KR101393323B1 - 레이저를 이용한 금속 소재의 산화물 분산 강화 방법 - Google Patents

레이저를 이용한 금속 소재의 산화물 분산 강화 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이저를 이용한 금속소재의 산화물 분산 강화 방법에 관한 것으로, 구체적으로 이송 스테이지 상에 위치한 금속 기지 상의 표면에 레이저를 조사하여 기지 표면을 용융시키는 단계(단계 1); 상기 기지 표면의 용융이 발생되는 부위에 산화물 분산 강화 분말을 장입시키는 단계(단계 2); 및 상기 산화물 분산 강화 분말을 장입한 기지를 냉각시키는 단계(단계 3)를 포함하는 레이저를 이용한 금속소재의 산화물 분산 강화 방법으로서, 이미 제조된 판재 또는 관재형 기지에 바로 산화물 입자를 장입하기 때문에 제조공정이 단순화되고, 제조비용이 절감될 뿐만 아니라 효율적으로 완제품을 제조할 수 있다.

Description

레이저를 이용한 금속 소재의 산화물 분산 강화 방법{Method for oxide dispersion strengthened metal material by using laser}
본 발명은 고온에서 기계적 물성이 우수한 금속 소재의 산화물 분산 강화 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 이미 관재 또는 판재로 성형된 금속 기지의 표면을 레이저 열원으로 용융하고, 상기 기지 표면의 용융이 발생되는 부위에 나노 크기의 산화물 분산 강화 분말을 장입함으로써 대상 합금의 기지 내에 산화물 분산 강화 분말을 균질하게 분포시킬 수 있는 레이저를 이용한 금속소재의 산화물 분산 강화 방법에 관한 것이다.
산업이 발전하고 이에 따라 기계부품에 있어서 요구되는 각종 물리적 및 기계적 특성의 수준이 높아짐에 고온에서 강도가 높은 소재 개발을 위한 이종 재료의 복합화에 따른 합금 강화방법에 대한 연구가 지속적으로 이루어져 오고 있다.
상기 합금을 강화시키는 방법에는 고용 강화, 석출 강화, 변형 강화 등의 방법이 있으며, 고용 강화는 합금의 제조 과정에서 합금의 조성을 적절히 선택하고 용해함으로써 완성된다. 또한, 석출 강화는 재료에 대한 열적 처리를 통하여 강도가 높은 상으로 변태시키거나 특정한 석출물을 석출시키는 것이다. 다음으로, 변형 경화는 가공 경화라고도 불리며, 변형에 의하여 재료 내부에 형성된 전위 밀도의 증가에 의하여 재료의 변형이 어려워지도록 하는 것이다. 이들의 공통적인 원리는 합금의 변형에서 작용하는 전위의 움직임을 억제시키는 것이다. 이들 강화 방법은 재료의 내부적인 변화를 유발시키는 것이므로 재료의 온도에 따라 작용 기구가 사라지거나 그 효과가 크게 변화한다.
따라서, 고온에서 강도 및 크립변형 저항성 향상을 위해 산화물을 기지에 분산시킨 산화물 분산 강화(ODS; Oxide Dispersion Strengthened) 방법은 좋은 대안으로 제시되고 있다. 상기 산화물 분산 강화 방법은 금속 기지 상에 열적 안정성이 뛰어난 산화물 입자를 미세하게 분산시키는 방법으로서 고용강화 또는 석출경화 효과 이상으로 고온에서 강도가 증가된 합금을 제조할 수 있다. 이러한 산화물 분산 강화 합금의 높은 고온 기계적 강도는 균일하게 분산된 산화물이 전위의 이동을 효과적으로 제어하기 때문인 것으로 보고된 바 있다(E.Orown: Trans Inst.Eng. Shipbuild Scotl., 89(1946)165., F.J.Humphreys and J.W.Martin: Phil.Mag., 16 (1967)927., A.H.Clauer and B.A.Wilcox: Met.Sci.J., 1(1967)86).
