Ni계 ODS 합금에서 Y-Ti-O 복합 산화물의 선택적 형성을 통한 산화물 미세화 연구

Abstract

Ni계 ODS 합금은 뛰어난 고온 기계적 특성과 높은 내부식성 및 내산화성으로 항공 산업에 이용되는 제트 엔진 및 산업용 가스 터빈의 구조 재료로 사용된다. 이러한 Ni계 ODS 합금은 기지상에 석출되는 γ' 상에 의한 석출 강화 효과와 더불어 기계적 합금화의 적용으로 분산된 산화물에 의한 분산 강화 효과를 조합하여 뛰어난 기계적 특성을 가진다. 또한 첨가 원소에 따른 다양한 기능성과 Cr 및 Al에 의한 고온에서의 내산화, 내부식 특성 또한 우수하여 극한의 환경에 적용되는 고온 구조 재료로써 주목받고있는 합금이다. 이러한 ODS 합금은 일반적으로 산화물이 미세하게 분산될수록 산화물간 거리에 의존하는 오로완 기구 및 피닝 효과의 극대화로 인해 향상된 기계적 특성을 나타내기 때문에 미세한 산화물을 균일 분산시키려는 연구가 지속적으로 진행되고 있다. 이러한 연구의 일환으로 Ni계 ODS 합금의 산화물 미세화에 효과적이라고 알려진 Ti, Hf 등의 합금 원소의 첨가 및 첨가량을 제어하여 열처리 과정에서 형성되는 다원계 복합 산화물을 미세하고 균일하게 분산시키려는 산화물 미세화 연구가 극히 일부만 진행되고 있다. 또한 첨가 원소에 의한 산화물 미세화 연구 외에 다른 방법을 이용한 산화물 미세화 연구는 미비하다. 본 연구에서는 산화물이 분산된 Ni계 ODS 합금에서 상대적으로 미세한 산화물인 Y-Ti-O계 복합 산화물을 선택적으로 형성하여 조대한 Y-Al-O계 복합 산화물 형성을 억제하고자 전체 공정을 2단계로 나누어 진행하였다. 또한 Ti는 Ni와 반응하여 γ' 상을 형성하므로 Y2O3와 충분한 반응을 고려하고자 그리고 Ti 첨가량의 변화에 따른 산화물 미세화 및 형성 거동을 분석하였다. 분말 단계에서 각 공정에서 Y-Ti-O 복합 산화물의 선택적 형성과 Ti 첨가량에 따른 분석은 XRD 및 SEM을 통해 분석하였다. 이후 플라즈마 방전 소결을 이용하여 소결체를 제조하여 XRD 및 SEM 분석을 통해 상 및 미세구조를 분석하였고, 복합 산화물 형성 거동 및 크기 분포를 분석하고자 TEM 및 이미지 분석을 진행하였다. 복합 산화물의 형성 거동 및 크기 분포에 따른 기계적 특성을 평가하고자 상온 및 고온 비커스 경도 평가를 통하여 분석하였다.