AlCuFeMnTi 기반 경량 고엔트로피 합금의 첨가 원소(Si, Zn, Mg)에 따른 상 안정화 및 미세조직 변화 연구

Abstract

5 개 이상의 원소와 동등한 원자비로 합금된 고엔트로피 합금 (HEA)은 원소의 복잡한 상호 작용으로 인해 높은 엔트로피 효과, 격자 왜곡 효과, 느린 확산 효과 및 칵테일 효과를 나타낸다. 결과적으로 상업용 합금보다 기계적, 전기적 및 열적 특성이 우수하다. 기존의 다양한 구조 재료를 대체할 수 있는 신개념 재료로 많은 연구가 발표되었다. 최근 HEA는 일반적으로 아크 용융 주조로 생산되어 주조 공정에서 수축 결함, 수상 돌기 및 편석을 유발할 수 있다. 이를 해결하기 위해서는 분말 야금 공정으로 제작된 신형 HEA에 대한 연구가 필요하다. 그래서 우리는 기계적 합금을 사용하여 HEA의 상변태 및 분리를 조사하고 기계적 특성이 높은 새로운 HEA를 개발한다. 첨가 원소에 따른 HEA의 상변태 거동과 기계적 특성을 조사하기 위하여 고에너지 밀링 공정을 통해 AlCuFeMnTi HEA에 Si, Mg 및 Zn을 선택적으로 첨가하여 합금화 하였다. 첨가 원소에 따른 미세 구조 변화를 비교 분석하였다. Si, Mg 및 Zn 낮은 VEC값에 따라 BCC 상을 가지는 것을 확인하였다. Mg 첨가 시 BCC상 뿐만 아니라 Cu2Mg가 형성되고 Zn 첨가 시 Cu5Zn8을 형성한다. 다른 원소에 비해 원자 크기가 큰 Mg는 Cu2Mg의 형성을 유발하는 격자 왜곡과 BCC1/BCC2의 분리를 강화시킨다. 고체 상태에서 융점이 높고 확산 계수가 낮은 Ti는 완벽히 합금화 되지 않았다. Zn (0.133nm)의 원자 크기는 Cu (0.128nm)보다 크기 때문에 Cu 원자가 Zn으로 확산되어 Cu5Zn8를 형성하였다고 판단하였다. 이는 다른 성분에 비해 더 높은 확산 성으로 인해 더욱 쉽게 Cu5Zn8을 형성한다 AlCuFeMnTi-Si HEA의 경우 Ω이 1.1 미만임에도 불구하고 BCC1 및 BCC2 상이 형성되었다. 최적의 합금 공정 조건을 설정하기 위해 AlCuFeMnTiMg 분말을 동등한 원소 비율로 혼합한 다음 밀링 시간을 조절하여 고에너지 밀링으로 합금화 하였다. 합금 분말은 스파크 플라즈마 소결 (SPS)에 의해 다양한 소결 온도에서 고밀도화 하였다. BCC1/BCC2 구조를 가지며 밀도가 4.34g/cm3인 AlCuFeMnTiMg 경량 고엔트로피 합금을 제조하였다. 공정 조건에 따라 IMC(Cu2Mg)의 형성 및 BCC1/BCC2 분율의 변화를 확인하였으며, 낮은 융점을 갖는 Mg는 700oC에서 소결 시 손실이 발생한다. 또한 Si의 조성을 제어하여 AlCuFeMnTiSi 고엔트로피 합금의 합금화 거동 및 기계적 특성을 연구하였다. Si 첨가 시 BCC1 상과 BCC2 상으로 상분리가 촉진되며, Si의 첨가량이 증가할수록 결정립 크기가 작아지는 것을 확인할 수 있다. Si의 경우 Ti와 -51 kJ/mol의 굉장히 낮은 혼합 엔탈피를 가지고 있어, 기존의 BCC 상이 Si-Ti rich 상(BCC1)과 Al-Cu rich 상(BCC2상)으로 상분리가 일어난 것으로 판단하였다. 본 연구에서는 아직 연구되지 않은 다양한 경량 고엔트로피 합금을 기계적 합금 공정으로 제작하였다. 또한 고에너지 밀링 및 방전 플라즈마 소결 공정을 사용하여 HEA를 성공적으로 생산하기위한 최적의 공정 조건을 설정하였다. 그리고 추가된 원소에 따른 HEA의 상변태, 분리 거동, 미세 구조 변화를 조사하였다. 또한 본 연구에서 정한 최적의 기계적 합금화 조건은 다양한 고엔트로피 합금 분말 야금 공정에 적용될 수 있다.