KR20050080754A

KR20050080754A - 다중 금속판재의 확산접합용 치구와 이를 이용한 구조물제조방법 및 이에 의하여 제조된 구조물

Info

Publication number: KR20050080754A
Application number: KR1020050067506A
Authority: KR
Inventors: 이호성
Original assignee: 한국항공우주연구원
Priority date: 2005-07-25
Filing date: 2005-07-25
Publication date: 2005-08-17
Also published as: WO2007013750A1; US7581669B2; US20080217385A1; KR100681534B1

Abstract

본 발명은 구조물 접합방법에 관한 것으로, 구체적으로는 상부가스 주입용 통로가 형성된 상부치구와; 상기 상부치구와 결합되며, 상기 다중 금속판재를 내부에 안치하는 중부치구와; 상기 중부치구와 결합되어 상기 다중 금속판재를 유지하며, 하부가스 주입용 및 진공 형성용 통로가 형성된 하부치구; 및 상기 상부치구와 중부치구 사이에 게재된 밀폐판재;를 포함하는 다중 금속판재의 확산접합용 치구를 이용한 구조물 제조방법으로서, 상기 상부 가스주입용 통로 및 하부 가스주입용 통로를 사용하여 진공으로 공기를 제거하고 아르곤 불활성 기체를 주입하는 단계; 상기 기체가 주입된 치구를 소정 온도까지 가열하는 단계; 상기 소정 온도로 가열되면 상기 상부 가스주입용 통로에 소정 압력의 불활성 기체를 주입하는 단계; 상기 가스주입에 의하여 소정 시간 동안 가압을 지속한 후 압력을 제거하고 상온으로 냉각시키는 단계;를 포함한다.

Description

다중 금속판재의 확산접합용 치구와 이를 이용한 구조물 제조방법 및 이에 의하여 제조된 구조물{Tool for structural part by diffusion bonding of multi-sheet metal and Method of manufacturing the same and Structural part by the method}

본 발명은 구조물 접합방법에 관한 것으로, 구체적으로 다중 금속합금 판재를 적층한 후 고체 상태에서 이종금속 없이 확산접합을 이용하여 구조물을 제조하는 구조물 접합방법과 이에 사용되는 치구에 관한 것이다.

일반적으로 초합금, 티타늄 등을 이용한 내열합금은 군용 및 민간 항공기, 우주발사체, 액체로켓 엔진, 자동차, 발전소, 의료기기 및 석유화학 플랜트 등과 같은 다양한 기술분야에서 사용되고 있으나, 절삭, 단조, 압연, 압출과 같은 기계가공이 어렵고 일반금속에 비하여 용융점이 높아서 일반적인 용해방법으로 주조하기도 어렵다. 따라서, 이들 재료는 절삭 가공시에 절삭공구의 수명이 짧고 절삭률이 매우 적으므로 워터젯(Water-Jet)이나 방전가공(EDM, Electric Discharge Machine)으로 가공해 왔다. 또한 많은 비용을 들여서 절삭가공을 한다고 하더라도 후가공시에 발생하는 소재의 손실이 큰 것이 문제점으로 인식되어왔다.

이러한 문제점을 해소하기 위하여 특정 조건에서 나타나는 초소성특성을 이용한 가공법이 일부 사용되고 있으나 그 이용이 두께가 얇은 판금에 제한되어 있는 형편이다. 따라서 내열합금을 사용하여 두껍고 복잡한 형상의 구조물을 최소의 기계가공으로 제조하여 가공시 소재손실을 줄이고 최소의 후처리만이 요구되는 새로운 제조기술이 요구된다.

