KR-93-3B-l lijf 究報告書 (KIGAM Research Report) 티타늄合金紹末加工技術開 쫓 The Process Developing of the Near-Net-Shape with Titanium Series Alloy Powder 韓國資源 lîjf 究

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2 KR-93-3B-l lijf 究報告書 (KIGAM Research Report) 티타늄合金紹末加工技術開 쫓 The Process Developing of the Near-Net-Shape with Titanium Series Alloy Powder 韓國資源 lîjf 究所 Korea Institute of Geology, Mining & Materials

3 티타늄合金紹末加 ] 그技術開發 *** 英雄, 鄭仁和, 韓萬甲, 徐昌烈 The process developing of the Near-Net-Shape with Titanium series alloy powder Y oungwoong Lim, lnwha Chung, Mangap Han, Changyoul Suh SUMMARY * 소재개발연구부 (Material Development Divsion) Titanium alloy components are ideally suited for advanced aerospace, submersible system and surgical implants because of their unique combination of high specific strength(strength to density ratio) at room and moderately elevated temperatures(below 400 C) with an excellent corrosion resistance. However, 0 their utilization in general application is still limited by the high component acquisiton cost. This is mainly attributed to the cost of manufacture of final shape. For typical ingot metallurgy(im), the cost of titanium alloy components of airframe, substantially more than 50 percentage is in forging and machining. For example, an airframe component, horizontal stabilizer support of F-14A fighter plane must be purchased as a billet of 29.2kg and machined to a net weight of 4.4kg. So, its machined scrap losses are 85 percentage. Such high ma- -1-

4 terial losses and high machining cost have provided an incentive for an alternative Near-Net-Shape parts by the powder metallurgy(p 1M) processes. These specific technigues include rammed or investment casting, hot isostatic pressing of prealloyed powder, and hot forming of low density preforms. And another alternative for producing full-dense Near-Net-Shape is a blended elemental(b/e) powder(a mixture of inexpensive commercially pure titanium sponge fines and an appropriate masteralloy powder or a elemental powder) process. The focus of this paper is to describe the process of blended elemental Ti-6Al- 4V alloy, compacted(cold Isostatic Pressed), Sintered to high density, and forged to higher density(98% of theor etical density) in terms of microstructure, residual porosity, and homogenization of the alloying constituents. -2-

5 요 약 E그 티탄늄합금부품은항공, 우주, 해양잠수물, 화학공업, 폐기물처리및 인체 이식용의료기구둥에사용하는데이상적인것이다., 이와같은이유는내부식성이우수하고, 상온및상당한중간온도 (400 0 C 이하 ) 에서비강도 ( 밀도에대한강도의비율 ) 가높기때문이다. 그러나이에대한일반적인응용은상당히높은단가때문에제한되어왔다. 이러한높은가격은최종형태로제작하는데소요된비용에그원인이있다. 일반적으로잉코트제작과정에있어서항공용티타늄합금의부품가격은실질적으로 50% 이상이단조와기계가공에들어가는비용이다. 예를들면 F- 14A 전투기의수평유지용지지대인티타늄합금부품은최종 4.4 kg 인데 29.2kg 의빌레트를구입하여기계가공하게된다. 이때가공손실은약 85% 나된다. 이러한높은재료손상과높은기계가공비는기존공법의대체용으로근사완제품제조공법을위한유인술을제공하는계기가되었다. 최근에는분말야금공법에의한 100% 치밀하고고기능성의근사완제품부품의개발에대한연구 가집중되고왔다. 이러한기술중에는합금분말에의한 Rammed or Investment 주조볍, 열간정수압법및저밀도의것을열간변형하는기술퉁이있다. 거의 100% 치밀하고근사완제품을제조케하는또다른대체기술은각개원소를혼합하여쓰는공법인데이는값싼상업용티타늄스폰지를미세한것과적당한모분말혹은각개분말혼합물을출발원료로한다. 본연구는각개분말을혼합 (Ti-6Al-4V) 하여 냉간정수압기에서압축성 형, 진공소결및밀도향상을위해단조공법을이용상대밀도를 98% 까지실현 시키는기술개발에관한연구이다. J

6 CONTENTS CHAPTER 1. INTRODUCTION... 9 SEC.1. PURPOSE OF THE RESEARCH... 9 SEC.2. SCOPE AND CONTENTS OF THE RESEARCH SEC.3. METHODS OF THE RESEARCH CHAPTER 2. POWDER MET ALLURGY OF TIT ANIUM ALLOYED COMPONENTS SEC.1. NEAR-NET-SHAPE PROCESSES SEC.2. GENERAL CONSIDERATIONS OF NNS PROCESS IN P/M A. MORPHOLOGICAL REVIEW OF MET AL POWDERS B. POWDER MANUF ACTURING PROCESSES C. CONSOLIDA TION PROCESSES OF P 1M D. QUALITY CONTROL ON METAL POWDERS CHAPTER 3. EXPERIMENTS SEC.1. MIXING AND BLENDING OF MET AL POWDERS SEC.2. COLD ISOST A TIC PRESSING A. SELECTION OF MOULD MA TERIAL IN WET BAG TYPE B. DESIGN OF MOULD AND SELECTION OF SEALING MA TERIAL C. COMPACTION OF METAL POWDERS SEC.3. VACUUM SINTERING OF GREEN BODY A. SELF-RESISTANT HEATING IN VACUUM PURNACE

7 B. RADIATED HEATING BY TUNGSTEN GRID IN VACUUM FURNACE SEC.4. FORGING A. PRECOA T OF SINTERED PREFOMS FOR FORGING UNDER A TMOSHERIC CONDITION B. HOT FORGING CHAPTER 4. RESUL TS AND CONSIDERA TIONS OF EXPERIMENTS A. CIP ING PROCESS B. TEMPERATURE CONTROL IN VACUUM FURNACE C. ANAL YSIS OF ALLOYING CONSTITUENTS ON SINTERED MATERIALS D. MICROSTRUCTURE CHAPTER 5. CONCLUSIONS REFERENCES

8 .2. --, 차 저 11 장서론... 9 제 1 절연구의목적... 9 제 2 절연구의내용및범위 제 3 절연구의방법 저 12 장티타늄합금분말의야금기술 제 1 절근사완제품제조공정 (Near-Net-Shape process) 제 2 절 NNS 공정의일반적고찰 가. 금속분말의형태학적검토 나. 금속분말의제조공정 다. 응고공정 (Consolidation process) 라. 금속분말에대한품질관리 험저 13장실... 제 1 절금속분말의혼합 제 2 절냉간정수압공정 (Cold Isostatic Pressing) 가. 습식용몰-드의재료선정 나. 몰-드의설계및밀봉재선정 다. 혼합합금분말의콤팩트 (Compaction) 제 3 절진공소결 가. 자체저항가열식진공소결 나. 방열식진공소결

9 제 4 절단조 가. 대기분위기하에서단조를위한소결체의예비코팅 나. 단조 제 4 장실험결과및고찰 가. 냉간정수압공정 나. 진공소결의온도제어 다. 성분분석 라. 열간단조의온도제어및미세구조 제 5 장걸론 참고문헌

