[ 논문 ] 한국재료학회지 https://doi.org/10.3740/mrsk.2019.29.4.258 Korean J. Mater. Res. Vol. 29, No. 4 (2019) 삽입금속 Cu 를이용한 TiAl 합금과 SCM440 의마찰용접계면특성 박성현 1 김기영 1,2 박종문 1 최인철 1 Kazuhiro Ito 3 오명훈 1 1 금오공과대학교신소재공학부, 2 A.F.W( 주 ), 3 오사카대학교접합과학연구소 Interfacial Properties of Friction-Welded TiAl and SCM440 Alloys with Cu as Insert Metal Sung-Hyun Park 1, Ki-Young Kim 1,2, Jong-Moon Park 1, In-Chul Choi 1, Kazuhiro Ito 3 and Myung-Hoon Oh 1 1 School of Materials Science and Engineering, Kumoh National Institute of Technology (KIT), 61 Daehakro, Gumi, Gyeongbuk 39177, Republic of Korea 2 Asan Friction Welding Co., Ltd, 982-5 Keumsanri, Waekwan, Chilgok, Gyeongbuk 39909, Republic of Korea 3 Joining and Welding Research Institute, Osaka University, 11-1 Mihogaoka, Ibaraki, Osaka 567-0047, Japan (Received March 19, 2019 : Revised April 3, 2019 : Accepted April 4, 2019) Abstracts Since the directly bonded interface between TiAl alloy and SCM440 includes lots of cracks and generated intermetallic compounds(imcs) such as TiC, FeTi, and Fe 2 Ti, the interfacial strength can be significantly reduced. Therefore, in this study, Cu is selected as an insert metal to improve the lower tensile strength of the joint between TiAl alloy and SCM440 during friction welding. As a result, newly formed IMCs, such as Cu 2 TiAl, CuTiAl, and TiCu 2, are found at the interface between TiAl alloy and Cu layer and the thickness of IMCs layers is found to vary with friction time. In addition, to determine the relationship between the thickness of the IMCs and the strength of the welded interfaces, a tensile test was performed using sub-size specimens obtained from the center to the peripheral region of the friction-welded interface. The results are discussed in terms of changes in the IMCs and the underlying deformation mechanism. Finally, it is found that the friction welding process needs to be idealized because IMCs generated between TiAl alloy and Cu act to not only increase the bonding strength but also form an easy path of fracture propagation. Key words TiAl, insert metal, interface, intermetallics, microstructure 1. 