본 발명은 다중 내열합금 판재를 적층한 후 고체 상태에서 이종금속 없이 확산접합을 이용하여 기존의 기계가공으로는 어려운 복잡한 형상의 구조물을 제조하는 방법이다. 유사한 기술로서 브레이징(Brazing)과 천이 액상 확산접합(Transient Liquid Phase Diffusion Bonding) 방법이 있는데, 먼저 브레이징은 두 개의 재료를 접합하는 수단으로 비교적 용융점이 낮은 합금을 사이에 놓고 이것이 녹도록 충분히 가열하되 모재는 녹지 않도록 하는 접합방법이다. 한편, 천이 액상 확산 접합법은 상술한 브레이징 기술과 확산접합을 모두 이용하는 기술로서, 접합 과정 중에 일시적으로 액상을 형성시킨(브레이징) 후, 접합 온도를 유지하며 확산접합하여 등온응고를 발생시켜 접합을 형성시키는 기술이다.

그러나, 상술한 이들 기술은 중간에 이종금속이나 활성화재료(Activator Materials)을 사용하며 공정 중에 액상을 이용하므로 접합면의 물성이 모재와는 다르며 따라서 기계적 강도가 떨어지는 단점이 있다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 극복하고자 창안된 제조방법으로서, 복잡한 형상의 구조물을 제작하기 위하여 미리 가공한 얇은 두께의 금속판재를 여러 장 적층하여 이종물질 없이 고체상태에서 확산접합을 통한 정형가공(Near Net Shape)으로 성형하는 방법이다. 이 방법은 종래의 액상 확산접합, 브레이징 방법이 아니고, 이종소재를 사용하지 않으므로 높은 구조 강도를 얻을 수 있으며 접합부의 정밀도와 신뢰성과 내구성을 높인다. 또한 구조물의 형상에 따라 미리 가공한 최소한의 소재만을 사용하며 성형 후 공차를 맞추기 위한 단순 후처리 기계적 가공만이 요구되므로 원소재비용 및 가공비용을 크게 줄일 수 있는 장점이 있다.

상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 먼저 다중 금속판재의 확산접합용 치구로서, 상부가스 주입용 통로가 형성된 상부치구; 상기 상부치구와 결합되며, 상기 다중 금속판재를 내부에 안치하는 중부치구; 상기 중부치구와 결합되어 상기 다중 금속판재를 유지하며, 하부가스 주입용 및 진공 형성용 통로가 형성된 하부치구; 및 상기 상부치구와 중부치구 사이에 게재된 밀폐판재;를 포함한다.

상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 다른 본 발명은, 다중 금속판재의 확산접합용 치구로서, 가압용 프레스; 상기 가압용 프레스와 결합되며, 상기 다중 금속판재를 내부에 안치하는 중부치구; 상기 중부치구와 결합되어 상기 다중 금속판재를 유지하는 하부치구; 및 상기 가압용 프레스와 중부치구 사이에 게재된 밀폐판재;를 포함한다.

여기서, 상기 다중 금속판재와 하부치구 사이에 게재되는 인서트를 더 포함하는 것이 바람직하다.

한편, 상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명은 상부가스 주입용 통로가 형성된 상부치구와; 상기 상부치구와 결합되며, 상기 다중 금속판재를 내부에 안치하는 중부치구와; 상기 중부치구와 결합되어 상기 다중 금속판재를 유지하며, 하부가스 주입용 및 진공 형성용 통로가 형성된 하부치구; 및 상기 상부치구와 중부치구 사이에 게재된 밀폐판재;를 포함하는 다중 금속판재의 확산접합용 치구를 이용한 구조물 제조방법으로서, 상기 상부 가스주입용 통로 및 하부 가스주입용 통로를 사용하여 진공으로 공기를 제거하고 아르곤 불활성 기체를 주입하는 단계; 상기 기체가 주입된 치구를 소정 온도까지 가열하는 단계; 상기 소정 온도로 가열되면 상기 상부 가스주입용 통로에 소정 압력의 불활성 기체를 주입하는 단계; 상기 가스주입에 의하여 소정 시간 동안 가압을 지속한 후 압력을 제거하고 상온으로 냉각시키는 단계;를 포함한다.

