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ISSN : 1225-0562(Print)
ISSN : 2287-7258(Online)
Korean Journal of Materials Research Vol.29 No.4 pp.258-263
DOI : https://doi.org/10.3740/MRSK.2019.29.4.258

Interfacial Properties of Friction-Welded TiAl and SCM440 Alloys with Cu as Insert Metal

Sung-Hyun Park1, Ki-Young Kim1,2, Jong-Moon Park1, In-Chul Choi1, Kazuhiro Ito3, Myung-Hoon Oh1
1School of Materials Science and Engineering, Kumoh National Institute of Technology (KIT), 61 Daehakro, Gumi, Gyeongbuk 39177, Republic of Korea
2Asan Friction Welding Co., Ltd, 982-5 Keumsanri, Waekwan, Chilgok, Gyeongbuk 39909, Republic of Korea
3Joining and Welding Research Institute, Osaka University, 11-1 Mihogaoka, Ibaraki, Osaka 567-0047, Japan
Corresponding author E-Mail : ohmyung@kumoh.ac.kr (M.-H. Oh, KIT)
March 19, 2019 April 3, 2019 April 4, 2019

Abstract


Since the directly bonded interface between TiAl alloy and SCM440 includes lots of cracks and generated intermetallic compounds(IMCs) such as TiC, FeTi, and Fe2Ti, the interfacial strength can be significantly reduced. Therefore, in this study, Cu is selected as an insert metal to improve the lower tensile strength of the joint between TiAl alloy and SCM440 during friction welding. As a result, newly formed IMCs, such as Cu2TiAl, CuTiAl, and TiCu2, are found at the interface between TiAl alloy and Cu layer and the thickness of IMCs layers is found to vary with friction time. In addition, to determine the relationship between the thickness of the IMCs and the strength of the welded interfaces, a tensile test was performed using sub-size specimens obtained from the center to the peripheral region of the friction-welded interface. The results are discussed in terms of changes in the IMCs and the underlying deformation mechanism. Finally, it is found that the friction welding process needs to be idealized because IMCs generated between TiAl alloy and Cu act to not only increase the bonding strength but also form an easy path of fracture propagation.



삽입금속 Cu를 이용한 TiAl 합금과 SCM440의 마찰용접 계면 특성

박 성현1, 김 기영1,2, 박 종문1, 최 인철1, Kazuhiro Ito3, 오 명훈1
1금오공과대학교 신소재공학부
2A.F.W(주)
3오사카대학교 접합과학연구소

초록


    Kumoh National Institute of Technology
    2015-104-134

    © Materials Research Society of Korea. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1. 서 론

    금속간화합물 TiAl, 통상적인 명칭으로 gamma-TiAl 합 금은 낮은 비중, 우수한 고온 강도 및 내식성을 바탕으 로 니켈(Ni)기 초내열합금(superalloy)을 대체할 수 있는 차 세대 경량 내열재료로서 가능성을 인정받아 왔으며,1-4) 최 근에는 자동차의 연비 향상 및 이산화탄소 배출 감소를 목적으로 채용되는 터보차저용 터빈 휠(turbine wheel)에 도 적용되어 실용화 되고 있다.5,6) 이때 고온부와 접촉하 는 터빈 휠에는 TiAl 합금이, 저온부에는 Al 합금(Al6063) 이 사용되며, 이를 연결하는 축(Shaft)으로는 SCM440 (Cr-Mo steel)이 사용된다.7-9) 따라서 이러한 설계에서는 이종금속 간의 접합기술이 필요한데, TiAl 합금이 모재 로 적용될 때에는 확산접합,10,11) 브레이징,12,13) 그리고 마 찰용접14,15) 등이 적용 가능한 것으로 보고되고 있다. 그 중에서도 용접에 따른 결함이 적고 대기 중에서 수행이 가능한 고상용접으로 생산 공정이 간단한 장점으로 인하 여 구동축으로 사용되는 재료 간의 용접에서는 마찰용접 이 많이 사용되고 있다. 마찰용접은 모재 금속의 마찰열 에 의한 원자 확산을 수반하는 접합방법으로 이종금속 간 의 접합 시에는 모재 금속에 포함되어있는 원자들이 확 산하여 접합계면에 금속간화합물을 형성한다. 특히, TiAl 합금과 SCM440 접합 시에는 SCM440에 포함되어있는 C 또는 Fe 원자가 TiAl 합금 쪽으로 확산되어 TiC, FeTi 그리고 Fe2Ti와 같은 금속간화합물을 형성한다. 이 러한 금속간화합물의 생성은 취성이 상대적으로 높아 기 계적 특성의 저해요인으로 작용됨에 따라 이종금속 간의 접합에서 반드시 제어되어야 하는 요소이다. 또한, TiAl 합금은 상온연성이 부족하여 가압 시 가해지는 높은 압 력으로 인하여 TiAl 합금의 접합계면을 따라 균열(crack) 이 발생하며, 최종적으로 미접합부가 형성된다.

