Figure 1. SEM micrographs of (a) TiH2 and (b) Al particles.

TiH2 및 Al 분말 혼합물의 비수계 겔 캐스팅을 이용한 다공성 TiAl 합금 제조 연구

Study on the Fabrication of Porous TiAl Alloy via Non-Aqueous Gel Casting of a TiH2 and Al Powder Mixture

본 연구는 저독성 비수계 겔 캐스팅 공법을 활용하여 항공우주 및 자동차 산업의 핵심 소재인 다공성 TiAl 합금을 제조하는 기술적 방법론을 제시합니다. 특히 수소화 티타늄(TiH2)을 원료로 사용하여 산소 및 탄소 오염을 최소화하고 복잡한 형상의 부품 제조 가능성을 입증한 것에 학술적 의의가 있습니다.

Paper Metadata

  • Industry: 항공우주 및 자동차 부품 제조 (Aerospace and Automotive)
  • Material: TiAl 합금 (TiAl Alloy)
  • Process: 비수계 겔 캐스팅 및 진공 소결 (Non-Aqueous Gel Casting and Vacuum Sintering)

Keywords

  • TiAl 합금
  • 겔 캐스팅
  • 수소화 티타늄(TiH2)
  • 소결
  • 기공률
  • 유변학적 특성

Executive Summary

Research Architecture

본 연구는 TiH2와 Al 분말을 1:1 몰비로 혼합한 원료를 바탕으로, N, N-dimethylformamide(DMF)를 용매로 하고 hydroxyethyl methacrylate(HEMA)를 단량체로 사용하는 비수계 겔 캐스팅 시스템을 구축하였습니다. 분산제인 polyvinyl pyrrolidone(PVP)의 함량과 고체 부하량(solid loading)이 슬러리의 유변학적 특성에 미치는 영향을 체계적으로 분석하였으며, 80°C에서 겔화 공정을 거친 후 단계적인 진공 건조와 1400°C 진공 소결을 통해 최종 시편을 제작하였습니다.

Figure 1. SEM micrographs of (a) TiH2 and (b) Al particles.
Figure 1. SEM micrographs of (a) TiH2 and (b) Al particles.

Key Findings

제조된 모든 슬러리는 전형적인 전단 희석(shear-thinning) 거동을 보였으며, PVP 함량이 1 wt%일 때 최적의 유동성을 나타냈습니다. 단량체 함량이 15 vol%에서 40 vol%로 증가함에 따라 건조된 성형체의 굴곡 강도는 28.86 MPa에서 62.36 MPa로 크게 향상되었습니다. 최종 소결된 TiAl 합금은 23.78%의 기공률과 4.01 g/cm³의 겉보기 밀도를 가졌으며, 주요 상은 γ-TiAl 및 α2-Ti3Al로 확인되었습니다.

Industrial Applications

이 공정은 복잡한 형상을 가진 경량 내열 구조재 생산에 적합하며, 특히 항공기 엔진 부품, 자동차 터보차저 휠 및 우주 항공용 미사일 구조체 등의 제조 비용 절감과 성능 향상에 기여할 수 있습니다. 다공성 구조를 통한 경량화와 고온 강도 유지가 필요한 산업적 요구를 충족하는 기술적 대안을 제공합니다.

Theoretical Background

겔 캐스팅(Gel Casting) 기술

겔 캐스팅은 고농도의 분말 슬러리를 몰드에 주입한 후, 단량체의 중합 반응을 통해 형성된 고분자 네트워크로 분말 입자들을 고정하여 성형체를 만드는 기술입니다. 이 공정은 복잡한 형상의 부품을 정밀하게 제조할 수 있는 근사 넷 쉐이핑(near net shaping) 기술로, 기존의 분말 야금이나 주조 공정에 비해 균질한 미세구조와 우수한 기계적 강도를 가진 성형체를 얻을 수 있다는 장점이 있습니다.

