The effects of mechanical alloying process conditions on the microstructure of 93W-5.6Ni-1.4Fe heavy alloys were investigated. Elemental powders of tungsten, nickel and iron were mechanically alloyed in a tumbler ball mill. The microstructural observation of mechanically alloyed powders indicated that the mechanical alloying process proceeded into five distinct stages, such as initial stage, welding dominant stage, equiaxed particle forming stage, random lamellar forming stage and steady state stage. The microstructure of mechanically alloyed powders became fully homogeneous with fine lamellar spacing less than 0.2 ㎛ and average grain size of 16 nm in a steady state stage. The average grain size was 16nm in the steady state stage. The effects of milling parameters such as ball-to-powder ratio and ball filling ratio were investigated by comparing parametric modeling with microstructural observation of mechanically alloyed tungsten heavy alloy powders. Mechanically alloyed powders were consolidated into green compacts and solid state sintered or liquid phase sintered at various conditions in order to control the microstructures.
The solid state sintered tungsten heavy alloys using mechanically alloyed powders showed fine tungsten particles about 3 ㎛ and high relative density above 99%. Solid state sintered tungsten heavy alloys were subsequently liquid phase sintered at a temperature of 1470℃ with varying liquid phase sintering time from 4 min. to 90 min. Two-step sintered tungsten heavy alloys using mechanically alloyed powders showed tungsten particles of about 6-15 ㎛ finer than those of 30-40 ㎛ in conventional liquid phase sintered tungsten heavy alloys. Tungsten heavy alloys with inhomogeneously distributed matrix pool were fabricated by partial mechanical alloying which consist of mechanical alloying of matrix composition 30W-56Ni-14Fe and followed by mixing of mechanically alloyed 30W-56Ni-14Fe powders with balanced amount of tungsten powders. Oxide dispersion strengthened tungsten heavy alloys were fabricated by mechanical alloying process. 0.1wt%-5.0wt% $Y_2O_3$ powders were added to pre-mixed 93W-5.6Ni-1.4Fe powders before mechanical alloying. Relative density of oxide dispersion strengthened tungsten heavy alloy could be enhanced above 99% by cyclic heat treatment followed by re-sintering at temperature of 1485℃ for 1 hour. In-situ reaction of oxide formation during sintering was suggested as an alternative of mechanical alloying process. The morphology and distribution of $Y_2O_3$ formed from in-situ reaction of $YCl_3$ in tungsten heavy alloys were similar to mechanically alloyed oxide dispersion strengthened 93W-5.6Ni-1.4Fe tungsten heavy alloys. The sizes of tungsten particles decreased with increasing $Y_2O_3$ content in tungsten heavy alloys after liquid phase sintering because oxides inhibited the dissolution-reprecipitation process during sintering.
The solid state sintered 93W-5.6Ni-1.4Fe tungsten heavy alloys using mechanically alloyed powders exhibited high yield strength about 1100 MPa due to a fine grain structure and reduced matrix volume fraction, while showed low elongation and impact energy due to a large area fraction of brittle tungsten-tungsten interfaces and reduced matrix volume fraction. Yield strength decreased from 710MPa to 630MPa and elongation increased from 13% to 27% as the secondary sintering time of mechanically alloyed 93W-5.6Ni-1.4Fe tungsten heavy alloys increased from 4 min to 90 min. A model based on the Hall-Petch relationship has been developed to predict the effect of microstructure on mechanical properties of 93W-5.6Ni-1.4Fe tungsten heavy alloys. The experimental results showed good agreements between the model predictions and the experimental data.
