방전 플라즈마 소결법에 의한 티타늄 진공브레이징용 Ti-Zr-Ni-Cu 기지 다성분 소결 Filler의 합성에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

티타늄 및 티타늄합금 접합용 필러금속으로는 고온강도 및 내식특성이 우수한 접합부를 형성할 수 있는 Ti기지 또는 Ti-Zr기지의 활성필러금속을 주로 사용하고 있다. 그러나 이러한 활성필러금속은 비교적 높은 융점을 가지고 있기 때문에, 접합공정 중의 열싸이클에 의한 모재금속의 결정립 성장이나 상변화를 수반하지 않는 양호한 접합부를 형성하기 위해서는 접합온도를 가능한 낮출 필요가 있다. 이는 필러금속의 융점을 낮추는 것으로 해결할 수 있다. 따라서 티타늄 합금 접합을 위한 Ti-Zr 기지의 필러금속은 고융점의 Ti, Zr 금속에 융점강하원소로서 Cu, Ni 등을 첨가하여 공정반응을 형성시킴으로써 필러금속의 융점을 낮추는 방법을 이용하고 있다. 현재 Ti-Zr 기지의 상용필러메탈은 일반적으로 30% 내외의 융점강하원소가 첨가되어 있어 Ti, Zr 등의 고융점 금속의 융점을 획기적으로 낮출 수 있다.
그러나 융점강하원소 첨가에 의해 생성된 공정조직은 (Ti,Zr)2Ni, Cu2(Ti,Zr), Ti2Ni 등의 취약한 특성을 갖는 금속간화합물의 조합으로 이루어져 있어 취성이 강한 특성을 가지고 있다. 따라서 Ti-Zr기지의 활성 필러메탈은 소성변형을 이용한 압연공정으로 제조가 불가능하기 때문에 급속응고법을 이용한 분말 및 비정질 포일형태로 제조되어 사용되어지고 있다. 급속응고법에 의해 제조된 필러금속조성물은 비정질형태로 제조되기 때문에 편석 등이 없는 균일한 화학조성 및 미세조직을 확보할 수 있어 대단히 유용하게 사용되어 지고 있다. 그러나 Ti-Zr기지의 필러메탈 내의 티타늄 및 지르코늄은 활성력이 매우 강하여 합금 제조 시 도가니 및 노즐과 쉽게 반응하여 제조공정기술이 매우 어렵고 제조비용이 높아지는 단점이 있다.
본 연구에서는 Ti-Zr기지의 활성필러금속의 제조비용을 저감하기 위하여 각각의 원료분말을 방전플라즈마 소결법을 이용하여 소결함으로써 부분 합금화된 필러쉬트를 제조하였으며, 원료분말과 합금화 된 부분의 분율에 따른 필러쉬트의 강도변화 및 융점변화를 관찰함으로써 저융점, 고강도의 부분합금화 필러쉬트의 제작방법에 대하여 연구하였다. 또한 확산쌍 실험을 통해 각 원소간의 상호확산속도 및 생성상을 관찰하였다.
Ti, Zr, Ni 및 Cu 벌크금속을 이용하여 4원소가 모두 접촉된 4중점의 생성상을 관찰한 결과 소결조건이 700℃, 30분인 경우 Zr 및 Ti 구역을 중심으로 합금상이 생성되었으며 내부상의 EDS 관찰결과 Zr2Cu와 (Ti,Zr)2Ni상의 초정상과 Zr2Cu, (Ti,Zr)2Ni, α-Zr 으로 이루어진 Ternary Eutectic이 분포하고 있다. 반면 750℃ 30min 조건에서는 Cu-rich 구역에서 Cu2(Ti,Zr)과 TiCu 가 생성되었고, Zr-rich와 Ti-rich 구역에서는 Zr2Cu, (Ti,Zr)2Ni, α-Zr 상이 생성되었으며 소결온도의 증가에 따라 생성상이 복잡해지며 금속간 화합물의 분율 또한 크게 증가하는 것으로 확인되었다.
