Ni-Fe기 초내열합금의 열간 소성 변형시 동적 재결정 거동 모델링 및 예측

Abstract

Ni-Fe기 초내열합금 열간 단조품의 기계적 특성과 성능은 열간 단조과정에서 발생되는 동적 재결정 현상에 의해 지대한 영향을 받는다. 동적 재결정은 단조 과정에서 부품의 결정립 조직 미세화를 통해 소재의 기계적 특성을 향상시킬 수 있는 반면에 불균일한 미세조직을 발생시킴으로써 부품의 성능과 수명을 저하시키는 원인이 될 수 있다. 따라서 부품의 수명과 성능을 향상시키기 위해서는 동적 재결정에 의해 발생되는 미세조직 변화를 미리 예측하고 제어하는 기술은 매우 중요하다. 따라서 본 연구에서는 대표적인 Ni-Fe기 초내열합금인 Alloy 718 합금을 이용하여 동적 재결정 거동을 정량적인 수식으로 나타내고 이를 이용하여 실제 열간 단조품의 미세조직을 예측하였다. 또한 미세조직 예측 결과의 정확성을 향상시키기 위해서는 무엇보다도 동적 재결정 기구에 대한 이해가 요구되기 때문에 이에 대한 연구를 병행하였다. 다양한 고온 변형 조건, 즉 소재의 온도와 변형률 및 변형속도 조건에서 718 합금의 고온 압축 실험을 수행하고 이들 압축 시편에 대한 미세조직 분석을 통해 동적 재결정 거동을 수식화하였다. 동적 재결정 거동은 동적 재결정의 발생 여부를 판단하기 위한 임계 변형률, 동적 재결정된 결정립의 크기 및 동적 재결정 분율의 변화를 소재의 초기 결정립 크기와 변형조건, 즉 소재 온도, 변형률 및 변형률 속도의 함수로 나타내었다. 시험조건은 온도 $927^{\circ} C$ - $1066^{\circ} C$, 변형률 속도 $5 x 10^(-4) s^(-1) - 10 s^(-1)$ 의 범위에서 수행하였고 변형율은 최대 0.7까지 변형하였다. 또한 초기 결정립 크기의 효과를 관찰하기 위해 $53\mu m$ 와 $320\mu m$ 로 초기 결정립 크기가 다른 소재를 이용하여 동적 재결정 현상을 조사하였다. 이와같은 실험을 통해 얻어진 수식을 이용하여 실제 718 합금 열간 단조품의 미세조직을 예측하고 실 단조품의 미세조직과 예측 결과를 비교한 결과 매우 정확히 미세조직을 예측할 수 있었다. 이들 미세조직 예측 시스템은 향후 다양한 형상을 갖는 단조품의 미세조직 예측, 열간 단조품의 부위별 특성 제어 등을 통해 단조 공정을 최적화 하는데 효율적으로 활용될 수 있다. 한편 본 연구에서는 동적 재결정 기구에 대한 이해를 위해 고온 압축 변형된 시편의 미세조직을 광학현미경, EBSD 및 투과전자현미경을 이용하여 분석하고 특히 고온 변형에 따른 결정립 또는 아결정립 입계의 특성 변화를 관찰함으로써 동적 재결정 기구를 제시하였다. 분석 결과 초기 결정립계에서 발생되는 동적 재결정립의 경우 결정립계 미끄럼에 의한 bulging mechanism을 통해 동적 재결정립의 핵생성이 이루어짐을 확인할 수 있었다. 한편 초기 결정립계가 동적 재결정된 결정립으로 완전히 뒤덮힌 뒤에 발생되는 새로운 재결정립의 핵생성은 고온 변형과정에서 나타나는 아결정립들의 점진적인 회전(progressive rotation)에 의해 이루어지는 것으로 확인되었다.