반응소결법에 의한 ti-45at%al-1.6at%mn 금속간화합물의...

반응소결법에 의한 Ti-45at%Al-1.6at%Mn금속간화합물의 고온산화거동

High Temperature Oxidation Behavior of Reactive-sintered Ti-45at%Al-1.6at%Mn Intermetallics

허승환, 한정환, 황운석, 유병돈, 김목순

인하대학교 재료공학부

Materials Processing Lab.

연구현황 및 목적

• 낮은 밀도(3.8g/cm3)

• 고온강도, 내크리프 특성 우수

• 상온 연성 및 성형가공성 부족

• 800℃ 이상 고온에서 내산화성부족

금속간화합물 TiAl

• 항공기, 자동차 용 엔진부품

→ 경량내열성 요구 부위 적용

• 제3원소 첨가(Mn, Cr, V) 및 조직제어

및 반응소결법(HIP)

• 제3원소(Si, P), 확산침투처리

반응소결법(HIP) 제조된 Ti-45at%Al-1.6at%Mn 고온산화기구 고찰

장 점 단 점

응 용 극 복

Materials Processing Lab.

반응소결법(HIP)

반응소결법(HIP)

소성가공성이 풍부한 원소분말의 혼합체(Ti + Al)상태

에서 목적형상부여 후 Ti + Al TiAl의 화합물 반응 이

용 TiAl 합성

특징 : 용해과정을 거치지 않음

불균질하고 조대한 응고조직에 기인하는 연성저하방지

유효한 미량원소가 반응소결 후에도 반응소결재내에 잔류

Materials Processing Lab.

연구방법

시편제조

- 반응소결법(HIP)

- 용해재

등온산화시험

- 산소, 대기 분위기

- 900, 1000, 1100℃ 12시간

산화초기단계- 산소 및 대기 분위기

- 1100℃ 2분, 4분 유지

산화피막 성분조사(XRD)

단면조직분석(SEM, EDS)

Materials Processing Lab.

시편제조• 합금의 목표조성

→ Ti-45at%Al-1.6at%Mn

• 반응소결(Hot Isostatic Pressing:HIP)

→ 분말을 목표조성이 되게 혼합

→ 알루미늄캔봉입 → 진공탈가스

→ 압출과 단조 : 치밀화(형상부여)

→ HIP 중에서 1300℃/2h/150MPa

→ 반응소결

• 용해재

→반응소결재를 플라즈마 아크 용해법으

로 3회 재용해

→ 1000℃/10-3Pa 이하의 진공분위기 24시간동안 균질화 처리

Materials Processing Lab.

Extrusion & Die forging(total R.A. : 98%)

Mixing

Canning

Degassing

Consolidation

Scalping

ReactiveSintering

Plasma arc melting

Ti powderAl-Mn powder

Al container

450℃ / 10-3 Pa / 3h

Under HIP(1300℃/150MPa/2h

Under Ar / 3 times

Fig. Flow chart of experimental procedure

시편미세조직

Ti-Al binary phase diagram

Materials Processing Lab.

5oµm

(a) RS Duplex structure

5oµm

(b) IM Fully lamellar structure

실험장치

Materials Processing Lab.

Computer

Balance(Chan D200)

thermocouple

furnace

sample

Gas out

MFC Controller

Data

up-down

MFC MFC

O2 HeN2

Flowmeter

Silicagel

P2O5

산화시험결과

Materials Processing Lab.

0 2 4 6 8 10 12 140

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

Time(hr)

1000oC IM

1100oC IM

900oC IM

900oC RS1000oC RS1100oC RS

IM RS

W

eigh

t gai

n(m

g/cm

2 )

Fig. Change of weight gain with time for reactive-sintered(RS) and melted TiAl-Mn specimens oxidized at various temperatures in oxygen gas environment

산화시험결과

Fig. Change of weight gain with time for reactive-sintered TiAl-Mn specimens oxidized at various temperatures in oxygen and air

Materials Processing Lab.

0 2 4 6 8 10 12 140

2

4

6

8

10

12

900oC Air

1000oC Air

1100oC Air

900oC O2

1000oC O2

1100oC O2

Air O2

Wei

ght g

ain(

mg/

cm2 )

Time(hr)

산화시험 후 시편

Fig. Surface morphology of (a)reactive-sintered and (b)melted TiAl-Mn specimens oxidized in oxygen, and (c)reactive-sintered specimens in air at 900℃ and 1100℃

Materials Processing Lab.

(a )

(b)

(c)

900℃ 1100 ℃

5mm

5mm5mm

5mm

5mm 5mm

O2

Air

reactivesintered

melted

reactivesintered

XRD 분석결과

Fig. X-ray diffraction spectra of (a) Reactive-sintered and (b) Melted specimens oxidized in oxygen at (a)1000℃ and (b)900℃ for 12hr, respectively

Materials Processing Lab.

