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단결정, 일방향응고, 다결정 TiAl+Mo합금의 미세조직과 기계적 성질 = Microstructure and mechanical properties of single-, DS- and poly-crystalline TiAl+Mo alloys
서명 / 저자 단결정, 일방향응고, 다결정 TiAl+Mo합금의 미세조직과 기계적 성질 = Microstructure and mechanical properties of single-, DS- and poly-crystalline TiAl+Mo alloys / 김민철.
저자명 김민철 ; Kim, Min-Chul
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 1997].
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In this study, research interest has been focused on the two-phase Ti-rich TiAl compounds with the fully lamellar structure which are beneficial for toughness and high-temperature strength. the effect of third element additions on the microstructure and deformation behavior of polysynthetically twinned (PST) crystals, directionally solidified (DS) and polycrystalline forms of two-phase TiAl alloys were systematically investigated in order to get a basic conception for alloying additions on the two-phase TiAl compounds with the lamellar structure. In chapter Ⅲ, It was found that the Mo additions in TiAl PST crystals increase both the yield stress and tensile elongation to fracture but the increase in yield stress depend on the angle φ at which the lamellar boundaries lie from the loading axis. The large difference in yield stress between specimens deformed parallel (φ = 0°) or perpendicular (φ = 90°) to the loading axis and those deformed in intermediate orientations could be explained by the difference in Mo content between the TiAl and the $Ti_3Al$ phases. It was also found that the Mo-doped specimens with intermediate orientation fail by cracking zigzag across to the lamellar boundaries, which is the same fracture mode as that of binary specimens with intermediate orientations tested in vacuum. This suggests that Mo atoms are thought to play a role to reduce the environmental embrittlement of binary PST crystals, resulting in increasing the tensile ductility. In chapter Ⅳ tensile elongation as large as 6.5% was observed for a polycrystalline specimen with duplex structure, but it varied with the strain rate and the test environments. In case of the fully lamellar structure, however, tensile elongation lower than 1% was obtained in polycrystalline specimens. It was found from directional solidification studies that the lamellar boundary orientation in DS ingot has been affected by the growth rate and Mo contents. In case of Ti-48.5Al-0.6Mo DS ingot grown at a growth rate of 300mm/hr, the lamellar boundary was nearly perpendicular to the growth direction. However, the lamellar boundary orientation of Ti-47.5Al-2.5Mo DS ingot was nearly parallel to the growth direction when the directional solidification was performed at a growth rate of 90mm/hr. These results have shown that solidification procedures of TiAl with a nearly stoichiometric composition has been affected by Mo addition and, therefore, the lamellar boundary orientation in DS ingot could be controlled by changing the growth rate and the content of Mo additions. The reason of such alignment can be found in the solidification steps. During the directional solidification around 50Al, the hcp α phase appears first and the [0001] plane of primary α phase aligns normal to the growth direction. When γ phase appears after α phase, because of the orientation relation between γ and α phase $((111)_γ//(0001)_α)$, the lamellar boundaries would grow normal to the growth direction. But if the first solidified phase is the bcc β phase, the relationship between α and β phase$((0001)_α//(110)_β)$ makes the formation of the lamellar boundary inclined at an angle of 0° or 45° to the growth direction highly probable. DS processing of two-phase Ti-rich TiAl alloys with fully lamellar structure has great possibilities to avoid inverse relations between tensile properties and fracture/high temperature capabilities, and to take advantage to the anisotropic nature of the lamellar microstructure. If the lamellar orientation can be aligned parallel to the growth direction, the combination of strength and toughness would be optimized in the resulting microstructure consisting of columnar grains with the lamellar orientation aligned parallel the growth direction. In chapter V, effects of ternary elements on the microstructural development during the directional solidification(DS) and the final mechanical properties of DS ingot, which has the fully lamellar structure and the same lamellar orientation, has been tentatively investigated to clarify how the primary solid phase affects the final lamellar orientation and thus the tensile ductility at room temperature. DS ingots have been growth by the arc melted unidirectional solidification equipment without seed materials. Some β stabilizing elements such as Mo, Nb and Cr have been added in order to increase β phase field in binary system. In case of Ti-46Al-2Mo-2Nb-0.1B, Ti-46Al-3Nb and Ti-46Al-2Cr-2Nb DS ingot grown at a growth rate of 90mm/hr, it has been found that the lamellar orientation was aligned nearly 0° to 45° to the growth direction. Therefore, it could be concluded that there has been great possibility to control lamellar orientation by adding some β stabilizing elements such as Mo and Nb. In case of Ti-47.5Al-2.5Mo DS ingot grown at a growth rate of 180mm/hr and 360mm/hr, the lamellar boundary was nearly perpendicular to the growth direction. However, when the directional solidification was performed at a growth rate of 90mm/hr, the lamellar boundary orientation of Ti-47.5Al-2.5Mo DS ingot was nearly parallel to the growth direction. This results mean that lamellar boundary orientation of DS ingot has been affected by the growth rate as well as composition. These results have shown that lamellar boundary orientation could be aligned parallel to the growth direction, so we can achieve the combination of RT ductility and toughness/high temperature capabilities by directional solidification process.

