흡입 주조(Suction Casting)를 통한 Alloy 625+TiB2 복합재의 미세구조 및 경도 향상: 항공우주 부품의 미래

이 기술 요약은 Łukasz Rakoczy 외 저자가 Materials Science Forum (2025)에 게재한 논문 “Alloy 625+TiB2 Composites Fabricated via Suction Casting – Microstructure and Selected Properties”를 바탕으로, STI C&D가 기술 전문가를 위해 분석하고 정리한 내용입니다.

Keywords

• Primary Keyword: 흡입 주조 (Suction Casting)
• Secondary Keywords: Alloy 625, 금속기 복합재료(MMC), 초합금, 미세구조, 주조 공정

Executive Summary

• 도전 과제: 기존 금속기 복합재료(MMC) 제조 기술은 강화재와 기지 사이의 계면 균열, 강화재의 불균일한 분포 등 기계적 물성을 저해하는 문제점을 안고 있습니다.
• 해결 방법: 본 연구에서는 가스 분무된 Alloy 625 분말에 다양한 비율(1.25~5.0 wt%)의 TiB2 나노 입자를 첨가하고, 흡입 주조(Suction Casting) 방식을 통해 복합재료를 제작했습니다.
• 핵심 돌파구: TiB2 입자를 첨가하자 Alloy 625의 미세구조가 크게 변화했으며, 특히 TiB2 함량이 증가함에 따라 경도가 기준 합금 대비 2배 이상(201 HV10 → 470 HV10) 크게 향상되었습니다.
• 핵심 결론: 흡입 주조는 미세 기공이 적고 기계적 특성이 뛰어난 고성능 니켈 기반 초합금 복합재료를 제조하는 데 매우 효과적인 공정임을 입증했습니다.

The Challenge: Why This Research Matters for CFD Professionals

항공우주, 발전, 자동차 산업에서는 고온, 고압의 극한 환경을 견딜 수 있는 소재가 필수적입니다. 니켈 기반 초합금인 Inconel 625는 이러한 요구조건을 충족하는 대표적인 소재이지만, 더 높은 성능을 요구하는 차세대 부품 개발에는 한계가 있습니다. 이를 극복하기 위해 세라믹 입자를 강화재로 사용하는 금속기 복합재료(MMC)가 주목받고 있습니다.

하지만 기존의 MMC 제조 공정은 여러 기술적 난제를 안고 있습니다. 강화재와 금속 기지 사이의 계면에서 균열이 발생하거나, 강화재 입자들이 고르게 분포하지 않고 특정 부위에 뭉치는 현상(편석)이 빈번하게 발생합니다. 이러한 결함들은 부품의 기계적 강도와 신뢰성을 심각하게 저하시키는 원인이 됩니다. 따라서, 이러한 문제점을 최소화하면서 우수한 특성을 지닌 복합재료를 제조할 수 있는 새로운 공정 기술의 개발이 시급한 상황입니다.

The Approach: Unpacking the Methodology

본 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 흡입 주조(Suction Casting) 공정을 활용했습니다.

• 소재: 기지재로는 평균 직경 40~50 µm의 구형 가스 분무 Alloy 625 분말을 사용했으며, 강화재로는 평균 크기 100 nm 미만의 불규칙한 형상의 TiB2 분말을 사용했습니다. TiB2는 1.25%, 2.50%, 3.75%, 5.0%의 중량비(wt%)로 Alloy 625 분말과 혼합되었습니다.
• 장비 및 공정: 먼저, 원료 분말 혼합물을 Fritsch Pulverisette 유성 밀을 사용하여 기계적으로 합금화했습니다. 이후 약 20g의 혼합물을 아크 용해기(Arc Melter AM, Edmund Bühler GmbH)를 사용하여 흡입 주조했습니다. 이 장비는 아르곤 보호 분위기 하에서 전기 아크를 이용해 재료를 용융시킨 후, 주 챔버와 진공 저장조 사이의 압력 차를 이용해 용융된 합금을 구리 주형으로 빠르게 흡입하는 방식입니다. 이 빠른 응고 속도는 결함 형성을 억제하는 데 중요한 역할을 합니다.
• 분석: 제작된 시편의 미세구조는 광학 현미경(LM)과 주사 전자 현미경(SEM)으로 관찰했으며, 에너지 분산형 X선 분광법(EDX)을 통해 합금 원소의 분포를 분석했습니다. 기계적 특성은 비커스 경도 시험을 통해 평가했습니다.