종래, 특허문헌 1 및 특허문헌 2에는 산화물 분산 강화 합금 제조방법에 있어서, 합금의 기지가 되는 금속 분말에 투입하고자 하는 산화물을 투입하는 혼합단계, 혼합물을 기계적으로 합금하는 기계적 합금화(MA; Mechanical Alloying) 단계, 탈기(Degassing) 단계, 고온 HIP(Hot Isostatic Pressing) 성형단계, 열간 및 냉각 성형 단계, 열처리 단계 등을 포함하는 산화물 분산 강화 합금 제조방법이 개시되어있다. 그러나, 상기 제조방법은 제조 공정이 매우 복잡하여 제조 시간이 길며, 원료로 고단가의 금속 분말을 사용하기 때문에 제조 원가가 높아지는 문제점이 있다.
나아가, 특허문헌 3에는 지르코늄, 이트륨, 세륨 또는 란타늄 등과 같은 희토류 금속을 산화물 형성제로 하여 용융합금에 미리 첨가하는 산화물 분산 강화 합급 제조방법을 개시하고 있다. 상기 제조방법은 산화물 형성제를 기지 합금과 같이 용융하여 균일하게 분포되도록 하지만, 용융 합금에 가스를 분사하여 분말화하고 있다. 즉, 용융 합금의 가스 분사 단계에서 최대 5.0%의 산소를 함량하는 아르곤 또는 질소 가스를 미립화 가스로 하여 합금 분말을 만들고, 일정 크기 미만의 합금 분말을 걸러낸 후 이를 토대로 롤링 단조, HIP 또는 열간 압출에 의해 합금 분말을 성형하는 것이다. 그러나 상기 제조방법은 용융에 의해 산화물 형성제를 균일하게 분포시킬 수 있지만 결과적으로 미립화 단계를 통해 분말 합금을 제조하는 것이므로, 부품을 생산하기 위해서는 이를 다시 용융하여 성형해야 하는 등 공정이 매우 복잡하다는 문제점이 있다.
또한, 특허문헌 4에는 산화물 분산 강화 합금을 원활하게 제조하기 위해 산화물 대상금속인 알르미늄, 티타늄, 지르코늄 또는 이트륨 등을 합금의 기지 금속 용해 단계에서 첨가하고 이를 성형한 후 성형물의 열처리 과정에서 산소를 투입시켜 산소와 산화대상 금속이 결합하는 산화물 분산 강화 합금 제조방법을 개시하고 있다. 그러나 상기 제조방법은 산소가 기지 금속 내로 균질하게 확산되고 산화 대상 금속과 정확한 반응비를 제어하는 것이 쉽지 않다는 문제점이 있다.
살펴본 바와 같이, 종래 산화물 분산 강화 합금 제조방법은 산화물과 기지금속의 밀도차에 의한 비균질 분산의 문제점이 있으며, 이를 극복하기 위하여 기계적 혼합, HIP 등의 다양한 공정을 수반하고 열처리를 상변화 구간에 맞도록 제어하는데 많은 시간과 비용이 요구되었다. 또한, 산화물 대상금속과 기지를 함께 용해 후 산소를 공급하는 공정도 나노 크기의 산화물을 균질하게 제어하는데 많은 기술적, 시간적 제약이 수반되었다. 나아가, 종래의 기술은 벌크 크기의 기지금속 내에 산화물을 형성시켜 초기상태 혹은 중간제품 상태에서 이미 강도가 증가하여 연신율이 감소하기 때문에 원하는 형태의 성형품을 제조하는데 어려움이 있다. 나아가, 제조된 부품을 접합하는 경우에는 접합부에서 산화물의 균질도 혹은 농도가 감소하여 특별한 용접기술이 요구되었다.
이에 본 발명자들은 제조공정 및 제조비용 면에서 경제적이고 완제품을 효율적으로 제조할 수 있는 금속소재의 산화물 분산 강화 방법에 대한 관심을 가지고 연구를 진행하던 중, 본 발명의 레이저를 이용하여 금속 기지에 산화물 입자를 분포시키는 산화물 분산 강화 방법이 이미 제조된 판재 또는 관재형 기지에 바로 산화물 입자를 장입하기 때문에 제조공정이 단순화되고, 제조비용이 절감될 뿐만 아니라 효율적으로 완제품을 제조할 수 있는 효과가 있음을 밝힘으로써 본 발명을 완성하였다.
