KR102220219B1 - Refractory high entropy superalloy with bcc dual phase and manufacturing method for the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 BCC 2상 복합구조를 가지는 내열 고엔트로피 초합금 및 그 제조 방법에 관한 것으로, (A2 기지: 연성이 우수한 불규칙상) - (B2 석출물: 강도가 우수한 규칙상) 구성의 미세구조를 내화금속으로 구성된 BCC 고엔트로피 합금에 구현하여 BCC A2 상과 B2 상 복합구조를 가지는 내열 고엔트로피 초합금 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에서는 원소간의 혼합 엔탈피 관계를 이용해 두 BCC 상의 분리를 유발하고, 고엔트로피 효과를 통해 BCC 상 이외의 금속간 화합물의 형성을 억제하여 A2 상과 B2 상만으로 구성된 BCC 2상 복합구조를 가지는 내열 고엔트로피 초합금을 개발하였으며, 조성 및 공정의 정밀제어를 통해 연성이 우수한 불규칙 A2 상 기지에 강도가 우수한 규칙 B2 상을 석출물로 형성하여 우수한 연성 및 강도를 동시에 확보할 수 있다. 특히, 기지와 유사한 결정구조를 가지는 석출 B2 상을 나노 크기로 제어하는 경우 Ni기 초합금에서와 같이 우수한 크리프 특성을 나타낸다.The present invention relates to a heat-resistant high-entropy superalloy having a BCC two-phase composite structure and a method for manufacturing the same, (A2 base: irregular phase with excellent ductility)-(B2 precipitate: regular phase with excellent strength) The present invention relates to a heat-resistant high-entropy superalloy having a BCC A2 phase and B2 phase composite structure and a manufacturing method thereof implemented in a BCC high entropy alloy composed of. In the present invention, the separation of the two BCC phases is induced by using the mixed enthalpy relationship between elements, and the formation of intermetallic compounds other than the BCC phase is suppressed through a high entropy effect, thereby having a BCC two-phase complex structure consisting of only the A2 and B2 phases. A high entropy superalloy was developed, and excellent ductility and strength can be secured at the same time by forming a rule B2 phase with excellent strength as a precipitate on an irregular A2 phase base with excellent ductility through precise control of the composition and process. In particular, when the precipitated B2 phase, which has a crystal structure similar to that of the matrix, is controlled to a nano size, it exhibits excellent creep characteristics as in the Ni-based superalloy.

Description

BCC 2상 복합구조를 가지는 내열 고엔트로피 초합금 및 그 제조 방법 {REFRACTORY HIGH ENTROPY SUPERALLOY WITH BCC DUAL PHASE AND MANUFACTURING METHOD FOR THE SAME}Heat-resistant high-entropy superalloy with BCC two-phase composite structure and its manufacturing method {REFRACTORY HIGH ENTROPY SUPERALLOY WITH BCC DUAL PHASE AND MANUFACTURING METHOD FOR THE SAME}

본 발명은 BCC 2상 복합구조를 가지는 내열 고엔트로피 초합금 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a heat-resistant high-entropy superalloy having a BCC two-phase composite structure and a method of manufacturing the same.

일반적으로 가스 터빈 블레이드와 같이 저온-고온 사이클 및 고압력의 복합 극한환경에서 사용되는 재료는 고온에서 우수한 기계적 특성을 요한다. 이러한 극한환경 소재로써 대표적으로 Ni기 초합금 (Superalloy)이 고온에서의 항복강도가 뛰어난 특성으로 인하여 주로 사용되며, 이러한 Ni기 초합금은 복합 FCC 구조를 가져 연성이 뛰어난 γ 상을 기지로 하여 강도가 뛰어난 Ni3(Al,Cr) γ' 규칙상을 석출물로 가지고 있어 우수한 기계적 성질을 가지는 것을 특징으로 한다. 하지만, Ni기 초합금의 상대적으로 낮은 녹는점으로 인하여 800℃ 이상의 온도에서 연화가 일어나 기계적 성질이 급격히 열화되어 사용에 제한이 있으며, 1000℃ 이상의 초고온에서 안정적으로 활용 가능한 고온 구조재료 개발이 필요한 실정이다. In general, materials used in a complex extreme environment of a low-temperature cycle and high pressure such as a gas turbine blade require excellent mechanical properties at high temperatures. As such an extreme environmental material, Ni-based superalloy is mainly used due to its excellent yield strength at high temperature. This Ni-based superalloy has a complex FCC structure and is based on γ-phase with excellent ductility and has excellent strength. It is characterized by having excellent mechanical properties because it has a Ni 3 (Al,Cr) γ'regular phase as a precipitate. However, due to the relatively low melting point of Ni-based superalloys, softening occurs at temperatures above 800℃, resulting in rapid deterioration of mechanical properties, limiting its use, and development of high-temperature structural materials that can be stably utilized at ultra-high temperatures of 1000℃ is required. .

