1. 일방향 응고이란?항공기 제트엔진의 고압터빈의 1, 2단의 터빈 날개는 최근 일방향응고법에 의한 단결정 주조조직상의 정밀주조품이 채용되고 있다. 일방향 응고법은 많은 연구자들에 의해서 채택되고 있는 신금속 제조방법 중의 하나로서 봉상의 시료를 전자빔에 의한 부유대 용융법을 사용함으로써 재료의 결정이 일방향을 성장하게 하는 방법이다. 이 방법은 종래의 주조법 등이 비해 불순물이 개입되지 않기 때문에 의도하는 순수한 금속재료를 제작할 수 있고, 응고속도를 제어할 수 있기 때문에 시료를 단결정으로 하는 것도 가능한 장점이 있으나, 처리하고자 하는 봉상의 크기가 큰 경우에는 사용하기 곤란하며, 복잡한 형상 및 점도가 낮은 금속재료에는 사용하지 못하는 한계가 있다.일방향응고법에 의한 기술발달은 과거의 결정미세화조직보다 훨씬 우수한 기계적 성질을 나타내고 있다. 이는 일방향응고법에 의한 정밀주조품이 통상의 주조조직과는 달리 매크로조직이 날개의 축방향과 같은 방향으로 주상정이 성장되어 있거나 또는 하나의 결정으로 주조됨으로써 회전하는 축방향에 열피로를 감소시키고 결정입계에서 발생할 수 있는 악영향을 제거함으로써 수명을 더욱 향상시킬 수 있는 기술이다.일방향응고법의 원리는 주물의 응고 시에 결정을 성장시키고자 하는 방향으로 가능한 높은 열구배를 주형에 부여하는 방법이다. 통상 주조되는 금속은 내열합금으로 진공용해로에서 용해되며 주조시 주형가열장치가 되어 있는 진공분위기에서 특별히 제작된 주형하강장치를 이용하여 천천히 아래로 끌어내리면서 응고시키는 방법이다. 주입된 용탕의 일단을 양호한 열전도체의 수냉동판과 접촉시켜 이곳으로부터 응고가 시작되도록 한다. 수냉판 이외의 가열로는 주형을 응고 온도이상 일정하게 유지시켜야 하며, 이 경우 발열재료나, 주형을 전기적으로 가열되는 기술 등이 필요하다. 결정의 성장은 냉각판위에 놓여있는 주형을 냉각판과 함께 아주 천천히 내림으로써 촉진되며 응고속도를 제어하는 기술이 필요하다. 또한 결정의 응고방향을 용이하게 하기 위해 종자결정을 사용형이다▲ 일방향응고 주형(a), 일방향응고 블레이드(b) 및 Pig Tail Selector 의 개념도(c)2. 일방향 응고 공정변수-덴드라이트-입방체로 응고된 금속에서 결정은 우선 방향으로는 매우 빨리 성장하고, 다른 방향으로는 늦게 성장하게 된다. 용융액의 응고과정에서 용융액 내에 먼저 결정핵이 생기고, 핵이 성장하여 큰 결정이 되는데, 여기에 또 가지가 생겨서 마치 나뭇가지 모양의 결정성장이 이루어진다. 이렇게 생성된 결정의 공간배열을 수지상정(덴드라이트)이라 한다.-과냉각-덴드라이트가 생기는 가장 기본적인 이유는 과냉각 때문이라고 할 수 있다. 과냉각이라는 것은 액체가 어는점 이하의 상태에서도 액체 상태로 있는 현상을 말하는 것이다. 이 상태는 매우 불안정한 상태이기 때문에 외부의 충격에 의해 쉽게 고체로 상변화가 일어날 수 있다.물질에는 각각 그때의 온도에 따른 안정상태가 있어서, 온도를 서서히 변화시켜 가면 이에따라 그 물질의 구성 원자가 각 온도에서 안정 상태를 유지하면서 온도의 변화를 따라갈 수가 있다. 그러나 온도가 갑자기 변하면 구성 원자가 각 온도에 따른 안정 상태로 변화할 만한 여유가 없기 때문에, 출발점 온도에서의 안정 상태를 그대로 지니거나, 또는 일부분이 종점 온도에서의 상태로 변화하다가 마는 현상이 일어나게 되는 원리다. 즉, 어떤 온도 T를 경계로 하여 그 이상에서는 다른 결정형의 고체가 되거나 또는 녹아서 액체가 되는 변화가 있는 경우, 그 물질을 T 이상의 온도에서 어느 정도 이하로 급냉시키면 그 변화가 일어나지 못하고, 응고점 이하인데도 여전히 액체인 채로 있거나, T 이하인데도 그 이상의 온도에서 가진 안정한 결정형인 채로 있는 현상이 일어난다. 