The Breakthrough: Key Findings & Data

Finding 1: TiB2 첨가에 따른 뚜렷한 미세구조 변화

TiB2 입자의 첨가는 Alloy 625의 응고 후 미세구조에 지대한 영향을 미쳤습니다.

• 논문 Figure 4에 따르면, 기준 Alloy 625는 균일한 수지상(dendritic) 구조를 보인 반면, TiB2가 첨가된 복합재료는 수지상 간 공간(interdendritic spaces)에 강화 석출물이 불규칙하게 분포하는 특징을 보였습니다.
• TiB2 함량이 3.75%와 5.0%로 증가함에 따라, 미세구조 내에서 공정(eutectic) 석출물이 지배적으로 나타나기 시작했습니다. 이는 주조 과정에서 TiB2 입자가 부분적으로 용융되어 새로운 B-rich 상(붕화물로 추정)을 형성했음을 시사합니다. 이러한 미세구조의 변화는 복합재료의 기계적 특성 향상에 직접적인 원인이 됩니다.

Finding 2: 경도의 폭발적인 증가

TiB2 강화재는 복합재료의 경도를 획기적으로 향상시켰습니다.

• 논문 Figure 6의 그래프는 TiB2 첨가량에 따른 비커스 경도(HV10) 변화를 명확하게 보여줍니다. 기준 Alloy 625의 평균 경도는 201 HV10이었으나, 1.25%의 TiB2만 첨가해도 경도는 약 30% 증가한 284 HV10을 기록했습니다.
• TiB2 함량을 5.0%까지 늘렸을 때, 평균 경도는 470 HV10에 도달하여 기준 합금 대비 2배 이상 증가하는 놀라운 결과를 보였습니다. 이는 TiB2 강화 및 미세구조 변화가 재료의 기계적 강도를 크게 향상시킬 수 있음을 증명합니다.

Practical Implications for R&D and Operations

• 공정 엔지니어: 본 연구는 흡입 주조 공정에서 TiB2 첨가량을 조절함으로써 최종 부품의 경도와 미세구조를 정밀하게 제어할 수 있음을 시사합니다. 이는 특정 용도에 최적화된 맞춤형 소재 개발에 기여할 수 있습니다.
• 품질 관리팀: 논문의 Figure 6에 제시된 데이터는 TiB2 함량과 비커스 경도 사이의 명확한 상관관계를 보여주므로, 새로운 품질 검사 기준으로 활용될 수 있습니다. 또한 Figure 4의 미세구조 사진은 양품/불량품 판정을 위한 시각적 참조 자료로 사용될 수 있습니다.
• 설계 엔지니어: 흡입 주조를 통해 TiB2 강화재를 적용하면 훨씬 높은 경도를 가진 부품을 생산할 수 있다는 사실은, 더 가혹한 고온·고하중 환경에서 작동하는 내구성 높은 부품 설계에 새로운 가능성을 열어줍니다.

Paper Details

Alloy 625+TiB2 Composites Fabricated via Suction Casting – Microstructure and Selected Properties

1. Overview:

• Title: Alloy 625+TiB2 Composites Fabricated via Suction Casting – Microstructure and Selected Properties
• Author: Łukasz Rakoczy, Krzysztof Pajor, Dawid Kozień, Małgorzata Grudzień-Rakoczy and Rafał Cygan
• Year of publication: 2025
• Journal/academic society of publication: Materials Science Forum
• Keywords: superalloy, composite, MMC, casting, aerospace.

2. Abstract:

본 연구에서는 흡입 주조를 통해 Alloy 625-xTiB2 (x=1.25; 2.5; 3.75; 5.0 wt%) 나노복합재를 제조했습니다. 미세구조와 선택된 특성을 광학 현미경, 주사 전자 현미경, 에너지 분산형 X선 분광법을 사용하여 분석했습니다. TiB2 입자를 Alloy 625에 도입하면 주조 상태의 미세구조에 큰 영향을 미치는 것으로 관찰되었습니다. 강화 석출물이 불규칙하게 분포하는 수지상 미세구조가 나타났습니다. 기준 Alloy 625에서는 Nb-rich 탄화물과 Laves 상 석출물이 수지상 간 공간에 존재합니다. TiB2는 흡입 주조 동안 액체 Alloy 625와 상호 작용하여, 새롭게 형성된 B-rich 상을 포함하여 수지상 간 공간에 더 많은 석출물이 생기는 등 미세구조적 변화를 이끌었습니다.

