KR20190050561A - Aluminum-Titanium Different Functionally Graded Composite Materials and Manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to an aluminum-titanium heterogeneous tilting composite material and a manufacturing method thereof and, more specifically, to a heterogeneous tilting composite material and a manufacturing method thereof, wherein the heterogeneous tilting composite material comprises: a surface layer comprising titanium powder; a support layer comprising aluminum powder; and a heterogeneous material inclined layer comprising a plurality of mixture layers in which the aluminum powder and the titanium powder are mixed with each other between the surface layer and the support layer. Accordingly, the surface layer and the support layer can be strongly bonded to each other. Moreover, the aluminum-titanium heterogeneous tilting composite material provides improved corrosion resistance, weight reduction, and high strength.

Description

알루미늄-티타늄 이종 경사기능복합재료 및 이의 제조방법{Aluminum-Titanium Different Functionally Graded Composite Materials and Manufacturing method thereof}TECHNICAL FIELD The present invention relates to an aluminum-titanium heterostructure composite material and a method for manufacturing the same.

본 발명은 알루미늄-티타늄 이종 경사기능복합재료 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 우수한 내식성을 나타낼 뿐만 아니라 경량, 고강도 특성을 나타내는 이종 경사기능복합재료 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to an aluminum-titanium heteroepitaxial composite material and a method of manufacturing the same, and more particularly, to an aluminum-titanium heteroepitaxial composite material and a method for manufacturing the composite material, which not only exhibits excellent corrosion resistance but also exhibits light weight and high strength.

일반적으로 스파크 플라즈마를 이용한 소결법(Spark Plasma Sintering, SPS)은 분말을 1축으로 가압하면서 가압방향과 평행한 방향으로 직류펄스전류를 인가하여 소결하는 방법으로, 분체 입자간의 틈새에 압력과 저전압 및 대전류를 투입하고 이때 발생하는 스파크에 의해 순식간에 발생하는 플라즈마의 고에너지를 전계확산, 열확산 등에 응용한 소결법이다. 종래의 열간압축법(Hot Press)에 비해서, 소결온도가 200 ~ 500 ℃ 더 낮고, 승온 및 유지시간을 포함하여 단시간에 소결을 완료할 수 있기 때문에 전력소비가 크게 줄며, 취급이 간편하고, 러닝코스트가 저렴하며, 소결기술에 대한 숙련이 필요하지 않고, 난소결재 및 고온에서 가공이 어려운 재료들에 대해서도 적용이 가능하다.In general, spark plasma sintering (SPS) is a method of sintering by applying a direct current pulse current in the direction parallel to the pressing direction while pressing the powder in one axis. In this method, pressure, low voltage and high current And the high energy of the plasma generated instantaneously by the spark generated at this time is applied to electric field diffusion, thermal diffusion and the like. The sintering temperature can be lowered by 200 to 500 占 폚 and the sintering can be completed in a short time including the temperature rise and the holding time as compared with the conventional hot pressing method (Hot Press), so that the power consumption is greatly reduced, It is also applicable to materials that are inexpensive, do not require skill in sintering technology, and are difficult to process in ovary and high temperature.

최근, 상기 스파크 플라즈마를 응용하여 분말의 소결 뿐만 아니라 금속 접합 기술로의 적용이 진행되고 있다. 플라즈마를 이용한 접합은 소결과 같이 접합물을 가압하면서 직접 펄스전류를 통해 발생하는 열을 이용하여 가열함으로써 수행한다. 이 때, 확산한 원자에 의해 재료 간에 새로운 금속 결합이 형성되고 접합된다.2. Description of the Related Art In recent years, spark plasma has been applied to sintering powder as well as metal bonding technology. Plasma bonding is performed by heating the joint using a heat generated through a direct current while pressing the joint, such as sintering. At this time, new metal bonds are formed and bonded between the materials by the diffused atoms.

한편, 티타늄은 철의 절반 정도의 무게만으로도 철과 유사한 수준의 강도를 낼 수 있을 정도로 비중이 작아 가볍고, 상온 부근의 물 또는 공기 중에서는 부동태 피막이 형성되어 금이나 백금 다음 가는 우수한 내식성을 가지는 장점이 있으나, 녹는점이 약 1670℃ 정도로 매우 높아서 완전한 잉곳(Ingot)의 제작이 곤란하고, 고온에서는 급격히 산화되어 본래 요구되는 성질이 없어지기 때문에 열간 가공과 용접이 곤란하고, 높은 항복 응력 때문에 냉간 가공 또한 어렵다는 단점이 있다. 또한 티타늄이 상온에서는 안정한 산화피막이 생겨서 부식을 방지하지만 600℃ 이상의 고온에서는 반응성이 아주 좋아서 O2, N2, H2 등의 원소로 오염되어 내식성을 저하시키거나 용착 금속내부에 공극률(Porosity) 등의 결함을 발생시키게 되어 내식성 뿐만 아니라 기계적 성질까지 모두 저하시키는 성질이 있고, 가격이 비싸다는 단점이 있다. On the other hand, titanium has the advantage that it is light in weight with a small specific gravity enough to give strength similar to that of iron even at a weight of about half of iron, and has a passive film in water or air near room temperature and has excellent corrosion resistance next to gold or platinum However, since the melting point is as high as about 1670 ° C, it is difficult to manufacture a complete ingot, and it is oxidized rapidly at a high temperature to lose the properties required originally, so that hot working and welding are difficult and cold working is also difficult due to high yield stress There are disadvantages. In addition, titanium has a stable oxidation film at room temperature to prevent corrosion. However, it is highly reactive at a high temperature of 600 ° C or higher, so it is contaminated with elements such as O 2 , N 2 , and H 2 to lower corrosion resistance, or porosity And it has a property to degrade not only the corrosion resistance but also the mechanical properties, and it is disadvantageous in that it is expensive.

또한, 알루미늄 합금은 알루미늄(Al)에 구리(Cu) 또는 마그네슘(Mg) 등의 금속을 첨가한 합금으로 철강보다 경량이고 가공성과 내식성이 우수하며, 뛰어난 비강성을 지니고 있어 차량 선박 항공기 등의 수송기기의 구조체로 활용되고 있으나, 기계적 강도가 떨어진다는 단점이 있다.The aluminum alloy is an alloy of aluminum (Al) and a metal such as copper (Cu) or magnesium (Mg) added. It is lighter than steel and has excellent workability and corrosion resistance. It has excellent non-rigidity, Although it is used as a structure of a device, it has a disadvantage in that it has a low mechanical strength.

따라서, 상기 알루미늄 및 티타늄 소재의 복합화를 통해 각 소재의 장점을 살릴 경우, 우수한 기계적 강도, 내식성 및 경량성을 동시에 가지는 복합 소재로서 응용 분야에 최적화된 재료의 공급이 가능해 원가절감 및 성능향상이 가능할 것으로 예상된다.Accordingly, when composite materials of aluminum and titanium are utilized, it is possible to supply materials optimized for application as composite materials having excellent mechanical strength, corrosion resistance and light weight at the same time, thereby reducing cost and improving performance .

상기와 같은 티타늄 합금-알루미늄 합금 복합 소재를 제조하기 위한 방법으로, 합금화를 위한 대표적인 가공 방법인 주조(casting)를 고려할 수 있다.As a method for manufacturing the titanium alloy-aluminum alloy composite material as described above, casting, which is a typical processing method for alloying, may be considered.

하지만, 주조에 의해 복합재료를 제조할 경우, 양 재료의 극단적인 용융점 차이(티타늄: 약 1675 ℃, 알루미늄 합금: 약 660 ℃)로 인해, 주조 과정 중에 알루미늄의 발화에 의한 연소, 대량의 바람직하지 않은 금속간 화합물의 발생 등의 문제가 있어 현재로서는 우수한 물성을 가지는 티타늄 합금-알루미늄 합금 복합 소재를 제조함에 있어서 큰 어려움이 있다. 특히 액상을 이용한 공정으로는 기능성을 겸비한 경사층으로 구성된 Al-Ti 복합재료는 제조가 불가능 하다.However, when the composite material is produced by casting, the combustion due to the ignition of aluminum during the casting process due to the extreme melting point difference between the two materials (titanium: about 1675 ° C, aluminum alloy: about 660 ° C) There is a problem that titanium alloy-aluminum alloy composite materials having excellent physical properties are difficult to produce at present. In particular, it is impossible to manufacture an Al-Ti composite material composed of an inclined layer having a function as a liquid phase process.

따라서, 상기한 문제점을 극복하고 우수한 기계적 강도, 내식성 및 경량성을 동시에 가지는 티타늄 합금-알루미늄 합금 복합재료 제조방법에 대한 기술 개발이 필요하다.Accordingly, there is a need to develop a technique for manufacturing a titanium alloy-aluminum alloy composite material which overcomes the above problems and has excellent mechanical strength, corrosion resistance and light weight.

한국공개특허 제10-2001-0021912호 (2001.03.15)Korean Patent Publication No. 10-2001-0021912 (Mar. 15, 2001)

본 발명의 목적은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 알루미늄 분말로 이루어진 지지층과 티타늄 분말로 이루어진 표면층 사이에 알루미늄 분말과 티타늄 분말의 혼합분말로 구성되는 이종재료 경사층을 이용하여 표면층과 지지층을 접합함으로써 층간 박리 현상을 억제하고, 우수한 내식성, 경량 및 고강도 특성을 나타내는 알루미늄-티타늄 이종 경사기능복합재료 및 이를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.The object of the present invention is to solve the problems of the prior art by joining the surface layer and the support layer using a different material inclined layer composed of a mixed powder of aluminum powder and titanium powder between a support layer made of aluminum powder and a surface layer made of titanium powder The present invention is to provide an aluminum-titanium heteroepitaxial composite material which suppresses delamination and exhibits excellent corrosion resistance, light weight and high strength properties, and a method for producing the same.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 티타늄 분말로 이루어진 표면층; 알루미늄 분말로 이루어진 지지층; 및 상기 표면층과 지지층 사이에 알루미늄 분말과 티타늄 분말이 혼합된 복수개의 혼합층으로 구성된 이종재료 경사층;을 포함하고, 상기 이종재료 경사층은 각 혼합층이 상기 표면층에서 지지층 방향으로 배치될수록 상기 티타늄의 함량이 감소하는 것이고, 상기 복수개의 혼합층 중 어느 하나의 혼합층이 지지층 방향에 인접한 혼합층보다 티타늄의 함량이 더 많은 것인 알루미늄-티타늄 이종 경사기능복합재료를 제공한다. In order to achieve the above object, the present invention provides a surface layer made of titanium powder; A support layer made of aluminum powder; And a heterogeneous material inclined layer composed of a plurality of mixed layers in which aluminum powder and titanium powder are mixed between the surface layer and the support layer, wherein the different material inclined layer is formed such that the content of the titanium And the mixed layer of any one of the plurality of mixed layers has a titanium content higher than that of the mixed layer adjacent to the direction of the support layer.