또한, 상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 또다른 본 발명은 가압용 프레스와; 상기 가압용 프레스와 결합되며, 상기 다중 금속판재를 내부에 안치하는 중부치구와; 상기 중부치구와 결합되어 상기 다중 금속판재를 유지하는 하부치구; 및 상기 가압용 프레스와 중부치구 사이에 게재된 밀폐판재를 포함하는 다중 금속판재의 확산접합용 치구를 이용한 구조체 제조방법에 있어서, 상기 치구 내부에 진공으로 공기를 제거하고 아르곤 불활성 기체를 주입하는 단계; 상기 기체가 주입된 치구를 소정 온도까지 가열하는 단계; 상기 소정 온도로 가열되면 상기 가압용 프레스를 소정 압력으로 가압하는 단계; 상기 가압용 프레스에 의하여 소정 시간 동안 가압을 지속한 후 압력을 제거하고 상온으로 냉각시키는 단계;를 포함한다.

여기서, 상기 진공으로 공기를 제거하고 아르곤 불활성 기체를 주입하는 단계는, 10-4 Torr 정도의 진공으로 공기를 제거하는 것이 바람직하다.

또한 상기 기체가 주입된 치구를 실질적으로 상기 다중 금속판재 용융점의 절반 이상의 온도까지 가열하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 다중 금속판재는 금속판재는 티타늄 합금, 철강재료, 구리합금 및 초합금 중 선택된 하나이며, 상기 가열온도는 700℃ 이상인 것이 바람직하다.

또한, 상기 소정 압력은 20-40 Bar의 압력인 것이 바람직하다.

그리고, 상기 가압 지속시간은 실질적으로 30분 내지 2시간 정도인 것이 바람직하다.

아울러, 상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 또다른 본 발명은 상술한 다중 금속판재의 확산접합을 이용한 구조물 제조방법에 의하여 제조된 구조물에 관한 것이다.

이하 본 발명에 의한 구체적 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 구조물 제조를 위한 다중 금속판재 및 치구 상태도를 나타낸다.

모재(1)는 금속판재를 여러 층으로 적층한 모재이다. 이때 금속판재는 화학적 세척이나 기계적 연마방법 등으로 처리되어 깨끗한 표면을 유지하는 것이 바람직하다. 상기 적층된 모재는 본 발명에 의한 치구 내부에 안치되어 서로 접합되게 된다.

상기 치구는 상부치구(3)와 중부치구(4) 및 하부치구(5)로 구성되며 이들 각 치구는 결합부재에 의하여 서로 고정 결합된다. 상부치구(3)와 중부치구(4)와의 사이에는 밀폐판재(2)가 게재되며 이러한 밀폐판재(2)는 상부치구(3)과 중부치구(4)/하부치구(5)를 밀폐하며 분리하는 역할을 한다. 여기서 도 1은 가스압력을 사용하여 확산접합 제품을 만드는 경우를 나타내는 예시 도면에 해당되므로, 치구는 고온, 고압의 조건에서 밀폐 조건을 만족시킬 필요가 있다. 한편, 가스압력을 사용한 가압방법 대신에 기계적으로 가압하는 프레스를 사용하여 가압할 경우에는 상기 상부치구(3)는 프레스로 대체될 수 있다. 즉, 본 발명에서 다중 금속 판재에 압력을 가하는 방법은 기계적으로 프레스(Press)를 사용하는 방법과, 도 1에 도시된 바와 같이 고압의 기체를 사용하는 방법을 포함한다.

한편, 상기 치구 중 상부치구(3) 및 하부치구(5)에는 가압용 가스를 주입하기 위하여 각각 상부 가스주입구(7)와 하부 가스주입구(8)가 형성되어 있으며, 상기 하부 가스주입구(8)와 연통되는 주입관에는 상기 치구 내부를 진공상태로 만들어 주기 위한 진공통로가 형성되어 있다.

또한, 모재(2)와 하부치구(5) 사이에는 인서트(6)가 삽입될 수 있으며, 이러한 인서트(6)의 형상을 바꿈에 따라 본 발명에 의해 실시되는 다중 금속판재의 확산접합을 이용한 구조물 제조방법 및 그와 관련된 시스템으로 인하여 복잡한 형상의 내열재료 구조물이 제조될 수 있다. 따라서 본 발명에 의해 실시되는 다중 금속판재의 확산접합을 이용한 구조물 제조방법은 고온용 상부치구 및 하부치구의 제작을 포함한다.

