. N. Lee et al., Mat. Sci. & Eng.. A 329/331 (2002) p. 19).

한편 본 발명의 TiAlNbSiC계 합금은 항공, 우주, 자동차 및 산업기계 분야 등의 구조용 내열재료로서 유용하게 사용되어질 수 있다. 이러한 구조용 내열 재료의 일예로서, 엔진용 부품, 발전기 부품을 포함한다. 본 발명에서 이러한 엔진용 부품의 일예로서 항공기 엔진의 터빈블레이트, 항공기 엔진의 터빈 휠, 자동차 엔진의 터빈블레이트, 자동차 엔진의 터빈휠 중에서 선택된 어느 하나로 사용할 수 있다.

이하 본 발명의 내용을 실시예 및 시험예를 통하여 구체적으로 설명한다. 그러나, 이들은 본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위한 것으로 본 발명의 권리범위가 이들에 의해 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1> Ti-44.5Al-3Nb-0.6Si-0.2C 합금 제조

티타늄(Ti) 51.7at％, 알루미늄(AI) 44.5at％, 나이오븀(Nb) 3at％, 실리콘(Si) 0.6at％, C 0.2at％를 사용하는 것을 제외하고는 종래 선행기술(H. N. Lee et al., Mat. Sci. & Eng.. A 329/331 (2002) p. 19)에 기재된 방법을 이용하여 Ti-44.5Al-3Nb-0.6Si-0.2C 합금을 제조하였다.

상기에서 Ti, Al, Nb, Si은 평균 입경이 2∼3mm인 시료를 사용하였고, C은 TiC의 형태를 갖는 입경 10㎛ 분말을 사용하였다. 이때 TiC는 C의 함량이 0.2at％가 되도록 TiC를 사용하고, TiC의 Ti 및 단독으로 사용한 Ti의 전체 합이 51.7at％ 되도록 사용였다.

<실시예 2> Ti-45Al-2Nb-0.6Si-0.2C 합금 제조

Ti 52.2at％, AI 45at％, Nb 2at％, Si 0.6at％, C 0.2at％를 사용하는 것을 제외하고는 종래 선행기술(H. N. Lee et al., Mat. Sci. & Eng.. A 329/331 (2002) p. 841)에 기재된 방법을 이용하여 Ti-45Al-2Nb-0.6Si-0.2C 합금을 제조하였다.

상기에서 Ti, Al, Nb, Si은 평균 입경이 2∼3mm인 시료를 사용하였고, C은 TiC의 형태를 갖는 입경 10㎛ 분말을 사용하였다. 이때 TiC는 C의 함량이 0.2at％가 되도록 TiC를 사용하고, TiC의 Ti 및 단독으로 사용한 Ti의 전체 합이 52.2at％ 되도록 사용였다.

<시험예 1> TiAlNbSiC계 합금의 열적 안정성

부분용해법(H. N. Lee et al., Mat. Sci. & Eng.. A 329/331 (2002) p. 19)을 이용하여 하기 표 1과 같은 조성으로 이루어진 각각의 TiAlNbSiC계 합금의 열적 안정성을 측정하고, 그 결과를 표 1에 나타내었다.

표 1에서 열적으로 안정한 조성은 동그라미(O)로 표시하였으면, 열적으로 불안정한 조성은 엑스표(X)로 표시하고, 측정하지 않은 조성은 ◇으로 표시하였다.

하기 표 1에서 열적안정성을 가지는 것으로 평가된 조성 중 Ti-44.5Al-3Nb-0.6Si-0.2C 합금 및 Ti-45Al-2Nb-0.6Si-0.2C 합금이 본 합금계에서 가장 우수한 열적안정성을 지니는 것으로 확인되었다.

<표 1> TiAlNbSiC계 합금 조성(단위 at％)

	44Al	44.5Al	45Al		45.5Al	46Al
	3Nb	3Nb	2Nb	3Nb	3Nb	3Nb
2Si	O	◇	◇	X	◇	X
1Si	X	X	O	X	X	X
0.6Si+0.2C	◇	O	O	X	X	X
0.6Si+0.2C	◇	◇	◇	X	◇	X

<시험예 2> Ti-44.5Al-3Nb-0.6Si-0.2C 합금의 미세 조직

상기 시험예 1에서 가장 우수한 열적안정성을 가지는 Ti-44.5Al-3Nb-0.6Si-0.2C 합금 및 Ti-45Al-2Nb-0.6Si-0.2C 합금 중 Ti-44.5Al-3Nb-0.6Si-0.2C 합금을 종자결정으로 사용하여 동 조성의 층상방위를 제어하였다.

도 4에 층상방위가 정렬된 Ti-44.5Al-3Nb-0.6Si-0.2C 합금의 미세조직을 나타내었다.