10 제 1 장서 트료 L- 제 1 절 연구의.!i!. À -l ïï 구미각국에서는오랜전부터항공 우주관계, 화학공업, 의료용뼈 대용재료 및공해방지와폐수처리둥에티타늄합금부품을사용하여왔다. 특히티타늄 합금은그재료의특성이 비강도비 (Strength to density ratio) 가높고우수한 내부식성때문에항공우주해양및 의료용에그사용용도가점차적으로확대 되고있다 1 ) 그러나기존잉고트제조공법은비용이높을뿐만아니라단조 및기계가공비가많이들고이로인한재료손실도커진다. 따라서대체공법을 분말야금으로접근하여특히최근에는근사완제품제조공법이티타늄합금을값싸게제조할수있는방법으로알려져있다. 분말야금분야중의하나인근사완제품제공볍 2), 3) (NNS : Near-Net-Shape process) 은다음과같은장점이있기때문에여러방면에사용되고있다. 가. 다른방법에서만들어내기어려운합금의조성치를얻을수있고독 특한특성을갖는물성의부품을만들수있다. 나. 기존의잉고트제조공법에서보다경제적으로우수하다. 다. 고융점금속과경금속의합금이가능하고, 용융체혼합이어려워합금 을만들수없는다공질재료의부품제작에도가능하다. 라. 최종형상이완제품과근사하기때문에가공비가현저하게작게들고 재료의손실량도훨씬줄어든다. 예를들면 F-14A 전투기에소요되는수평안전기지지대는최종가공된완 -9-

11 제품의무게는 4.4 kg 인데재료구입은 29.2kg 이소요되어기계가공손실은무 려 85% 이다 4) 고도의산업이발전함에따라현실은갈수록가혹한환경에강하는소재의수요가점차적으로중대되고있고, 앞으로의시대는항공우주및해양산업에대한신소재부품의욕구가확대될전망이다. 여기에대처하는길은신기술을개발하여기존공법에서보다염가의제조기술개발에사활이걸려있다고해도과언이아니다. 제 2 절 연구의내용및범위 티타늄합금부품에대한제조기술은대체로다음세가지로분류된다. 가. 분말제조 전극제조 전극용접 1 차용해 2 차용해 ( 합금잉코트 ) 용해주조 단조및열처리 기계기공 제품 나. 합금잉코트 합금분말 열간정수압성형 (Hot isostatic pressing) 혹은 열간진공프레싱 (Vacuum hot pressing) 단조및 열처리 기계가공제 :rr 면 r 다. 티타늄미세스폰지 + 각개원소분말 혼합 냉간정수압성형혹은기계 적성형 진공소결 HIP 처리 5) ( 필요하다면 ), 혹은단조밀열처리 기 계가공 제품 위의세가지공법중에서가. 항은기존공법으로그품질은우수하나제조공 정이복잡하고기계가공비및가공손실량이많아져자연히최종부품의단가가 고가이게된다. 나. 항의 공법은가. 항보다그품질은거의비슷하나열간정수압 -10-

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13 말에대한규격을조사하여구매선올결정구입한다. 구입된분말을분석하고각각평량하여 V-shell 형의혼합기로혼련혼합한후입도분석한다. 혼합된금속분말올냉간정수압기로성형하기전오염되어못쓰게된몰리브멘 4V 금속분말성형용몰드에대한재료를선정키위한예비실험 ) 압축성형한 다. 예비실험을하면서냉간정수압기에대한특성과금속분말에대한 CIP mg 특성을파악한다. CIP 의 Wet bag 인몰드가 Ti-6Al-4V 혼합합금분말에잘적용되는가를조 사하고최적성형을위한몰드설계기준을시행착오법으로조사연구하여몰드재료의최적선정및기준을확립한다. 방열식진공소결로이용하여상대밀도 95% 이상실현올위한조건탐색하고상대밀도를더욱향상시키기위한단조공법을적용하여시도한다. 단조공법중열간단조는티타늄합금특성상대기중에서는산화로인한취성때문에곤란하다. 그러므로시편을세라믹코팅하여대기중에서열간단조하여, 상대밀도를 98% 로올리는연구이며끝으로 SEM 및 현미경분석명가로상대 밀도향상에 따른기공이줄어들었음올확인한다. 금속분말이나규소분말로 ( 본격적인 Ti-6Al-4V 분말을성형하기전에 Ti-6Al- -12-

14 저 12 장 티타늄합금분말야금기술 제 1 절 근사완제품제조공정 (Near-Net-Shape Process) 티타늄합금제품은그비강도 ( 比꿇度 ) 가높고, 피로비 ( 據勞比 ), 파괴인성 ( 破壞훼性 ) 및내식성 ( 耐餘性 ) 퉁이다른합금에비하여월동하기때문에우주항공산업의용도뿐아니라내부식성에유의하여해양구조물, 화학공장동에그수요가중대하고있다. 특히인체내에서도안정성이입중됨에따라인공뼈둥 의 대체재료로서도유망시되고있고, 자동차산업에있어서도경량화에기여할 수있을것으로관망시되고있다. 이와같이그관심이증대되고있음에도불구하고그이용도는확대되어있지않다. 이러한이유는그소재자체가고가 ( 高價 ) 이고, 기계가공성이나쁘며, 가공과정중에는수율 ( 收率 ) 도낮기때문에손실량이많아서최종제품의가격이높을수밖에없다. 표 1. F-14A 전투기단조품의가공손실 2).3) 구분 B/F 최종무게가공손실손실율 (%) Horizonlal stabilizer support Drag brace Nacelle frame Wing pivot 단위 : LB B/ F : Buy-To-Fly Ratios -13-

15 표 1. 에서 보는바와같이 F-14A 전투기단조품의가공손실을비교하여보 면전투기수평안전용보조기를잉고트에서최종부품이완성할때를예로들 면잉고트 64.3 파운드로최종부품 9.6 파운드를가공제작할때 54.7 파운드가 기계가공손실로나가게되어손실율은무려 85.0% 가된다. 이러한단점을극복키위하여제기된제법이 분말야금 (Powder Metallurgy) 법이다. 분말야금법은금속분말올사용하여제품을만드는기술로서, 이미초 경합금동공구재료, 페라이트동세라믹제품제조에널리응용되어생산기술 에 활용되고었다. 그러나여타금속에비하여티타늄합금은공기와친화력이 강하기때문에그응용에한계가있다. 최근에는소위근사완제품제조 (f\ % 받고있따. 본 NNS 공정은티타늄합금부품제조에있어서기존공법 ( 각개금 속분말 (Sponge type) 용융 잉코트제조 압연 단조 기계가공 제품 ) 보다다 균질한조성을갖는합금제조가가능하다. 특성이우수한금속분말을제조하는데기술적, 경제적인제약도있고 Press몰드및소결로동의설비가있어야하고소량생산에 는단가가높다든가 (2) Press 의 능력의한계가있고대형부품의적용에는곤 란하다퉁단점도있다 6) 티타늄합금제품에대한제조공정올간단하도식화하면다음과같다. -14-

16 티타늄합금제품제조공정도비교 가. 잉코트제조에의한공정도 각원소분말혼합기금형진공용융진공용해 * 형태및 업자크기 * 균질도 * 입력 * 균질및 * 주형 정제 재질 * 온도 * 정밀도 * 품질 나. 금속분말에의한근사완제품제조공정도 C 각원소분말경우 (Blended Elemental method) 합금불말에의한경우 (Pre Alloyed method) V AR : Vacuum Arc Remelting EB : Electron-Beam hearth melting VIM : Vacuum Induction Melting CIP : Cold Isostatic Pressing HIP : Hot Isostatic Pressing VHP : Vacuum Hot Pr8ssing πω

