KR101578458B1 - 티타늄-알루미늄계 금속간화합물 및 이의 제조방법 - Google Patents

티타늄-알루미늄계 금속간화합물 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 원자%로, 45 내지 48%의 Al, 1 내지 4%의 Cr, 0.3 내지 3.5%의 Nb 또는 Mo 및 0.01 내지 0.5%의 C를 포함하고, 잔부는 Ti와 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고온에서 연성, 크립 특성 및 내산화성이 우수한 티타늄-알루미늄계 금속간 화합물 및 이의 제조방법을 제공한다.

Description

티타늄-알루미늄계 금속간화합물 및 이의 제조방법{TiAl base intermetallic compound and manufacturing method of the same}
본 발명은 티타늄-알루미늄계 금속간화합물 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
금속간화합물은 구성원소간의 결합력이 강하여 기계적성질과 크리프저항성이 우수하다. 금속간화합물은 금속과 세라믹의 중간적 성질을 갖게 되는데 일반 금속보다는 내열성 내식성 내산화성이 우수하고, 세라믹스 재료보다는 인성과 가공성이 더 우수하다.
금속간화합물 중에 알루미나이드계의 대표적인 티타늄 알루미나이드(TiAl, 티타늄-알루미늄계 금속간화합물)는 고융점, 저밀도이며 강도의 역온도 의존성을 갖기 때문에 경량화와 내열성이 아주 우수하다. 또한 TiAl계 금속간화합물은 비중이 낮고 비강도가 높으며 고온까지 강성율이 크게 저하되지 않아 고온에서 우수한 내산화성 및 크리프저항성을 가져 Ni계 초내열합금을 대체할 수 있는 가장 유망한 재료로 평가 받고 있다.
이러한 TiAl계 금속간화합물은 항공기엔진, 자동차엔진 밸브, 터보과급기의 터보휠 부품에 적합하다. 특히 에너지 환경문제 등이 새롭게 크게 대두되면서 자동차의 경량화를 위하여 동일 차체에 엔진크기를 줄이면서 동일한 성능을 낼 수 있게 하기 위하여 가솔린엔진에 터보과급기를 장착하려는 시도가 새롭게 대두되고 이러한 추세가 점차 확대되어 갈 전망이다.
그 동안 디젤엔진에 주로 채택되어온 터보과급기(turbocharger)는 800℃정도의 내열특성을 요구했으나, 가솔린차량의 경우는 1000℃정도의 내열 특성을 요구하고 있으므로 이 온도에서 충분히 견디고 특성을 발휘할 수 있는 소재의 개발이 필요하며 TiAl계 금속간화합물은 이 목적의 소재로서 최적으로 평가받고 있다. TiAl계 금속간화합물은 우수한 고온특성을 가지면서 가벼운 특징을 갖고 있을 뿐만 아니라 터보과급기 부품으로서의 동작응답성도 아주 우수하여 기존의 비중이 높은 니켈기 합금의 늦은 동작응답성을 개선 할 수 있다.
TiAl계 금속간화합물은 Ti-(45~47)Al-(1~3)X-(0.5~2)Y-(0~0.5)Z의 조합으로 개발되어 왔다. X로서는 상온 연성개선을 위한 합금원소로서 Mn, Cr, V등이 치환형 고용체로서 첨가되었다. Y로서는 강도 및 내산화성을 향상시키는 원소로서 Nb, Ta, W, Mo등이 첨가되었다. Z는 다양한 특성을 부여하기 위한 합금원소로서 크리프 강도향상을 위해서 Si, N, C을 첨가하였고 주조성향상을 위해서는 Fe를, 결정립 미세화를 위해서는 Si, B를 첨가했다.
TiAl계(γ상) 금속간화합물은 Ti와 Al원자가 (002)면에서 교대로 나열되어 있는 면심정방정 구조를 나타낸다. 조성영역은 48.5~66 at% Al이며 융점인 1450℃근처까지 규칙성을 유지 한다. 종래의 합금구성은 Ti-48Al-2Nb-2Cr이 표준조성으로서 간주되었으며 이 조성을 중심으로 사용 목적에 맞는 특성을 부여할 수 있도록 각각의 합금들이 설계되었다. 예를 들면 GE는 Ti-47.2Al-2(Cr,Mn)-2Nb, UES는 46.5Al-2Cr-3Nb-0.2W, Howmet는 Ti-(45~47)Al-2Mn-2Nb-0.8v/o TiB2, ABB는 Ti-47Al-2W-0.5Si를 개발 하였다.