The torsional dynamic response of tungsten heavy alloys using the torsional Kolsky bar tests exhibited two different fracture modes according to the microstructure dependent on the sintering temperature, i.e. the brittle fracture mode when the tungsten particle were continuous phase in solid state sintered composites and the shear fracture mode when the tungsten particles were surrounded by ductile matrix phase in liquid phase sintered composites. Split Hopkinson pressure bar test of hat shaped specimen of tungsten heavy alloys at a strain rate of $10^4/s$ showed that the oxide dispersion strengthened tungsten heavy alloy did not showed localized shear deformation while the liquid phase sintered tungsten heavy alloy, the two-step sintered tungsten heavy alloy, and the tungsten heavy alloy with inhomogeneously distributed matrix pool showed localized shear deformation behavior. The oxide dispersion strengthened tungsten heavy alloy showed the self sharpened head, while the liquid phase sintered tungsten heavy alloy showed mushroomed head in residual penetrators after penetration against rolled homogeneous armor steel target. The fractured area in oxide dispersion strengthened tungsten heavy alloys showed that the fracture was occurred without the presence of localized shear deformation. The self sharpening of oxide dispersion strengthened tungsten heavy alloys was associated with the early fracture due to the stress concentration at oxide-matrix interfaces.'
기계적합금화 공정의 응용을 통한 텅스텐 중합금의 미세조직 제어를 위하여 93W-5.6Ni-1.4Fe 조성의 텅스텐 중합금을 tumbler ball mill에서 milling 속도, ball-to-powder ratio, ball filling ratio, milling 시간 등의 기계적 합금화 공정 변수를 조절하며 기계적 합금화하였다. 93W-5.6Ni-1.4Fe 텅스텐 중합금의 기계적 합금화 공정은 75rpm의 milling 속도, 20:1의 ball 대 powder ratio, 15%의 ball filling ratio에서 milling 시간에 따라 초기 단계, 압접 지배단계, 구상 입자 형성 단계, 임의 라멜라 형성 단계, 정상 상태의 5 단계로 진행되었고 48시간 이후의 정상 상태 분말은 lamellar 간격이 0.2 ㎛ 이하, 결정립 크기 16nm의 미세구조를 가지고 있었다.
기계적 합금화된 93W-5.6Ni-1.4Fe 텅스텐 중합금 분말을 소결하여 기계적 합금화 공정이 텅스텐 중합금의 소결 특성에 미치는 영향을 분석하고자 하였다. 기계적 합금화 시간에 따른 1300℃에서의 고상 소결 거동을 관찰한 결과, 기계적 합금화 시간이 72시간까지 증가함에 따라 고상 소결 후 상대 밀도는 95%에서 99%까지 증가하였으며 텅스텐 입자의 크기는 7㎛에서 3㎛로 감소하여 기계적 합금화가 텅스텐 중합금의 치밀화와 미세화에 효과적인 것으로 분석되었다.
기존 연구를 통하여 텅스텐 중합금의 동적 변형 및 관통 시 self sharpening 거동을 나타낼 것으로 제시된 텅스텐 입자의 미세화, 기지상의 불균일 분포 및 본 연구에서 새롭게 제안된 산화물 분산강화의 미세조직 설계 개념을 가지고 기계적합금화 공정을 이용하여 텅스텐 중합금의 미세조직을 효과적으로 조절하였다. 기계적 합금화된 텅스텐 중합금의 고상 소결 후 급속 액상 소결하는 2단계 소결법에 의해 10㎛ 이하 수준으로 텅스텐 입자가 미세화된 텅스텐 중합금을 제조할 수 있었으며 텅스텐 입자 크기는 급속 액상 소결 시간이 4분에서 90분까지 변화됨에 따라 6㎛에서 15㎛ 까지 제어 가능함을 알 수 있었다. 텅스텐 입자가 20㎛ 이하로 미세화된 경우 정적 및 동적 기계적 특성 평가된 결과가 전무하기 때문에 텅스텐 입자 미세화가 텅스텐 중합금의 정적 및 동적 기계적 특성에 미치는 영향을 분석하는 데 필수적인 결과로 판단되었다. 기지상 조성인 30W-56Ni-14Fe 조성의 분말을 기계적 합금화 한후 93W-5.6Ni-1.4Fe 조성에 맞게 텅스텐 분말과 혼합하는 부분적 기계적 합금화 공정을 이용하여 단열 전단 변형이 쉽게 발생하는 것으로 제시된 기지상이 불균일하게 분포하는 텅스텐 중합금을 재현성있게 제조할 수 있었다. $Y_2O_3$가 0.1-5.0wt% 첨가된 산화물 분산 강화 텅스텐 중합금을 기계적합금화 공정을 이용하여 제조하였으며 1100℃와 25℃ 범위에서 급승온과 급냉을 반복하는 반복열처리 후 1485℃에서 1시간 동안 재소결한 결과 99% 이상의 치밀화를 얻을 수 있었다. 또한 in-situ 반응에 의한 산화물 분산강화를 위해 $YCl_3$가 용해된 에탄올 용액에서 텅스텐 중합금 분말을 혼합하여 건조한 후 소결하여 $Y_2O_3$ 산화물이 미세하고 균일하게 분산된 산화물 분산강화 텅스텐 중합금을 제조할 수 있었다. 산화물 분산 강화 텅스텐 중합금은 산화물의 함량이 증가할수록 미세한 텅스텐 입자 크기를 나타내었으며 소결 시간의 변화에 따라 조대화 상수를 측정한 결과 산화물의 함량이 증가할수록 조대화 속도의 감소가 측정되었다.