특허문헌 1: 일본 공개특허 제2010-00065302호 특허문헌 2: 미국 공개특허 제2003-00116239호 특허문헌 3: 미국 등록특허 제1999-05989491호 특허문헌 4: 대한민국 등록특허 제2010-0127594호
본 발명의 목적은 고온에서 기계적 물성이 우수한 산화물 분산 강화 방법에 있어서, 레이저 열원과 산화물 분산 강화 분말을 이용하여 이미 제조된 판재 또는 관재형 기지에 직접 산화물 분산 강화 분말을 장입함으로써 제조공정이 단순화되고, 제조비용이 절감될 뿐만 아니라 효율적으로 완제품을 제조할 수 있는 금속 소재의 산화물 분산 강화 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여,
본 발명은 이송 스테이지 상에 위치한 금속 기지 상의 표면에 레이저를 조사하여 기지 표면을 용융시키는 단계(단계 1);
상기 단계 1의 기지 표면의 용융이 발생되는 부위에 산화물 분산 강화 분말을 장입시키는 단계(단계 2); 및
상기 단계 2의 산화물 분산 강화 분말을 장입한 기지를 냉각시키는 단계(단계 3);
를 포함하는 레이저를 이용한 금속소재의 산화물 분산 강화 방법을 제공한다.
본 발명의 레이저를 이용하여 금속 기지에 산화물 입자를 분포시키는 산화물 분산 강화 방법은 이미 제조된 판재 또는 관재형 기지에 바로 산화물 입자를 장입하기 때문에 제조공정이 단순화되고, 제조비용이 절감될 뿐만 아니라 효율적으로 완제품을 제조할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 레이저를 이용한 금속소재의 산화물 분산 강화 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 레이저를 이용한 금속소재의 산화물 분산 강화 방법에 있어서, 중대형의 금속소재의 산화물 분산 강화 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 레이저를 이용한 금속소재의 산화물 분산 강화 방법에 의해 제조된 합금의 표면, 단면, 초기 산화물 입자 및 기지에 균질하게 분산된 산화물 입자를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1 - 3에 따른 레이저를 이용한 금속소재의 산화물 분산 강화 방법에 의해 제조된 합금의 인장 강도를 평가한 결과를 나타낸 그래프이다.
이하 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 이송 스테이지 상에 위치한 금속 기지 상의 표면에 레이저를 조사하여 기지 표면을 용융시키는 단계(단계 1);
상기 단계 1의 기지 표면의 용융이 발생되는 부위에 산화물 분산 강화 분말을 장입시키는 단계(단계 2); 및
상기 단계 2의 산화물 분산 강화 분말을 장입한 기지를 냉각시키는 단계(단계 3);
를 포함하는 레이저를 이용한 금속소재의 산화물 분산 강화 방법을 제공한다.
이하, 상술한 레이저를 이용한 금속소재의 산화물 분산 강화 방법을 더욱 구체적으로 설명한다.
먼저, 상기 레이저를 이용한 금속소재의 산화물 분산 강화 방법에 있어서, 단계 1은 이송 스테이지 상에 위치한 금속 기지 상의 표면에 레이저를 조사하여 기지 표면을 용융시키는 단계이다.
구체적으로, 상기 단계 1에서 용융되는 상기 금속 기지로 지르코늄계, 철계 또는 니켈계 금속 기지 등을 사용할 수 있으며, 지르코늄계 금속 기지로는 Zircaloy-4(Zr-98.2 wt%, Sn-1.5 wt%, Fe-0.2 wt%, Cr-0.1 w%), 철계 금속 기지로는 T91(Fe-91.71 w%, Cr-8.29 w%, Cr-others), 니켈 금속 기지로는 In738(62Ni-16 w%, Cr-8.5 w%, Co-others)를 사용하는 것이 가능하다.
나아가, 상기 단계 1에서 용융되는 금속 기지는 판재 또는 관재형 등의 다양한 형태의 기지를 사용할 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 레이저를 이용한 금속소재의 산화물 분산 강화 방법의 경우, 이미 판재 또는 관재형으로 제조된 기지에 산화물 분산 강화 분말을 바로 장입하여 기계적 강도를 강화시킬 수 있기 때문에 기존의 기계적 합금화 단계를 포함하는 산화물 분산 강화 방법에 비하여 제조공정이 간단하고 제조비용이 절감되며 완제품의 제조를 효율적으로 할 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기 단계 1의 기지 표면의 용융이 발생되는 부위는 레이저의 출력을 조절하여 용융이 발생되는 부위의 면적 또는 깊이를 조절할 수 있다. 본 발명의 레이저를 이용한 금속소재의 산화물 분산 강화 방법의 경우, 상기 면적 또는 깊이가 조절된 용융부에 산화물 분산 강화 분말을 장입하여 합금화시킬 수 있기 때문에 기지 내 산화물이 분산되는 범위 또는 분산 정도를 레이저 출력에 따라 다양하게 조절할 수 있다. 따라서, 금속 기지를 필요에 따라 국부적으로 또는 전체적으로 산화물 분산 강화시킬 수 있다.
