KR20110026153A

KR20110026153A - 저 변형량에서의 나노 결정립 티타늄 합금의 제조 방법

Info

Publication number: KR20110026153A
Application number: KR1020090083931A
Authority: KR
Inventors: 박찬희; 이종수; 박성혁; 전영수
Original assignee: 포항공과대학교 산학협력단
Priority date: 2009-09-07
Filing date: 2009-09-07
Publication date: 2011-03-15
Also published as: EP2476767A1; CN102482734A; KR101225122B1; US9039849B2; JP5588004B2; US20120160378A1; WO2011027943A1; JP2013503970A; EP2476767A4; EP2476767B1; CN102482734B

Abstract

본 발명은 저 변형량에서 나노 결정립을 가지는 티타늄 합금을 제조하고, 보다 우수한 강도를 가지도록 하는 것이다.

초기 미세조직을 미세한 층 구조로 이루어진 마르텐사이트로 유도한 후 변형량, 변형율속도, 변형온도 등이 미세조직 변화에 미치는 영향을 관찰하여 공정 변수를 최적화시켜 저 변형량에서 나노 결정립 티타늄 합금을 제조하는 것을 특징으로 한다.

티타늄, 저변형량, 나노 결정립

Description

저 변형량에서의 나노 결정립 티타늄 합금의 제조 방법{Method for producing nano-crystalline titanium alloy without severe deformation}

본 발명은 나노 결정립 티타늄 합금을 저 변형량에서 제조함으로써 나노 결정립 티타늄 합금의 응용을 확대하고 동시에 강도, 피로 특성을 향상시키는 방법이다.

티타늄 합금의 결정립을 미세화하는 방법으로 여러 가지 방법이 제안되어 왔으나, 최근에 본 출원인의 선 출원인 한국 공개번호 제10-2006-0087077호(2006.08.02)에 ECAP(equal channel angular pressing)를 이용하여 티타늄 합금의 결정립을 미세화하는 방법이 게시되어 있다.

이 특허출원의 내용은 티타늄 합금재료에 구속전단가공(ECAP)을 수행하여 우수한 특성을 갖는 나노 결정립 티타늄 합금을 제조하는 방법 및 이에 의해 제조된 나노 결정립 티타늄 합금에 관한 것이다. 이 특허출원의 나노 결정립 티타늄 합금의 제조 방법은, 티타늄 합금재료를 구속전단가공 장치의 절곡된 채널(CHANNEL)에 투입하여 가공한다. 이를 좀더 상세히 설명하면, 티타늄 합금재료에 등온 조건의 구속전단가공을 적어도 2회 수행한다. 여기서 두번째 이후의 구속전단가공을 할 때 이전의 구속전단가공에 대해 상기 채널 투입구의 중심을 지나는 중심축을 기준으로 회전된 상태로 상기 티타늄 합금재료를 투입하여 가공한다

그러나, 이 방법은 4~8의 높은 변형량을 부여해 티타늄 합금의 결정립을 미세화하는 방법이다. 나노 결정립 티타늄 합금의 응용 확대를 위해서는 저 변형량에서 결정립을 미세화하는 기술이 필요하다.

따라서, 본 발명의 목적은 저 변형량에서 나노 결정립을 가지는 티타늄 합금을 제조하고, 보다 우수한 강도를 가지도록 하는 것이다.

초기 미세조직을 미세한 층 구조로 이루어진 마르텐사이트로 유도한 후 변형량, 변형율속도, 변형온도 등이 미세조직 변화에 미치는 영향을 관찰하여 공정 변수를 최적화시켜 저 변형량에서 나노 결정립 티타늄 합금을 제조하고자 한다.

본 발명에서 얻은 변형온도 575~625℃, 변형율속도: 0.07~0.13, 변형량: 0.9~1.8의 조건에서 압연하여 마르텐사이트 조직을 미세한 등축 조직으로 분절하는 것을 특징으로 한다.

본 발명을 이용하면 저 변형량에서 결정립 초미세화가 가능해 고 강도 나노 티타늄 합금의 생산이 용이해지고 티타늄 합금의 응용범위도 확대될 수 있다.

이하 본 발명을 상세하게 설명한다.

