KR20190108413A - 체심입방구조 고엔트로피 합금 분말 제조방법 및 그 방법으로 제조된 분말 - Google Patents

체심입방구조 고엔트로피 합금 분말 제조방법 및 그 방법으로 제조된 분말 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 체심입방구조 고엔트로피 합금 재료를 진공 아크 재용해법에 의해 용해하여 잉곳(ingot)을 형성하는 단계; 상기 잉곳(ingot)을 수소 분위기에서 열처리하여 격자 팽창에 의해 조분쇄하여 조분쇄물을 형성하는 단계; 상기 조분쇄물을 밀링(milling)하여 미분쇄물을 형성하는 단계; 및 상기 미분쇄물을 진공 열처리하여 수소를 제거하여 체심입방구조 고엔트로피 합금 분말을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 체심입방구조 고엔트로피 합금 분말 제조방법을 제공하여, 밀링(milling) 시간을 단축시키고 밀링 미디어(milling media)로부터 철 성분 유입 및 산화로 인해 발생하는 분말 오염의 문제를 해결할 수 있으면서도 고온에서 기계적 강도가 우수한 체심입방구조 고엔트로피 합금 분말을 제조할 수 있는 효과가 있다.

Description

체심입방구조 고엔트로피 합금 분말 제조방법 및 그 방법으로 제조된 분말 {Preparation method of body-centered cubic high-entropy alloy powder and the powder thereof}
본 발명은 체심입방구조 고엔트로피 합금 분말 제조방법 및 그 방법으로 제조된 분말에 관한 것으로, 보다 상세하게는 체심입방구조 고엔트로피 합금 재료의 잉곳(ingot)을 수소 분위기에서 열처리하여 금속의 수소 취성에 의해 조분쇄함으로써 분쇄 공정을 용이하게 하는 제조방법에 관한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 전통적으로 일반적인 합금(100)은 철, 구리, 알루미늄, 마그네슘, 티타늄과 같은 주요 원소(101)와 다양한 소량의 합금 원소(102)로 구성되어 있다. 통상적으로, 기존 다원소 합금의 경우, 합금 원소(102)의 수와 양이 증가할수록 재료의 기계적 성질을 취약하게 하는 금속간 화합물을 형성한다.
고엔트로피 합금(High-entropy alloy, HEA)은 주요 원소로 특정할 수 없는 비슷한 분율의 다수의 주요 원소로 구성되어 있기 때문에 높은 구성 엔트로피로 인해 금속간 화합물이 형성되지 않고, 면심입방구조 혹은 체심입방구조 계열의 단상을 형성한다. 이러한 고엔트로피 합금의 조성 및 구조적 특수성은 심각한 격자 왜곡으로 인한 고강도 및 인성, 인코넬(Inconel)과 같은 초합금보다 우수한 고온 강도, 구조적 안정성을 가지며 크리프 저항성과 확산속도가 낮고, 용접성이 좋으며, 변형경화 능력이 크고, 유동응력의 변형률 민감도가 높은 특성을 나타낸다고 알려져 있다. 상온에서 칸토(Cantor) 합금으로 대표되는 고엔트로피 합금의 일반적인 내부식성은 304S 스테인레스 강재보다 우수하다. 이러한 뛰어난 특성으로 인해 고엔트로피 합금은 유망한 다기능 재료 및 차세대 구조 재료로 각광받고 있다.
도 2는 고엔트로피 합금(200)의 구조를 나타낸 것이다. 5종의 원소가 합금을 구성하고 있으며, 구성 원소의 분율이 비슷하여 주요 원소를 특정할 수 없다. 또한 격자가 심하게 찌그러진 구조를 보여준다.