서론 금속간화합물 TiAl, 통상적인명칭으로 gamma-tial 합금은낮은비중, 우수한고온강도및내식성을바탕으로니켈 (Ni) 기초내열합금 (superalloy) 을대체할수있는차세대경량내열재료로서가능성을인정받아왔으며, 1-4) 최근에는자동차의연비향상및이산화탄소배출감소를목적으로채용되는터보차저용터빈휠 (turbine wheel) 에도적용되어실용화되고있다. 5,6) 이때고온부와접촉하는터빈휠에는 TiAl 합금이, 저온부에는 Al 합금 (Al6063) 이사용되며, 이를연결하는축 (Shaft) 으로는 SCM440 (Cr-Mo steel) 이사용된다. 7-9) 따라서이러한설계에서는이종금속간의접합기술이필요한데, TiAl 합금이모재로적용될때에는확산접합, 10,11) 브레이징, 12,13) 그리고마찰용접 14,15) 등이적용가능한것으로보고되고있다. 그중에서도용접에따른결함이적고대기중에서수행이가능한고상용접으로생산공정이간단한장점으로인하여구동축으로사용되는재료간의용접에서는마찰용접이많이사용되고있다. 마찰용접은모재금속의마찰열에의한원자확산을수반하는접합방법으로이종금속간 Corresponding author E-Mail : ohmyung@kumoh.ac.kr (M.-H. Oh, KIT) Materials Research Society of Korea, All rights reserved. This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. 258
삽입금속 Cu 를이용한 TiAl 합금과 SCM440 의마찰용접계면특성 259 의접합시에는모재금속에포함되어있는원자들이확산하여접합계면에금속간화합물을형성한다. 특히, TiAl 합금과 SCM440 접합시에는 SCM440 에포함되어있는 C 또는 Fe 원자가 TiAl 합금쪽으로확산되어 TiC, FeTi 그리고 Fe 2 Ti 와같은금속간화합물을형성한다. 이러한금속간화합물의생성은취성이상대적으로높아기계적특성의저해요인으로작용됨에따라이종금속간의접합에서반드시제어되어야하는요소이다. 또한, TiAl 합금은상온연성이부족하여가압시가해지는높은압력으로인하여 TiAl 합금의접합계면을따라균열 (crack) 이발생하며, 최종적으로미접합부가형성된다. 이러한금속간화합물과균열의발생을방지하기위해접합계면사이에원자확산의장벽및응력완충역할을할수있는삽입금속을적용하는연구에관한관심이높아지고있다. 특히, 높은열전도도와우수한연성을갖는 Cu 는마찰용접에서연구되고있는대표적인삽입금속중의하나로써 TiAl 합금과 SCM440 의접합에서발생되는금속간화합물및균열의생성을억제하는역할을한다. 14,16) 하지만, 다른연구결과에의하면접합공정조건에따라잔존삽입금속층에서도금속간화합물에의해접합강도가변한다고도보고되어있다. 17) 그러므로삽입금속을사용할때에도삽입금속과마찰공정조건에따른반응층과계면에서의미세조직적및기계적물성의변화를이해하기위한연구가필요한실정이다. 따라서본연구에서는 TiAl 합금과 SCM440 의마찰용접에서발생되는기계적특성의저해요인을제어하기위하여삽입금속으로 Cu 를사용하였으며, 이를바탕으로삽입된 Cu 금속이 TiAl 합금과 SCM440 의접합계면특성에미치는영향을분석하였다. 용해한후와이어방전가공설비를활용하여 12 40 mm의환봉형태로가공하였다. 기계구조용합금강 SCM440은제일종합특수강에서 12 40 mm의환봉형태로제공되었으며, 삽입금속으로사용된 Cu(OFC) 는 12 20 mm의환봉형태로가공하여사용하였다. 사용된 TiAl, SCM440 및 Cu의화학성분은각각 Table 1에제시하였다. 