KR19980051178A - 고상균열 발생억제력이 우수한 감마 티타늄 알루미나이트계 소재의 용접방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 항공기 엔진의 터빈 블레이드 등의 소재로 사용되는 감마 티타늄알루미나이드계 소재의 용접방법에 관한 것이며, 그 목적은 소재에 압축하중을 가한 상태에서 용접을 실시함으로써 용접부의 고상균열발생이 억제되는 용접방법을제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 감마티타늄 알루미나이드계 소재를 용접하는 방법에 있어서, Al이 원자%로 45-50% 범위로 함유되어 있는 감마티타늄알루미나이드계 소재의 용접시 용접선 방향과 평행하게 1-10kg/㎜²범위내의 압축응력을 용접부 양단에 가해준 다음 용접하는 고상균열 발생 억제력이 우수한 감마 티타늄 알루미나이드계 소재의 용접방법에 관한 것을 그 기술적 요지로 한다.

Description

고상균열 발생억제력이 우수한 감마 티타늄 알루미나이트(Ti-Al)계 소재의 용접방법

본 발명은 항공기 엔진의 터빈 블레이드 등의 소재로 사용되는 감마 티타늄알루미나이드계 소재의 용접방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 소재에 압축하중을 가한 상태에서 용접을 실시함으로써 용접부의 고상군열발생이 억제되는 용접방법에 관한 것이다.

금속간 화합물은 고온 성질이 매우 우수하고 가법기 때문에 고온에서 사용되는구조물의 부품용 소재로 주목받고 있는 새로운 소재이다. 이같은 금속간 화합물의 대표적인 군의 하나인 감마 티나늄 알루미나이드는 고온연성, 강도, 내산학성이 우수하며 밀도가 세라믹과 비슷할 정도로 낮기 때문에 터빈 블레이드 재료로 사용되던 니켈기 초합금을 대체할 수 있는 새로운 소재로 각광받고 있으며, 이미 이 소재를 이용해 제작한 터빈 블레이드가 장착된 항공기가 생산될 단계에와 있다.

그러나, 상기 감마티타늄 알루미나이드는 0.1-5%에 불과한 상온 연성과 취성 때문에 광범위한 현장 적용에 어려움을 겪고 있으며, 이를 해결하기 위하여 많은 연구가 진행되고 있다. 현재까지 획기적인 진척은 없으나 합금조성과 제조공정의 조절을 통하여 부분적인 개선은 가능해진 상태이다. 이같은 부분적 개선으로 감마 티타늄 알루미나이드 합금의 현장 적용이 어느정도 가능해짐에 따라 가장 중요하게 요구되는 기계적성질이 용접성이다. 그 이유는 감마 티타늄 알루미나이드 합금의 가공성이 아직도 매우 나쁘기 때문에 절삭, 압연, 단조 등의 가공공정으로 복잡한 형상의 최종 제품으로 만든다는 것은 기술적, 경계적으로 많은 문제점을 안고 있으며, 이같은 문제들을 용접공정을 통하여 일시에 해결할 수 있기 때문이다. 용접은 정밀주조, 항온 단조 등에 의해 제작된 단순형상의 부품들을 접합해 최종 제품으로 만들 수 있고, 또한 최종제품이 사용중에 발생하는 균열 등의 결함을보수할 수 있는 유효한 방법이기 때문이다. 그러나, 재료 고유의 상은취성으로 인하여 감마 티타늄 알루미나이드계 소재는 용접시 많은 고상균열이 발생하게 되며 이같은 고상균열의 발생이 억제되지 않으면 이 재료에 용접을 적용하는 것은 어려운 실정이다. 도1 및 도2는 감마 티타늄 알루미나이드 용접부에 발생한 고상균열을 보여주고 있는 사진으로서 고상균열은 대부분의 경우, 용접방향에 직각인 방향으로 발생, 전파하는 양상을 보이고 있다. 이와같은 고상균열을 억제하기 위하여 여러 가지 법들이 제안되어 있는데, 대부분이 용접시 소재를 예열함으로서 고상균열을 억제하는 방법을 사용하고 있다. 상기 방법들을 도3 및 도4를 통하여 구체적으로 살펴보면, 도 3과 도 4에 나타난 바와 같이 예열을 실시함에 따라 균열 감수성이 낮아지며 균열 발생을 억제할 수 있는 한계 예열온도가 용접속도가 증가함에 따라 증가함을 알 수 있다. 그러나, 용접소재를 예열함으로서 균열 감수성을 낮추는 방법도 하나의 유용한 방법인 것 같지만 용접 속도를 빨리 할 경우 600℃의 이상인 고온으로 가열하여 예열 해야기 때문에 국부적인 예열은 현실적으로 불가능하므로 실제 현장에 적용하기 에는 어려움이 많다.

