Graphical abstract

1. Introduction

Ni계 합금은 고온 환경에서 우수한 내산화성, 상안정성 및 기계적 강도를 바탕으로 항공•우주, 발전 및 첨단 에너지 시스템 분야의 고온 구조재로 널리 활용되어 왔다[1-3]. 최근 극초음속 발사체, 차세대 우주 추진 시스템 및 첨단 에너지 변환 장치의 개발이 가속화됨에 따라 구조 부품의 운용 환경이 더욱 가혹한 열적•기계적 조건으로 확장되고 있다. 이에 따라 고온 강도 및 장시간의 열 노출에 대한 미세조직 안정성을 향상시킬 필요성이 커지고 있다. 특히 1000 °C 이상의 초고온 조건에서는 열활성화된 전위 이동, 입계 이동, 동적 회복 및 크리프성 변형이 촉진되어 기존 Ni계 합금의 기계적 특성이 급격히 저하될 수 있다[4-6]. 따라서 차세대 초고온 구조 응용 분야의 초고온 환경에서도 우수한 변형 저항성을 유지할 수 있는 Ni계 소재의 새로운 강화 설계가 필요하다.

Ni계 산화물 분산강화(ODS) 합금은 열적으로 안정한 미세 산화물에 의해 전위 이동 및 입계 이동을 억제함으로써 우수한 고온강도와 크리프 저항성을 나타내는 것으로 알려져 있다[7-9]. 일반적인 ODS 합금은 기계적 합금화(Mechanical alloying, MA)를 통해 산화물 입자를 미세하게 분산시키는 방식으로 제조된다[10]. 그러나 본 연구에서 사용한 Ni계 분말은 전통적인 MA 기반 ODS 합금이 아니라, ODS 합금 설계에 활용되는 Y, Al, Cr 등의 원소 조성을 기반으로 아토마이징 공정을 통해 제조된 ODS-composition 합금 분말이다. 따라서 본 연구에서 산화물 분산강화 효과 자체를 직접적으로 전제하기 보다 ODS 기반의 조성을 갖는 Ni계 기지를 소재로 고려하였다. 또한 1000℃ 이상의 초고온에서는 산화물 분산상이 비교적 안정하게 유지되더라도 Ni 기지에서 열활성화된 전위 이동과 고온 변형이 지속될 수 있으므로, 기지의 고온 소성 유동을 추가적으로 제어할 수 있는 강화 전략이 요구된다.

이러한 관점에서 높은 융점과 고온 변형 저항성을 갖는 고융점 구성상을 Ni계 기지에 도입하는 다상 복합화 전략은 유효한 접근법이 될 수 있다. Nb-Si-Ti계 refractory silicide 합금은 높은 융점과 경도를 갖는 silicide 관련 상을 포함하며, 초고온에서 우수한 강도 및 열적 안정성을 나타내는 것으로 보고되어 있다[11-13]. 이러한 경질 고융점 구성상은 Ni계 기지의 국부적인 소성변형을 기계적으로 구속하여 고온 변형 저항성 향상에 기여할 가능성이 있다. 한편 Mo계 refractory 합금은 높은 융점과 우수한 고온 기계적 안정성을 바탕으로 금속성 고융점 강화 구성상으로 작용할 수 있다 [14, 15]. 따라서 Nb-Si-Ti계 refractory silicide 합금과 Mo계 refractory 합금의 동시 도입은 silicide 관련 경질상에 의한 기지 변형 구속과 Mo계 고융점 구성상의 하중 분담을 함께 활용하기 위한 복합 강화 설계로 고려할 수 있다.