의소성 유체(Pseudoplastic Fluids) 거동

겔 캐스팅용 슬러리는 전단 속도가 증가함에 따라 점도가 감소하는 의소성 유체 특성을 가져야 합니다. 이러한 전단 희석 거동은 정적인 상태에서는 입자의 침전과 응집을 방지하고, 주입 공정 중에는 낮은 점도를 유지하여 몰드의 미세한 부분까지 슬러리가 원활하게 충진되도록 돕습니다. 본 연구에서는 Herschel-Buckley 모델을 사용하여 이러한 유변학적 상관관계를 정량적으로 분석하였습니다.

Results and Analysis

Experimental Setup

순도 99.7%의 TiH2 분말(D50=21.7 μm)과 99.85%의 Al 분말(D50=1.58 μm)을 원료로 사용하였습니다. 슬러리는 DMF 용매에 HEMA(단량체), HDDA(가교제), PVP(분산제)를 용해하여 제조하였으며, 고체 부하량은 40~48 vol% 범위에서 조절되었습니다. 유변학적 측정은 회전식 점도계를 사용하였고, 소결은 1400°C 진공로에서 2시간 동안 수행되었습니다.

Visual Data Summary

SEM 관찰 결과, TiH2 입자는 불규칙한 다각형 형태를 띠는 반면 Al 입자는 구형이며 훨씬 작은 크기를 나타냈습니다. 소결 후의 파면 분석에서는 전형적인 벽개 파면(cleavage surface)이 관찰되었으며, 수 마이크론 크기의 개방형 기공들이 균일하게 분포되어 있음을 확인하였습니다. XRD 분석을 통해 γ-TiAl과 α2-Ti3Al 상이 지배적이며 유기 첨가물에 의한 탄화물 오염은 발생하지 않았음을 입증하였습니다.

Variable Correlation Analysis

PVP 분산제의 양이 1 wt%를 초과하면 오히려 슬러리의 점도가 상승하는 경향을 보였는데, 이는 과도한 고분자 사슬의 엉킴 현상에 기인한 것으로 분석됩니다. 또한 고체 부하량이 증가할수록 점도는 기하급수적으로 상승하였으며, 46 vol%의 고체 부하량에서 겔 캐스팅에 적합한 1000 mPa·s 이하의 점도를 확보할 수 있었습니다. 단량체 농도와 성형체 강도 사이에는 강한 양의 상관관계가 존재함을 확인하였습니다.

Figure 6. Cross-sectional micrographs of TiH2/Al green bodies gel casted from slurries with different monomer contents. (a) 15 vol %, (b) 20 vol %, (c) 25 vol %, (d) 30 vol %, (e) 35 vol %, and (f) 40 vol %.
Figure 6. Cross-sectional micrographs of TiH2/Al green bodies gel casted from slurries with different monomer contents. (a) 15 vol %, (b) 20 vol %, (c) 25 vol %, (d) 30 vol %, (e) 35 vol %, and (f) 40 vol %.

Paper Details

Study on the Fabrication of Porous TiAl Alloy via Non-Aqueous Gel Casting of a TiH2 and Al Powder Mixture

1. Overview

  • Title: Study on the Fabrication of Porous TiAl Alloy via Non-Aqueous Gel Casting of a TiH2 and Al Powder Mixture
  • Author: Fei Li, Xiao Zhang, Yi Jiang, Lixiang Yang, Chengkang Qi, Baode Sun
  • Year: 2019
  • Journal: Applied Sciences

2. Abstract

23.78%의 기공률을 가진 다공성 TiAl 합금이 수소화 티타늄(TiH2)과 알루미늄(Al) 분말 혼합물을 원료로 사용하여 저독성 비수계 겔 캐스팅 방법으로 성공적으로 제조되었습니다. TiH2/Al 슬러리의 유변학적 특성에 미치는 분산제 함량과 고체 부하량의 영향을 체계적으로 연구하였습니다. 모든 슬러리는 겔 캐스팅 공정에 유리한 전형적인 전단 희석 거동을 나타내는 것으로 확인되었습니다. 건조된 TiH2/Al 성형체의 3점 굽힘 시험 결과, 단량체(hydroxyethyl methacrylate, HEMA) 함량이 증가함에 따라 굴곡 강도가 28.86 MPa에서 62.36 MPa로 상승하였습니다. 탈지 공정을 연구하고 소결 후 잔류 탄소 및 산소를 최소화하기 위해 TGA 분석을 수행하였습니다. 1400°C에서 2시간 동안 소결된 TiAl 합금의 파단 형태를 주사 전자 현미경(SEM)으로 관찰하였습니다. X선 회절(XRD) 분석 결과, 소결된 부품의 주요 상은 γ-TiAl, α2-Ti3Al이었으며 소량의 Al2Ti 및 Al3Ti가 포함되었습니다.

