The γ-based TiAl alloy has been studied extensively as a prominent substitute of conventional superalloys because of its low density, high specific strength and good high temperature properties. Depending on the heat treatment scheme, various microstructures can be obtained in TiAl alloys. Among them, fully lamellar TiAl alloy exhibits good creep resistance and fracture toughness but it still lacks room temperature ductility.
Recently, it was reported that an addition of 0.3 ~ 1.0 at.% nitrogen or carbon to the lamellar TiAl alloys improved the yield strength and creep resistance without a concomitant loss in room temperature ductility. Microstructurally, the addition of nitrogen and/or carbon was instrumental in producing a significant refinement in colony size; two kinds of nitrides, $Ti_2AlN$ and $Ti_3AlN$, were observed in some of these alloys. Improvements in intermediate temperature ductility and creep rupture stress by the addition of 0.3 wt.% C to TiAl alloys with a fine duplex structure were already reported before. Other compressive and tensile studies of C or N-containing TiAl have confirmed enhancements in fracture stress and tensile elongation. However, the effect of these changes in microstructure as a consequence of nitrogen (or carbon) addition on crack growth resistance has not been reported thus far.
Additionally, as one of important microstructural parameters that can affect various mechanical properties of fully lamellar TiAl alloys, lamellar spacing is being considered. It was reported that the yield strength of TiAl alloys had strong dependence on the lamellar spacing and the lamellar spacing refinement improved creep resistance both by decreasing the mobility of dislocation in soft oriented colonies and by increasing the difficulty for shear in hard oriented colonies. But no report has been addressed about the lamellar thickness variation with respect to the amount of interstitial element addition although the lamellar thickness is one of the major microstructural parameters that have influence on various mechanical properties of fully lamellar TiAl alloys.
In this study, we report on the effect of microstructure on fracture toughness and crack propagation behavior in nitrogen-doped TiAl alloys containing 1.5 % Mo. By changing the nitrogen concentration, Al concentration and cooling rate, we produced lamellar TiAl alloys with varying colony size, lamellar spacing and precipitate distribution. Notched and fatigue-precracked three-point bend specimens were tested at room temperature to obtain fracture toughness measurements.
In addition, we investigated effects of nitrogen on the mean lamellar thickness of fully lamellar TiAl alloys in the respect of nitride formation and subsequent Al concentration change.
최근 항공기술산업이 급속한 발전을 거듭하고 에너지문제와 환경문제 등이 크게 대두됨에 따라, 종래의 항공구조재 및 엔진재료들을 대체할 수 있는 보다 우수한 경량내열재료의 개발에 대한 요구가 증대되고 있으며, 그 대체재료로서 완전층상조직을 가진 TiAl 합금이 가장 주목받고 있다. 완전층상조직을 갖는 TiAl 합금은 열처리방법을 다르게 하여 얻을 수 있는 duplex 조직등의 다른 미세조직들보다, 파괴인성치와 고온 크리프특성이 매우 우수하여 현재 동합금의 적용대상인 항공기 엔진부의 터빈 블레이드 등에 적용되어 사용하기에 적당한 합금으로 보고되고 있다. 또한, 최근 연구에 의하면 자동차의 엔진배기밸브 및 터보차져의 터빈휠 등을 TiAl 합금으로 대체하여 성능을 시험한 결과 엔진내 구성, 자동차의 가속력 및 최고속력 등이 향상되었다는 보고도 있다. 기존의 연구에서는 TiAl 금속간화합물 유지함과 동시에 상온 및 고온에서 높은 항복강도와 함께 고온크리프특성이 향상되는 효과를 확인하였다. 하지만 이러한 질소첨가의 효과가 완전층상조직을 가지는 합금의 중요한 미세조직상의 특징인 층상간격에 변화가 완전층상조직을 가지는 합금의 중요한 미세조직상의 특징인 층상간격에 미치는 영향에 대한 연구는 보고된 바가 없으며, 질소 첨가에 따른 여러 가지 미세조직상의 변화가 완전층상조직 합금의 중요한 기계적 성질 중 하나인 파괴인성에 주는 영향에 관한 연구 또한 보고된바가 없다.
따라서 본 연구에서는 완전층상조직 TiAl 합금에서 질소첨가량을 변화에 따른 층상간격의 변화를 TEM 분석을 통하여 관찰하였고, 3점굽힘시험을 실시하여 질소첨가에 의한 미세조직상의 변화가 완전층상조긱 TiAl 합금의 파괴인성에 어떠한 영향을 주는지를 조사하였다. 더불어 질소첨가에 의한 층상간격변화의 원인을 질소가 첨가된 합금을 조직제어 열처리 후 수냉하여 EDS와 XRD로 분석하여 고찰해 보았다.
실험결과 질소첨가량이 증가함에 따라서 결정립 미세화, 석출물 형성 그리고 등축정 gamma 결정립의 형성을 동반한 층상구조의 불안정화와 더불어 층상간격이 조대화되는 것이 관찰되었다. 또한 이러한 질소첨가에 의한 미세조직상의 변화가 파괴인성에 미치는 영향을 관찰한 결과, 질소첨가량이 증가함에 따라서, 즉 결정립의 크기가 작아짐에 따라서 파괴인성이 증가하였다. 중간정도의 결정립 크기를 가지는 0.5 at.% 질소가 첨가된 합금에서 가장 높은 파괴인성이 관찰되었으나 1.0 at% 질소가 첨가된 합금에서는 오히려 파괴인성이 최저치를 기록하였고, 이는 조대한 석출물들이 벽계파괴의 시작점으로 작용했기 때문이라고 판단된다. 파괴인성은 층상간격의 변화와 상관관계를 가지지 못하였다. 그러나 층상간격의 미세화는 균열의 발생이후의 균열전파저항성의 향상에 유리한 것으로 관찰되었다. 질소첨가에 의한 층상간격의 변화원인을 고찰해 본 결과, 우선 단결정 형태의 PST TiAl 합금에서뿐만 아니라 일반적인 완전층상조직 TiAl 합금에서도 Al 조성의 증가에 따라서 층상간격이 증가되는 것을 관찰하였다. 결과적으로 완전층상조직변태가 일어나기 전의 고온영역에서 생성된 $Ti_2AlN$ 석출물에 의하여 알파단상의 Al 조성이 증가하였고 이에 따라서 층상간격이 조대화된 것으로 관찰되었다.
