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.