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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 이호성
- 발행연도
- 2017
- 저작권
- 과학기술연합대학원대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수7
이 논문의 연구 히스토리 (5)
2017
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알루미늄 합금은 밀도가 낮은 특성으로 항공우주, 선박, 철도, 자동차 분야 등 부품과 소재의 경량화가 필요한 다양한 산업에서 두루 사용되고 있다. 특히 항공우주 분야에서 경량 재료의 사용은 구조적 효율성과 연료 절약, 페이로드의 증가 등 많은 효과를 기대할 수 있어 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만 알루미늄 합금은 일반적으로 용융점이 낮고 열팽창률과 열전도율이 높아 일반 용융용접으로는 접합이 어려워 난용접금속으로 분류되고 있다. 특히 리튬을 포함한 AA2195 합금은 용융용접 시 리튬의 증발로 인하여 용접부 내부에 기공이 생기는 등 많은 용접결함이 발생할 수 있다. 따라서 알루미늄 합금의 용융용접의 대안으로 마찰교반접합법이 개발되었고, NASA, ESA, JAXA 등 해외의 항공우주 선진국에서는 마찰교반접합을 이용하여 발사체의 극저온탱크를 접합하고 있다.
본 논문에서는 한국형발사체(KSLV-II)의 극저온탱크의 재료로 사용 예정인 AA2219-T87 합금을 마찰교반접합하고 접합변수에 따른 접합부 물성의 변화를 비교하였다. 또한 AA2219-T87 합금과 3세대 Al-Li 합금인 AA2195-T8 합금을 이종접합하여 접합변수의 변화에 따른 미세조직 및 기계적 물성의 변화를 확인하였다. 최적의 접합부 물성을 나타내는 접합변수를 구하였고, 접합부에서 발생하는 강화 메커니즘을 규명하였다.
실험은 수직형 머시닝 기구를 개조하여 만든 마찰교반접합용 설비를 사용하여 AA2219-T87 합금과 AA2195-T8 합금을 맞대기 접합하였다. 산화막의 영향을 방지하기 위해 표면의 산화층을 제거하여 마찰교반접합하였다. 접합한 시편의 접합부 조직 특성을 파악하기 위해 광학현미경을 이용하여 미세조직을 관찰하였다. 또한, 석출상의 존재를 확인하기 위해 온도조절 X-선 회절분석(XRD)과 시차주사열량계(DSC), 투과전자현미경(TEM)을 이용하였다. 접합부의 기계적 특성을 알아보고자 상온에서 인장시험과 미세경도측정을 수행하였으며, 인장강도와 연신율, 파단모드를 각 접합조건별로 비교하였다.
본 연구에서의 접합조건은 동종접합과 이종접합 두 연구 모두 툴의 이송속도는 120-300 mm/min, 툴의 회전속도는 400-800 rpm으로 접합을 진행하였다. 이종접합의 경우 시편의 위치를 서로 바꾸어주어 접합하는 식으로 툴의 회전방향을 변화시켜 주었다.
툴의 회전속도가 증가함에 따라 교반부와 열기계적영향부(TMAZ)가 이루는 각도가 증가하였고, 경도와 인장강도, 연신율 등 기계적 물성도 증가하는 경향을 보였다. DSC, XRD와 TEM 분석 결과 접합 후에도 교반부에 θ'' 석출상이 존재하여 석출경화가 되었음을 확인하였다. 접합부의 인장강도는 모재 대비 75%의 접합 효율을 나타내었다.
AA2219-T87 합금의 동종접합과 AA2219-T87, AA2195-T8 합금의 이종접합 모두 교반부의 기계적 물성이 가장 우수한 접합 조건은 툴의 회전속도 600 rpm, 이송속도 180 mm/min로 나타났다. 또한 교반부와 열기계적영향부가 이루는 기울기의 각도가 접합 후 교반의 정도를 나타내는 척도로 쓰일 수 있음을 확인하였다.
본 논문에서는 한국형발사체(KSLV-II)의 극저온탱크의 재료로 사용 예정인 AA2219-T87 합금을 마찰교반접합하고 접합변수에 따른 접합부 물성의 변화를 비교하였다. 또한 AA2219-T87 합금과 3세대 Al-Li 합금인 AA2195-T8 합금을 이종접합하여 접합변수의 변화에 따른 미세조직 및 기계적 물성의 변화를 확인하였다. 최적의 접합부 물성을 나타내는 접합변수를 구하였고, 접합부에서 발생하는 강화 메커니즘을 규명하였다.