최근 4 족 내지 6족의 전이금속으로 구성되고 체심입방 결정구조를 가지는 고엔트로피 합금은 1000℃ 이상의 고온에서 기존에 사용되고 있는 초합금보다 우수한 고온 기계적 물성을 갖는 것으로 알려지면서 다양한 연구가 진행되고 있다. 하지만 Nb, Mo, Ta, W와 같이 내화금속은 고온 환경에서 산화에 취약하며, 이들로 구성된 고엔트로피 합금 또한 열악한 산화 저항성을 띄게 된다. 금속 소재의 산화저항성을 향상시키는 방법으로는 Al, Cr, Si와 같은 원소를 합금화하는 것이 효과적이나, Nb, Mo, Ta, W 등의 내화금속으로 구성된 합금에 Al, Cr, Si을 합금화할 경우 금속간화합물이 형성되어 소재의 연성이 크게 감소하여 취성이 발생한다는 문제점이 있다. 특히, 내화금속 원소로 구성된 고엔트로피 합금은 BCC 격자 내부에 원소들이 불규칙적으로 분포한 A2 구조를 가지는데, 산화 저항성 향상을 위해 Al을 첨가할 경우, BCC 내부에 두 개의 아격자 (sublattice)를 가지는 규칙상인 B2 구조로의 전이가 일어나며, 이러한 B2 구조를 가질 경우에는 강도는 증가하나 취성이 나타나 상온에서 구조재로 활용이 어려운 것으로 알려져 있다.Recently, high-entropy alloys composed of transition metals of groups 4 to 6 and having a body centered cubic crystal structure are known to have superior high-temperature mechanical properties than superalloys used at high temperatures of 1000°C or higher, and various studies are being conducted. However, refractory metals such as Nb, Mo, Ta, and W are vulnerable to oxidation in a high temperature environment, and high entropy alloys composed of them also exhibit poor oxidation resistance. Alloying elements such as Al, Cr, and Si is effective as a method of improving the oxidation resistance of metal materials, but when alloying Al, Cr, and Si to an alloy composed of refractory metals such as Nb, Mo, Ta, and W Due to the formation of intermetallic compounds, there is a problem that the ductility of the material is greatly reduced, resulting in brittleness. In particular, the high entropy alloy composed of refractory metal elements has an A2 structure in which elements are irregularly distributed inside the BCC lattice.If Al is added to improve oxidation resistance, it has two sublattices inside the BCC. It is known that the transition to the regular B2 structure occurs, and in the case of having such a B2 structure, strength increases but brittleness appears, making it difficult to use as a structural material at room temperature.

Acta Materialia (2016, Vol. 122, pp. 448-511) Acta Materialia (2016, Vol. 122, pp. 448-511) JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE (2003, Vol. 38, pp. 3995-4002)JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE (2003, Vol. 38, pp. 3995-4002) Journal of Phase Equilibria and Diffusion (2018, Vol. 39.5 pp. 549-561.)Journal of Phase Equilibria and Diffusion (2018, Vol. 39.5 pp. 549-561.)

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, Ni기 초합금이 나타내는 (기지: 연성이 우수한 불규칙상) - (석출물: 강도가 우수한 규칙상) 구성의 복합 미세구조를 내화금속으로 구성된 BCC 고엔트로피 합금에 구현하여 A2 상과 B2 구조로 구성된 BCC 2상 복합구조를 가지는 내열 고엔트로피 초합금 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다. The present invention is to solve the problems of the prior art described above, and the composite microstructure of the (base: irregular phase with excellent ductility)-(precipitate: regular phase with excellent strength) represented by the Ni-based superalloy is formed of a refractory metal. An object thereof is to provide a heat-resistant high entropy superalloy having a BCC two-phase composite structure composed of an A2 phase and a B2 structure by implementing a high entropy alloy and a method of manufacturing the same.

상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 의한 BCC 2상 복합구조를 가지는 내열 고엔트로피 초합금은 (Nb,Ta,Mo,W)xAly(Ti,Zr,Hf)100-x-y (단, 30≤x≤50, 10≤y≤20 at.%)의 조성식으로 표현되며, 상기 Ti의 함량이 적어도 15 at.% 이상이고, 상기 Zr과 Hf의 함량의 합이 적어도 15 at.% 이상이고, 상기 Mo, W 함량의 합이 10 at.% 이하인 것을 특징으로 한다. In order to solve the above-described problem, the heat-resistant high-entropy superalloy having a BCC two-phase composite structure according to the present invention is (Nb,Ta,Mo,W) x Al y (Ti,Zr,Hf) 100-xy (however, 30≤ x≤50, 10≤y≤20 at.%), the content of Ti is at least 15 at.%, the sum of the contents of Zr and Hf is at least 15 at.%, and the It is characterized in that the sum of the Mo and W content is 10 at.% or less.

본 발명에 의한 BCC 2상 복합구조를 가지는 상기 내열 고엔트로피 초합금은 A2 상 (불규칙 BCC) 기지에 B2 상 (규칙 BCC)이 석출상으로 분포하며, 석출상은 0.01 내지 10 μm의 평균 입자 크기를 가지는 것을 특징으로 한다. The heat-resistant high-entropy superalloy having a BCC two-phase composite structure according to the present invention has a B2 phase (regular BCC) distributed as a precipitated phase in the A2 phase (irregular BCC) base, and the precipitated phase has an average particle size of 0.01 to 10 μm. It features.

또한, 본 발명에 의한 BCC 2상 나노구조를 가지는 고엔트로피 내열 초합금은 구성원소 대비 산소와의 친화도가 현저히 큰 (Cr, Si)으로 구성된 원소군에서 적어도 1 종 이상의 원소를 5 at.% 이하 첨가하여 내산화성을 더욱 향상시키는 것이 가능하다.In addition, the high-entropy heat-resistant superalloy having a BCC two-phase nanostructure according to the present invention contains 5 at.% or less of at least one element in the element group consisting of (Cr, Si) having a significantly greater affinity for oxygen relative to the elemental element. It is possible to further improve oxidation resistance by adding.

본 발명에 의한 BCC 2상 복합구조를 가지는 내열 고엔트로피 초합금은, 연성이 우수한 불규칙 A2상을 기지로 하여 강도가 우수한 규칙 B2 상을 석출물로 형성하여 우수한 연성 및 강도를 동시에 확보할 수 있다. 특히, 규칙 B2 석출물을 나노스케일로 제어하는 경우 더 우수한 크리프 특성을 나타내는 효과가 있다.The heat-resistant high-entropy superalloy having a BCC two-phase composite structure according to the present invention can secure excellent ductility and strength at the same time by forming a rule B2 phase having excellent strength as a precipitate based on an irregular A2 phase having excellent ductility. In particular, when the rule B2 precipitate is controlled on a nanoscale, there is an effect of showing more excellent creep characteristics.