나아가, 본 발명의 산화물 분산 강화 방법은 용접에 의해 소재가 접합된 부분에도 산화물 분산 강화 합금화가 가능하여 기존의 기술에 비하여 산화물 분산 강화 합금의 접합에 필요한 공정을 감소시킬 수 있는 장점도 가진다.
다음으로, 상기 레이저를 이용한 금속소재의 산화물 분산 강화 방법에 있어서, 단계 2는 상기 단계 1의 기지 표면의 용융이 발생되는 부위에 산화물 분산 강화 분말을 장입시키는 단계이다.
구체적으로, 상기 단계 2에서 기지의 용융부에 장입되는 산화물 분산 강화 분말은 Y2O3, Al2O3, TiO2 , ZrO2 등을 사용할 수 있다. 분산재로 사용할 수 있는 상기 산화물 중에서 Y2O3 산화물이 가장 효과적인 강화를 일으키는 것으로 보고된 바(I.S.Kim, T.Okuda, C.Y.Kang, J.H.Sung, P.J.Maziasz, R.L.Klueu and K.Miyahara: Met.Mater.Int., 6(2000)513.), 바람직하게는 Y2O3를 사용할 수 있다.
또한, 상기 기지의 용융부에 장입되는 산화물 분산 강화 분말은 주입 수단을 통해 운반가스와 함께 공급될 수 있다. 상기 운반 가스는 산화물 분산 강화 분말과 반응하지 않아야 하며, 바람직하게는 Ar, He 등을 사용할 수 있다.
나아가, 상기 산화물 분산 강화 분말을 주입하는 수단은 인젝션 노즐을 사용할 수 있다. 이때, 산화물 분산 강화 분말 입자의 크기는 30 - 80 ㎛ 인 것이 바람직하다. 만약 입자의 크기가 80 ㎛를 초과하는 경우 인젝션 노즐 말단을 통과하여 분사되기에 너무 크고, 30 ㎛ 미만인 경우 분사를 위한 압력을 가할 때 공기의 흐름을 저해하여 노즐을 막히게 하기 때문이다.
또한, 상기 주입 수단을 통해 공급되는 산화물 분산 강화 분말을 운반하는 운반가스의 외주에는 불활성 가스가 가스벽을 형성하게 할 수 있다. 상기 불활성 가스는 레이저 조사에 의한 기지 표면의 용융이 발생되는 부위를 주위와 차단함으로써 산화를 억제할 수 있는 가스라면 제한없이 선택하여 사용할 수 있으며, 바람직하게는 Ar, He 등을 사용할 수 있다.
나아가, 상기 산화물 분산 강화 분말의 입도가 주입수단에 의해 공급이 제어될 수 없을 정도로 작은 경우에는 산화물 분산 강화 분말을 용매에 희석한 후 이를 기지 표면에 도포하여 건조시키는 방법을 통해 공급할 수 있다. 상기 용매는 산화물 분산 강화 분말을 잘 용해할 수 있고 증발이 용이한 용매라면 제한없이 선택하여 사용할 수 있으며, 유기 용매는 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다. 바람직하게는 아세톤, 알코올, 아세톤과 알코올의 혼합용매 등을 사용할 수 있고, 더욱 바람직하게는 아세톤 또는 알코올을 사용할 수 있다.
다음으로, 상기 레이저를 이용한 금속소재의 산화물 분산 강화 방법에 있어서, 단계 3은 상기 단계 2의 산화물 분산 강화 분말을 장입한 기지를 냉각시키는 단계이다.