상기 알루미늄 분말은 망간(Mn), 실리콘(Si), 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 주석(Sn) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 금속을 더 포함하는 알루미늄 합금 분말인 것일 수 있다.Wherein the aluminum powder is an aluminum alloy powder further comprising any metal selected from the group consisting of manganese (Mn), silicon (Si), copper (Cu), magnesium (Mg), tin (Sn) Lt; / RTI >

상기 티타늄 분말은 바나듐(V), 몰리브덴(Mo), 지르코늄(Zr), 알루미늄(Al), 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co), 실리콘(Si), 주석(Sn), 네오비듐(Nb) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 금속을 더 포함하는 티타늄 합금 분말인 것일 수 있다. The titanium powder may be at least one selected from the group consisting of vanadium (V), molybdenum (Mo), zirconium (Zr), aluminum (Al), iron (Fe), nickel (Ni), cobalt (Co), silicon Titanium (Nb), and a combination of any of these metals.

상기 복수개의 혼합층 중 어느 하나의 혼합층과 인접한 혼합층 간의 티타늄 분말 함량의 차이값이 10 내지 30 부피%인 것일 수 있다. And the difference value of the titanium powder content between any one of the plurality of mixed layers and the adjacent mixed layer may be 10 to 30% by volume.

상기 복수개의 혼합층 중 중심에 위치한 혼합층을 기준으로 대칭인 층에 위치한 두 혼합층은 인접한 층과의 티타늄 분말 함량의 차이값이 대칭인 것일 수 있다.The two mixed layers located on the symmetrical layer based on the mixed layer positioned at the center among the plurality of mixed layers may have symmetrical differences in the content of titanium powder with the adjacent layers.

상기 알루미늄-티타늄 이종 경사기능복합재료의 비커스 경도는 120 내지 460 Hv인 것일 수 있다. The Vickers hardness of the aluminum-titanium hetero-gradient functional composite may be 120 to 460 Hv.

본 발명은 또한 알루미늄 분말로 이루어진 지지층을 마련하는 단계, 상기 지지층 상부에 알루미늄 분말과 티타늄 분말이 혼합된 복수개의 혼합층으로 구성된 이종재료 경사층을 적층하는 단계, 상기 이종재료 경사층 상부에 티타늄 분말로 이루어진 표면층을 적층하는 단계 및 상기 적층된 지지층, 이종재료 경사층 및 표면층을 스파크 플라즈마 소결공정을 이용하여 소결하는 단계를 포함하며,상기 이종재료 경사층은 각 혼합층이 상기 표면층에서 지지층 방향으로 배치될수록 상기 티타늄의 함량이 감소하는 것이고, 상기 복수개의 혼합층 중 어느 하나의 혼합층이 지지층 방향에 인접한 혼합층보다 티타늄의 함량이 더 많은 것인 알루미늄-티타늄 이종 경사기능복합재료 제조방법을 제공한다.The present invention also provides a method of manufacturing a semiconductor device comprising the steps of: providing a support layer made of aluminum powder; laminating a different material inclined layer composed of a plurality of mixed layers in which aluminum powder and titanium powder are mixed on the support layer; And sintering the laminated support layer, the different material inclined layer and the surface layer using a spark plasma sintering process, wherein the different material inclined layer is formed such that as each mixed layer is disposed in the direction of the support layer from the surface layer Wherein the content of titanium is decreased and the content of titanium is higher than that of a mixed layer in which one of the plurality of mixed layers is adjacent to the direction of the support layer.

상기 스파크 플라즈마 소결 공정을 이용하여 소결하는 단계는 30 내지 200 MPa의 압력, 400 내지 600 ℃의 온도 및 유지시간 5 내지 10 분 조건에서 수행되는 것일 수 있다.The step of sintering using the spark plasma sintering process may be performed at a pressure of 30 to 200 MPa, at a temperature of 400 to 600 ° C and a holding time of 5 to 10 minutes.

본 발명은 알루미늄과 티타늄 간의 물성이 점진적으로 변화하는 경사층을 포함함으로써, 이종 재료 간 응력완화 효과가 극대화 되어 계면접합력이 향상되고, 층간 박리 현상이 억제된 알루미늄-티타늄 이종 경사기능복합재료를 제공할 수 있다. The present invention provides an aluminum-titanium heteroepitaxial composite material having an inclined layer in which the physical properties between aluminum and titanium are gradually changed, thereby maximizing the stress relaxation effect between dissimilar materials to improve the interfacial bonding strength and suppressing the interlayer peeling phenomenon can do.

본 발명은 또한 강도와 내식성 및 경량성이 동시에 요구되는 부품군에 적용이 가능한 알루미늄-티타늄 이종 경사기능복합재료를 제공할 수 있다. The present invention can also provide an aluminum-titanium hetero-graded composite material which can be applied to a group of parts requiring strength, corrosion resistance and light weight at the same time.

본 발명은 또한 스파크 플라즈마 소결 단계를 포함함으로써 더욱 견고한 복합재료를 제조할 수 있는 알루미늄-티타늄 이종 경사기능복합재료 제조방법을 제공할 수 있다.The present invention can also provide a method for manufacturing an aluminum-titanium hetero-gradient functional composite material which can produce a more rigid composite material by including a spark plasma sintering step.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄-티타늄 이종 경사기능복합재료를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스파크 플라즈마 소결 장치를 모식적으로 나타낸 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스파크 플라즈마 소결 공정을 모식적으로 나타낸 개념도이다.
도 4 내지 13은 본 발명의 실시예1에 따라 제조된 경사기능복합재료를 각 층별로 나누어 분석한 HV 이미지이다.
도 14 내지 23는 본 발명의 실시예1에 따라 제조된 경사기능복합재료를 각 층별로 나누어 분석한 XRD 패턴 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 24 내지 38은 본 발명의 실시예1에 따라 제조된 경사기능복합재료를 각 층별로 나누어 분석한 SEM(scanning electron microscope) 이미지이다.
도 39 내지 43은 본 발명의 실시예1에 따라 제조된 경사기능복합재료를 각 층별로 나누어 분석한 EDS(energy dispersive x-ray spectra) 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an aluminum-titanium hetero-gradient functional composite according to an embodiment of the present invention.
2 is a conceptual diagram schematically showing a spark plasma sintering apparatus according to an embodiment of the present invention.
3 is a conceptual diagram schematically showing a spark plasma sintering process according to an embodiment of the present invention.
4 to 13 are HV images obtained by dividing the gradient functional composite prepared according to Example 1 of the present invention into the respective layers.
14 to 23 are graphs showing the XRD pattern analysis results obtained by dividing the gradient functional composite prepared according to Example 1 of the present invention into individual layers.
24 to 38 are scanning electron microscope (SEM) images obtained by dividing the gradient functional composite prepared according to Example 1 of the present invention into individual layers.
FIGS. 39 to 43 are graphs showing results of energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) analysis in which the gradient functional composite prepared according to Example 1 of the present invention is divided into individual layers.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Like parts are designated with like reference numerals throughout the specification.

이하, 도면을 참조하면서 본 발명을 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄-티타늄 이종 경사 기능복합재료를 도시한 단면도이다. 본 발명의 일 실시형태에 따른 알루미늄-티타늄 이종 경사기능복합재료(100)는 티타늄 분말로 이루어진 표면층(130); 알루미늄 분말로 이루어진 지지층(110); 및 상기 표면층(130)과 지지층(110) 사이에 알루미늄 분말과 티타늄 분말이 혼합된 복수개의 혼합층(125)으로 구성된 이종재료 경사층(120);을 포함하고, FIG. 1 is a cross-sectional view showing an aluminum-titanium hetero-gradient functional composite according to an embodiment of the present invention. The aluminum-titanium hetero-gradient functional composite 100 according to one embodiment of the present invention includes a surface layer 130 made of titanium powder; A support layer 110 made of aluminum powder; And a mixed material inclined layer 120 composed of a plurality of mixed layers 125 in which aluminum powder and titanium powder are mixed between the surface layer 130 and the support layer 110,

상기 이종재료 경사층(120)은 각 혼합층(125)이 상기 표면층(130)에서 지지층(110) 방향으로 배치될수록 상기 티타늄의 함량이 감소하는 것으로, 상기 복수개의 혼합층(125) 중 어느 하나의 혼합층(125)이 지지층(110) 방향에 인접한 혼합층(125)보다 티타늄의 함량이 더 많은 것을 특징으로 한다.The different material inclined layer 120 is formed such that the content of titanium decreases as each mixed layer 125 is disposed in the direction of the support layer 110 from the surface layer 130. In the mixed layer 125, (125) is greater in content of titanium than the mixed layer (125) adjacent to the support layer (110) direction.

일례로, 상기 이종재료 경사층은 상기 복수개의 혼합층 중 어느 하나의 혼합층 A 및 상기 혼합층 A와 접하며 상기 혼합층 A에 비하여 상기 표면층에서 더 멀리 위치하는 혼합층 B를 포함하고, 상기 혼합층 A의 티타늄 분말의 함량은 상기 혼합층 B의 티타늄 분말의 함량 보다 더 많은 것일 수 있다. For example, the dissimilar material inclined layer may include a mixed layer A of any one of the plurality of mixed layers and a mixed layer B that is in contact with the mixed layer A and located farther from the surface layer than the mixed layer A, The content may be more than the content of the titanium powder in the mixed layer B.

본 발명에 따른 이종 경사기능복합재료(100)는, 티타늄 분말(4.506 g/㎤)보다 밀도가 낮은 알루미늄 분말(2.7 g/㎤)을 혼합함으로써 제조되므로, 티타늄으로만 구성된 소재에 비해 가벼우므로 재료의 저경량화를 필요로 하는 분야에서 사용될 수 있다.Since the heterogeneously graded composite material 100 according to the present invention is manufactured by mixing aluminum powder (2.7 g / cm 3) having lower density than titanium powder (4.506 g / cm 3), it is light compared to a material composed of only titanium, Can be used in fields requiring low weight.

