Al2O3-Ni 복합체의 미세구조 제어에 대한 연구

Abstract

금속-세라믹 복합재료는 기본적으로 세라믹의 취성파괴 특성을 향상시키기 위하여 고안된 재료로써 고온 구조재료 등 다양한 방면에서 사용되고 있다. 특히 다양한 조성의 금속-세라믹 복합재료가 사용된 경사기능재료는 이종재료의 우수한 특성을 모두 얻을 수 있어 일반적인 복합재료와 더불어 그 중요성이 대두되고 있다. 이러한 경사기능재료에서 Ni-Al2O3 경사기능재료는 Ni의 연성과 Al2O3의 초고온 특성을 한 재료에서 모두 가질 수 있도록 고안된 재료로써 우주선 터빈, 고온 파이프, 기어 등 다양한 분야에 적용될 수 있다. 본 연구에서는 분말야금법을 사용한 Ni-Al2O3 복합체의 제작과 강화 방법 등에 대한 연구가 실시되었으며, 최종적으로 Ni-Al2O3 경사기능재료에 적용하여 최적의 Ni-Al2O3 경사기능재료의 제작을 목적으로 한다. 특히 Ni-Al2O3 경사기능재료의 특성을 향상시키기 위하여 미세구조적인 접근과 수축률 조절, 분산입자의 형상 조절 등의 방법이 사용되었으며, 최종 샘플의 기계적 특성을 측정하여 특성 향상 여부를 분석하였다. Ni-Al2O3 복합재료의 제작은 평균 입도가 각각 0.1μm, 3μm인 Ni와 평균입도가 각각 0.16μm, 3μm인 Al2O3가 사용되었다. 제작 공정은 준비된 분말을 60wt% Ni-40wt% Al2O3의 조성으로 혼합한 후 초경 몰드에서 177MPa의 압력으로 8분간 성형이 실시되었으며, 정수압 성형기(CIP: Cold Isostatic Press)에서 1000bar의 압력을 5분간 실시하여 성형체 내부의 스트레스를 완화시켰다. 제작된 성형체는 1350℃에서 3시간 동안 무가압으로 소결을 진행하여 최종 60wt% Ni-40wt% Al2O3 복합체로 제작되었다. 제작된 60wt% Ni-40wt% Al2O3 복합체을 분석한 결과 1350℃의 소결온도 하에서 3μm Ni과 0.16μm Al2O3가 사용되었을 때 가장 특성이 좋은 60wt% Ni-40wt% Al2O3 복합체가 제작되었으며, 0.1μm Ni과 3μm Al2O3에 의해 60wt% Ni-40wt% Al2O3 복합체의 특성이 감소함을 확인하였다. 특히 0.1μm Ni을 사용하였을 경우 60wt% Ni-40wt% Al2O3 복합체의 소결밀도가 감소하는 이유에 대해 분석하였으며, 분석결과 0.1μm Ni 입자의 과성장에 의해 60wt% Ni-40wt% Al2O3 복합체의 밀도가 감소함을 확인하였다. 또한 이러한 제작 방식과 분석에 의해 제작된 최적의 60wt% Ni-40wt% Al2O3 복합체를 Ni-Al2O3 경사기능재료에 적용하여 최적 특성의 Ni-Al2O3 경사기능재료를 제작하였으며, 기계적 특성을 확인한 결과 기존 Ni-Al2O3 경사기능재료에 비해 연속적인 물리적 특성의 변화를 확인할 수 있었다. 마지막으로 향상된 Ni-Al2O3 경사기능재료의 특성을 더욱 향상시키기 위하여 Elongated 타입의 Ni 분산입자를 Wet ball mill의 간단한 방식을 통해서 제작하였다. 실험결과 Elongated 타입의 Ni 분산입자는 구형 Ni 분산입자에 비해 60wt% Ni-40wt% Al2O3 복합재료의 강도를 18%, 경도를 25% 향상시키는 효과를 가져옴을 확인하였다.