이것을 지나치게 빨리 냉각했다는 뜻에서 과냉각이라고 한다. 그래서 물을 냉동실에 1시간 정도 얼리고 꺼내면 물은 어는점이 지났지만 액체 상태로 존재한다.-2차암의 측정법-㉠ 교선법입상정으로 되어 방향성이 작고, 실질적으로 정렬한 2차암을 고르기가 곤란한 경우 사용한다. 종류로는 방로 변화시킬 수 있지만, 수지상에서 등축 정으로 천이는 근본적으로 불가능하다. 그 이유는 응고 가 진행될 때, 고상/액상 응고계면에서 열역학적 평형 상태를 나타내는 다음 식으로 설명할 수 있다.KSGS = KLGL + ΔHm V (1)여기서 KS는 고상에서 열전도도, GS는 고상선 온도에 있는 고상의 온도구배, KL은 액상에서 열전도도, GL 은 액상선 온도에 있는 액상의 온도구배, V는 응고속 도, ΔHm은 부피 1 cm3 고상이 응고될 때 방출되는 열량 (응고잠열)을 가리킨다. 이 식에서 수지상에서 등축정 이 형성될 수 있는 경우는 응고계면 바로 앞의 액상에 서 온도구배 GL이 음수(-)가 될 때이다. 즉, GL→0일 때 등축정이 형성될 수 있는 임계속도가 되고, 이 임계 속도는 수지상이 성장할 수 있는 최대속도와 같다.KSGS = ΔHm V (2)V = KSGS/ΔHm (3)수지상에서 등축정으로의 변화는 mushy zone에서 발생 하는 응고잠열이 고상으로 원활하게 빠져나가지 못해 일방향 열전달 조건이 붕괴되는 조건으로써 식 (3)에 서 응고속도(V)가 오른쪽 항과 같거나 크다면 등축정 이 발달하게 된다. Bridgman 응고에서 성장하는 수지상 앞에서 등축정이 형성되기 위해서는 비정상 상태(non-steady state)가 되어 시간에 따라 온도구배가 변하는 전 통적인 주조법과 유사한 조건이 될 때 가능하다.3. 일방향 응고 합금다결정 초내열합금과 구분되는 단결정 초내열합금의 조성 상 특징은 먼저 입계강화원소인 탄소(C), 붕소(B), 지르코늄(Zr) 등의 첨가를 억제했다는 점이다. 또한 단결정합금의 기계적 특성을 최적화하기 위해 텅스텐(W), 탄탈(Ta), 몰리브덴(Mo)과 같은 내화 합금원소를 다량으로 첨가했다.하지만 단결정 합금개발에 있어서 가장 중요한 첨가원소는 무엇보다도 Re(레늄)이다. 합금의 온도수용성을 획기적으로 향상시키기 위해서 초고가인 Re을 첨가했는데, 이는 합금의 원소재 가격, 밀도, 상 안정성 등의 희생 하에서 이뤄진 것이므로 그키는 합금설계가 이뤄졌는데 이들 합금을 제 3세대 단결정 합금으로 분류한다. 전술한 바와 같이 Re은 매우 고가의 원소이기 때문에 3wt%의 Re 가격은 전체 합금의 원소재 가격의 절반 이상을 차지하고, 6wt%의 Re 가격은 전체 합금의 원소재 가격의 2/3 이상을 차지한다.그럼에도 불구하고 원소재 가격에 매우 민감한 엔진제조사들이 제 2세대 및 제 3세대 단결정 합금을 개발한다는 사실은 합금의 온도수용성 향상이 얼마나 중요한지를 역설적으로 보여주는 것이라고 할 수 있다.대표적인 제 3세대 단결정 합금들은 Cannon-Muskegon에서 개발된 CMSX-10, GE 의 Rene N6, 일본 NIMS 에서 개발된 TMS75 및 TMS80 합금들이 있다. TCP(Topologically Close-Packed)상 형성의 경향은 제 3세대 합금에서 더욱 문제가 될 수 있기 때문에 Cr의 함량은 약 2~4.2wt%로 제한시켰다.