김홍민
(Hong-Min Kim)
1
홍성준
(Seong-Jun Hong)
1
이동근
(Dong-Geun Lee)
1*
-
국립순천대학교신소재공학과
(Department of Materials Science and Metallurgical Engineering, Sunchon National University,
Suncheon 57922, Republic of Korea)
Copyright © 2025 The Korean Institute of Metals and Materials
Key words
Ti-Mo-Fe alloy, Thermomechanical processing, Stress-induced martensite transformation, Deformation mechanism
1. 서 론
타이타늄 합금은 높은 비강도와 우수한 부식 저항성 및 생체 적합성 등의 특성을 가져 항공우주 산업, 해양플랜트, 생체재료 등 여러 산업 분야에서 필수적인
구조재료로 널리 사용되고 있다[1-6]. 타이타늄 합금의 기계적 특성은 heat treatment, forging, hot rolling 및 extrusion과 같은 Thermomechanical
processing (TMP)을 통해 크게 변화시킬 수 있고, 이를 통해 기계적 특성을 제어할 수 있다[7]. 특히, hot rolling은 온도, 압연 속도, 압하률 등 다양한 매개변수를 조정함으로써 우수한 특성을 가지는 타이타늄 합금을 제조할 수 있는
장점과 낮은 비용과 높은 편의성으로 인해 유망한 가공 기술로 주목받고 있다[8].
일반적으로 타이타늄 합금의 주조재는 낮은 기계적 특성으로 인해 다양한 thermomechanical processing을 거친 후에 사용되며, 이러한
thermomechanical processing 조건에 따라 다양한 미세조직을 얻을 수 있다. 또한, dynamic recrystallization을
통해 미세조직을 제어하여 기계적 특성을 향상시킬 수 있다[9]. 타이타늄 합금은 beta transus 온도 이상의 고온에서 beta phase이 안정한 BCC 구조로 존재하며, 비교적 많은 slip system을
가져 열간 가공이 용이하다. 그러나 alpha 합금의 경우 높은 beta transus온도로 인한 높은 공정 온도로 공정 비용이 증가하는 단점이 있다[10]. 반면, beta 안정화 원소가 다량 첨가된 beta 합금은 상대적으로 낮은 beta transus 온도로 인해 비교적 낮은 온도에서도 열간 가공이
가능하여 공정 비용을 절감시킬 수 있다[10].
타이타늄 합금의 상온 변형 메커니즘은 합금의 종류에 따라 다르게 나타난다. alpha 합금은 주로 dislocation slip이 변형 메커니즘으로
발생하며, basal slip과 prismatic slip이 주요 slip system이다[11]. Beta 타이타늄 합금에서는 dislocation slip 외에도 stress-induced martensite transformation 및
mechanical twin이 변형 메커니즘으로 발생한다[12,13]. 특히, beta 합금의 변형 메커니즘은 beta 안정성에 따라 달라지는데, beta 안정성이 낮을 때는 주로 stress-induced martensite
transformation가 발생하고, beta 안정성이 높아질수록 twin 및 dislocation slip이 주요 변형 메커니즘으로 작용한다[13,14].
본 연구에서는 다양한 산업에서 구조재료로 사용되기 위해 개발된 저비용 Ti-5Mo-xFe (x=1, 2 wt%) 합금을 대상으로 hot rolling
공정을 수행하고, Fe 함량에 따른 미세조직 변화 거동을 분석하였다. 또한, 상온 압축 시험을 통해 상온 변형 메커니즘을 고찰함으로써 타이타늄 합금의
열기계적 가공 조건에 따른 미세조직 진화 거동 및 기계적 특성 변화에 대한 이해를 제고하고자 한다.
2. 실험 방법
본 연구에서 사용된 Ti-5Mo-xFe (x=1, 2 wt%) 합금은 Vacuum Are Re-melting을 통해 10회 재 용해하여 Φ16 Ingot으로
제조되었다. 제작된 Ingot는 850°C에서 1시간 고온 유지 후 노냉하여 cold swaging process를 통해 Φ11 봉재로 가공하였다.
이후 열적 및 기계적 가공에 의한 미세조직 변화를 관찰하기 위해 hot rolling을 수행하였다. hot rolling은 분당 5°C의 승온 속도로
900°C까지 가열한 후, 3.0 rpm의 속도로 최종 압하율 60%를 5 pass에 걸쳐 수행하였다. 각 pass 마다 압연 방향은 동일하게 유지하였으며,
각 pass 이후에는 15분간 열처리를 반복하였다.