나노결정립 티타늄합금의 최적조건을 찾기 위해 초기 미세조직을 미세한 층 구조로 이루어진 마르텐사이트로 유도한 후 변형량, 변형율속도, 변형온도 등이 미세조직 변화에 미치는 영향을 관찰하였다.

도 1은 광학현미경을 이용해 관찰된 사진이다. 도 1(a)는 Ti-13Nb-13Zr 합금의 초기 미세조직으로 5㎛ 정도의 결정립 크기를 가지는 등축조직이다. 이를 베타변태온도(~742℃) 이상인 800℃에서 30분간 유지 후 수냉하여 도 1(b)와 같은 미세한 층 구조를 가지는 마르텐사이트 조직으로 유도하였다.

도 2는 마르텐사이트 조직을 가지는 Ti-13Nb-13Zr 합금을 공정조건을 변화시켜가며 압축시험한 후 관찰한 주사전자현미경 사진이다. 도 2(a)의 공정조건은 변형온도: 600℃, 변형율속도: 1 s^-1, 변형량: 1.4, 도 2(b)의 공정조건은 변형온도: 550℃, 변형율속도: 0.1 s^-1, 변형량: 1.4, 도 2(c)의 공정조건은 변형온도: 550℃, 변형율속도: 0.001 s^-1, 변형량: 1.4이다. 도 2와 같이 변형 후 미세균열이나 미세 기공이 발생하면 마르텐사이트 조직을 효과적으로 동적구상화 시킬 수 없다. 결과적으로 도 2의 공정조건은 나노 결정립 티타늄의 제조를 위해 피해야할 공정조건이다.

도 3은 마르텐사이트 조직을 가지는 Ti-13Nb-13Zr 합금을 다양한 공정조건에서 압축시험 후 관찰한 주사전자현미경 사진이며 어두운 부분은 알파상을 밝은 부분은 베타상을 나타낸다. 도 3(a)의 공정조건은 변형온도: 600℃, 변형율속도: 0.1 s^-1, 변형량: 1.4, 도 3(b)의 공정조건은 변형온도: 700℃, 변형율속도: 0.1 s^-1, 변형량: 1.4, 도 3(c)의 공정조건은 변형온도: 600℃, 변형율속도: 0.001 s^-1, 변형량: 1.4, 도 3(d)의 공정조건은 변형온도: 600℃, 변형율속도: 0.1 s^-1, 변형량: 0.8이다.

도 2에 표시한 공정조건과 달리 도 3에 표시한 공정조건에서는 미세균열이나 미세기공이 발생하지 않았다. 도 3(a)의 경우 전체적으로 동적구상화가 발생하여 마르텐사이트 조직의 층상 구조가 등축조직으로 모두 분절되었으며 알파상과 베타상 모두 약300nm의 미세한 결정립을 가지고 있다. 한편 도 3(a)와 도 3(b)를 비교하면 결정립 미세화에 미치는 공정온도의 영향을 알 수 있다. 도 3(b)와 같이 공정온도가 700℃로 증가할 경우 분절되지 못하고 연결된 상태로 남아 있는 베타상을 관찰 할 수 있는데 이는 나노 결정립 티타늄 합금을 제조하기 위해 피해야할 조건이다. 한편 도 3(a)와 도 3(c)를 비교하면 결정립 미세화에 미치는 변형율속도의 영향을 알 수 있다. 도 3(c)와 같이 변형율속도가 0.001 s^-1로 느려질 경우 고온에 노출되는 시간이 증가하므로 동적구상화 도중 결정립 성장이 발생하여 알파상과 베타상 모두 도 3(a)와 비교해 조대해지므로 이는 나노 결정립 티타늄 합금을 제조하기 위해 피해야 할 조건이다. 한편 도 3(a)와 도 3(d)를 비교하면 결정립 미세화에 미치는 변형량의 영향을 알 수 있다. 도 3(d)와 같이 변형량이 0.8 정도로 너무 낮을 경우 사진에서와 같이 일부 알파상과 베타상이 동적구상화 되지 못하고 층상 모양으로 그대로 잔존하게 되므로 이는 나노 결정립 티타늄 합금을 제조하기 위해 피해야 할 조건이다.