17 제 2 절 NNS 공정의일반적고찰 티타늄합금분말로만들어진부품에대한기계적특성치는금속분말의형태 ( 모양 ), 미세구조및화학적내지는질적인것이크게영향을미친다. 또한일 차적인분말의압축화 (Compaction) 와응고과정에는압력, 온도및시간동의 조정인자가있는데이들은또한금속분말의형태 (Morphology) 및 화학적조 성치에따라달라진다. 용융제품과거의 같은품질과, 가장경제적인티타늄합금분말제품을제조 하기위해서는어느한공정에서의기술이월동하기보다전체적인공정즉분 말제조기술, 분말취급과정, NNS 공정 및 후처리공정동을면밀히 검토하여 적용되어야한다. 우선티타늄합금분말에대한형태학적고찰을검토하여본다. 가. 분말의형태학적검토 분말의특성이티타늄합금의기계적특성에아래의표 2. 과같은영향을미 친다고알려져있다. 표 2. 분말의특성과기계적특성과의관계 7) 분말입자의특성여 향 Morphology - 형태 압축성 - 입자경결정입도 입자의미세구조 화학적구성성분 분말의특수특성 기계적특성및미세구조 화학적특성및안정성 기계적피로강도 -16-

18 표 2. 에서설명한것은대부분 SEM 분석에따라확인할수있다. 이와관련 상세히검토하여보자. 모양 입자 의곁표면상태둥으로나누어진다. 여기서모양, 미세구조및입자의겉모양 동은이미분말을제조하는공법에따라결정된다. 분말제조공법은다음에설 명하기로하고그형태에따른영향중그모양세는이미앞에서설명하였다. 입자경및분포도는분말을용기에충진하는충진밀도 (Packing density) 에 영 향을끼친다. 되도록이면작은입자경분말과큰입자경분말이적절히배합 되어야큰충진밀도를얻게된다. 입자의겉표면은현미경으로보면수지상 (Dendrite) 둥으로나타나는것으 로이는제조과정중합금의액적이떨어질때냉각속도에좌우된다. 기타입자 의 겉표면이갈라진모양퉁이있는데이는냉간분말압축에유용하다고알려 졌다. 티타늄합금의기계적특성은분말의미세구조에크게 영향을받는다. 응고 (Consolida tion) 과정이입경의재결정화라면콤팩트화도당초분말입자의미세 구조에관련이 많다. 미세구조를현미경으로보면 β상으로안정화된합금에 있어서는마르텐사이트구조에서수지상구조로변한다. 이러한미세구조의 변화는응고과정에서물질이동을어렵게 한다. 이러한 미세구조의변화는분말의제조방법에따라결정되기때문에피할수없지만 열처리함에따라개선되어진다. 마지막으로분말의특수특성이기계적피로강도에영향을미친다. 이러한 특성은기공 (Porosity), 불순물, 분말입자의껍질형태 (Shells) 및 불규칙한입 자형태둥으로구분된다. 기공과불순물은피로강도감소에결정적인역할을한다. 입자기공은가스 기공과응고과정 ( 입자들의축소 ) 중에 일어나는기공으로나누어진다. 입자내 n

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22 분말입자의입자경분포도는 REP 의것이 90% 이상 μm 의입자경으 로집중화되어있다. 여타다른공정의것은 100-1, 250μm 까지골고루분포되 어있다. 앞에서언급한것처럼입자경의분포도에따른장점은큰것과작은것이혼합되어있는것이콤펙트화에유리하다고하나이것보다도같은조건하에서최종제품을만들었을때그기계적특성이어떤것이우수하느냐에좌우된다. 지금까지알려진각분말제조공정에문제점은 REP공정에서텅그스텐제거이고더욱각공정에주안점을두고있는것은분말취급으로부터어떻게오염을제거하는청결 (Clean) 한분말생산에집중하고있다. 2) 각개금속분물을혼합시킨분말 (Blended Elemental Powder)} NNS 용분말을 PA(Prealloyed) 분말이외에사염화티탄 (TiC1 4 ) 에서 Na 이나 Mg 으로환원시켜티타늄스폰지생산과정중잉고트제조용으로는부적절한미 세한 (Titanium sponge fines) 티타늄을그출발분말로하고, 다량요구될때 는큰것을분쇄하여사용하기도한다. 또다른출처는수소를첨가하여 Hydride-dehydride 공법으로분쇄하기도한다. Al 과 V 는각개원소의비교적순수한 (3N 정도 ) 분말을혼합하든가 Al 과 V 이 원하는조성치대로흔합된 Master alloyed powder 를미세한티탄스폰지에 중량비로혼합하여사용하는데, 전형적인티타늄미세분말의성분치는표 4. 와같고분말의입자경은대량 200mesh(75μm) 전후가많으며 -325mesh ( 45 μm) 급도 25-7% 정도된다. 티타늄미세분말에서문제되는것은염소 (Cl) 과나토리움 (Na) 인데이는기계적특성 ( 특히피로강도 ) 에영향을끼치기때문에되도록이면낮은것을사용하여야하나많을때는재차전기분해하여낮은염 소함유량의티탄미세스폰지를사용하여야한다. 티타늄미세분말증염소함 량 0.12% 이하는 Kroll 공정에서피할수없는한계치이다. -21-

23 표 4. 미세한티타늄분말성분표 10) 성 ; tri Ti Fe Na Cl C O N 중량 (%) Bal <0.03 AMS 규격 Bal 다. 응고공정 (Consolidation process) 근사완제품제조공정에서설명할바와같이티타늄합금부품을만들기위한 제조공법중응고공정은그출발원료가합금분말 (Prealloyed powder) 이냐혼합 분말 (81ended elemental powder) 이냐에따라결청된다. 1) 혼합분말의경우 혼합된분말을사용하는경우에는기계적프레스기나냉간정수압프레스기 를사용하여 4, 000kg/c 며 ~6, 000kg/c 며에상당하는압력으로상온에서응고한 다. 가 ) 기계적프레스에의한경우 이방법은금형에분말을충진후실온에서가압성형하여진밀도의 80~90 % 의압분체 (Green compact) 을제작하는것이다. 이러한방법은성형체의강도가높고, 정밀도도양호하다. 또한자동화도가 능하고생산성도높으나가압되는압력이 일축응력 (- 輪應力 : Uniaxial) 이기 때문에성형체의형상에제한적이다. 두께도 1. 2cm 이상인것은소결후 2 차적 인공정이필요하게된다. 나 ) 냉간정수압프레스의경우 (Cold Isostatic Pressing) 연질프라스틱이나고무용기 (Elastomer) 동에분말을충진후밀봉한다음상혼에서정수압 (I sosta tic pressing) 을작용시켜압분및성형하는방법이다. 성형체의정밀도나성형밀도에있어서는기계적프레스보다높지못하는단점 -22-

24 이있으나가 ) 의방법에서는금형과의마찰력때문에윤활제가필요한데윤활 제 제거공정이제거되고성형체의형상에구애받지않고큰것도가능하다는 장점이있다. 그런데 CIP 장치의제약때문에그크기는현재약 60cm 및높이 240cm 까지가능하다. 다 ) 진공소결 기계적프레스나냉간정수압프레스로성형한성형체를진공소결로에서일 반적인 티타늄 합금부품은 1,200 C 0 이상 (Ti-6Al-4V : 1,260 C) 0 으로 소결하여 진밀도 93-96% 까지, 그성분조성도균일한소결체를얻을수있다. 이때 성형체의수축율은대략 3% 정도인데, 이와같은수축율을 고려하여 성형체 용기 (Tooling) 설계에반영하여야한다. 라 ) 단 조 혼합분말로된진공소결체는대부분그기계적특성치나형상및정밀도가 만족된다면곧바로기계가공공정으로넘어가나, 소결체의기계적성질, 형상 및정밀도가양호하지못할경우에는 2 차적인가공을한다. 분말2 차적인가공에는열간정수압프레싱, 약간의단조및 압인가공 (Coining) 둥 이 있고변형가공및아닐링 (Annealing) 열처리도여기에포함된다. 그렴 2. 에서처럼최종기계가공부품에근접하게제작하는데는여러가지단 조공법이있다. 혼합티타늄합금이나티타늄합금분말인경우에열간정수압공정 을적용하기곤란한경우에는대체적으로 Hot-die Forging 법을적용하여 합금제품의기계적특성을향상시킨다. Hot-die 단조에있어서단조변형에대한특성치는다이온도, 단조압력, 변 형속도, 장입물의온도및초기의합금미세조직둥에큰영향을받게된다. 티 타늄합금특히 Ti-6AI-4V 의 합금인경우에는장입물의온도는 B C 정 도이고변형속도는 mm / min 이나단조압력에따라차이가있게 마련 이다. 단조온도가 α+β/β Transus 1,OOO oc::!::: 15 일경우에는단조압력은 700kg % ω

