KR20080057545A - 타이타늄 복합재료의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 타이타늄 복합재료의 제조 방법에 관한 것이다.

본 발명은, 타이타늄 스펀지와 평균 입경이 30마이크론 내지 50 마이크론인 그라파이트 분말을 혼합하여 용융 챔버 내에 장입한 후 아르곤 가스 분위기에서 1900℃ 내지 2100℃의 온도로 25분 내지 30분간 유지하는 것을 특징으로 하는 타이타늄 복합재료의 제조 방법을 제공한다.

본 발명에 의하면, 공정이 간단하며 타이타늄 기지 내에 강화상을 균일하게 분산시켜 건전한 타이타늄 복합재료를 제조할 수 있는 효과가 있다.

타이타늄, 그라파이트, 복합재료, 용융

Description

타이타늄 복합재료의 제조 방법{Method of Manufacturing Titanium Composites}

도 1은 본 발명에 따라 제조된 타이타늄 복합재료의 상부, 중심부 및 하부 시편의 미세조직을 나타낸다.

도 2는 본 발명에 따라 제조된 타이타늄 복합재료의 X선 회절분석 결과이다.

도 3은 강화상으로 보이는 입상의 성분을 확인하기 위해 원소분석을 한 결과를 나타내는 사진이다.

<도면의 주요 부분에 대한 참조부호의 설명>

101: 강화상 103: 기지금속

본 발명은 타이타늄 복합재료의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 별도의 혼합 및 압축 공정 없이 타이타늄의 용융 상태에서의 큰 에너지를 이용하여 타이타늄 복합재료를 제조하는 방법에 관한 것이다.

타이타늄 복합재료(Titanium Composites)는 타이타늄 합금(Titanium Alloy)에 비해 상온 및 고온에서의 인장강도, 탄성계수, 크리프(Creep) 특성 및 내마모성이 뛰어나 근래에는 혹독한 환경에서도 견딜 수 있는 자동차 부품, 항공기 부품 및 스포츠 용품에 이르기까지 그 적용 범위가 확대되고 있다.

타이타늄 복합재료의 제조법 중 액상 제조법인 용탕교반법 및 용탕가압법은 타이타늄의 강한 활성으로 인한 강화상과 기지간의 불건전한 계면 생성이라는 문제점을 가지고 있다.

액상 제조법이 아닌 대표적인 제조 방법으로는 분말야금법이 있는데, 분말야금법에 의하는 경우 원하는 강화상의 분율을 선정할 수 있으며 건전한 계면이 생성되는 등의 장점이 있다. 반면, 분말야금법에 의하는 경우 다양한 형상의 제품을 만들기 어렵고 제조 공정이 복잡하며 제조 비용 또한 많이 소요되는 문제점이 있다.

또 다른 제조 공정으로는 미국 다이나멧 테크놀로지(Dynamet Technology)사의 칩(CHIP, Chip plus Hot Isosta타이타늄 카바이드(TiC) Pressing)공정과 마틴 마리에타(Martin Marietta)사의 엑스디(XD^TM, EXothermic Dispersion Process) 공정이 있다. 그러나, 이 방법에 의하는 경우 강화상이 합성된 상태에서 타이타늄 기지금속과 복합화되기 때문에 기지금속과 강화상 계면 사이의 젖음성(Wettability) 및 파손 등의 문제가 있다.

