KR19980051201A

KR19980051201A - 저밀도 고온구조용 금속간합금과 그 제조방법

Info

Publication number: KR19980051201A
Application number: KR1019960070075A
Authority: KR
Inventors: 장웅성
Original assignee: 김종진; 포항종합제철 주식회사; 신창식; 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 1996-12-23
Filing date: 1996-12-23
Publication date: 1998-09-15
Also published as: KR100276335B1

Abstract

본 발명은 고온구조용 금속간합금과 그 제조방법에 관한 것으로서, 그 목적은 상온인성이 우수한 저밀도의 알루미늄(Al)-티타늄(Ti)-바나듐(V) 금속간합금과 그 제조방법을 제공함에 있다. 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 원자%로 Ti : 15-30%, V : 3-15%, 잔부 A1로 조성되고 Al₃(TiV)와 Ti₁₅A₁₁.상의 2상을갖는 연성이 우수한 저밀도 고온 구조용 합금 및 이와같이 조성되는 합금을 제조하는 방법에 관한 것을 그 기술적요지로 한다.

Description

저밀도 고온구조용 금속간합금과 그 제조방법

본 발명은 고온구조용 금속간합금과 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 상온인성이 우수한 저밀도의 알루미늄(Al)-티타늄(Ti)-바나듐(V) 금속간합금과 그 제조방법에 관한 것이다. 최근들어 항공우주산업분야를 중심으로 저밀도 고온구조용 재료개발이 중요성이 대두되고 있다. 이러한 저밀도 고온구조용 재료는 고온성능향상과 더불어 경량화를위해서 높은 비강도(강도/밀도)가 필수적인 요건이다. 현재 적용되고 있는 통상의고온구조용 합금은 주로 니켈(Ni)을 주 성분으로 한 내열합금으로서, 약 8g/cc 의밀도를 가지고 있다. 상기 저밀도 고온구조용재료의 특성의 하나인 비강도를 향상시키기 위하여 밀도를낮추기 위한 노력이 진행되고 있으며, 현재까지 니켈계 내열합금에 비하여 밀도가 절반정도 밖에 안되는 A1-Ti의 이원금속간합금이 개발되어 있다. 그러나, 상기A1-Ti 금속간합금인 경우 저밀도(3.36g/cc ), 고융점(1660k), 고경도(400HDP) 및 우수한 내산화성 등을 지니고 있지만, 이원 합금(Al₃Ti) 의 제조가 곤란하고 상온에서 극히 취약한 것으로 알려져 있다 [M. Yannguchi, Y. Umakoshi 및 T. Yamane ; Philosophical Magazine, A, 55(1987),301]. 즉, 상기 A1-Ti의 이원금속간합금인Al₃Ti는 대칭성이 낮은 규칙형 정방구조(DO₂₂) 를 지니므로 상온 변형시 충분한 변형계(slip system)를 제공하지 못한다. 이러한 A1-Ti 금속간합금의 상온취성 문제를극복하기 위해 지금까지는 정방정 Al₃Ti에 Cr, Mn, Fe, Ni, Cu 등의 천이금속을 제3의 원소로 첨가하므로써 결정구조를 대칭성이 높은 입방정구조(L1₂)로 전환시켜 변형시 충분한 변형계를 확보하는 방안이 제안되었다 (미국특허 4891184, 5006054 및 K.S Kumar Microstructure and Mechanical Properties of terrary Aluminium-Rich Intermetallics, Structural Intermetallics, TMS, Warrendale, PA, 1993, P.87). 그러나, 이와같이 제조된 삼원계 입방정 합금에서도 구조용 재료로서 요구되는 최소한의 상온인장연성은 나타나지 않는다. 예를들면, 상기 제안중의 하나인 K.S. Kumar에 의하면 삼원계합금중 가장 우수한 상온연성을 지니는 Cr, Mn을 첨가한 A1-Ti합금에서도 상온에서의 인장연성은 거의 O%로 나타나 있다. 따라서, A1₃Ti 합금의 경우 결정구조의 전환만으로 상온연성 내지는 인성의 개선에 한계가 있음을 알 수 있다. 이에 본 발명자는 취약한 A1₃Ti의 상온 연성 내지 인성을 개선하기 위하여 결정구조를 가장 대칭성이 높은 입방정구조로 전환시켜 변형계를 확보하더라도 금속간 화합물이 단상으로 존재하는 한 상온에서의 인장연성 확보가 불가능 하다는 상기의 연구결과들을 바탕으로 하여 본 발명을 착안하였다. 즉, 지금까지의 시도와는 달리 금속간화합물인 A1₃Ti상에 연성 및 인성이 우수한 Ti₅A₁₁상을 인접시킨 복합조직을 합금설계를 통해 자연적으로 형성시킴으로서 저밀도의 상온인성이 우수한 금속간합금의 제조가 가능하다는 것을 밝혀내고 본 발명을 제안하게 이르렀다.