3. Methodology

3.1. 원료 및 시약 준비: 99.7% 순도의 TiH2 분말과 99.85% 순도의 Al 분말을 1:1 몰비로 준비하고, DMF(용매), HEMA(단량체), HDDA(가교제), TBPB(개시제), PVP(분산제)를 혼합 시스템으로 구성함.
3.2. 슬러리 제조: HEMA, HDDA, PVP를 DMF에 용해시킨 후 TiH2와 Al 분말 혼합물을 첨가하여 30분간 교반함으로써 40~48 vol%의 고체 부하량을 가진 슬러리를 제조함.
3.3. 성형 및 겔화: 제조된 슬러리에 TBPB 개시제를 첨가한 후 실리콘 몰드에 주입하고, 80°C 진공 건조기에서 2시간 동안 유지하여 겔화 반응을 완료함.
3.4. 건조 및 소결: 습윤 성형체를 에탄올에 8시간 동안 침지하여 용매를 제거한 후, 25, 80, 120°C에서 단계적으로 건조하고 최종적으로 1400°C 진공 상태에서 2시간 동안 소결함.

4. Key Results

슬러리는 1 wt% PVP 첨가 시 100 s⁻¹ 전단 속도에서 169.3 mPa·s의 낮은 점도를 나타내어 최적의 공정 조건을 형성하였습니다. 성형체의 강도는 단량체 농도에 비례하여 증가하였으며, 30 vol% HEMA 농도가 공정 제어와 최종 물성 확보에 가장 적합한 것으로 결정되었습니다. TGA 분석 결과 300~500°C 구간에서 고분자 네트워크의 급격한 분해가 발생함을 확인하였으며, 이를 바탕으로 소결 시 승온 속도를 제어하여 유기물을 완전히 제거하였습니다. 최종 소결체는 23.78%의 기공률과 3.57 μm의 중앙 기공 직경을 가진 다공성 구조를 형성하였습니다.

5. Mathematical Models

슬러리의 전단 응력과 전단 속도 사이의 관계는 다음과 같은 Herschel–Buckley 모델을 사용하여 분석되었습니다.
$$\tau = \tau_0 + k\gamma^n$$
여기서 $\tau$는 전단 응력, $\tau_0$는 항복 응력, $k$는 점성 계수, $\gamma$는 전단 속도, $n$은 유동 지수를 나타냅니다. 측정 결과 모든 슬러리는 $n < 1$인 의소성 유체 특성을 보였습니다.

Figure List

  1. TiH2 및 Al 분말의 SEM 미세구조 사진
  2. TiH2 및 Al 분말의 입도 분포 곡선
  3. PVP 분산제 양에 따른 슬러리의 유변학적 특성 변화
  4. 고체 부하량에 따른 슬러리의 유변학적 특성 변화
  5. 단량체 함량에 따른 건조 성형체의 굴곡 강도 변화
  6. 다양한 단량체 함량으로 제조된 성형체의 단면 SEM 사진
  7. TGA를 이용한 TiH2/Al 성형체의 열중량 분석 곡선
  8. 소결된 TiAl 합금의 SEM 미세구조 (500배 및 5000배 확대)
  9. 소결 공정 후 TiAl 합금의 XRD 패턴
  10. 진공 소결된 TiAl 합금의 기공 크기 분포 곡선

References

  1. Yamaguchi, M. et al. (2000). High-temperature structural intermetallics. Acta Mater.
  2. Wu, X. (2006). Review of alloy and process development of TiAl alloys. Intermetallics.
  3. Janney, M.A. & Omatete, O.O. (1991). Gelcasting of alumina. J. Am. Ceram. Soc.
  4. Qin, P. et al. (2016). Porous TiAl alloys fabricated by sintering of TiH2 and Al powder mixtures. J. Alloys Compd.

