전이 원소의 확산 거동에 따른 Al-Cu 합금의 부식 및 고온 기계적 특성 개선에 관한 연구

Abstract

상용 Al-Cu 합금들은 우수한 주조성 및 가공성과 시효 경화를 통한 높은 비강도를 바탕으로 자동차 산업에서 핵심 경량 구조 소재로 널리 사용되고 있다. 하지만, Al-Cu 합금들은 다른 구조 소재에 비해 고온 및 부식 환경과 같은 가혹한 작동 환경에 대한 저항성이 낮아 소재 적용의 범위가 제한적이다. 따라서, Al-Cu 합금들의 적용 범위를 확장 시키기 위해서는 소재의 재료학적 문제점들을 개선할 수 있는 합금 설계에 관한 연구가 필수적이다. 본 연구는 Al-Cu 합금의 작동 온도 및 환경 범위를 확장 시키기 위해 소재의 고온 기계적 및 부식 특성을 향상 할 수 있는 최적 합금 조성을 검토하고, 이에 대한 재료 특성 평가를 기반으로 산업 분야에서 신뢰성 및 안전성이 확보된 합금을 설계하고자 한다. θ′석출물의 미세화 및 열 안정성 향상은 고온 및 부식 환경 적용을 위한 새로운 Al-Cu 합금 개발에서 매우 중요한 요소이다. 따라서, 주요 강화 θ′석출물에게 열적 안정성을 효과적으로 제공할 수 있으며, 동시에 알루미늄 합금의 부식 특성을 동시에 향상할 수 있는 첨가 원소들을 기준으로 Cr, Mn 및 Zr 전이 원소들을 선택했다. 열역학적 시뮬레이션을 통해 각 원소들의 적합 첨가량을 도출했으며, 이를 바탕으로 단일 및 복합 조합으로 이루어진 Al-Cu, Al-Cu-Cr, Al-Cu-Mn, Al-Cu-Zr, Al-Cu-Cr-Zr 및 Al-Cu-Mn-Zr 합금들을 제작했다. 본 연구에서는 설계 합금들의 인공 시효 및 열처리 노출 온도 (250℃~350℃)에 따른 경도와 압축 항복 강도 평가를 통해 전이 금속 원소 조합에 따른 기계적 특성 향상 효과를 분석했다. Zr 원소의 단독 첨가에 따른 Al-Cu 합금의 강도 향상은 미미했으나, Cr 또는 Mn의 단독 첨가는 Al-Cu 합금의 항복 강도를 약 70~100MPa 향상 시켰다. 투과전자현미경 및 원소 분포 (STEM-EDS) 분석에 의하면 Cr과 Mn 원소들은 인공 시효 과정에서 강화 θ′석출물의 계면에 편석 되어 계면 에너지를 감소시킴으로써 Al-Cu 합금의 석출 경화 속도를 가속화 했기 때문이다. 열 노출 온도에 따른 설계 합금들의 경도 특성을 비교한 결과, Al-Cu-Zr 합금은 250℃에서, Al-Cu-Cr 및 Al-Cu-Mn 합금들은 350℃에서 각각 급격한 경도 하락을 보였다. 하지만, Al-Cu-Cr-Zr 및 Al-Cu-Mn-Zr 합금들은 모든 열 노출 온도에서 안정적인 경도 변화를 보였으며, 특히 350℃ 열 노출 후의 경도 특성이 기존 Al-Cu 합금 대비 44.9 Hv에서 110Hv로 향상 된 것을 확인했다. 첨가 원소들의 시너지 효과를 확인하기 위한 원자단층현미경 (APT) 분석에 의하면, Cr과 Mn은 우선적으로 고온에서 Al-Cu 합금의 θ′석출물의 계면에 편석 되어 계면 에너지를 낮췄으며, Zr의 편석을 촉진시키는 것을 확인했다. 연속적으로, Zr은 300~350℃의 고온에서 계면 편석을 통한 안정적인 확산 장벽을 제공하여 석출물의 열적 안정성을 향상 시키는 것을 확인했다. 이와 같은 원소들의 시너지 효과를 바탕으로 Al-Cu-Cr-Zr 및 Al-Cu-Mn-Zr 합금들이 소재의 고온 기계적 특성 향상에 효과적인 조성임을 도출했다. 마지막으로, 설계 합금들의 내식성 평가를 위해 ISO/ASTM 기반 가속 침지 및 염수 분무 시험을 수행하여 Al-Cu-Cr-Zr 및 Al-Cu-Mn-Zr 합금들의 부식 저항성이 가장 향상된 것을 확인했다. 글로우방전분광분석 (GD-OES)을 통해 Cr과 Mn은 Al-Cu 합금의 산화피막 형성에 기여하여 부식 환경에서 효과적인 차폐 역할을 수행하는 것을 확인했다. 이상의 내식성 평가를 뒷받침하기 위한 전기화학적 평가에서도 Al-Cu-Cr-Zr 및 Al-Cu-Mn-Zr 합금들이 가장 낮은 부식 전류 및 높은 부식 전위를 보였으며, 타 설계 합금 대비 높은 값의 분극 저항을 보였다. 결과적으로, 본 연구는 Al-Cu 합금의 고온 기계적 및 부식 특성을 향상할 수 있는 첨가 원소 조합을 도출했으며, 각 원소들이 Al-Cu 합금의 고온 기계적 및 부식 특성을 향상시키는 메커니즘을 제시했다. 이를 통해 도출된 합금 조성에 관한 유효성을 제시할 수 있었다. 따라서, 본 연구 결과를 바탕으로 다양한 산업 분야 적용을 위한 Al-Cu 합금 설계 및 다양한 알루미늄 합금 설계 방안에 기여할 수 있을 것으로 예상된다.