Figure 2. The predicted shrinkage porosity of test castings: (a) mold temperature of 25 °C and gravity casting (short for 25 °C, 0 rpm); (b) 800 °C, 0 rpm; (c) 25 °C, 200 rpm; (d) 800 °C, 200 rpm; (e) 25 °C, 400 rpm; (f) 800 °C, 400 rpm; (g) 25 °C, 600 rpm; (h) 800 °C, 600 rpm.

이 기술 요약은 Yi Jia 외 저자가 2015년 Metals 저널에 발표한 “Modeling of TiAl Alloy Grating by Investment Casting” 논문을 기반으로 하며, STI C&D에서 기술 전문가를 위해 분석 및 요약했습니다.

키워드

  • Primary Keyword: TiAl 합금 인베스트먼트 캐스팅
  • Secondary Keywords: 수축 다공성, 수치 해석, ProCAST, 원심 주조, TiAl 합금, 주조 결함

Executive Summary

  • 도전 과제: TiAl 합금은 높은 화학 반응성, 고융점, 낮은 연성 및 가공성으로 인해 복잡한 형상의 부품을 결함 없이 제조하기 어렵습니다.
  • 해결 방법: ProCAST 수치 해석 소프트웨어를 사용하여 TiAl 합금 격자(Grating)의 인베스트먼트 캐스팅 공정을 모델링하고 최적화한 후, 실험을 통해 검증했습니다.
  • 핵심 돌파구: 수치 해석을 통해 수축 다공성 및 기공 결함을 최소화하는 최적의 주조 조건(주형 온도, 회전 속도)을 성공적으로 식별했습니다.
  • 핵심 결론: 수치 해석은 TiAl 합금 인베스트먼트 캐스팅에서 발생하는 결함을 예측하고 제어하여 고품질 부품을 생산하는 데 매우 효과적이고 비용 효율적인 방법입니다.

도전 과제: 이 연구가 CFD 전문가에게 중요한 이유

에너지 및 환경 문제는 경량 소재의 개발을 촉진하고 있습니다. 특히 TiAl 합금은 항공우주 및 자동차 산업에서 기존의 Ni기 초합금을 대체할 유망한 소재로 주목받고 있습니다. 600°C 이상의 고온에서도 우수한 기계적, 내산화성, 내식성 특성을 보이기 때문입니다.

하지만 TiAl 합금은 높은 화학 반응성, 고융점, 낮은 연성 및 가공성 때문에 양산에 어려움이 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 복잡한 형상의 부품을 정밀하게 제작할 수 있는 인베스트먼트 캐스팅(Investment Casting)이 주목받고 있습니다. 그러나 주조 공정은 육안으로 관찰할 수 없으며, 전통적인 방식은 경험에 의존하기 때문에 높은 비용과 긴 개발 주기를 요구합니다. 따라서 주조 공정을 사전에 예측하고 최적화할 수 있는 수치 해석 기술의 중요성이 그 어느 때보다 커지고 있습니다.

접근 방식: 연구 방법론 분석

본 연구는 TiAl 합금 격자 부품의 인베스트먼트 캐스팅 공정을 최적화하기 위해 수치 해석과 실험적 검증을 병행했습니다.

  • 수치 해석: 유한 요소 해석(FEM) 소프트웨어인 ProCAST를 사용하여 주형 충전 및 응고 거동을 시뮬레이션했습니다. 해석에 사용된 TiAl 합금(Ti–47Al–2.5V–1Cr at. %)과 ZrO2 주형의 열물성 데이터는 Sung의 연구[13, 14]와 ProCAST에서 제공된 값을 사용했습니다. 시뮬레이션의 주요 변수는 주입 온도(1700°C), 충전 시간(3초), 주형 예열 온도, 회전 속도였습니다.
  • 주조품 제작: “로스트 왁스(lost wax)” 공정을 통해 세라믹 쉘 주형을 제작했습니다. 진공 스컬 용해로(Vacuum Skull Furnace)를 사용하여 TiAl 합금을 용해한 후, 예열된 주형에 주입하여 주조품을 제작했습니다. 테스트용 주조품(직경 400mm)과 최종 풀사이즈 주조품(직경 580mm) 두 가지를 제작했습니다.
  • 특성 분석: 제작된 테스트 주조품에서 시편을 채취하여 미세조직을 광학 현미경으로 관찰하고, 상온 인장 시험을 통해 기계적 특성을 평가했습니다. 파단면은 주사전자현미경(SEM)으로 분석했으며, 풀사이즈 주조품은 X-ray 비파괴 검사를 통해 내부 결함을 확인했습니다.

