KR100946638B1 - 고온구조용 금속간합금 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고온구조용 금속간합금 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 원자%로, Ti : 5∼15%, V : 30∼40%, C : 0.30% 이하, N : 0.10% 이하, 나머지는 Al로 조성되는 합금을 용해하여, 800∼1000℃의 온도에서 등온 열처리한 후, 급냉하는 과정을 통해, Ti₅Al₁₁상과 β-(Ti,Al)상을 주요 구성상으로 하면서 (Ti,V)₂Al(C,N)을 분산상으로 갖는 고온구조용 금속간합금을 제공함으로써, 저밀도와 매우 우수한 상온 연성 및 취성파괴저항능을 나타내는 금속간합금을 구현하게 되어, 고온구조용 재료의 응용분야에 기여하는 것이다.

고온구조용, 금속간합금, Al-Ti-V, 탄질화물, 분산, 상온 연성

Description

고온구조용 금속간합금 및 그 제조방법{High Temperature Structural Intermetallic Alloy and Manufacturing Method Thereof}

도 1은 본 발명에 따른 금속간합금에 대한 미세조직사진이다.

본 발명은 금속간합금과 관련된 것으로서, 보다 상세하게는 고온구조용 소재로 사용이 가능하도록 복합조직형의 알루미늄-타이타늄-바나듐으로 조성이 이루어지는 금속간합금과 이 금속간합금을 제조하기 위한 고온구조용 금속간합금 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근, 항공우주산업계를 중심으로 고온구조용 재료의 개발에 대한 중요성이 대두되어 왔으며, 이러한 고온구조용 재료는 고온 성능의 향상을 위해서는 저밀도이면서 밀도에 대한 강도비(비강도)가 높아야 한다는 것이 필수적으로 요구된다.

현재 적용되고 있는 통상의 고온구조용 합금은 주로 니켈(Ni)을 주성분으로 한 내열합금으로서 약 8g/cc의 밀도를 지닌다. 반면에, Ni계 내열합금보다도 절반 정도의 밀도를 갖는 것으로서는, 예컨대 알루미늄(Al)과 타이타늄(Ti)의 이원 Al-Ti 금속간합금이 있다.

그러나, 상기 Ai-Ti 금속간합금은, 저밀도(3.36g/cc), 고융점(1660K), 고경도(약 400HDP) 및 우수한 내산화성 등을 지니고 있지만, 이원 합금(Al₃Ti)의 제조가 곤란하고, 상온에서 극히 취약한 것으로 알려져 있다(M. Yamaguchi, Y. Umakoshi, T. Yamane ; Philosophical Magazine, A, 55(1987), 301 참조). 즉, Al₃Ti는 대칭성이 낮은 규칙형 정방구조(DO₂₂)를 지니기 때문에, 상온 변형시 충분한 변형계(slip system)를 제공하지 못한다.

이와 같은 Al-Ti 금속간합금의 상온 취성 문제를 극복하기 위해 지금까지는 정방정 Al₃Ti에 Cr, Mn, Fe, Ni, Cu 등의 천이금속을 제3의 원소로 첨가하여 결정구조를 대칭성이 높은 입방정 구조(L1₂)로 전환시켜 변형시 충분한 변형계를 확보하는 방안이 시도되어 왔다.(미국특허 제4,891,184호와 제5,006,054호 및 K. S. Kumar, "Microstructure and Mechanical Properties of Ternary L1₂ Alumonium-Rich Intermetallics, Structural Intermetallics", TMS, Warrendale, PA, 1993, p.87 참조).

그러나, 이와 같이 제조된 삼원계 입방정 합금에서도 구조용 재료로서 요구되는 최소한의 상온 연성은 나타나지 않는다. 예를 들면, 상기 K. S. Kumar에 의하면, 삼원계 합금중 가장 우수한 상온 연성을 지니는 Cr, Mn 첨가 Al-Ti 합금에서도 상온에서의 인장 연성은 거의 0%로 나타나 있다. 따라서, Al₃Ti 합금의 경우, 결정 구조의 전환만으로는 상온 연성 내지는 인성의 개선에 한계가 있음을 알 수 있다.

