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JWJ > Volume 38(2); 2020 > Article
Ti 및 Ti-6Al-4V GTAW 클래딩의 미세조직 구성 및 상분석

Abstract

The microstructure and phase configuration of pure Ti and Ti-6Al-4V GTAW cladding were studied. The cladding microstructures were divided into the base metal (BM) of the substrate, the heat affected zone (HAZ) and weld metal (WM). Depending on the location, the microstructure shape was observed to differ due to heat transfer effects, and the HAZ had a relatively fine structure due to fast cooling of the substrate contact. The lamellar spacing was 5㎛ for HAZ, which is smaller than the 10㎛ of WM. In the pure Ti, the microstructure compositions consisted of a lamellar structure with a pure Ti α phase and a rich Fe β phase, where Fe is an impurity segregated in the β phase. In the Ti-6Al-4V, the microstructure compositions consisted of a lamellar structure with a lean V content of α phase and a rich V content of β phase. The hardness values for pure Ti and Ti-6Al-4V were measured and found to be 425HV and 259HV, respectively.

1. 서 론

Ti 및 Ti 합금의 GTAW (gas tungsten arc weld)를 이용한 클래딩은 용접의 미세조직 구성에 따라 기계적 특성이 달라진다. 일반적으로 용접의 미세조직은 FZ (fusion zone), HAZ (heat affected zone) 및 BM (base metal)로 구분되는데, 클래딩의 공정 조건은 용접 FZ 및 HAZ 조직 구성을 변화시키고 이에 따라 기계적 특성이 결정되는 것이다. 일례로 순수 Ti (grade 2) 클래딩 조건에서 입력 전류와 산소 함량은 클래딩 용접 조직인 α-cell의 α-lath 간격을 변화시키는 것으로 보고된다1,2). 보고에 따르면 입력 전류가 높거나 산소 함량이 크면 래쓰 간격이 커지고 이에 따라 경도값이 감소하는 것으로 보고된다. 또한 Ti-6Al-4V (grade 5) 클래딩 조건에서도 높은 입력 전류는 α-Widmanstatten 조직에 이르는 조대한 α-lath를 구성할 수 있고, 높은 가스 유체 속도는 입도를 작게 하여 기계적 특성을 개선하는 것으로 보고되고 있다3,4).
이러한 Ti 및 Ti-6Al-4V의 GTAW 클래딩 조건에 따르는 미세조직 구성은 입력 전류나 쉴딩 가스에 의한 가열 및 냉각 속도가 재질 용융과 응고 과정 중에 냉각에 따른 합금 구성 상의 변태에 기인하는 것이다. 즉 Ti 합금이 가질 수 있는 구성 상으로써 기본적인 α상과 β상 외에 급냉 상인 α´마르텐사이트가 있을 수 있다. α상은 클래딩 용접 조건에 의해 α-cell (platelet or basket weave) 또는 α´마르텐사이트로 변태할 수 있으며, α-cell은 α-lath 또는 α-Widmanstatten 형태로 α/β/α/β/… 라멜라 구조를 이룬다. 이외에도 상은 조대한 입상 입자로 입계 또는 입내에 존재할 수 있다5,6). 그리고 이러한 Ti 합금 클래딩 미세조직이 경도나 인장과 같은 재질 기계적 특성에 영향을 미치는 것으로 보고되고 있다7,8).이외에도 순수 Ti 클래딩 조건 중에서 산소 함량은 미세조직에 중요한 영향을 미치는데, 산소 함량이 높을수록 α-lath 경계에 β상 잔존량이 커지며 조직 구성 형태 및 기계적 특성을 결정짓는 것으로 보고된다9,10).
본 연구에서는 순수 Ti 및 Ti-6Al-4V 합금의 GTAW 클래딩 용접의 미세조직 구성과 상변태 양상을 고찰하고자 하였다. 두 재질의 클래딩 조건은 주로 입도 (prior β grain), α-lath 간격에 영향을 미쳤으며, 이에 따른 경도값의 변화가 측정되었다. Ti 합금 클래딩 특성 개선을 통해 추후 건전한 Ti 클래딩 제품 생산 공정에 기여하고자 한다.