고엔트로피 합금은 단상 형성에 따라 면심입방구조(face-centered cubic, FCC) 및 체심입방구조(Body-centered cubic, BCC) 계열로 구분된다. 면심입방구조 고엔트로피 합금으로 대표적인 것은 Fe-Co-Cr-Mn-Ni가 있으며, 면심입방구조 고엔트로피 합금은 낮은 적층결함에너지를 가져 극저온에서 높은 강도와 연성을 나타낸다. 체심입방구조 고엔트로피 합금은 면심입방구조 고엔트로피 합금 대비 녹는점이 높은 W, Mo, Ti 등의 원소가 혼합되며, 고온에서 기계적 강도가 우수하여 우주, 항공용 부품이나 가스터빈 등에 사용된다.
고엔트로피 합금의 제조방법으로 대표적인 것은 기계적 합금화(Mechanical alloying, MA)이다. 기계적 합금화는 분말이 단단한 볼 등의 충격에 의해 합금이 형성되는 과정을 의미한다. 기계적 합금화의 원리는 용기가 회전함에 따라 볼과 재료가 충돌하면서 가공경화, 평탄화, 냉간 접합, 균열 과정이 반복되면서 합금화가 진행되는 것이다. 기계적 합금화 공정은 많은 장점을 가지고 있다. 실온 또는 그 이하의 온도에서 공정이 가능하며, 녹는점 차이가 커서 주조 방법으로 제조할 수 없는 재료도 제조가 가능하다. 또한, 주조 방법이 가지는 편석과 같은 문제점을 최소화할 수 있다.
그러나, 고엔트로피 합금의 제조방법으로 기계적 합금화가 사용된 것은 주로 녹는점이 상대적으로 낮은 면심입방구조 고엔트로피 합금에서였고, 상대적으로 녹는점이 높고 기계적 강도가 높은 체심입방구조 고엔트로피 합금을 기계적 합금화를 통해 제조하려면 장시간의 공정이 필요한 문제가 있다. 또한 장시간 공정 중 밀링(milling) 용기와 밀링 미디어(milling media)로부터 철 성분이 유입되거나, 산화로 인해 최종 생성되는 고엔트로피 합금 분말의 오염 문제가 발생하였다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 체심입방구조 고엔트로피 합금 분말의 제조에 있어서 밀링(milling) 시간을 단축시키고 밀링 미디어(milling media)로부터 철 성분 유입 및 산화로 인해 발생하는 분말 오염의 문제를 해결할 수 있으면서도 고온에서 기계적 강도가 우수한 체심입방구조 고엔트로피 합금 분말을 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는 체심입방구조 고엔트로피 합금 재료를 진공 아크 재용해법에 의해 용해하여 잉곳(ingot)을 형성하는 단계; 상기 잉곳(ingot)을 수소 분위기에서 열처리하여 격자 팽창에 의해 조분쇄하여 조분쇄물을 형성하는 단계; 상기 조분쇄물을 밀링(milling)하여 미분쇄물을 형성하는 단계; 및 상기 미분쇄물을 진공 열처리하여 수소를 제거하여 체심입방구조 고엔트로피 합금 분말을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고엔트로피 합금 분말 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 체심입방구조 고엔트로피 합금 재료는 W, Ta, Mo, Nb, Cr, V, Ti, Hf 및 Zr 중 선택된 4가지 이상을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 체심입방구조 고엔트로피 합금 재료는 Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Al 중 선택된 하나 이상을 추가로 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 수소 분위기에서 열처리는 수소 100%의 조건에서 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 수소 분위기에서 열처리는 450 내지 1200℃의 열처리 온도에서 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 수소 분위기에서 열처리는 3 내지 7℃/분의 승온속도로 상기 열처리 온도에 도달하여 90분 내지 150분 동안 유지하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 수소 분위기에서 열처리시 수소의 이슬점은 -20℃ 미만일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 잉곳(ingot)과 조분쇄물을 Cu Kα X-선 회절 분석하였을 때, 잉곳(ingot)에 비하여 조분쇄물의 110 피크의 각도가 0.1도 이상 왼쪽으로 이동할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 밀링(milling)은 수평식 밀(Horizontal mill), 어트리션 밀(Atrrition mill), 플래너터리 밀(Planetary mill) 및 햄머 밀(hammer-mill) 중 선택된 어느 하나에 의해 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 밀링(milling)은 20 내지 60분 동안 수행될 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는 상기 제조방법으로 제조된 체심입방구조 고엔트로피 합금 분말을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 체심입방구조 고엔트로피 합금 분말의 제조에 있어서 밀링(milling) 시간을 단축시키고 밀링 미디어(milling media)로부터 철 성분 유입 및 산화로 인해 발생하는 분말 오염의 문제를 해결할 수 있으면서도 고온에서 기계적 강도가 우수한 체심입방구조 고엔트로피 합금 분말을 제조할 수 있는 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 일반적인 합금의 구조를 나타낸 구조도이다.