    이러한 금속간화합물과 균열의 발생을 방지하기 위해 접합계면 사이에 원자 확산의 장벽 및 응력 완충 역할 을 할 수 있는 삽입금속을 적용하는 연구에 관한 관심 이 높아지고 있다. 특히, 높은 열전도도와 우수한 연성 을 갖는 Cu는 마찰용접에서 연구되고 있는 대표적인 삽 입금속 중의 하나로써 TiAl 합금과 SCM440의 접합에 서 발생 되는 금속간화합물 및 균열의 생성을 억제하는 역할을 한다.14,16) 하지만, 다른 연구 결과에 의하면 접 합 공정 조건에 따라 잔존 삽입금속 층에서도 금속간화 합물에 의해 접합강도가 변한다고도 보고되어 있다.17) 그 러므로 삽입금속을 사용할 때에도 삽입금속과 마찰공정 조건에 따른 반응층과 계면에서의 미세조직적 및 기계 적 물성의 변화를 이해하기 위한 연구가 필요한 실정이 다. 따라서 본 연구에서는 TiAl 합금과 SCM440의 마 찰용접에서 발생 되는 기계적 특성의 저해요인을 제어 하기 위하여 삽입금속으로 Cu를 사용하였으며, 이를 바 탕으로 삽입된 Cu 금속이 TiAl합금과 SCM440의 접합 계면 특성에 미치는 영향을 분석하였다.

    2. 실험 방법

    본 연구에서 사용된 TiAl 잉곳의 합금조성은 Ti-48.5 at.%이다. 잉곳은 순도 99 % 수준의 크기 10~20 mm Sponge-Ti와 99.99 % 수준의 크기 2~5 mm Grain-Al을 사용하였으며, 균질도를 높이기 위해 진공아크용해로(VAR, vaccum arc remelting furnace) 장비를 활용하여 5번 재 용해 한 후 와이어 방전가공 설비를 활용하여 ∅12×40 mm의 환봉 형태로 가공하였다. 기계구조용 합금강 SCM440은 제일종합특수강에서 ∅12×40 mm의 환봉 형 태로 제공되었으며, 삽입금속으로 사용된 Cu(OFC)는 ∅12×20 mm의 환봉 형태로 가공하여 사용하였다. 사용 된 TiAl, SCM440 및 Cu의 화학성분은 각각 Table 1에 제시하였다. 준비된 이종금속 간의 마찰용접 조건은 회 전수, 마찰속력, 업셋속력, 업셋거리를 고정하고 마찰시 간을 변수로 하였으며, 자세한 마찰용접 조건은 Table 2 에 나타내었다. 삽입금속 Cu는 SCM440과 1차 마찰용 접을 실시한 후에 TiAl 합금과 2차 마찰용접을 하였 고, 접합 도중 비접촉식 적외선 방사 온도측정기(IGA 6 Advanced, Luma Sense Technology, Inc., Santa Clara, CA)를 이용하여 Fig. 1과 같이 마찰용접 중에 발생 되 는 용접비드 부분의 마찰열을 측정하였다. 그 결과 TiAl 과 Cu 사이의 마찰용접에서는 약 976.4 ºC, SCM440과 Cu 사이의 마찰용접에서는 약 889.7 ºC의 마찰열이 발 생하는 것으로 측정되었다. 생성된 용접비드(flash)와 접 합이 완료된 후 TiAl 합금과 SCM440의 사이에 남아 있 는 삽입층의 두께를 동일하게 하기 위해 삽입금속의 소 모량을 측정하여 선반 가공을 통해 제거하고 2차 마찰 용접을 수행하였다. 그리고 주사전자현미경(JSM-6500F, JEOL Ltd., Tokyo, Japan)과 투과전자현미경(JEM2100F, JEOL Ltd., Tokyo, Japan)을 이용하여 다양한 변수에 따 른 접합계면에서 발생 되는 금속간화합물과 같은 미세 조직의 변화를 관찰하였다. 또한, 접합계면 주위에서 생 성된 금속간화합물이 접합강도 변화에 미치는 영향을 평 가하기 위하여 Fig. 2(a)와 같은 규격의 시험편을 Fig. 2(b)와 같이 부위별로 제작한 후 만능재료시험기(Galdabini Quasar 100, Galdabini, Varese, Italy)를 이용하여 크로 스 헤드(cross-head) 속도 0.5 mm/min로 인장 시험을 수 행하였다.