구체적으로, 상기 단계 3의 냉각은 금속 기지가 판재인 경우에는 이송 스테이지와 판재 사이에 냉각용 윤활제를 사용하여 수행될 수 있다. 상기 냉각용 윤활제는 기지의 용융부를 잘 냉각할 수 있는 물질이라면 제한없이 선택하여 사용할 수 있으며, 냉각용 윤활제는 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다. 바람직하게는 고상 그리스(grease), 또는 액상 그리스 등을 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 점성이 있는 모든 종류의 그리스를 사용할 수 있다.
또한, 상기 단계 3의 냉각은 금속 기지가 관재인 경우에는 스테이지에 회전축을 달아 관재를 회전하면서 이송시키면서 수행할 수 있고 관재의 내부에 냉각수를 흘려 보내면서 유속을 조절하여 냉각능을 조절할 수 있다.
나아가, 본 발명의 레이저를 이용한 금속소재의 산화물 분산 강화 방법에 있어서, 상기 레이저 조사는 이송 스테이지의 이동에 의해 기지 전체에 용융부를 생성시켜 산화물 분산 강화 분말을 장입시킬 수 있다. 또는, 이송 스테이지를 고정시키고 레이저 조사부를 이동킴으로써 산화물 분산 강화 분말을 장입시킬 수도 있다.
또한, 본 발명의 레이저를 이용한 금속소재의 산화물 분산 강화 방법에 있어서, 중대형의 산화물 분산 강화 합금이 필요한 경우에는, 도 2에 나타낸 바와 같이 본 발명의 산화물 분산 강화 방법에 의해 제조된 합금 판재를 여러 겹 적층한 다음, HIP 또는 열간가공으로 성형하는 방법을 통해 제조가 가능하고, 판재의 면적과 적층 개수를 조절하여 그 크기를 조절할 수 있다.
본 발명의 실험예 1을 참조하면, 본 발명의 실시예 1에 따른 지르코늄계 산화물 분산 강화 합금에 대하여 미세조직 분석 시험을 수행한 결과, 0.5 ㎛ 이하의 산화물이 균질하게 분산되어 있음을 확인할 수 있다. 이는 본 발명에 따른 레이저를 이용한 금속소재의 산화물 분산 강화 방법을 통해 기지를 용해하여 산화물을 첨가하는 산화물 분산 강화 방법이 가지고 있는 문제점인 분산되는 산화물과 기지와의 밀도차에 의한 부유 및 용탕의 대류로 인하여 산화물의 크기, 양 및 분포를 균질하게 제어하지 못하는 점을 극복할 수 있음을 의미한다.
또한, 본 발명의 실험예 2를 참조하면, 본 발명에 따른 실시예 1 - 3의 산화물 분산 강화 합금의 경우 항복강도가 본 발명의 산화물 분산 강화 방법에 의해 제조되지 않은 초기 모재에 비하여 40% 이상 향상된 것을 확인할 수 있다. 이는 본 발명에 따른 레이저를 이용한 금속 소재의 산화물 분산 강화 방법은 금속의 기계적 강도를 충분히 증가시킬 수 있음을 의미한다.
이하, 본 발명을 하기의 실시예 및 실험예에 의해 보다 상세하게 설명한다.
단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명의 내용을 예시하는 것일 뿐 발명의 범위가 실시예 및 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
< 실시예 1> 산화물 분산 강화 합금의 제조 - 1
본 발명의 레이저를 이용한 산화물 분산 강화 방법에 의한 산화물 분산 강화 합금의 제조는 도 1과 같은 장치 구성을 통해 진행되었으며, 기지로는 지르코늄계 합금(Zircaloy-4: Zr-98.2 wt%, Sn-1.5 wt%, Fe-0.2 wt%, Cr-0.1 w%) 판재를 사용하였고, 산화물 분산 강화 분말로는 Y2O3를 사용하였다. 레이저는 300W 출력으로 설정하였고 Y2O3 산화물 입자는 인젝션 노즐을 통해 입자운반가스인 Ar과 함께 레이저에 의해 용융된 금속부로 공급되었다. 레이저 조사에 의한 기지 표면의 용융이 발생되는 부위의 산화를 억제하기 위하여 인젝션 노즐의 외측은 불활성가스인 Ar이 공급되는 구조를 갖는다. 산화물의 입도가 너무 작아서 인젝션 노즐을 통한 이송이 어려우면, 산화물 분산 강화 분말을 아세톤, 알코올 등과 같은 용매에 희석한 다음 제품의 표면에 도포 후 건조하여 기지에 공급할 수 있다.