기존 연구는 주로 Ni계 ODS 합금의 산화물 분산, 미세조직 및 제조 공정에 관한 연구[7-10]와 Nb-Si계 및 Mo계 고융점 합금의 조성설계와 제조 및 고온 특성에 관한 연구[11-15]에 집중되어 왔다. 반면 Ni계 ODS 조성 기반 기지에 서로 다른 종류의 고융점 합금 분말을 독립적인 강화 구성상으로 동시에 도입하고, spark plasma sintering (SPS)을 통해 다상 복합소재로 고화한 연구는 상대적으로 제한적이다. 특히 SPS를 통해 형성된 상 구성과 다상 미세조직의 특성이 1000 °C 이상의 고온 변형 저항성과 어떠한 연관성을 갖는지는 충분히 규명되지 않았다. 따라서 본 연구에서는 Ni계 ODS 조성 기반 합금 분말에 Nb-Si-Ti계 refractory silicide alloy powder 25 wt.%와 Mo계 refractory alloy powder 10 wt.%를 혼합하고 SPS 공정을 통해 Ni-based Multicomponent Refractory Composite (Ni-MRC)를 제조하였다. 이후 상분석, 미세조직 및 1050 °C에서 고온 압축 거동을 비교•분석하여 고융점 구성상 도입에 따른 미세조직 변화와 초고온 변형 저항성 향상 가능성을 평가하고자 하였다.

2. Experimental Section

2.1 Starting Powders and SPS Consolidation

본 연구에서는 Ni계 ODS 조성 기반 합금 분말을 기준 소재로 사용하였다. Ni계 ODS 조성 기반 합금 분말의 조성 및 Nb-Si-Ti silicide, Mo계 고융점 합금 분말의 조성을 Table 1에 기재하였다. 복합 분말은 Ni계 ODS 조성 기반 합금 분말 65 wt.%, Nb-Si-Ti계 고융점 silicide 합금 분말 25 wt.%, Mo계 고융점 합금 분말 10 wt.%를 혼합하여 제조하였다. 본 혼합비는 선행적으로 수행한 조성 설계 결과를 바탕으로 선정하였으며 Ni계 기지를 주 구성상으로 유지하면서 Nb-Si-Ti계 refractory silicide 및 Mo계 고융점 구성상을 복합적으로 도입하여 고온 변형 저항성 향상을 평가하기 위한 조성으로 설정하였다. 복합 합금의 균일한 조성을 위해 Acoustic mixer (LabRAMII, Resodyn)를 활용하여 60 G의 조건으로 1 min 동안 혼합하고 총 7회 수행하였다. 본 연구에서는 Ni계 ODS 조성 기반 복합 소재를 Ni-MRC로 명명하였다. Ni-MRC는 Ni-based Multicomponent Refractory Composite를 의미한다. 기지 분말과 혼합 복합 분말의 형상은 주사전자현미경[JSM-7100F, JEOL]을 이용하여 관찰하였다. 이를 통해 분말의 입자 형상, 표면 상태, 그리고 혼합 분말 내 고융점 합금 분말의 분포를 평가하였다. 단일 Ni계 ODS 조성 기반 합금 분말과 Ni-MRC 복합소재는 spark plasma sintering을 이용하여 소결하였다. 분말은 내경 15 mm의 graphite die에 장입한 후 5× 10^-3 Pa까지 진공 후 Ar 분위기에서 소결하였다. SPS는 1100 °C에서 50 MPa의 압력을 가하여 5 min 동안 유지하였으며, 승온 속도는 50 °C/min으로 설정하였다. Nb-Si-Ti계 silicide 및 Mo계 고융점 합금 첨가 효과를 직접 비교하기 위해 단일 Ni계 ODS 조성 기반 합금과 Ni-MRC 복합소재는 동일한 SPS 조건을 적용하였다. SPS 후 소결된 시편은 밀도 측정, 미세조직 관찰 및 고온 압축시험을 위해 표준 금속조직 시편 준비 절차에 따라 연마 및 polishing을 수행하였다. SPS로 소결된 단일 Ni계 ODS 조성 기반 합금과 Ni-MRC 복합소재의 상분석은 X-선 회절(SmartlabX2, Rigaku)을 이용하여 수행하였다. Cu-Kα (λ = 1.5406 Å)을 사용하였으며 4 °/min의 속도로 측정하였다.

