내마모성 향상을 위한 [Ti-6Al-4V]//[고엔트로피 합금] 하이브리드 구조체의 계면 정합성 제어
Enhancement of interfacial coherency in [Ti-6Al-4V]//[High-entropy alloy] hybrid structures for wear resistance
- 주제(키워드) Ti-6Al-4V , high-entropy alloy , hybrid structure , diffusion bonding , interfacial coherency
- 주제(DDC) 621.042
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 안병민
- 발행년도 2026
- 학위수여년월 2026. 8
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 에너지시스템학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000036598
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
본 연구에서는 Ti-6Al-4V 의 낮은 경도와 내마모성 한계를 보완하기 위해 AlTiCrV0.5Fe0.5 고엔트로피 합금（High-entropy alloy, HEA）을 적용한 Ti- 6Al-4V//고엔트로피 합금 하이브리드 구조체를 제조하고, 접합 공정 및 열처리에 따른 계면 형성 거동, 계면 정합성 및 기계적 물성 변화를 분석하였다. HEA 분말은 고에너지 볼 밀링으로 제조하였으며, spark plasma sintering（SPS）을 이용하여 확산 접합 기반 하이브리드 구조체를 제조하였다. 접합 공정은 분말 상태에서 두 소재를 동시에 접합하는 simultaneous SPS 와 Ti-6Al-4V 성형체 위에 HEA 분말을 적층한 후 접합하는 pre-compaction SPS 로 구분하였다. 이후 정합성 변화를 유도하기 위해 열처리를 수행하였으며 계면 미세조직과 물성 변화를 분석하였다. AlTiCrV0.5Fe0.5 HEA 는 낮은 VEC 와 음의 혼합 엔탈피에 의해 BCC 기반 상과 C14 Laves 상이 공존하는 다상 구조를 형성하였다. 접합 공정에 따라 계면 형성과 확산 거동은 뚜렷한 차이를 보였다. 또한 계면부는 양측 모재보다 높은 경도를 보였으며, 이는 계면 인근의 원소 확산과 격자 왜곡에 의한 국부 강화 효과와 관련된다. 열처리 후 계면 상 조합과 부정합률이 변화하였으며, 750℃ 조건에서 계면 부정합률이 0.23%로 감소하였다. 이는 열처리를 통해 정합 계면이 가능함을 의미한다. 이러한 계면 정합성 변화는 경도 및 나노인덴테이션 결과에도 반영되어 국부 기계적 물성 변화와 밀접하게 연관됨을 보였다. 하중 방향에 따른 압축시험에서는 수직 압축과 수평 압축에서 서로 다른 변형 및 파괴 거동이 나타났으나, 두 경우 모두 계면부가 우선적인 파괴 경로로 작용하지 않았다. 이는 확산 접합된 계면이 취약부가 아닌 하중 전달 경로로 기능할 수 있음을 의미한다. 마모시험은 HEA 표면층이 Ti-6Al-4V 의 낮은 표면 내구성을 보완할 수 있는지를 평가하기 위해 수행되었으며, 열처리 조건에 따라 마찰계수, 마모율 및 표면 손상 양상이 변화하였다. 특히 마모 거동은 HEA 의 미세조직, 상 조합, 박리 경향성 등에 따라 달라지는 것으로 확인되었다. 따라서 본 연구는 Ti-6Al-4V//고엔트로피 합금 하이브리드 구조체에서 열처리를 통한 상 조합 및 정합성 제어가 계면의 물성 불연속을 완화하고, 안정적인 하중 전달에 기여함을 보여준다. 또한 HEA 표면층의 마모 손상 거동 제어를 통해 Ti-6Al-4V 의 내마모성 보완에 기여할 수 있음을 확인하였으며, 계면 정합성 제어가 하이브리드 구조체의 계면 안정성과 내마모 성능을 확보하기 위한 주요 설계 기준임을 제시하였다.
more목차
1. 서론 1
2. 이론적 배경 3
2. 1. Ti-6Al-4V 와 고엔트로피 합금의 특성 3
2. 1. 1. Ti-6Al-4V 의 상 및 미세조직 특성 3
2. 1. 2. 고엔트로피 합금의 정의 6
2. 1. 3. 고엔트로피 합금의 열역학적 개념 9
2. 1. 4. Al-Ti 계 경량 다상 고엔트로피 합금의 상 형성 거동 12
2. 2. 하이브리드 구조체의 특성 14
2. 2. 1. 하이브리드 구조체의 정의 14
2. 2. 2. 이종 소재 하이브리드 구조체의 계면 형성 거동 15
2. 2. 3. 하이브리드 구조체의 정합 계면 설계 18
2. 3. 계면 미세조직 및 물성 평가 기법 21
2. 3. 1. 경도 매핑을 통한 계면 특성 평가 21
2. 3. 2. 왕복동시험을 통한 마찰공학적 내마모 거동 확인 23
2. 3. 3. 전자현미경 관찰을 통한 계면 정합성 분석 25
3. 하이브리드 구조체의 제조 및 접합 공정에 따른 계면 형성 거동 29
3. 1. 연구 목적 29
3. 2. 실험 방법 31
3. 3. 실험 결과 33
3. 3. 1. HEA 조성 및 열역학적 설계 변수 33
3. 3. 2. HEA 및 Ti-6Al-4V 의 합금화 거동 38
3. 3. 3. 접합 공정에 따른 계면 미세조직 및 확산 거동 54
3. 3. 4. 접합 공정에 따른 계면 물성 71
3. 4. 고찰 77
4. 열처리에 따른 하이브리드 구조체의 계면 정합성 및 기계적 물성 변화 79
4. 1. 연구 목적 79
4. 2. 실험 방법 80
4. 3. 실험 결과 82
4. 3. 1. 열처리에 따른 계면 미세조직 및 정합성 82
4. 3. 2. 열처리에 따른 계면의 나노 기계적 물성 107
4. 3. 3. 하중 방향에 따른 압축 변형 및 파괴 양상 115
4. 3. 4. 열처리에 따른 마찰역학 메커니즘 128
4. 4. 고찰 140
5. 결론 141
References 144