준비된이종금속간의마찰용접조건은회전수, 마찰속력, 업셋속력, 업셋거리를고정하고마찰시간을변수로하였으며, 자세한마찰용접조건은 Table 2 에나타내었다. 삽입금속 Cu는 SCM440과 1차마찰용접을실시한후에 TiAl 합금과 2차마찰용접을하였고, 접합도중비접촉식적외선방사온도측정기 (IGA 6 Advanced, Luma Sense Technology, Inc., Santa Clara, CA) 를이용하여 Fig. 1과같이마찰용접중에발생되는용접비드부분의마찰열을측정하였다. 그결과 TiAl 과 Cu 사이의마찰용접에서는약 976.4 o C, SCM440과 Cu 사이의마찰용접에서는약 889.7 o C의마찰열이발생하는것으로측정되었다. 생성된용접비드 (flash) 와접합이완료된후 TiAl 합금과 SCM440의사이에남아있는삽입층의두께를동일하게하기위해삽입금속의소모량을측정하여선반가공을통해제거하고 2차마찰용접을수행하였다. 그리고주사전자현미경 (JSM-6500F, JEOL Ltd., Tokyo, Japan) 과투과전자현미경 (JEM2100F, JEOL Ltd., Tokyo, Japan) 을이용하여다양한변수에따른접합계면에서발생되는금속간화합물과같은미세조직의변화를관찰하였다. 또한, 접합계면주위에서생성된금속간화합물이접합강도변화에미치는영향을평가하기위하여 Fig. 2(a) 와같은규격의시험편을 Fig. 2(b) 와같이부위별로제작한후만능재료시험기 (Galdabini 2. 실험방법 본연구에서사용된 TiAl 잉곳의합금조성은 Ti-48.5 at.% 이다. 잉곳은순도 99 % 수준의크기 10~20 mm Sponge-Ti 와 99.99 % 수준의크기 2~5 mm Grain-Al 을사용하였으며, 균질도를높이기위해진공아크용해로 (VAR, vaccum arc remelting furnace) 장비를활용하여 5 번재 Table 2. Friction welding conditions. Rotation speed (rpm) Friction rate (mm/s) 2,000 0.5 Friction time (s) 6 15 25 30 Upset rate (mm/s) Upset length (mm) 50 5 Table 1. Chemical compositions of base materials. Material Elements (wt%) TiAl Ti Al C O Bal. 34.7 0.005 0.036 SCM440 Fe Cr Mn C Si Mo P Cu Ni S Bal. 1.15 0.78 0.42 0.24 0.17 0.01 0.01 0.01 0.006 Copper Cu Ni Sn Zn P Bal. 0.075 0.021 0.014 0.007
260 박성현 김기영 박종문 최인철 Kazuhiro Ito 오명훈 Fig. 1. Measurement of friction heat by infrared radiation thermometer. Fig. 2. Schematics of (a) sub-size tensile specimen and (b) preparation for tensile specimen from center to peripheral region. Fig. 3. Microstructural images on welded interface between TiAl alloy and Cu with various friction times of (a) 6s, (b) 15s, (c) 25s, (d) 30s and (e) change in thickness of the IMC layer with friction time, respectively. Quasar 100, Galdabini, Varese, Italy) 를이용하여크로스헤드 (cross-head) 속도 0.5 mm/min 로인장시험을수행하였다. 3. 결과및고찰 3.1 접합계면의미세조직분석마찰시간의증가에따른 TiAl 합금과 Cu 의접합계면을 SEM 으로관찰한결과를 Fig. 3(a)-(d) 에나타내었고, 금속간화합물 (intermetallic compound, IMC) 층의두께변화를마찰용접시편중앙부분에서측정하여이를 Fig. 3(e) 에도시화하였다. 