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Sintering mechanism and mechanical properties of powder metallurgy Ti-6Al-4V alloy = Ti-6Al-4V 합금의 소결 기구 및 기계적 특성 연구
서명 / 저자 Sintering mechanism and mechanical properties of powder metallurgy Ti-6Al-4V alloy = Ti-6Al-4V 합금의 소결 기구 및 기계적 특성 연구 / Youngmoo Kim.
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2017].
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Ti-6Al-4V is crucial to improved performance in aircraft and aerospace systems owing to the excellent combination of specific mechanical properties and outstanding corrosion behavior. Its high production cost, however, is the main challenge against the widespread application in comparison to competing materials. These cost inefficiencies have led to developing near net shape powder metallurgy (P/M) Ti-6Al-4V techniques. Of the processes, the blended elemental (BE) approach, more feasible and cost-effective than other routes, is composed of powder compaction, sintering, and, if necessary, additional full-density processing. Sintering might be largely responsible for densification of the mixed Ti-6Al-4V powders, and the sintering conditions can determine the microstructural properties of as-sintered samples. Furthermore, since the mechanical properties, one of the most important properties for structural applications, should be controlled by these characteristics, the performance of P/M Ti-6Al-4V components might be determined by sintering conditions. The solid-state sintering of mixed Ti-6Al-4V powders includes the densification and the homogenization of Ti and Al/V particles. The role of specific surface energies and chemical concentration gradients during sintering is investigated by comparing the densification behaviors of pure Ti powders and the mixed powders with coarser Ti particles. The addition of Al/V particles into Ti matrix results in the enhanced densification by a synergetic effect of the self-diffusion of Ti and the inter-diffusion of alloying elements, especially the migration of Al into Ti matrix. The application of larger Ti powders in the mixed powders leads to retard the densification of the mixtures. It seemed to be attributed to the reduced surface energies of Ti particles plus the slowdown in the inter-diffusion of alloying particles. These demonstrations are confirmed by conducting a series of dilatometry tests and microstructural analyses of various sintering temperature. Furthermore, it is also consistent with the predicted activation energies for sintering; for example, the addition of alloying particles reduces the energies from 299. 35 to $135.48 kJ \cdot mol^{-1}$ and the use of coarser Ti powders increases them from 135.48 to $181.16 kJ \cdot mol^{-1}$. The hot deformation behavior of Ti-6Al-4V sintered preforms was investigated by hot compression tests over temperatures from $800-1100^\circ C$ and strain rates from $0.001-10.0 s^{-1}$. The flow curves for the $\alpha$+$\beta$ regimes exhibited continuous flow softening and broad oscillation after the peak stress under all of the processing conditions. For the $\beta$ field, steady-state flow stress was obtained or stress oscillation appeared after the peak stress. In the $\alpha$+$\beta$ field, the dynamic globularization and platelet buckling/kinking were observed at lower and higher strain rates, respectively. Unlike in the $\alpha+\beta$ region, dynamic recrystallization was found at higher strain rates in the $\beta$ domain. The apparent activation energies for hot deformation in the alpha+beta and beta regimes from kinetic modeling technique were estimated to 147.35 and $233.95 kJ mol^{-1}$, respectively. The efficiency of power dissipation over all of the deformation conditions was also calculated by using dynamic material models and schematized into a processing map. The highest value was predicted to 46% at a temperature of $945^\circ C$ and at a strain rate of $0.001 s^{-1}$, and the processing condition seemed to be optimal for hot deformation of the Ti-6Al-4V sintered preforms. The mechanical properties of deformed Ti-6Al-4V specimens are affected by the porosity and the microstructures. As the forging temperature increases from 900 to $1100^\circ C$, the properties also increased due to the reduction of porosity. The influence of interstitial elements is found to be negligible since the contents of impurities are unaffected with the forging temperature. In case of $\alpha+\beta$ deformed specimens, the enhanced mechanical properties are attributed to the higher dislocation density determined by KAM values and newly introduced nanosized $\alpha$ grains. For $\beta$ forged samples, the strong texture perpendicular to the basal plane and twin boundaries might lead to the higher strength and moderate ductility.