한편 Co 함량은 제 3세대 단결정 합금에서 논쟁의 대상이 되고 있다. C-M에서는 Co가 TCP 상의 형성경향을 증가시킨다고 보고 Co의 함량을 3wt% 대로 억제시킨 반면, GE에서는 상안정성 향상을 이유로 Rene N6에서 12.5wt%의 높은 Co 함량을 추천했다. CMSX-10의 경우 1,100℃ 내외에서 장시간 노출시켰을 경우 Re의 함량이 높은 TCP 상이 형성됨이 밝혀졌다.▲ 제3세대 단결정 Ni기 초내열합금의 화학조성(wt%)Re을 포함하는 단결정 초내열합금에 루테늄(Ruthenium)과 이리듐(Iridium)을 첨가했을 경우 TCP상의 형성경향이 감소한다는 사실이 여러 연구에 의해 발견됐다. Ru이나 Ir 등과 같이 백금족금속(PGM, Platinum Group Metals)이 포함된 경우 제 4세대 단결정 합금으로 분류된다. PGM의 첨가에 의해 TCP 형성경향이 감소하는 원인은 Re의 γ/γ' 분배를 변화시켜, γ 기지 내에서 Re이 풍부한 TCP 상의 형성을 억제한다는 것으로 알려졌다. 제 4세대 단결정합금의 고온 크리에 응용되고 있다.미국에서는 초기 LMC 기술개발을 처음으로 시작했으나, 비교적 작은 단결정 블레이드가 개발돼 그 필요성이 크지 않아 최근까지 LMC에 대한 기술개발을 등한히 했다. 그러나 최근 대형 블레이드의 단결정이 요구되자 다시 LMC를 이용한 기술개발을 시도하고 있다.5. 국가별 동향◇ 미국미국의 단결정 블레이드 및 초내열합금 관련기술은 군사용 엔진 부품에 적용하기 위해 개발되기 시작해 일반 산업용으로 파생되고 있다. 현재에도 군사용 엔진 부품이 수요에서 많은 비중을 차지한다. 따라서 초내열합금 및 고온 부품 관련 기술을 지금까지 실질적으로 주도하고 있는 나라는 미국이다.초내열합금 관련 기술이 현재의 가스터빈의 성능과 효율을 갖도록 만든 실질적인 기술개발은 대부분 미국에서 진행됐다. 미국의 단결정 및 초내열합금 기술은 군사적으로 뿐만 아니라 상업적 측면에서도 기술의 유출을 엄격히 통제하고 있다.현재에도 미국은 군사측면에서 고성능 제트엔진의 개발을 위한 초내열합금의 개발과 HSCT(High Speed Civil Transport)에 사용할 합금을 개발하는 EPM(Enabling Propulsion Materials) 프로그램 등을 NASA를 중심으로 수행하고 있다.제조기술 측면에서도 다결정 등축조직, 방향성 응고, 단결정 주조 기술 등을 최초로 개발했으며 가장 앞선 기술을 보유하고 있다. 또한 군사적 목적에 적용되는 기술이므로 철저히 보호하고 있다. 특히, 항공 및 발전용 엔진의 대표적인 제조회사들인 GE(General Electric), P&W(Pratt and Whitney), Siemens-Westinghouse 등이 많은 기술을 보유하고 세계적으로 산업을 주도하고 있다.▲ 단결정 주조 공정기술 - 미국 선도 연구기관◇ 일본일본은 많은 분야에서 한국과 유사한 환경을 가지고 있으나 초내열합금이나 가스터빈 분야의 기술력은 한국보다 훨씬 앞서 있다. 일본은 Moonlight Plan이 시작될 때부터 가스터빈 개발과 함께 독자합금 개발을 시작했다. 현재 일
Ⅰ. 서론본 실험을 통해서 냉간 압연한 copper시편의 열처리 여부와 열처리 온도, 시간이 결정 조직의 크기와 경도에 어떤 영향을 주는지 알아보고자 한다.Ⅱ. 이론적 배경냉간 가공법 중 하나인 압연은 재결정 온도 이하로 회전하는 2개의 롤 사이에 재료를 통과시켜 성형하는 가공법이다.[그림1] 이때 일어나는 변형을 소성 변형이라고 하는데, 어느 한도를 넘으면 가했던 하중을 제거해도 변형이 그대로 남아 원래의 형태로 돌아가지 않게 된다.[그림 ]압연을 하게 되면 재료의 grain이 [그림2]와 같이 압연 방향으로 길쭉해지게 된다. 