그러나 현재 사용되어지고 있는 TiAl계 금속간화합물은 예를 들면, 1000℃ 부근에서의 고온 특성, 즉 고온 연성, 내산화성 또는 크립 특성 등이 여전히 낮아 가솔린 자동차 터보과급기 등에 활용하기 위해서는 이들의 개선이 절실히 요청된다.
한편, 강도 및 고온 특성이 우수한 탄소 재료와 알루미늄의 접합체 및 복합재료를 제조하기 위한 연구는 활발히 진행되어왔다. 그 예로, 대한민국 공개특허10-2003-0046378에서는 탄소 섬유와 알루미늄을 접착제를 이용하여 일체화시켜 구조용재에 적합한 접합 재료를 제조하는 방법을 제공한다. 그러나 이 방법은 접착제를 사용하기 때문에 알루미늄과 탄소 재료의 계면의 결합력에 한계를 지니며, 그것들의 성형을 위해서는 변형이 필요하므로 접착력이 떨어지는 등의 어려움이 있다.　이렇게 중간재를 사용하여 복합체를 만드는 방법 이외에도 알루미늄과 탄소재료 사이의 직접 접합을 이용한 복합 재료에 관한 연구도 활발히 진행 중인데, 탄소 섬유 및 탄소 나노 튜브와 알루미늄의 복합 재료를 제조하는 방법은 플라즈마를 이용하는 방법과 도금 방법 등이 있다.
플라즈마를 이용한 방법은 알루미늄과 혼합된 탄소 재료에 고에너지 플라즈마를 순간적으로 가하여 혼합체를 소결(sintering)하는 방법이다. 그 예로 일본 공개 특허 2006-315893(2006.11.24)을 예로 들 수 있다. 그러나 플라즈마를 이용하는 방법은 장치가 비싸고 고전류를 오랫동안 흘려주기 때문에 생산성이 떨어지는 단점이 있다.
전기도금 방법은 복합재료 도금 용액을 만들고 전위를 인가하여 복합재료가 도금되게 하는 방법이다 (일본 공개특허 2007-070689). 이 기술은 탄소나노튜브와 알루미늄을 도금 용액 속에 녹여 두 물질이 동시에 음극 표면에 도달하여 복합체가 형성되도록 하는 방법이다. 이 경우 탄소 재료와 알루미늄 사이의 결합력을 제어할 수가 없고 수율이 떨어지는 한계점을 가지고 있다.
이와 같이 알루미늄과 탄소재료를 복합체로 형성하기에는 몇 가지 문제점이 따르는데 그 근본적인 원인은 두 물질 간의 물리, 화학적인 특성이 다르기 때문이다. 그 첫 번째는 탄소재료 예를 들면 탄소나노튜브는 튜브끼리의 반데르발스(van der Waals) 힘에 의한 상호 작용 때문에 분산이 쉽지 않아 알루미늄 내에 균일 분산시키기가 힘들다는 점이다. 두 번째는 탄소재료와 알루미늄 기재간의 서로 다른 표면장력이다. 최근 연구된 논문에 의하면 알루미늄은 표면 에너지는 955 mN/m 이고 탄소재료의 경우는 45.3mN/m로 밝혀졌다.[J.M. Molina et al. international Journal of adhesion Adhesives 27 (2007) 394-401, S. Nuriel, L. Liu, A.H. Barber, H.D. Wagner. Chemical Physics Letters 404 (2005) 263-266]. 이처럼 탄소재료와 알루미늄 재료 간의 표면장력 차이는 약 20배이고 또한 두 물질은 밀도가 현저히 달라 용융시 잘 섞이지 않는다.
본 발명의 일 목적은 가솔린 엔진 등에 요구되는 고온에서, 바람직하게는 1000℃ 정도의 고온에서의 고온 특성, 즉 연성과 크립 특성 및 내산화성을 향상시킬 수 있는 티타늄-알루미늄계 금속간 화합물 및 이의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 티타늄-알루미늄계 금속간 화합물의 고온특성인 크리프 저항성이나 내산화성을 보다 향상시키기 위해 나노크기의 탄소를 균일하게 미량 첨가하여 미세한 TiC 입자를 균일하게 분산함으로써 층상 조직을 미세화하여 미세 2상 혼합조직이 형성된 티타늄-알루미늄계 금속간 화합물 및 이의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일측면에 따른 고온에서 연성과 크립 특성이 우수한 티타늄-알루미늄계 금속간 화합물의 구성은, 원자%로, 45 내지 48%의 Al, 1 내지 4%의 Cr, 0.3 내지 3.5%의 Nb 또는 Mo 및 0.01 내지 0.01~0.5%의 C를 포함하고, 잔부는 Ti와 불가피한 불순물로 이루어진다.