또한, 경량 특성뿐만 아니라, 우수한 경도와 부식성이 요구되는 표면에는 티타늄 분말만으로 구성되는 층을 구비시켜, 부식에 대한 신뢰성이 요구되는 구조용 재료에서도 상대적으로 저렴하면서 가공성이 우수하며 우수한 강도 및 내식성을 나타낼 수 있으므로 보다 다양한 분야에서 사용될 수 있다.In addition, not only lightweight properties but also excellent hardness and corrosion resistance are provided on the surface of titanium powder only, so that structural materials requiring reliability against corrosion are relatively inexpensive, workability is excellent, and excellent strength and corrosion resistance are exhibited It can be used in various fields.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 알루미늄 분말 및 티타늄 분말의 직경은 1 ㎛ 내지 300 ㎛일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the diameter of the aluminum powder and the titanium powder may be from 1 mu m to 300 mu m.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 알루미늄 분말 및 티타늄 분말의 직경은 동일할 수도 있고, 상이할 수도 있다.In one embodiment of the present invention, the diameters of the aluminum powder and the titanium powder may be the same or may be different.

상기 알루미늄 분말은 통상적으로 사용되는 1000 계열의 순수 알루미늄 분말을 사용할 수 있고, 알루미늄 분말은 망간(Mn), 실리콘(Si), 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 주석(Sn) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 금속을 더 포함하는 알루미늄 합금 분말을 사용할 수 있다. The aluminum powder may be a 1000 series of pure aluminum powder that is commonly used and the aluminum powder may be selected from the group consisting of Mn, Si, Cu, Mg, Sn, Aluminum alloy powder containing at least one metal selected from the group consisting of aluminum alloy powders.

상기 알루미늄 합금 분말은 공지의 소성가공용 합금(wrought alloy) 또는 주조용 합금(cast alloy)을 제한 없이 사용할 수 있으며, 이러한 알루미늄 합금 분말로는, 3003, 3004 또는 3014 등의 Al-Mn계, 4032 또는 4043 등의 Al-Si계, 두랄루민으로 알려진 2017 또는 2024 등의 Al-Cu계, 5052 또는 5083 등의 Al-Mg계, 6061-T6, 6063 또는 6N01 등의 Al-Mg-Si계, 7N01 등의 Al-Zn-Mg계와 7075 등의 Al-Si-Cu-Mg계 알루미늄 합금 등을 대표적인 예로 들 수 있다.The aluminum alloy powder may be a known wrought alloy or a cast alloy. Examples of such aluminum alloy powder include Al-Mn series such as 3003, 3004 or 3014, Al-Mg-based alloys such as Al2O3 and Al2O3-4043, Al-Cu alloys such as 2017 and 2024 known as duralumin, Al-Mg alloys such as 5052 and 5083, Al-Mg-Si alloys such as 6061-T6, 6063 or 6N01, Al-Zn-Mg system and Al-Si-Cu-Mg system aluminum alloy such as 7075 can be exemplified.

아울러, 상기 알루미늄은 평균입경이 1 내지 100 ㎛인 것을 사용하는 것이 바람직한데, 이는 평균입경이 1 ㎛ 미만일 경우에는 티타늄 분말과의 과도한 합금화(alloying)가 야기될 수 있으며, 평균입경이 100 ㎛를 초과할 경우에는 기공률이 너무 높아져 티타늄 분말과의 복합화가 유도되기 힘든 문제점이 있기 때문이다.It is preferable that the aluminum has an average particle diameter of 1 to 100 탆. If the average particle diameter is less than 1 탆, excessive alloying with the titanium powder may be caused. If the average particle diameter is less than 1 탆, The porosity becomes too high and it is difficult to induce the composite with titanium powder.

또한, 상기 티타늄 분말은 통상적으로 사용되는 티타늄을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 Grade 1, Grade 2, Grade 3, 및 Grade 4로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 금속을 사용할 수 있다.The titanium powder may be titanium which is commonly used. Preferably, the titanium powder may be selected from the group consisting of Grade 1, Grade 2, Grade 3, and Grade 4.

또한, 상기 티타늄 분말은 바나듐(V), 몰리브덴(Mo), 지르코늄(Zr), 알루미늄(Al), 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co), 실리콘(Si), 주석(Sn), 네오비듐(Nb) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 금속을 더 포함하는 티타늄 합금 분말인 것일 수 있다. The titanium powder may be at least one selected from the group consisting of vanadium (V), molybdenum (Mo), zirconium (Zr), aluminum (Al), iron (Fe), nickel (Ni), cobalt (Co) , Neodymium (Nb), and combinations thereof. The titanium alloy powder may be a titanium alloy powder or a titanium alloy powder.

아울러, 상기 티타늄 분말은 평균입경이 1 내지 300 ㎛인 것을 사용하는 것이 바람직한데, 이는 평균입경이 1 ㎛ 미만일 경우에는 알루미늄 분말 또는 알루미늄 합금 분말과의 과도한 합금화(alloying)가 야기될 수 있으며, 평균입경이 300 ㎛를 초과할 경우에는 기공률이 너무 높아져 알루미늄 분말 또는 알루미늄 합금 분말과의 복합화가 유도되기 힘든 문제점이 있기 때문이다. The titanium powder preferably has an average particle diameter of 1 to 300 탆. If the average particle diameter is less than 1 탆, excessive alloying with aluminum powder or aluminum alloy powder may occur, If the particle diameter exceeds 300 탆, the porosity becomes too high, and it is difficult to induce the composite with aluminum powder or aluminum alloy powder.

본 발명의 이종 경사기능복합재료(100)는 상기 복수개의 혼합층(125)에 포함된 알루미늄 분말 및 티타늄 분말의 함량 및 조성비가 각 층마다 상이하며, 두께 방향으로 각 혼합층(125)에 따라 그 조성비가 순차적으로 변화하므로 알루미늄과 티타늄간의 급격한 물성 변화를 완화시켜 기계적 충격이나 열 충격에 강할 뿐만 아니라, 열 충격 특성 및 열 피로 특성이 향상될 수 있다.The content of the aluminum powder and the titanium powder contained in the mixed layer 125 of the heterogeneous gradient functional composite 100 of the present invention is different for each layer and the composition ratio of the aluminum powder and the titanium powder So that changes in the physical properties between aluminum and titanium are alleviated, so that it is not only resistant to mechanical impact and thermal shock but also can improve thermal shock characteristics and thermal fatigue characteristics.

상기 복수개의 혼합층(125) 중 어느 하나의 혼합층과 인접한 혼합층 간의 티타늄 분말 함량의 차이값이 10 내지 30 부피%인 것일 수 있다. The difference in the titanium powder content between any one of the plurality of mixed layers 125 and the adjacent mixed layers may be 10 to 30% by volume.

알루미늄 분말과 티타늄 분말은 티타늄 분말의 부피% 값과 알루미늄 분말의 부피%값의 합이 100부피%인 상관관계(Correlation)에 있고, 티타늄 분말의 체적비가 증가 또는 감소하는 만큼, 알루미늄 분말의 체적비가 동일한 비율로 감소 또는 증가하는 것이 자명하므로, 함량의 차이값을 티타늄 분말 함량을 기준으로 서술한다. The aluminum powder and the titanium powder are in a correlation where the sum of the volume% value of the titanium powder and the aluminum powder is 100 volume%, and the volume ratio of the aluminum powder is increased Since it is obvious that it decreases or increases at the same rate, the difference value of the content is described based on the titanium powder content.

일례로, 상기 이종재료 경사층은 상기 복수개의 혼합층(125) 중 어느 하나의 혼합층 C 및 상기 혼합층 C와 인접한 혼합층 D를 포함하고, 상기 혼합층 C의 전체 부피에 대한 혼합층 C의 티타늄 분말의 부피%와 상기 혼합층 D의 전체 부피에 대한 혼합층 D의 티타늄 분말의 부피%의 차이는 10 내지 30 부피%인 것일 수 있다.For example, the dissimilar material inclined layer includes a mixed layer C of any of the plurality of mixed layers 125 and a mixed layer D adjacent to the mixed layer C, and the volume percentage of the titanium powder of the mixed layer C with respect to the total volume of the mixed layer C, And the volume percentage of the titanium powder of the mixed layer D with respect to the total volume of the mixed layer D may be 10 to 30% by volume.

또한 본 발명의 이종 경사기능복합재료(100)는 상기 복수개의 혼합층(125) 중 중심에 위치한 혼합층을 기준으로 대칭인 층에 위치한 두 혼합층은 인접한 층과의 티타늄 분말 함량의 차이값이 대칭인 것일 수 있다. In the heterogeneously inclined composite material 100 of the present invention, the two mixed layers located on the symmetrical layer based on the mixed layer located at the center of the plurality of mixed layers 125 are symmetric in terms of the difference in the titanium powder content between adjacent layers .

일례로, 홀수개의 혼합층을 포함하는 이종재료 경사층(120)에 있어서, 가운데 위치하는 층을 중심층이라 하고, 어느 하나의 혼합층 E, 상기 혼합층 E와 인접한 혼합층을 F라 하고, 상기 중심층을 기준으로 대칭하는 층을 각각 E', F'라 할 때, 상기 혼합층 E와 F의 티타늄 함량의 차이값이 E'와 F'의 티타늄 함량의 차이값과 같은 것일 수 있다. For example, in a different material inclined layer 120 including an odd number of mixed layers, a center positioned layer is referred to as a center layer, one mixed layer E, a mixed layer adjacent to the mixed layer E as F, When the layers symmetrical with respect to the reference are E 'and F', respectively, the difference value of the titanium content of the mixed layer E and F may be the same as the difference value of the titanium content of E 'and F'.

티타늄 함량이 상기 범위를 만족하지 않는 경우, 상기 표면층(130), 각 혼합층(125) 및 지지층(110) 간에 접합이 잘 되지 않아 층간 박리가 발생할 수 있다.If the titanium content does not satisfy the above range, the adhesion between the surface layer 130, the mixed layer 125, and the support layer 110 is not good, and delamination may occur.

상기 복수개의 혼합층(125)에 있어서, 알루미늄 분말과 티타늄 분말 각 물질은 구성 비율에 따라 다양한 특성 구현이 가능하고, 이를 이용하여 맞춤형 복합재료의 제조가 가능하다. In the plurality of mixed layers 125, the aluminum powder and the titanium powder can be variously formed according to their composition ratios, and the composite material can be manufactured using the aluminum powder and the titanium powder.