금속간화합물 TiAl은 비중이 작으면서도 고융점이고 높은 비강도 및 고온강도를 나타내며, 또한 우수한 내산화성 및 크립특성을 나타냄으로서 기존의 Ti기지합금 및 Ni기 초합금을 대체할 수 있는 차세대 경량내열재료로서 기대를 모으고 있다. 또한 지금까지 이 재료의 실용화에 최대 장애요소로서 지적되었던 상온연성의 부족이라는 문제도 합금원소 첨가 및 가공열처리를 이용한 미세조직제어를 통해서 개선할 수 있다는 가능성이 제시됨으로써 이 재료의 실용화에 대한 기대가 한층 높아지고 있다. 하지만 이러한 상온연성개선법은 이 재료의 장점인 파괴인성 및 크리프특성을 저하시키는 단점이 있다. 따라서 기존의 우수한 파괴인성과 고온특성을 유지하면서도 적정한 상온연성을 나타내는 새로운 합금계 및 제조방법의 개발이 요구되고 있다. 본 연구에서는 이러한 점에 착안하여 우수한 고온특성을 나타내는 것으로 알려져 있는 완전층상조직의 Ti-rich TiAl을 주 연구대상으로 하여 이 조직의 미세조직과 변형거동에 미치는 첨가원소의 영향에 대한 정성 및 정량적 분석을 PST(Polysynthetically Twinned)결정과 단조가공된 다결정합금 그리고 일방향응고된 다결정시료를 사용하여 실시하였다. 제 3장에서는 0.6Mo이 첨가된 Ti-48.5Al PST 결정의 제 3원소의 첨가 효과를 보기 위해 상온에서 인장과 압축시험을 행하였다. TiAl PST 결정에서 Mo의 첨가는 항복강도와 파괴에 이르는 인장연신율을 증가시킨다. 그러나 항복응력값의 증가량은 층상경계 방향에 따라 변화하였다. 층상경계의 방향이 응력축과 평행(φ = 0°)하거나 수직(φ = 90°)하게 변형된 시편과 중간각을 가지고 변형된 시편간의 항복응력의 큰 차이는 TiAl과 $Ti_3Al$상의 Mo의 농도 차이로 설명되어질 수 있다. $B_2$ 방향을 갖는 Mo이 첨가된 PST 결정은 층상경계면을 가로질러 균열이 zigzag로 나면서 파괴가 일어나며, 이러한 결과는 2원계합금을 이용하여 진공중에서 실험한 결과와 같은 결과이다. 이러한 결과는 Mo원자가 2원계 PST 결정의 환경취성을 줄여서 인장 연신율을 증가시키는데 중요한 역할을 한다는 것을 의미한다. 제 4장에서는 단조 가공한 다결정 TiAl합금과 일방향응고한 TiAl합금에서의 상온인장변형특성에 미치는 Mo 첨가의 효과를 고찰하기 위해 인장시험을 행하였다. 또한 방향성응고법을 이용한 완전층상조직을 갖는 TiAl합금의 실용화 가능성을 평가하기 위해 일방향응고를 수행하였다. 단조가공을 통하여 Ti-48.5Al-0.6Mo합금은 열처리에 따라서 매우 미세한 복합조직과 비교적 작은 결정립 크기를 갖는 완전층상조직을 얻을 수 있었다. 이러한 결정입계의 미세화는 기존의 연구결과에서와 마찬가지로 이 재료의 상온연성을 향상시키는 것으로 나타났다. 그러나 완전층상조직의 경우 단조가공을 하였음에도 불구하고 2% 미만의 낮은 상온연신율을 나타내었다. Ti-48.5Al-0.6Mo합금을 300mm/hr로 일방향응고시킨 경우, 층상경계는 성장방향에 수직한 방향으로 배열되며, 이러한 형태는 성장방향으로의 인장시 취약한 인장특성을 나타내는 원인이 되었다. 그러나 Ti-47.5Al-2.5Mo합금을 보다 낮은 속도인 90mm/hr에서 성장시킨 경우 층상경계가 성장방향으로 배열되는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 TiAl합금의 응고과정이 Mo의 첨가에 의해 변화되었으며, 따라서 층상경계의 배열은 Mo과 같은 β 안정화원소의 첨가와 일방향응고속도를 조절함으로써 제어될 수 있음을 확인하였다. 일방향응고시 층상경계가 성장방향에 수직하게 배열하는 원인은 이 재료의 2원계 상태도를 고찰해봄으로써 알 수 있다. 50Al부근의 조성에서의 응고과정에서는 처음으로 형성되는 hcp구조의 α상의 (0001)면은 성장방향에 대해 수직으로 배열될 것이다. 따라서 계속되는 냉각과정에서 γ상이 형성되어서 층상구조를 형성할 때는 α상과 γ상의 방위 관계((0001)α//(111) γ)에 따라 결국 층상경계가 성장방향에 대해 수직으로 배열되게 된다. 