바람직하게는, 상기 금속간 화합물은 고주파 유도가열, 아크용해, 플라즈마 가열 및 전자빔 용해 중에서 어느 하나의 용해 방식으로 티타늄을 용해하고 알미늄-탄소합금을 추가하거나, 티타늄과 알미늄-탄소합금을 동시에 용해하여 나노 사이즈의 탄소가 균일하게 분산된다.
바람직하게는, 상기 0.01 내지 0.5%의 C는 주조시 분산효과와 미세한 TiC 형성을 위해 탄소나노튜브 또는 풀러린(C60) 형태로 첨가된다.
바람직하게는, 상기 탄소나노튜브 또는 상기 풀러린은 알루미늄과의 합금 형태로 첨가된다.
바람직하게는, 상기 고온에서 연성과 크립 특성이 우수한 티타늄-알루미늄계 금속간 화합물은 상기 TiC의 균일 분산에 의한 γ(TiAl)-α2(Ti3Al)의 미세 2상 혼합조직을 갖는다.
바람직하게는, 상기 고온은 1000℃ 정도의 온도이다.
본 발명의 다른 측면에 따른 고온에서 연성과 크립 특성이 우수한 티타늄-알루미늄계 금속간 화합물의 제조 방법은, 원자%로, 45 내지 48%의 Al, 1 내지 4%의 Cr, 0.3 내지 3.5%의 Nb 또는 Mo 및 0.01 내지 0.5%의 C를 포함하고, 잔부는 Ti와 불가피한 불순물로 이루어지는 티타늄-알루미늄계 조성물을 가열 용해하여 주조하되, 상기 0.01 내지 0.5%의 C는 주조시 분산효과와 미세한 TiC 형성을 위해 탄소나노튜브 또는 C60 형태로 첨가하는 것을 포함한다.
바람직하게는, 상기 탄소나노튜브 또는 상기 풀러린은 알루미늄과 합금을 이루어 탄소-알루미늄 합금 형태로 첨가된다.
바람직하게는, 상기 알루미늄의 분말과 상기 탄소나노튜브 또는 상기 풀러린을 혼합한 후 고온으로 처리하여 상기 합금을 제조한다.
바람직하게는, 상기 알루미늄의 분말과 상기 탄소나노튜브 또는 상기 풀러린을 혼합한 후 1000℃ 내지 2000℃의 고온로에서 10분 내지 24시간 가열 처리하여 상기 합금을 제조한다.
바람직하게는, 상기 합금은 상기 알루미늄의 나노입자를 상기 탄소나노튜브 또는 상기 풀러린의 표면에 도입하여 제조된다.
바람직하게는, 상기 탄소나노튜브 또는 상기 풀러린이 알루미늄과 결합을 형성할 수 있도록 상기 탄소나노튜브 또는 상기 풀러린의 표면을 기능화하는 것을 포함한다.
바람직하게는, 상기 표면을 기능화하는 것은 산처리, 마이크로웨이브 처리, 플라즈마 처리 및 반응성 기체를 통한 표면 처리로 이루어지는 군으로 부터 선택되는 어느 하나 이상을 통해 이루어진다.
바람직하게는, 상기 알루미늄의 나노입자는 기능화된 상기 탄소나노튜브 또는 상기 풀러린을 용매에 분산시키고 알루미늄 전구체를 첨가하여 환원시켜 형성된다.
바람직하게는, 상기 알루미늄 전구체는 알루미늄 하이드록시드, 알루미늄 클로라이드, 알루미늄 아세틸아세토네이트, 알루미늄 아세테이트, 알루미늄 니트레이트 및 이들의 수화물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함한다.
바람직하게는, 상기 알루미늄 전구체의 환원은 환원제의 첨가 또는 열처리를 통해 이루어진다.
바람직하게는, 상기 고온은 1000℃ 정도의 온도이다.