2.2 Microstructural Characterization and Mechanical Testing

SPS로 소결된 시편의 밀도는 Archimedes method를 이용하여 측정하였다. 상대밀도는 조성과 분말 혼합비를 바탕으로 계산한 이론밀도와 측정밀도를 비교하여 산출하였다. Ni-MRC 복합소재의 이론밀도는 각 구성 분말의 물성치를 기반으로 한 혼합법칙(rule of mixtures)을 적용하여 산출하였다.

(1)

ρth=1ω1ρ1+ω2ρ2+ω3ρ3

여기서 ω1, ω2, ω3는 Ni계 ODS 조성 기반 합금 분말, Nb-Si-Ti계 고융점 silicide 합금 분말, Mo계 고융점 합금 분말의 중량분율(각각 0.65, 0.25, 0.10)이며, ρ1, ρ2, ρ3는 각 분말의 이론밀도로서 합금 조성을 바탕으로 산출하였다. 단일 Ni계 ODS 조성 기반 합금의 이론밀도는 동일한 방법으로 계산하였다. 미세조직 분석은 electron backscatter diffraction(EBSD; [MIRA3, Tescan])을 이용하여 수행하였다. EBSD 측정은 가속전압 10 kV, step size 0.5 μm 조건에서 수행하였다. Phase map은 Ni계 기지상과 고융점 관련 구성상의 공간적 분포를 확인하는 데 사용하였으며, KAM map은 국부 misorientation 및 격자 왜곡 정도를 비교하는 데 활용하였다. Grain boundary 분석에서는 2–15° 범위의 저경각입계와 15° 이상의 고경각입계를 구분하였다. 이러한 EBSD 기반 분석은 고융점 구성상 도입에 따른 다상 미세조직 형성, 국부 strain heterogeneity 및 기지 변형 구속 효과를 해석하기 위해 수행하였다. 고온 압축시험은 Gleeble thermal-mechanical physical simulator (Gleeble3500, Dynamic Systems Inc.)를 이용하여 수행하였다. SPS 소결재의 1050 °C 변형 거동을 평가하였다. 고온 압축시험용 원통형 시편은 소결재를 직경 5 mm, 높이 15 mm의 크기로 가공하였다. 시편은 100 °C/s의 승온 속도로 1050 °C까지 가열한 후, 열적 균질화를 위해 5 s 동안 유지하였다. 이후 1×10⁻³ s⁻¹의 변형률 속도로 true strain 0.5까지 압축하였다. Gleeble 압축시험 데이터로부터 true stress–true strain curve를 얻었다. 최대응력과 유동응력을 단일 Ni계 ODS 조성 기반 합금과 Ni-MRC 복합소재를 비교하여 고온 압축 조건에서 Nb-silicide 및 Mo계 고융점 합금 첨가에 따른 강화 효과를 평가하였다.

3. Results and Discussion

Fig. 1은 본 연구에서 사용한 세 가지 출발 분말의 SEM 이미지를 보여준다. 세 분말 모두 전반적으로 구형의 입자 형상을 나타내었으나, 표면 특성 및 입도 분포에서는 미세한 차이가 관찰되었다. Ni계 ODS 조성 기반 합금 분말(Fig. 1a)은 구형 형상을 유지하면서 표면 전반에 걸쳐 주름형(wrinkled) 요철 조직이 발달한 거친 표면 특성을 나타내었다. Nb-Si-Ti계 고융점 silicide 합금 분말(Fig. 1b)은 세 분말 중 가장 매끄러운 표면을 보였으며, 비교적 균일한 입도 분포를 나타내었다. Mo계 고융점 합금 분말(Fig. 1c)은 표면에 셀룰러(cellular) 패턴의 미세 요철이 관찰되었으며, 조대 입자 주변에 다수의 미세 입자가 공존하는 넓은 입도 분포를 나타내었다. 이러한 분말별 표면 형상 및 입도 분포의 차이는 혼합 분말의 충진 거동 및 SPS 소결 공정에서의 치밀화 거동에 영향을 미칠 수 있는 인자로 고려되어야 한다.