도 1은 본 발명의 합금을 구성하는 원소들간 2원 혼합 엔탈피를 나타내는 도식이다.
도 2는 본 발명의 합금 시스템 중 Ti50Zr50, Nb, Al를 축으로 하는 의사 3원 합금계의 1200℃에서 등온 상평형도 (Isothermal section)를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 8에 의한 내열 고엔트로피 초합금의 시차주사현미경 (SEM) 이미지이다.
도 4는 본 발명의 (a) 비교예 4와 (b) 비교예 5에 의한 합금의 시차주사현미경 (SEM) 이미지이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1과 비교예 3의 상온 인장시험을 통해 얻어진 응력-변형율 곡선을 보여준다.
1 is a diagram showing the binary mixing enthalpy between elements constituting the alloy of the present invention.
Figure 2 shows the isothermal phase equilibrium (Isothermal section) at 1200 °C of a pseudo-ternary alloy system having Ti 50 Zr 50 , Nb, and Al as the axes of the alloy system of the present invention.
3 is a differential scanning microscope (SEM) image of a heat-resistant high entropy superalloy according to Examples 1 to 8 of the present invention.
4 is a differential scanning microscope (SEM) image of an alloy according to (a) Comparative Example 4 and (b) Comparative Example 5 of the present invention.
5 shows a stress-strain curve obtained through a room temperature tensile test of Example 1 and Comparative Example 3 of the present invention.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되었다. 또한 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those of ordinary skill in the art can easily implement the embodiments. The present invention may be implemented in various different forms, and is not limited to the embodiments described herein. In the drawings, parts irrelevant to the description are omitted in order to clearly describe the present invention, and the same reference numerals are used for the same or similar components throughout the specification. Also, in the case of well-known technologies, detailed descriptions thereof will be omitted.

4족 내지 6족 전이금속 원소가 Al과 결합하여 형성하는 B2 상은 Ti-Al-Nb, Ti-Al-Ta 등의 3원계 합금시스템에 존재함이 보고되었으며, 이러한 3원계 합금시스템은 Ti, Al 그리고 (Nb, Ta)으로 구성된 원소군에서 선택된 하나의 원소로 구성된다. 하지만, 상기 3원계 합금시스템에서 B2 상은 고온에서 존재하는 A2 상의 규칙-불규칙 변태를 통해 발생하기 때문에, A2 상이 모두 B2로 전이되어 A2 상과 B2 상이 공존하는 미세구조를 형성할 수 없을 뿐만 아니라, 변태 속도가 매우 빨라 ??칭 공정을 통해서도 변태를 억제할 수 없다. (JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE 38 (2003) 3995-4002.) 또한, 상기 3원계 합금에서 B2가 형성되는 조성 영역 근처에서 Ti-Al 금속간 화합물과 (Nb, Ta)-Al 금속간 화합물이 안정상으로 존재하여 합금의 제조과정에서 금속간화합물이 형성되어 소재의 취성을 유발하게 된다. (Journal of Phase Equilibria and Diffusion 39.5 (2018) 549-561.) 이렇듯 현재까지 보고된 결과를 요약하면, 상기 3원계 합금시스템들에서는 A2 상과 B2 상이 평형을 이루는 2상 영역이 상평형도에 존재하지 않기 때문에 Ni 계 초합금과 같은 (기지: 연성이 우수한 불규칙상)-(석출물: 강도가 우수한 규칙상) 구성의 미세구조를 구현할 수 없다.It has been reported that the B2 phase formed by bonding of a transition metal element from Group 4 to Group 6 with Al exists in a ternary alloy system such as Ti-Al-Nb and Ti-Al-Ta, and such a ternary alloy system is Ti, Al And it is composed of one element selected from the element group consisting of (Nb, Ta). However, in the ternary alloy system, since the B2 phase occurs through the regular-irregular transformation of the A2 phase present at high temperature, all of the A2 phases are transferred to B2, and thus a microstructure in which the A2 phase and the B2 phase coexist cannot be formed. Because the transformation speed is very fast, transformation cannot be suppressed even through the quenching process. (JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE 38 (2003) 3995-4002.) In addition, Ti-Al intermetallic compounds and (Nb, Ta)-Al intermetallic compounds are stabilized near the compositional region where B2 is formed in the ternary alloy. As it exists, intermetallic compounds are formed in the manufacturing process of the alloy, causing brittleness of the material. (Journal of Phase Equilibria and Diffusion 39.5 (2018) 549-561.) Summarizing the results reported so far, in the ternary alloy systems, a two-phase region in which the A2 and B2 phases are in equilibrium exists in the phase equilibrium diagram. Because it does not, it is not possible to implement a microstructure of a (base: irregular phase with excellent ductility)-(precipitate: a regular phase with excellent strength) such as Ni-based superalloys.