25 /c 며이하이고장입물의단조두께에따라차이가난다. 어햇든열간정수압공법 올사용하지않는한장입물의온도와다이온도른일정하게유지하기곤란하 다. 그래서분말합금의경우에는열간정수압공법이유리하다. 여기에대한것 은합금분말의 HIP 처리 에서기술한다. Conventional/hammer Hot-die Isothermal Finish 그림 2. 여러가지단조공정에서의최종부품에대한완성품개략도 2) 합금분말의경우티타늄합금분말은산소와친화력이강하기때문에모든부풍제조에는불활성분위기나진공상태에서그작업이수행되어야한다. 여러성형공정중에서 열간정수압프레스공법이가장적합한공법이다. 이 HIP(Hot Isostatic Pressing) 공법은혼합분말의경우와달라서분말혼합공정이나소결공정도필요치 않고, 합금분말을특별한금속제용기에넣고용기의공기를빼내고밀봉후 고압용기상에서압력과열을가하면서압분체를치밀화하는공법이다. 가 ) 합금분말의 HIP 처리 합금분말의 HIP 처리에서합금분말용용기 (Container) 는원하는최종제품의 형상보다큰용기에넣고공기를빼내고밀봉후열과압력을가하면서소정 형상의소결체를만든다. 여기에서대체로분말용기형상에따라세가지로나 -24-

26 눠졌다. Ceramic Fluid die 으로대별된다. 합금분말의 HIP 처리에있어서가장어렵고 Know-how 가많은공정이 충진용기의설계와제작이다. 압분체를열과압력을가하면서소결한때 l=!_ul ;r -2. /'-- "" T ""='1 율은분말의충진밀도에의존하게되는데충진밀도를일정하게하여도크고 복잡한형상은수축방향을예측하기어렵다. 최종시편을얻기 위해서는여러 번반복하여실험을하여최적의용기를알 필요가있다. 이러한시행착오법 적인기법이 HIP 적용에대한비용상승원인중의하나이다. 이것에비하면 Rotating Electrode Process 에서제조한구형인합금분말을사용하면압분체의 밀도가대략진밀도의 65% 로재현성이있다. 여기에압력은퉁압적으로가하 여지기때문에그수축율은일정하게되어 최종몰드의형상을예측가능하 다. 이것도비교적작은면적 (1 60c며이하 ) 과단순한형상에한하고복잡하고큰것은시행착오법을적용할수밖에없다. 합금분말에대한 HIP 적용에가장범용적인공법은미국의 Co1t -Crucible Ceramic Mold process 인데, 이것은 Lost wax기법을이용한것이다. 우선 Wax pattern 에서 Ceramic mold를만들어분말충진및공기제거후밀 봉한다. 2 차적인압력전달매체속에넣고 HIP 처리한다. 그처리단계적과정및처리조건을그림 3.4 과 같다. 그처리온도는 a+ β 영역전후에서실시하는것이보통이다. β-transus보다높은온도에서응고하면좀더짧은시간과낮은압력이소요되나그결과로 β- 상이굵어지고입계가계속되는 a- 상때문에합금의피로강도가감소한다. 또한온도가너무낮으면조직적 로 100% 치밀화하여도입자간의결합이충분치않아서인성이낮아진다. 조대화된 a- 상의미세하고균일한구조를 갖기 다. 때문에현재는 a+ β 영역의온도에서응고 (Consolida tion) 시키는추세이 이와같은미세구조는성형체에해로운불순물만없다면용융시킨합금과 거의같은성질의피로강도를갖는다. % ω

27 삐 μln얀 n 늙 1?, e U쩨 ] HII' PROCEDURE STEP NO. 1 AUTOCLAVE WAX.INJECTABLE ALUMINUM DIE i STEP NO. 2 표뾰활훨훨 OVERSIZE WAX REI'LlCA I'ATTERN STEI' NO. 3 O HEATER COILS o i o시l 끼U fli 때젠γDv U r, t νr Ah c μ-- ι o 1. /M 씨c rr u m i A,g c 감 riim, t U 냐ζ U 3, 1 μo li l 까lli,!r,= l : n A m 비. v 믿 上 -t r 잉야.,.3 마.- -- c t s > R -T 시nRI聊{!ιh ~> o N A u c= =/ 톨--, E U n / Fν!,, R COLLAPSIBLE SîEEL CAN, 이,, νf t i 1 1, c O O * 0 O 899o Cil03MPa STEr NO. 1\ 뤘펼츠 E FlnED CEnAMIC SHELL "LOST WAX" FILLCEnAMlcwlTHPOWCl ER PACK IN STEEL C^N 8< SEAL EV^CUATE C^N 풀 Nr: T SHN'E 그림 3. Ceramic Mold 법의 단계적 과정

28 ("'1 0 1 N1 - Nco ("'1 P F ISd 견닝 nss3 닌 d 그 o R F * N - ("'1..,. ("'1 l N o ("'1 (N-m{U mm ----li F I I 잊혔씨메이 따! F 1 띠- tf 썼썽 :l o'dv\j 3 上 밸 ;s ~ S:JÚd ty 1ιo c.- c F '<1" F ("'1 o co - r ("'1 띠r1= FII QπiH 벌*Y 때며> [νfwrf,

29 HIP처리후소결체용기의일부가붕괴되어있다든가깨져있어소결체의표면에는반응층이약 O.3mm정도생긴다. 이것은화학적으로나기계적으로제거하여야한다. 나 ) Vacuum Hot Pressing VHP 공법은파단인성이나피로특성을중시하는용도에적용되고그비용도 높다. 그래서경제적면과형상의 간편성때문에 HIP 공법이발달이전부터사 용된공법이다. 본제조기술은기존유압기로금형에합금분말을충진후진공용기에서압력을가하면서웅고시킨다. 금형에는 Mo합금이나초경합금도사용하여대량생산도가능하나소량일경우에는비용때문에혹연도추천되기도한다. 이공정은높은온도 ( C) 에서티타늄합금분말과금형이반웅하지않도록이형제 (Parting agent) 로금형을코탱하여야하고표면에이형제가칭투되었기때문에화학척표면철삭이요구되는결점이있다. 그기계척특성도 HIP 에비하여떨어진다. 다 ) a+ß 형합금의가공및열처리에의한미세금속제어합금의여러가지특성특히기계적특성은금속의미세조직에의하여좌우된다. 금속의미세조직에대한기준이되는것은합금의상태도이다. 그림 5. 는 Ti-6Al-4V 의함금에대한 α+β 형합금의상태도이다. 종축에온도, 횡축에합금원소인알미늄및바나디웅의함량을표시하였다. 여기서중요한것은 β transus 선이다. 순티타늄인경우 a옹β 의변태온도가 β 안전화원소인바나디움을첨가하여증가함으로써 β 상에서 a+ β 2상 (Phase) 으로변하는온도즉 β transus가점차적으로낮아진다는것이다. 합금의조성이결정되면 β transus가정하여진다. Ti-6Al-4V 합금의경우는다소간차이는있으나변태온도는약 C 이나, 공업용티타늄합금의경우는 β transus 보다약간높은 β 영역 (1, C) 에서단조하여주괴조직을균질화하고그후에 a+ β 영역에서균질둥축 (Equiaxed microstructure) 을얻기위해필요한열간가공도행해지고 -28-