Fig. 2는 SPS로 소결된 단일 Ni계 ODS 조성 기반 합금과 Ni-MRC 복합소재의 XRD 패턴을 보여준다. Fig. 2a의 Ni계 ODS 조성 기반 합금은 주로 Ni-rich FCC 기지상에 해당하는 회절피크를 나타냈다. (b)의 Ni-MRC 복합소재에서는 약 44.1°, 51.5°, 75.8° 및 97.4° 부근의 피크가 각각 Ni-rich FCC 기지상의 (111), (200), (220) 및 (222) 반사에 해당하는 것으로 해석된다. 이러한 피크 지정은 FCC Ni의 표준 회절 패턴(PDF#04-0850)과 잘 일치한다[16]. Ni-rich FCC 기지상 피크 외에도, Ni-MRC 복합소재에서는 다수의 뚜렷한 추가 회절피크가 관찰되었다. 특히 약 40.7°, 59.2° 부근의 뚜렷한 피크와 약 88.1° 부근의 피크는 Mo계 합금 분말에서 기인한 Mo-rich BCC 고융점 상에 해당하는 것으로 해석할 수 있다. 40.7° 부근의 피크는 약 2.216 Å의 d-spacing에 해당하며, 이는 BCC Mo의 주 회절 패턴과 잘 일치한다(PDF#42-1120)[17]. 다만 본 연구에서 사용한 Mo계 합금은 Ti, V, Zr과 같은 원소가 첨가되어 이를 순수 Mo 상으로 단정하기보다는 Mo-rich BCC 고융점 고용체로 표기하였다.

또한 37.3°, 44.9°, 46.3°, 71.9° 및 79.5° 부근에서 관찰되는 추가 피크들은 Ni-rich FCC 기지상 또는 Mo-rich BCC 상만으로는 완전히 설명되기 어렵다. 이러한 피크들은 Nb-Si-Ti계 고융점 silicide 합금에서 기인한 Nb-silicide 관련 구성상에 해당할 가능성이 있으나, 여러 silicide계 후보상의 회절 피크가 중첩될 수 있으므로 본 연구에서 이를 Nb-silicide 관련 구성상에 기인한 것으로 해석하였다. Nb-silicide계 합금에서는 합금 조성과 제조 이력에 따라 Nb 고용체, Nb5Si3계 또는 Nb3Si계 silicide 상이 형성될 수 있음이 보고되어 있다[11, 13]. 본 Ni-MRC 복합소재는 Nb, Si, Ti, Hf, Sn, Mo, Ta, W 등 여러 고융점 원소를 포함하므로, 고융점 고용체와 silicide 관련 구성상 사이의 피크 중첩 가능성이 존재한다. 따라서 모든 minor phase를 명확히 확정하기 위해서는 추가적인 reference pattern matching 또는 Rietveld refinement가 필요하다. 그럼에도 불구하고 XRD 결과는 SPS 소결 후 Ni-MRC 복합소재에서 Ni-rich FCC 기지상과 함께 Mo-rich BCC 고융점 상 및 Nb-silicide 관련 구성상에 해당하는 회절 피크가 존재함을 보여주며 고융점 구성상이 소결 후에도 구분된 결정상으로 존재함을 시사한다.