한편, 본 발명자는 특허 제276335호를 통하여 Al-Ti 합금계에서 Ti₅Al₁₁상이 Al₃Ti상에 비해 상온 인성이 우수함을 밝힌 바 있다. 또, 특허 제333310호를 통하여, 취약한 Al₃Ti의 상온 연성 내지는 인성을 개선하기 위해 금속간화합물이 단상으로 존재하는 한 결정구조가 가장 대칭성이 높은 입방정 조건에서도 상온에서의 연성 확보가 불가능하다는 연구결과들과, Ti₅Al₁₁상이 Al₃Ti상에 비해 상온 인성이 우수하다는 결과를 바탕으로, 금속간화합물인 Al₃Ti상을 연성 및 인성이 보다 우수한 인접한 Ti₅Al₁₁상으로 대체하여 Ti₅Al₁₁상을 기지조직으로 하고 이 상을 인접한 금속상인 β-(Ti,Al)상과 복합조직화함으로써 저밀도의 상온 인성이 우수한 금속간합금의 제조가 가능하다는 것을 밝힌 바 있다.

본 발명은 전술한 바와 같은 종래의 문제점을 감안함과 아울러 본 발명자에 의해 이루어진 선출원 특허의 효과를 보다 더 개선하기 위해 안출된 것으로서, 그 목적은, 저밀도를 가지면서 상온 연성과 취성파괴저항능이 보다 더 우수한 복합조 직형의 Al-Ti-V 삼원합금계 고온구조용 금속간합금 및 그 제조방법을 제공하는 데에 있다.

위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고온구조용 금속간합금은, 원자%로, Ti : 5∼15%, V : 30∼40%, C : 0.30% 이하, N : 0.10% 이하, 나머지는 Al로 조성되고, Ti₅Al₁₁상과 β-(Ti,Al)상을 주요 구성상으로 하며, (Ti,V)₂Al(C,N)을 분산상으로 갖는 것을 기술적 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따른 고온구조용 금속간합금의 제조방법은, 원자%로, Ti : 5∼15%, V : 30∼40%, C : 0.30% 이하, N : 0.10% 이하, 나머지는 Al로 조성되는 합금을 용해하여, 800∼1000℃의 온도에서 등온 열처리한 후, 급냉하는 과정을 포함하는 것을 기술적 특징으로 한다.

이하에서는 본 발명의 구성에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.

지금까지 보고된 Al-Ti-X(X:천이금속) 삼원계 합금의 고온 평형상태도에 따르면, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu 등 대부분의 천이금속은 Al₃Ti 조성에 제3원소로 첨가되면 Al 원자와 치환되어 입방정 결정구조를 지닌 삼원계 단상 합금을 형성하는 데에 비해, Al-Ti-V 삼원계에서는 V이 Ti 원자의 위치에 우선적으로 치환됨으로써 Al₃Ti 의 결정구조는 변화되지 않는다.

한편, 본 발명자는, Al-Ti-V 삼원계에서 DO₂₂형의 Al₃Ti에 비해 상온 인성이 우수한 DO₂₃형의 Ti₅Al₁₁상이 존재함을 발견하였는데, DO₂₂ 구조에 비해 DO₂₃ 구조가 보다 더 입방정 구조와 유사하기 때문에 Ti₅Al₁₁상이 우수한 상온 인성을 갖게 됨을 확인하였다. 또한, 적절한 합금 설계를 통해, Ti₅Al₁₁ 조성을 중심으로 인접한 금속상인 β-(Ti,Al)상과의 복합조직형 합금의 제조가 가능하다는 것을 확인하였는데, Al-Ti-V 삼원계에서 새로이 관찰된 금속간화합물상인 Ti₅Al₁₁과 금속상인 β-(Ti,Al)상은 800∼1000℃의 고온에서 2상 영역을 형성함을 알 수 있었다.