Ti-5Mo-xFe (x=1, 2 wt%) 합금의 hot rolling에 따른 미세조직 변화를 분석하기 위해 hot mounting 후 #220~2000의
sand paper와 6, 3, 1, 0.04 μm의 연마제를 사용하여 미세 연마를 진행하였다. 이후, Kroll’s 용액 (100 ml H2O, 5ml HNO3, 2 ml HF)으로 시편을 에칭한 후 광학 현미경(Optical Microscope, BX52M, Olympus, Japan) 및 주사 전자 현미경
(Scanning Electron Microscope, JSM-7001F, JEOL, Japan)을 이용해 미세조직을 관찰하였다.
기계적 특성 평가를 위해 비커스 경도 시험기 (Vickers Hardness, HM-200, Mitutoyo, Japan)를 사용하여 각 시편에 대해
10초 유지 시간 동안 1 kgf의 하중으로 15point 경도 값을 측정하였으며, 최댓값 최솟값을 제외한 평균값과 표준편차를 계산하였다. 또한,
동적 만능 재료시험기 (Dynamic Universal Materials Testing Machine, BESTUTM-10MD, Ssaul Bestech,
Korea)를 사용하여 상온에서 1×10-3/s의 변형 속도로 압축시험을 수행하였다. 이후 압축된 시편의 절단면을 EBSD 분석하여 Fe 함량에 따른 변형 메커니즘과 기계적 특성의 변화를 고찰하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 Fe함량 효과와 미세조직 변화 거동 분석
Ti-5Mo-xFe (x = 1, 2 wt%) 합금의 용체화 처리 온도를 선정하기 위하여 β 변태 온도를 조사하였다. β 안정화 원소인 Mo와 Fe가
함유되어 있기에 β 변태 온도가 순수 타이타늄 변태온도인 883°C 보다 낮아질 것이다. 온도 경험 식인 식 (1)을 이용하여 합금원소 함량에 따른 β 변태 온도를 계산하였다[15].
그 결과, Ti-5Mo-1Fe 합금은 약 825°C, Ti-5Mo-2Fe 합금은 약 816°C로 계산되었으며, 오차범위는 ±10°C이다. 일반적으로
β-Ti 합금의 β 변태 온도는 특정 합금 원소와 그 농도에 따라 700~850°C 사이에 위치한다[16]. 이 결과를 토대로 β 변태 온도 이상인 850°C, 1 h의 조건으로 용체화 처리 후 노냉하였고, 이후 cold swaging을 진행하였다.
Cold swaging 후 hot rolling에 따른 미세조직 변화를 관찰하기 위해 hot rolling 전과 후의 Ti-5Mo-xFe (x =
1, 2 wt%) 미세조직을 Fig 1에 나타내었다.
용체화 처리 후 노냉할 경우 느린 냉각 속도로 인하여 β 상의 grain boundary에서 α 상이 석출되며, α+β lamellar를 갖는 basket
weave 조직이 관찰된다. Fig 1의 미세조직에서 확인할 수 있듯이 방향이 무작위한 조직이 관찰됨으로써 lamellar를 갖는 basket weave 조직으로 확인되었다. 밝은 영역은
β phase으로 Ti-5Mo-1Fe에 비해 Ti-5Mo-2Fe에서 β phase의 폭이 넓은 것을 확인할 수 있는데, 이는 β 안정화 원소인 Fe의
함량이 높아짐에 따라 β Phase을 더욱 안정시켜 폭이 넓어지는 것이다. 또한, Fe 함량이 증가함에 따라 β grain 크기가 감소하였는데, Fe는
Ti 내에서 빠른 확산속도를 가지기 때문에 Fe를 미량 첨가하여도 조성적 과냉각 발달 속도를 효과적으로 증가시켜 β grain 크기를 미세화 시키기
때문이다[17]. 또한, cold swaging 과정에서 외부 응력이 재료에 작용하게 되면서 전위가 생성되는데 이 전위는 grain 내부의 결함으로 작용하며,
추가적인 변형이 발생할 때 다른 전위와 상호작용하여 새로운 전위를 생성하게 되는데 이러한 전위의 생성과 상호작용으로 인해 전위 밀도가 증가하게 된다.
전위 밀도가 증가하면 grain 내부의 불규칙성이 커지게 되고, 결과적으로 합금의 미세조직을 미세화하고, 변형 강도를 향상시킨다.