본 연구에서는 상기한 Ti-Al-(Nb, Ta) 3원계 합금시스템에서, 원소간 양의 혼합 엔탈피 특성을 이용하여 A2 상과 B2 상의 분리를 유발하고, 고엔트로피 합금 설계법을 이용하여 A2 상과 B2 상 이외의 금속간 화합물의 형성을 억제하여, BCC 결정구조를 가진 A2 상과 B2 상이 2상 평형을 이루는 합금 시스템을 개발하였다. 특히, 개발된 A2 상과 B2 상의 2상 평형영역을 정밀 제어함으로써 (A2 기지: 연성이 우수한 불규칙상) - (B2 석출물: 강도가 우수한 규칙상) 관계의 독특한 BCC 2상 복합구조를 가지는 내열 고엔트로피 초합금을 개발하였다. In this study, in the Ti-Al-(Nb, Ta) ternary alloy system described above, the A2 phase and the B2 phase were separated by using the mixing enthalpy of the amount between elements, and the A2 phase and the A2 phase were By suppressing the formation of intermetallic compounds other than the B2 phase, an alloy system was developed in which the A2 phase and the B2 phase having a BCC crystal structure are in two-phase equilibrium. In particular, by precisely controlling the two-phase equilibrium region of the developed A2 and B2 phases (A2 base: irregular phase with excellent ductility)-(B2 precipitate: regular phase with excellent strength), it has a unique BCC two-phase composite structure. Entropy superalloy was developed.

도 1은 본 발명의 합금을 구성하는 원소들간 2원 혼합 엔탈피를 나타내는 도식이다. Zr은 Nb와 양의 혼합 엔탈피를 가지고 있어, (+4 kJ/mol) 서로 분리되려는 물리학적 관계를 가진다. 이는 Zr-Nb 이원 상태도에서 miscibility gap으로 나타나며, Zr-Nb 합금은 1000 ℃ 이하의 온도에서 두 BCC (A2)로의 분리가 일어날 수 있다. 이러한 특성을 지닌 Zr을 Ti-Al-Nb 합금계의 Ti와 치환할 경우, Zr 함량이 많은 BCC 상과, Nb 함량이 많은 BCC 상으로의 분리가 일어난다. 이 때, 합금의 구성 원소 중 Al 과 가장 강한 결합력을 가지고 있는 Zr이 다량 포함된 BCC 상의 Al 함량이 증가하게 되고, Al 함량이 많은 Zr-rich의 BCC 상은 규칙 B2상을 구성하고, Al 함량이 적은 Nb-rich의 BCC 상은 불규칙 A2 상을 구성하여 2상 분리를 유발할 수 있다. 1 is a diagram showing the binary mixing enthalpy between elements constituting the alloy of the present invention. Since Zr has a positive mixing enthalpy with Nb, (+4 kJ/mol) has a physical relationship that tries to separate from each other. This appears as a miscibility gap in the Zr-Nb binary phase diagram, and the Zr-Nb alloy can be separated into two BCCs (A2) at a temperature of 1000 ℃ or less. When Zr having such characteristics is substituted with Ti of the Ti-Al-Nb alloy system, separation into a BCC phase with a high Zr content and a BCC phase with a high Nb content occurs. At this time, the Al content of the BCC phase containing a large amount of Zr, which has the strongest bonding strength with Al among the constituent elements of the alloy, increases, and the BCC phase of Zr-rich with a high Al content constitutes the rule B2 phase, and the Al content is The BCC phase of less Nb-rich may constitute an irregular A2 phase and cause two-phase separation.

도 2는 본 발명의 합금 시스템 중 Ti50Zr50, Nb, Al를 축으로 하는 의사 3원 합금계 (Pseudo ternary alloy system)의 1200℃에서 등온 상평형도 (Isothermal section)를 나타낸 것이다. 이는 Ti-Al-Nb 3원계 합금시스템에서 Ti의 절반의 몰분율을 Zr으로 치환한 4원계 합금시스템의 의사 3원계 상평형도이며, Thermo-Calc 프로그램의 TCHEA 3 database를 활용하여 작도하였다. 도면을 통해 본 발명에 의한 2상 구조의 내열 고엔트로피 초합금은 A2 와 B2 상을 제외한 금속간 화합물의 형성을 막을 수 있음을 확인할 수 있다. 이러한 독특한 상 안정성은 다성분계로 구성된 고엔트로피 합금의 주요 특성인 고엔트로피 효과이며, 첨언하면 고엔트로피 효과는 하기 수식으로 표현되는 혼합 엔트로피가 증가함 의해 깁스 에너지가 안정화되어 다양한 원소들을 고용할 수 있는 BCC와 FCC 및 HCP와 같은 단순한 결정구조의 상이 안정화되는 효과를 말한다. FIG. 2 shows an isothermal section at 1200° C. of a pseudo ternary alloy system having Ti 50 Zr 50 , Nb, and Al as axes in the alloy system of the present invention. This is a pseudo ternary phase equilibrium diagram of a quaternary alloy system in which half of the mole fraction of Ti is substituted with Zr in the Ti-Al-Nb ternary alloy system, and was constructed using the TCHEA 3 database of the Thermo-Calc program. It can be seen from the drawings that the heat-resistant high-entropy superalloy of the two-phase structure according to the present invention can prevent the formation of intermetallic compounds except for the A2 and B2 phases. This unique phase stability is the high entropy effect, which is the main characteristic of the high-entropy alloy composed of a multi-component system.In addition, the high entropy effect is the Gibbs energy stabilized by increasing the mixing entropy expressed by the following equation, allowing various elements to be dissolved. It refers to the effect of stabilizing the phases of simple crystal structures such as BCC, FCC and HCP.

Figure 112019010317040-pat00001
Figure 112019010317040-pat00001

(여기서, R은 기체상수이고,

Figure 112019010317040-pat00002
는 원소 i의 첨가 원자분율을 의미한다.) (Where R is the gas constant,
Figure 112019010317040-pat00002
Means the added atomic fraction of element i.)