판재의 용융된 부분의 크기(넓이 및/또는 깊이)는 레이저 출력을 증가시키면 증가하고 판재가 아주 두꺼우면 한 면을 먼저 합금화하고 반대 면을 합금화하는 방법을 적용했다. 판재의 이송은 판재 아래의 스테이지의 이송으로 이루어지는데 경우에 따라서는 레이저 헤드를 이송할 수 있다. 판재의 냉각은 스테이지를 통해 이루어지며 판재와 스테이지 사이에 냉각을 위한 윤할제로 점성이 있는 범용의 grease를 사용하면 냉각속도를 높일 수 있다.
중대형의 산화물 분산 강화 합금이 필요한 경우에는, 도 2에 나타낸 바와 같이 산화물 분산 강화 합금 판재를 여러 겹 적층한 다음, HIP 또는 열간가공으로 성형하는 방법을 통해 제조가 가능하고, 판재의 면적과 적층 개수를 조절하여 그 크기를 조절할 수 있다. 도 3의 좌측에 레이저로 산화물을 합금화한 판재의 표면을 나타냈다.
< 실시예 2> 산화물 분산 강화 합금의 제조예 - 2
본 발명의 레이저를 이용한 산화물 분산 강화 방법에 의한 산화물 분산 강화 합금의 제조에 있어서, 기지로 페라이트-마르텐사이트(FM; Ferritic-Martensite)계 철 기지 합금(T91: Fe-91.71 w%, Cr-8.29 w%, Cr-others) 판재를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1에 기재된 것과 동일한 절차를 수행하여 실시예 2의 산화물 분산 강화 합금을 제조하였다.
< 실시예 3> 산화물 분산 강화 합금의 제조예 - 3
본 발명의 레이저를 이용한 산화물 분산 강화 방법에 의한 산화물 분산 강화 합금의 제조에 있어서, 기지로 니켈 기지 합금(In738: 62Ni-16 w%, Cr-8.5 w%, Co-others) 판재를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1에 기재된 것과 동일한 절차를 수행하여 실시예 3의 산화물 분산 강화 합금을 제조하였다.
< 실험예 1> 미세조직 분석 시험
본 발명에 따른 레이저를 이용한 산화물 분산 강화 방법에 의한 산화물 분산 강화 합금의 기지에 산화물이 균질하게 분포되는지를 확인하기 위하여, 상기 실시예 1의 산화물 분산 강화 합금에 대하여 미세조직 분석 시험을 수행하였고 그 결과를 도 3에 나타내었다. 상기 실시예 1의 지르코늄계 산화물 분산 강화 합금을 길이 10×10 mm의 시편으로 절단 후 절단면을 SiC 연마지로 연마하였다. 연마된 시편은 아세톤과 알코올이 50:50으로 혼합된 용액에서 5분간 초음파 세정을 한 다음, 건조하였다. 건조된 시편을 에칭하여 주사전자현미경으로 관찰하였다.
그 결과, 도 3에 나타낸 바와 같이 산화물 분산 강화된 부분을 확대하면 0.5 μm 이하의 산화물이 균질하게 분산되어 있다. 이는 도 3의 가장 우측의 Y2O3 입자의 초기 입도인 약 10μm와 비교하면 20배 이하로 작아진 것이다. 따라서, 본 발명의 레이저를 이용한 금속소재의 산화물 분산 강화 방법에 의해 산화물이 기지 내에 균일하게 분산된 산화물 분산 강화 합금을 제조할 수 있음을 확인할 수 있다.
< 실험예 2> 상온 인장 시험
본 발명에 따른 레이저를 이용한 산화물 분산 강화 방법에 의한 산화물 분산 강화 합금의 강도특성을 평가하기 위하여, 상기 실시예 1 - 3의 산화물 분산 강화 합금에 대하여 상온 인장 강도 시험을 수행하였다. 이때, 실시예 1 - 3의 산화물 분산 강화 합금의 초기 모재들을 비교예 1 - 3으로 하여 상온 인장 강도 시험을 추가 수행하였다. 상온 인장 강도 시험을 위해 판재 시편을 도 4의 좌측과 같은 인장 시험용 시편으로 가공하였고, Instron 3366 인장 시험기를 통해 0.1 mm/min의 크로스헤드 스피드로 인장 시험을 수행하였다. 실시예 1 - 3의 산화물 분산 강화 합금에 대하여 항복강도(yield strength), 최대인장강도(ultimate tensile strength) 및 연신율(elongation) 값을 얻었으며, 그 결과는 표 1 및 도 4에 나타낸 바와 같다.