그러나 처음으로 형성되는 상이 bcc구조의 β상일 경우에는 β의 조밀면인 (110)면은 성장방향에 대해 0°이거나 45° 기울어진 형태로 성장하게 된다. 이로부터 α상이 형성되면 α상과 β상의 방위관계$((110)_α//(0001)_β)$로부터 (0001)α면이 성장방향에 대해 0°이거나 45° 기울어진 형태로 배열될 것으로 기대되며, 최종 변태과정에서 형성되는 $γ/α_2$의 층상구조 역시 성장방향에 대하여 0° 혹은 45°의 배열을 갖게 될 것이다. 완전층상조직을 갖는 2상 TiAl합금에서의 일방향응고의 적용은 인장특성과 파괴인성 및 고온물성의 상반된 관계를 극복하고 또한 층상조직의 이방적 특성의 장점을 취할 수 있을 것이라 기대된다. 제 5장에서는 TiAl계 금속간화합물의 응고과정의 해석과 층상경계의 방향제어를 위해 첨가원소와 양과 종류를 변화시키고, 또한 일방향응고시의 응고조건을 변화시키며 일방향응고를 수행하였다. 2원계 TiAl합금의 일방향응고중 급냉하여 수지상을 관찰한 결과, 본 연구에서 제시한 2원계 상태도와 일치하는 결과를 얻을 수 있었으며, 이를 바탕으로 완전히 β상으로 변태가 일어나는 Ti-Al 2원계 조성을 결정하였다. 완전히 β상으로 변태가 일어나는 Ti-44Al합금에서는 층상경계가 성장방향으로 제어되는 것을 확인하였다. Ti-46Al-2Mo과 Ti-46Al-2Nb 그리고 Ti-46Al-2Cr과 같은 β안정화 원소로 알려진 Mo, Cr, Nb을 첨가한 3원계 합금을 일방향응고한 결과 층상경계가 성장방향으로 제어되는 것을 확인하였다. 이러한 결과는 응고과정의 수정을 통하여 층상경계의 제어가 가능함을 나타내는 결과이다. Ti-48.5Al-1.5Mo 합금에서도 성장속도가 느려지면 층상경계의 방향이 성장방향쪽으로 배열되었다. 따라서 층상조직의 방향이 성장속도에 의해서도 크게 변화하는 것을 알 수 있었다. 이러한 합금조성과 성장속도에 대한 결과를 바탕으로 90mm/hr로 일방향응고를 시킨 Ti-46Al-2Mo-2Nb- 0.1B과 Ti-46Al-3Nb 그리고 Ti-46Al-2Cr-2Nb합금에서는 층상경계가 전체적으로 성장방향쪽으로 배열되는 결과를 얻었다. 이러한 합금들의 인장결과, PST결정의 결과보다 상당히 낮은 인장연신율을 나타내었으나 기존의 완전층상조직에 관한 연구에서 얻어진 결과에 비하면 상당히 개선된 인장연신율을 나타내었다. 이러한 결과들로부터 일방향응고시의 성장속도와 유지온도 등 응고조건의 적당한 조절과 응고후 시료의 시효처리 등에 따라서는 상온연신율이 개선된 고강도, 고인성의 층상조직을 갖는 TiAl계 합금을 얻을 수 있을 것이라 기대된다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DMS 97012
형태사항 vi, 141 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 한국어
일반주기 저자명의 영문표기 : Min-Chul Kim
지도교수의 한글표기 : 위당문
지도교수의 영문표기 : Dang-Moon Wee
수록잡지명 : "Microstructure and Mechanical Properties of a Two-Phase TiAl Alloy Containing Mo in Single-, DS- and Poly-Crystalline Forms". Materials Transaction of JIM. Japan Institute of Metals, vol. 120, no. 2, pp. 1197-1203
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 재료공학과,
서지주기 참고문헌 수록
주제 방향성응고
TiAl 합금
완전층상조직
Directional solidification
TiAl alloy
Fully lamellar structure
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