도 4에 나타낸 바와 같이 일방향응고재의 층상방위가 성장방향에 평행하게 일방향응고에 의하여 모든 층상조직 결정립의 층상경계 방향이 고강도, 고연성이 기대되는 방향인 A 방향으로 제어되었다. 따라서 Ti-44.5Al-3Nb-0.6Si-0.2C 합금은 종자결정으로 사용하기에 충분한 열적안정성을 지니는 것으로 확인되었다.

<시험예 3> Ti-45Al-2Nb-0.6Si-0.2C 합금 및 Ti-44.5Al-3Nb-0.6Si-0.2C 합금의 인장특성

상기 시험예 1에서 가장 우수한 열적안정성을 가지는 Ti-44.5Al-3Nb-0.6Si-0.2C 합금 및 Ti-45Al-2Nb-0.6Si-0.2C 합금과 종래 합금으로 Ti-Al-3Si 합금, Ti-46Al-1.5Mo-0.2C 합금에 대하여 인장강도와 연신율의 인장특성을 ASTM 관련규정에 의해 측정하고 그 결과를 도 5에 나타내었다.

도 5에서 왼쪽 그림은 인장강도 측정결과를 나타낸 그래프이고, 오른쪽 그림은 연신율 측정결과를 나타낸 그래프이다.

도 5의 인장특성 중 인장강도면에서 본 발명의 Ti-44.5Al-3Nb-0.6Si-0.2C 합금 및 Ti-45Al-2Nb-0.6Si-0.2C 합금은 Ti-Al-3Si 합금, Ti-46Al-1.5Mo-0.2C 합금이 동일 유사한 강도를 지니고 있음을 알 수 있었다.

도 5의 인장특성 중 연신율면에서 본 발명의 Ti-44.5Al-3Nb-0.6Si-0.2C 합금 및 Ti-45Al-2Nb-0.6Si-0.2C 합금은 종래 합금인 Ti-Al-3Si 합금, Ti-46Al-1.5Mo-0.2C 합금 보다 연신율이 현저하게 향상되었음을 알 수 있다.

<시험예 4> Ti-45Al-2Nb-0.6Si-0.2C 합금 및 Ti-44.5Al-3Nb-0.6Si-0.2C 합금의 고온 압축강도 특성

상기 시험예 1에서 가장 우수한 열적 안정성을 가지는 Ti-44.5Al-3Nb-0.6Si-0.2C 합금 및 Ti-45Al-2Nb-0.6Si-0.2C 합금과 종래 합금으로 Ti-46Al-1.5Mo-0.2C 합금에 대하여 1000℃ 까지의 압축강도를 ASTM 관련규정에 의해 측정하고 그 결과를 도 6에 나타내었다.

도 6에 나타낸 고온 압축강도역시 본 발명의 Ti-44.5Al-3Nb-0.6Si-0.2C 합금 및 Ti-45Al-2Nb-0.6Si-0.2C 합금과 종래 합금으로 Ti-46Al-1.5Mo-0.2C 합금에 비해 유사하거나 향상되었음을 알 수 있었다. 특히 Ti-44.5Al-3Nb-0.6Si-0.2C 합금의 경우 800℃까지도 750MPa 이상의 매우 우수한 강도를 나타내었다.

상기 시험예의 결과에서처럼 본 발명의 TiAlNbSiC계 합금(Al 44.5∼45at％, Nb 2∼3at％, Si 0.4∼0.6at％, C 0.2∼0.3at％), 특히 Ti-44.5Al-3Nb-0.6Si-0.2C 합금 및 Ti-45Al-2Nb-0.6Si-0.2C 합금은 우수한 열적 안정성을 가지고 있음을 알 수 있다.

또한 본 발명의 합금은 종래 Ti-43Al-3Si 합금, Ti-46Al-1.5Mo-0.2C 합금에 비해서 유사하거나 우수한 인장강도, 압축강도를 가지고 있으며, 특히 연신율 면에서 우수함을 알 수 있다.

본 발명의 결과로서, 종자결정을 이용한 일방향응고법을 통해 TiAl 합금의 층상방위를 제어하고, Nb, Si 및 C 등의 원소첨가를 통해 상온에서의 기계적 성질 뿐만 아니라 고온물성도 극대화할 수 있는 합금설계 방향을 제시할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

Al: 44.5∼45at%, Nb: 2∼3at%, Si: 0.4∼0.6at%, C: 0.2∼0.3at% 및 잔부 Ti인 일방향응고 TiAlNbSiC계 합금
제1항에 있어서, TiAlNbSiC계 합금은 Ti-44.5Al-3Nb-0.6Si-0.2C 합금 또는 Ti-45Al-2Nb-0.6Si-0.2C 합금 임을 특징으로 하는 일방향응고 TiAlNbSiC계 합금
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