2. 실험 방법

순수 Ti와 Ti-6Al-4V GTAW 클래딩 재질 시제품 용접봉은 2.4mm 와이어의 ERTi-2 재질이며 1 layer 당 3mm 이하로 적층 클래딩 하도록 WPS에 명시된다. 이러한 Ti 소재는 300°C부터 산화되므로 200°C 이상에서 아르곤 쉴딩 가스로 산화 억제를 수행해야 한다. 클래딩 제품은 Fig. 1과 같이 지름(60)×높이(20)× 두께(4)이다. 클래딩은 1kW 출력으로 공정 변수는 피드 공급 속도의 2m/min 및 5m/min 조건으로 설정하고 시편을 제작하였다.
Fig. 1
Prototype of pure Ti GTAW claddin1g
jwj-38-166-g001.jpg
또한 Ti64 GTAW 클래딩 재질 시제품은 2.4mm 와이어 ERTi-5 (Ti-6Al-4V 합금) 용접봉을 사용하였는데, 클래딩 제품은 Fig. 2와 같이 W(50) × L(70) × T(7)이며, 이를 통해 Ti-6Al-4V 기판 위에 GTAW 클래딩 재질 시편을 제작하였다.
Fig. 2
Prototype of Ti-6Al-4V GTAW cladding
jwj-38-166-g002.jpg
Ti-6Al-4V 클래딩 재질 시편 미세조직 관찰과 경도값 측정을 위하여 3등분 하였는데, FZ와 HAZ 분석을 위하여 Fig. 3과 같이 클래딩 양 옆 부위에서 1번과 2번 시료를 채취하였고, BM은 중간의 3번 시료를 채취하였다.
Fig. 3
Specimens taken from prototype of Ti-6Al-4V GTAW cladding
jwj-38-166-g003.jpg
순수 Ti와 Ti-6Al-4V 클래딩 재질의 미세조직은 광학 (OLYMPUS BX51M) 및 주사전자현미경 (JEOL JP/JSM-7500F)을 이용하여 관찰하였고 성분은 EDS (AMETEK EDAX ELITE)로 분석하였다. 또한 시편 각 미세조직 부위에 대한 비커스 경도 (Future Tech JP-FM-7)를 측정하였다. 또한 각 클래딩 재질에서 sub- size 시험편을 채취하여 인장시험을 변형속도 10-3/sec 조건에서 시행하였다.

3. 실험 결과 및 고찰

3.1 순수 Ti (Grade 2) 및 Ti-6Al-4V (Grade 5) 인장특성 비교

순수 Ti와 Ti-6Al-4V GTAW 클래딩 시편에 대한 인장특성은 Table 1,2와 같이 측정되었다. Table 1에서 Ti 시편의 경우 Ti 클래딩 재질에 요구되는 항복/인장강도 580MPa/600MPa를 초과하는 값이며, 연신률도 17% 이상 값으로 측정되어 우수한 재질인 것을 알 수 있다. 또한 Table 2에서 Ti-6Al-4V 시편의 경우 Ti-6Al-4V 클래딩 재질에 요구되는 항복/인장강도 900MPa/970MPa를 초과하는 값이며, 연신률도 25% 이상 값으로 측정되어 우수한 재질인 것을 알 수 있다.
Table 1
Tensile test properties of pure Ti GTAW cladding material specimens
Specimen Yield Stress Tensile Stress Elongation
2m/min 625MPa (580/670) 655MPa (610/700) 22% (22/22)
5m/min 645MPa (620/670) 665MPa (650/680) 17.5 (22/13)
Table 2
Tensile test properties of Ti-6Al-4V GTAW material cladding specimens
Specimen Yield Stress Tensile Stress Elongation
1 1000MPa 1080MPa 38%
2 980MPa 1000MPa 25%

3.2 순수 Ti (Grade 2) 기판 모재 미세조직

순수 Ti 및 Ti-6Al-4V GTAW 클래딩 (공급 속도 2/min 및 5m/min)을 위해 기판은 두 재질 모두 순수 Ti 재질을 사용하였는데, 기판 모재의 미세조직은 Fig. 4와 같다. Fig. 4에서 미세조직은 α상으로 구성되었는데 입계의 불순물 지역에 에칭에 의한 흑색 모습이 관찰되며, 입자 크기는 약 25㎛ 정도로 측정된다.
Fig. 4
Microstructures of prototype substrate for pure Ti and Ti-6Al-4V GTAW cladding : (a) OM, (b) SEM
jwj-38-166-g004.jpg

