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


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


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)


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


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


5oµm

(a) RS Duplex structure

5oµm

(b) IM Fully lamellar structure

실험장치


Computer

Balance(Chan D200)

thermocouple

furnace

sample

Gas out

MFC Controller

Data

up-down

MFC MFC

O2 HeN2

Flowmeter

Silicagel

P2O5

산화시험결과


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


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℃


(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


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℃


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


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


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℃


(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


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.


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

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