한편, 종래의 제조 방법 중 반응생성법은 일반적으로 분말야금공정에 기초하여 기지금속과 강화상 원재료를 혼합 및 압축한 후 열이나 에너지를 가하여 타이 타늄 복합재료를 제조하는 것이다. 그런데, 이 방법은 공정이 복잡할 뿐만 아니라 큰 에너지가 소요되는 문제점이 있다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 타이타늄 기지금속과 복합화 원소인 그라파이트를 혼합한 후, 용융에 따른 열에너지만을 이용하여 타이타늄 기지 내에 타이타늄 카바이드(TiC) 입자 강화상을 고르게 분산시킴으로써 건전한 타이타늄 복합재료를 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 타이타늄 스펀지와 평균 입경이 30마이크론 내지 50 마이크론인 그라파이트 분말을 혼합하여 용융 챔버 내에 장입한 후 아르곤 가스 분위기에서 1900℃ 내지 2100℃의 온도로 25분 내지 30분간 유지하는 것을 특징으로 하는 타이타늄 복합재료의 제조 방법을 제공한다.

한편, 아르곤 가스는 1.5×10⁵ Pa로 가압될 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

실시예

먼저 2등급 상업용 순 타이타늄 스펀지와 그라파이트(Graphite) 분말(99.8%, 평균입경 30 내지 50 마이크론)을 수분이 충분히 제거된 용융 챔버(그라파이트 도가니) 내에 장입하였다.

다음으로, 진공펌프를 이용하여 그라파이트 도가니 내의 공기를 배출하고 아르곤 가스를 이용하여 1.5×10⁵ Pa로 가압하였다. 이 과정을 3회 이상 반복하였는데, 이는 용융 타이타늄과 산소의 반응 가능성을 제거하기 위함이었다.

다음으로, 진공유도 용해장치를 이용하여 그라파이트 도가니를 과열 상태(1900℃ 내지 2100℃)까지 충분히 가열하되 장입된 타이타늄 스펀지와 그라파이트 분말이 충분히 반응할 수 있도록 25분 내지 30분간 유지하였다.

시편이 그라파이트 도가니 내에서 충분히 냉각된 후, 도가니내의 시편 각 부위를 채취하여 미세조직검사 및 X선 회절분석을 통하여 강화상 합성여부를 판단하였다.

도 1은 본 발명에 따라 제조된 타이타늄 복합재료의 상부, 중심부 및 하부 시편의 미세조직을 나타낸다.

도 1을 참조하면, 입상의 강화상(101)이 기지금속(103) 내에 균일하게 분포되어 있으며, 그 크기는 약 30마이크론 전후이다.

도 2는 본 발명에 따라 제조된 타이타늄 복합재료의 X선 회절분석 결과이다.

도 2를 참조하면, 상(Phase)은 크게 기지금속인 타이타늄(Ti)과 강화상인 타이타늄 카바이드(TiC)로 나타나며 타이타늄과 그라파이트(C) 사이의 반응으로 인해 강화상인 타이타늄 카바이드(TiC)가 형성되었음을 정성적으로 확인할 수 있다. 또한, 반응하지 않은 그라파이트 피크가 발견되지 않았음도 확인할 수 있다.

도 3은 강화상으로 보이는 입상의 성분을 확인하기 위해 원소분석 (EPMA mapping)을 한 결과를 나타내는 사진이다.

도 3을 참조하면, 기지금속은 거의 타이타늄상으로만 존재하며, 강화상으로 추정되는 입상은 타이타늄과 그라파이트로 함께 형성되어 있으므로, 이상의 결과를 종합하면 입상은 강화상인 타이타늄 카바이드(TiC)임을 확인할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가지는 자는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형을 할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 보호범위는 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

본 발명에 의하면, 공정이 간단하며 타이타늄 기지 내에 강화상을 균일하게 분산시켜 건전한 타이타늄 복합재료를 제조할 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 타이타늄 스펀지와 평균 입경이 30마이크론 내지 50 마이크론인 그라파이트 분말을 혼합하여 용융 챔버 내에 장입한 후 아르곤 가스 분위기에서 1900℃ 내지 2100℃의 온도로 25분 내지 30분간 유지하는 것을 특징으로 하는 타이타늄 복합재료의 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 아르곤 가스는 1.5×10⁵ Pa로 가압되는 것을 특징으로 하는 타이타늄 복합재료의 제조 방법.

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