또 다른 제안으로 특허출원 95-68491 호에는 감마 티타늄 알루미나이드의 레이저(laser) 용접시 용접균열 발생을 억제할 수 있는 용접 조건에 관한 것으로 용접균열 발생을 억제하기 위하여 용접속도, 예열온도 및 이들과 판재 두께의 조합에 따른 냉각속도를 일정조건 범위내로 조절함으로서 균열을 억제할 수 있는 방법을 제시하고 있다. 그러나, 상기 제안은 균열이 발생하지 않는 용접조건의 범위가 좁고, 용접속도가 느려야 하기 때문에 레이저 용접의 장점인 고생산성을 만족할 수 없다는 점과 예열이 필요한 단점이 있다.

이에, 본 발명자는 감마 티타늄 알루미나이드계 소재의 용접시 상기한 종래방법들의 문제점을 해결할 뿐만 아니라 응고균열에 대한 문제점 또한 해결하기 위하여 연구와 실험을 행하고, 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로, 본 발명은 감마티타늄 알루미나이드계 소재의 용접시 용접선 방향과 평행한 압축응력을 가함으로써 광범위한 용접조건 범위에서도 고상균열이 발생되지 않는 용접방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.

도 1은 용접부 고상균열을 나타내는 사진

도 2는 용접부 고상균열을 보여주는 전자 현미경(SEM) 사진

도 3은 용접속도와 고상균열 감수성과의 상관관계를 나타내는 그래프

도 4는 용접부 냉각속도와 고상균열 감수성과의 상관관계를 나타내는 그래프

도 5는 용접부에 발생하는 잔류응력을 나타내는 분석도

도 6은 레이저(laser) 용접부와 GTA 용접부의 고상균열 감수성을 나타내는 그래프

도 7은 용접부의 잔류응력 발생을 설명하는 개략도

도 8은 압축응력을 부하한 경우와 부하하지 않은 경우의 레이저 용접부의 고상균열 감수성을 나타내는 그래프

도 9는 압축응력을 부하한 경우와 부하하지 않은 경우의 GTA 용접부의 고상균열 감수성을 나타내는 그래프

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 감마티타늄 알루미나이드계 소재를 용접하는 방법에 있어서, Al이 원자%로 45-50% 범위로 함유되어 있는 감마티타늄알루미나이드계 소재의 용접시 용접선 방향과 평행하게 1-10kg/㎜²범위내의 압축응력을 용접부 양단에 가해준 다음 용접함을 특징으로 하는 고상균열 발생 억제력이 우수한 감마 티타늄 알루미나이드계 소재의 용접방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

우선, 본 발명의 대상 강종은 Al이 원자비로 45-50% 범위로 함유되어 있는 감마티타늄 알루미나이드계 소재면 된다. 한편, 상기 감마티타늄 알루미나이드계 성분인 Al이 45% 보다 낮으면 α₂(alpha-two)상의 분율이 높아져 연성 및 가공성이 나빠지고 Al이 50%를 넘으면 감마상의 분율이 높아져 기계적 성질의 저하가 현저해져 실용재료로서 가치가 없어지므로 Al이 원자%로 45-50% 함유되는 것이 바람직 한다.

또한, 상기 감마티타늄 알루미나이드계 금속간학합물은 Ti-Al 이원계 금속간화합물, Ti-Al-X 삼원계 금속간화합물(X는 Mn, Cr, V 등이다), Ti-Al-X-Y 시원계금속간화합물(Y 는 Nb 등이다) 등의 종류가 있는데, 상기 강종으로된 소재는 어느것이나 본 발명 용접방법에 적용할 수 있다.

상기 금속간화합물을 대상강종으로 하여 용접시 고상균열의 발생을 방지하기 위하여 용접선 방향으로 소정의 압축응력을 부하하는 이유를 설명하면 다음과 같다.