    3. 결과 및 고찰

    3.1 접합계면의 미세조직 분석

    마찰시간의 증가에 따른 TiAl 합금과 Cu의 접합계면 을 SEM으로 관찰한 결과를 Fig. 3(a)-(d)에 나타내었고, 금속간화합물(intermetallic compound, IMC) 층의 두께 변화를 마찰용접 시편 중앙부분에서 측정하여 이를 Fig. 3(e)에 도시화하였다. 마찰시간이 증가할수록 TiAl 합금 과 삽입금속인 Cu 사이의 접합계면에서 관측된 금속간 화합물 층의 두께는 마찰시간이 15초 이내일 때는 서서 히 증가하다가 15초를 지나면서부터 급격히 증가하여 25 초를 지나면서 증가폭이 감소하는 경향을 나타내었다. 하 지만 SCM440과 Cu의 접합계면 관찰에서는 금속간화합 물 층이 생성되지 않았음을 확인하였다. TiAl 합금과 Cu 의 접합계면 사이에 서로 다른 세 가지의 금속간화합물 들(IMC1, IMC2, IMC3)이 관측되어 형성된 금속간화합 물층의 성분을 EDS 분석을 통해 확인하고 그 결과를 Table 3에 정리하였다. 관측된 IMC1, IMC2, IMC3은 각 각 Cu2TiAl, CuTiAl, TiCu2로 판단되며, 금속간화합물 층의 두께가 증가함에 따라 생성되는 금속간화합물의 종 류도 늘어나는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 금속간 화합물의 종류는 접합계면에서 모재와 삽입금속 사이의 위치에 따라 생성되는 구조가 달라지는 것으로 확인되 었으며, 이는 원자들의 확산 거동과 관련 있는 것으로 판단된다. TiAl-Cu-SCM440 접합재의 TiAl과 Cu 사이에 생성된 금속간화합물 층을 보다 상세하게 이해하기 위 해서 마찰시간이 25초인 시편에 대한 TEM 분석한 결 과를 Fig. 4에 나타내었다. Fig. 4(a)에서 알 수 있듯이 TiAl 합금과 Cu 사이에 약 200 nm의 금속간화합물 층이 생성되었음을 확인할 수 있다. Fig. 4(b)-(d)는 Fig. 4(a)의 A, B, C 위치에서 생성된 금속간화합물의 SADP (selected area diffraction pattern) 이미지들이다. 이때 얻 은 SADP들을 분석한 결과 TiAl 합금과 Cu 사이에서 생성된 금속간화합물은 각각 Cu2TiAl, CuTiAl, CuTi2 총 3가지로 구분되며, 이는 앞서 보여준 EDS 분석결과와 잘 일치한다. 금속간화합물 Cu2TiAl 또는 CuTiAl은 TiAl 합 금 쪽에 가까울수록 작은 입자 형태로 생성되었지만, 그 중에서 Cu2TiAl가 상대적으로 가장 많은 영역을 차지하고 있음을 확인하였다. 반대로 Cu 쪽에 가까울수록 CuTi2 가 작은 입자 형태로 생성되었음을 확인할 수 있었다. 이러한 금속간화합물의 분포는 접합에 사용된 모재와 삽 입금속의 원자 확산에 의해서 그 위치가 정해지는 것으 로 생각할 수 있다. 즉 TiAl 합금 쪽에서는 Ti와 Al 원 자가 다수 존재하고 Cu는 확산되어져서 이동하기 때문 에 Cu2TiAl 또는 CuTiAl이 보다 용이하게 생성되고, Cu 쪽에서는 Al에 비해서 확산이 용이한 Ti가 Cu 원자와 결합하여 CuTi2를 생성한 것으로 판단된다.