Ni계 ODS 조성 기반 합금 분말과 Ni-MRC 복합소재 분말은 SPS 공정을 통해 소결하였다. Ni계 ODS 조성 기반 합금과 Ni-MRC 복합소재의 이론 밀도는 각각 8.21 g/cm³, 7.81 g/cm³ 이다. 측정 밀도는 각각 8.10 g/cm³ 및 7.77 g/cm³ 으로 각 시편의 상대밀도는 각각 98.7% 및 99.5% 로 두 시편 모두 높은 치밀화 수준을 나타내었다. Ni-MRC 복합소재는 Ni계 기지와 확산성 및 융점 특성이 다른 고융점 합금 구성상을 포함하고 있음에도 불구하고, 단일 Ni계 ODS 조성 기반 합금과 유사한 치밀화를 나타냈다. Ni-MRC 복합소재의 99.5%에 이르는 높은 상대밀도는 전반적으로 양호한 치밀화가 이루어졌음을 보여주며 구성상 간 하중 전달이 가능한 소결체 형성에 유리한 조건으로 볼 수 있다. 다만 구성상 간 계면 결합 강도 자체는 본 연구에서 직접 평가되지 않았다. 이는 SPS가 복잡한 조성의 분말 혼합체로부터 Ni계 ODS 조성 기반/고융점 hybrid 복합소재를 제조하기에 적합한 고화 공정임을 시사한다. SPS의 빠른 승온 속도, 짧은 유지시간 및 압력 보조 치밀화 특성은 다성분 분말계를 고화하면서 과도한 결정립 성장과 계면 반응을 억제하는 데 유리한 것으로 알려져 있다[18].

Fig. 3은 SPS로 소결된 Ni계 ODS 조성 기반 합금과 Ni-MRC 복합소재의 EBSD 분석 결과를 나타내었다. 본 연구에서 활용된 복합소재는 결정구조가 상이한 다수의 구성상을 포함하고 있어 EBSD phase map 단독으로는 각 구성상의 명확한 식별에 한계가 나타났다. 또한 EBSD phase map에서는 결정구조 기반 indexing 결과에 따라 BCC phase와 두 종류의 FCC phase로 구분하였으며 각 영역의 구체적인 상 해석은 EDS 원소 분포 및 XRD 결과를 함께 고려하여 상 식별의 신뢰성을 보완하였다. 또한 두 분석 결과를 종합하여 phase 분포, Kernel Average Misorientation(KAM) 및 입계 특성 분포를 평가하였다. 단일 Ni계 ODS 조성 기반 합금은 주로 Ni-rich 기지상으로 이루어진 비교적 균일한 미세조직을 나타냈으며, 소량의 2차 구성상이 국부적으로 분포하였다. 반면 Ni-MRC 복합소재는 보다 뚜렷한 이질적 다상 미세조직을 나타냈으며, 이는 Nb-Si-Ti계 및 Mo계 고융점 합금 분말의 도입으로 구성상의 공간적 분리를 유도하였음을 시사한다. 이러한 결과는 복합 분말 내 고융점 구성상이 소결 후에도 유지되었음을 보여준 XRD 분석 결과와 잘 일치한다. KAM map 분석 결과 단일 Ni계 ODS 조성 기반 합금의 평균 KAM 값은 0.34°였으나, Ni-MRC 복합소재에서는 0.50°로 증가하였다. KAM은 국부적인 misorientation 및 격자 왜곡을 나타내는 지표로 값이 증가할수록 결정립 내부 orientation gradient 및 lattice curvature가 증가했음을 의미한다. 이로부터 기하학적 필요 전위(geometrically necessary dislocation, GND) 밀도를 ρGND = 2θ KAM/ (l•b) 식으로 추산할 수 있다[19]. 여기서 θKAM은 KAM 각도(rad), l은 EBSD step size(0.5 μm), b는 Ni의 버거스벡터(2.49 × 10⁻¹⁰ m)이다. 산출된 GND 밀도는 단일 합금 9.53 × 10¹³ m⁻², Ni-MRC 복합소재 1.40 × 10¹⁴ m⁻²로, 복합소재에서 약 1.47배 높은 수준을 나타내었다. 이는 소결 과정에서 열팽창계수가 상이한 고융점 구성상과 Ni계 기지 간의 열적•기계적 불균질성에 의해 국부적인 격자 회전과 변형 불일치가 증가하였음을 시사한다. 따라서 증가된 KAM 및 GND 밀도는 고융점 구성상 도입에 의해 Ni-MRC 내부의 미세조직적 불균질성이 증가하였음을 보여주는 지표로 해석할 수 있다. 복합소재에서 관찰된 높은 KAM 값은 고융점 구성상 도입에 의한 국부적인 결정방향 구배와 결정학적 왜곡 심화를 반영하며, 이는 상대적으로 연성이 큰 Ni계 기지와 기계적으로 강한 고융점 상 사이의 변형 불일치에 기인한 것으로 해석된다. 입계 분석 결과, 저경각입계(2–15°)의 분율은 단일 합금의 14.7%에서 Ni-MRC의 21.3%로 증가하였다. LAGB는 비교적 작은 misorientation을 갖는 입계로 전위 배열에 의해 형성된 하부구조 경계와 관련될 수 있다. 따라서 LAGB 분율의 증가는 KAM 및 GND 증가와 함께 고융점 구성상 도입에 따른 국부적인 격자 회전(lattice rotation)과 미세조직적 불균질성 증가를 뒷받침한다.