한편, Al-Ti-V 삼원계 합금에 미량의 C, N을 첨가하면, 이들 원소들이 (Ti,V)₂Al(C,N)형태의 복합탄질화물로 석출된다. 천이금속(M)과 Al을 주성분으로 하고 C 또는 N을 포함하는 M₂AlC 또는 M₂AlN 형태의 복합석출물은 내마모성이 우수한 재질로 알려져 있는데, Al-Ti-V 삼원계 합금에서 C, N을 적당량 첨가하면 이들 복합석출물이 Ti₅Al₁₁와 β-(Ti,Al)의 2상 기지조직에 균일하게 형성되어 양호한 정합관계를 유지한다. 본 발명은 이러한 Ti₅Al₁₁상과 β-(Ti,Al)상의 2상 조직에 (Ti,V)₂Al(C,N) 석출물이 분포하도록 성분과 조성 및 제조방법을 설계한 것을 특징으로 하고 있다.

다음에서는 위와 같은 복합조직형 내열합금으로 이루어지는 본 발명의 금속간합금에 대한 성분과 조성을 설명한다.

본 발명의 Al-Ti-V-C-N 합금은, Ti₅Al₁₁상 조성을 중심으로 상온 인성이 우수한 β-(Ti,Al)상과의 복합조직화가 가능하지만, 합금의 최종 밀도를 고려해야 하고, 주위에 여러 종류의 취약한 금속간화합물상이 함께 존재하므로, 구성 원소의 조성은 다음과 같이 한정되어야 한다.

먼저, Ti는, 5원자% 미만일 경우에는 Ti₅Al₁₁상에 인접한 Al₈V₅상이 형성되어 합금이 취약해지는 반면, 15원자%를 초과하면 Ti₅Al₁₁에 비해 밀도가 높고 취약한 Al₂Ti상이 과다하게 혼재하게 되므로, 5∼15원자% 범위로 한정하여야 한다.

V은 본 발명에 있어서 Ti₅Al₁₁상과 금속 β-(Ti,Al)상간에 2상 조직을 형성시키는데, V의 함량 조절에 의해 상기 두 구성상의 부피분율도 조절할 수 있다. 이러한 V이 30원자% 미만일 경우에는 Ti₅Al₁₁상에 비해 취약한 Al₃(Ti,V)가 형성되며, 40원자%를 초과하는 경우에는 합금의 밀도가 높아지고 Al₂Ti상 또는 TiAl상이 형성되므로, 30∼40원자%로 한정하는 것이 바람직하다.

Al은 본 발명의 필수원소로서 가장 비중이 낮은 원소이므로 합금의 최종 밀도를 낮추기 위해서는 가급적 Al의 조성이 높을수록 유리하지만, 이 경우 상대적으로 취약한 Ti₅Al₁₁ 금속간화합물상의 부피분율이 높아지는 반면에 인성이 우수한 β-(Ti,Al) 금속상의 분율이 상대적으로 낮아지므로 제2상에 의한 인성 향상을 기 대하기 힘들어진다. 따라서, Al의 함량은 Ti와 V의 함량을 결정한 후의 나머지가 실질적인 함량이 되도록 하는 것이 바람직하다.

C와 N은 각각 본 발명의 합금에 있어서 필수 구성상인 복합탄질화물을 형성하는 필수원소로서, C의 경우 0.30원자% 이상, N의 경우 0.10원자% 이상이 되면 조대한 석출물의 양이 많아져 오히려 상온 연성이 나빠지므로, 각각 0.30원자% 이하와 0.10원자% 이하로 첨가하는 것이 바람직하다.

이상과 같은 조성범위를 갖는 본 발명의 금속간합금은, 약 4.0g/cc의 매우 낮은 밀도를 지니면서 상온 연성과 취성파괴저항능이 우수한 것으로 나타나는데, 이하의 실시예를 통하여 이에 대해 구체적으로 살펴봄과 아울러 본 발명의 금속간합금을 제조하기 위한 과정도 설명한다.