그리고 상대적으로 grain boundary의 밀도가 증가하기 때문에 강도 또한 증가한다.[그림 ]냉간 가공의 효과를 제거하여 원래의 연한 상태로 회복시키기 위하여 열처리를 한다. 열처리과정을 통해서 냉간 가공 시에 얻어진 가공 경화를 완전히 제거하여 연성을 회복할 수 있고, 깨끗한 표면 마무리 및 치수의 정밀도를 유지할 수 있다. 그리고 열처리 후에도 부가적인 냉간 가공을 할 수 있다. 따라서 냉간 가공과 열처리를 반복적으로 조합하게 되면 커다란 변형 량을 얻을 수 있으며, 저온 열처리를 행하게 되면 최종 부품의 기계적 성질에 영향을 미치지 않고 냉간 가공에 의한 잔류 응력을 제거할 수 있다.[그림 3]위의 그림들은 냉간 가공된 금속의 미세 조직에 미치는 어닐링 온도의 영향을 나타낸 것이다. (a)는 냉간 가공 상태, (b)는 회복 후, (c)는 재결정 후 및 (d)는 결정립 성장 후이다.냉간 가공된 금속은 열처리를 통하여 가공 전의 상태로 복귀시킬 수 있다. 이 과정을 크게 [회복 - 재결정 - 성장] 의 3 단계로 나눌 수 있다. 회복은 내부 변형을 일으킨 결정립의 형태에는 변화가 없이 내부에 저장된 변형률 에너지가 제거되는 과정이다. 이때 변형을 일으킨 금속 내부에 새로운 결정립의 핵이 생기고, 이것이 성장하여 전체가 변형이 없는 새로운 결정립으로 바뀌는데, 이 과정을 재결정이라고 한다. 재결정은 재결정 온도 이상에서 가열이 진행되는 동안 급속한 회복이 잔류 응력을 제거하고 cell boundary를 형성한 후 이 boundary에서 새로운 결정립의 핵이 생기며 대부분의 전위들이 제거된다. 전위의 수가 크게 감소하므로 재결정 처리된 금속은 낮은 강도와 높은 연성을 가진다.좀 더 높은 온도에서 열처리하면 회복과 재결정은 급속하게 진행되어 미세한 재결정립 조직으로 된다. 그러나 결정립의 면적이 커짐에 따른 고에너지는 고온에서 불안정하기 때문에 이 에너지를 감소시키기 위하여 결정립은 성장하게 되는데, 이 현상이 결정립 성장이다. 결정립 크기가 증가함에 따라 총 입계 면적은 감소하게 되므로 총에너지의 감소효과를 가져오며, 이것이 결정립 성장의 구동력이 된다.[그림 4][그림 4]의 그래프는 열처리 온도에 따른 성질의 변화를 나타낸 것이다. 그림에서 볼 수 있듯이 재결정 온도 이상부터 가열 온도가 증가 할수록 결정립의 성장은 더욱 활발하게 일어나지만 경도와 강도는 감소하는 것을 볼 수 있다. 반대로 연신율과 수축률은 증가한다. 따라서 재결정 온도에서 경도와 강도 그리고 연신율과 수축률이 모두 뛰어난 재료를 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다.Ⅲ. 실험 방법본 실험에서 사용하는 시편은 구리이다. 먼저 미리 준비된 시편을 압연한다. 압연기에 시편을 넣기 전에 윤활제를 뿌리는데, 그 이유는 시편이 롤에 달라붙어 모양이 휘는 것을 방지하기 위함이다. 시편은 압연기를 작동시키기 전에 압연기에 미리 넣어둔다. 그 상태로 압연기를 작동 시키는데, 이때 막대를 이용해서 압연기에 손이 직접 닿지 않도록 시편을 밀어 넣는다. 압연을 하고나면 시편이 뜨거워진다. 이것은 안정한 상태에 있던 원자가 결합이 끊어지면서 에너지가 높아지는데, 이때 높아진 에너지를 열에너지로 방출하기 때문이다.압연이 끝난 시편들을 각각 다른 조건에서 열처리한다. 첫 번째 조건은 열처리를 하지 않는 것이고, 두 번째 조건은 100℃ 끓는 물에서 가열하는 것이다. 