30 있다. 더욱이조직을정한상태로유지하기위해그림에나타난 β transus 이 하의온도에서도 a+ β 용체화처리를 2 시간정도로하기도한다. 그후 400~600 에서약 4~8 시간정도시효처리를하여 β 상에서 a 상을석출시키는것이일 반적인열처리방법이다 '- 자 4V CompO$Ílψ9-900 υ IJ 그 톨 700 CLl c. E 600 μ- 500 I Cl ".p o ι ß Tr 외 sus 400 TrGA/ Vanadium (, 띠쩌 그림 5. Schematic phase diagram of Ti-6Al-4V 라. 분말에대한품질관리 티타늄분말은공기와친화력이강하기때문에어떻게하면오염으로부터오는품질저하를방지할것인가가가장큰문제로되어있다. 오염물질은대체로금속계와비금속계로대별되고오염의출처는분말제조공정, 분말취급및응고과정에서발생된다. 분말제조공정에서오염물질이전혀 r,'- ìíλ "c 것이 이상적이나 Rotating Electrode Prooess 에서나오는텅크스텐불순문은피하기어렵다. 그래서 Plasma -29-

31 REP 로공정을개선하여 W 첨가가없는분말올제조하기도한다. 분말을공기 중에노출하면먼지둥의입자가첨가되어피로성능의저하원인이된다. 저장 시는깡통에넣고불활성가스를채우고완전밀봉한다. 스크련작업이나취급시는 Clean room 에서하여야한다. 또한분말충진용기의표면이오염되기도쉽고성형체의표면도공기중에노출하면오염되어파단인성이나피로강도를떨어뜨린다. 기타적극적인분말에대한 Cleaning 대책은 Electrostatic Separation 및 Electrodynamic degassing 방법을이용하기도한다. -30-

32 저 13 장 人 E 크 õ~ I 그 제 1 절 금속분말의혼합 티타늄미세분말, 알미늄미세분말및 바나디움미세분말은일본고순도화 학 ( 주 ) 제품이며각각의성분은다음과같다. 티타늄미세분말 순도 : 99.8% (Wt, %) 평균입도 : 170~250mesh. 화학적분석성분 (Wt, %) 원소 Ti O N H C Fe Cl Si Mn Mg % or 8al% PPM % % % PPM PPM PPM PPM 얄미늄미세분말 순도 : 99.8%(Wt, %).. 평균입도 : 150 ~ 250mesh 화학적분석성분 (Wt, %) 원소 Al O N H C Fe Si Cl Mg 비고 % or 규격에제외 j PPM PPM PPM PPM PPM (O.N.H.C) -31-

33 바나디움미세분말 순 도 : 99% 이상 평균입도 : 200mesh pass 화학적분석성분 (Wt, %) 닙.A. = 닙서응를 "ir듣를 ~-~ Si : 0.01 %, Al, Fe, Mo : 0.03 %, Ni, Cr, Mn( 0.01 % 또한각각구입한금속분말에대한형태학적모양새는사진 1, 2, 3 과같다. 그리고각각의분말을무게비 (Wt, %) 로티타늄 90%, 알미늄 6%, 바나디 움 4% 로평량하여사진 5 에서보는바와같이 V 형 혼합기에투입하여밀봉 하였다. 혼합기가소형 ( 직경 : 6.5cm) 이기 때문에회전수은 30rpm 정도로고정 하면서 2 시간이상혼합하였다. 이때용기에분말을절반정도채우고회전시켰 다. 사진 1 티타늄 미세분말에 대한 SEM 사진 -32-

34 사진 2. 알미늄미세분말에대한 SEM 사진 사진 3. 바나다움미세분말에대한 SEM 사진 -33-

35 균질도를나타내는혼합도는혼합물을임의적으로샘플렁하여성분분석하여통계적처리에의하여평가하여야하나여기서는사진 5 의 V 형혼합기의혼합특성상내부에혼합을촉진하는방해판이부착된혼합기로혼합하면그혼합도애대한표준편차가 1% 이하에도달하는시간이 3 분이상이면충분하다. 진공소결후그균질정도를 EDS 로분석하여검증할예정이다. V 형 혼합기로 Ti-6AI-4V 를혼합한결과를 SEM 사진으로는사진 4 와같 고, 입도분포도는그림 7 과같다. 있을때 ) : 혼합시간 ( 분 ) 그림 6. V 형혼합기의혼합곡선 13) -34-

36 Upper % Lower % Upper % Lower % Resul t source = S라nple Size ln Size under Size ln Size under Record No. = Focal length= Pres::n떠tion=stnd Volume dis다ibution Bean length = Obscuration = O Volume Conc. = O. 1825% Residual = % Model indp D(v,0.5) = 93.8 '1μm D(v,0.9) = μm D(v,O. l) = 62.33μm D D( 4,3) = 98.01μm D(3, 2) = 90.14μm Span S얻c.surf.area 37.8 o sg.m./ 댄n. a x 뻐 f!8 larticle size (u.). 3 톨 8 그림 7. 혼합한 Ti-6Al-4V 의입도분포도야ω

37 사진 4. 각개분말원소틀혼합한 SEM 사진 사진 5. v 형 분말혼합기 % ω

38 제 2 절 냉간정수압공정 (Cold Isostatic Pressing) 냉간정수압공정에서금속분말을성형하는데가장중요한것이첫째습식 (Wet bay type) 인경우어떤재질의재료를선택하여어떤두께로몰드를설계할것인가즉 Tooling for wet bag 문제이다. 두번째가만들어진성형체가변형이비교적럴되고층층으로부서지거나몰드에고착되지않아야하고세번째가원하는성형밀도를얻을수있는압력까지가입할수있는장치이어야한다. 본실험을위한 CIP 는사진 6. 과같으며최대압력은 4, 200kg/c 며이다. 그리 고개략적인공정의흐름도그림 8. 과같다. 활 :l 뀔 團 사진 6. 냉간정수압기 (Cold Isostatic Press) -37-

39 Mold 선 금속분말 선정 * Blended elemental 저압감압 도그림 8. Cold Isostatic Pressing 공정도 14 ) -38-

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41

42 여러재료중에서합금금속분말이몰드재료에고착되지않고복원력이양 호하면서분말이재료표면에덜묻어나고 Ti-6Al-4V 에 잘견디는것으로폴 리우레탄으로선정하였다. 몰드의 제조에는금형을제작하여 Hot elastomer casting 하여야하나금형 설계제작비및최소주문량동으로비용이과대하게소요되어서시중에서폴 리우레탄을구입하여보조지지대를특별히설계제작하여몰드에부착하고선 반가공하였다. 2) 몰드의사용결과 폴리우레탄몰드를 CIP 기기에서 4-5 회 사용하면압축팽창응력을받아서 몰드의경도가약해저금속분말이몰드의내부에압착되어몰드의뒤틀림현 상이발생되고선반가공시바이트의회전력에의해생긴미세한흔적때문에 몰드표면에약간의균열이발생된다. 이 상태에서계속사용하면성형체가깨 지거나성형체를꺼내는데어려움이발생된다. 이를극복하고재사용키위해몰드를 Oven 기에넣어 1-2 시간 82 0 C 로 Curing 하면폴리우레탄의강도가회복되어재사용가능하였다. 3) 몰드의재료선정기준선정여러가지 Elastomer를사용한결과금속분말용몰드재료선정에는다음과같은특성이갖추워져야한다. (1) 낮은탄성계수 (2) 압축성형체와몰드재료와의낮은부착성 (3) 원상회복이양호할것 (4) 압축성이양호할것 (5) 기름, 부식방지용용액및물에내성에있을것 (6) 내마모성및질길것 -41-