본 발명에 의하면 티타늄-알루미늄계 금속간 화합물에 첨가되는 탄소를 정밀하게 제어함으로써 가솔린 자동차 과급기의 터보 휠 내열온도인 1000℃ 부근에서 요구되는 고온 특성, 즉 고온에서의 내산화성, 연성 및 크립 특성을 동시에 만족시킬 수 있으며 소재 자체의 가벼운 특성으로 인해 앞으로 자동차의 경량화와 성능향상에 중요한 소재로 이용될 수 있다.
또한 본 발명에 의하면, 나노사이즈의 미세한 탄소입자를 티타늄-알루미늄계 금속간 화합물에 균일하게 혼합시킴으로써 결정립의 미세화와 이를 통해 고온 연성을 개선하며 TiC입자가 균일 분산됨으로써 고온 크립특성과 내산화성을 강화시키는 것이 가능하다.
결과적으로, 본 발명은 자동차의 과급기나 엔진밸브, 항공기 등 엔진부품에서 1000℃정도의 고온에 사용될 경우 기존의 TiAl시스템보다 수명을 연장 할 수 있고, 안정성과 신뢰성을 높일 수 있다.
본 발명은 티타늄-알루미늄계 금속간 화합물의 고온특성 개선에 좋은 영향을 미치는 탄소를 균일하게 미량 첨가하여 미세한 TiC입자를 균일하게 분산함으로써 층상조직(Lamellar)을 γ(TiAl)-α2(Ti3Al)로 미세화하여 미세 2상 혼합조직(Micro duplex)을 형성시켜 고온 특성, 바람직하게는 1000℃ 부근의 고온 연성, 내산화성 및 크립특성을 개선하는 기술에 대해 규정 한다.
또한 본 발명은 티타늄-알루미늄계 금속간 화합물의 고온특성인 크리프 저항성이나 내산화성을 부여하기 위해 나노크기의 탄소를 첨가하는 기법에 대해서도 규정 하고자 한다. 나노크기의 탄소는 미세하고 가벼우므로 일반적인 용해 주조기술로는 균일한 혼합상을 얻기가 어렵다. 즉, 본 발명은 나노탄소입자를 티타늄-알루미늄계 금속간 화합물에 균일하게 혼합하여 고온특성을 개선하도록 하는 기술에 대해서 규정한다.
이를 위해, 본 발명에서 탄소는 탄소나노튜브나 풀러린(C60) 형상을 기본으로 하여 첨가되고 더 나아가 알루미늄과의 합금을 형성시킨 후 티타늄-알루미늄계 금속간 화합물의 주조에 첨가함으로써 균일한 분산이 가능하다.
먼저, 본 발명에 따른 고온에서 연성과 크립 특성이 우수한 티타늄-알루미늄계 금속간 화합물의 구성은 Ti-(45~48)Al-(1~4)Cr-(0.3~3.5)Nb,Mo-0.01~0.5C의 조성, 즉, 원자%로, 45 내지 48%의 Al, 1 내지 4%의 Cr, 0.3 내지 3.5%의 Nb 또는 Mo 및 0.01 내지 0.5%의 C를 포함하고, 잔부는 Ti와 불가피한 불순물로 이루어진다.
본 발명에서 사용되는 각 원소의 화학 조성 한정 이유는 다음과 같다(원자%기준).
(Al)
알루미늄은 층상조직(Lamellar)을 γ(TiAl)-α2(Ti3Al)로 미세화하여 미세 2상 혼합조직을 갖도록 첨가되는 기본 원소로, 이러한 기능을 위해 Al는 45 내지 48원자% 첨가된다.
(Cr) :
크롬은 치환형 고용체로서 첨가되어 상온 연성을 개선시키기 위해 첨가되는 원소로, 이러한 기능을 위해 Cr는 1 내지 4원자% 첨가된다.
(Nb 또는 Mo) :
니오븀 또는 몰리브덴은 강도와 내산화성을 개선시키기 위해 첨가되는 원소로, 이러한 기능을 위해 Nb 또는 Mo는 0.3% 내지 3.5원자% 첨가된다.
(C) :
탄소는 미세한 탄소나노튜브나 풀러린(C60)의 형태로 Al과 합금화하여 TiAl에 첨가된 탄소는 크리프와 내산화성을 개선시키는 작용을 한다. 미세한 TiC를 석출시켜 층상조직(Lamellar)을 γ(TiAl)-α2(Ti3Al)로 더욱 미세화하고 층상조직내에 분산 분포되어 크리프 특성과 내산화성을 개선 시키는 원소로, 이러한 기능을 위해 탄소는 0.01 내지 0.5원자% 첨가된다.