일례로, 강한 경도를 요구하는 외부에는 티타늄을 고함량으로 함유하도록 설계할 수 있고, 내부는 상대적으로 인성이 높은 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 함량을 높임으로써 우수한 기계적 특성, 내식성 및 경량성을 동시에 구현할 수 있다. For example, it can be designed to contain a high content of titanium in the outside requiring strong hardness, and the inside can simultaneously realize excellent mechanical characteristics, corrosion resistance and light weight by increasing the content of aluminum or aluminum alloy having relatively high toughness have.

상기 이종 경사기능복합재료(100)의 두께는 적층되는 혼합층의 수에 따라 조절될 수 있다. 바람직하게는, 상대적으로 가격이 높은 티타늄 분말을 적게 사용하기 위해 표면층(130)의 두께를 지지층(110)의 두께보다 얇게 형성하거나, 또는 동일한 두께로 형성할 수도 있다.The thickness of the heterogeneous gradient functional composite material 100 may be controlled according to the number of the mixed layers to be stacked. Preferably, the thickness of the surface layer 130 may be less than the thickness of the support layer 110, or may be the same as the thickness of the support layer 110, in order to use less expensive titanium powder.

또한, 상기 이종 경사기능복합재료(100)는 티타늄 분말로 구성되는 층(130)-이종재료 경사층(120)-알루미늄 분말로 구성되는 층(110)과 같이 한 방향으로 조합될 수도 있고, 티타늄 분말로 구성되는 층(130)-이종재료 경사층(120)-알루미늄 분말로 구성되는 층(110)-이종재료 경사층(120)- 티타늄 분말로 구성되는 층(130)과 같이 양 방향으로 조합될 수도 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.The heterogeneously inclined composite material 100 may be combined in one direction such as a layer 110 made of titanium powder, a gradient material 120 made of different materials, a layer 110 made of aluminum powder, A layer 130 made of powder - a different material inclined layer 120 - a layer 110 made of aluminum powder - a different material inclined layer 120 - a layer 130 made of titanium powder But is not limited thereto.

본 발명에 따른 이종 경사기능복합재료(100)에 구성되는 각 층을 형성하는 각 분말 소재는 스파크 플라즈마 소결(spark plasma sintering, SPS) 공정을 이용하여 소결함으로써 상기 층을 형성할 수 있다. 구체적으로는, 상기 알루미늄 분말 및 티타늄 분말은 각 분말을 적층한 후 소결함으로써 하나의 복합체 내에 각 기능을 가지는 각 층을 구성할 수 있다.Each of the powder materials forming each layer constituting the heterogeneous gradient functional composite material 100 according to the present invention can be formed by sintering using a spark plasma sintering (SPS) process. Specifically, the aluminum powder and the titanium powder can be formed into respective layers having respective functions in one composite by laminating the respective powders and then sintering.

이하, 상기 이종 경사기능복합재료(100)의 제조방법을 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing the heterogeneously gradient functional composite material 100 will be described in detail.

본 발명의 일 실시형태에 따른 알루미늄-티타늄 이종 경사기능복합재료(100)의 제조방법은, 알루미늄 분말로 이루어진 지지층(110)을 마련하는 단계, 상기 지지층(110) 상부에 알루미늄 분말과 티타늄 분말이 혼합된 복수개의 혼합층(125)으로 구성된 이종재료 경사층(120)을 적층하는 단계, 상기 이종재료 경사층(120) 상부에 티타늄 분말로 이루어진 표면층(130)을 적층하는 단계 및 상기 적층된 지지층(110), 이종재료 경사층(120) 및 표면층(130)을 스파크 플라즈마 소결 공정을 이용하여 접합하는 단계를 포함하며, 이종재료 경사층(120)은 각 혼합층(125)이 상기 표면층(130)에서 지지층(110) 방향으로 배치될수록 상기 티타늄의 함량이 감소하는 것이고, 상기 복수개의 혼합층 중 어느 하나의 혼합층(125)이 지지층(110) 방향에 인접한 혼합층(125)보다 티타늄의 함량이 더 많은 것을 특징으로 한다.The method for manufacturing an aluminum-titanium heterogeneous gradient functional composite material 100 according to an embodiment of the present invention includes the steps of: providing a support layer 110 made of aluminum powder; forming an aluminum powder and titanium powder on the support layer 110 Stacking a different material inclined layer 120 composed of a plurality of mixed layers 125; stacking a surface layer 130 made of titanium powder on the different material inclined layer 120; Wherein the different material inclined layer 120 is formed such that each of the mixed layers 125 is bonded to the surface layer 130 by a sputter plasma sintering process, The content of titanium is decreased as it is disposed in the direction of the support layer 110 and the content of titanium is higher than that of the mixed layer 125 in which one of the plurality of mixed layers 125 is adjacent to the direction of the support layer 110 It features many.

상기 스파크 플라즈마 소결 공정을 이용하여 접합하는 단계는 30 내지 200 MPa의 압력, 400 내지 600 ℃의 온도 및 유지시간 5 내지 10 분 조건에서 수행되는 것일 수 있다. The step of joining using the spark plasma sintering process may be performed at a pressure of 30 to 200 MPa, at a temperature of 400 to 600 DEG C, and at a holding time of 5 to 10 minutes.

본 단계에서 티타늄 분말 및 상기 알루미늄 분말의 복합화를 위해 사용되는 스파크 플라즈마 소결은, 분말이나 판재를 1축으로 가압하면서 가압방향과 평행한 방향으로 직류펄스 전류를 인가하여 소결하는 방법으로서, 분말이나 판재에 압력과 저전압 및 대전류를 투입하고 이때 발생하는 스파크에 의해 순식간에 발생하는 플라즈마의 고에너지를 전계확산, 열확산 등에 응용하는 소결 방법이다. 이러한 스파크 플라즈마 소결은 종래 주조법을 이용한 복합재료의 제조방법에 비해서, 소결 온도가 200 내지 500 ℃ 정도 더 낮고, 승온 및 유지시간을 포함하여 단시간에 소결을 완료할 수 있기 때문에, 전력소비를 크게 감소시킬 수 있으며, 취급이 간편하고, 운영비용이 저렴하다.In this step, spark plasma sintering, which is used for composite of titanium powder and aluminum powder, is a method of sintering by applying a DC pulse current in a direction parallel to the pressing direction while pressing powder or plate material in one axis, Is a sintering method in which high energy of a plasma generated instantaneously by applying a pressure, a low voltage and a large current to the plasma is applied to electric field diffusion, thermal diffusion and the like. This spark plasma sintering can lower the sintering temperature by about 200 to 500 DEG C and can complete the sintering in a short time including the temperature rise and the holding time as compared with the method of manufacturing the composite material by the conventional casting method, It is easy to handle, and the operation cost is low.

본 발명에서는 종래 주조법(용융법)을 이용한 이종 합금의 복합화 공정과는 달리, 분말 상의 출발물질을 스파크 플라즈마 소결을 통해 소결하여 이종 경사기능복합재료를 제조하는 저에너지의 고상 분말 야금 공정을 적용함으로써 제조시간이 짧으며, 고밀도 이종 경사기능복합재료의 제조가 가능해 티타늄과 동등한 수준의 기계적 강도 및 내식성을 가질 뿐만 아니라, 가공성이 우수한 경량의 이종 경사기능복합재료를 제조할 수 있는 효과가 있다.Unlike the hybridization process using the conventional casting method (melting method), the present invention uses a low-energy solid-phase powder metallurgy process for producing a heterogeneously graded composite material by sintering a powdery starting material through spark plasma sintering It is possible to manufacture a composite material of heterogeneous inclined function with a short time and a high density and a mechanical strength and a corrosion resistance equivalent to those of titanium, as well as a lightweight, heterogeneous inclined composite material excellent in workability.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스파크 플라즈마 소결 장치를 모식적으로 나타낸 개념도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스파크 플라즈마 소결 공정을 모식적으로 나타낸 개념도이다. FIG. 2 is a conceptual diagram schematically showing a spark plasma sintering apparatus according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a conceptual diagram schematically showing a spark plasma sintering process according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하여 상기 스파크 플라즈며 소결 공정을 설명하면, 상기 스파크 플라즈마 소결 공정은 진공 챔버(chamber)(201), 다이 어셈블리(202), 전류 공급 장치(203), 가압 장치(204), 제어 장치(205), 온도 및 압력 측정 장치(206), 전극(207), 혼합 분말 등을 포함하는 스파크 플라즈마 소결 장치를 사용하여 수행될 수 있다.2, the spark plasma sintering process includes a vacuum chamber 201, a die assembly 202, a current supply device 203, a pressure device 204, A device 205, a temperature and pressure measuring device 206, an electrode 207, a mixed powder, and the like.

구체적으로 탄소몰드에 상기 알루미늄 분말 및 티타늄 분말이 혼합된 복합분말을 장입하고, 상기 탄소몰드를 진공챔버(201) 내의 소결다이(302)에 세팅한다. 상기 세팅된 진공챔버(201)를 감압장치에 의해 감압 후 가압장치부(204)에 의해 가압하고 직류전원 공급장치부(203)를 통해 상, 하부 펀치 전극(207)에 전류를 가하여 챔버(201) 내 승온이 이루어진다. 챔버 내의 일정한 압력과 온도 조절은 제어부(205)에서 온도계측기, 감압장치, 가압장치부(204), 직류전원 공급 장치부(203) 등을 제어하여 일정한 소결체가 나오도록 한다. 일정 시간 소결 후, 냉각장치 아르곤 또는 질소가스를 이용하여 챔버(201) 내에서 냉각을 실시한다.Specifically, a composite powder in which the aluminum powder and the titanium powder are mixed is charged into a carbon mold, and the carbon mold is set in the sintering die 302 in the vacuum chamber 201. The set vacuum chamber 201 is depressurized by the pressure reducing device 204 by the pressure reducing device 204 and a current is applied to the upper and lower punch electrodes 207 through the DC power supply device 203, My temperature is raised. The control of the constant pressure and the temperature in the chamber controls the temperature measuring instrument, the pressure reducing device, the pressure applying part 204, the DC power supply part 203, and the like in the control part 205 to produce a certain sintered body. After sintering for a predetermined time, cooling is performed in the chamber 201 by using a cooling device argon or nitrogen gas.