기계적 합금화 후 1300℃에서 고상 소결한 텅스텐 중합금의 미세조직과 기계적 특성을 분석한 결과, 기계적 합금화 후 고상 소결한 텅스텐 중합금은 기존의 액상 소결된 텅스텐 중합금의 40㎛ 보다 미세한 3㎛의 텅스텐 입자 크기를 나타내었으나 11%의 낮은 기지상 부피분율과 0.74의 높은 텅스텐/텅스텐 contiguity를 나타내어 0.5%의 낮은 연신율과 5J의 낮은 충격에너지 값을 나타내었다. 이는 연신율과 충격에너지값이 기지상 부피분율과 텅스텐/텅스텐 contiguity에 민감하게 의존하는 것을 보여주는 결과이다.
텅스텐 중합금의 기계적 성질에 대한 미세조직의 영향을 분석하기 위해 고상소결, 이단계소결, 액상소결된 텅스텐 중합금의 미세조직 인자와 기계적성질의 상관관계를 측정한 후 이론적인 계산과 비교하였다. 소결온도가 변화된 텅스텐 중합금은 소결온도가 증가함에 따라 급격한 연신율의 증가를 나타내었으며 이단계 소결된 텅스텐 중합금은 소결 시간이 증가함에 따라 텅스텐 중합금의 항복강도는 감소하고 연신율은 증가하는 특성을 나타내었다. 미세조직과 기계적 성질의 상관관계는 Hall-Petch 식을 이용하여 계산되었으며 본 연구에서는 항복강도가 $(1-V_M/DV_M)^{1/2}$라는 미세조직 인자에 비례하는 식을 도출할 수 있었다.
동일한 전단변형을 받도록 설계된 시편의 split Hopkinson pressure bar 시험을 통하여 $10^4/s$의 변형률 속도로 파괴된 시편의 전단변형 거동을 관찰한 결과 액상소결된 텅스텐중합금, 이단계소결된 텅스텐 중합금, 불균일기지상을 가지는 텅스텐 중합금은 유사한 전단변형 거동을 나타낸 반면 산화물 분산강화 텅스텐 중합금은 국부적인 전단변형 없이 파괴되는 거동을 나타내었다. 1/4 수준으로 축소된 관통자를 제조하여 관통시험을 실시한 후 잔류관통자를 관찰한 결과 산화물 분산강화된 텅스텐 중합금은 액상소결된 기존 관통자 소재보다 self sharpening된 결과를 나타내었다. 잔류 관통자의 미세조직 분석을 통하여 액상소결된 텅스텐중합금, 이단계소결된 텅스텐 중합금, 불균일기지상을 가지는 텅스텐 중합금은 단열 전단 변형 거동을 나타내는 것을 관찰하였으나 산화물 분산강화된 텅스텐 중합금은 단열 전단 변형 거동을 나타내지 않음을 확인하였다. 이로써 산화물의 존재에 의한 파괴 거동의 조절에 의해 텅스텐 중합금의 self sharpening 거동을 촉진시킬 수 있음을 확인하였다.
