초소성 재료

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초소성 재료에 대한 보고서 자료입니다.

본문내용

Al-4V을 사용하여 일체형으로 제작한 Diffuse Nozzle이 있다. 이외에도 각종 엔진부품, 스페이스셔틀의 Trust Structure 및 샌드위치패널 등 많은 우주비행체 및 유도무기에 사용되고 있으며, 일본 MUSES 위성에 사용된 자세제어용 추력기 탱크의 경우 그 형상이 treadrop으로서 기존의 단조나 절삭가공으로 제작하기에는 그 형상이 복잡하여 Ti-6Al-4V 합금을 이용하여 초소성으로 성형하여 제작하였다.
(한국군사과학 기술학회지 제8권_2005.09)
초소성을 응용한 하나의 예는 항공기 외벽의 판넬에 사용되는 티타늄 합금이다. 이 그림은 판넬의 단면을 보여준다. 초소성 성형과 확산접합을 이용하여 3개의 판재가 서로 접합되는데, 접합을 원하지 않는 부분에는 부 접합 세라믹제의 페인트가 칠해져, 페인트가 칠해진 부분을 제외하고 확산접합에 의하여 3중판으로 판재가 접합된다. 확산접합 후 접합이 되지 않은 부분의 안쪽으로 아르곤 가스로 압력이 가해지면 바깥쪽으로 재료가 팽창되면서 늘어나 그림과 같은 형태가 얻어지게 된다.
(금속소성가공_PTR Prentice Hall_William F.Hosford_1996.02_96page)
초소성 성형법의 장점 및 단점
-장점
이와 같이 초소성 성형법은 복잡한 모양의 부품을 단일 공정으로 제조할 수 있는 무한한 가능성을 가진 소성가공법이다. 초소성 성형공정의 대표적인 장점으로는 다음과 같은 것들이 있다.
① 높은 가공성(formability)
② 높은 설계 자유도(design flexibility)
③ 높은 가공 정밀도(shaping accuracy)
④ 스프링백 효과가 없음(no springback effect)
⑤ 성형 후 부품에 잔류응력이 남지 않음(no residual stress)
⑥ 성형 다이(forming die) 비용의 감소
⑦ 조립 공정의 생략으로 인한 생산비 절감
⑧ 구조부품에서 볼트, 구멍 및 sealing의 수가 감소함에 따른 유지비의 절감
이러한 장점으로 인해 초소성 성형법으로 제작된 부품을 사용한 전투기의 경우 해당 부품의 생산비 및 유지보수비를 약 30 ~ 50 % 정도 낮출 수 있다는 보고가 있다. 하지만, 여러 가지 초소성 성형법의 단점들에 의해 초소성 성형법의 적용 범위는 항공 산업으로 제한되고 있는 실정이다.
(금속소성가공_PTR Prentice Hall_William F.Hosford_1996.02_95page)
-단점
다른 한편으로는 고온 환경(사용온도에서는 초소성을 갖지 않음), 낮은 변형율속도(충분히 낮은 속도에서 가공하여야 한다.) (가공시간은 수 초에서 수 시간 정도로 가공주기가 일반 성형법보다 휘씬 길므로 개별작업에만 사용된다.) 및 적용할 수 있는 재료의 제한 등의 단점이 있다.
(공업재료가공학_半島出版社_Serope Kalpakjian_1995.02_385page)
초소성재료의 미래
초소성 성형법이 적용될 수 있는 분야로는 항공기의 다양한 구조부품, 자동차의 경량 배기 다기관, 의공학 제품들, 발전 설비 등이 있다. 초소성 가공 기술은 경량화가 절실히 요구되는 복잡한 부품이 많이 사용되는 운송산업 및 방위산업 등을 비롯한 다양한 산업분야에 공통적으로 적용될 수 있는 고 부가가치 기술이다. 다음은 현재 초소성 성형 및 확산 접합 기술이 사용되고 있거나 향후 핵심기술로 사용될 대표적인 산업분야를 정리한 결과이다.
항공 우주 산업
20여 년간 초소성 성형기술이 가장 활발하게 적용되어 온 대표적인 산업분야로서 뛰어난 설계자유도를 특징으로 하는 초소성 가공 기술의 장점을 명확하게 증명해 주고 있다. 항공기나 우주선의 제작 시 기체의 내구성과 함께 경량화는 끊임없이 도전해야 할 요구사항인데 초소성 성형기술을 이용하여 날개부분을 벌집형 구조(honeycomb structure)로 만들게 되면 강도와 경량화를 동시에 이룰 수 있다. 이 기술은 제트 엔진의 블레이드에도 응용할 수 있다. 그 외에도 전투기 조종사의 비상탈출용 좌석 및 머리보호대를 초소성 경량 알루미늄 합금으로 일체형으로 제조하고 있고, 그 밖에 랜딩기어의 커버, 항공기의 출입문, 안정익 등 수많은 부품들을 초소성 성형 및 확산 접합 기술로 생산 가능하다.
자동차 산업
세계적으로 자동차 경량화에 대한 관심과 요구가 증가하는 상황에서 현재 우리나라에서 가장 주목해야 할 분야이다. 미국 자동차 업계에서는 초소성 Al 합금을 스포츠카의 부품에 적용하고 있으며 일반 상용차로 사용범위를 확장하려는 지속적인 연구가 진행되고 있다. 최근에는 비록 실험실 단계이기는 하지만 초소성 성형 및 확산 접합 기술을 사용하여 배기 다기관을 스테인레스 이중 벽 구조로 만드는데 성공했다. 이 기술이 실용화 되면 한냉지방에서의 자동차 시동 시 배기 가스의 발생억제 및 연비향상을 꾀할 수 있다. 또한 통상적인 가공법에서는 피할 수 없는 springback현상을 배제 할 수 있으므로 die의 설계 및 제품의 치수조절에도 유리하여 현저한 생산성 향상을 기대할 수 있다.
발전 산업 및 산업설비 부문
석유 화학 발전소의 핵심부품 가운데 하나인 열 교환기를 내부식성이며 경량 재료인 초소성 Ti계 합금을 사용하여 초소성 성형 및 확산 접합 기술로 이음매 없이 제조하면 내진성능은 물론 뛰어난 열적 성과와 기계적 강도를 얻을 수 있다. 설계나 제조에 있어서 channel의 높이를 목적에 맞게 다양한 범위에서 변화시킬 수 있으므로 일반 자동화 기계나 보일러 등 설비에 사용되는 열 교환기에도 적용하여 수명 및 효율을 향상시킬 수 있다.
(항공재료연구센터)
참고문헌
최신 기계·금속 재료학_남양문화_김암수_2006.01
소성가공과 해석_문운당_김낙수·김형종_2004.02
금속소성가공_PTR Prentice Hall_William F.Hosford
_1996.02
공업재료가공학_半島出版社_Serope Kalpakjian_1995.02
비철금속재료_원창출판사_이지환외 4명_1993.08
재료과학_PTR Prentice Hall_James F.Shackelford_2004
한국군사과학 기술학회지 제8권_2005.09
항공재료연구센터

키워드

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