도 2는 고엔트로피 합금의 구조를 나타낸 구조도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 체심입방구조 고엔트로피 합금 분말 제조방법의 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 열처리 전후 잉곳(ingot)과 조분쇄물의 비교 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 잉곳(ingot)과 조분쇄물의 비커스 경도(Vickers hardness)를 시험한 사진이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 잉곳(ingot)과 조분쇄물의 Cu Kα X-선 회절 분석에서 110 피크를 비교한 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
이하, 체심입방구조 고엔트로피 합금 분말 제조방법에 대하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예를 모식적으로 나타낸 것이다. 본 발명은 체심입방구조 고엔트로피 합금 재료를 진공 아크 재용해법에 의해 용해하여 잉곳(ingot)을 형성하는 단계(S100); 상기 잉곳(ingot)을 수소 분위기에서 열처리하여 격자 팽창에 의해 조분쇄하여 조분쇄물을 형성하는 단계(S200); 상기 조분쇄물을 밀링(milling)하여 미분쇄물을 형성하는 단계(S300); 및 상기 미분쇄물을 진공 열처리하여 수소를 제거하여 체심입방구조 고엔트로피 합금 분말을 형성하는 단계(S400)를 포함하는 것을 특징으로 하는 체심입방구조 고엔트로피 합금 분말 제조방법을 제공한다.
상기 체심입방구조 고엔트로피 합금 재료는 W, Ta, Mo, Nb, Cr, V, Ti, Hf 및 Zr 중 선택된 4가지 이상을 포함한다. 상기 금속 원소는 녹는점이 높은 편이고, 기계적 강도가 우수하며, 비슷한 분율로 합금 생성시 체심입방구조 고엔트로피 합금을 형성한다. 단일 금속도 강도가 높기 때문에 밀링(milling)에 의해 가공이 쉽지 않은 편이며, 따라서 기계적 합금화를 진행하기 위해서는 밀링(milling) 시간을 단축시킬 방법을 필요로 한다.
상기 합금 재료는 둘 이상 원소의 합금 또는 단일 금속의 형태로 준비될 수 있으며, 이들의 혼합물 형태로도 준비될 수 있다. 예를 들어 목적하는 체심입방구조 고엔트로피 합금의 구성 원소가 W, Ta, Nb, V, Ti이라면, 상기 원소 각각이 단일 금속의 형태로 준비될 수 있고, W-Ta 합금과 Nb-V-Ti 합금의 형태로도 준비될 수 있으며, W-Ta 합금과 Nb, V, Ti 각각의 단일 금속 형태로 준비될 수도 있다.
또한 상기 체심입방구조 고엔트로피 합금 재료는 Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Al 중 선택된 하나 이상을 추가로 포함할 수 있다.
상기 S100 단계에서 사용되는 진공 아크 재용해법(Vacuum Arc Remelting, VAR)은 1차 정련된 금속을 가느다란 전극 형태로 주조해 진공함 속에서 수냉 몰드 속에 아크를 발생시키면 전극봉 선단으로부터 순차적으로 용융하여 몰드 내에 적하시키는 방법을 말한다. 적하 도중에 탈가스화 등의 과정을 거치므로 정련도가 높아지는 장점이 있고, 녹는점이 높은 고강도 금속 등의 용해에 사용된다. 본 발명에서는 체심입방구조 고엔트로피 합금 분말 제조를 위해 녹는점이 높은 금속들을 주로 용해하게 되므로 진공 아크 재용해법을 이용해 잉곳(ingot)을 형성한다.