도 3을 참조하여 상기 스파크 플라즈며 소결 공정을 설명하면, 상기 혼합분말(301)을 따라, 펄스 전류(pulse current)(303)가 공급되고, 이에 의해 단시간에 발생하는 스파크 플라즈마 방전 현상(305)에 의해 상기 혼합분말에 형성되는 줄열(joule heat)(304)에 의해 상기 혼합분말에 포함된 티타늄 분말 및 알루미늄 합금 분말(301)이 복합화되어 치밀한 복합재료를 형성할 수 있다.Referring to FIG. 3, the spark plasma and sintering process will be described. A pulse current 303 is supplied along the mixed powder 301, thereby generating a spark plasma discharge phenomenon 305 occurring in a short time. The titanium powder and the aluminum alloy powder 301 contained in the mixed powder may be combined by the joule heat 304 formed in the mixed powder to form a dense composite material.

상기 소결 공정은 알루미늄의 융점 이하의 온도, 예를 들면 400 내지 600 ℃의 온도에서 30 내지 200 MPa의 압력을 가해 5 내지 10 분 동안 수행되는 것이 바람직하다.It is preferable that the sintering process is performed at a temperature below the melting point of aluminum, for example, at a temperature of 400 to 600 DEG C for 30 to 200 MPa for 5 to 10 minutes.

상기 소결 온도가 400 ℃ 미만일 경우, Ti와 Al 계면 사이에 우수한 접합력을 지닌 조직의 제조가 어려울 수 있고, 600 ℃를 초과하는 경우, 알루미늄 분말의 용융으로 인해서 형태를 유지하기 어렵고, 입자성장으로 인해서 기계적 특성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.If the sintering temperature is lower than 400 ° C, it may be difficult to produce a structure having a good bonding strength between the Ti and Al interfaces. If the sintering temperature is higher than 600 ° C, it is difficult to maintain the shape due to melting of the aluminum powder, The mechanical properties may be deteriorated.

상기와 같이 스파크 플라즈마 소결을 이용하면, 알루미늄과 티타늄 또는 알루미늄 합금내 성분 원소의 상호 확산이 일어날만한 온도 및 시간이 충분하지 않기 때문에 계면 생성물의 범위가 매우 작고, 조성 변화의 범위가 극히 제한되어 합금 고유의 특성을 유지할 수 있는 효과가 있다.When the spark plasma sintering is used as described above, the temperature and time at which mutual diffusion of the constituent elements of aluminum and titanium or aluminum alloy is not sufficient, the range of the interfacial product is very small and the range of compositional change is extremely limited, It is possible to maintain the inherent characteristics.

상기 조건에서 수행되지 않는 경우, 구체적으로는, 너무 낮은 압력의 조건에서는 밀도가 현저히 낮아지고, 너무 높은 압력에서는 내부 잔류응력 등이 축적되어 제조 후 크랙(Crack)이 생성되는 문제점 등이 발생할 수 있다. 또한, 소결을 장시간 동안 유지하는 경우, 입자성장 등으로 인해서 경도저하 등의 문제가 발생할 수 있다.Concretely, if it is not carried out under the above conditions, the density becomes extremely low under a condition of too low a pressure, internal residual stress is accumulated at a too high pressure, and cracks are generated after manufacturing . Further, when sintering is maintained for a long time, problems such as lowering hardness may occur due to grain growth or the like.

특히 상기 소결 온도가 400 ℃ 미만일 경우, Ti와 Al 계면 사이에 우수한 접합력을 지닌 조직의 제조가 어려울 수 있고, 600 ℃를 초과하는 경우, Al분말의 용융으로 인해서 형태를 유지하기 어렵고, 입자성장으로 인해서 기계적 특성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다. Particularly, when the sintering temperature is lower than 400 ° C, it may be difficult to produce a structure having a good bonding strength between the Ti and Al interfaces. When the sintering temperature exceeds 600 ° C, it is difficult to maintain the shape due to melting of the Al powder. The mechanical properties may be deteriorated.

한편 일반적인 합금의 경우, 금속 분말을 높은 온도로 소결시켜 분말 형태가 사라진 하나의 합금 덩어리를 형성시키는 것으로 분말 형태가 사라지는 액상 형태에서 금속간화합물(intermetallic compound)이 형성될 수 있다. 이러한 금속간화합물의 경우 대게는 매우 높은 강도를 지니지만 과도한 합금화로 인하여 인성의 부족을 초래할 수 있다.On the other hand, in the case of a general alloy, an intermetallic compound may be formed in a liquid phase in which the powder form disappears by sintering the metal powder at a high temperature to form an aggregate of the alloy in which the powder form disappeared. These intermetallic compounds often have very high strength, but may result in lack of toughness due to excessive alloying.

또한 알루미늄 분말과 티타늄 분말의 융점 차이에 의하여, 융점이 더 낮은 알루미늄이 먼저 액상화 되는 경우 액상 알루미늄의 쏠림 현상으로 인해 편석이 과도하게 발생하는 등 균질한 분산이 어려울 수 있다. In addition, due to the difference in melting point between the aluminum powder and the titanium powder, when the aluminum having a lower melting point is first liquefied, it may be difficult to homogeneously disperse such as segregation due to the migration of the liquid aluminum.

한편 본 발명에 따른 알루미늄-티타늄 이종 경사기능복합재료(100)는 상기 소결 조건을 조절하여 알루미늄-티타늄 합금이 과도하게 합금화 되는 것을 방지하고 분말의 형태로 균질하게 혼합되어있는 벌크상으로 만드는 것을 특징으로 한다. 특히 상기 소결 과정에서 고상의 알루미늄 분말과 티타늄 분말에 스파크 플라즈마 소결 공정을 수행하여 매우 짧은 시간동안 매우 큰 에너지를 발생시켜 금속간화합물을 생성시킨 것이다. 본 발명의 제조방법과 같이 낮은 소결온도에서 금속간화합물을 생성시키는 것은 매우 독특한 기술로 일반적인 합금 과정에서 발생되는 인성 저하 문제를 해결할 수 있다.Meanwhile, the aluminum-titanium hetero-gradient functional composite 100 according to the present invention is characterized in that the aluminum-titanium alloy is prevented from being excessively alloyed by controlling the sintering conditions and is made into a bulk phase in which the aluminum-titanium alloy is homogeneously mixed in the form of powder . Especially, in the sintering process, the spark plasma sintering process is performed on the solid aluminum powder and the titanium powder to generate an intermetallic compound by generating a very large energy for a very short time. The production of an intermetallic compound at a low sintering temperature as in the production method of the present invention can solve the problem of toughness occurring in a general alloy process by a very unique technique.

상기와 같이 스파크 플라즈마 소결을 이용하면, 알루미늄 분말과 티타늄 분말간 성분 원소의 상호 확산이 일어날만한 온도 및 시간이 충분하지 않기 때문에 계면 생성물의 범위가 매우 작고, 조성 변화의 범위가 극히 제한되어 합금 고유의 특성을 유지할 수 있는 효과가 있다.When the spark plasma sintering is used as described above, the temperature and time for the mutual diffusion of the component elements between the aluminum powder and the titanium powder are insufficient, the range of the interfacial product is very small and the range of compositional change is extremely limited. Can be maintained.

또한, 상기와 같은 스파크 플라즈마 소결 공정을 이용하면, 기존의 합성온도보다 낮은 온도 및 짧은 시간 내에 이종 경사기능복합재료의 제조가 가능해 제조원가를 절감할 수 있다.In addition, by using the spark plasma sintering process as described above, it is possible to manufacture the heteroepitaxial composite material at a temperature lower than the conventional synthesis temperature and in a short time, thereby reducing the manufacturing cost.

본 발명에 따른 알루미늄-티타늄 이종 경사기능복합재료의 제조방법에 의하면, 복합화 단계에서 스파크 플라즈마 소결 공정을 이용해 출발 물질인 알루미늄 분말과 티타늄 분말을 조성 변화 없이 급속하게 치밀화 및 복합화 시킴으로써, 각 출발 원료 소재가 가지는 경량성, 우수한 내식성, 가공성 및 기계적 특성과 같은 장점들을 그대로 전부 포함하는 우수한 물성의 알루미늄-티타늄 이종 경사기능복합재료를 제조할 수 있다.According to the method for producing an aluminum-titanium heteroepitaxy composite material according to the present invention, aluminum powder and titanium powder, which are starting materials, are rapidly densified and compounded without a composition change by using a spark plasma sintering process in a complexing step, It is possible to produce an aluminum-titanium heteroepitaxial composite material having excellent physical properties including all of the advantages such as light weight, excellent corrosion resistance, processability and mechanical properties.

종합적으로, 알루미늄과 티타늄을 접합하는 방법에 있어서, 티타늄 분말로 이루어진 표면층(130); 알루미늄 분말로 이루어진 지지층(110); 및 상기 표면층(130)과 지지층(110) 사이에 알루미늄 분말과 티타늄 분말이 혼합된 복수개의 혼합층(125)으로 구성된 이종재료 경사층(120);을 구비하되, 상기 이종재료 경사층(120)은 각 혼합층(125)이 상기 표면층(130)에서 지지층(110) 방향으로 배치될수록 상기 티타늄의 함량이 감소하는 것이고, 상기 복수개의 혼합층 중 어느 하나의 혼합층(125)이 지지층(110) 방향에 인접한 혼합층(125)보다 티타늄의 함량이 더 많은 것을 특징으로 하며, 상기 접합은 스파크 플라즈마 소결 공정을 이용하여 30 내지 200 MPa의 압력, 400 내지 600 ℃의 온도 및 유지시간 5 내지 10 분 조건에서 수행되는 것일 수 있다. In general, in a method of bonding aluminum to titanium, a surface layer 130 made of titanium powder; A support layer 110 made of aluminum powder; And a heterogeneous material inclined layer 120 composed of a plurality of mixed layers 125 in which aluminum powder and titanium powder are mixed between the surface layer 130 and the support layer 110, The content of titanium decreases as each of the mixed layers 125 is disposed in the direction of the support layer 110 from the surface layer 130 and the mixed layer 125 of any of the plurality of mixed layers decreases in the direction of the support layer 110, Wherein the bonding is performed at a pressure of 30 to 200 MPa, a temperature of 400 to 600 DEG C and a holding time of 5 to 10 minutes using a spark plasma sintering process .

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 이종재료 경사층(120)을 구성하는 각혼합층의 혼합 분말은 볼 밀(Ball Mill) 공정, 초음파 분산, 블렌딩, 튜블라(Tubular) 믹싱 등을 사용하여 혼합할 수 있으나, 볼 밀 공정을 이용하는 것이 바람직하다.In one embodiment of the present invention, the mixed powder of each of the mixed layers constituting the inclined layer 120 is mixed using a ball mill process, ultrasonic dispersion, blending, tubular mixing or the like However, it is preferable to use a ball mill process.