3.3 순수 Ti (Grade 2) 클래딩 미세조직 및 경도

순수 Ti GTAW 클래딩의 와이어 피드 공급 속도 변수 (2/min & 5m/min)에 대한 위치별경도 측정 결과는 Fig. 5와 같다. 피드 공급 속도 2m/min의 Fig. 5 (a)에서 FZ ①과 ②의 경도값은 243HV 및 264HV로 측정되었고, 피드 공급 속도 5m/min의 Fig. 5 (b)에서 FZ (fusion zone) ①과 ②의 경도값은 265HV 및 241HV로 측정되어 공급속도나 용접부 위치별 경도값 차이는 거의 없는 것으로 파악된다. 또한 두 시편의 HAZ 경도값은 각각 268HV 및 273HV로 측정되어 FZ와 HAZ 경도도 큰 차이가 없는 것으로 판단된다. 클래딩 기판이 되는 모재의 경도는 순수 Ti에 해당하는 152HV로 측정된다.
Fig. 5
Hardness values of pure Ti GTAW cladding : (a) 2m/min and (b) 5m/min
jwj-38-166-g005.jpg
피드 공급 속도 2m/min로 제조된 순수 Ti GTAW 클래딩 시편의 FZ 및 HAZ 미세조직은 Fig. 6와 같다. Fig. 6 (a)에서 FZ 평균 입도는 350㎛인 것으로 측정된다. 그리고 FZ의 ①과 ②의 미세조직은 Fig. 6 (b) 및 (c)에서와 같이 α-lath 형태의 α/β/α/β… 라멜라 구조로 구성되는데, Fig. 6에서 흰색의 각형은 α상이며 α-lath 경계에 형성된 흑색 부위는 β상인 것을 알 수 있다. 이것은 순수 Ti 용접에서 산소 함량이 많아지면 조직에 β상이 잔존하고 이것이 응고 냉각 중에 α-lath 경계에 집적하며 Fig. 6와 같은 라멜라의 적층 조직을 형성하는 것이다9,10). FZ 부위인 ①과 ②의 α-lath 간격은 평균 8㎛와 10㎛로 측정된다. 그리고 HAZ 부위는 Fig. 6 (d)와 같이 FZ에 비하여 α-lath 형태가 길고 간격이 작게 관찰된다. 즉 HAZ α-lath 간격은 평균 4㎛로써 FZ에 비하여 반 정도로 간격이 감소하는 것을 알 수 있다.
Fig. 6
Microstructures of pure Ti GTAW cladding for 2m/ min : (a),(b),(c) FZ and (d) HAZ
jwj-38-166-g006.jpg
이것에 비하여 피드 공급 속도 5m/min로 제조된 순수 Ti GTAW 클래딩 시편의 FZ 및 HAZ 미세조직은 Fig. 7과 같다. Fig. 7 (a)에서 FZ 평균 입도는 피드 공급 속도 2m/min과 마찬가지로 350㎛인 것으로 측정된다. 그리고 FZ의 ①과 ②의 미세조직도 피드 공급 속도 2m/min과 유사하게 Fig. 7 (b)(c)에서와 같이 라멜라 구조로 구성된다. Fig. 7에서 흰색의 각형은 α상이며 α-lath 경계에 형성된 흑색 부위는 β상인 것을 알 수 있다9,10). FZ 부위인 ①과 ②의 α-lath 간격은 부분 평균 5㎛/9㎛와 5㎛/10㎛이며 전체 평균 7㎛로 측정된다. 그리고 HAZ 부위의 미세조직도 피드 공급 속도 2m/mim과 유사하게 Fig. 7 (d)와 같이 FZ에 비하여 α-lath 형태가 길고 간격이 작게 관찰된다. HAZ α-lath 간격은 평균 5㎛로써 평균 7㎛의 FZ에 비하여 간격이 감소하는 것을 알 수 있다.
Fig. 7
Microstructures of pure Ti GTAW cladding for 5m/ min : (a),(b),(c) FZ and (d) HAZ
jwj-38-166-g007.jpg
이러한 관찰로부터 순수 Ti GTAW 클래딩 미세조직은 피드 공급 속도에 크게 영향을 받지 않고 α-lath 형태의 라멜라 적층 구조인 것으로 확인된다. α-lath 간격이 FZ보다 HAZ가 미세한 것은 클래딩 공정 중에 HAZ 부위로부터 모재 방향으로 열전달이 빨랐기 때문인 것으로 보인다. 그러나 이와 같은 미세조직 차이가 경도에 큰 영향을 미치지는 않은 것으로 측정되었다.