본 발명자들은, 티타늄-알루미늄계 금속간 화합물에 나노사이즈의 탄소를 원자%로, 균일하게 0.01 내지 0.5% 첨가할 경우 고온에서의 크립 특성을 개선하고 고온 연성을 개선할 수 있다는 것을 부단한 노력 끝에 알아냈다.
바람직하게는, 고주파 유도가열, 아크용해, 플라즈마 가열, 전자빔 용해 등의 용해 방식으로 티타늄을 용해하고 알미늄-탄소합금을 추가하거나, 티타늄과 알미늄-탄소합금을 동시에 용해하여 나노 사이즈의 탄소가 균일하게 분산된다.
본 발명에 따른 티타늄-알루미늄계 금속간 화합물의 주조시 탄소가 탄소나노튜브 또는 풀러린(C60) 형태로 첨가될 경우 분산효과와 미세한 TiC 형성에 바람직하다.
특히, 탄소를 탄소나노튜브 또는 풀러린과 알루미늄의 합금을 제조한 뒤 이를 첨가하는 것이 위에서 언급한 효과와 미세한 TiC 형성에 있어서 바람직하다.
이와 같은 탄소 첨가 제어를 통해, 바람직하게는 본 발명의 티타늄-알루미늄계 금속간화합물은 상기 고온에서 연성과 크립 특성이 우수한 티타늄-알루미늄계 금속간 화합물은 상기 TiC의 균일 분산에 의한 γ(TiAl)-α2(Ti3Al)의 미세 2상 혼합조직을 가질 수 있다.
위에서 언급된 고온은 가솔린 자동차 과급기의 터보 휠 내열온도인 1000℃ 근처의 온도를 일컬으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명에 따른 티타늄-알루미늄계 금속간화합물은 1000℃ 근처의 온도 뿐만 아니라, 융점인 1450℃ 근처까지도 우수한 고온 특성을 유지할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 고온에서 연성과 크립 특성이 우수한 티타늄-알루미늄계 금속간 화합물의 제조 방법은, 원자%로, 45 내지 48%의 Al, 1 내지 4%의 Cr, 0.3 내지 3.5%의 Nb 또는 Mo 및 0.01 내지 0.5%의 C를 포함하고, 잔부는 Ti와 불가피한 불순물로 이루어지는 티타늄-알루미늄계 조성물을 준비한 뒤 이를, 유도가열 방식 등 종래의 임의의 적절한 가열 방식을 통해, 가열 용해하여 주조하되, 상기 0.01 내지 0.5%의 C는 주조시 분산효과와 미세한 TiC 형성을 위해 탄소나노튜브 또는 풀러린(C60) 형태로 첨가하는 것을 포함한다.
앞서 살펴본 바처럼, 본 발명자들은, 티타늄-알루미늄계 금속간 화합물에 나노사이즈의 탄소를 원자%로, 균일하게 0.01 내지 0.5% 첨가할 경우 고온에서의 크립 특성을 개선하고 고온 연성을 개선할 수 있다는 것과 티타늄-알루미늄계 금속간 화합물의 주조시 탄소가 탄소나노튜브 또는 풀러린(C60) 형태로 첨가될 경우 분산효과와 미세한 TiC 형성에 매우 우수한 영향을 미친다는 것을 부단한 노력 끝에 알아냈다.
특히, 본 발명에서, 탄소를 탄소나노튜브 또는 풀러린 형태로 첨가할 경우, 탄소나노튜브 또는 풀러린은 비중이 가볍고 금속용탕과의 젖음성(Wettability)이 좋지 않으므로 탄소나노튜브 또는 풀러린과 알루미늄의 합금을 제조한 뒤 이를 첨가하는 것이 위에서 언급한 효과와 미세한 TiC 형성에 있어서 더 바람직하다.
Al-C 합금을 제조하는 방법 중 하나는 상기 알루미늄의 분말과 상기 탄소나노튜브 또는 상기 풀러린을 혼합한 후 고온으로 처리하여 제조하는 것을 포함한다. 보다 바람직하게는, 상기 합금은 상기 알루미늄의 분말과 상기 탄소나노튜브 또는 상기 풀러린을 혼합한 후 1000℃ 내지 2000℃의 고온로에서 10분 내지 24시간 가열 처리하여 제조될 수 있다. 여기서, 알루미늄 분말은 직경이 10㎚ 내지 100㎛인 것을 사용할 수 있지만, 본 발명의 방법이 이러한 알루미늄 분말의 직경에 제한되는 것은 아니다.