본 단계에서 알루미늄 분말과 티타늄 분말 또는 알루미늄 합금 분말을 분쇄 및 혼합하기 위한 밀링(milling) 방법은, 상기 원료 분말들이 균일하게 분쇄 및 혼합되어 후술할 단계에서 스파크 플라즈마 소결 공정을 통해 복합 재료를 형성할 수 있기만 하면 그 구체적인 방법이 특별히 제한되지 않는다.In this step, a milling method for pulverizing and mixing the aluminum powder and the titanium powder or the aluminum alloy powder is such that the raw powder is uniformly pulverized and mixed to form a composite material through a spark plasma sintering process at a later stage The specific method is not particularly limited as long as it can.

예를 들어, 본 단계는 볼 밀링(ball milling), 유성 밀링(planetary milling) 또는 어트리션 밀링(attrition milling) 등을 이용한 밀링(milling)을 통해 기계적으로 혼합하는 공정을 통해 수행될 수 있다.For example, this step may be performed through a mechanical mixing process by milling using ball milling, planetary milling, or attrition milling.

일례로, 볼 밀링 방법을 통해 상기 공정을 수행하여 출발 물질을 제조하기 위해서는, 100 내지 500 rpm으로 6 내지 24 시간 동안 수행되도록 구성하여 균일한 크기로 분쇄 및 혼합된 혼합분말을 제조하도록 구성할 수 있으며, 보다 바람직하게는 200 rpm으로 10 내지 14시간 동안 수행되도록 구성할 수 있다.For example, in order to carry out the above process by means of the ball milling method to prepare the starting material, it can be configured to be carried out at 100 to 500 rpm for 6 to 24 hours to prepare a mixed powder which is pulverized and mixed in a uniform size And more preferably 200 rpm for 10 to 14 hours.

상기 혼합분말은 상기 티타늄 분말 및 상기 알루미늄 분말의 체적비를 조절하여 비중, 연신율(elongation), 인장 강도(tensile strength), 경도(hardness) 등의 물성을 달리 제어할 수 있다.The mixed powder can control physical properties such as specific gravity, elongation, tensile strength, and hardness by controlling the volume ratio of the titanium powder and the aluminum powder.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 알루미늄 분말 및 티타늄 분말 입자의 넓은 표면적으로 인해 상기 이종 재료간에 보다 많은 접합 영역 또는 경계(Boundary)가 형성될 수 있고, 이에 따라 스파크 플라즈마 소결 공정을 수행하면서 확산한 원자에 의해 재료 간에 형성될 수 있는 결합이 더욱 증가하여 보다 견고한 복합소재를 제조할 수 있다.In one embodiment of the present invention, due to the large surface area of the aluminum powder and the titanium powder particles, more bonding regions or boundaries can be formed between the dissimilar materials, The bonds that can be formed between the materials by the atoms are further increased, so that a more rigid composite material can be produced.

본 발명에 따른 이종 경사기능복합재료는 알루미늄과 티타늄의 특성을 모두 가지고 있으므로 우수한 강도 및 기계적 특성을 나타낼 뿐만 아니라, 경량 특성을 나타내므로 기계, 자동차, 열차, 선박, 우주항공 분야에 적용할 수 있다.Since the heterogeneous inclined composite material according to the present invention has both aluminum and titanium characteristics, it exhibits excellent strength and mechanical properties as well as lightweight properties, and thus can be applied to machines, automobiles, trains, ships, and aerospace .

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 이종 경사기능복합재료(100)의 비커스 경도는 120 내지 460 Hv인 것일 수 있다. In one embodiment of the present invention, the heterogeneously graded functional composite material 100 may have a Vickers hardness of 120 to 460 Hv.

이하, 실시예에 의해 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오직 본 발명을 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 국한되지 않는다는 것은 당업자에게 있어서 자명하다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. It is to be understood by those skilled in the art that these embodiments are for illustrative purpose only and that the scope of the present invention is not limited to these embodiments.

[[ 제조예Manufacturing example 1: 알루미늄-티타늄 이종 경사기능복합재료의 제조] 1: Manufacture of aluminum-titanium heteroepitaxial composite material]

<< 실시예Example 1> 1>

티타늄(SUS316L) 분말, 알루미늄 분말을 사용하여 각각 표면층과 지지층을 제조하였다. 그런 다음, 알루미늄 분말과 티타늄 분말을 하기 표 1의 조성으로 혼합하고, 각각 볼 밀을 이용하여 6시간 동안 혼합하였다. 혼합 후, Φ10mm의 탄소몰드에 하기 표 1에 기재된 순서로 지지층을 가장 하층으로 하여 순차적으로 적층하였다. 그런 다음, 200 MPa, 600 ℃에서 5분간 스파크 플라즈마 소결 공정을 수행하여 알루미늄-마그네슘 복합소재를 제조하였다. 이 때, 승온 속도는 분당 100℃였다. 제조된 원기둥형 이종 경사기능복합재료의 직경은 15mm이고, 두께는 20mm였다.Titanium (SUS316L) powder and aluminum powder were used to prepare surface layers and support layers, respectively. Then, the aluminum powder and the titanium powder were mixed in the composition shown in Table 1 below and mixed using a ball mill for 6 hours, respectively. After mixing, a carbon layer of 10 mm in diameter was sequentially laminated on the support layer as the lowest layer in the order described in Table 1 below. Then, a spark plasma sintering process was performed at 200 MPa and 600 ° C for 5 minutes to produce an aluminum-magnesium composite material. At this time, the temperature raising rate was 100 deg. C per minute. The diameter of the cylindrical heterogeneous gradient functional composite material was 15 mm and the thickness was 20 mm.

제조된 이종 경사기능복합재료 각 층의 티타늄 함량의 차이값은 표면층부터 각각 20 부피%, 30 부피%, 30 부피% 및 20 부피%로 차이값의 범위가 10 내지 30 부피%에 포함된다. 또한 중심층(50 부피%)을 기준으로 중심층과 인접하며 서로 대칭인 두 층(20 부피%, 80 부피%)은 각각 표면층 방향으로 30 부피% 감소하였고, 지지층 방향으로 30 부피% 증가하여 차이값이 대칭이며, 각각 지지층 및 표면층과의 차이값 또한 각각 20 부피%로 차이값이 대칭이다. The difference in the titanium content of each layer of the produced heterogeneous functional composite material is 20% by volume, 30% by volume, 30% by volume and 20% by volume from the surface layer, respectively, and the range of the difference value is from 10% by volume to 30% by volume. The two layers (20 vol%, 80 vol%), which are adjacent to each other and symmetrical to each other with respect to the center layer (50 vol%), were decreased by 30 vol% in the direction of the surface layer and increased by 30 vol% And the difference value between the support layer and the surface layer is also 20% by volume, respectively, and the difference value is symmetric.

Al/Ti(부피%)Al / Ti (vol.%) 재료material 밀도(g/㎤)Density (g / cm3) 부피(㎤)Volume (cm &lt; 3 & 무게(g)Weight (g) Al/Ti(100/-)Al / Ti (100 / -) Al (75㎛)Al (75 탆) 2.7002.700 -- -- Al/Ti(80/20)Al / Ti (80/20) Al (75㎛)Al (75 탆) 2.7002.700 52.2752.27 141.12141.12 Ti (150㎛)Ti (150 탆) 4.5064.506 13.0713.07 58.8858.88 TotalTotal 3.0613.061 65.3365.33 200.00200.00 Al/Ti(50/50)Al / Ti (50/50) Al (75㎛)Al (75 탆) 2.7002.700 13.8713.87 37.4537.45 Ti (150㎛)Ti (150 탆) 4.5064.506 13.8713.87 62.5062.50 TotalTotal 3.6033.603 27.7427.74 99.9599.95 Al/Ti(20/80)Al / Ti (20/80) Al (75㎛)Al (75 탆) 2.7002.700 9.659.65 26.0626.06 Ti (150㎛)Ti (150 탆) 4.5064.506 38.6038.60 173.94173.94 TotalTotal 4.1454.145 48.2548.25 200.00200.00 Al/Ti(-/100)Al / Ti (- / 100) Ti (150㎛)Ti (150 탆) 4.5064.506 -- --

<< 비교예Comparative Example 1: 알루미늄-티타늄 이종 복합재료의 제조> 1: Preparation of aluminum-titanium hetero-composite material &gt;

상기 표면층과 지지층 사이에 이종재료 경사층을 구비하지 않는 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 알루미늄-티타늄 이종 복합재료를 제조하였다.An aluminum-titanium hetero-composite was produced in the same manner as in Example 1, except that a different material inclined layer was not provided between the surface layer and the support layer.

<< 비교예Comparative Example 2: 알루미늄-티타늄 이종 복합재료의 제조> 2: Preparation of aluminum-titanium hetero-composite material &gt;

티타늄 분말, 알루미늄 분말을 50:50 부피%의 조성비로 혼합하고, 볼 밀을 이용하여 6시간 동안 혼합하였다. 혼합 후, 200 MPa, 600 ℃에서 5분간 스파크 플라즈마 소결 공정을 수행하여 알루미늄-마그네슘 복합소재를 제조하였다. 이 때, 승온 속도는 분당 100℃였다. 제조된 알루미늄-티타늄 이종 복합재료의 직경은 15mm이고, 두께는 20mm였다.Titanium powder and aluminum powder were mixed at a composition ratio of 50:50 by volume and mixed using a ball mill for 6 hours. After mixing, the spark plasma sintering process was performed at 200 MPa and 600 ° C for 5 minutes to produce an aluminum-magnesium composite material. At this time, the temperature raising rate was 100 deg. C per minute. The diameter of the aluminum-titanium hybrid composite produced was 15 mm and the thickness was 20 mm.

[[ 실험예Experimental Example 1:  One: 비커스Vickers 경도(Vickers Hardness)의 측정] Measurement of Hardness (Vickers Hardness)

실시예 1 및 비교예 1 의 복합재료의 비커스 경도를 측정하여 하기 표 2에 나타내었다. 구체적으로, 각 복합재료의 일면을 각각 3회씩 측정하였으며 그 평균값을 나타내었다. The Vickers hardness of the composite material of Example 1 and Comparative Example 1 was measured and is shown in Table 2 below. Specifically, one surface of each composite material was measured three times each, and the average value thereof was shown.