3.4 Ti-6Al-4V (Grade 5) 클래딩 마크로 조직 및 경도

Fig. 3 (b)의 왼쪽 1번과 오른쪽 2번의 마크로 조직 및 경도 값은 Fig. 8과 같다. Fig. 8에서 두 시편의 클래딩 용접 부위는 클래딩 시 열전달 방향인 하부에서 상부 방향에 대한 방향성 응고 조직 구성이 관찰된다. 방향성 조직의 입도는 거의 용접부 FZ 부위를 관통하는 평균 길이(10mm)와 폭(2mm) 정도이며, 형상은 직사각형 형태를 이룬다. 또한 FZ 하부의 HAZ 부위는 입도 1mm 이하의 등축정 입자로 구성된다.
Fig. 8
Macrostructures and hardness values of Ti-6Al-4V GTAW cladding : (a) 2m/min and (b) 5m/min
jwj-38-166-g008.jpg
클래딩 용접 부위 별 경도값은 FZ이 396HV/ 421HV로 측정되며, HAZ는 FZ 쪽과 모재 쪽이 440HV/444HV와 194HV로 완전하게 구분되어 측정된다. 즉 HAZ 부위 별 경도는 Fig. 8 (b)의 2번 시편에서와 같이 FZ 쪽 부위의 ②는 444HV이고 모재 쪽 부위의 ③은 225HV로 모재의 194HV와 유사하게 측정되어 FZ 및 BM의 HAZ 부위가 극명하게 구분되는 것을 알 수 있다. 여기에서 FZ 쪽 HAZ 경도값 444HV가 BM 쪽 HAZ 경도값 225HV보다 높은 것은 FZ의 Ti-6Al-4V 합금 성분이 기판인 BM의 순수 Ti에 비하여 HAZ 쪽으로 확산되고 고용경화유발 효과에 기인하는 것으로 판단된다.

3.5 Ti-6Al-4V (Grade 5) 클래딩 미세조직

Fig. 3 (b)의 왼쪽 1번 미세조직은 Fig. 9와 같다. Fig. 9에서 FZ 부위인 ①과 ②의 경우 α-lath 조직으로 관찰된다. 그런데 FZ 상부인 ① 위치는 ② 위치보다 lath 간격이 작은데, ② 위치의 α-lath 간격은 평균 1.5㎛인 것으로 측정된다. 또한 이 부위의 lath 경계에 흑색의 β상 형성이 관찰된다. FZ line 직상의 ③ 위치에서는 ① 위치와 유사한 간격의 α-lath 조직이 관찰되며, 모재에 인접한 HAZ의 ④ 위치에서는 α상 기지조직 입계에 흑색의 β상이 석출한 형태로 관찰된다.
Fig. 9
Microstructures of Ti-6Al-4V GTAW cladding for 2m/ min : (a),(b),(c) FZ and (d) HAZ
jwj-38-166-g009.jpg
Fig. 3 (b)의 오른쪽 2번 미세조직은 Fig. 10과 같다. Fig. 10에서 FZ 부위인 ①의 경우 α-lath 조직으로 관찰되는데, lath 간격은 평균 1.6㎛인 것으로 측정되어 앞의 Fig. 3 (b)의 왼쪽 1번 경우와 거의 유사한 것을 알 수 있다. 또한 FZ line 직상의 ② 위치에서는 ① 위치와 유사한 α-lath 조직이 관찰된다. 그런데 FZ line 직하인 HAZ의 ③ 위치에서는 Fig. 10 (c)와 같이 α-lath 유사 조직과 상의 석출조직이 공통으로 관찰된다. 이것은 FZ 부근의 HAZ 상부에 용접열이 용융과 응고 영향이 가해진 것으로 보여 진다. 또한 모재에 인접한 HAZ의 ④ 위치에서는 Fig. 10 (d)와 같이 α상 기지조직 입계에 흑색의 β상이 석출한 형태로 관찰된다. 이것은 Fig. 3 (b)의 왼쪽 1번 시편과 유사한 미세조직 구성이다.
Fig. 10
Microstructures of Ti-6Al-4V GTAW cladding for 5m/ min : (a),(b),(c) FZ and (d) HAZ
jwj-38-166-g010.jpg