마찰시간이증가할수록 TiAl 합금과삽입금속인 Cu 사이의접합계면에서관측된금속간화합물층의두께는마찰시간이 15 초이내일때는서서히증가하다가 15 초를지나면서부터급격히증가하여 25 초를지나면서증가폭이감소하는경향을나타내었다. 하지만 SCM440 과 Cu 의접합계면관찰에서는금속간화합물층이생성되지않았음을확인하였다. TiAl 합금과 Cu 의접합계면사이에서로다른세가지의금속간화합물들 (IMC1, IMC2, IMC3) 이관측되어형성된금속간화합물층의성분을 EDS 분석을통해확인하고그결과를 Table 3 에정리하였다. 관측된 IMC1, IMC2, IMC3 은각각 Cu 2 TiAl, CuTiAl, TiCu 2 로판단되며, 금속간화합물층의두께가증가함에따라생성되는금속간화합물의종류도늘어나는것을확인할수있었다. 이러한금속간화합물의종류는접합계면에서모재와삽입금속사이의위치에따라생성되는구조가달라지는것으로확인되었으며, 이는원자들의확산거동과관련있는것으로판단된다. TiAl-Cu-SCM440 접합재의 TiAl 과 Cu 사이에생성된금속간화합물층을보다상세하게이해하기위
삽입금속 Cu 를이용한 TiAl 합금과 SCM440 의마찰용접계면특성 261 Table 3. Element analysis on interface of welded TiAl-Cu. Composition (at.%) Ti Al Cu possible IMC IMC1 20.72 29.21 50.06 Cu 2 TiAl IMC2 36.44 31.31 32.25 CuTiAl IMC3 31.02 8.44 60.54 TiCu 2 Fig. 5. Change in tensile strength of joint with friction times. 쪽에서는 Al 에비해서확산이용이한 Ti 가 Cu 원자와결합하여 CuTi 2 를생성한것으로판단된다. Fig. 4. (a) TEM image on TiAl-Cu welded interface of a TiAl-Cu- SCM440 joint with friction time of 25s, and (b)-(d) SADPs on selected positions within TEM image of (a) which are indicated as A, B, and C, respectively. 해서마찰시간이 25 초인시편에대한 TEM 분석한결과를 Fig. 4 에나타내었다. Fig. 4(a) 에서알수있듯이 TiAl 합금과 Cu 사이에약 200 nm 의금속간화합물층이생성되었음을확인할수있다. Fig. 4 의 (b)-(d) 는 Fig. 4(a) 의 A, B, C 위치에서생성된금속간화합물의 SADP (selected area diffraction pattern) 이미지들이다. 이때얻은 SADP 들을분석한결과 TiAl 합금과 Cu 사이에서생성된금속간화합물은각각 Cu 2 TiAl, CuTiAl, CuTi 2 총 3 가지로구분되며, 이는앞서보여준 EDS 분석결과와잘일치한다. 금속간화합물 Cu 2 TiAl 또는 CuTiAl 은 TiAl 합금쪽에가까울수록작은입자형태로생성되었지만, 그중에서 Cu 2 TiAl 가상대적으로가장많은영역을차지하고있음을확인하였다. 반대로 Cu 쪽에가까울수록 CuTi 2 가작은입자형태로생성되었음을확인할수있었다. 이러한금속간화합물의분포는접합에사용된모재와삽입금속의원자확산에의해서그위치가정해지는것으로생각할수있다. 즉 TiAl 합금쪽에서는 Ti 와 Al 원자가다수존재하고 Cu 는확산되어져서이동하기때문에 Cu 2 TiAl 또는 CuTiAl 이보다용이하게생성되고, Cu 3.2 기계적특성변화마찰시간에따른 TiAl-Cu-SCM440 의접합강도의변화를 Fig. 5 에나타내었다. 6 초에서 113.5 MPa, 15 초에서 160.2 MPa, 25 초에서 192.4 MPa 로마찰시간이증가함에따라증가하는경향을나타내다가 30 초에서 84.1 MPa 로급격히감소하였다. 