부연하면, 본 발명에서 A2 상과 B2 상 이외의 금속간 화합물은 모두 Al과 결합하여 형성되는 금속간 화합물이며, 이들은 특정 원소인 Al과 선택적으로 결합하여 화합물을 형성한다.(ZrAl, Zr2Al, Nb3Al) 이에 반해 A2 상과 B2 상과 같은 BCC 상은 4족 내지 6족 전이금속 원소를 모두 고용할 수 있으며, 고엔트로피 효과에 의해 본 발명의 고엔트로피 합금에서는 B2 외의 금속간화합물의 형성이 억제된다.Incidentally, in the present invention, the intermetallic compounds other than the A2 phase and the B2 phase are all intermetallic compounds formed by bonding with Al, and these are selectively combined with Al, which is a specific element, to form a compound (ZrAl, Zr 2 Al). , Nb 3 Al) On the other hand, BCC phases such as A2 and B2 phases can dissolve all Group 4 to Group 6 transition metal elements, and the high entropy alloy of the present invention forms intermetallic compounds other than B2 due to the high entropy effect. Is suppressed.

따라서, 도 2를 통해 NbxAly(Ti50Zr50)100-x-y (30≤x≤50, 10≤y≤20 at.%) 조성 영역에서 본 발명의 BCC 2상 구조를 가지는 내열 고엔트로피 초합금을 제조할 수 있는 가능성이 있음을 확인할 수 있다. 하지만, 도 2에서 수행한 상평형 시뮬레이션은 BCC 격자의 규칙 격자상과 불규칙 격자상 정보를 포함하지 않기 때문에, A2 상과 B2 상의 2상 평형 영역은 나타나지 않는다.Accordingly, heat-resistant high entropy having the BCC two-phase structure of the present invention in the composition region of Nb x Al y (Ti 50 Zr 50 ) 100-xy (30≤x≤50, 10≤y≤20 at.%) through FIG. 2 It can be seen that there is a possibility to manufacture superalloys. However, since the phase equilibrium simulation performed in FIG. 2 does not include information on the regular and irregular grid images of the BCC grid, the two-phase equilibrium regions of the A2 and B2 phases do not appear.

Al은 B2 상을 구성하는 주요 원소로 작용하여 10 at.% 미만으로 구성할 경우 합금이 B2 상을 형성하지 않고 불규칙 A2 상을 유지하며, 20 at.%을 초과하여 구성할 경우 합금이 B2 상만으로 구성되거나, A2 상과 B2 상 외의 다른 금속간 화합물이 석출되기 때문에, 10 at.% 이상 20 at.% 이하로 포함하는 것이 바람직하다.Al acts as a major element constituting the B2 phase, and if it is composed of less than 10 at.%, the alloy does not form the B2 phase and maintains the irregular A2 phase. If it is composed of more than 20 at.%, the alloy is the B2 phase. Since it is composed of only or other intermetallic compounds other than the A2 phase and the B2 phase are precipitated, it is preferably contained in an amount of 10 at.% or more and 20 at.% or less.

Ta은 Zr, Hf과 양의 혼합 엔탈피를 가지고, (Ta-Zr: +3 kJ/mol, Ta-Hf: +3 kJ/mol) Nb와 전율 고용체를 형성하기 때문에, 상기에서의 Nb와 동일한 효과를 낼 수 있으며, 상기 합금에서 Nb를 대체할 수 있다. Since Ta has a positive mixing enthalpy with Zr and Hf, (Ta-Zr: +3 kJ/mol, Ta-Hf: +3 kJ/mol) forms an electrifying solid solution with Nb, it has the same effect as Nb above. And can replace Nb in the alloy.

Hf은 Zr과 매우 유사한 물리학적 특성을 가지며, Nb 및 Ta와 양의 혼합 엔탈피를 가지기 때문에, (Hf-Nb: +4 kJ/mol, Hf-Ta: +3 kJ/mol) Zr를 대체할 수 있다.Since Hf has very similar physical properties to Zr and has a positive mixing enthalpy with Nb and Ta, (Hf-Nb: +4 kJ/mol, Hf-Ta: +3 kJ/mol) can replace Zr. have.

Mo와 W은 Zr, Hf과 음의 혼합 엔탈피를 가지기 때문에, (Mo-Zr: -6 kJ/mol, Mo-Hf: -4 kJ/mol, W-Zr: -9 kJ/mol, Mo-Hf: -6 kJ/mol) Nb와 동일한 효과를 낼 수 없으나, Nb, Ta와 전율 고용체를 형성하고 합금의 강도를 향상시키는 원소로 알려져 있어, Nb를 10 at.% 이하의 함량으로 치환하여 합금의 강도를 증가시키는 효과가 있다. 단, 10 at.%을 초과하여 포함할 경우 다른 금속간 화합물의 형성을 유발하기 때문에 10 at.% 이하로 구성하는 것이 바람직하다.Since Mo and W have a negative mixing enthalpy with Zr and Hf, (Mo-Zr: -6 kJ/mol, Mo-Hf: -4 kJ/mol, W-Zr: -9 kJ/mol, Mo-Hf : -6 kJ/mol) It cannot produce the same effect as Nb, but it is known as an element that forms an electrifying solid solution with Nb and Ta and improves the strength of the alloy, so Nb is substituted with a content of 10 at.% or less of the alloy. It has the effect of increasing the strength. However, if the content exceeds 10 at.%, the formation of other intermetallic compounds is caused, so it is preferable to use 10 at.% or less.

상기에서 설명한 바와 같이, 고엔트로피 효과를 통해 금속간 화합물의 석출을 억제하기 위해서, 상기 Ti의 함량이 적어도 15 at.% 이상이고, 상기 Zr과 Hf의 함량의 합이 적어도 15 at.% 이상으로 구성하는 것이 바람직하다.As described above, in order to suppress the precipitation of intermetallic compounds through a high entropy effect, the Ti content is at least 15 at.% or more, and the sum of the Zr and Hf contents is at least 15 at.% or more. It is desirable to configure.