Al-C 합금을 제조하는 방법 중 다른 하나는 상기 알루미늄의 나노입자를 상기 탄소나노튜브 또는 상기 풀러린의 표면에 도입하여 제조하는 것을 포함할 수 있다.
Al-C 합금을 제조하는 방법은 상기 탄소나노튜브 또는 상기 풀러린이 알루미늄과 결합을 형성할 수 있도록 상기 탄소나노튜브 또는 상기 풀러린의 표면을 기능화하는 것을 포함할 수 있다.
상기 표면을 기능화하는 것은 산처리, 마이크로웨이브 처리, 플라즈마 처리 및 반응성 기체를 통한 표면 처리 등을 통해 이루어질 수 있다.
Al-C 합금을 제조하는 방법들에 사용되는 탄소나노튜브 또는 풀러린의 직경은 0.8㎚ 내지 100㎚이고, 길이가 10㎚ 내지 20㎝인 것을 사용할 수 있다. 다만, 본 발명의 방법이 이러한 탄소나노튜브 또는 풀러린의 직경 및 길이에 제한되는 것은 아니다.
상기 알루미늄의 나노입자는 기능화된 상기 탄소나노튜브 또는 상기 풀러린을 용매에 분산시키고 알루미늄 전구체를 첨가하여 환원시켜 형성될 수 있다.
본 발명에 사용될 수 있는 적절한 알루미늄 전구체는 알루미늄 하이드록시드, 알루미늄 클로라이드, 알루미늄 아세틸아세토네이트, 알루미늄 아세테이트, 알루미늄 니트레이트 및 이들의 수화물 등을 포함할 수 있다.
이러한 알루미늄 전구체의 환원은 환원제의 첨가 또는 열처리를 통해 이루어질 수 있다.
위에서 언급된 고온은 가솔린 자동차 과급기의 터보 휠 내열온도인 1000℃ 근처의 온도를 일컬으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명에 따른 티타늄-알루미늄계 금속간화합물은 1000℃ 근처의 온도 뿐만아니라, 융점인 1450℃ 근처까지도 우수한 고온 특성을 유지할 수 있다.
(실시예)
아래의 표 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 티타늄-알루미늄계 금속간 화합물의 기본 조성들과 탄소의 첨가 방식을 나타낸다.
실시예 1 내지 7
표 1에 나타낸 조성을 갖는 조성물들을 가열 용해하여 본 발명의 바람직한 실시예들에 따른 티타늄-알루미늄계 금속간 화합물을 주조하며, 주조시 분산효과와 미세한 TiC 형성을 위해 탄소를 탄소나노튜브 또는 풀러린 형태로, 알루미늄 분말과 혼합 후 1000℃ 내지 2000℃의 고온로에서 10분 내지 24시간 동안 가열처리하여 얻어지는 Al-C 합금 형태로 첨가한다.
실시예 8 내지 14
표 1에 나타낸 조성을 갖는 조성물들을 가열 용해하여 본 발명의 바람직한 실시예들에 따른 티타늄-알루미늄계 금속간 화합물을 주조하며, 여기서 탄소의 첨가는 산처리, 마이크로웨이브 처리, 플라즈마 처리 및 반응성 기체 등을 통한 표면 처리로 탄소나노튜브 또는 풀러린의 표면을 기능화하고, 이러한 기능화된 탄소나노튜브 또는 풀러린을 용매에 분산시키고, 그 다음, 알루미늄 전구체(예를 들면, 알루미늄 하이드록시드, 알루미늄 클로라이드, 알루미늄 아세틸아세토네이트, 알루미늄 아세테이트, 알루미늄 니트레이트 및 이들의 수화물 등)로부터 환원제의 첨가 또는 열처리에 의해 환원되어 형성되는 알루미늄 나노입자를 탄소나노튜브 또는 풀러린의 표면에 도입하여 얻어지는 Al-C 합금 형태로 첨가된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 티타늄-알루미늄계 금속간 화합물의 기본 조성과 C 첨가 방식
at % Al Cr Nb Mo C Ti C 첨가 방식