Hot rolling 후 Fe 함량에 따른 미세조직 변화 거동을 관찰하기 위해 Ti-5Mo-xFe (x = 1, 2 wt%) 합금의 IQ map,
IPF map과 phase map을 그림 2와 그림 3에 나타내었다. Near-β 합금인 Ti-5Mo-1Fe 합금을 hot rolling 후 EBSD 분석한 결과 (그림 2) 78%의 높은 alpha phase의 분율이 관찰되었다. Ti-5Mo-1Fe 합금의 미세조직 진화 거동 계략도인 그림 2(C)에서 볼 수 있듯이 낮은 beta 안정성으로 인해 hot rolling 중 beta matrix 내에 전위 집접에 의한 subgrain이 형성되고
subgrain 주변과 beta grain boundary에 등축정 alpha phase이 동적 변태된 것이다[18, 19]. 이러한 alpha phase의 dynamic strain-induced transformation은 낮은 beta 안정성을 가지는 합금을 열간
가공할 때 주로 발생한다[18, 19]. 따라서, 낮은 beta 안정성으로 인해 hot rolling 중 beta phase의 dynamic recrystallization보다 alpha
phase의 dynamic strain-induced transformation이 지배적으로 발생하여 78%의 높은 alpha phase 분율이 나타난
것이다. Metastable beta 합금인 Ti-5Mo-2Fe 합금을 hot rolling 후 EBSD 분석한 결과 (그림 3) Ti-5Mo-1Fe 합금과 달리 87%의 높은 beta phase 분율이 나타났다. Ti-5Mo-2Fe 합금의 미세조직 진화 거동 계략도인 그림 3(C)과 같이 높은 beta 안정성으로 인해 hot rolling 중 beta grain boundary에 beta phase이 핵생성 되고 grain
growth이 발생하여, beta phase의 dynamic recrystallization이 지배적으로 발생한 것이다. 또한, 일부 alpha phase의
dynamic strain-induced transformation이 발생된 것을 관찰하였다.
Hot rolling에 따른 전위밀도를 분석하기 위해 Ti-5Mo-xFe (x = 1, 2 wt%) 합금의 KAM map을 그림 4에 나타내었다. Ti-5Mo-1Fe 합금의 beta phase 내부 전위 밀도가 Ti-5Mo-2Fe 합금보다 높게 나타났다. 이는 Ti-5Mo-1Fe
합금에서 alpha phase의 dynamic strain-induced transformation이 지배적으로 발생하고, 잔류 beta phase에서
dynamic recrystallization이 발생하지 않아 전위가 해소 되지 않은 것이다. 반면에 beta phase의 dynamic recrystallization이
지배적으로 발생한 Ti-5Mo-2Fe 합금은 hot rolling에 의해 발생된 전위가 dynamic recrystallization과 grain
growth을 통해 대부분 해소되어 비교적 낮은 전위밀도가 나타난 것이다.
3.2 Fe 함량에 따른 기계적 특성 및 변형 메커니즘 분석
Hot rolling 후 기계적 특성을 분석하기 위해 경도 측정 및 상온 압축 시험 결과를 그림 5에 나타내었다. Hot rolling을 수행하지 않은 동일한 합금의 선행 연구 결과와 비교했을 때[19], Ti-5Mo-1Fe 합금의 경도와 압축 항복강도는 hot rolling 후 각각 319 Hv → 489.6 Hv, 1100 MPa → 1723
MPa으로 증가하였다. Ti-5Mo-2Fe 합금의 경우 346 Hv → 544.2 Hv, 1300 MPa → 1823 MPa으로 증가하였으며, 모든
합금에서 Hot rolling 후 경도와 항복강도가 증가하였다. Hot rolling에 의한 전위 생성 및 집적, dynamic recrystallization에
따른 grain 미세화 등의 미세조직 변화가 경도 및 압축 항복강도의 증가에 기여하였다. Ti-5Mo-1Fe 합금의 경우, 상대적으로 낮은 beta
안정성으로 인해 hot rolling 중 dynamic strain-induced transformation이 발생하였고, beta phase 내부의
축적된 전위가 해소되지 않고 유지되어 압축 항복강도가 증가하는 경향이 나타났다. Ti-5Mo-2Fe 합금은 높은 beta 안정성으로 인해 beta
grain 내 dynamic recrystallization이 활발히 진행되었고, 이로 인해 beta grain 크기가 감소하면서 Hall-Petch
equation에 따라 기계적 특성이 증가하였다.