    3.2 기계적 특성 변화

    마찰시간에 따른 TiAl-Cu-SCM440의 접합강도의 변화 를 Fig. 5에 나타내었다. 6초에서 113.5 MPa, 15초에서 160.2 MPa, 25초에서 192.4 MPa로 마찰시간이 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내다가 30초에서 84.1 MPa로 급격히 감소하였다. 이러한 현상은 기존에 보고된 마찰 용접을 이용한 이종금속 간의 접합에서 마찰시간이 늘 어남에 따라 모재 사이의 접합계면에서 생성되는 금속 간화합물의 넓이가 증가하여 접합강도에 좋지 못한 영 향을 미친다고 알려진 것과 대비되는 결과이다.18,19) 하 지만 Li에 의한 연구결과에 의하면,20) 이종금속 간의 양 호한 접합을 위해 접합계면에서 생성되는 금속간화합물 크기에는 임계값(약 5 μm 정도의 두께)이 존재하며, 이 를 위해서는 접합영역에 충분한 마찰열의 공급이 이루 어져야 한다고 보고된 바 있다. 따라서 마찰시간이 짧 은 경우에는 발생된 마찰열이 피접합물의 접합면에 고 르고 충분하게 공급되지 않았기 때문에 낮은 접합강도 를 나타내지만, 특정 시간에 도달하였을 때에는 피접합 물의 접합면이 고르게 접합되는 결과가 나타난 것으로 판단된다. 즉, 마찰시간이 6초에서부터 25초 사이일 경 우에는 피접합물의 접합면의 전체가 양호한 접합을 하 지 못한 채 일부 미접합 부분이 남아 있으며, 마찰시간 이 증가하여 미접합 영역이 감소함에 따라 접합강도가 증가한 것으로 판단된다. 마찰시간이 25초일 때는 접합 면에서의 반응층이 접합면 전체에 고르게 형성되어 가장 높은 접합강도를 나타낸 것으로 판단된다. 이러한 현상 은 회전식 마찰용접과 관련된 보고에서와 같이 회전축 중 심부와 외각부에서는 회전속도의 차이가 존재하고 이로 인하여 발생하는 마찰열의 차이가 유도될 수 있다.21) 따 라서 마찰열이 충분히 공급되지 않은 접합면의 중심부 에서는 미접합 부위가 발생하는 것으로 판단된다.

    추가적으로 마찰면의 중심으로부터 주변부까지의 접합 강도를 Fig. 6과 같이 나타내었으며, 이를 통해 마찰시 간에 따른 차이를 비교해보았다. 그래프에서 나타난 것 과 같이, 마찰시간이 짧은 경우(1~3초)에는 접합강도가 마 찰면의 중심에서는 낮고, 주변부로 갈수록 증가하는 경 향이 나타난다. 이러한 현상은 마찰에 필요한 충분한 입 열량이 공급되지 못하였기 때문에 이종금속 간의 확산 이 이루어지지 않아 두 피접합재 사이의 반응층이 존재 하지 않는 것으로 판단된다. 마찰에 소요되는 시간이 늘 어날수록 마찰면 중심의 접합강도가 증가하는 경향이 나 타난다. 하지만, 이종금속간의 접합에서는 피접합재들의 원자들간에 상호확산에 의해 반응물인 금속간화합물을 생 성하게 된다. 이러한 금속간화합물은 구성원소들 간의 강 력한 결합력에 의해 소성변형이 쉽지 않아 취성이 큰 특 성을 나타낸다. 앞서 소개한 바와 같이, 접합계면에서 생 성된 금속간화합물층이 3-5 μm을 초과하게 되면 접합강 도를 하락시키는 주된 요인이 될 수도 있다.20) 따라서 피 접합재들의 원자들 간의 확산이 일어날 수 있도록 충분 한 시간이 주어진 경우(9~24초), 회전축의 최외각 영역 에서 취성이 높은 금속간화합물 층의 두께가 상대적으 로 커지기 때문에 접합강도가 하락하는 현상을 관찰할 수 있다. 이는 마찰에 소요되는 시간이 늘어남에 따라 최외각에서의 접합강도가 하락하는 이종금속 간의 접합 에 관한 기존 보고들과도 일치하는 결과로서 이종금속 간의 마찰용접을 위해서는 적절한 마찰시간이 필요할 것 으로 판단된다.18,19)