실시예 1 47.5 1.5 2.5 0.05 bal Al 분말과 탄소나노튜브 또는 풀러린 혼합 가열하여 얻어지는 Al-C 합금 형태로 첨가
실시예 2 47.5 1.5 2.5 0.1 bal
실시예 3 47.5 1.5 2.5 0.15 bal
실시예 4 47.5 1.5 2.5 0.2 bal
실시예 5 47.5 1.5 2.5 0.05 bal
실시예 6 47.5 1.5 2.5 0.1 bal
실시예 7 47.5 1.5 2.5 0.15 bal
실시예 8 47.5 1.5 2.5 0.05 bal Al 입자를 표면이 기능화된 탄소나노튜브 또는 풀러린에 도입하여 얻어지는 Al-C함금 형태로 첨가
실시예 9 47.5 1.5 2.5 0.1 bal
실시예 10 47.5 1.5 2.5 0.15 bal
실시예 11 47.5 1.5 2.5 2.0 bal
실시예 12 47.5 1.5 2.5 0.05 bal
실시예 13 47.5 1.5 2.5 0.1 bal
실시예 14 47.5 1.5 2.5 0.15 bal
표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예 1 내지 14의 기본조성에 Al 분말과 탄소나노튜브 또는 풀러린 혼합 가열하여 얻어지는 Al-C 합금 형태로 탄소를 첨가하거나 Al 입자를 표면이 기능화된 탄소나노튜브 또는 풀러린에 도입하여 얻어지는 Al-C 합금 형태로 탄소를 첨가할 경우 나노사이즈의 탄소의 분산효과와 미세한 TiC형성을 통해 우수한 고온 특성(고온 연성, 크리프 저항성, 내산화성)을 갖는 티타늄-알루미늄계 금속간 화합물을 얻을 수 있다.

Claims (17)

  1. 고온에서 연성, 크립 특성 및 내산화성이 우수한 티타늄-알루미늄계 금속간 화합물로서,
    상기 금속간 화합물은 원자%로, 45 내지 48%의 Al, 1 내지 4%의 Cr, 0.3 내지 3.5%의 Nb 또는 Mo 및 0.01 내지 0.5%의 C를 포함하고, 잔부는 Ti와 불가피한 불순물로 이루어지고,
    상기 금속간 화합물은 고주파 유도가열, 아크용해, 플라즈마 가열 및 전자빔 용해 중에서 어느 하나의 용해 방식으로 티타늄을 용해하고 알미늄-탄소합금을 추가하거나, 티타늄과 알미늄-탄소합금을 동시에 용해하여 나노 사이즈의 탄소가 균일하게 분산된 것을 특징으로 하는, 고온에서 연성, 크립 특성 및 내산화성이 우수한 티타늄-알루미늄계 금속간 화합물.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 0.01 내지 0.5%의 C는 주조시 분산효과와 미세한 TiC 형성을 위해 탄소나노튜브 또는 풀러린(C60) 형태로 첨가되는 것을 특징으로 하는 고온에서 연성, 크립 특성 및 내산화성이 우수한 티타늄-알루미늄계 금속간 화합물.
  4. 제3항에 있어서, 상기 탄소나노튜브 또는 상기 풀러린은 알루미늄과의 합금 형태로 첨가되는 것을 특징으로 하는 고온에서 연성, 크립 특성 및 내산화성이 우수한 티타늄-알루미늄계 금속간 화합물.
  5. 제4항에 있어서, 상기 TiC의 균일 분산에 의한 γ(TiAl)-α2(Ti3Al)의 미세 2상 혼합조직을 갖는 것을 특징으로 하는 고온에서 연성, 크립 특성 및 내산화성이 우수한 티타늄-알루미늄계 금속간 화합물.
  6. 제1항, 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고온은 1000℃ 정도의 온도인 것을 특징으로 하는 고온에서 연성, 크립 특성 및 내산화성이 우수한 티타늄-알루미늄계 금속간 화합물.