3. Introduction:

금속기 복합재료(MMC)는 세라믹 상으로 강화된 금속 기지로 구성된 특정 유형의 복합재료입니다. 최근 MMC 제조 기술은 상당한 발전을 이루어 자동차, 발전, 항공우주 산업에서 사용되는 다양한 재료를 생산하게 되었습니다. Inconel 합금은 기계적 특성 덕분에 화학적으로 공격적인 환경과 고하중 하의 고온에서 사용되는 기능성 재료로서 좋은 기록을 가지고 있습니다. 금속-기지 복합재료는 Inconel 분말과 탄화물, 붕화물과 같은 세라믹 분말의 혼합물로부터 얻을 수 있습니다. 많은 연구 작업이 Inconel 718이나 Hastelloy X와 같은 Ni-기반 초합금에 세라믹 입자와 같은 첨가물의 영향을 분석하는 데 초점을 맞추었습니다. 연구 결과는 이러한 상을 추가하면 기계적 특성에 효과적으로 영향을 미칠 수 있음을 나타냅니다. 기존의 MMC 생산 기술은 종종 강화재와 기지 사이의 계면 균열, 강화재의 불균일한 분포, 입계에서의 편석과 같은 문제에 직면합니다. 이러한 문제들은 결과 부품의 기계적 특성에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.

4. Summary of the study:

Background of the research topic:

고온, 고하중 환경에서 사용되는 니켈 기반 초합금의 성능 향상을 위해 세라믹 입자를 강화한 금속기 복합재료(MMC) 개발이 활발히 연구되고 있습니다.

Status of previous research:

이전 연구들은 Inconel 718, Hastelloy X 등 니켈 기반 초합금에 TiB2와 같은 세라믹 입자를 첨가하면 상온 및 고온 경도와 항복 강도가 크게 향상됨을 보여주었습니다. 그러나 기존 제조 방식은 계면 균열이나 강화재의 불균일한 분포와 같은 문제점을 가지고 있었습니다.

Purpose of the study:

본 연구는 흡입 주조(Suction Casting) 공법을 이용하여 Alloy 625 기지에 TiB2 나노 입자를 강화한 복합재료를 제조하고, TiB2 첨가량에 따른 미세구조 변화와 경도 특성을 평가하여 새로운 고성능 복합재료 제조 가능성을 탐색하는 것을 목표로 합니다.

Core study:

Alloy 625 분말에 1.25, 2.5, 3.75, 5.0 wt%의 TiB2 분말을 혼합하여 기계적으로 합금화한 후, 아크 용해 흡입 주조 장치를 사용하여 봉(rod) 형태의 복합재료 시편을 제작했습니다. 제작된 시편의 미세구조를 LM, SEM-EDX로 분석하고 비커스 경도를 측정하여 TiB2 첨가 효과를 정량적으로 평가했습니다.

5. Research Methodology

Research Design:

TiB2 첨가량을 변수(0, 1.25, 2.5, 3.75, 5.0 wt%)로 설정하여 Alloy 625 기반 복합재료를 제조하고, 각 조성에 따른 미세구조와 경도의 변화를 비교 분석하는 실험적 연구 설계를 따랐습니다.

Data Collection and Analysis Methods:

• 미세구조 분석: Leica 광학 현미경 및 ThermoFisher Phenom XL 주사 전자 현미경(SEM)을 사용하여 시편의 미세구조를 관찰했습니다. SEM에 장착된 에너지 분산형 X선 분광기(EDX)를 사용하여 합금 원소의 분포를 매핑했습니다.
• 경도 측정: Zwick/Roell 장비를 사용하여 10 kgf 하중 조건에서 비커스 경도(HV10)를 측정하고, 측정값의 평균과 표준편차를 계산했습니다.

Research Topics and Scope:

연구는 흡입 주조로 제작된 Alloy 625+TiB2 복합재료에 초점을 맞춥니다. 주요 연구 주제는 TiB2 첨가량이 복합재료의 (1) 주조 후 미세구조(수지상 구조, 석출물 형태 및 분포)와 (2) 기계적 특성(경도)에 미치는 영향입니다.