도 1과 같이 치구의 조립이 완성되면 상부 가스주입구(7) 및 하부 가스주입구(8)을 사용하여 10-4 Torr 정도의 진공으로 공기를 제거하고 아르곤 불활성 기체를 주입한다. 이때 치구 전체의 기밀을 시험한 후에 전체 치구를 고온로에 장입하고 가열을 시작한다. 또한 이 경우에 가열온도는 대략 모재 용융점(절대온도)의 절반 이상의 온도이며 티타늄 합금이나 초합금의 경우 700℃ 이상인 것이 바람직하다. 미리 설정된 온도에 도달하면 프레스나 기체를 사용할 경우 상부 가스주입구(7)에 20-40 Bar의 불활성 기체를 주입한다. 따라서 상부치구(3)의 내부는 가스주입구(7)를 통하여 주입되는 기체에 의해 가압된다. 한편, 가스주입에 의한 가압 지속시간은 30분 내지 2시간 정도가 적당하며, 정해진 시간 후에 압력을 제거하고 상온으로 냉각시킨다.

그리고, 본 발명에 의해 실시되는 제조방법은 여러 장의 금속판재를 통상의 고온변형 조건하에서 실시되는 확산접합을 포함한다. 조건은 재료에 따라 다르며, 진공 또는 내산화 분위기에서 700-1300 ℃의 온도에 대하여 압력을 최대 50 Bar, 부하시간을 적어도 10분 이상으로 하는 접합 조건하에서 행하는 고상 확산접합 기술이다.

도 1에 도시된 사용 상태도는 단지 본 발명의 사용례를 구체적으로 설명하여 이해를 돕기 위한 목적에서 사용된 것이며, 본 발명의 사용은 이에 한정되지 않고, 다중 금속 판재에 고온에서 압력을 가하며 제작하는 구조물의 다양한 부품 제작 환경에서 적용 가능하다는 점을 밝혀둔다. 즉, 본 발명의 사용분야는 도 1에 한정되는 것은 아니므로 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

실시예 1

본 실시예는 다중 금속 판재에 압력을 가하는 방법 중 고압의 기체를 사용하는 구조물 접합방법에 관한 것이다.

먼저, 티타늄합금인 Ti-6Al-4V 판재(두께: 2.04mm)를 원하는 형상으로 절단하여 표면을 화학세척한 후 고온용 치구에 순차적으로 50장을 쌓고 밀폐한 다음 진공펌프로 상부치구 및 하부치구내의 공기를 제거한다.

다음, 온도를 800 ℃ 까지 올린 후에 상부치구에 40 Bar 또는 그 이하의 아르곤가스를 주입하기 시작한다. 목표 온도인 875℃에 도달했을 때 40 Bar 또는 그 이하의 압력을 30분간 유지한 후에 기체압력을 제거하고 온도를 서서히 내리며 노냉을 한다. 일체형으로 완성된 구조물은 도 2의 도시된 사진과 같다.

한편, 주의할 점은 전 과정에 거쳐서 하부치구내를 진공, 또는 환원성 분위기로 유지하는 것이 중요하다.

상기 과정을 통해 얻어진 조직은 도 3에 도시된 사진과 같이, 접합면에 미세 균일(micro crack)이나 기공(micro porosities) 등의 결함이 없고 고체상태에서 원자확산 및 결정입계의 이동으로 완전한 확산접합을 이루었음을 확인할 수 있다.

실시예 2

본 실시예는 다중 금속 판재에 압력을 가하는 방법 중 기계적으로 프레스(Press)를 사용하는 구조물 접합방법에 관한 것이다.