Fig. 4는 1050 °C에서 수행한 Gleeble 기반 압축시험으로부터 얻은 true stress–true strain 곡선을 보여준다. 두 시편 모두 변형 초기에는 유동응력이 빠르게 증가한 후 최대응력에 도달하였으며, 이후 true strain이 증가함에 따라 점진적인 유동 연화(flow softening)를 나타냈다. 이러한 거동은 초기 단계에서는 변형경화(strain hardening)가 발생하지만, 1050 °C에서 변형이 지속됨에 따라 열활성화된 연화 기구의 기여가 증가하였음을 시사한다. 다만 본 연구에서는 변형 후 미세조직 분석을 수행하지 않았으므로, 이러한 연화 거동이 동적 회복(dynamic recovery) 또는 동적 재결정(dynamic recrystallization) 중 어느 기구에 의해 지배되었는지는 현재의 응력–변형률 곡선만으로 명확히 구분하기 어렵다.

단일 Ni계 ODS 조성 기반 합금의 최대응력은 107.17 MPa로 나타났다. 반면 Ni-MRC 복합소재는 221 MPa의 현저히 높은 최대응력을 나타냈다. 이는 단일 합금 대비 약 106% 증가한 값이며, 약 2.06배 향상된 수준이다. 이러한 결과는 Nb-Si-Ti계 합금 및 Mo계 고융점 합금 구성상의 도입이 Ni계 기지의 초고온 변형 저항성 향상과 연관되어 있음을 보여준다. 구성 분말의 이론밀도와 혼합비를 바탕으로 환산한 체적분율은 Ni계 ODS 조성 기반 합금, Nb-Si-Ti계 및 Mo계 고융점 구성상이 각각 약 61.8 vol.%, 30.0 vol.% 그리고 8.2 vol.%로 계산되었다. 다만 복합소재의 전체 유동응력은 단순 체적분율만으로 각 구성상의 하중 분담을 정량적으로 산정할 수 없으며 각 상의 고온 기계적 특성과 SPS에 따른 기지 조성 및 미세조직 그리고 구성상 사이의 계면 건전성 등의 영향을 함께 고려해야 한다. 따라서 본 연구에서는 Mo-rich BCC 및 Nb-silicide 관련 구성상이 고온 하중 지지와 기지 변형 구속에 기여했을 가능성을 정성적으로 해석하였다. 한편 앞서 확인된 높은 상대밀도는 구성상 간 하중 전달에 유리한 치밀화 상태가 형성되었음을 간접적으로 뒷받침한다. 다만 계면 건전성 및 각 구성상의 하중 분담을 정량적으로 평가하기 위해서는 추가적인 분석이 필요하다.