또한, 본 발명에 의한 BCC 2상 나노구조를 가지는 고엔트로피 내열 초합금은 구성원소 대비 산소와의 친화도가 현저히 큰 (Cr, Si)으로 구성된 원소군에서 적어도 1 종 이상의 원소를 전체조성 대비 5 at.% 이하 첨가하여 내산화성을 더욱 향상시키는 것이 가능하다. 단, (Cr, Si)의 함량이 5 at.%를 초과하는 경우에는 추가적인 금속간 화합물을 형성하게 되어 바람직하지 않다.In addition, the high-entropy heat-resistant superalloy having a BCC two-phase nanostructure according to the present invention contains at least one element from the element group consisting of (Cr, Si) that has a remarkably high affinity with oxygen relative to the constituent elements. It is possible to further improve oxidation resistance by adding less than .%. However, when the content of (Cr, Si) exceeds 5 at.%, an additional intermetallic compound is formed, which is not preferable.

본 발명에 따른 BCC 2상 복합구조를 가지는 내열 고엔트로피 초합금을 제조하는 방법은, 상기 원료물질을 (Ti,Zr,Hf)100-x-y(Nb,Ta,Mo,W)xAly (단, 30≤x≤50, 10≤y≤20 at.%)의 몰분율로 준비하는 단계, 상기 원료물질을 용해하여 합금을 제조하는 단계 및 후속 열처리 공정을 통해 미세구조를 제어하는 단계를 포함한다. In the method of manufacturing a heat-resistant high-entropy superalloy having a BCC two-phase composite structure according to the present invention, the raw material is (Ti,Zr,Hf) 100-xy (Nb,Ta,Mo,W) x Al y (However, 30≦x≦50, 10≦y≦20 at.%), preparing an alloy by dissolving the raw material, and controlling the microstructure through a subsequent heat treatment process.

본 발명에서 후속 열처리 단계는 크게 두 가지 방법이 가능하며, 첫 번째로 A2와 B2 2상이 열역학적 평형을 이루는 1000℃ 내지 1300℃ 범주의 열처리 온도에서 1 시간 내지 96 시간 동안 에이징 (Aging) 열처리를 수행하여 기지에 석출된 규칙 B2 상의 형태, 크기 및 분율을 제어하는 것이 가능하다. In the present invention, the subsequent heat treatment step can be largely performed in two ways, and first, aging heat treatment is performed for 1 to 96 hours at a heat treatment temperature in the range of 1000°C to 1300°C where the two phases A2 and B2 achieve thermodynamic equilibrium. Thus, it is possible to control the shape, size and fraction of Rule B2 deposited on the base.

또한, 두 번째로 상기 원료물질을 용해하여 합금을 제조하는 단계 후 단일 BCC 고용체가 안정한 1300℃ 이상 1600 ℃ 이하의 온도 범위에서 1 시간 내지 48 시간 동안 용체화 처리 (Solution treatment) 후 급냉하는 단계를 추가적으로 포함할 수 있다. 이러한 열처리 단계를 추가함에 따라 균질화된 A2 단일상을 얻을 수 있으며, 상기 첫 번째 열처리 단계를 순차적으로 진행함을 통해 B2 석출상의 형태, 크기 및 분율을 더 효과적 정밀하게 제어할 수 있다.In addition, after the second step of dissolving the raw material to prepare an alloy, a step of quenching after a solution treatment for 1 to 48 hours at a temperature range of 1300°C to 1600°C where a single BCC solid solution is stable May contain additionally. By adding such a heat treatment step, a homogenized A2 single phase can be obtained, and the shape, size, and fraction of the B2 precipitated phase can be more effectively and precisely controlled by sequentially performing the first heat treatment step.

이로써, 본 발명에 따른 BCC 2상 복합구조를 가지는 내열 고엔트로피 초합금의 미세구조를 특성 맞춤형으로 제어할 수 있다.Accordingly, the microstructure of the heat-resistant high-entropy superalloy having the BCC two-phase composite structure according to the present invention can be controlled according to characteristics.

표 1은 본 발명의 실시예 1 내지 8 및 비교예 1 내지 5의 원자비 (at.%)로 표현한 합금의 구성과 공정에 따른 미세구조를 나타낸다.Table 1 shows the microstructure according to the composition and process of the alloy expressed by the atomic ratio (at.%) of Examples 1 to 8 and Comparative Examples 1 to 5 of the present invention.

TiTi ZrZr HfHf NbNb MoMo TaTa WW AlAl Heat tretmentHeat tretment MicrostructureMicrostructure 실시예1Example 1 2525 2525 3030 2020 As-cast ingotAs-cast ingot B2 in A2B2 in A2 실시예2Example 2 1515 1515 5050 2020 As-cast ingotAs-cast ingot B2 in A2B2 in A2 실시예3Example 3 27.527.5 27.527.5 3030 1515 As-cast ingotAs-cast ingot B2 in A2B2 in A2 실시예4Example 4 2525 12.512.5 12.512.5 2020 1010 2020 As-cast ingotAs-cast ingot B2 in A2B2 in A2 실시예5Example 5 2525 12.512.5 12.512.5 2020 55 55 2020 As-cast ingotAs-cast ingot B2 in A2B2 in A2 실시예6Example 6 2525 12.512.5 12.512.5 2020 55 2.52.5 2.52.5 2020 As-cast ingotAs-cast ingot B2 in A2B2 in A2 실시예7Example 7 3030 1515 1515 2020 1010 1010 1200℃ 72h
Quenching
1200℃ 72h
Quenching
B2 in A2B2 in A2
실시예8Example 8 2020 2020 3030 1010 2020 1200℃ 72h
Quenching
after
1400℃ 12h
1200℃ 72h
Quenching
after
1400℃ 12h
B2 in A2B2 in A2
비교예1Comparative Example 1 2525 2525 2525 2525 1300℃ 6h
Quenching
1300℃ 6h
Quenching
A2A2
비교예2Comparative Example 2 2525 2525 2525 2525 As-cast ingotAs-cast ingot B2B2 비교예3Comparative Example 3 5050 2929 2121 As-cast ingotAs-cast ingot B2 + OrthorhombicB2 + Orthorhombic 비교예4Comparative Example 4 2020 1010 1010 2020 2020 2020 1500℃ 6h
Quenching
1500℃ 6h
Quenching
A2 + compoundsA2 + compounds
비교예5Comparative Example 5 1010 1010 6060 2020 As-cast ingotAs-cast ingot A2 + compoundsA2 + compounds