6. Key Results:

Key Results:

• 제작된 복합재료에서는 매우 낮은 수준의 미세 기공이 관찰되어, 흡입 주조 기술이 주조 결함 형성을 효과적으로 억제함을 확인했습니다.
• TiB2 첨가량이 증가할수록 수지상 간 공간에 석출물의 양이 증가하고 형태가 변화했으며, 3.75% 이상에서는 공정 석출물이 미세구조를 지배하기 시작했습니다.
• Alloy 625+2.5TiB2 복합재료의 EDX 분석 결과, 수지상 영역에는 Ni, Cr, Fe가, 수지상 간 공간의 석출물에는 Nb, Cr, Mo가 풍부하게 분포하는 것으로 나타났습니다.
• 기준 Alloy 625의 평균 경도는 201 HV10이었으나, TiB2를 1.25% 첨가 시 284 HV10으로, 5.0% 첨가 시 최대 470 HV10으로 크게 증가했습니다.

Figure List:

• Fig. 1. Morphology of raw powders and mixtures after mechanical alloying, SEM-BSE.
• Fig. 2. a) furnace; b-c) prepared casting in the two-part mold.
• Fig. 3. Microstructure of the Alloy 625+TiB2 composites fabricated via suction casting, LM.
• Fig. 4. Microstructure of the Alloy 625+TiB2 composites fabricated via suction casting, SEM-BSE.
• Fig. 5. Distribution of the alloying elements in the Alloy 625+2.5TiB2 composite, SEM-EDX.
• Fig. 6. Vicker’s hardness of the Alloy 625+TiB2 composites.

7. Conclusion:

본 연구에서는 Alloy 625와 TiB2를 기계적 합금화 및 흡입 주조를 통해 합성했습니다. 미세구조 분석을 바탕으로 다음과 같은 결론을 도출할 수 있습니다. – 생산된 복합재료에서 매우 낮은 미세 기공이 관찰되었습니다. – 복합재료는 강화 석출물이 불규칙하게 분포하는 수지상 미세구조를 특징으로 합니다. 흡입 주조 동안 TiB2는 γ상에 부분적으로 용해되어 공정 형태의 석출물 형성을 유도했습니다. – Alloy 625에 TiB2를 첨가하면 평균 경도가 203 HV10에서 486 HV10으로 증가했습니다. (※ Abstract에서는 201->470, Conclusion에서는 203->486으로 약간의 차이가 있음. 본문에서는 201 HV10, 470 HV10, 203 HV10, 486 HV10 값을 모두 언급함)

8. References:

• [1] A. Graboś, P. Rutkowski, J. Huebner, P. Nieroda, D. Kata, S. Hayashi: Mat. and Des. 224 (2022), 111399. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.111399
• [2] A. Graboś, P. Rutkowski, J. Huebner, D. Kozień, S. Zhang, Y-L Kuo, D. Kata, S. Hayashi: Corr. Sci. 205 (2022), 110453. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2022.110453
• [3] W. Xie, X. Yang, H. Yang, X. Duan: J. Manuf. Proc. 131 (2024), 1132-1142. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2024.09.050
• [4] Z. Zhang, Q. Han, S. Yang, Y. Yin, J. Gao, R. Setchi: Mat. Sci. Eng. A, 817(10) (2021), 141416. https://doi.org/10.1016/j.msea.2021.141416
• [5] B. Ralph, H.C. Yuen,W.B. Lee: J. Mater. Proc. Tech. 63(1-3) (1997), 339-353. https://doi.org/10.1016/S0924-0136(96)02645-3

Expert Q&A: Your Top Questions Answered

Q1: 다른 MMC 제조법 대신 흡입 주조(Suction Casting)를 선택한 이유는 무엇인가요?

A1: 논문 서론에서 언급된 바와 같이, 기존 MMC 제조법은 강화재와 기지 사이의 계면 균열이나 강화재의 불균일한 분포와 같은 문제점을 자주 보입니다. 흡입 주조는 용융된 금속을 주형으로 빠르게 흡입하여 급속 응고를 유도하는 방식입니다. 이 빠른 냉각 속도는 응고 과정에서 발생하는 상 분리나 편석을 억제하고, 미세하고 균일한 조직을 형성하는 데 유리합니다. 실제로 연구 결과에서 매우 낮은 수준의 미세 기공이 관찰된 것은 흡입 주조가 고품질의 복합재료를 제조하는 데 효과적임을 보여줍니다.