구분(부피%)Classification (% by volume) 비커스 경도 (HV)Vickers hardness (HV) 실시예1Example 1 AlAl TiTi 1회1 time 2회Episode 2 3회3rd time 4회4 times 100100 00 20.920.9 21.821.8 19.019.0 18.318.3 8080 2020 58.358.3 60.560.5 61.361.3 59.759.7 5050 5050 324.5324.5 317.9317.9 329.3329.3 330.7330.7 2020 8080 369.5369.5 370.2370.2 362.5362.5 358.2358.2 00 100100 157.6157.6 160.3160.3 149.2149.2 152.4152.4 전체all 315.3315.3 314.9314.9 311.5311.5 323.9323.9 비교예1Comparative Example 1 100100 00 18.518.5 21.321.3 20.920.9 19.219.2 00 100100 140.5140.5 138.2138.2 142.3142.3 142.6142.6 전체all 79.579.5 80.580.5 81.281.2 82.482.4 비교예2Comparative Example 2 5050 5050 310.5310.5 324.8324.8 309.8309.8 330.6330.6

표 2를 참조로, 실시예 1의 이종 경사기능복합재료의 비커스 경도 값이 비교예 1 의 복합재료의 비커스 경도 값 대비 크게 상승한 것을 확인하였다.With reference to Table 2, it was confirmed that the Vickers hardness value of the heterogeneously graded composite material of Example 1 was greatly increased compared to the Vickers hardness value of the composite material of Comparative Example 1. [

특히, 알루미늄 분말만으로 구성된 지지층의 비커스 경도 평균 값이 약 20 Hv인데에 반해, 이종재료 경사층을 구성하는 혼합층들의 비커스 경도 평균 값은 약 58 Hv 내지 369 Hv로 크게 증가한 것으로 보아, 본 발명에 따른 이종 경사기능복합재료가 상기 경사층을 구비함으로써 보다 우수한 기계적 특성을 나타낼 수 있음을 알 수 있었다.Particularly, since the Vickers hardness average value of the support layer composed of only the aluminum powder is about 20 Hv, the Vickers hardness average value of the mixed layers constituting the inclined layer of the different material greatly increases to about 58 Hv to 369 Hv, It was found that the heterogeneous gradient functional composite material can exhibit more excellent mechanical properties by providing the inclined layer.

따라서, 본 발명에 따른 실시예 1의 이종 경사기능복합재료는 상기 비교예 1의 복합재료에 비해 보다 우수한 내식성 및 강도를 나타낼 뿐만 아니라 우수한 기계적 특성을 나타낼 수 있음을 확인하였다.Thus, it was confirmed that the heterogeneously tapered composite material of Example 1 according to the present invention exhibited superior corrosion resistance and strength as well as superior mechanical properties as compared with the composite material of Comparative Example 1. [

[[ 실험예Experimental Example 2: 경사기능복합재료의 결정학적 특성 분석  2: Crystallographic characterization of inclined composite materials HVHV (( OMOM ), ), XRDXRD ]]

상기 실시예 1에 따라 제조된 경사기능복합재료의 HV(OM) 및 XRD 분석을 실시하였다. HV(OM)(The vickers hardness of the composite materials)는 일본 미쓰토요(Mitutoyo)사의 HM-101 비커스 경도 측정기를 이용하여 JIS B 7725, ISO 6507-2에 따라 0.3 kg의 하중으로 5 초 동안 측정하였고, XRD(The x-ray diffraction) 패턴은 일본 리가쿠(Rigaku)사의 X선 회절계(제품명 Ultima Ⅳ)를 이용하여 측정하였다. X선 회절계는 20 내지 80°의 2θ 범위에서 Cu Kα 방사선원(λ=1.5148 Å, 40 kV, 40 mA)을 갖는 선형 검출기(D/tex ultra)를 이용하는 것이다. HV (OM) and XRD analysis of the gradient functional composite prepared according to Example 1 was performed. The vickers hardness of the composite materials HV (OM) was measured for 5 seconds using a HM-101 Vickers hardness tester manufactured by Mitutoyo of Japan according to JIS B 7725, ISO 6507-2 under a load of 0.3 kg , And X-ray diffraction (XRD) patterns were measured using an X-ray diffractometer (trade name Ultima IV) manufactured by Rigaku Corporation, Japan. The X-ray diffractometer utilizes a linear detector (D / tex ultra) with a Cu Kα radiation source (λ = 1.5148 Å, 40 kV, 40 mA) in the 2θ range from 20 to 80 °.

도 4 내지 13은 실시예 1에 따라 제조된 경사기능복합재료의 각 층별 HV(OM) 측정 결과를 나타낸 사진이다. 도 4 내지 8은 10 배율, 도 9 내지 13은 40 배율로 확대한 것이다. 알루미늄과 티타늄 함량(Al/Ti(부피%))은 각각 도 4 (100/-), 도 5 (80/20), 도 6 (50/50), 도 7 (20/80), 도 8(-/100)이고, 도 9 (100/-), 도 10 (80/20), 도 11 (50/50), 도 12 (20/80), 도 13(-/100)이다. 도 4 내지 13에 따르면, 지지층과 표면층은 대체로 알루미늄과 티타늄의 단일 결정학적 조직을 나타내지만 경사층의 경우는 조성에 따라 바운더리의 크기가 다른 다양한 형상의 결정조직을 나타내고 있음을 확인 하였다. Figs. 4 to 13 are photographs showing the HV (OM) measurement results of the respective layers of the gradient functional composite prepared according to Example 1. Fig. Figs. 4 to 8 are magnifications of 10 magnifications, and Figs. 9 to 13 are magnifications of magnification of 40 magnifications. The contents of aluminum and titanium (Al / Ti (vol%)) are shown in Fig. 4 (100 / -), Fig. 5 (80/20), Fig. 6 (50/50) - / 100), and FIGS. 9 (100 / -), 10 (80/20), 11 (50/50), 12 (20/80) and 13 (- / 100). According to Figs. 4 to 13, it was confirmed that the support layer and the surface layer show a monocrystalline structure of aluminum and titanium in general, but the inclined layer shows a crystal structure of various shapes varying in the size of the boundary depending on the composition.

이러한 결정학적 특성은 도 14 내지 23의 XRD 결과로도 알 수 있다. 도 14 내지 18은 SPS 공정 수행 전의 혼합분말(Ti + Al), 19 내지 23은 SPS 공정 수행 후 얻어진 복합재료에 대한 XRD 분석 결과이다. 알루미늄과 티타늄 함량(Al/Ti(부피%))은 각각 도 14 (100/-), 도 15 (80/20), 도 16 (50/50), 도 17 (20/80), 도 18(-/100)이고, 도 19 (100/-), 도 20 (80/20), 도 21 (50/50), 도 22 (20/80), 도 23(-/100)이다.These crystallographic characteristics can also be seen from the XRD results of FIGS. 14-23. Figs. 14 to 18 show the mixed powder (Ti + Al) before the SPS process, and 19 to 23 show the XRD analysis results of the composite material obtained after the SPS process. The contents of aluminum and titanium (Al / Ti (volume%)) are shown in Figs. 14 (100 / -), 15 (80/20), 16 (50/50), 17 (20/80) - / 100), and FIGS. 19 (100 / -), 20 (80/20), 21 (50/50), 22 (20/80) and 23 (- / 100).

또한 혼합분말의 경우는 단일상을 나타내지만 스파크 플라즈마를 이용한 소결 공정(SPS) 후에는 Al과 Ti상 이외에도 미량의 금속간화합물 (Al3Ti, Al5Ti2, Al11Ti5)이 형성되는 것을 알 수 있었다.In addition, the mixed powder shows a single phase, but a small amount of intermetallic compounds (Al 3 Ti, Al 5 Ti 2 , Al 11 Ti 5 ) are formed besides the Al and Ti phases after the spark plasma sintering process (SPS) .

[[ 실험예Experimental Example 3: 경사기능복합재료의 미세구조 분석] 3: Analysis of Microstructure of Graded Composite Material]

도 24 내지 38은 실시예 1에 따라 제조된 경사기능복합재료를 각 층별로 나누어 분석한 SEM(scanning electron microscope) 이미지이다. 도 24 내지 28은 100㎛, 도 29 내지 33은 50㎛, 도 34 내지 38은 20㎛ 단위로 확대한 것이다. 24 to 38 are SEM (scanning electron microscope) images obtained by dividing the gradient functional composite prepared according to Example 1 into the respective layers. Figs. 24 to 28 are 100 mu m, Figs. 29 to 33 are 50 mu m, and Figs. 34 to 38 are enlarged in 20 mu m units.

알루미늄과 티타늄 함량(Al/Ti(부피%))은 각각 도 24 (100/-), 도 25 (80/20), 도 26 (50/50), 도 27 (20/80), 도 28(-/100)이고, 도 29 (100/-), 도 30 (80/20), 도 31 (50/50), 도 32 (20/80), 도 33(-/100)이고, 도 34 (100/-), 도 35 (80/20), 도 36 (50/50), 도 37 (20/80), 도 38(-/100)이다.The contents of aluminum and titanium (Al / Ti (volume%)) are shown in Figs. 24 (100 / -), 25 (80/20), 26 (50/50), 27 (20/80) - / 100), and FIG. 29 (100 / -), 30 (80/20), 31 (50/50), 32 (20/80) 100 / -, 35 (80/20), 36 (50/50), 37 (20/80), and 38 (- / 100).

도 39 내지 43은 EDS(energy dispersive x-ray spectra)결과를 나타낸 것이다. 알루미늄과 티타늄 함량(Al/Ti(부피%))은 각각 도 39 (100/-), 도 40 (80/20), 도 41 (50/50), 도 42 (20/80), 도 43(-/100)이다.39 to 43 show the results of energy dispersive x-ray spectroscopy (EDS). The contents of aluminum and titanium (Al / Ti (volume%)) are shown in FIG. 39 (100 / -), 40 (80/20), 41 (50/50), 42 (20/80) - / 100).

상기 SEM 이미지는 체코 테스칸(TESCAN)사의 기기(모델명 VEGA 2 LSU)를 이용하여 측정하였고, 상기 EDS는 일본 히타치(HITACHI)사의 기기(모델명S-2400)를 이용하여 측정하였다. 실시예 1에 따라 제조된 경사기능복합재료는 NaOH 5% 수용액에 에칭하여 전자현미경 내부에서 EDS분석을 실행하였다. The SEM image was measured using a device (model name VEGA 2 LSU) of TESCAN, and the EDS was measured using a device (model name S-2400) manufactured by HITACHI, Japan. The gradient functional composite prepared according to Example 1 was etched into an aqueous 5% NaOH solution to conduct an EDS analysis inside the electron microscope.