돌파구: 주요 연구 결과 및 데이터

결과 1: 테스트 주조 공정 변수 최적화

연구팀은 먼저 직경 400mm의 테스트 주조품에 대한 시뮬레이션을 수행하여 최적의 공정 조건을 탐색했습니다. 주형 온도와 회전 속도를 변경하며 수축 다공성(Shrinkage Porosity)과 기공(Voids) 발생 가능성을 예측했습니다.

  • 시뮬레이션 결과, 주형 온도 25°C의 중력 주조(Figure 2a)에서는 주조품 전체에 걸쳐 심각한 수축 다공성이 예측되었습니다.
  • 주형 온도를 800°C로 높이고 400rpm의 원심 주조를 적용했을 때, 수축 다공성(Figure 2f)과 기공(Figure 3f)이 모두 가장 효과적으로 억제되는 것을 확인했습니다. ProCAST에서 예측하는 기공은 가스나 산화물층을 의미하며, 이는 미세 다공성보다 더 심각한 결함으로 간주됩니다. 따라서 주형 온도 800°C, 회전 속도 400rpm이 테스트 주조에 가장 적합한 조건으로 선정되었습니다.

결과 2: 풀사이즈 주조 설계 개선 및 실험적 검증

테스트 주조 결과를 바탕으로 직경 580mm의 풀사이즈 주조품에 대한 시뮬레이션을 진행했습니다. 이때, 용탕의 안정적인 흐름을 위해 게이트 크기를 확장하는 등 러너 시스템을 개선했습니다.

Figure 1. Three-dimensional drawing of runner system for test casting.
Figure 1. Three-dimensional drawing of runner system for test casting.
  • 개선된 설계를 통해 원심력의 효과가 극대화되어, 더 낮은 주형 온도에서도 우수한 결과를 얻을 수 있었습니다. 시뮬레이션 결과, 주형 온도 600°C, 회전 속도 200rpm 조건(Figure 10d, 11d)이 수축 다공성과 기공을 최소화하는 최적의 조건으로 나타났습니다.
  • 이 조건으로 실제 주조품을 제작하여 X-ray 비파괴 검사를 수행한 결과(Figure 12), 시뮬레이션 예측과 유사하게 대부분의 영역에서 결함이 없었으나, 일부 리브(rib)와 디스크 접합부에서 블로우홀(blowhole)과 수축 결함이 관찰되었습니다. 이는 실제 주형의 가스 투과성이 시뮬레이션의 이상적인 조건과 달랐기 때문으로 분석됩니다.
  • 최종적으로 제작된 주조품의 상온 인장 강도는 약 675 MPa, 연신율은 1.7%로 측정되어 양호한 기계적 특성을 보였습니다.
Figure 2. The predicted shrinkage porosity of test castings: (a) mold temperature of 25 °C and gravity casting (short for 25 °C, 0 rpm); (b) 800 °C, 0 rpm; (c) 25 °C, 200 rpm; (d) 800 °C, 200 rpm; (e) 25 °C, 400 rpm; (f) 800 °C, 400 rpm; (g) 25 °C, 600 rpm; (h) 800 °C, 600 rpm.
Figure 2. The predicted shrinkage porosity of test castings: (a) mold temperature of 25 °C and gravity casting (short for 25 °C, 0 rpm); (b) 800 °C, 0 rpm; (c) 25 °C, 200 rpm; (d) 800 °C, 200 rpm; (e) 25 °C, 400 rpm; (f) 800 °C, 400 rpm; (g) 25 °C, 600 rpm; (h) 800 °C, 600 rpm.