Ni-MRC 복합소재의 향상된 고온 변형 저항성은 미세조직적 관점에서 다음과 같이 고찰할 수 있다. 먼저 XRD에서 확인된 Mo-rich BCC 고융점 상은 높은 융점과 우수한 고온 안정성을 가지므로[14, 15] Ni계 기지의 열활성화 연화가 진행되는 1050 °C 조건에서도 상대적으로 높은 변형 저항성을 유지하며 하중 분담에 기여했을 가능성이 있다. 또한 Nb-silicide 관련 구성상 역시 높은 경도와 우수한 열적 안정성을 갖는 silicide계 상의 일반적인 특성을 고려할 때[11-13] Ni계 기지의 국부적인 소성유동의 구속에 기여했을 가능성이 있다. 둘째, 국부적인 미세조직 불균질성 측면에서, EBSD 분석으로부터 산출된 GND 밀도는 단일 합금의 9.53 × 10¹³ m⁻²에서 Ni-MRC의 1.40 × 10¹⁴ m⁻²로 약 1.47배 증가하였다. 이러한 GND 밀도 증가는 고융점 구성상의 도입에 따라 Ni계 기지 내부의 국부적인 격자 회전 및 변형 불일치가 증가하였음을 나타낸다. 이는 상대적으로 연성이 높은 Ni계 기지와 고융점 구성상 사이의 열적•기계적 불균질성에 의해 형성된 초기 결정학적 불균질성을 뒷받침하는 미세조직적 근거로 해석할 수 있다. 다만 본 KAM 및 GND 분석은 SPS 소결 후 상태를 대상으로 수행되었으므로, 이러한 초기 미세조직적 불균질성이 1050 °C 고온 변형 과정에서 실제 변형 분담 및 변형 저항성에 미치는 영향을 직접적으로 규명하기 위해서는 변형 후 EBSD 분석이 추가적으로 요구된다. 또한 LAGB 분율은 14.7%에서 21.3%로 증가하였다. 이것은 Ni-MRC에서 하부구조 경계 및 국부적인 격자 회전이 보다 잘 발달하였음을 보여주며, KAM 및 GND 증가와 함께 고융점 구성상 도입에 따른 미세조직적 불균질성을 뒷받침한다. 복합소재 역시 최대응력 이후에는 유동 연화를 나타냈지만, 전체적인 응력 수준은 단일 Ni계 ODS 조성 기반 합금보다 훨씬 높게 유지되었다. 이는 고융점 구성상이 열활성화 연화를 완전히 억제하지 못하지만 Ni계 기지의 고온 소성유동을 구속하여 전체적인 변형 저항성에 기여했을 가능성을 시사한다. 본 연구의 SPS 및 Gleeble 시험 조건에서는 Nb-silicide 및 Mo계 고융점 구성상의 존재가 1050 °C에서의 높은 변형 저항성과 연관된 것으로 해석된다.

SEM, XRD, EBSD 및 Gleeble 압축시험 결과를 종합하면 Ni-MRC 복합소재는 Ni계 ODS 조성 기반 기지와 Mo-rich BCC 고융점 상 및 Nb-silicide 관련 구성상을 포함하는 다상 구조를 형성함을 보여준다. EBSD에서 관찰된 KAM 및 GND 증가는 이러한 다상 구조에 따른 초기 미세조직적 불균질성이 증가하였음을 시사한다. 또한 Mo-rich BCC 고융점 상의 하중 분담과 Nb-silicide 관련 구성상에 의한 기지 변형 구속이 고온 변형 저항성 향상에 기여했을 가능성이 있다. 그 결과 Ni-MRC 복합소재는 1050 °C에서 Ni계 ODS 조성 기반 합금 대비 약 106% 높은 최대응력을 나타냈다. 따라서 Nb-Si-Ti계 및 Mo계 고융점 합금 분말을 이용한 hybrid 복합소재의 설계는 Ni계 ODS 조성 기반 합금의 초고온 기계적 성능 향상을 위한 유효한 소재 설계 전략으로 평가될 수 있다.