도 24 내지 38에 따르면 실시예 1에서 제조된 경사기능복합재료는 지지층과 표면층은 대체로 알루미늄과 티타늄의 단일 미세조직을 나타내지만 경사층의 경우는 조성에 따라 바운더리의 크기가 다른 다양한 형상의 미세조직을 나타내고 있음을 확인 할 수 있었다. 또한 제조된 경사기능복합재료는 구성하는 물질의 조성에 따라 미세조직이 조절될 수 있음을 알 수 있고 이는 결과적으로 경사층의 물성을 조절 할 수 있음을 의미한다.24 to 38, the support layer and the surface layer of the gradient functional composite produced in Example 1 generally show a single microstructure of aluminum and titanium, but in the case of the sloped layer, various shapes of boundary microstructures Of the total population. In addition, it can be seen that microstructures can be controlled according to the composition of the constituent material, which means that the physical properties of the inclined layer can be controlled as a result.

도 24 내지 38에서 지지층과 표면층은 각각의 한 성분만이 검출되었고 경사층의 경우 구성하는 물질의 조성 함량과 유사한 피크치를 나타냄을 알 수 있었다. In FIGS. 24 to 38, only one component of each of the support layer and the surface layer was detected, and in the case of the sloped layer, a peak value similar to the compositional content of the constituent material was shown.

[[ 실험예Experimental Example 4: 신뢰성 실험] 4: Reliability Experiment]

내식성Corrosion resistance 내습성Moisture resistance 내마모성
(마모율 %)
Abrasion resistance
(% Wear rate)
실시예1Example 1 PASSPASS PASSPASS 0.1%0.1% 비교예1Comparative Example 1 AL층 일부백화발생
TI층 PASS
Partial whiteness of AL layer occurred
TI layer PASS
AL층 PASS
TI층 PASS
AL layer PASS
TI layer PASS
AL층 3%
TI층 0.1%
AL layer 3%
TI layer 0.1%
비교예2Comparative Example 2 PASSPASS PASSPASS 0.08%0.08%

상기 내식성 및 내습성 실험은 염수분무시험기 (ITABASHI_SQ-1000-CA)를 이용하여 염수 스프레이(Salt spray, KS D 9502:2009)를 12시간 분무하여 결점(DEFECT) 생성 여부를 검증하는 방법으로 실시하였다. The corrosion and moisture resistance tests were conducted by spraying a salt spray (KS D 9502: 2009) for 12 hours using a salt spray tester (ITABASHI_SQ-1000-CA) .

상기 내마모 특성은 볼 온 디스크(Ball on Disk) 타입 마찰계(Tribometer, JLTB060, J&L Tech) 장비를 이용하여 하중 30N, 시간 1800sec, WC 볼의 조건에서 마모시험을 수행하여 마찰계수를 측정하였다. 마모율이 낮을수록 내마모 특성이 우수하다.The abrasion resistance was measured by performing a wear test on a ball-on-disk type tribometer (JLTB060, J & L Tech) under the conditions of a load of 30 N, a time of 1800 sec, and a WC ball. The lower the wear rate, the better the abrasion resistance.

실험 결과 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 경사기능복합재료의 내식성 및 내습성이 우수함을 확인할 수 있었고, 마찰 실험에서 마모율이 0.1% 정도로 비교예 2와 유사하게 측정되었고 이로부터 내마모성 저하되지 않았음을 확인할 수 있었고, 비교예 1에 비하여 향상된 것을 확인할 수 있었다. As a result of the experiment, it was confirmed that the antifriction and the moisture resistance of the gradient functional composite prepared according to Example 1 of the present invention was excellent. In the friction test, the wear rate was measured to be about 0.1% similar to Comparative Example 2, And it was confirmed that it was improved as compared with Comparative Example 1.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, Of the right.

100: 경사기능복합체
110: 티타늄 층
120: 접합층
125: 혼합층
130: 알루미늄 층
200: 스파크 플라즈마 소결 장치
201: 진공 챔버
202: 다이 어셈블리
203: 전류 공급 장치
204: 가압 장치
205: 제어 장치
206: 온도 및 압력 측정 장치
207: 전극
300: 스파크 플라즈마 소결 공정
301: 혼합 분말
302: 다이
303: 펄스전류
304: 줄열
305: 방전
100: inclined function complex
110: titanium layer
120: bonding layer
125: mixed layer
130: Aluminum layer
200: Spark plasma sintering apparatus
201: Vacuum chamber
202: Die assembly
203: Current supply
204: Pressurizing device
205: Control device
206: Temperature and pressure measuring device
207: Electrode
300: Spark plasma sintering process
301: mixed powder
302: Die
303: Pulse current
304: jelly
305: Discharge

Claims (8)

티타늄 분말로 이루어진 표면층;
알루미늄 분말로 이루어진 지지층; 및
상기 표면층과 지지층 사이에 알루미늄 분말과 티타늄 분말이 혼합된 복수개의 혼합층으로 구성된 이종재료 경사층;을 포함하고,
상기 이종재료 경사층은 각 혼합층이 상기 표면층에서 지지층 방향으로 배치될수록 상기 티타늄의 함량이 감소하는 것이고, 상기 복수개의 혼합층 중 어느 하나의 혼합층이 지지층 방향에 인접한 혼합층보다 티타늄의 함량이 더 많은 것인
알루미늄-티타늄 이종 경사기능복합재료.
A surface layer composed of titanium powder;
A support layer made of aluminum powder; And
And a mixed material inclined layer composed of a plurality of mixed layers in which aluminum powder and titanium powder are mixed between the surface layer and the support layer,
Wherein the content of titanium is decreased as each mixed layer is disposed in the direction of the support layer from the surface layer, and the content of titanium is greater than that of the mixed layer adjacent to the direction of the support layer
Aluminum - titanium heterogeneous inclined composite material.
제1항에 있어서,
상기 알루미늄 분말은 망간(Mn), 실리콘(Si), 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 주석(Sn) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 금속을 더 포함하는 알루미늄 합금 분말인 것인 알루미늄-티타늄 이종 경사기능복합재료.
The method according to claim 1,
Wherein the aluminum powder is an aluminum alloy powder further comprising any metal selected from the group consisting of manganese (Mn), silicon (Si), copper (Cu), magnesium (Mg), tin (Sn) Aluminum-titanium hetero-gradient composite.
제1항에 있어서,
상기 티타늄 분말은 바나듐(V), 몰리브덴(Mo), 지르코늄(Zr), 알루미늄(Al), 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co), 실리콘(Si), 주석(Sn), 네오비듐(Nb) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 금속을 더 포함하는 티타늄 합금 분말인 것인 알루미늄-티타늄 이종 경사기능복합재료.
The method according to claim 1,
The titanium powder may be at least one selected from the group consisting of vanadium (V), molybdenum (Mo), zirconium (Zr), aluminum (Al), iron (Fe), nickel (Ni), cobalt (Co), silicon Titanium (Nb), and combinations thereof. &Lt; Desc / Clms Page number 24 &gt; The aluminum-titanium heteroepitaxial composite material is a titanium alloy powder further containing any one metal selected from the group consisting of titanium,
제1항에 있어서,
상기 복수개의 혼합층 중 어느 하나의 혼합층과 인접한 혼합층 간의 티타늄 분말 함량의 차이값이 10 내지 30 부피%인 것인 알루미늄-티타늄 이종 경사기능복합재료.
The method according to claim 1,
Wherein the difference in the titanium powder content between any one of the plurality of mixed layers and the adjacent mixed layers is 10 to 30% by volume.
제1항에 있어서,
상기 복수개의 혼합층 중 중심에 위치한 혼합층을 기준으로 대칭인 층에 위치한 두 혼합층은 인접한 층과의 티타늄 분말 함량의 차이값이 대칭인 것인 알루미늄-티타늄 이종 경사기능복합재료.
The method according to claim 1,
Wherein the two mixed layers located on the symmetrical layer based on the mixed layer located at the center of the plurality of mixed layers are symmetrical in the difference in the content of titanium powder with the adjacent layer.
제1항에 있어서,
상기 알루미늄-티타늄 이종 경사기능복합재료의 비커스 경도는 120 내지 460 Hv인 것인 알루미늄-티타늄 이종 경사기능복합재료.
The method according to claim 1,
Wherein the Vickers hardness of the aluminum-titanium heterogeneously gradient functional composite material is 120 to 460 Hv.
알루미늄 분말로 이루어진 지지층을 마련하는 단계,
상기 지지층 상부에 알루미늄 분말과 티타늄 분말이 혼합된 복수개의 혼합층으로 구성된 이종재료 경사층을 적층하는 단계,
상기 이종재료 경사층 상부에 티타늄 분말로 이루어진 표면층을 적층하는 단계 및
상기 적층된 지지층, 이종재료 경사층 및 표면층을 스파크 플라즈마 소결공정을 이용하여 소결하는 단계를 포함하며,
상기 이종재료 경사층은 각 혼합층이 상기 표면층에서 지지층 방향으로 배치될수록 상기 티타늄의 함량이 감소하는 것이고, 상기 복수개의 혼합층 중 어느 하나의 혼합층이 지지층 방향에 인접한 혼합층보다 티타늄의 함량이 더 많은 것인
알루미늄-티타늄 이종 경사기능복합재료 제조방법.
Providing a support layer of aluminum powder,
Laminating a heterogeneous material inclined layer composed of a plurality of mixed layers in which aluminum powder and titanium powder are mixed on the support layer,
Laminating a surface layer made of titanium powder on the heterogeneous material inclined layer; and
And sintering the stacked support layer, the different material inclined layer and the surface layer using a spark plasma sintering process,
Wherein the content of titanium is decreased as each mixed layer is disposed in the direction of the support layer from the surface layer, and the content of titanium is greater than that of the mixed layer adjacent to the direction of the support layer
A method for manufacturing an aluminum - titanium heteroepitaxial composite material.
제7항에 있어서,
상기 스파크 플라즈마 소결 공정을 이용하여 소결하는 단계는 30 내지 200 MPa의 압력, 400 내지 600 ℃의 온도 및 유지시간 5 내지 10 분 조건에서 수행되는 것인 알루미늄-티타늄 이종 경사기능복합재료 제조방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the step of sintering using the spark plasma sintering process is performed under the conditions of a pressure of 30 to 200 MPa, a temperature of 400 to 600 DEG C and a holding time of 5 to 10 minutes.
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