도 3은 실시예 1 내지 실시예 8의 조성으로 제조된 BCC 2상 복합구조를 가지는 고엔트로피 내열 초합금의 미세구조이다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명의 실시예 1 내지 8과 같이 합금을 구성하여 제조할 경우 A2 상의 기지 내에 B2 상이 나노 석출물 형태로 분포한 미세구조를 구성할 수 있다.3 is a microstructure of a high entropy heat-resistant superalloy having a BCC two-phase composite structure prepared in the compositions of Examples 1 to 8. As can be seen from the drawings, when an alloy is formed and manufactured as in Examples 1 to 8 of the present invention, a microstructure in which the B2 phase is distributed in the form of nanoprecipitates within the matrix of the A2 phase can be formed.

하지만, 비교예 1과 같이 Al을 포함하지 않을 경우, 불규칙 BCC인 A2 상만으로 합금이 구성되며, 비교예2과 같이 Al을 25 at.% 수준으로 구성하면 A2 상이 안정화되지 못해 B2 단일상 합금이 형성된다. 또한, 비교예 3와 같이 Zr 혹은 Hf을 포함하지 않을 경우, B2 상 뿐만 아니라 orthorhombic 구조를 가지는 Ti-Al-Nb 화합물이 형성된다, However, if Al is not included as in Comparative Example 1, the alloy is composed of only the A2 phase, which is an irregular BCC, and if Al is composed at the level of 25 at.% as in Comparative Example 2, the A2 phase cannot be stabilized, so that the B2 single phase alloy is Is formed. In addition, when Zr or Hf is not included as in Comparative Example 3, a Ti-Al-Nb compound having an orthorhombic structure as well as a B2 phase is formed.

도 4는 비교예 4 및 비교예 5 조성으로 제조된 합금의 미세구조이다. 비교예 4와 같이 Mo를 10 at.% 이상 포함할 경우, 적어도 1 종류 이상의 공정 반응 (Eutectic reaction)에 의한 공정구조가 나타나며, 비교예 5와 같이 Nb가 50 at.% 이상 포함될 경우, Nb-Al 금속간 화합물이 판상 형태로 석출된다. 4 is a microstructure of an alloy prepared in Comparative Example 4 and Comparative Example 5. When containing 10 at.% or more of Mo as in Comparative Example 4, a process structure by at least one or more eutectic reactions appears, and when 50 at.% or more of Nb is included as in Comparative Example 5, Nb- Al intermetallic compounds are deposited in the form of a plate.

도 5는 본 발명의 실시예 1과 비교예 3에 의한 합금의 상온 압축 실험 결과이다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 비교예 3과 같이 규칙상인 B2 상만을 포함할 경우 극단적인 취성이 발생하며, 본 발명의 BCC 2상 복합 구조를 가지는 내열 고엔트로피 초합금과 같이 A2 상의 기지 내에 B2 상이 석출물 형태로 분포할 경우, 1400 MPa 이상의 높은 강도를 유시하면서도 동시에 30% 이상의 매우 높은 연신율을 확보할 수 있다.5 is a room temperature compression test results of the alloys according to Example 1 and Comparative Example 3 of the present invention. As can be seen from the drawing, extreme brittleness occurs when only the regular B2 phase is included as in Comparative Example 3, and the B2 phase in the base of the A2 phase like the heat-resistant high-entropy superalloy having the BCC two-phase composite structure of the present invention. When distributed in the form of precipitates, a very high elongation of 30% or more can be secured while maintaining a high strength of 1400 MPa or more.

이상 본 발명을 바람직한 실시예를 통하여 설명하였는데, 상술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화가 가능함은 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 특정 실시예가 아니라 특허청구범위에 기재된 사항에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The present invention has been described above through preferred embodiments, but the above-described embodiments are only illustrative of the technical idea of the present invention, and various changes are possible within the scope not departing from the technical idea of the present invention. Those of ordinary skill will understand. Therefore, the scope of protection of the present invention should be interpreted not by specific embodiments, but by the matters described in the claims, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be interpreted as being included in the scope of the present invention.

Claims (6)