3.6 순수 Ti 클래딩의 SEM 미세조직 및 성분 분석

순수 Ti GTAW 클래딩 미세조직에 대하여 α-lath와 lath 경계 β상의 형성을 SEM/EDS로 분석하였다. Fig. 11에서 미세조직은 α-lath와 lath 경계의 β상 형성 지역으로 구성되는 것으로 관찰되는데, 이러한 α- lath와 β상 형성 지역에서 측정되는 성분의 차이가 있는 것을 알 수 있다. 즉 SEM/EDS로 측정되는 α- lath 화학성분은 Ti-6.64O-0.34Fe이며 β상 형성 지역 화학성분은 Ti-9.98O-3.25Fe인데, 이것으로부터 lath 경계의 β상 형성 지역의 불순물인 O 및 Fe 성분이 많은 것을 알 수 있다. 그런데 SEM/EDS 분석 한계를 고려하면 산소량이 실제보다 과다하게 산출된 것으로 보이지만, α상과 β상의 산소 함량은 상대적으로 “α상 < β상”인 것을 확인할 수 있다. 특히 Fe는 α상보다 β상 형성 지역에서 훨씬 많은 양이 검출되어 산소나 Fe 같은 불순물들이 β상 형성 지역에 집적된 것이 확인된다.
Fig. 11
SEM/EDS analysis of pure Ti GTAW cladding
jwj-38-166-g011.jpg

3.7 Ti-6Al-4V 클래딩의 SEM 미세조직 및 성분 분석

Ti-6Al-4V GTAW 클래딩 재질 미세조직에 대하여 α-lath와 lath 경계의 β상 형성을 SEM/ EDS로 분석하였다. Fig. 12에서 미세조직은 순수 Ti와 마찬가지로 α-lath와 lath 경계의 β상 형성 지역으로 구성된다. α상 화학성분은 [Ti-5.08Al-3.02V/Ti-5.35Al-3.78V]이며 β상 화학성분은 [Ti-4.49Al-5.18V/Ti-5.0 5Al- 5.11V]으로 두 상은 V 함량에 차이를 보인다. 이것으로부터 α-lath 경계에는 β상 형성 원소인 V이 집적되어 있는 것을 알 수 있다.
Fig. 12
SEM/EDS analysis of Ti-6Al-4V GTAW cladding
jwj-38-166-g012.jpg
이러한 SEM/EDS 분석 결과로부터 클래딩 소재인 Ti 및 Ti-6Al-4V 와이어에 포함된 산소와 Fe 같은 불순물이나 V 같은 용질 원자는 α-lath 경계의 β상 형성 지역에 집적되는 것을 알 수 있다. 클래딩 소재인 Ti 와이어 성분 중에 Fe는 불순물 수준으로 포함되며 (0.01% 미만), 산소는 클래딩 용접 과정 중 용융 금속에 용해되어 불순물로 포함된다9,10). 또한 Ti-6Al-4V 와이어 재질의 V은 조성 원소로 포함되는데, 이들 불순물들과 용질 원소 V은 용융 후 냉각 과정 동안 α상 덴드라이트의 경계인 인터 덴드라이트에 집적된다. 이것이 α- lath 구조이며 α-lath 경계가 불술물 집적 지역인 인터 덴드라이트에 해당한다. 이 때 α상은 순수 Ti 또는 Ti-Al 성분으로 구성되고 β상은 O, Fe 불순물 또는 V 용질 원자 집적 성분으로 구성된다.

4. 결 론

  • 1) 순수 Ti GTAW 클래딩에서 FZ (fusion zone) 및 HAZ (heat affected zone) 미세조직은 Pure Ti 성분의 α상과 불순물인 Fe-rich 성분 β상의 라멜라 적층 조직으로 구성된다.

  • 2) 순수 Ti GTAW 클래딩에서 라멜라 간격은 5-10㎛ 폭의 FZ 보다 4-5㎛ 폭의 HAZ 지역이 미세하게 관찰되었는데, 이것은 HAZ 냉각속도가 FZ 보다 빠른 것에 기인한다.

  • 3) Ti-6Al-4V GTAW 클래딩에서 FZ의 미세조직은 V-rich α상과 V-lean β상의 라멜라 조직으로 구성된다. 라멜라 간격은 1.5㎛ 폭으로 측정된다.

  • 4) Ti-6Al-4V GTAW 클래딩에서 HAZ미세조직은 α상 기지조직에 길이 10㎛ 이하 정도의 긴 β상 석출 조직으로 관찰된다.

  • 5) Ti-6Al-4V GTAW 클래딩에서 FZ/HAZ1/ HAZ2/ BM 경도는 421/444/225/194HV 로써 FZ 방향의 HAZ 경도는 FZ에 비교하여 크지만, 모재 (BM, base metal) 경도는 BM에 준하여 낮은 것을 알 수 있다. 이러한 이유는 HAZ 경도가 Ti-6Al-4V 성분의 FZ와 순수 Ti 성분의 BM 확산에 영향을 받았기 때문인 것으로 판단된다.

후 기

본 연구는 강릉원주대학교 중소기업산학협력센터의 지원사업으로 수행되었습니다.

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