<실시예>

주성분인 Al을 비롯한 순수한 원소들을 이용하여 표 1과 같은 조성의 저밀도 금속간합금을 아크 용해에 의해 제조하였으며, 용해된 소재는 균질화를 위해 약 1250℃에서 약 100시간 동안 소둔 열처리를 행한 후, 800∼1000℃에서 등온열처리를 실시하고 급냉하였다.

이렇게 하여 얻어진 합금의 조직상과 경도를 측정한 결과를 표 1에 나타내었다.

먼저, 조직상을 살펴보면, 비교예 1은 상온 연성이 취약한 Al₃Ti 단상 조직 으로 되어 있고, 비교예 2는 Al-Ti-V 삼원계 합금으로서 Al₃(Ti,V)상이 β-(Ti,Al)상과 2상 조직을 형성하고 있다. 또, 비교예 3은 Al₃(Ti,V)상에 비해 인성이 우수한 Ti₅Al₁₁상을 주상으로 하면서 β-(Ti,Al)상과 2상 조직을 구성하고 있다. 이에 비하여, 본 발명의 실시예는, Ti₅Al₁₁상과 β-(Ti,Al)상을 주요 구성상으로 하면서 도 1의 미세조직사진에서 볼 수 있는 것과 같은 (Ti,V)₂Al(C,N) 복합탄질화물을 분산상으로 하고 있다.

한편, 비커스 경도시험을 통해 다이아몬드 피라미드 경도 압흔 주위에서의 균열 발생 유무를 비교함으로써 상온 연성을 평가하였는데, 비교예 1의 경우에는 0.5kg의 부하 하중에서 압흔 주위에 상당히 많은 미세균열이 발생하였고, 비교예 2 의 경우에는 15kg 하중 적용시 압흔 주위로 균열이 발생하였으며, 비교예 3은 30kg 하중 적용시 압흔 주위에 균열이 발생하였다. 이에 비해, 본 발명 실시예의 경우에는 30kg의 하중 적용하에서도 균열이 발생하지 않았다.

그리고, 취성파괴저항능을 평가하기 위해, 본 발명에서 적용한 최대 하중인 50kg 시험조건에서 전파된 총 균열 길이를 기준으로 비교하였다. 비교예 1과 2는 하중 50kg의 조건에서 시편이 완전히 파쇄되어 균열 길이에 대한 측정의 의미가 없었으며, 비교예 3은 1200㎛의 균열이 발생하였다. 이에 반해, 본 발명의 실시예는 110㎛ 수준으로 균열 전파가 억제됨을 알 수 있었다.

이와 같이, 본 발명의 금속간합금은, Ti₅Al₁₁상과 β-(Ti,Al)상의 복합조직이 형성되는 Al-Ti-V 삼원계 합금에 미량의 C와 N을 첨가하여 (Ti,V)₂Al(C,N) 탄질화물을 미세하게 분산시킴으로써, 저밀도를 가지면서 매우 우수한 상온 연성과 취성파괴저항능을 갖게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 고온구조용 금속간합금 및 그 제조방법에 의하면, 저밀도와 매우 우수한 상온 연성 및 취성파괴저항능을 나타내는 금속간합금을 구현하게 됨으로써, 고온구조용 재료의 응용분야에 기여하는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 원자%로, Ti : 5∼15%, V : 30∼40%, C : 0.30% 이하, N : 0.10% 이하, 나머지는 Al로 조성되고, Ti₅Al₁₁상과 β-(Ti,Al)상을 주요 구성상으로 하며, (Ti,V)₂Al(C,N)을 분산상으로 갖는 고온구조용 금속간합금.
2. 원자%로, Ti : 5∼15%, V : 30∼40%, C : 0.30% 이하, N : 0.10% 이하, 나머지는 Al로 조성되는 합금을 용해하여, 800∼1000℃의 온도에서 등온 열처리한 후, 급냉하는 과정을 포함하는 고온구조용 금속간합금의 제조방법.

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