본 발명은 A1-Ti 합금에 V을 적절히 첨가하여 고온에서 A1₃(Ti,V)상과 인성이 우수한 Ti₅A₁₁상의 2상영역을 형성시키므로서 저밀도를 갖으면서 상온 인성이 우수한 복합조직형 A1-Ti-V 3원계 금속간 합금을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명합금의 미세조직사진

본 발명은 저밀도 고온구조용 금속간화합물에 있어서, 원자%로 Ti : 15-30%, V : 3-15%, 잔부 A1로 조성되고 A1₃(Ti,V)와 Ti₅A₁₁.상의 2상을갖는 연성이 우수한 저밀도 고온 구소용 합금에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기와 같이 1000-1300℃의 온도에서 균질화 열처리 한 후 수냉함을 포함하여 구성되는 연성이 우수한 저밀도 고온 구조용 합금의 제조방법에 관한것이다. 이하 본 발명을 상세히 설명한다. 지금까지 보고된 A1-Ti-X(X=천이 금속) 삼원계합금의 고온 평형상태도에 따르면Cr, Mn, Fe, Ni, Cu등 대부분의 천이금속은 A1₃Ti 조성에 제 3원소로 침가시 A1 원자와 치환하여 입방정 결정구조를 지닌 3원계 단상합금을 형성한다.그러나, 본 발명자는 A1-Ti계에 V을 침가하면 Vo1 Ti원자 위치에 우선적으로 치환되어 A1₃Ti의 결정구조가 변환되지 않으며, 이 삼원계에서 DO₂₃형의 Ti₅A₁₁상의존재한다는 것을 확인하였다. 또한, 상기 Ti₅A₁₁상은 입방정 구조와 유사한 DO₂₃결정구조를 지니며 DO₂₂구조에 비해서 우수한 상온 인성을 지님을 확인하였다. 따라서,Al-Ti-V 삼원계의 적절한 합금설계를 통해 A1₃Ti 조성을 중심으로 인접한 Ti₅A₁₁상과의 복합조직형 합금제조가 가능하다. 즉, 이 삼원계에서 A1₃Ti는 동일한 결정구조를 지니는 A1₃V 과 A1₃(Ti,V) 형태의 고용체를 형성하여 이원합금 A1₃Ti가 근본적으로 지니고 있는 합금 여력(al1oying potential)의 한계를 상당수준 극복할 수 있으며, 또한 이 고용체 금속간화합물상은 새로이 관찰된 인접한 금속간화합물상인Ti₅A₁₁과 이상영역을 형성한다. 따라서, 본 발명은 이러한 A1₃(Ti,V)과 Ti₅A₁₁상간의이상영역에 해당하는 조성을 지니는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 3원계 내열합금의 조성을 살펴보면 다음과 같다. 본 A1-Ti-V 삼원계 합금은 A1₃Ti 조성을 중심으로 연성을 지닌 Ti₅A₁₁상과의 복합조직화가 가능하지만 합금의 최종밀도를 고려해야하고, 주위에 여러종류의 취약한 금속간화합물상이 함께 존재함으로 구성원소의 성분은 본 발명의 한정 범위에 제한되어야 한다. 우선, 티타늄은 첨가량이 15원자% 미만일 경우 A1₃(Ti,V) 상에 인접한 저융점의 금속 A1상이 과다하게 제2상으로 존재하여 합금의 융점을 낮추고, 고온에서의 열처리시 용해되어 다량의 기공을 형성하고, 그 첨가량이 원자 30% 초과시 A1₃Ti 나 Ti₅A₁₁에 비해 밀도가 높고, 취약한 Al₂Ti상이 과다하게 혼재하게 된다. 따라서, 첨가량은 원자%로 15-30%로 하는 것이 바람직하다. 바나듐은 Al₃Ti를 A1₃V과 함꼐 A1₃(Ti,V) 형태의 고용체를 형성하게 하고, 이 고용체와 Ti₅A₁₁상간에 이상 조직을 형성시키며 바나듐의 함량조절에 의해 두 구성상의 부피분율도 조절 가능하다. 첨가량이 3원자% 미만에서는 Ti₅A₁₁상의 형성이 어렵고, 15% 초과시 합금의 밀도가 높아지고 A1₂Ti상이 형성되므로 첨가범위는 3-15 원자%로 하는 것이 바람직하다. 알루미늄은 본 발명의 필수원소로서 가장 비중이 낮은 원소이므로 합금의 최종 밀도를 낮추기 위해서는 가급적 알루미늄의 조성이 높을수록 바람직하지만 이 경우취약한 A1₃(Ti,V)상의 부피분율이 높고 Ti₅A₁₁상의 분율이 상대적으로 낮아 제 2상에 의한 인성향상을 기대하기 힘들다. 따라서 알루미늄 조성은 티타늄과 바나듐의함량을 결정한 후 실질적으로 나머지가 알루미늄으로 구성되게 한다. 또한, 상기와 같이 조성된 A1-Ti-V 삼원계 합금은 고온에서 군질화 열처리에 의해고용체 금속간화합물인 A1₃(Ti,V)상과 상온 인성이 우수한 금속간화합물상인 Ti₅A₁₁상이 2상조직을 갖게된다. 이때에 상온인성이 확보를 위하여 상기 2상인 A1₃(TiV)와 Ti₅A_11.의 상분율은 Ti₅A₁₁.의 상이 50-95% 형성하는 것이 바람직하고, 고온구조용강의 특성인 비강도를 향상하기 위하여 상기 합금의 밀도는 3.3-3.5g/cc로 하는 것이 바람직하다. 한편, A1-Ti-V 삼원계 합금이 A1₃(Ti,V)상과 Ti₅A₁₁상의 2상조직을 얻기위한 상기 균질화 열처리를 1000℃ 이하로 하면 A1₂Ti상이 나타나고,1300℃ 이상으로 하면 다른 상들이 나타나므로 균질화 열처리는 1000-1300℃로 하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 균질화 열처리를 실시한 후에 실시하는 냉각은 수냉보다 냉각속도가 느리면 다른 변태생성물이 생기므로 상온에서 A1₃(Ti,V)상과 Ti₅A₁₁상의 2상조직을 얻기 위해서는 수냉을 하는 것이 바람적하다. 이하 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다.