벌크 금속의 확산쌍 실험결과를 바탕으로 원료분말을 이용하여 활성필러금속을 제조하여 소결 조건에 따른 시험편의 기계적 특성 및 용융 특성을 조사하였다. 750℃ 1min 조건에서는 97.8%의 소결밀도를 얻었으며, 785℃ 1min 조건에서는 98.5%의 소결밀도를 얻었다. 그러나 3점 굽힘시험 결과 소결밀도가 가장 높은 785℃ 조건보다 750℃ 소결 조건에서 높은 256MPa의 강도를 보였다. 각 소결체의 미세조직 관찰결과 750℃ 1min 조건에서는 강화상인 Ti의 양이 785℃조건보다 많으며, 취약한 금속간화합물인 (Ti, Zr)2Ni과 Ti2Cu의 양이 적었다. 또한 DSC 측정결과, 750℃ 1min 조건과 785℃ 1min 조건에서 용융점이 각가 852℃, 849℃로 주조재와 비슷한 융점을 보여 고강도, 저융점의 부분합금화 필러쉬트의 제조가 가능하였다. 따라서 강화상인 Ti, Zr 원소재와 합금화 영역은 분율에 의해 부분강화쉬트의 강도 및 융점이 결정된다는 것을 확인하였다.
부분합금화 필러쉬트와 급속응고법을 이용하여 제조된 비정질포일의 접합특성을 비교하기 위하여 각 필러금속의 CP-Ti에 대한 접합에 필요한 활성화 에너지를 구한 결과 비정질 포일의 경우 약 116.39KJ/mole 이었으며 부분합금화 쉬트의 경우 약 268.56KJ/mole로 계산되었다. 그러나 부분합금화 쉬트를 이용하여 접합온도 및 시간에 따른 접합부 인장강도를 측정한 결과 870℃ 30min 접합조건에서 모재와 동등한 인장강도를 보여 CP-Ti의 β 천이온도 이하에서 접합이 가능함을 확인하였다. 따라서 원료분말을 방전플라즈마 소결법을 이용하여 부분합금화 시킨 필러쉬트가를 이용하여 CP-Ti의 β -transus 이하의 온도에서 접합이 가능한 것으로 확인되었으며 Ti-6Al-4V의 티타늄 합금의 접합에도 유용하게 사용될 수 있을 것으로 예상된다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 제2장 이론적 배경 3
• 2.1 티타늄 및 티타늄 특징 3
• 2.1.1 Ti 특성 3
• 2.1.2 Ti 상태도 7
• 2.1.3 Ti 합금계의 분류 9
• 2.2 확산 브레이징에 의한 티타늄 및 티타늄 합금의 접합기술 동향 11
• 2.3 부분 합금화 필러쉬트 제조 기술 동향 16
• 2.3.1 기계적 합금화 방법 16
• 2.3.2 클레드화된 포일을 이용한 방법 17
• 2.4 방전플라즈마 소결법의 원리 및 특징 18
• 제3장 실험방법 21
• 3.1 Ti, Zr, Ni, Cu 4성분계 합금의 상호 확산거동 21
• 3.1.1 확산 접합쌍 제조방법 21
• 3.1.2 미세 조직 관찰 21
• 3.2 방전플라즈마 소결법에 의한 부분합금화 필러쉬트의 제조 24
• 3.2.1 부분합금화 필러쉬트의 제조 방법 24
• 3.2.2 기계적 특성 평가 25
• 3.2.3 융점 측정 25
• 3.2.4 미세조직 관찰 25
• 3.3 부분 합금화 필러쉬트의 합금화거동 및 접합특성 26
• 3.3.1 CP-Ti 접합 방법 26
• 3.3.2 접합부 기계적 특성 및 미세조직 관찰 26
• 제4장 결과 및 결론 29
• 4.1 MBF 5002(Ti-37.5Zr-15Cu-10Ni) 합금의 평형상 분석 29
• 4.2 Ti, Zr, Ni, Cu 4원성분계의 상호 확산거동 32
• 4.2.1 2성분계 조성의 상호 확산 거동 32
• 4.2.2 4성분계 조성의 상호 확산 거동 38
• 4.3 방전플라즈마 소결법에 의한 부분합금화된 필러쉬트의 특성 평가 44
• 4.3.1 기계적 특성 및 융점 44
• 4.3.2 상분석 및 미세 조직 관찰 47
• 4.4 부분합금화 필러쉬트를 이용한 CP-Ti 확산거동 및 접합 특성 52
• 4.4.1 CP-Ti 접합부 확산거동 52
• 4.4.2 접합부 강도 58
• 4.5 결론 62