    Fig. 7은 Cu를 이용하여 TiAl합금과 SCM440을 마찰시 간 25초 조건에서 접합시킨 시편의 파단 후 단면을 관 찰한 결과이다. 마찰면의 주변부에서는 접합이 이루어져 Cu가 관찰되나 중심영역에서는 Cu가 관찰되지 않은 미 접합 영역이 존재하는 것을 확인할 수 있다. 보다 정확 한 관찰을 위해 마찰시간 30초 조건에서 얻은 시편의 중 심영역과 주변부의 SEM관찰 결과를 Fig. 8에 나타내었 으며, 이를 통해 마찰면 중앙부와 가장자리의 금속간화합 물 층의 두께차이를 확인하였다. 즉, 중심부와 외각부의 회전속도 차이에 의해 발생되는 마찰열의 차이 때문에 TiAl 합금과 삽입금속 사이에 충분한 마찰시간이 소요되 어야지만 양호한 접합이 가능한 것을 예상할 수 있으며, 중심부와 외각부의 회전속도 차이에 의한 접합면적의 영 향에 대해서 보고한 Song의 연구결과와 유사하다.21)

    또한 마찰시간 25초 TiAl-Cu-SCM440의 인장 시험 후 그 파단면을 SEM으로 관찰한 결과를 Fig. 9에 나타내 었으며 이때 파단면의 관찰은 Cu 쪽에서 수행하였다. Fig. 9에서 물결형태의 A 부위와 돌기 형태의 B 부위 가 확연하게 구분되어 관측되었으며, Table 4의 EDS 분 석 결과를 통해서 A는 Cu2TiAl, B는 TiAl 임을 예측할 수 있었다. 특히, 물결형태의 A는 TiAl 합금과 Cu의 접 합계면에서 생성된 금속간화합물 Cu2TiAl에서 균열이 전 파된 것으로 판단되며, 균열의 전파가 용이한 금속간화 합물의 분율이 증가하여 접합강도가 하락하는 결과를 가 져옴을 유추할 수 있다.

    4. 결 론

    1. TiAl합금과 SCM440의 마찰용접 과정에서 Cu를 삽 입금속으로 사용함으로써 C와 Fe의 확산에 의한 TiC, FeTi 그리고 Fe2Ti와 같은 금속간화합물 형성과 크랙의 발생 정도를 제어할 수 있음을 확인하였다.

    2. 마찰시간의 증가에 따라 금속간화합물 층의 두께가 증 가하며, TiAl-Cu의 접합계면의 미세조직 관찰결과 Cu2TiAl, CuTiAl, TiCu2와 같은 금속간화합물이 생성되는 것을 EDS와 TEM분석을 통해 확인하였다.

    3. 계면에서 원자 확산에 의한 일정 수준 이상의 금 속간화합물이 생성되어야지만 양호한 접합이 이루어지지 만, 동시에 균열의 생성 및 균열의 전파를 더욱 용이하 게 하는 인자로 작용할 수 있다. 따라서 금속간화합물 층의 제어를 위한 적절한 마찰용접 조건이 필요하며, 본 연구에서는 25초가 가장 적절한 시간임을 알 수 있었다.

    Acknowledgement

    This paper was supported by Research Fund, Kumoh National Institute of Technology (Contract No. 2015-104- 134).

    Figure

    MRSK-29-4-258_F1.gif

    Measurement of friction heat by infrared radiation thermometer.

    MRSK-29-4-258_F2.gif

    Schematics of (a) sub-size tensile specimen and (b) preparation for tensile specimen from center to peripheral region.

    MRSK-29-4-258_F3.gif

    Microstructural images on welded interface between TiAl alloy and Cu with various friction times of (a) 6s, (b) 15s, (c) 25s, (d) 30s and (e) change in thickness of the IMC layer with friction time, respectively.

    MRSK-29-4-258_F4.gif

    (a) TEM image on TiAl-Cu welded interface of a TiAl-Cu- SCM440 joint with friction time of 25s, and (b)-(d) SADPs on selected positions within TEM image of (a) which are indicated as A, B, and C, respectively.

    MRSK-29-4-258_F5.gif

    Change in tensile strength of joint with friction times.

    MRSK-29-4-258_F6.gif

    Tensile strength on joint with various distance from center to peripheral region.

    MRSK-29-4-258_F7.gif

    Fracture surface after tensile test of TiAl-Cu-SCM440 joint with friction time of 25s.

    MRSK-29-4-258_F8.gif

    Microstructural images on welded interface between TiAl alloy and Cu with friction time 30s (a) at center and (b) at periphery.

    MRSK-29-4-258_F9.gif

    SEM observation on fracture surface of TiAl-Cu-SCM440 joint with friction time of 25s.

    Table

    Chemical compositions of base materials.

    Friction welding conditions.

    Element analysis on interface of welded TiAl-Cu.

    Element analysis on the fracture surface of welded TiAl- Cu.

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