Q2: 높은 TiB2 함량에서 관찰된 공정(eutectic) 석출물의 중요성은 무엇인가요?

A2: Figure 4에서 볼 수 있듯이, TiB2 함량이 3.75% 이상일 때 공정 석출물이 미세구조를 지배적으로 형성합니다. 이는 Figure 6의 경도 그래프에서 가장 급격한 경도 증가가 나타나는 구간과 일치합니다. 이는 주조 과정에서 용해된 TiB2의 B(붕소) 원소들이 Nb, Cr, Mo 등과 결합하여 매우 단단한 공정 붕화물(boride) 상을 형성했음을 시사합니다. 즉, 이 공정 석출물이 복합재료의 경도를 획기적으로 높이는 핵심 강화 메커니즘으로 작용한다고 해석할 수 있습니다.

Q3: TiB2 입자가 부분적으로 용해되었다는 증거는 무엇인가요?

A3: 미세구조의 변화 자체가 가장 강력한 증거입니다. 만약 TiB2 입자가 용해되지 않고 단순히 기지 내에 분산되기만 했다면, 기준 Alloy 625의 미세구조와 크게 다르지 않았을 것입니다. 하지만 연구 결과에서는 TiB2 첨가 후 수지상 간 공간에 새로운 형태의 석출물(공정상, B-rich 상)이 다량으로 형성되었습니다. 이는 첨가된 TiB2가 액상의 Alloy 625와 반응하여 그 구성 원소(Ti, B)가 재분배되고 새로운 상을 형성했음을 의미합니다.

Q4: 합금 원소의 분포는 어떻게 확인되었나요?

A4: Figure 5는 Alloy 625+2.5TiB2 복합재료에 대한 SEM-EDX 원소 맵핑 결과를 보여줍니다. 이 분석을 통해 각 원소의 위치를 시각적으로 확인할 수 있습니다. 맵핑 결과, Ni, Fe는 주로 수지상(dendrite)의 중심부에, 그리고 Mo, Nb는 수지상 사이의 석출물에 집중적으로 분포하는 것이 명확하게 나타났습니다. 이는 응고 과정에서 발생하는 원소의 편석 현상을 직접적으로 보여주는 데이터입니다.

Q5: 합성 과정에서 티타늄 게터(titanium getter)를 사용한 목적은 무엇입니까?

A5: 논문의 ‘Material and Methodology’ 섹션에 따르면, 티타늄 게터는 “잔류 산소를 포획하기 위해(to capture any residual oxygen)” 사용되었습니다. 니켈 기반 초합금은 고온에서 산소와 쉽게 반응하여 원치 않는 산화물을 형성할 수 있으며, 이는 재료의 기계적 특성을 저하시킵니다. 아르곤 분위기를 조성한 후에도 남아있을 수 있는 미량의 산소를 티타늄 게터가 제거함으로써, 용융 및 주조 과정 동안 깨끗한 보호 분위기를 유지하고 고품질의 시편을 제작하기 위함입니다.

Conclusion: Paving the Way for Higher Quality and Productivity

본 연구는 흡입 주조 공정이 기존 MMC 제조 기술의 한계를 극복하고, 기계적 특성이 획기적으로 향상된 Alloy 625-TiB2 복합재료를 생산하는 효과적인 방법임을 명확히 보여주었습니다. TiB2 나노 입자의 첨가는 미세구조를 제어하고 새로운 강화상을 형성하여, 기준 합금 대비 2배 이상의 경도 향상을 이끌어냈습니다. 이 결과는 항공우주, 발전 등 극한 환경용 부품의 성능과 내구성을 한 단계 끌어올릴 수 있는 중요한 실마리를 제공합니다.

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Copyright Information

• This content is a summary and analysis based on the paper “Alloy 625+TiB2 Composites Fabricated via Suction Casting – Microstructure and Selected Properties” by “Łukasz Rakoczy, et al.”.
• Source: doi:10.4028/p-PbKGM2

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