구분 항복강도
(MPa)		 최대인장강도
(MPa)		 연신율
(%)
지르코늄계 합금 비교예 1 406 566 20.3
실시예 1 648 827 15.2
철계 합금 비교예 2 817 1021 18.5
실시예 2 1183 1336 13.1
니켈계 합금 비교예 3 786 1232 14.1
실시예 3 1122 1338 7.0
그 결과, 표 1에 나타낸 바와 같이 실시예 1 - 3의 산화물 분산 강화 합금의 항복강도가 비교예 1 - 3의 초기 모재에 비하여 각각 40% 이상 향상된 것을 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명의 레이저를 이용한 산화물 분산 강화 방법을 통해 제조된 산화물 분산 강화 합금의 기계적 강도가 충분히 증가되는 효과가 있음을 알 수 있다.

Claims (15)

  1. 이송 스테이지 상에 위치한 금속 기지 상의 표면에 레이저를 조사하여 기지 표면을 용융시키는 단계(단계 1);
    상기 단계 1의 기지 표면의 용융이 발생되는 부위에 산화물 분산 강화 분말을 장입시키는 단계(단계 2); 및
    상기 단계 2의 산화물 분산 강화 분말을 장입한 기지를 냉각시키는 단계(단계 3);
    를 포함하는 레이저를 이용한 금속소재의 산화물 분산 강화 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속 기지는 지르코늄계, 철계 또는 니켈계 금속 기지인 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 금속소재의 산화물 분산 강화 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 금속 기지는 판재 또는 관재인 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 금속소재의 산화물 분산 강화 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    기지 표면의 용융이 발생되는 부위는 레이저의 출력을 조절하여 용융이 발생되는 부위의 면적 또는 깊이가 조절되는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 금속소재의 산화물 분산 강화 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 산화물 분산 강화 분말은 Y2O3, Al2O3, TiO2 및 ZrO2로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 1종 이상인 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 금속소재의 산화물 분산 강화 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 산화물 분산 강화 분말은 운반가스와 함께 주입 수단을 통해 공급되는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 금속소재의 산화물 분산 강화 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 주입 수단은 노즐인 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 금속소재의 산화물 분산 강화 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 주입 수단을 통해 공급되는 산화물 분산 강화 분말을 운반하는 운반가스의 외주에는 불활성 가스가 가스벽을 형성하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 금속소재의 산화물 분산 강화 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 불활성 가스는 기지 표면의 용융이 발생되는 부위를 주위와 차단함으로써 산화를 억제하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 금속소재의 산화물 분산 강화 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 산화물 분산 강화 분말을 용매에 희석한 후 이를 기지 표면에 도포하여 건조시키는 방법을 통해 산화물 분산 강화 분말을 기재 표면에 장입시키는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 금속소재의 산화물 분산 강화 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 용매는 아세톤, 에탄올 및 아세톤과 알코올의 혼합용액으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 1종 이상인 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 금속소재의 산화물 분산 강화 방법.

  12. 제1항에 있어서,
    상기 단계 3의 냉각은 상기 기지가 판재인 경우 이송 스테이지와 판재 사이에 냉각용 윤활제에 의해 냉각되는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 금속소재의 산화물 분산 강화 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 단계 3의 냉각은 상기 기지가 관재인 경우 관재의 내부에 냉각수를 흘려 보내면서 유속을 조절하여 냉각되는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 금속소재의 산화물 분산 강화 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 조사는 이송 스테이지의 이동에 의해 기지 전체에 용융부를 생성시켜 산화물 분산 강화 분말을 장입시키는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 금속소재의 산화물 분산 강화 방법.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 조사는 이송 스테이지를 고정시키고 레이저 조사부를 이동시켜 기지 전체에 용융부를 생성시켜 산화물 분산 강화 분말을 장입시키는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 금속소재의 산화물 분산 강화 방법.
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