잉곳(ingot)이 형성되면 S200 단계에서는 이를 수소 분위기에서 열처리한다. 수소 분위기에서 열처리는 수소 100%의 조건에서 수행될 수 있다. 열처리를 위한 노(furnace) 내부에 잉곳(ingot)을 위치시킨 다음, 수소를 주입하고 외부에서 가열하여 열처리할 수 있다. 노의 종류는 유도가열식, 가스가열식, 혼합식 등이 있을 수 있으며, 잉곳(ingot)과 수소를 주입하고 밀봉하여 가열할 수 있는 구조를 가진 것이면 어느 것이든 한정되지 않는다.
수소 분위기에서 열처리 하게 되면, 잉곳(ingot)은 수소를 받아들여 내부로 확산하게 된다. 열처리가 진행될수록 확산되는 수소의 양이 많아지고, 수소에 의해 잉곳(ingot)의 취성이 높아지게 된다. 이는 수소에 의한 잉곳(ingot) 내부 금속 격자의 팽창에 의한 것이며, 팽창이 심해지면 잉곳(ingot)은 결국 조분쇄되어 조각으로 갈라지게 된다. 수소의 양이 많을수록 취화의 정도가 심해지며 본 발명에서는 취성을 높이는 것이 목적이므로 수소 100%의 조건에서 열처리하는 것이다.
수소 분위기에서 열처리는 450 내지 1200℃의 열처리 온도에서 수행될 수 있다. 450℃ 미만의 온도에서는 수소 취성이 충분히 유발되지 않으므로 바람직하지 않고, 1200℃를 초과하는 온도에서는 투입되는 에너지 대비 수소 취성 유발 및 분쇄 효율이 떨어지게 되므로 바람직하지 않다. 상기 범위 내에서 수소 취성이 유발된 잉곳(ingot)은 조분쇄되어 이후 S300 공정에서의 분쇄 효율이 높아지게 된다.
상기 열처리 온도까지 승온은 3 내지 7℃/분의 승온속도로 이루어질 수 있다. 3℃/분의 속도 미만으로 승온하는 경우 열처리 시간이 너무 길어져 바람직하지 않고, 7℃/분의 승온 속도를 초과하는 경우 가열에 투입되는 에너지 대비 공정 효율이 떨어지게 되므로 바람직하지 않다.
상기 열처리 온도까지 도달하면 90분 내지 150분 동안 온도를 유지하여 열처리할 수 있다. 90분 미만의 시간은 열처리가 충분히 이루어지지 않아 수소 취성 유발이 충분하지 못할 수 있으므로 바람직하지 않고, 150분을 초과하는 시간은 공정 시간이 길어지고, 가열에 투입되는 에너지 대비 수소 취성 유발 효율이 떨어지게 되므로 바람직하지 않다.
상기 수소 분위기에서 열처리시 수소의 이슬점은 -20℃ 미만일 수 있다. 수소는 산소와 반응하여 수증기를 발생시킨다. 수소의 이슬점이 높다는 것은 그만큼 반응기 내의 산소 농도 또는 반응물에 포함된 산소의 농도도 높다는 것을 의미한다. 산소의 농도가 높아지고 또한 수소의 이슬점이 높아지면 열처리하는 잉곳(ingot)에 오염을 일으키게 된다. 산소는 체심입방구조 고엔트로피 합금에서 불순물로 작용하여 합금의 특성을 약화시키므로 농도가 높아지지 않는 것이 바람직하다. 예를 들어 수소 100% 반응기 조건에서 수소의 이슬점이 -20℃ 미만일 때, 열처리 전 잉곳(ingot)에 포함된 산소의 농도가 0.13wt%면 열처리 후 조분쇄물에 포함된 산소 농도는 0.15wt% 이하일 수 있다. -20℃ 이상의 이슬점에서는 산소 농도가 크게 증가할 수 있으므로 바람직하지 않다.