Ti-5Mo-xFe (x=1, 2 wt%) 합금의 기계적 특성을 명확하게 분석하기 위해 각 합금들에 대해 변형메커니즘을 분석한 EBSD 결과를 그림 6과 그림 7에 나타내었다. Ti-5Mo-1Fe 합금의 경우 alpha phase의 주 변형 메커니즘인 slip line이 관찰되었다. 타이타늄 합금의 alpha
phase은 hcp구조로 c/a값이 1.589으로 이상적인 hcp값(1.633)에 비해 작다. 이에 slip이 basal면으로 발생하는 것과 더불어
prism면으로도 우선적으로 발생한다. 또한, alpha phase의 변형 메커니즘인 86°의 misorientation을 가지는 tensile twin과
64°의 misorientation을 가지는 compressive twin이 관찰되었다[20, 21]. 이러한 twin들이 전위 이동에 대한 장벽으로 작용하여 twin 주변에 높은 전위 밀도가 관찰되었고 강도 향상에 큰 영향을 미친 것이다. Ti-5Mo-2Fe
합금의 경우 다량의 두꺼운 band가 관찰되었으며, EBSD 분석을 통해 두꺼운 band는 misorientation angle이 50.5°로 beta
matrix와 동일한 슬립계인 {332}<112> twin인 것으로 확인하였다[22]. {332}<112> twin 변형 메커니즘은 주로 높은 beta 안정성을 가지는 합금에서 발생된다[22].
또한, 그림 5의 S-S curve에서 SIM 변태로 인해 발생되는 이중 항복 현상을 관찰할 수 있었다. 이러한 SIM 변태는 hot rolling 이후 냉각 속도가
빠를 경우, β 상이 상온에서 안정하지 않아 압축 응력에 의해 β 상에서 α’’ martensite로 변태 (stress-induced martensite
transformation, SIM) 한 것으로 TRIP (Transformation-induced Plasticity) 메커니즘이다. 이와 같은
메커니즘의 발생으로 S-S curve에서 두 개의 항복점 (double yielding point)현상이 관찰되었는데, 첫 번째 항복점은 α 상에서
전위의 이동으로 발생하는 초기 소성 변형이며, 두 번째 항복점은 SIM 메커니즘에 의해 β 상이 α’’ martensite로 변태한 것이다.
한편, 그림 8의 phase map에서 {332}<112> twin 내부와 경계에서 alpha phase이 관찰되었다. 이는 stress-induced martensite
transformation으로 인해 α’’ martensite가 변태된 것이며, α’’ martensite 영역에서 misorientation angle이
약 45°로 감소한 것을 확인할 수 있다. 선행 연구에 따르면 {332}<112> twin과 stress-induced martensite transformation
조합의 상온 변형 메커니즘은 강도를 효과적으로 향상시키는 것으로 알려져 있다. 따라서, Ti-5Mo-2Fe 합금의 경우 {332}<112> twin과
stress-induced martensite transformation 조합의 상온 변형 메커니즘을 가져 높은 강도를 확보할 수 있었다.
4. 결 론
본 연구에서는 Ti-5Mo-xFe (x = 1, 2 wt%) 합금을 cold swaging 공정 후 hot rolling 공정을 수행하였고, 이 합금들에
대해 Fe함량에 따른 미세조직 변화 거동 및 변형 메커니즘을 분석하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
1. Ti-5Mo-1Fe 합금의 경우, 낮은 beta 안정으로 인해 hot rolling 중 dynamic strain-induced transformation이
지배적으로 발생하였으며, 이로 인해 alpha phase의 분율이 증가하였다. Ti-5Mo-2Fe 합금은 높은 beta 안정성으로 인해 beta phase의
dynamic recrystallization이 활발하게 진행되었으며, 이에 따라 beta grain size가 감소하였다.
2. KAM 분석 결과, Ti-5Mo-1Fe 합금은 alpha phase의 dynamic strain-induced transformation이 지배적으로
발생하여 잔류 beta phase에서 높은 전위밀도가 관찰된 반면, Ti-5Mo-2Fe 합금은 beta phase의 dynamic recrystallization이
균일하게 발생하여 beta phase의 전위 밀도가 비교적 낮게 관찰되었다.
3. Hot rolling 후 모든 합금에서 경도와 압축 항복강도가 증가하였으며, 이는 전위 생성 및 집적, grain 미세화, dynamic recrystallization
등의 미세조직 변화에 기인하였다. Ti-5Mo-1Fe 합금의 경우, slip과 함께 86°의 tensile twin과 64°의 compressive
twin이 관찰되었으며, twin이 전위 이동을 방해하여 강도 향상에 기여하였다.
4. Ti-5Mo-2Fe 합금에서는 {332}<112> twin이 관찰되었으며, twin 주변에 stress-induced martensite transformation으로
인해 α’’ martensite가 형성되었다. {332}<112> twin과 stress-induced martensite transformation
변형 메커니즘 조합으로 강도가 효과적으로 증가하였다.