전체 합금 조성이 하기 (화학식)과 같이 표현되며;
전체 구성에서 상기 Ti의 함량이 적어도 15 at.% 이상이고,
전체 구성에서 상기 Zr과 Hf의 함량의 합이 적어도 15 at.% 이상이고,
전체 구성에서 상기 Mo, W 함량의 합이 10 at.% 이고,
열처리 과정에서 용해도 갭 내부에서 상분리 메커니즘을 통해 BCC 상분리 변태가 일어나는 것을 특징으로 하는,
BCC 2상 복합구조를 가지는 내열 고엔트로피 초합금.
(화학식)
(Nb1-a-b-cTaaMobWc)xAly(Ti1-d-eZrdHfe)100-x-y
(단, 0≤a≤1, 0≤b≤1, 0≤c≤1, 0≤d≤1, 0≤e≤1, 0≤a+b+c≤1, 0≤d+e≤1, 30≤x≤50, 10≤y≤20 at.%)
The total alloy composition is expressed as follows (Chemical Formula);
The content of Ti in the entire composition is at least 15 at.% or more,
The sum of the contents of Zr and Hf in the entire composition is at least 15 at.% or more,
The sum of the Mo and W content in the entire composition is 10 at.%,
In the heat treatment process, characterized in that the BCC phase separation transformation occurs through a phase separation mechanism inside the solubility gap,
Heat-resistant high-entropy superalloy with BCC two-phase composite structure.
(Chemical formula)
(Nb 1-abc Ta a Mo b W c ) x Al y (Ti 1-de Zr d Hf e ) 100-xy
(However, 0≤a≤1, 0≤b≤1, 0≤c≤1, 0≤d≤1, 0≤e≤1, 0≤a+b+c≤1, 0≤d+e≤1 , 30≤x≤50, 10≤y≤20 at.%)
청구항 1에 있어서,
상기 내열 고엔트로피 초합금은 A2 상 (불규칙 BCC) 기지에 B2 상 (규칙 BCC)이 석출상으로 분포하며;
상기 석출상은 0.01 내지 10 μm의 평균 입자 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 BCC 2상 복합구조를 가지는 내열 고엔트로피 초합금.
The method according to claim 1,
In the heat-resistant high-entropy superalloy, the B2 phase (rule BCC) is distributed as a precipitated phase in the A2 phase (irregular BCC) base;
The precipitated phase is a heat-resistant high-entropy superalloy having a BCC two-phase composite structure, characterized in that it has an average particle size of 0.01 to 10 μm.
청구항 1에 있어서,
(Cr, Si)으로 구성된 원소군에서 적어도 1 종 이상의 원소를 5 at.% 이하 첨가하여 내산화성을 향상시킨 것을 특징으로 하는, BCC 2상 복합구조를 가지는 내열 고엔트로피 초합금.
The method according to claim 1,
A heat-resistant high-entropy superalloy having a BCC two-phase composite structure, characterized in that the oxidation resistance is improved by adding at least one or more elements in the element group consisting of (Cr, Si) by 5 at.% or less.
전체 합금의 모원소를 하기 (화학식)과 같이 준비하되,
전체 구성에서 상기 Ti의 함량이 적어도 15 at.% 이상이고,
전체 구성에서 상기 Zr과 Hf의 함량의 합이 적어도 15 at.% 이상이고,
전체 구성에서 상기 Mo, W 함량의 합이 10 at.% 이하로 준비하는 단계;
상기 원료물질을 용해하여 합금을 제조하는 단계; 및
제조된 합금을 A2와 B2 2상이 열역학적 평형을 이루는 1000℃ 내지 1300℃ 범주의 열처리 온도에서 1 시간 내지 96 시간 동안 에이징 (Aging) 열처리함으로써 용해도 갭 내부에서 상분리 메커니즘을 통해 BCC 상분리 변태가 일어나는 단계;
를 통해 제조되는 것을 특징으로 하는 BCC 2상 복합구조를 가지는 내열 고엔트로피 초합금의 제조 방법
(화학식)
(Nb1-a-b-cTaaMobWc)xAly(Ti1-d-eZrdHfe)100-x-y
(단, 0≤a≤1, 0≤b≤1, 0≤c≤1, 0≤d≤1, 0≤e≤1, 0≤a+b+c≤1, 0≤d+e≤1, 30≤x≤50, 10≤y≤20 at.%)
Prepare the parent element of the entire alloy as follows (Chemical Formula),
The content of Ti in the entire composition is at least 15 at.% or more,
The sum of the contents of Zr and Hf in the entire composition is at least 15 at.% or more,
Preparing the sum of the Mo and W contents to be 10 at.% or less in the entire composition;
Dissolving the raw material to prepare an alloy; And
Aging heat treatment for 1 hour to 96 hours at a heat treatment temperature in the range of 1000° C. to 1300° C. in which the two phases of A2 and B2 achieve thermodynamic equilibrium, thereby causing a phase separation transformation of BCC through a phase separation mechanism within the solubility gap;
Method for producing a heat-resistant high-entropy superalloy having a BCC two-phase composite structure, characterized in that produced through
(Chemical formula)
(Nb 1-abc Ta a Mo b W c ) x Al y (Ti 1-de Zr d Hf e ) 100-xy
(However, 0≤a≤1, 0≤b≤1, 0≤c≤1, 0≤d≤1, 0≤e≤1, 0≤a+b+c≤1, 0≤d+e≤1 , 30≤x≤50, 10≤y≤20 at.%)
청구항 4에 있어서,
상기 원료물질에 (Cr, Si)으로 구성된 원소군에서 적어도 1 종 이상의 원소를 5 at.% 이하 첨가하여 내산화성을 향상시킨 것을 특징으로 하는, BCC 2상 복합구조를 가지는 내열 고엔트로피 초합금 제조 방법.
The method of claim 4,
Heat-resistant high entropy superalloy manufacturing method having a BCC two-phase composite structure, characterized in that the oxidation resistance is improved by adding at least one or more elements from the element group consisting of (Cr, Si) to the raw material by 5 at.% or less .
청구항 4에 있어서,
상기 원료물질을 용해하여 합금을 제조하는 단계 후 단일 BCC 고용체가 안정한 1300℃ 이상 1600 ℃ 이하의 온도 범위에서 1 시간 내지 48 시간 동안 용체화 처리 (Solution treatment) 후 급냉하는 단계;를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는, BCC 2상 복합구조를 가지는 내열 고엔트로피 초합금 제조 방법.
The method of claim 4,
After the step of preparing an alloy by dissolving the raw material, a single BCC solid solution is stable at a temperature range of 1300° C. or higher and 1600° C. for 1 hour to 48 hours, followed by quenching after a solution treatment. Characterized in, the method for producing a heat-resistant high entropy superalloy having a BCC two-phase composite structure.
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