도 4는 수소 열처리 전후 잉곳(ingot)과 조분쇄물의 형태를 나타낸 사진이다. 수소 분위기에서 열처리 후 수소 취성이 유발되어 격자 팽창에 의해 잉곳(ingot)이 조분쇄된 것을 볼 수 있다.
상기 잉곳(ingot)과 조분쇄물을 Cu Kα X-선 회절 분석하였을 때, 잉곳(ingot)에 비하여 조분쇄물의 110 피크의 각도가 0.1도 이상 왼쪽으로 이동할 수 있다. 결정 면이나 격자 면을 표시하는 밀러 지수(Miller Indices)에서 110은 z축과 평행하고 x, y축을 대각선으로 가르는 면이 되고, X-선 회절 분석에서 110 피크의 각도가 왼쪽으로 이동했다는 것은 110면에서 회절이 줄어들었다는 것을 의미한다. 이는 잉곳(ingot)의 격자가 팽창에 의해 격자간 거리가 멀어지기 때문에 일어나는 것이며, 결국 110 피크의 각도가 왼쪽으로 이동한다는 것은 잉곳(ingot)의 격자가 충분히 팽창되었다는 의미로 받아들일 수 있다. 110 피크가 0.1 미만으로 이동한 경우 수소 취성에 의해 잉곳(ingot)의 격자가 충분히 팽창되어 조분쇄되었다고 보기 어려우므로 바람직하지 않다.
S300 단계에서는 조분쇄물을 밀링(milling)하여 미분쇄물을 생성하게 된다. 밀링(milling)은 수평식 밀(Horizontal mill), 어트리션 밀(Atrrition mill), 플래너터리 밀(Planetary mill) 및 햄머 밀(hammer-mill) 중 선택된 어느 하나에 의해 수행될 수 있다. 밀링(milling)에 의해 기계적 합금화가 진행된다.
밀링(milling) 시간은 20 내지 60분인 것이 바람직하다. 20분 미만으로 밀링(milling)을 진행하는 경우 기계적 합금화가 충분히 진행되지 않아 바람직하지 않고, 60분을 초과하여 밀링(milling)을 진행하는 경우 밀링 미디어(milling media)에 의한 오염이 생길 수 있으므로 바람직하지 않다.
밀링 미디어(milling media)로 주로 사용되는 지르코니아 볼(ZrO2 ball)에 의해 오염이 발생할 수 있다. 이는 장시간 밀링(milling)을 진행하는 경우 합금에 원하지 않는 지르코니아(ZrO2)가 유입되는 형태로 나타나며, 고엔트로피 합금에서 연신율을 떨어뜨리는 것으로 알려져 있다.
본원 발명은 강도가 높아 밀링(milling)이 어려운 체심입방구조 고엔트로피 합금 분말을 제조하면서도 밀링(milling) 시간을 줄일 수 있어 밀링 미디어(milling media)에 의한 오염을 회피할 수 있다.
S400 단계에서는 밀링(milling)에 의해 형성된 미분쇄물을 진공 열처리하여 수소를 제거하여 체심입방구조 고엔트로피 합금 분말을 형성한다. 최종 제조된 체심입방구조 고엔트로피 합금은 고온 강도, 구조적 안정성 등의 기계적 성질을 유지하기 위해 수소 취성이 적은 것이 바람직하며, 따라서 진공 열처리에 의해 수소를 제거해 주는 것이다.
본 발명은 또한 상기한 방법으로 제조된 체심입방구조 고엔트로피 합금 분말을 제공한다. 본 발명에 따른 체심입방구조 고엔트로피 합금 분말은 고온에서 기계적 강도가 우수하여 우주 재료, 항공 재료, 가스 터빈 등에 사용될 수 있다.