4. Conclusion

본 연구에서는 Ni계 ODS 조성 기반 합금 분말에 Nb-Si-Ti계 고융점 silicide 합금 분말과 Mo계 고융점 합금 분말을 혼합하고, SPS 공정을 통해 Ni-MRC 복합소재를 제조하였다. XRD 분석 결과, SPS 소결된 Ni-MRC 복합소재에서는 Ni-rich FCC 기지상 외에도 Mo-rich BCC 고융점 상과 Nb-silicide 관련 구성상에 해당하는 추가 회절 피크가 관찰되었으며, 이는 도입된 고융점 구성상이 SPS 소결 후에도 Ni계 기지와 구분된 결정상으로 존재할 가능성을 시사한다. EBSD 분석에서는 Ni계 ODS 조성 기반 합금보다 높은 KAM, GND 밀도 및 LAGB의 분율이 나타나 보다 높은 초기 미세조직적 불균질성을 보였다. 고온 압축 시험에서 Ni-MRC 복합소재는 1050 °C에서 221 MPa의 최대응력을 나타내어 Ni계 ODS 조성 기반 합금의 107.17 MPa 대비 약 106% 향상된 변형 저항성을 보였다. 이는 Mo-rich BCC 고융점 구성상의 하중 분담 효과와 Nb-silicide 관련 구성상에 의한 기지 변형 구속이 고온 변형 저항성 향상에 기여했을 가능성을 시사한다. 다만 이러한 변형 메커니즘은 본 연구에서는 복합소재 내부 각 구성상이 담당하는 하중의 비율을 직접 측정하지 않아 각 구성상의 강화 기여를 정량적으로 분리하는 데는 한계가 있다. 향후 변형 후 미세조직 분석을 통해 Ni-MRC 복합소재의 고온 변형 메커니즘을 보다 구체적으로 규명할 필요가 있다. 그러나 본 연구 결과는 Ni계 기지와 Nb-silicide 및 Mo계 고융점 합금 분말을 활용한 복합화 설계가 Ni계 ODS 조성 기반 합금의 초고온 기계적 성능을 향상시키기 위한 효과적인 전략임을 제시하였다.

Article information

Funding

This work was supported by the National Research Foundation of Korea (NRF) grant funded by the Korea government (MSIT) (No. RS-2022-NR068195).

Conflict of Interest

The authors have no conflicts of interest to declare.

Data Availability Statement

The data presented in this study are available within the article.

Author Information and Contribution

Song-Yi Kim: conceptualization, formal analysis, writing–original draft

Do-Hun Kwon: investigation, resources

Eun-Ji Cha: investigation, formal analysis

Hwi-Jun Kim: project administration, writing-review & editing, funding acquisition, supervision

Acknowledgments

None.

Fig. 1.

SEM images of the starting powders used for fabricating the Ni-MRC composite: (a) Ni-based ODS-composition alloy powder, (b) Nb-Si-Ti-based refractory silicide alloy powder and (c) Mo-based refractory alloy powder.

Fig. 2.

XRD patterns of SPS-consolidated specimens: (a) Ni-based ODS-composition alloy and (b) Ni-MRC composite.

Fig. 3.

EBSD analysis of the SPS-consolidated specimens: (a) Ni-based ODS-composition alloy and (b) Ni-MRC composite, showing phase maps, KAM maps and grain-boundary character distributions.

Fig. 4.

True stress–true strain curves obtained from Gleeble-based compression tests at 1050 °C for the Ni-based ODS-composition alloy and Ni-MRC composite.

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References

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