한편 나노 결정립 티타늄 합금의 기계적 특성을 살펴보기 위해 마르텐사으트 조직을 가지는 Ti-13Nb-13Zr 합금에 대해 압연을 실시하여 시편을 채취할 수 있는 판재를 제조하였으며 이때 공정조건은 도 3(a)의 압축시험과 동일한 변형온도: 600℃, 변형속도: 0.1 s^-1, 변형량: 1.4이다.

도 4(a)는 압연 후 Ti-13Nb-13Zr 합금을 전자후방산란회절장치로 관찰한 역극점도로써 알파상과 베타상 모두 200~400nm 정도의 등축조직으로 미세화된 것을 확인 할 수 있다. 도 4(b)는 도 4(a)와 동일한 조건에서 압연된 Ti-13Nb-13Zr 합금을 전자후방산란회절장치로 관찰한 경각경계의 분율로써 15o 이상의 고경각경계가 80% 이상인 것을 알 수 있다. 도 4(a), (b)의 관찰로 Ti-13Nb-13Zr 합금이 본 발명의 방법을 사용하여 기존과 비교해 저 변형량에서 나노 결정립화 될 수 있음이 증명되었다.

한편 본 발명의 방법을 사용하여 제조된 나노 결정립 Ti-13Nb-13Zr 합금의 인장 특성을 하기 표 1에 풀림 처리 또는 용체화 처리+시효 처리와 함께 비교하여 도시 하였다.

본 발명의 방법의 경우 풀림 처리 또는 용체화 처리+시효 처리와 비교하여 우수한 항복, 인장강도를 나타냈으며 용체화 처리+시효 처리와 비교하여 연성의 큰 감소 없이 고강도화를 이루었다. 또한 생체소재에서 요구되는 항복강도/탄성계수의 비인 기계적 적합성은 12.9로 풀림 처리 또는 용체화 처리+시효 처리와 비교해 약 60~25% 향상된 기계적 적합성을 가지고 있다.

도 1은 Ti-13Nb-13Zr 합금의 초기 미세조직 및 마르텐사이트 조직 (광학현미경)으로 도 1a는 초기 등축상의 미세조직, 도 1b는 800℃에서 30분 유지 후 수냉하여 얻어진 마르텐사이트 미세조직

도 2는 마르텐사이트 조직을 가지는 Ti-13Nb-13Zr 합금의 압축시험 시 미세균열, 미세기공을 보여주는 미세조직 (주사전자현미경)으로, 도 2a의 공정조건은 변형온도: 600℃, 변형율속도: 1 s^-1, 변형량: 1.4, 도 2b의 공정조건은 변형온도: 550℃, 변형율속도: 0.1 s^-1, 변형량: 1.4, 도 2c의 공정조건은 변형온도: 550℃, 변형율속도: 0.001 s^-1, 변형량: 1.4이다.

도 3은 마르텐사이트 조직을 가지는 Ti-13Nb-13Zr 합금의 압축시험 시 공정변수가 미세조직변화에 미치는 영향을 보여주는 미세조직 (주사전자현미경)으로, 도 3a의 공정조건은 변형온도: 600℃, 변형율속도: 0.1 s^-1, 변형량: 1.4, 도 3b의 공정조건은 변형온도: 700℃, 변형율속도: 0.1 s^-1, 변형량: 1.4, 도 3c의 공정조건은 변형온도: 600℃, 변형율속도: 0.001 s^-1, 변형량: 1.4, 도 3d의 공정조건은 변형온도: 600℃, 변형율속도: 0.1 s^-1, 변형량: 0.8이다.

도 4a는 마르텐사이트 조직을 가지는 Ti-13Nb-13Zr 합금의 압연 후 역극점도 이고, 도 4b는 마르텐사이트 조직을 가지는 Ti-13Nb-13Zr 합금의 압연 후 경각경계 (전자후방산란회절장치)

Claims

변형온도 575~625℃, 변형율속도: 0.07~0.13, 변형량: 0.9~1.8의 조건에서 압연하여 마르텐사이트 조직을 미세한 등축 조직으로 분절하는 것을 특징으로 하는 저 변형량에서의 나노 결정립 티타늄 합금의 제조방법.
제 1항에 있어서, 변형온도 600℃, 변형율속도: 0.1, 변형량: 1.4인 것을 특징으로 하는 저 변형량에서의 나노 결정립 티타늄 합금의 제조방법.