이하 제조예와 실험예를 통해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
<제조예 1>
W, Ta, Nb, V, Ti를 각각 동일 몰수의 단일 금속으로 준비하였다. 이를 혼합하여 진공 아크 재용해하여 잉곳(ingot)을 형성하였다. 유도가열로에 잉곳(ingot)을 넣고 수소를 주입한 다음 5℃/분의 속도로 600℃까지 가열한 다음 2시간 유지시켰다. 초기 잉곳(ingot)의 산소 농도는 0.13wt%, 주입한 수소의 이슬점은 -30℃였다. 이후 유도가열로를 냉각하여 형성된 조분쇄물을 꺼내어 5mmФ 초경의 미디어를 가진 햄머 밀에 넣고 150rpm에서 60분 동안 분쇄하여 미분쇄물을 형성하였다. 미분쇄물을 진공 열처리하여 수소를 제거하여 체심입방구조 고엔트로피 합금 분말을 제조하였다.
<제조예 2~9>
수소 열처리 온도를 450℃, 500℃, 700℃, 800℃, 900℃, 1000℃, 1100℃, 1200℃로 각각 변화시킨 것을 제외하고는 상기 제조예 1과 동일하게 체심입방구조 고엔트로피 합금 분말을 제조하였다.
<제조예 10~14>
수소의 이슬점을 -40℃, -50℃, -60℃, -70℃, -80℃로 각각 변화시킨 것을 제외하고는 상기 제조예 1과 동일하게 체심입방구조 고엔트로피 합금 분말을 제조하였다.
<비교예 1~2>
수소 열처리 온도를 350℃, 400℃로 각각 변화시킨 것을 제외하고는 상기 제조예 1과 동일하게 체심입방구조 고엔트로피 합금 분말을 제조하였다.
<비교예 3~7>
수소의 이슬점을 -20℃, -10℃, 0℃, 10℃, 20℃로 각각 변화시킨 것을 제외하고는 상기 제조예 1과 동일하게 체심입방구조 고엔트로피 합금 분말을 제조하였다.
<실험예 1>
상기 제조예 1의 제조 중 수소 열처리 전후의 잉곳(ingot)과 조분쇄물을 각각2.0kgf에서의 비커스 경도(Vickers hardness)를 측정하여 도 5에 나타내었다. 수소 열처리 전 잉곳(ingot)의 평균 강도는 747.8HV였으나, 같은 측정 조건에서 수소 열처리 후 조분쇄물은 수소 취성에 의한 격자 팽창으로 로드를 견디지 못하고 크랙(crack)이 발생한 것을 볼 수 있다.
<실험예 2>
상기 제조예 1 내지 9, 비교예 1 내지 2의 제조 중 수소 열처리 전후의 잉곳(ingot)과 조분쇄물을 Cu Kα X-선 회절 분석하여 110 피크 이동량을 하기 <표 1>에 나타내었다. 제조예 1 내지 9에서는 110 피크가 0.11 내지 0.20 이동하나, 비교예 1 내지 2에서는 110 피크가 0.10 미만으로 이동하는 것을 볼 수 있다. 도 6은 제조예 1에서의 110 피크의 이동을 나타낸 그래프이다.
<실험예 3>
상기 제조예 1 내지 9, 비교예 1 내지 2의 체심입방구조 고엔트로피 합금 분말의 75um이하 분말 분율을 관찰하여 하기 <표 1>에 나타내었다. 제조예 1 내지 9의 75um이하 분말 분율은 75% 이상으로 분쇄 효율이 우수하나, 비교예 1 내지 2의 75um이하 분말 분율은 20% 미만으로 분쇄 효율이 낮은 것을 알 수 있다.