Ti-6Al-4V 합금은 비강도 특성과 우수한 부식성 때문에 항공 및 우주 분야의 구조용 부품 성능 향상에 매우 중요한 역할을 하고 있다. 그러나, 해당 소재의 높은 제조단가로 인해 경쟁 소재 대비 그 적용 분야가 매우 제한적인 실정이다. 이에 이러한 단점을 극복하기 위하여, 티타늄 합금 분말 공정을 통한 실형상 부품 제조 기술을 연구하게 되었다. 티타늄 합금 분말 공정 중, 혼합 분말 공정 (BE) 은 다른 기술 대비 제조 공정이 단순하고 가격 효율성이 우수하다는 장점이 있다. 또한 이 방법은 혼합 분말 제조, 성형, 소결 및 후 처리 공정 등으로 구성되어 있다. 이 들 공정 중, 소결은 혼합 분말의 치밀화에 가장 큰 기여를 하며, 그 조건은 소결체의 미세조직 특성을 결정한다고 알려져 있다. 또한 구조 소재 중 가장 중요한 특성 중 하나인, 기계적 물성치는 미세조직에 의해 제어되기 때문에, Ti-6Al-4V 합금 소결체의 특성은 소결 공정 조건에 의해 결정된다. Ti-6Al-4V 합금 혼합 분말의 고상 소결은 순수 Ti 및 Al/V 분말의 치밀화 및 균질화 기구를 포함하고 있다. 소결 중, 비 표면적 및 농도 구배 등의 역할을 순수 Ti 분말의 입도 제어 및 혼합 분말 내의 Ti 입도 조대화 등을 통해 규명하였다. 우선 순수 Ti 분말 내의 Al/V 입자 첨가는 순수 Ti 분말의 치밀화를 향상시키는 것으로 확인되었으며, 이는 Ti의 체확산과 합금 원소들간의 상호 확산 등에 의한 것으로 분석되었다. 또한, 조대한 Ti 분말은 혼합 분말의 치밀화를 억제시키며, 이는 Ti 분말의 비 표면적 에너지 감소 및 합금원소 간의 확산 저하에 기인한 것으로 규명되었다. 이러한 결과 들은 수축율 시험과 미세조직 분석 등에 의해 확인되었으며, 소결에 요구되는 활성화 에너지 계산 결과, 이러한 경향과 동일함을 알 수 있었다. Ti-6Al-4V 소결체 프리폼의 고온 변형 거동은 온도 800 에서 $1100^\circ C$ 및 변형률 속도 0.001에서 $10.0 s^{-1}$ 의 조건하에서 고온 압축 시험을 통해 규명하였다. 우선 $\alpha+\beta$ 영역에서의 유동 곡선은 모든 조건에서 최대 응력 후, 유동 연화 현상이, $\beta$ 영역에서는 정상 유동 응력 등이 관찰되었다. 이는 전자의 경우, 변형률 속도에 따라 동적 구상화로 인한 재결정 및 킨킹된 미세조직에, 후자의 경우, 동적 재결정 등에 의해 일어난 것으로 규명되었다. 이러한 고온 변형에 요구되는 활성화 에너지는 $\alpha+\beta$ 및 $\beta$ 영역에서 각각 147.35 및 $233.95 kJ mol^{-1}$ 로 계산되었다. 또한 전 변형 영역에 있어서 일률 분산 효율은 동적 재료 모델 및 변형 지도를 통해 계산하였으며, 그 결과 $945^\circ C$, $0.001 s^{-1}$의 조건에서 46%의 최대 효율을 나타냄을 예측하였다. Ti-6Al-4V 단조재의 기계적 물성은 기공도 및 미세조직 특성으로부터 영향을 받는다. 단조 온도가 $900^\circ C$ 부터 $1100^\circ C$ 까지 증가함에 따라, 기공도가 감소함으로써 물성이 높아지는 결과를 나타내었다. 반면에 침입형 원소의 오염에 따른 영향은 미비한 것으로 확인되었으며, $\alpha+\beta$ 영역 단조재의 경우, 높은 전위밀도와 나노 크기의 $\alpha$ 입자 등에 의해, 그리고, $\beta$ 영역 단조재의 경우, 집합조직에 의해 우수한 기계적 물성이 나타나는 것으로 분석되었다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DMS 17007
형태사항 v, 101 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 김영무
지도교수의 영문표기 : Soon Hyung Hong
지도교수의 한글표기 : 홍순형
수록잡지명 : "Dilatometric Analysis and Microstructural Investigation of the Sintering Mechanisms of Blended Elemental Ti-6Al-4V Powders". Metallurgical and Materials Transaction A, 47A, pp.4616-4624(2015)
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 신소재공학과,
서지주기 References : p. 93-98
주제 mixed Ti-6Al-4V powder
sintering mechanism
hot deformation behavior
mechanical property
microstructure
혼합 Ti-6Al-4V 분말
소결 기구
고온 변형 거동
기계적 특성
미세조직
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