TiAl alloys are high temperature structural advanced materials and are expected to be utilized under the environment of sustained stress or cyclic stress at high temperature such as turbine blades of jet engine and valves of automobile engine. It is reported recently that the ${α_2}$/γ lath boundary gives a significant effect on the deformation characteristics when the TiAl alloys are deformed at high temperature. However, it is very important for developing creep and fatigue resistance material to reveal the microscopic mechanism related with lamellar interface for the creep deformation and damage accumulation by fatigue.
Throughout this investigation, we expect the mechanism of creep deformation in the TiAl alloy. New dislocations can be emitted from ${α_2}$ to γ interface during the creep deformation especially, after 0.4% crept strains. As a result of dislocation emitting, new ledge is formed from an original flat interface, so the morphology of ${α_2}$/γ interface is changed to have rough interface again while mostly the morphology of ${α_2}$ to γ interface is changed to flat interface with absorbing dislocations at early primary stage less than 0.4% crept strains. In addition, during creep deformation, ${α_2}$ phase is transformed to γ phase through the formation of the transition phase of $Ti_2Al$ phase, which acts as an intermediate phase. Like 0.05% crept strain, $Ti_2Al$ diffraction pattern is detected at the range of 0.4% crept strains. That is, transition phase is detected not only the beginning of primary stage but the mid-primary stage. Considering this result, $Ti_2Al$ phase can be observed throughout all strain ranges during the creep deformation. So, finally using atomic configuration models in 2 and 3 dimensional with emitting edge dislocations by ${α_2}$ to γ phase transformation and schematic diagram to show changing morphology with ${α_2}$ to $Ti_2Al$ to phase transformation are suggested. And, the side of Chinese, they gained the results about HRTEM images and diffraction pattern of new phase.
Titanium aluminide계 금속간화합물 중에서 특히 TiAl 합금은 경량 ·고온재료이며 저밀도이면서도 특히 고온 강도가 높아서 현재 turbine blade 소재로서 널리 쓰이고 있는 Ni-based superalloy에 비해 우수한 고온강도 및 탄성계수를 갖고 있다. 또한 TiAl 합금은 주로 엔진 valve나 turbine blade 등과 같이 고온에서 지속적이고 반복적인 하중을 받는 환경에서 사용될 목적으로 개발되고 있는 고온 구조용 신소재로서 이용되고 있다. TiAl 합금에서 이상(two-phases)조직을 나타내는 Ti-47~49Al 이 원계 합금은 가공열처리 조건 및 주조후의 열처리 온도에 따라서 fully lamellar, near lamellar, duplex 및 near gamma의 4가지 조직을 갖는 합금으로 분류된다. 이 중 TiAl 합금의 크리프 저항성은 미세구조에 크게 의존하게 되는데, lamellar 구조가 가장 뛰어난 크리프 저항성을 갖는다. 여러 원인중 특히 lamellar 구조내의 $\alpha_2$ lath는 크리프 변형이 거의 안 되는 강화재로 작용되며 매우 미세한 lamellar 간격 때문에 lamellar 계면과 평행하지 않은 γ상의 {111}면을 이동하는 전위의 이동을 억제하기 때문이라는 이론이 제안되고 있다. 그 이유는 먼저 계면은 1차로 전위의 sink로 작용한다. 또한 계속적인 creep변형을 하기 위해서는 계면에서 $\alpha_2$→γ 상변태에 의한 전위생성이 계속적으로 일어나야 한다. 즉, 활성화 에너지가 높아서 발생하기 어려운 상변태가 진행되어야만 전위가 발생하고 따라서 creep 변형이 진행되어야 하므로 lamellar 구조가 가장 우수한 크리프 저항성을 갖는 것으로 사료된다.
본 연구에서는 크리프시험은 실험이 진행되는 동안 일정한 응력이 유지되도록 고안된 Andrade-Chalmers constant stress arm creep machine을 이용하여 일정한 응력 하에서 실시하고, 시간에 따른 시편의 변형 량을 측정하기 위해서 LVDT(Linear Variable Differential Transformer)와 LVDT signal conditioner를 사용한다. 실험에 사용될 합금의 크리프 시험전과 후의 미세구조상의 변화, 특히 전위구조의 변화를 분석하기 위해서 투과전자현미경(Philips CM-20, TEM)을 이용하였다. TEM을 통하여 관찰되는 계면 전위들의 Burgers vector와 line vector 및 각 전위들의 Schmid factor들을 분석하여 응력의 작용에 대해 전위들의 반응을 확인하여 이를 토대로 계면에서의 전위거동과 크리프 변형 량과의 연관관계를 고찰했다.
기본적으로 800℃/200MPa 크리프 시험이 실시된 시편을 이용하여 주로 primary영역에서의 각 단계별로 미세구조를 관찰하여 기본적인 전위의 특성을 파악한다. 크리프 변형기구의 제어 원인으로 primary 초기에는 본래 존재하고 있던 γ상내의 전위의 소멸이며 크리프 변형량 증가에 따라 $\alpha_2$ 에서 γ로의 상변태에 의한 전위방출에 의한 것임을 관찰하였다. 이러한 전위들의 방출과 더불어 primary 초기의 전위흡수에 의한 결과 편평해졌던 $\alpha_2$/γ 계면의 형태는 다시 primary 후기의 경우에서는 rough해짐을 보았다. 즉, 이러한 $\alpha_2$/γ 계면으로부터 emitting 되는 전위를 TEM을 통해 확인하였으며, 또한 $\alpha_2$에서 γ로의 상변태의 중간단계에서의 천이 상으로 보이는 $Ti_2Al$상을 관찰했다. 즉, 본 논문에서는 이러한 결과를 토대로 크리프 변형량 증가에 따른 $\alpha_2$로부터 γ 로의 상변태 과정을 atomic modeling로서 2차원과 3차원적으로 제시하였다.