구 분 수소 열처리 온도(℃) 110 피크 이동량 75um 이하 분말 분율(%)
비교예 1 350 0.04 15
비교예 2 400 0.05 16
제조예 2 450 0.11 75
제조예 3 500 0.15 79
제조예 1 600 0.19 82
제조예 4 700 0.18 80
제조예 5 800 0.20 85
제조예 6 900 0.19 80
제조예 7 1000 0.18 81
제조예 8 1100 0.19 83
제조예 9 1200 0.19 80
<실험예 4>
상기 제조예 1, 10 내지 14와 비교예 3 내지 7의 수소 이슬점과 초기 잉곳(ingot) 산소 농도, 수소 열처리 후 조분쇄물의 산소 농도를 하기 <표 2>에 나타내었다. 제조예 1, 10 내지 14는 산소 농도의 변화가 크지 않으나, 비교예 3 내지 7은 산소 농도의 증가가 큰 것을 알 수 있다.
구 분 수소 이슬점(℃) 초기 잉곳(ingot) 산소농도(wt%) 수소 열처리 후 조분쇄물 산소농도(wt%)
제조예 14 -80 0.13 0.13
제조예 13 -70 0.13 0.13
제조예 12 -60 0.13 0.13
제조예 11 -50 0.13 0.13
제조예 10 -40 0.13 0.14
제조예 1 -30 0.13 0.15
비교예 3 -20 0.13 0.23
비교예 4 -10 0.13 0.27
비교예 5 0 0.13 0.38
비교예 6 10 0.13 0.45
비교예 7 20 0.13 0.55
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 일반 합금
101 : 주요 원소 102 : 합금 원소
200 : 고엔트로피 합금
201 : 제1주요원소 202 : 제2주요원소
203 : 제3주요원소 204 : 제4주요원소
205 : 제5주요원소

Claims (11)

  1. 체심입방구조 고엔트로피 합금 재료를 진공 아크 재용해법에 의해 용해하여 잉곳(ingot)을 형성하는 단계;
    상기 잉곳(ingot)을 수소 분위기에서 열처리하여 격자 팽창에 의해 조분쇄하여 조분쇄물을 형성하는 단계;
    상기 조분쇄물을 밀링(milling)하여 미분쇄물을 형성하는 단계; 및
    상기 미분쇄물을 진공 열처리하여 수소를 제거하여 체심입방구조 고엔트로피 합금 분말을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 체심입방구조 고엔트로피 합금 분말 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 체심입방구조 고엔트로피 합금 재료는 W, Ta, Mo, Nb, Cr, V, Ti, Hf 및 Zr 중 선택된 4가지 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 체심입방구조 고엔트로피 합금 분말 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 체심입방구조 고엔트로피 합금 재료는 Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Al 중 선택된 하나 이상을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 체심입방구조 고엔트로피 합금 분말 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 수소 분위기에서 열처리는 수소 100%의 조건에서 수행되는 것을 특징으로 하는 체심입방구조 고엔트로피 합금 분말 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 수소 분위기에서 열처리는 450 내지 1200℃의 열처리 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 체심입방구조 고엔트로피 합금 분말 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 수소 분위기에서 열처리는 3 내지 7℃/분의 승온속도로 상기 열처리 온도에 도달하여 90분 내지 150분 동안 유지하는 것을 특징으로 하는 체심입방구조 고엔트로피 합금 분말 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 수소 분위기에서 열처리시 수소의 이슬점은 -20도 미만인 것을 특징으로 하는 체심입방구조 고엔트로피 합금 분말 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 잉곳(ingot)과 조분쇄물을 Cu Kα X-선 회절 분석하였을 때, 잉곳(ingot)에 비하여 조분쇄물의 110 피크의 각도가 0.1도 이상 왼쪽으로 이동하는 것을 특징으로 하는 체심입방구조 고엔트로피 합금 분말 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 밀링(milling)은 수평식 밀(Horizontal mill), 어트리션 밀(Atrrition mill), 플래너터리 밀(Planetary mill) 및 햄머 밀(hammer-mill) 중 선택된 어느 하나에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 체심입방구조 고엔트로피 합금 분말 제조방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 밀링(milling)은 20 내지 60분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 체심입방구조 고엔트로피 합금 분말 제조방법.
  11. 제1항의 방법으로 제조된 체심입방구조 고엔트로피 합금 분말.
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