감마 티타늄 알루미나이드계 소재를 용접하면 용접부의 잔류응력 및 열응력 온 도 5와 같이 용접선에 평행한 잔류응력(도 5(b))과 수직한 잔류응력(도 5(c))의 두가지 형태가 존재한다. 도 5에서 알 수 있듯이 상기 두 잔류응력 중 도 5(b)의 용점부에 평형한 인장응력이 크다는 것을 알 수 있다. 즉, 감마 티타늄 알루미나이드 용접시 발생하는 고상균열이 모두 용접방향에 수직한 방향으로 발생(도 1 및 도 2)하는 현상과 일치함을 알 수 있다. 객관적으로 이러한 현상을 확인하기 위하여 도 6에 나타나 있는 레이저(laser) 용접부와 텅스텐아크(GTA) 용접부의 고상균열 감수성을 보면, 레이저 용접부와 텅스텐아크용접(GTA) 모두 용접속도가 증가함에 따라 균열 감수성이 증가하고 있음을 알 수 있다. 이는 용점속도가 증가함에 따라 용접 비드의 폭이 작아지기 때문에 용접부의 잔류응력이 국부적으로 집중되어 일어나는 현상으로 상기의 설명을 확인해 주고 있다. 이러한 현상이 생기는이유는 도 7에 나타낸 쓰리-바 이론(three-bar theory)를 통하여 구체적으로 설명하면, 세 개의 바중에서 가운데 바가 용접부를 나타내는 것으로 이 부위는 용접시 열에너지에 의해서 팽창을 하였다가 냉각에 의해 수축이 일어나는데 (사선으로 표시한 부분) 이때, 용접부는 양쪽의 바 (모재)에 의해 구속되기 때문에 인장응력이 걸리게 되며 이 인장응력이 용접 균열을 발생시키게 되는 것이다. 따라서 이 부위에 용접 전에 소정의 압축응력을 부하하여 용접을 실시하게 되면 용접부 고상균열이 현저히 저하하는 효과를 얻게 된다. 즉, 부하하는 압축응력이 1kg/㎜²이하인 경우는 응력이 작아서 그 효과가 매우 미미하며 압축응력이 10kg/㎜²이상인 경우는현장 조업시 이 정도의 응력을 국부적으로 부하하는 것이 거의 불가능하며 상온에서 인성이 매우 낮은 감마 티타늄 알루미나이드 판재 내부에 균열 등의 결함을 발생시키기 때문에 1kg/㎜²-10kg/㎜²범위의 압축응력를 가해주면 고상균열을 억제할수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

실사예

중량%로 Ti : 48.6%, Al : 47.3%, Cr : 1.9%, Nb : 1.9%, 기타 불가피한 불순물로 조성되는 감마 티타늄 알루미나이드계 두가지 소재를 압축응력을 가한 상태에서 용접 속도를 변화시키면서 레이저 용접 및 GTA 용접을 실시하였을 때 고상군열 감수성을 조사한 결과를 도 8 및 도 9에 각각 나타내었다. 이때, 고상균열 감수성은 용접비드 길이 5cm당 균열의 수를 나타낸다.

도 8 및 도 9에서 알 수 있듯이 압축응력을 부하한 상태에서 용접한 경우에는 고상균열 감수성이 비교예(압축응력을 가하지 않은 상태)의 경우에 비해 현저히 감소하고 있음을 알 수 있었다. 또한 압축응력이 증가함에 따라 고상군열 감수성은 감소하고 있음을 알 수 있으며 임계 용접속도 (그 이하에서는 균열이 발생하지 않는 한계 용접속도)가 증가해 이 소재를 결함 없이 용접할 수 있는 용접속도의 범위가 넓어지기 때문에 용접 생산성의 향상이 가능해 진다. 또한 압축응력을 1kg/㎜²미만으로 준 비교예의 경우, 균열 감수성 저감 효과가 거의 없음을 알 수 있었다.

상술한 바와같이, 본 발명은 Al을 45-50 원자% 범위로 함유한 감마 티타늄알루미나이드계 소재를 용접시, 용접선 방향과 평행하게 1-10kg/㎜²범위내의 압축응력을 용접부 양단에 가해준 다음 용접하도록 함으로서 용접후 용접부의 고상균열발생을 억제할 수 있는 용접방법을 제공할 수 있고, 상기 제공된 용접방법은 감마티타늄 알루미나이드계 소재가 필요한 항공, 우주 산업분야에 적용될 수 있는 유용한 효과가 있다.

Claims (2)

1. 감마티타늄 알루미나이드계 소재를 용접하는 방법에 있어서, Al이 원자%로 45-50% 범위로 함유되어 있는 감마티타늄 알루미나이드계 소재의 용접시 용접선 방향과 평행하게 1-10kg/㎜²범위내의 압축응력을 용접부 양단에 가해준 다음 용접함을 특징으로 하는 고상군열 발생 억제력이 우수한 감마 티타늄 알루미나이드계 소재의 용접방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 감마티타늄 알루미나이드계 소재는 Ti-Al 이원계 금속간 화합물, Ti-Al-X 삼원계 금속간 화합물(X는 Mn, Cr, V), Ti-Al-X-Y 사원계 금속간 화합물(Y는 Nb)로 이루어진 그룹중에서 선택된 1종으로 이루어진 것을 특징으로 하는 용접방법.