먼저, 티타늄 합금인 Ti-15Al-3-3 판재(두께: 3.00mm)를 절단하여 표면을 기계적으로 연마하여 세척한 후에 치구에 11장을 쌓고 아르곤 분위기에서 온도가 800℃ 가 되었을 때 프레스 압력을 60 Kg/mm² 가하면서 900 ℃까지 올린다.

다음, 목표온도인 900 ℃에서 약 1시간 정도 유지한 후에 온도를 내리며 프레스 압력을 제거한다. 도 4는 이러한 공정을 거친 완성된 부품에 대한 사진을 나타낸다.

상기 과정에서 얻어진 조직은 도 5 에 도시한 바와 같이, 접합면에 결함이 없고, 새로운 결정입계가 성장하며 완전한 확산접합을 이루었음을 확인할 수 있다.

한편, 본 실시예에서는 이 재료의 경우 고온에서 산화막의 불안정으로 인하여 치구의 완전 밀폐 없이도 환원성 가스의 흐름만으로 완전한 확산접합을 이룰 수 있다는 것을 보여주었다.

이상에서 언급한 바와 같이 본 발명에 따른 다중 금속판재의 확산접합을 이용한 구조물 제조방법은 복잡한 형상의 구조물을 제작하기 위하여 미리 가공한 얇은 두께의 금속판재를 여러장 적층하여 고체상태에서 확산접합을 이용한 제조 방법이다.

또한 구조물의 형상에 따라 미리 가공한 최소한의 소재만을 사용하며 성형후 공차를 맞추기 위한 단순 후처리 기계적 가공만이 요구되므로 원소재비용 및 가공비용을 크게 줄일 수 있는 장점이 있다.

본 발명에 의한 제조 방법은 종래의 액상 확산접합, 브레이징 방법이 아니고, 이종소재를 사용하지 않으므로 높은 구조 강도를 얻을 수 있으므로 본 발명에 의해서 제조된 구조물은 기존의 구조물보다 정밀도와 신뢰성과 내구성이 높고 정형가공(Near Net Shape)으로 성형중 재료 손실이 거의 없으므로 경제성이 뛰어나다. 즉, 본 발명 기술은 이종금속을 사용하지 않고 동일한 여러 장의 금속판을 적층하여 고체상태의 원자 확산에 의해 접합하여 구조물을 제작하는 기술이라는 점에서 기존의 브레이징이나 천이 액상 확산접합과는 다르며 고온 프레스나 고온 롤러(Hot Roller) 등에 의한 기계적인 압력뿐만 아니라 기체압력을 사용할 수 있으므로 접촉압력을 균일하게 할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 의한 다중 금속판재의 확산접합용 치구 구성도 및 내부 단면도,

도 2는 본 발명의 실시예 1에 의하여 제조된 구조물에 대한 사진,

도 3은 본 발명의 실시예 1에 의하여 제조된 구조물의 확산접합 건전성을 나타내는 미세조직에 대한 사진,

도 4는 본 발명의 실시예 2에 의하여 제조된 구조물에 대한 사진,

도 5는 본 발명의 실시예 2에 의하여 제조된 구조물의 확산접합 건전성을 나타내는 미세조직에 대한 사진.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 금속 판재를 여러 층으로 적층한 모재

2 : 밀폐판재

3 : 상부치구

4 : 중부치구

5 : 하부치구

6 : 인서트(Insert)

7 : 상부 가스주입용 통로

8 : 하부 가스주입용 통로

Claims

다중 금속판재의 확산접합용 치구에 있어서,

상부가스 주입용 통로가 형성된 상부치구;

상기 상부치구와 결합되며, 상기 다중 금속판재를 내부에 안치하는 중부치구;

상기 중부치구와 결합되어 상기 다중 금속판재를 유지하며, 하부가스 주입용 및 진공 형성용 통로가 형성된 하부치구; 및

상기 상부치구와 중부치구 사이에 게재된 밀폐판재;

를 포함하는 다중 금속판재의 확산접합용 치구.
다중 금속판재의 확산접합용 치구에 있어서,

가압용 프레스;

상기 가압용 프레스와 결합되며, 상기 다중 금속판재를 내부에 안치하는 중부치구;