43 (7) 고압축성 (5, 000kg/c며이상 ) 에도잘견디고저압축성 (200kg/c며이하) 에서복원성이양호할것 (8) 시효경화에도강할것 (9) 경도는 40~800 (Shore A) 에들것 o.c>> 되도록이면표면에흠집이나결함이없을것 o.ü 가격이쌀것 나. 몰드설계및밀봉재의선정 처음에는폴리우레탄몰드의설계를외경 30( 내경 20) x 88mm 정도로하여 CIP ing 하였으나성형체가제대로만들어지지않아서점차적으로두께를줄여 가면서성형하여도사진 8. 와같은충층으로된조각난것이 만들어졌다. 이 에대한원인은몰드의두께가적당치않다든가가압후압력강화 Cycle 에문 제가있다고생각하고몰드의두께및 압력강하 Cycle 을시행착오법으로실험 한결과몰드의최종설계를그림 9. 와같이결정하였다. 그리고압력강화 Cycle을그림 10. 에서처럼압력이 200kg/c며이하일때시간을충분히하여천천히감압하여야만성형체의불량율이적어짐을알아냈다. 즉폴리우렌탄의원상회복에걸리는시간이충분하여야만성형체가제대로만들어짐을알았다. 압력강하를너무빨리 하면성형체가층층으로깨진다든가휘어진성형체가 만들어지고너무길게하면냉간정수압기상부덮게 Pin 의덮게용 Metal 0- Ring 이고착되어 Pin을제거하는데어려움이많고시간도오래걸린다. 몰드에혼합금속분말을랩핑하여투입후공기가함몰 (Trap) 되지않게빼내고덮게 (Bung) 도덮고, 압축성형시외부에서수분이스며들지않게끔밀폐시키기위해서는봉인용테이프가중요한역할을함으로써봉인용테이프의선정이중요하다. 봉인용테이프는압축성형시수축및압력강하시원형복원이잘되어야한다. -42-

44 그러나대부분의접착성테이프는압축시수축하여뒤 엉켜붙어서압력강하 시팽창하면서물이조금씩몰드속으로스며든다. 금속분말은수분홉착시는소결할때 산하되어합금분말의상대밀도향상에 장애가될뿐아니라분말제품의기계적특성에결정적인악영향을초래한다. 그러므로금속합금분말의습식압축성형시절대로수분이스며들어서는안된 다. 봉인용테이프를국내제품, 미국제및 일본제둥으로실험한결과는대체적 으로밀봉성은테이프를몰드덮개에감는방법의차이에따라약간의수분이 스며들었다. 이 중에서불소수지형절삭용테이프가양호하였다. 그래도완전 밀폐성을유지하기위해서덮개연결부위에흔히공업용으로사용하는고압용 테프론데이프를 3 회 정도감어주변완전밀폐가되었다. 이는테프론테이프 가압력강하시접착성테이프의엉켜줌을방지하는완충역할을하는것으로 추정된다. 다. 혼합합금분말의콤돼트 (Compaction) 혼합합금분말 (Ti-6Al-4V) 을폴리우레탄에충진하고 Tapping density 를측정 한결과평균상대밀도는 65% 정도이고 CIP 에서의가압및 압력강하 Cycle 에 대한관계도는그림 10. 과같다. 냉간정수압압축성형기는일본 Nikkiso Model N 이며 최대사용압 력은 4, 200kg / c떠이다. 이를사용하여 Ti-6Al-4V 의혼합합금분말에대한압축성형시그림 10. 의 C가최적압축및압력강하 Cycle도이다.A 나 B그래프형 Cycle 도생각할수있으나실제에있어서 A 나 B 와같이조절하여도성형체가양호하지못하였다. 그림 1 1. 은 콤팩트압출력에따르는이론밀도에대한상대밀도의관계도이 며상대밀도측정은 ASTM 에의거측정하고 Data points 는가장 -43-

45 상태가양호한 5-6 개의평균치를택했다.( 그림 11. 중 * 는미츠비시중앙연 구소의 K. Obara 제씨둥의 The mechanical properties of P 1M Ti-6Al-4 V alloy" Titanium 84,pp 2545 의 data 을참고하였다.).ul 그렴 9. 최종몰드의규격 -44-

46 (N 흐Qi)W} A α 버그\Omω띠ιι E/E POWDER OF Ti-6Al-4V COLD ISOSTATIC PRESSING BY WET BAG METHOD MOULD MATERULS; PLOYURETHANE MAX.OPERATING PRESSURE;4200KG/C 2 O o TIME(minutes) 그림 10. RELATIONSHIP BETWEEN COMPACTING PRESSURIZING AND DEPRESSURIZING vs TIME

47 . α(neu\zg ] 띠 때며m... h m. φ <D ω. ω띠 h m{떠껴μω i써디닙빼esμφ능성다β φn김u{q끽 R띠g k 검m섭φ{ 빼{{1(iAi%껴k{({ 엉φ껴Qφ Fmmg섭껴 (뼈생껴φ디lf 톨 l.* 매 섭껴mmφriQQ껴}@}m m}성{ U앙 겹φ딩뼈@(iμ@농R. ω띠. # m. η. 양\ 띠섭떠{영ωμ섭K{ { m{@김뀔@딩{ {섭 (얘떠띠 생 니4pli. [ ι] N ι r 다 (a.1.io %) μisn 꾀꼬 1 1'γ13 t1-46- (j) llì 7

48 제 3 절진공소결 Ti-6Al-4V 의 혼합합금금속분말을냉간정수압기 (Cold Isostatic Pressing) 에 서압축성형시킨성형체를자체저항가열식진공로 ( 사진 9.) 및방열식진공 로 ( 사진 10.) 에서각각소결실험을하였다. 가. 자체저항가열식진공소결 압축성형한성형체를자체저항가열식진공로 (2.6 X 10-5 Torr, 1, C ) 에서 4 시간동안소결하여, 상대밀도 ( 이론밀도에대한비율 ) 가 88.3~90.4% 의진공 소결체를만들었다. 그러나열이성형체전체에균일하게전달되지않고시료를고정한양쪽끝 단에서시료의중앙부분에온도가가장높게나타나고소결 1~2 시간후소결 체 다. 중앙부분에서용융하여녹아내리는경우가많고끝내는녹아절단되고만 그래서소결시수축율을고려하여지지대아랫부분에서모타로지지태를 시간당 2mm 정도로밀어넣어주면서진공소결하였다. 진공소결체를절단하여보면사진 1 1. 에서 보는것처럼시료의중앙에입자 결함이축소되어기공 (Pore) 이 커지면서다른입자결합부를차단하고고립되 어공동 (Void) 이커진결과를얻어졌다. 그러므로자체저항가열식진공소결로에서티타늄합금분말의성형체를소결 하는것은적합치않았다. 나. 방열식진공소걸 냉간정수압기 (CIP) 의장치로만든 Ti-6Al-4V 의혼합성형체를발열체가텅 그스텐망으로된방열식진공로에넣고그림 12. 도와같이실험한결과사진 -47-