세 번째 조건은 400℃로 가열된 퍼니스에서 10분 열처리하는 것이고, 네 번째 조건은 30분, 다섯 번째는 1시간, 여섯 번째는 2시간 동안 열처리한다. (Cu의 재결정 온도는 대략 220℃정도로 재결정 온도보다 높은 온도에서 열처리를 하므로 열간압연에 속한다.)열처리가 끝난 시편들을 연마해야 하는데, 연마는 400, 800, 1200, 1500의 연마지로 하고 마지막으로 알루미나 과정을 거친다.모든 과정이 끝난 시편들은 etching을 한다. etching을 함으로써 나중에 표면을 관찰 할 때, grain이 잘 보이게 해준다. etching은 희석된 질산을 사용하여 8~10분간 진행하고, 시편 표면에 생성된 산화막과 다른 불순물들을 제거하기 위해 시편을 세척한다.etching된 시편들을 광학현미경으로 관찰한다. 먼저 재물대에 시편을 올려놓고, 조동나사와 미동나사를 이용해서 grain이 잘 보이는 곳을 찾아 이미지를 저장한다. 이때 배율은 ×100, 자의 길이는 500μm로 한다. 연마가 고르게 되고, etching이 적당하게 이루어진 경우 시편의 grain을 명확하게 관찰할 수 있다.현미경 관찰이 끝났으면 Rock well경도기를 이용하여 경도를 측정한다. 이때 측정 계는 작은 화살표가 set, 큰 화살표는 C?를 향하게 조절한다. 측정값은 검은 숫자를 읽는다. 경도는 측정은 총 5회 진행 후 같은 시편들의 경도 값의 최댓값과 최솟값을 제하고 평균을 구하여 비교한다.Ⅳ. 결과 및 고찰다음의 조직 사진들은 각기 다른 조건에서 열처리한 시편들의 사진이다.시편1, 열처리 없이 연마 후 관찰시편 2, 100℃ 끓는 물에서 2시간 가열시편 3, 400℃ 10분(담당 시편)시편 4, 400℃ 30분시편 5, 400℃ 1시간시편 6, 400℃ 2시간먼저 조직 사진들을 관찰해 보면 시편 1,2,3,6에서 grain이 길쭉길쭉하게 늘어나 있는 것을 명확히 확인할 수 있다. 이것은 냉간압연과정을 거치면서 grain이 늘어난 것임을 알 수 있다.그리고 시편들의 grain에 색깔차이가 존재하는 것을 관찰 할 수 있다.(특히 시편4) 이것은 Cu의 결정구조가 FCC이기 때문에 결정 방향에 따라서 원자밀도가 달라서 etching이 각기 다르게 일어나기 때문이다.시편1은 열처리를 하지 않은 시편으로, 소성변형이 일어난 상태에서 재결정이 일어나지 않는 상태로 남아 있다.시편2는 열처리는 하였지만 재결정 온도보다 낮은 온도에서 이루어졌기 때문에 재결정은 일어나지 않았다. 하지만 시편1과 비교해서 비교적 회복단계를 거친 것으로 추측할 수 있다.[그림 5]시편 3~6은 재결정 온도 이상에서 열처리를 하였기 때문에 [회복 - 재결정 - 성장]이 모두 일어났을 것이다. 각 시편을 비교함으로써 열처리온도와 시간에 따른 특성을 확인 할 수 있었다.먼저 열처리 온도는 다르지만 시간이 2시간으로 같은 시편2와 시편6을 비교해보면, 사진에 명확하게 드러나진 않지만 상대적으로 시편6의 grain size가 큰 것을 확인 할 수 있다. 이를 통해서 열처리 온도가 높을수록 grain size가 커진다는 것을 알 수 있다.시편 3~6은 열처리 온도는 같지만 시간이 다른 경우이다. 이론적으로 열처리 시간이 증가할수록 grain의 크기가 증가하여야 하지만 대체적으로 시간에 따른 특징적인 모습을 찾아 볼 수가 없었다. 이것은 연마하는 과정에서 고르게 되지 않았거나, etching할 때 특정 grain들이 과하게 etching되면서 발생한 오차인 것으로 생각된다.
![[비철재료] 일방향응고](https://image4.happycampus.com/Production/thumbnail/2013/12/20/data12203879-0001.jpg)