상기 중부치구와 결합되어 상기 다중 금속판재를 유지하는 하부치구; 및

상기 가압용 프레스와 중부치구 사이에 게재된 밀폐판재;

를 포함하는 다중 금속판재의 확산접합용 치구.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 다중 금속판재와 하부치구 사이에 게재되는 인서트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 금속판재의 확산접합용 치구.
상부가스 주입용 통로가 형성된 상부치구와; 상기 상부치구와 결합되며, 상기 다중 금속판재를 내부에 안치하는 중부치구와; 상기 중부치구와 결합되어 상기 다중 금속판재를 유지하며, 하부가스 주입용 및 진공 형성용 통로가 형성된 하부치구; 및 상기 상부치구와 중부치구 사이에 게재된 밀폐판재;를 포함하는 다중 금속판재의 확산접합용 치구를 이용한 구조물 제조방법에 있어서,

상기 상부 가스주입용 통로 및 하부 가스주입용 통로를 사용하여 진공으로 공기를 제거하고 아르곤 불활성 기체를 주입하는 단계;

상기 기체가 주입된 치구를 소정 온도까지 가열하는 단계;

상기 소정 온도로 가열되면 상기 상부 가스주입용 통로에 소정 압력의 불활성 기체를 주입하는 단계;

상기 가스주입에 의하여 소정 시간 동안 가압을 지속한 후 압력을 제거하고 상온으로 냉각시키는 단계;

를 포함하는 다중 금속판재의 확산접합을 이용한 구조물 제조방법.
가압용 프레스와; 상기 가압용 프레스와 결합되며, 상기 다중 금속판재를 내부에 안치하는 중부치구와; 상기 중부치구와 결합되어 상기 다중 금속판재를 유지하는 하부치구; 및 상기 가압용 프레스와 중부치구 사이에 게재된 밀폐판재를 포함하는 다중 금속판재의 확산접합용 치구를 이용한 구조체 제조방법에 있어서,

상기 치구 내부에 진공으로 공기를 제거하고 아르곤 불활성 기체를 주입하는 단계;

상기 기체가 주입된 치구를 소정 온도까지 가열하는 단계;

상기 소정 온도로 가열되면 상기 가압용 프레스를 소정 압력으로 가압하는 단계;

상기 가압용 프레스에 의하여 소정 시간 동안 가압을 지속한 후 압력을 제거하고 상온으로 냉각시키는 단계;

를 포함하는 다중 금속판재의 확산접합을 이용한 구조물 제조방법.
제4항 또는 제5항에 있어서,

상기 진공으로 공기를 제거하고 아르곤 불활성 기체를 주입하는 단계는, 10-4 Torr 정도의 진공으로 공기를 제거하는 것을 특징으로 하는 다중 금속판재의 확산접합을 이용한 구조물 제조방법.
제4항 또는 제5항에 있어서,

상기 기체가 주입된 치구를 실질적으로 상기 다중 금속판재 용융점의 절반 이상의 온도까지 가열하는 것을 특징으로 하는 다중 금속판재의 확산접합을 이용한 구조물 제조방법.
제7항에 있어서,

상기 다중 금속판재는 티타늄 합금, 철강재료, 구리합금 및 초합금 중 선택된 하나이며, 상기 가열온도는 700℃ 이상인 것을 특징으로 하는 다중 금속판재의 확산접합을 이용한 구조물 제조방법.
제4항 또는 제5항에 있어서,

상기 소정 압력은 20-40 Bar의 압력인 것을 특징으로 하는 다중 금속판재의 확산접합을 이용한 구조물 제조방법.
제4항 또는 제5항에 있어서,

상기 가압 지속시간은 실질적으로 30분 내지 2시간 정도인 것을 특징으로 하는 다중 금속판재의 확산접합을 이용한 구조물 제조방법.
구조물에 있어서,

제4항 또는 제5항에 기재된 다중 금속판재의 확산접합을 이용한 구조물 제조방법에 의하여 제조된 것을 특징으로 하는 구조물.