49 .- ι 사진 9. 자체저항가열식 진공로 그림 10. 방열식 진공로 -48-

50 사진 11. 자체저항가열식진공로에서진공소결한시면 사진 12. A,B 방열식진공로에서소결한시면 c 세라믹도포하여건조시킨시편 D 세라믹코 - 팅한사편 E 부분적열간단조한시편 -49-

51 PS o ~,---,---,---.--~ u nn 띠. ω τ{{< 애 이찌세때F언버배[W {티니{R }W 카이----P 까E ζ) ωp'k 버어 돔 (해 J m. 이α. Lf) o N{ 매κ) r 이 CJ) d Ul él 上 쟁,JO^ -50-

52 12. 의 A, B 에서와같은소결체를제조하였다. 그림 12. 도에서 4 X 10-5 Torr 및 C 상태에서소결곡선이완만히상승된 것은본격적인소결에들어가기전에시료의탈가스처리 (Degassing treatment) 에따른압력상승이다. 홉착된수분, 카본, 탄산가스및수소동은 1 X 10-5 Pa, C 이하에서 완전 히 탈가스되어진다. 그러나산소등은 500'C 근처에서성형체의청결도에따 라 분정도시간이소요된다. 또한 1,300 o C, 4 시간진공소결후 Q 상및 β 상이공존된 a+ß 상의미세조직 을얻고자노 (Furnace) 내냉간하였다. 더싸

53 제 4 절단조 가. 대기분위기하에서단조롤위한소걸체의예비코팅 티타늄합금에대한단조공법은열간단조가바람직하나연구예산의한계때문에열간정수압기기 (Hot Isostatic Pressing) 을구입하여실험하기란어렵다. 그러므로대기중에서열간단조를위해서는소결체가열중에산소, 질소및 수소에의한오염을방지할목적으로 Ceramic glass precoat을하였다. Ceramic glass precoat는 Boron silicate glass coating 법으로다음과같은조성 과조건으로실시하였다. * 코팅용 Frit 조성 (Wt, %) Si02 : 37.9 Alz03 : 1.0 B20 3 : 6.5 CaO: 3.5 Zr02: 2.5 BaO : 44.5 ZnO: 5.0 * 코팅용유약 (Wt, %) Frit : 90 산화제 2 동 : 10 아질산소다 : 물 : 45 유약용액을스텐리스비커에넣고교반후진공소결된시편을깨끗하게청 -52-

54 소하여유약용액에침적시켜도포하였다. 도포된시편을약 C 로건조기에 서 건조한후전기로에서약 980~ 1, 030 o C 로 5~10 분간소성하였다. 세라믹으 로코팅된시편은약한청색으로사진 12. 의 D 와같은결과를얻었다. 나. 단조 단조온도및단조압력에따른실험결과는그림 13. 과같다. 그림의관계도에서보는바와같이단조온도 1, 100 V C 에서단조압력이평방센치당 6톤일때상대밀도는 98.0 를나타낸다. 이보다온도가낮은 1,000oC 이하일때는낮은상대밀도를나타낸다. 단조방법을냉간 Drop hammering 일때와열간 Drop hammering으로할경우는사진 13. 과같고사진 13. 의아랫사진은냉간단조할때시편이균열되 어셋겨진다. -53-

55 ;0 li rι--mim1ct갚(%) :., _v _Tv ;;/ /? / /J \? : 900" C e v : C., :1.100" C 2 4 F orging pressure(t / cm 긴 6 ---j t f G J 4 - // - ( \{?}:이( 그림 13. Densification curves for various hot forging temperatues 사진 13. 열간 ql 7< 냉간 drop hammering 한 시면 -54-

56 저 14 장 실험결과및고찰 가. 냉간정수압공정 혼합된금속분말 (Ti-6Al-4V) 을냉간정수압기 (CIP) 로압축성형시예상했던 바와같이근사완제품 (NNS) 의시편이제작되었다. 상대밀도도그림 1 1. 에서 보는것처럼 85% 전후로비교적양호하게제작되었으나다음과같은문제점 이발견되어차후연구에는이를보완하여실험하였다. 1) 금속분말냉간정수압기용고무형몰드에투입시손으로몰드를 Tapping 하면서충진하게됨으로써 Tapping density 가일정하지 않고냉간정수압기를 통과한압축성체의밀도가같은압력도에서도일정치않게된다. 2) 고무형몰드의설계에있어서몰드의재질및사이즈 (size) 의최적선정 에대한어려움이많다. 몰드의설계기준, Tapping 밀도및압력도가같고같 은폴리우레탄을사용하는경우에도압축성형밀도가달라지게된다. 이는시 중에서폴리우레탄봉을구입하여선반으로가공하게하는데이에균일하게선 반가공이잘안되고구입된폴리우레탄자체도약간씩경도의차이가난다. 균일한품질의폴리우레탄몰드를제작키위해서는폴리우레탄분말로금형 상에서제작하여야하나연구비의한계성때문에자체제작치못한원인도있 다. 나. 진공소결에대한온도제어 진공소결시온도제어는 Phase diagram 상에서 Ti-6Al-4V 의합금잉고트및 AIN 잉고트의용융점이각각 l,594.c 및 l,360.c 이다. 200mesh pass 의 Ti- ωr

57 6Al-4V 합금분말을압축성형하여진공상태에서 1,400-1, C 까지소결온도를올려도액상이나타나자아니하고진공소결온도를대체로 1,200-1,300 C 0 로실험연구한보고도 17) 있어서, 이러한연구결과를토대로하여소결온도를 1, C 로기준치로하였으나소결온도열감지접촉접이발열체부근에있고시편은중앙에있어서계기상에나타나는온도가차이가있어본실험에서는 1, C 를기준소결온도로하였다. 그림 14. 에서는압축성형밀도에따른진공소결에대한상대밀도를나타낸것으로실선으로표시한것이압축성형상대밀도가증가함에따라진공소결상 대밀도도증가하고성형상태밀도가 78% 일 때까지상승하나 80% 일때는거 의 완만한콕선으로나타난다. 또한실선주위를벗어난 Data point 들은여러가 지원인중에서금속합금분말을폴리우레탄에충진할때손으로 Tapping 하기때문에매번 Tapping차이로인한성형상대밀도차이도있고합금분말을취급한계절이 7, 8 월중으로분말중에대기중의수분이금속분말에홉착되어진공소결할때수분둥이완전히탈가스화되지않아산화물이형성되어소결체의상대밀도향상에장애가된, 원하지않는 Data point들이라고생각되어유효자료로보지않았다. 다. 성분분석 표 6. 에서보는바와같이 EDS(Energy Dispersive Spectrometer) 에의한 Ti -6Al-4V 진공소결체에대한원소분석을하였다. 분석된원소성분중알미늄 및 바나디웅대한원소주사면적배분율을 Ti-6Al-4V 합금의규격범위에분산 시켜합금분말로만든기준시편의성분과, 비교하면그림 15. 와같다. 합금에 대한원소성분을 EDS 분석으로정량화시키는것은소결체의미세성분과일치 한다고볼수없으나대략적인경향을알수있다. 그림 15. 에 나타낸바와같이본연구에서혼합분말로압축성형하여진공소 -56-