실험은 수직형 머시닝 기구를 개조하여 만든 마찰교반접합용 설비를 사용하여 AA2219-T87 합금과 AA2195-T8 합금을 맞대기 접합하였다. 산화막의 영향을 방지하기 위해 표면의 산화층을 제거하여 마찰교반접합하였다. 접합한 시편의 접합부 조직 특성을 파악하기 위해 광학현미경을 이용하여 미세조직을 관찰하였다. 또한, 석출상의 존재를 확인하기 위해 온도조절 X-선 회절분석(XRD)과 시차주사열량계(DSC), 투과전자현미경(TEM)을 이용하였다. 접합부의 기계적 특성을 알아보고자 상온에서 인장시험과 미세경도측정을 수행하였으며, 인장강도와 연신율, 파단모드를 각 접합조건별로 비교하였다.
본 연구에서의 접합조건은 동종접합과 이종접합 두 연구 모두 툴의 이송속도는 120-300 mm/min, 툴의 회전속도는 400-800 rpm으로 접합을 진행하였다. 이종접합의 경우 시편의 위치를 서로 바꾸어주어 접합하는 식으로 툴의 회전방향을 변화시켜 주었다.
툴의 회전속도가 증가함에 따라 교반부와 열기계적영향부(TMAZ)가 이루는 각도가 증가하였고, 경도와 인장강도, 연신율 등 기계적 물성도 증가하는 경향을 보였다. DSC, XRD와 TEM 분석 결과 접합 후에도 교반부에 θ'' 석출상이 존재하여 석출경화가 되었음을 확인하였다. 접합부의 인장강도는 모재 대비 75%의 접합 효율을 나타내었다.
AA2219-T87 합금의 동종접합과 AA2219-T87, AA2195-T8 합금의 이종접합 모두 교반부의 기계적 물성이 가장 우수한 접합 조건은 툴의 회전속도 600 rpm, 이송속도 180 mm/min로 나타났다. 또한 교반부와 열기계적영향부가 이루는 기울기의 각도가 접합 후 교반의 정도를 나타내는 척도로 쓰일 수 있음을 확인하였다.
목차
국문 초록ABSTRACT목차그림 목차표 목차1. 서 론 11.1 연구 배경 11.2 연구 목적 41.3 논문 구성 62. 이론적 배경 72.1 알루미늄 합금 72.1.1 Al-Li 합금 112.1.2 Al-Cu-Li 합금 142.2 마찰교반접합 162.2.1 마찰교반접합의 원리 및 특성 162.2.2 마찰교반접합의 접합변수 192.2.3 툴의 재질과 형상 202.2.4 접합재의 재질에 따른 접합속도 계산 222.2.5 접합부 조직 특성 242.2.6 온도 분포 및 열전도 이론 252.3.6.1 마찰교반접합의 접합부 온도분포 252 .3.6.2 열전도 이론 292.3 마찰교반접합 기술 동향 312.3.1 국외 적용 사례 312.3.1.1 항공기 적용 사례 312.3.1.2 발사체 적용 사례 352.3.2 국내 적용 사례 403. 실험 방법 413.1 사용 재료 413.2 마찰교반접합 공정 423.2.1 시편 제작 423.2.2 실험 장비 433.2.3 접합변수 설정 433.3 상온 인장 시험 463.4 미세 경도 측정 473.5 열물성시험 493.6 고온 X-선 회절분석 503.7 미세조직 관찰 513.7.1 광학현미경 관찰 513.7.2 전자현미경 관찰 524. AA2219 합금의 동종 마찰교반접합 544.1 접합 결과 544.2 기계적 물성 564.2.1 인장시험 결과 564.2.2 경도측정 결과 604.3 열물성시험 결과 624.4 미세조직 관찰 결과 654.4.1 광학현미경 관찰 654.4.1.1 미세조직 관찰 654.4.1.2 계면 기울기 비교 704.5 결론 735. AA2219-AA2195 합금의 이종 마찰교반접합 755.1 접합 결과 755.2 기계적 물성 775.2.1 인장시험 결과 775.2.2 경도측정 결과 845.3 열물성시험 결과 885.4 X-선 회절분석 결과 925.5 미세조직 관찰 945.5.1 광학현미경 관찰 결과 945.5.1.1 미세조직 관찰 945.5.1.2 계면 기울기 비교 1015.5.2 투과전자현미경 관찰 결과 1045.6 결론 1116. 총괄 114참고문헌 116
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