R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점

  • 공정 엔지니어: 본 연구는 주형 예열 온도와 회전 속도 조절이 TiAl 합금 인베스트먼트 캐스팅의 수축 다공성 및 기공 결함 제어에 결정적임을 보여줍니다. 풀사이즈 부품에 대해 제시된 최적 조건(주형 온도 600°C, 회전 속도 200rpm)은 실제 공정 설정에 중요한 기준점을 제공할 수 있습니다.
  • 품질 관리팀: 논문의 Figure 12(X-ray 이미지)와 Figure 5(미세조직 사진)는 최적화된 조건에서도 발생할 수 있는 결함(미세 다공성, 블로우홀)의 유형과 위치를 명확히 보여줍니다. 이는 비파괴 검사(NDT) 시 중점적으로 확인할 부분을 특정하는 데 도움이 될 수 있습니다.
  • 설계 엔지니어: 테스트 주조에서 풀사이즈 주조로 넘어가면서 러너 시스템을 개선한 사례는, 특히 격자와 같이 얇고 복잡한 부품에서 게이트 설계가 안정적인 용탕 충전과 결함 형성에 얼마나 중요한지를 시사합니다. 이는 초기 설계 단계에서 반드시 고려해야 할 중요한 요소입니다.

논문 상세 정보

Modeling of TiAl Alloy Grating by Investment Casting

1. 개요:

  • 제목: Modeling of TiAl Alloy Grating by Investment Casting
  • 저자: Yi Jia, Shulong Xiao, Jing Tian, Lijuan Xu and Yuyong Chen
  • 발행 연도: 2015
  • 발행 저널/학회: Metals
  • 키워드: numerical simulation; TiAl alloys; investment casting; shrinkage porosity

2. 초록:

TiAl 합금의 인베스트먼트 캐스팅은 TiAl 부품 제조를 위한 가장 유망하고 비용 효율적인 기술이 되었습니다. 본 연구는 TiAl 합금의 인베스트먼트 캐스팅과 관련된 일련의 문제들을 조사하는 것을 목표로 했습니다. 이 주조 모델의 주형 충전 및 응고 과정은 ProCAST를 사용하여 수치적으로 시뮬레이션되었습니다. 수축 다공성은 내장된 공급 기준에 의해 정량적으로 예측되었습니다. 수치 시뮬레이션에서 얻은 결과는 인베스트먼트 블록 주형을 사용하여 진공 스컬 용해로에서 수행된 실험과 비교되었습니다. TiAl 격자의 인베스트먼트 캐스팅은 제안된 방법의 정확성과 타당성을 검증하기 위해 수행되었습니다. 인장 시험 결과, 상온에서 인장 강도와 연신율은 각각 약 675 MPa와 1.7%였습니다. 인베스트먼트 캐스팅된 TiAl 합금의 미세구조와 기계적 특성에 대해 논의했습니다.

3. 서론:

에너지 및 환경 문제는 사회 경제적 발전을 지속하기 위한 주요 장애물이 되었습니다. 경량 소재로 무거운 소재를 대체하는 것은 이 문제를 해결하는 데 효과적입니다. 항공 및 우주항공 소재는 경량, 고강도 소재 개발에 중점을 두고 개발되고 있습니다. TiAl 합금은 고온(600°C 이상)에서 우수한 기계적, 내산화성 및 내식성 특성을 보여 항공기 및 자동차 산업에서 기존의 Ni기 초합금 부품을 대체할 가능성이 있습니다. 그러나 TiAl 합금의 화학적 이질성과 물리적 특성 때문에 시장 도입 노력은 제한적이었습니다. TiAl 기반 부품의 대량 생산에 대한 한계는 TiAl이 매우 높은 화학 반응성, 높은 용융 온도, 낮은 연성 및 불량한 가공성을 보인다는 점입니다. 반면, 주조는 터빈 블레이드, 터보차저 회전자 및 배기 밸브와 같은 복잡한 형상의 부품에 대해 상당한 이점을 보입니다. 이러한 문제들 때문에, 좋은 표면 마감과 낮은 생산 비용으로 거의 최종 형상에 가까운 부품을 직접 생산할 수 있는 인베스트먼트 캐스팅이 점점 더 많은 관심을 받고 있습니다.