20 30 40 50 60 70 80

ν

σ σ

σ

σ

σ

λλ νν

ν

ν

ν

νν

λ

λ

λλ

λ

λ

λλ

λ

(b)

Rel

ativ

e In

tens

ity

2θ (degree)

λ σ σσ ν

λ TiO2

ν Al2O3

σ Ti3Al

λ ννν ννν ν λλ

λλλ

λ

λ

λ

λ

σ

ν

λ(a)

산화피막단면분석

Fig. SEM images and X-ray dot maps of the cross-section of oxide scale formed on (a)reactive-sintered, (b)melted TiAl-Mn specimens in oxygen, and (c)reactive-sintered TiAl-Mn specimen in air at 1100℃

Materials Processing Lab.

5µm

Matrix Oxide Matrix Oxide

100 µm

Matrix Oxide

50 µm

TiAl-Mn

Al 2O 3 TiO 2

O

Ti

TiAl -Mn

O

Al 2O 3 + TiO 2 TiO 2

Al 2O 3

Ti

O

Al 2O 3 + TiO 2 TiO 2Al 2O 3

Al

Ti

Al Al

TiAl -Mn

5 µm 100µm 50µm

산화초기단계

Fig. Change of weight gain of the first oxidation stage from 0 to 60 minutes at 1100℃

Fig. Column graph of change of weight gain at various time, 1.5, 4. 18 and 48 minutes

Materials Processing Lab.

0

1

2

3

4

5

6

Weig

ht

Gain

(mg/c

m2)

1.5 4 18 48

Time(min)

IM in Oxygen

RS in Oxygen

RS in Air

0 10 20 30 40 50 60-1

0

1

2

3

4

5

6

7

IM in Oxygen RS in Oxygen RS in Air

Wei

ght G

ain(

mg/

cm2 )

Time(min)

산화초기단계시편사진

Materials Processing Lab.

5mm5mm

(a)2 minute

maintenance

(b)4 minute

maintenance

O2Air

Fig. Surface morphology of (a) 2 minute maintenance (b) 2 minutemaintenance oxidized in air and oxygen at 1100℃

산화초기단계 XRD분석결과

Fig. XRD spectra of (a) 2 minute maintenance (b) 2 minute maintenance oxidized in air and oxygen at 1100℃

Materials Processing Lab.

(a)

(b)

20 30 40 50 60 70 80

υ

λ TiO2

ν Al2O3

σ Ti3Alυ TiAl

λλ

λ

λ

λ

λ

νν

ννν

υ

υυ

σ

σ

σ

σ

σ

σ

σ

Rel

ativ

e in

tens

ity

2θ

20 30 40 50 60 70 80

υλ

λ

σ

σσσ

σ

σ

σ

σ

υυ

υυ

υ

λ

λ

λ

λ TiO2

σ Ti3Alυ TiAl

Rel

ativ

e in

tens

ity

2θ

O2

20 30 40 50 60 70 80

σ

σ

σ

λ

λλλ

λ

νν

ννν

λ TiO2

ν A2O3

σ Ti3Alυ TiAl

σσσ

λν

υ

υυ

υ

σ

Rel

ativ

e in

tens

ity

2θ

20 30 40 50 60 70 80

σ

σ

σλλ

λ

λ

λ

υ

σσ

σ

υυ

υλ TiO2

σ Ti3Alυ TiAl

σ

υ

Rel

ativ

e in

tens

ity

2θ

Air

산화속도

• 각 시편 모두 시간에 따라

포물선적인 산화증량을 보임

W2 = Kp * t여기서, W2 : 산화증량의 제곱 (mg2/cm4)

Kp : 산화속도상수 (mg2/cm4 • hr)

t : hour

• 포물선산화의 온도의존성

Kp = K0exp(-Q/RT)여기서, K0는 상수, Q는 활성화에너지

R은 기체상수, T는 절대온도

Materials Processing Lab.

Fig. Arrhenius plot for the parabolic rate constant

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

1100 1000 900Temperature(oC)

Al2O3

TiO2

I/M in O2 R/S in Air R/S in O2

log

K p(mg2 cm

-4h-1

)

104/T(k-1)

7.0 7.5 8.0 8.5

결 론산소분위기 하

1. 반응소결재의 경우 1100℃까지 산화증량이 적었고 이는 연속적인

Al2O3층의 형성 결과이다. 한편, 용해재의 경우 900℃를 초과한 온도

에서 매우 큰 산화증량을 보였으며 연속적인 Al2O3층이 형성되지 못

하고 Al2O3 와 TiO2의 혼합층이 형성되었다.

2. 산화피막의 성장속도는 반응소결재의 경우 Al2O3 와 TiO2의 성장속도

양쪽 모두에 의존하였으나 Al2O3의 성장속도에 비교적 근접해 있었다.

이에 비해, 용해재의 경우에는 900℃를 초과한 온도에서 TiO2의 성장

속도에 크게 의존하였다.

대기분위기 하

1. 반응소결재는 전 온도범위에서 산소분위기 하에서 보다 높은 산화증량을 나타내었고, 특히 1100℃에서 산화증량이 약 8배 증가하였다.

2. 산화피막성장속도는 산소분위기하의 경우에 비해 TiO2의 성장속도에더욱 의존하였다.

산화초기단계거동

1. 산화초기에 TiO2가 우선적으로 형성되었고 후에 Al2O3가 형성되었다.

Materials Processing Lab.