[실시예]

A1이 주성분인 하기표 1과 같은 조성의 저밀도 금속간 합금을 순수한 원소들을 이용하여 아크용해에 의해 제조하였다. 용해된 소재는 균질화를 위하여 약 1250℃에서 약 100시간 열처리를 행한후, 급냉하여 얻어진 합금의 조직상과 경도를 측정하고, 그 결과를 하기표 1에 나타내었다.

상기표 1에 나타난 바와 같이 비교예(1)은 상온연성이 취약한 A1₃Ti 단상조직으로 되어 있고 경도가 400(HDP)인 것에 반해, 본 발명예(1-2)는 Al₃(Ti,V)상과 인성이 우수한 Ti₅A₁₁상의 이상조직으로 구성되어 있었고, 열처리 후 경도는 300-350(HDP) 으로 비교예(1)에 비하여 상당히 연화되었음을 알 수 있었다. 또한, 다이아몬드 피라미드 경도 압흔 주위에서의 크랙전파에 대한 저항성은 비교예(1)이 0.5Kg의 부하 하중에서 압흔 주위에 상당한 미세 크랙이 발생하는데 비해 발명예(1-2)인 경우 10Kg까지 압흔 주위에서 크랙이 발생하지 않았다. 한편, 상기 발명예(1)의 합금이 미세조직 사진을 도 1에 나타내었다. 도 1에 나타난 바와 같이 어두운상은 A1₃(Ti,V)상이고, 밝은 상은 Ti₅A₁₁으로서, 본 발명이 얻고자하는 2상이 존재함을 알수 있었다.

상술한 바와 같이 본 발명은 A1-Ti 합금에 V을 적절히 첨가하여 저밀도와 상온 인성이 우수한 복합조직형 A1-Ti-V 3원계 금속간 합금과 그제조 방법을 제공할 수 있으며, 상기 제공된 합금과 제조방법은 저온 구조용 금속간합금의 응용분야에 적용 될 수 있는 효과가 있다.

Claims

저밀도 고온구조용 금속간합금에 있어서, 원자%로 Ti : 15-30%, V : 3-15%, 및 잔부 A1로 조성되고 A1₃(TiV)와 Ti₅A₁₁.상의 2상을 갖음을 특징으로 하는 연성이 우수한 저밀도 고온 구조용 금속간합금
제 1항에 있어서, 상기 상분율은 Ti₅A₁₁.의 상이 50-95%로 함을 특징으로 하는 연성이 우수한 저밀도 고온 구조용 금속간합금
제 1항에 있어서, 상기 합금의 밀도는 3.3-3.5g/cc 로 함을 특징으로 하는 연성이 우수한 저밀도 고온 구조용 합금
저밀도 고온구조용 금속간합금의 제조방법 있어서, 원자%로 Ti : 15-30%, V : 3-15%, 및 잔부 A1로 조성되는 합금을 용해하고, 1000-1300℃의 온도에서 균질화 열처리 한 후 수냉하는 것을 특징으로 하는 연성이 우수한 저밀도 고온 구조용 금속간합금의 제조방법