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

TiAl 합금은 항공우주 및 자동차 산업에서 고온 성능이 요구되는 부품의 경량화를 위한 핵심 소재이지만, 제조 공정이 까다로워 상용화에 어려움을 겪고 있습니다. 인베스트먼트 캐스팅은 복잡한 형상을 정밀하게 제작할 수 있는 효과적인 방법입니다.

이전 연구 현황:

이전 연구들은 주로 CaO, Al2O3, ZrO2, Y2O3와 같은 내화물과 용융 TiAl 합금 간의 열역학적 안정성 및 상호작용 메커니즘에 초점을 맞추어 왔습니다. 그러나 경험에 기반한 주조 공정은 비용이 많이 들고 주기가 길다는 단점이 있습니다.

연구 목적:

본 연구의 목적은 Ti–47Al–2.5V–1Cr (at. %) 합금을 사용하여 인베스트먼트 캐스팅으로 격자(Grating) 부품을 제작하고, 수치 해석을 통해 공정을 최적화하며, 그 과정에서 나타나는 미세구조와 기계적 특성을 분석하는 것입니다.

핵심 연구:

ProCAST 소프트웨어를 이용한 수치 해석을 통해 주형 충전 및 응고 과정을 시뮬레이션하여 수축 다공성을 예측하고, 이를 바탕으로 최적의 주조 공정 변수(주형 온도, 회전 속도)를 도출했습니다. 이후 실제 주조 실험을 통해 시뮬레이션 결과의 타당성을 검증하고, 제작된 주조품의 품질과 기계적 특성을 평가했습니다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 연구는 수치 해석(시뮬레이션)과 실험적 검증을 결합한 방식으로 설계되었습니다. 먼저 테스트용 소형 주조품(직경 400mm)에 대한 시뮬레이션을 통해 공정 변수의 영향을 분석하고 최적 조건을 찾은 후, 이를 바탕으로 러너 시스템을 개선하여 풀사이즈 주조품(직경 580mm)을 제작하고 평가했습니다.

데이터 수집 및 분석 방법:

  • 수치 해석: ProCAST 소프트웨어를 사용하여 주형 충전, 온도장, 응고 파라미터를 계산하고, 이를 통해 수축 다공성과 기공 발생을 예측했습니다.
  • 주조품 제작: 로스트 왁스 공법으로 ZrO2 기반의 세라믹 주형을 제작하고, VAM-150 진공 스컬 용해로를 사용하여 TiAl 합금을 용해 및 주입했습니다.
  • 특성 분석: 광학 현미경 및 SEM을 사용하여 미세구조와 파단면을 분석했으며, 만능시험기를 이용해 상온 인장 특성을 측정했습니다. 풀사이즈 주조품은 X-ray 비파괴 검사를 통해 내부 결함을 확인했습니다.

연구 주제 및 범위:

이 연구는 TiAl 합금 격자 부품의 인베스트먼트 캐스팅 공정에 초점을 맞춥니다. 주요 연구 범위는 수치 해석을 통한 공정 최적화, 수축 다공성 예측, 실험적 검증, 그리고 최종 주조품의 미세구조 및 기계적 특성 평가를 포함합니다.