58 결한 Ti-6AI-4V 중의 Al 및 V 성분이합금분말로소결한기준시편의성분괴 거의비슷한양상을보이는것은진공소결체의혼합금속중에 Al 및 V 성분이 거의원하는범위로균질분포되었다고본다. 표 6. EDS 에의한원소분석 Data SQ: QUANTIFY Standardless Analysis 15.0kv 58.4 Degrees Chi-sqd=0.92 Element AI-K Ti-K V-K PT. NO. 2 FILE 20 NO. of Iterations = 1 Red.K -ratio / / / Net Counts / / / -128 Element K-ratio Z A F 2AF Atom% Wt% AI-K Ti-K V-K 던 Total= %

59 라. 열간단조의온도제어및미세구조 혼합금속분말을압축성형및진공소결후소결체에대한상대적인밀도및 기계적특성을향상시키기위해서는열간단조퉁이필요하다. 열간단조는대 체적으로열간정수압장치를이용하든가 Hot forging 장치를이용하여단조한 다. 그런데티타늄합금에대한단조에는가장큰영향을미치는것중의하나 가온도이다. 여기에는다이및장입물의온도를일정하게유지하면서단조합 력을걸어주어야한다. 여기에가장적절한장치가열간정수압장치이나본연 구에서는연구예산상장비구입이어려워 Hot forging 장치를이용하여실험 하였다. 그림 13. 워 단조압력에따른온도는목적하는온도보다약 100.C 정도더 높 여서단조하였다 ; 이는압착시의다이온도를보상해보고자한시도였다. 그림 13. 의단조압력에따른상대밀도에대한관계도에서단조온도 900.C, 1,000.C 및 1,100.C, 단조압력 6 톤 /ciiì, Strain rate 300mm/min로열간단조하고이때미세구조에대한현미경및 SEM 사진은사진 14, 15, 16, 17, 18 및 19 이다. 6 톤압력에서온도를각각 900.C, 1,000.C 및 1, 100'C 로하였을때상대밀도는각각 96%, 97%, 98% 로나타낸다. 현미경사진 14, 15 및 SEM사진 18. 에서기공들이뚜렷하게나타나고사진 16, 17 및 SEM 사진 19. 에서나타난바와같이기공들이 ( 화살표로표시한방향 ) 점차적으로줄어든것이보여진다. 그리고사진 17 에서는일부분적이나기공이거의나타나지않는다. SEM 사진 18. 진공소결후열간단조전의것으로기공들이상당히많이나 타나고사진의밝고회게보이는부분은유사판상 (Platelike) α 상의미세구조 및검은경계선은 β 상의미세구조로 α+β 상이확연히잘나타나고있다. SEM 사진 19. 는현미경사진에서본기공들이열간단조후함몰되어진것으로나타내었다.( 사진의화살표방향에함몰된부분이보여진다. -58-

60 까 leoretical density i -J fj) I φ Temp : 13OO. C Time 4 hrs Ti-6Al-4V j \ -i 4.2 "0 qljφ ~ I cf) / ~ Green density 그림 14. SINTERED DENSITY vs GREEN DENSITY -59-

61 *.;.-sie? l닐z6 5 Specificatiα1 1 i.i ts by AMS 4928.PA powd 빠 r BE powder 5 c 3 그림 15. EDS analysis f AL and V -60-

62 사진 t.6 톤의열간단조후미세구조 (400 X) 사진 t. 6 톤의열간단조후미세구조 (400 X) -61-

63 사진 16. 1, 100 't, 6 톤의열간단조후미세구조 (400 X) 사진 17. 1, 100 't, 6 톤의열간단조후미세구조 (400 X) -62-

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65 저 15 장 結 드 A i:ifffl 티타늄스폰지中 微細해末과各個元素金屬해末 ( 알미늄및바나디움 ) 을混 合하여冷間靜水壓機로摩縮成形, 힐호 ; 燒結및熱間銀造하여相對密 度를 98% 까지向上시키는實驗昭究結果는다음과같다. 깨 Ti-6AI-4V 混合. 合金金屬料末의平均 * 立度는 60~250μm 級이 적당하고拉 子의形態는球型이良好하다. 아 j Ti-6AI-4V 混合合金金屬松末冷間靜水壓機의 Wet bag 材料는폴리우레 탄이最適이고封印用테이프는 E 쩔縮成型時 1& 縮및壓力降下時原形復元이 잘되는蘭素樹뼈型테이프가水分이스며들지않아서事用하기에適當하다. 때힐호 ; 燒結時를 2: 度는 5 X 10-5 Torr, 溫度 1, 300 V C 에서 4 시간所要된다. (t!}) 熱間銀造時 段造壓力은 6 톤 /c 며, 溫度 1,lOO OC 및 Ram rate 300mm/min 에 서相對密 度 98% 의結果를얻었고相對的인氣孔도減少를顯微鏡寫헬으로 確認하였다. -64-

66 / jξl C 그 고 E그 Daniel Eylon, Titanium for Energy and Industrial Application," the Metallurgical Society of AIME, C.A.Kelto, B.A.Kosmai, D.Eylon and F.H.Froes, Titanium Powder Metallurgy-A Persipective," Proceeding of the Powder Metallurgy Committee of the Metallurgical Society of AIME at the 109th AIME Annual Meeting, Las Vagas, F.H.Frose and D.Daniel, Titanium Powder Metallurgy.-A Review," ppl-20, in Titanium Net Shape Techonlogies, R.H.WITT and I.G.Weaver, Titanium PM Components for Air Frames," pp29-39 in ibid. 5. M.Hagiwara, Y.Kaieda and Y.Kawabe, Improvement of Mechanical Properties of Blended Elemental Ti-6Al-4V Alloy through Microstructructural Modification," pp in Iron and Steel (Japan), No. 6, C.C.Chen, Recent Advancements in Titanium Near Net Shape Technology," pp 3-21 in Advanced Procesing Methods for Titanium, D.Eylon, R.E.Omlor, R.J.Bacon and F.H.Froes, Morphological and Microstructural Evaluation of Various Titanium Alloy," the Metallurgical Society of AIME, P.R.Roberts and P.Loewenstein, Titanium Alloy Powders Made by the Ro tating Electrode Process," pp21-34 in Powder Metallurgy of Titanium, R.E.Peebles and C.A.Kelto, Investigation of Methods for the Production of High Quality, Low Cost Titanium Alloy Powder," pp47-58, ibid. -65-

67 10. P.J.Amdersen and P.C.Eloff, Development of Higher Performance Blended Elemental Powder Metallurgy Titanium," pp in ibid R.H.Witt and, W.T.Highberger, Hot Isostatic Pressing of Near-Net-Shape Titanium Structural Parts," pp255-28~ in ibid. 12. Ibid in reference, No 失野武夫, 混合混練 ", pp129, 검和 P.E.Price and S.P.Kohler, Cold Isostatic Pressing of Metal Powders", pp in Metal Handbook, Vol., 7, 9th Edition. 15. Ibid in reference, No J.Park, M.W.Topaz, D.H.Ro and E.N.Aqua, Blended Elemental Powder Metallurgy of Titanium Alooys," pp in Titanium Net Shape Technologies, Y.Obera, Y.Nishino, H.Nishi and M.yokomizo, The Mechanical Properties of P 1M Ti-6Al-4 V Alloy," pp in Titanium and Titanium Alloys, Vol. 3,

68 ef 究報告 KR-93-3B-l 티타늄合金親末加工技術開훌훌 1994 년 3 월일인쇄 1994 년 3 월일발행 발행소 : 대전직할시유성구가정동 30 재단법인 한국자원연구소 발행인 : 김동학 인쇄 : 웅진 ; rrj 화사

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