초소성 재료와 응용범위

소개글

초소성 재료와 응용범위에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 초소성(Superplasticity)이란?

2. 초소성의 종류
⑴ 미세결정입 초소성
⑵ 변태 초소성
⑶ 변태 유기소성

3. 초소성 재료의 성형 방법
① 부풀림 성형(Blow forming)
② Gatorizing단조법
③ SPF/DB(Super Plastic Forming/Diffusion Bonding)
⑴초소성 성형법(superplastic forming process, SPF)
⑵ 확산 접합 / solid diffusion bonding, diffusion bonding

4. 초소성 합금의 종류 및 특징
1) 초소성 알루미늄 합금
철도 승객용 좌석의 프레임
랜딩기어의 커버부
2) Ti계 초소성 합금

5. 초소성 가공기술의 적용 예
1) 항공 우주 산업
2) 자동차 산업
3) 발전 산업 및 산업설비 부문

본문내용

rain) Al합금들이 분말야금법(powder metallurgy)이나 분무주조법(spray forming)등을 통해 제조되어 초소성 성형시 가장 큰 문제로 작용하였던 가공속도 문제를 해결하고 있다.
2) Ti계 초소성 합금
고기능성 재료로써 각광을 받고 있는 Ti계 합금은 1970년대부터 이미 초소성 성형공정 및 확산 접합 공정을 이용하여 각종 항공기 부품 및 각종 생체 재료로 제작되어 활발한 산업계 적용이 이루진 재료이다. 대표적인 초소성 Ti합금은 Ti-6Al-4V으로 초소성 Al합금에서 요구되는 특별한 가공열처리가 아닌 일반적인 압연공정을 통해서도 1000 % 이상의 연신율을 나타내는 뛰어난 초소성 특성을 나타낸다. 일반적으로 Ti 합금은 a+b의 이상합금으로 b의 상분율이 초소성 변형에 큰 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 현재 이상의 연구결과를 바탕으로 다양한 합금원소의 첨가 등을 통하여 새로운 조성의 합금의 개발에 많은 노력이 집중되고 있다.
3) 금속간 화합물 및 세라믹
금속간 화합물 및 세라믹 재료들은 대표적인 난가공성 재료들로 기존 소성가공법으로는 가공이 불가능하다고 알려져 왔다. 하지만 이와 같은 난가공성 재료들도 고온에서 초소성 특성을 기대할 수 있으며 초소성 가공기술을 통해 소성가공이 시도되고 있다
금속간 화합물은 규칙 구조를 가지고 있어 높은 고온 강도와 산화 저항성 등의 우수한 물리, 화학 특성을 가지고 있는데 반해 상온 취성을 가져 가공에 어려움이 크다. 이러한 금속간화합물의 난가공성은 초소성 변형을 이용하여 극복할 수 있을 것으로 기대된다. 금속간화합물 Ni3Si, Ni3Al, Ti3Al 및 TiAl등에서 초소성 변형이 보고되어 있다. 특히 TiAl 금속간 화합물 중 일부 조성은 g합금으로 정의되며 또 일부 자동차와 항공기 부품을 통해 산업에 적용되기 시작하고 있는 시점에서 금속간 화합물의 초소성 가공기술의 적용은 점차 확대될 것으로 예상된다.
이밖에 미세한 결정립을 가지는 세라믹 재료들에서도 초소성 현상이 관찰되고 있으며 이미 일부 세라믹 부품 제작에 초소성 성형 기술이 적용되고 있는 실정이다. 세라믹 재료의 초소성은 결정립계에 불순물들의 편석으로 인해 융점이 낮은 비정질상(amorphous phase)이 발생하며 이와 동시에 결정립계 미끄러짐이 활발해진다고 일부 연구자들이 주장하고 있으나 실험적인 증거는 불충분한 상태이며 아직까지 근본적인 설명은 보고되고 있지 않은 실정이다.
5. 초소성 가공기술의 적용 예
보잉사의 보고에 따르면 현재 1만 2580여대인 세계 민간항공기가 향후 20년 내에 약 2배인 2만 8425대로 증가될 것으로 예상된다. 따라서 대체분을 포함하여 앞으로 약 2만여대의 항공기가 추가로 제작될 필요가 있으며 금액으로는 1조 3800억 달러에 이른다. 세계 민간 항공산업의 성장이 2015년까지 3배의 승객증가가 기대된다는 전망을 하고 있으며 이에 발맞춰 항공산업에서 세계적 선두지위를 유지하기 위해 항공재료 기술개발에 박차를 가하고 있다. 미국 연방정부는 크게 아음속 항공기(subsonic aircraft)분야와 초음속 상업용 항공기(supersonic commercial aircraft)로 연구개발 주제를 분류하고 있다. 초소성 가공 기술은 이러한 요구를 적극적으로 해결해 줄 수 있는 유망한 기술로 각종 프로그램을 통한 개발이 진행되고 있다
초소성 성형법이 적용될 수 있는 분야로는 항공기의 다양한 구조부품, 자동차의 경량 배기 다기관(manifold), 의공학 제품들, 발전 설비 및 offshore 설비의 열 교환기 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.
1) 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.
항공기의 출입문
2) 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.
자동차의 구동장치
3) 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.
열교환기

키워드

초소성 재료,   응용범위,   초소성,   초소성 재료의 성형 방법,   초소성 합금의 종류,   가공기술