6. 주요 결과:

주요 결과:

  • 직경 400mm와 580mm의 TiAl 합금 격자 부품을 성공적으로 제작했습니다.
  • 테스트 주조품의 최적 주조 조건은 주입 온도 1700°C, 주형 예열 온도 800°C, 회전 속도 400rpm으로 확인되었습니다.
  • 풀사이즈 주조품의 최적 주조 조건은 주입 온도 1700°C, 주형 예열 온도 600°C, 회전 속도 200rpm으로 도출되었습니다.
  • 제작된 시편은 미세하게 분리된 γ-입자를 포함하는 전형적인 완전 층상(fully lamellar) 미세구조를 보였으며, 상온에서 인장 강도 약 675 MPa, 연신율 1.7%의 준수한 기계적 특성을 나타냈습니다.
Figure 7. Slice view at a mold temperature of 800 °C and rotation speed of 400 rpm, (a) disk and (b) rib.
Figure 7. Slice view at a mold temperature of 800 °C and rotation speed of 400 rpm, (a) disk and (b) rib.

Figure 목록:

  • Figure 1. Three-dimensional drawing of runner system for test casting.
  • Figure 2. The predicted shrinkage porosity of test castings: (a) mold temperature of 25 C and gravity casting (short for 25 C, 0 rpm); (b) 800 C, 0 rpm; (c) 25 C, 200 rpm; (d) 800 C, 200 rpm; (e) 25 C, 400 rpm; (f) 800 C, 400 rpm; (g) 25 C, 600 rpm; (h) 800 C, 600 rpm.
  • Figure 3. Predicted voids of test castings, (a–h), the same as the Figure 2.
  • Figure 4. Test casting (a,b) showed the specimen locations: I, II, III, IV, and V, for Figure 5a–e, respectively; VI for Figure 6a; Tensile for the tensile test.
  • Figure 5. Optical microstructure of test casting (a–e) were from the center hole to the outer edge, and the interval between the two samples measured 20 mm.
  • Figure 6. Micro-defects of test casting, (a) pore and (b–d) shrinkage.
  • Figure 7. Slice view at a mold temperature of 800 C and rotation speed of 400 rpm, (a) disk and (b) rib.
  • Figure 8. Tensile test stress-strain curve obtained at room temperature (a) and fracture surface (b) of as-cast TiAl specimen, transgranular (TG) and translamellar (TL).
  • Figure 9. Three-dimensional drawing of runner system for full-size casting.
  • Figure 10. The predicted shrinkage porosity of full-size castings, (a) mold temperature of 600 C and gravity casting (short for 600 C, 0 rpm); (b) 200 C, 200 rpm; (c) 400 C, 200 rpm; (d) 600 C, 200 rpm; (e) 600 C, 400 rpm.
  • Figure 11. Predicted voids of full-size castings, (a–e) the same as the Figure 10.
  • Figure 12. X-ray nondestructive inspection results of full-size casting, (a) the grating casting and (b–d) correspond to b, c and d areas on (a), respectively.

7. 결론:

원심 인베스트먼트 캐스팅에 의한 TiAl 격자의 주형 충전 및 응고 과정이 시뮬레이션되었습니다. 본 연구로부터 다음과 같은 주요 결론을 도출했습니다:

  1. 직경 400mm와 580mm의 격자 부품이 성공적으로 생산되었습니다.
  2. 테스트 주조의 주조 파라미터는 주입 온도 1700°C, 주형 예열 온도 800°C, 회전 속도 400rpm이었습니다.
  3. 풀사이즈 주조의 최적 주조 파라미터는 주입 온도 1700°C, 주형 예열 온도 600°C, 회전 속도 200rpm이었습니다.
  4. 시편은 미세하게 분리된 γ-입자를 나타내는 전형적인 완전 층상 미세구조를 보였습니다. 주조된 TiAl 시편은 적절한 기계적 특성을 보였습니다. 상온에서 인장 강도와 연신율은 각각 약 675 MPa와 1.7%였습니다.

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전문가 Q&A: 자주 묻는 질문

Q1: 시뮬레이션과 실험에서 주입 온도를 1700°C로 설정한 이유는 무엇인가요?

A1: 논문에 따르면, TiAl 합금은 밀도가 낮고 응고 구간이 좁아 유동성이 좋지 않기 때문에 가능한 한 높은 온도로 주입하는 것이 주조 품질 향상에 유리합니다. 1700°C는 실험에 사용된 장비(Vacuum Skull Furnace)가 도달할 수 있는 최고 용해 온도였기 때문에 이 온도를 주입 온도로 선택했습니다.