이러한현상은기존에보고된마찰용접을이용한이종금속간의접합에서마찰시간이늘어남에따라모재사이의접합계면에서생성되는금속간화합물의넓이가증가하여접합강도에좋지못한영향을미친다고알려진것과대비되는결과이다. 18,19) 하지만 Li 에의한연구결과에의하면, 20) 이종금속간의양호한접합을위해접합계면에서생성되는금속간화합물크기에는임계값 ( 약 5µm 정도의두께 ) 이존재하며, 이를위해서는접합영역에충분한마찰열의공급이이루어져야한다고보고된바있다. 따라서마찰시간이짧은경우에는발생된마찰열이피접합물의접합면에고르고충분하게공급되지않았기때문에낮은접합강도를나타내지만, 특정시간에도달하였을때에는피접합물의접합면이고르게접합되는결과가나타난것으로판단된다. 즉, 마찰시간이 6 초에서부터 25 초사이일경우에는피접합물의접합면의전체가양호한접합을하지못한채일부미접합부분이남아있으며, 마찰시간이증가하여미접합영역이감소함에따라접합강도가증가한것으로판단된다. 마찰시간이 25 초일때는접합면에서의반응층이접합면전체에고르게형성되어가장높은접합강도를나타낸것으로판단된다. 이러한현상은회전식마찰용접과관련된보고에서와같이회전축중심부와외각부에서는회전속도의차이가존재하고이로인하여발생하는마찰열의차이가유도될수있다. 21) 따
262 박성현 김기영 박종문 최인철 Kazuhiro Ito 오명훈 라서마찰열이충분히공급되지않은접합면의중심부에서는미접합부위가발생하는것으로판단된다. 추가적으로마찰면의중심으로부터주변부까지의접합강도를 Fig. 6 과같이나타내었으며, 이를통해마찰시간에따른차이를비교해보았다. 그래프에서나타난것과같이, 마찰시간이짧은경우 (1~3 초 ) 에는접합강도가마찰면의중심에서는낮고, 주변부로갈수록증가하는경향이나타난다. 이러한현상은마찰에필요한충분한입열량이공급되지못하였기때문에이종금속간의확산이이루어지지않아두피접합재사이의반응층이존재하지않는것으로판단된다. 마찰에소요되는시간이늘어날수록마찰면중심의접합강도가증가하는경향이나타난다. 하지만, 이종금속간의접합에서는피접합재들의원자들간에상호확산에의해반응물인금속간화합물을생성하게된다. 이러한금속간화합물은구성원소들간의강력한결합력에의해소성변형이쉽지않아취성이큰특성을나타낸다. 앞서소개한바와같이, 접합계면에서생성된금속간화합물층이 3-5 µm 을초과하게되면접합강도를하락시키는주된요인이될수도있다. 20) 따라서피 접합재들의원자들간의확산이일어날수있도록충분한시간이주어진경우 (9~24 초 ), 회전축의최외각영역에서취성이높은금속간화합물층의두께가상대적으로커지기때문에접합강도가하락하는현상을관찰할수있다. 이는마찰에소요되는시간이늘어남에따라최외각에서의접합강도가하락하는이종금속간의접합에관한기존보고들과도일치하는결과로서이종금속간의마찰용접을위해서는적절한마찰시간이필요할것으로판단된다. 18,19) Fig. 7 은 Cu 를이용하여 TiAl 합금과 SCM440 을마찰시간 25 초조건에서접합시킨시편의파단후단면을관찰한결과이다. 마찰면의주변부에서는접합이이루어져 Cu 가관찰되나중심영역에서는 Cu 가관찰되지않은미접합영역이존재하는것을확인할수있다. 보다정확한관찰을위해마찰시간 30 초조건에서얻은시편의중심영역과주변부의 SEM 관찰결과를 Fig. 8 에나타내었으며, 이를통해마찰면중앙부와가장자리의금속간화합물층의두께차이를확인하였다. 즉, 중심부와외각부의회전속도차이에의해발생되는마찰열의차이때문에 TiAl 합금과삽입금속사이에충분한마찰시간이소요되어야지만양호한접합이가능한것을예상할수있으며, Fig. 6. Tensile strength on joint with various distance from center to peripheral region. Fig. 7. Fracture surface after tensile test of TiAl-Cu-SCM440 joint with friction time of 25s. Fig. 8. Microstructural images on welded interface between TiAl alloy and Cu with friction time 30s (a) at center and (b) at periphery.