  7. 원자%로, 45 내지 48%의 Al, 1 내지 4%의 Cr, 0.3 내지 3.5%의 Nb 또는 Mo 및 0.01 내지 0.5%의 C를 포함하고, 잔부는 Ti와 불가피한 불순물로 이루어지는 티타늄-알루미늄계 조성물을 가열 용해하여 주조하되, 상기 0.01 내지 0.5%의 C는 주조시 분산효과와 미세한 TiC 형성을 위해 탄소나노튜브 또는 풀러린(C60) 형태로 첨가되는 것을 포함하는 고온에서 연성, 크립 특성 및 내산화성이 우수한 티타늄-알루미늄계 금속간 화합물의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 탄소나노튜브 또는 상기 풀러린은 알루미늄과 합금을 이루어 탄소-알루미늄 합금 형태로 첨가되는 것을 특징으로 하는 고온에서 연성, 크립 특성 및 내산화성이 우수한 티타늄-알루미늄계 금속간 화합물의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 알루미늄의 분말과 상기 탄소나노튜브 또는 상기 풀러린을 혼합한 후 고온으로 처리하여 상기 합금을 제조하는 것을 특징으로 하는 고온에서 연성, 크립 특성 및 내산화성이 우수한 티타늄-알루미늄계 금속간 화합물의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 알루미늄의 분말과 상기 탄소나노튜브 또는 상기 풀러린을 혼합한 후 1000℃ 내지 2000℃의 고온로에서 10분 내지 24시간 가열 처리하여 상기 합금을 제조하는 것을 특징으로 하는 고온에서 연성, 크립 특성 및 내산화성이 우수한 티타늄-알루미늄계 금속간 화합물의 제조방법.
  11. 제8항에 있어서, 상기 합금은 상기 알루미늄의 나노입자를 상기 탄소나노튜브 또는 상기 풀러린의 표면에 도입하여 제조되는 것을 특징으로 하는 고온에서 연성과 크립 특성이 우수한 티타늄-알루미늄계 금속간 화합물의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 탄소나노튜브 또는 상기 풀러린이 알루미늄과 결합을 형성할 수 있도록 상기 탄소나노튜브 또는 상기 풀러린의 표면을 기능화하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 고온에서 연성과 크립 특성이 우수한 티타늄-알루미늄계 금속간 화합물의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 표면을 기능화하는 것은 산처리, 마이크로웨이브 처리, 플라즈마 처리 및 반응성 기체를 통한 표면 처리로 이루어지는 군으로 부터 선택되는 어느 하나 이상을 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 고온에서 연성과 크립 특성이 우수한 티타늄-알루미늄계 금속간 화합물의 제조방법.
  14. 제11항에 있어서, 상기 알루미늄의 나노입자는 기능화된 상기 탄소나노튜브 또는 상기 풀러린을 용매에 분산시키고 알루미늄 전구체를 첨가하여 환원시켜 형성되는 것을 특징으로 하는 고온에서 연성과 크립 특성이 우수한 티타늄-알루미늄계 금속간 화합물의 제조방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 알루미늄 전구체는 알루미늄 하이드록시드, 알루미늄 클로라이드, 알루미늄 아세틸아세토네이트, 알루미늄 아세테이트, 알루미늄 니트레이트 및 이들의 수화물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 고온에서 연성과 크립 특성이 우수한 티타늄-알루미늄계 금속간 화합물의 제조방법.
  16. 제14항에 있어서, 상기 알루미늄 전구체의 환원은 환원제의 첨가 또는 열처리를 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 고온에서 연성과 크립 특성이 우수한 티타늄-알루미늄계 금속간 화합물의 제조방법.
  17. 제7항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고온은 1000℃ 정도의 온도인 것을 특징으로 하는 고온에서 연성과 크립 특성이 우수한 티타늄-알루미늄계 금속간 화합물의 제조방법.
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KR101261885B1 (ko) * 2012-07-25 2013-05-06 한국기계연구원 베타-감마상을 포함하는 층상 구조의 타이타늄-알루미늄계 합금
WO2014115921A1 (ko) * 2013-01-23 2014-07-31 한국기계연구원 고온강도 및 내산화성이 향상된 타이타늄-알루미늄계 합금
CN104032151B (zh) * 2014-05-30 2016-06-01 云南钛业股份有限公司 一种tc4钛合金铸锭的eb冷床炉熔炼方法
KR102198713B1 (ko) 2019-01-16 2021-01-05 금오공과대학교 산학협력단 니오븀-안티몬 금속간 화합물 (Nb5Sb4) 제조 방법, 이에 의해 제조된 화합물을 포함하는 이차전지용 전극 물질, 이를 포함하는 리튬 또는 나트륨 이차전지
FR3121149B1 (fr) * 2021-03-25 2023-04-21 Safran Alliage de fonderie intermétallique TiAl
CN116411200B (zh) * 2022-12-20 2024-06-18 北京科技大学 一种稀土氧化物增强TiAl基纳米复合材料的制备方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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