Q2: Figure 2를 보면, 회전 속도를 400rpm에서 600rpm으로 높였을 때 오히려 수축 다공성이 증가했습니다. 그 이유는 무엇인가요?

A2: 논문에서는 초기 테스트 주조의 러너 시스템 설계 때문이라고 설명합니다. 과도한 원심력은 용탕의 흐름을 깨뜨려 오히려 충전 불량을 유발할 수 있습니다. 즉, 해당 러너 설계에서는 600rpm의 회전 속도가 너무 높아 용탕이 안정적으로 주형을 채우지 못하고 결함이 악화된 것입니다.

Q3: 테스트 주조의 최적 조건은 800°C, 400rpm이었지만, 풀사이즈 주조에서는 600°C, 200rpm으로 변경되었습니다. 어떤 이유로 조건이 바뀌었나요?

A3: 풀사이즈 주조에서는 테스트 주조의 시뮬레이션 결과를 바탕으로 러너 시스템(특히 게이트)을 개선했습니다. 개선된 설계 덕분에 용탕이 더 안정적으로 공급되고 원심력의 효과가 향상되어, 더 낮은 주형 예열 온도와 회전 속도로도 충분한 충전성을 확보할 수 있었습니다. 주형 온도를 낮추면 주형과 용탕 간의 계면 반응을 줄일 수 있는 장점도 있습니다.

Q4: ProCAST 시뮬레이션에서 예측한 “수축 다공성(shrinkage porosity)”과 “기공(voids)”은 어떤 차이가 있나요?

A4: 논문에 따르면, ProCAST에서 예측하는 “기공(voids)”은 갇힌 가스(air bubbles)나 산화물층(oxide layers)을 의미합니다. 이는 미세한 “수축 다공성(shrinkage porosity)”보다 더 심각한 결함으로 간주됩니다. 왜냐하면 고온 등방압 가압법(HIP) 공정으로 기공은 제거할 수 있지만, 미세 다공성은 제거하기 어렵기 때문입니다. 따라서 연구팀은 기공이 없는 조건(Figure 3f)을 우선적으로 고려했습니다.

Q5: Figure 12의 실험 결과(X-ray)에서는 시뮬레이션에서 예측하지 못한 블로우홀(blowhole) 같은 결함이 관찰되었습니다. 논문에서 그 원인을 어떻게 추정하나요?

A5: 논문에서는 이러한 결함이 실제 실험에 사용된 주형의 가스 투과성(permeability)이 충분하지 않았기 때문일 수 있다고 추정합니다. 시뮬레이션은 이상적인 조건을 가정하지만, 실제 주조에서는 주형의 가스 배출 능력이 부족하면 용탕 내 가스가 빠져나가지 못하고 블로우홀과 같은 결함을 형성할 수 있습니다.

결론: 더 높은 품질과 생산성을 향한 길

TiAl 합금의 복잡한 특성으로 인한 주조의 어려움은 고부가가치 산업에서 큰 도전 과제였습니다. 본 연구는 TiAl 합금 인베스트먼트 캐스팅 공정에서 수치 해석이 어떻게 결함을 예측하고 최적의 공정 조건을 찾아낼 수 있는지를 명확하게 보여주었습니다. 시뮬레이션을 통해 주형 온도와 회전 속도 같은 핵심 변수를 최적화함으로써, 양호한 기계적 특성을 가진 고품질의 격자 부품을 성공적으로 생산할 수 있었습니다. 이는 경험에 의존하던 기존 방식에서 벗어나, 데이터 기반의 예측을 통해 개발 시간과 비용을 획기적으로 줄일 수 있음을 의미합니다.

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저작권 정보

  • 이 콘텐츠는 “Yi Jia” 외 저자의 논문 “Modeling of TiAl Alloy Grating by Investment Casting”을 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
  • 출처: https://doi.org/10.3390/met5042328

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