Technical Q&A

Q: TiAl 합금 제조 시 원료로 Ti 분말 대신 TiH2를 사용한 이유는 무엇입니까?

티타늄 기반 재료는 제조 과정에서 산소, 질소, 탄소와 같은 불순물에 의해 성능이 쉽게 저하됩니다. TiH2는 이러한 불순물의 함량을 줄이는 데 이상적인 원료로 작용하며, 소결 과정에서 수소가 방출되면서 활성화된 표면을 형성하여 소결성을 높이고 오염을 최소화할 수 있기 때문입니다.

Q: 슬러리의 유변학적 특성에서 ‘전단 희석(Shear-thinning)’ 거동이 중요한 이유는 무엇입니까?

전단 희석 거동은 전단 속도가 높아질수록 점도가 낮아지는 특성을 의미합니다. 이는 겔 캐스팅 공정에서 슬러리를 몰드에 주입할 때 유동성을 확보하여 복잡한 형상의 세부 구조까지 완벽하게 채울 수 있게 하며, 정지 상태에서는 높은 점도를 유지하여 분말 입자의 침전이나 응집을 방지하는 역할을 합니다.

Q: PVP 분산제의 최적 함량은 어떻게 결정되었습니까?

실험 결과, PVP 함량이 분말 질량 대비 1 wt%일 때 슬러리의 점도가 가장 낮고 안정적인 유동성을 보였습니다. 1 wt% 미만에서는 입자의 분산이 불충분하여 침전이 발생하고, 1 wt%를 초과하면 과도한 고분자 첨가로 인해 오히려 점도가 상승하여 몰드 충진에 불리해지기 때문입니다.

Q: 단량체(HEMA) 함량이 성형체의 기계적 강도에 미치는 영향은 어떠합니까?

단량체 함량이 15 vol%에서 40 vol%로 증가함에 따라 성형체의 굴곡 강도는 28.86 MPa에서 62.36 MPa로 선형적으로 증가합니다. 이는 단위 부피당 형성되는 고분자 네트워크의 밀도가 높아져 분말 입자들을 더 견고하게 결합시키기 때문입니다. 다만, 35 vol%를 초과하면 겔화 속도가 너무 빨라져 공정 제어가 어려워집니다.

Q: 소결 후 최종 제품에서 유기 바인더 잔류물에 의한 오염 문제는 어떻게 해결되었습니까?

TGA 분석을 통해 유기물의 열분해 거동을 파악하였으며, 특히 300~500°C 구간에서 고분자 네트워크가 집중적으로 분해됨을 확인하였습니다. 이를 바탕으로 해당 온도 구간에서 충분한 유지 시간을 갖는 소결 스케줄을 적용하였으며, XRD 분석 결과 탄화물 상이 검출되지 않아 유기 잔류물이 효과적으로 제거되었음을 입증하였습니다.

Conclusion

본 연구는 TiH2와 Al 분말을 이용한 비수계 겔 캐스팅 공법이 다공성 TiAl 합금 제조에 매우 효과적임을 보여주었습니다. 최적화된 슬러리 조성(1 wt% PVP, 46 vol% 고체 부하량, 30 vol% 단량체)을 통해 우수한 성형성을 확보하였으며, 1400°C 소결을 통해 23.78%의 균일한 기공을 가진 합금을 성공적으로 제작하였습니다. 이는 고온 구조용 부품의 경량화 및 복잡 형상 제조를 위한 중요한 기술적 토대를 마련한 것으로 평가됩니다.

Source Information

Citation: Fei Li, Xiao Zhang, et al. (2019). Study on the Fabrication of Porous TiAl Alloy via Non-Aqueous Gel Casting of a TiH2 and Al Powder Mixture. Applied Sciences.

DOI/Link: https://doi.org/10.3390/app9081569

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