적층 제조된 고엔트로피합금 중간층 및 후열처리 적용에 따른 Al 6061 - Incoenl 625 이종소재 마찰교반 용접부의 접합 특성 향상 = Enhancement of Joint Properties in Al 6061–Ni Dissimilar Friction Stir Welds through the Application of Additively Manufactured High-Entropy Alloy Interlayer and Post-Weld Heat Treatment

국문 초록 (Abstract)

Al과 Ni은 각각 우수한 강도 대 중량비와 고온 특성을 바탕으로 항공우주 및 에너 지 산업에서 하이브리드 구조재로 주목받고 있으나, 이종재료 접합 시 계면에 형성되 는 취성을 띄는 금속간화합물 (IMC)로 인해 접합 신뢰도가 크게 저하되는 한계가 있 다. 본 연구에서는 Al 6061과 Inconel 625 간 저입열 고상 용접 프로세스인 마찰교 반용접 (FSW) 및 고엔트로피합금 (HEA) 중간층를 적용하여 IMC의 성장을 억제하였 고, 후열처리 (PWHT)를 병행하여 열화된 용접부의 기계적 물성을 복구시켰다. 그 결 과, 용접 직후 상태(as-weld, AW)에서 HEA 중간층은 계면 반응을 효과적으로 억제 하여 IMC 생성을 최소화하였으며, PWHT 후 Al13M4 IMC층이 312 nm 두께로 나타 났지만 Al13M4 IMC층 Co, Cr, Mn, Ni 원소가 M 자리에 도핑되어 취성을 나타내지 않았으며 계면 파단이 발생하지 않았다. 반면, 중간층을 적용하지 않은 경우 취성을 띄는 Al₃Ni와 같은 IMC가 계면에 형성되어 계면에서 파단이 발생하였고 낮은 접합 강도를 나타내었다. 또한, FSW 중 발생한 마찰열로 석출물들이 용해되어 기계적 물 성이 저하된 용접부는, 후속 PWHT 공정을 통해 β″ 석출물이 재형성되며 기계적 성 질이 복구되었다. 그 결과, HEA 중간층과 PWHT를 병행하여 적용한 시편은 계면에 서의 IMC 형성을 효과적으로 억제하였으며, 용접부의 기계적 물성 또한 향상되어 최 대 308 MPa의 접합 강도와 모재 강도 대비 93%에 달하는 접합 효율을 달성하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Al and Ni alloys are promising hybrid structural materials for aerospace and energy applications due to their high strength-to-weight ratio and excellent high-temperature properties. However, joining these dissimilar alloys often leads to the formation of brittle intermetallic compounds (IMCs), degrading mechanical performance. This study investigates the application of a high-entropy alloy (HEA) interlayer and post-weld heat treatment (PWHT) in friction stir welding (FSW) of Al 6061 and Inconel 625 to suppress IMC formation and enhance joint properties. TEM analysis revealed that the HEA interlayer effectively minimized interfacial reactions, forming only a ~14 nm reaction layer in the as-welded state and limiting growth to ~312 nm after PWHT, without causing interfacial fracture. In contrast, joints without the interlayer exhibited brittle IMCs (Al₃Ni, Al₁₃Fe₄) and fractured at the interface.
PWHT also restored the β″ precipitates dissolved during FSW, enhancing hardness and strength. As a result, the combined application of the HEA interlayer and PWHT achieved a tensile strength of 308 MPa and 93% joint efficiency.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서 론 1
• 2. 이론적 배경 3
• 2.1 마찰교반용접 3
• 2.1.1 마찰교반용접의 원리 4
• 2.1.2 이종소재 접합에서의 마찰교반용접의 장점 8
• 2.2 고엔트로피합금 9
• 2.2.1 고엔트로피합금 중간층의 금속간화합물 억제 메커니즘 10
• 2.3 용접후열처리 11
• 2.4 Al-Ni 합금 이종소재 용접 접합 선행 연구 조사 12
• 2.4.1 Al-Ni 판상 고엔트로피합금 중간층을 적용한 선행 연구 결과 14
• 3. 실험 방법 20
• 3.1 실험재료 20
• 3.2 고엔트로피합금 중간층 적층 방법 22
• 3.3 마찰교반용접 조건 24
• 3.4 용접후열처리 조건 27
• 3.5 미세조직 및 기계적 성질 평가 29
• 4. 결과 및 고찰 31
• 4.1 HEA 중간층 설계 및 열역학적 분석 31
• 4.2 적층 제조된 HEA 중간층과 Ni 합금 사이의 미세조직 34
• 4.3 Al-Ni 접합부의 공정 조건에 따른 미세조직 분석 37
• 4.3.1 AW 조건에서 HEA 중간층 적용 유무에 따른 미세조직 37
• 4.3.2 PWHT 조건에서 HEA 중간층 적용 유무에 따른 용접부 미세조직 39
• 4.3.3 PWHT 및 HEA 중간층 적용 유무에 따른 계면 미세조직 42
• 4.4 PWHT 조건에서 HEA 중간층 적용 유무에 따른 기계적 특성 54
• 4.5 PWHT를 통한 용접부 기계적 성질 향상 효과 61
• 5. 결 론 65
• 참고문헌 66
• Abstract 71