삽입금속 Cu 를이용한 TiAl 합금과 SCM440 의마찰용접계면특성 263 속간화합물이생성되어야지만양호한접합이이루어지지만, 동시에균열의생성및균열의전파를더욱용이하게하는인자로작용할수있다. 따라서금속간화합물층의제어를위한적절한마찰용접조건이필요하며, 본연구에서는 25 초가가장적절한시간임을알수있었다. Acknowledgement This paper was supported by Research Fund, Kumoh National Institute of Technology (Contract No. 2015-104- 134). Fig. 9. SEM observation on fracture surface of TiAl-Cu-SCM440 joint with friction time of 25s. Table 4. Element analysis on the fracture surface of welded TiAl- Cu. Composition (at%) Ti Al Cu Phase A 25.89 24.04 50.07 Cu 2 TiAl B 51.63 46.81 1.55 TiAl 중심부와외각부의회전속도차이에의한접합면적의영향에대해서보고한 Song 의연구결과와유사하다. 21) 또한마찰시간 25 초 TiAl-Cu-SCM440 의인장시험후그파단면을 SEM 으로관찰한결과를 Fig. 9 에나타내었으며이때파단면의관찰은 Cu 쪽에서수행하였다. Fig. 9 에서물결형태의 A 부위와돌기형태의 B 부위가확연하게구분되어관측되었으며, Table 4 의 EDS 분석결과를통해서 A 는 Cu 2 TiAl, B 는 TiAl 임을예측할수있었다. 특히, 물결형태의 A 는 TiAl 합금과 Cu 의접합계면에서생성된금속간화합물 Cu 2 TiAl 에서균열이전파된것으로판단되며, 균열의전파가용이한금속간화합물의분율이증가하여접합강도가하락하는결과를가져옴을유추할수있다. 4. 결론 1. TiAl 합금과 SCM440 의마찰용접과정에서 Cu 를삽입금속으로사용함으로써 C 와 Fe 의확산에의한 TiC, FeTi 그리고 Fe 2 Ti 와같은금속간화합물형성과크랙의발생정도를제어할수있음을확인하였다. 2. 마찰시간의증가에따라금속간화합물층의두께가증가하며, TiAl-Cu 의접합계면의미세조직관찰결과 Cu 2 TiAl, CuTiAl, TiCu 2 와같은금속간화합물이생성되는것을 EDS 와 TEM 분석을통해확인하였다. 3. 계면에서원자확산에의한일정수준이상의금 References 1. Y.-W. Kim, JOM, 41, 24 (1989). 2. M. Yamaguchi and Y. Umakoshi, Prog. Maer. Sci., 34, 1, (1990). 3. X. Wu, Intermetallics, 14, 1114 (2006). 4. Y.-W. Kim and S. L. Kim, Intermetallics, 53, 92 (2014). 5. V. Güther, M. Allen, J. Klose and H. Clemens, Intermetallics, 103, 12 (2018). 6. Y.-W. Kim and S. L. Kim, JOM, 70, 553 (2018). 7. M. H. Oh, S. H. Hwang, S. N. Choi, I. S. Kim and S. J. Kim, J. Adv. Mater. KNUT, 2, 7 (1995). 8. T. Noda, Intermetallics, 6, 709 (1998). 9. T. Tetsui, Adv. Eng. Mater., 3, 307 (2001). 10. P. He, J. C. Feng, B. G. Zhang and Y. Y. Qian, Mater. Charact., 48, 401 (2002). 11. G. X. Luo, G. Q. Wu, Z. Huang and Z. J. Ruan, Scr. Mater., 57, 521 (2007). 12. T. Noda, T. Shimizu, M. Okabe and T. Mikubo, Mater. Sci. Eng., A239-240, 613 (1997). 13. H. Li, H. Wei, P. He, T. Lin, J. Feng and Y. Huang, Intermetallics, 34, 69 (2013). 14. W. B. Lee, Y. J. Kim and S. B. Jung, Intermetallics, 12, 671 (2004). 15. H. Dong, L. Yu, H, Gao, D. Deng, W. Zhou and C. Dong, Trans. Nonferrous Met. Soc. China, 24, 3126 (2014). 16. R. Kumar and M. Balasubramanian, Def. Technol., 11, 65 (2015). 17. S. G. Lee, B. H. Min, S. H. Choi, D. K. Shim and T. K. Min, J. Korean Weld. Joi. Soc., 25, 53 (2007). 18. C. Muralimohan, V. Muthupandi and K. Sivaprasad, Proc. Mater. Sci., 5, 1120 (2014). 19. N. Yamamoto, M. Takahashi, M. Aritoshi and K. Ikeuchi, Mater. Sci. Forum, 539-543, 3865 (2007). 20. P. Li, J. Li, M. Salman, L. Liang, J. Xiong and F. Zhang, Mater. Design, 56, 649 (2014). 21. Y. L. Song, Y. H. Liu, X. Y. Zhu, S. R. Yu and Y. B. Zhang, Trans. Nonferrous Met. Soc. China, 18, 14 (2008).