Ni-Cr-Mo 저합금강에 Ta 합금이 폭발압접된 클래드 계면의 미세조직 및 기계적 특성 고찰
Microstructure Evolution and Mechanical Properties of Ta-Cladded Ni-Cr-Mo Low Alloyed Steel via Explosive Welding
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Trans Abstract
The effects of welding variables (stand-off distance and explosive thickness) on the interfacial microstructure evolution and mechanical properties of explosively welded Ta alloy to Ni-Cr-Mo low alloyed steel have been investigated. Regardless of welding conditions (a stand-off distance of 3-5 mm and explosive thickness of 40-80 mm), the Ta/steel interface consistently exhibited a wavy configuration. This wavy interface facilitated the formation of vortex, resulting in strong interlocking. The height of the vortex increased with a larger stand-off distance at a fixed explosive thickness of 60 mm. Similarly, increasing the explosive thickness at a stand-off distance of 3 mm also resulted in a greater vortex height. The explosive weldability window, plotting the collision angle (β) against the collision point velocity (vc), was successfully established for the dissimilar Ta and steel plates. The upper limit prediction with N=0.11, as proposed by Wittman, best matched the experimental results. This guided the determination of the optimal condition, which was a stand-off distance of 3 mm and an explosive thickness of 40 mm. A vortex melted zone (VMZ) was identified, which resulted from the dynamic intermixing of Ta and steel, combined with localized melting caused by high-energy collisions and heat accumulation. The VMZ surrounded by a highly deformed Ta alloy, showed the highest hardness. Near the interface on the steel side, a fine recrystallized grain structure was observed. No significant inter-diffusion was detected at the wavy Ta/steel interface. The tension-shear properties of the wavy interface, which was subjected to loading parallel to interface, showed a good balance of strength and ductility, confirming the soundness of Ta/steel interface.
1. 서 론
가격이 저렴하고 제조성이 우수한 탄소강으로 제조한 부품이 만일 심각한 부식 환경과 높은 온도에 노출되는 환경에서 사용된다면 표면을 적절한 재료로 클래딩(cladding)하는 것이 중요하다. 탄탈륨(Ta) 합금은 3,000 °C를 넘는 높은 융점, 뛰어난 내마모성, 그리고 우수한 부식 저항성을 가지므로, 항공·우주, 발전, 석유화학, 방위 산업 등 극한 환경에서 구조 재료를 보호하는 데 매우 유용한 클래딩 재료로 주목받고 있다[1‒8]. Ta 합금과 탄소강은 융점 차이가 크고, 유해한 금속간화합물이 형성될 수 있어 Ta 합금을 탄소강 표면 위에 클래딩 하는 것은 어려운 과제이다. 이러한 두 금속 간의 융점 차이가 크고 유해상 발생 가능성이 높은 이종 금속(dissimilar metals)을 용접(혹은 클래딩)하는 경우 폭발용접(explosive welding)이 고려될 수 있다. 폭발용접은 고속 폭발 충격(high-velocity oblique collision)을 이용해 이종 금속을 효과적으로 클래딩 할 수 있는 고상 접합 방식(solid-state bonding process)이다[9]. 화약 폭발에 의해 생기는 순간적인 높은 에너지를 이용하여 두 금속을 접합시키는 방법으로, 금속을 녹이거나 추가 재료를 사용하지 않고도 강력하게 접합할 수 있게 한다. 폭발용접은 1944년 처음으로 관심을 끌기 시작하여, 열영향부(heat-affected zone)가 거의 없고, 용접 속도가 매우 빠르기 때문에 특별한 용도의 접합에 수요가 증가하고 있는 상황이다. 폭발용접 과정을 살펴보면, 폭발로 인해 생성된 고속 제트(high-speed jet)가 기판(substrate)과 플라이어(flyer) 사이에 생기며, 이 제트가 표면의 산화막을 제거하여 깨끗한 접합 표면을 만든다. 폭발용접은 매우 짧은 시간 안에 진행되며(약 10‒6 s), 이로 인해 열전달과 용융이 최소화되어 강력한 접합이 이루어진다. 이런 방식은 열 영향을 받은 구역을 줄이고 유해한 상들의 생성 가능성을 낮춘다[10].
이전 문헌에서, 순 Ta과 다양한 금속 간의 폭발용접이 연구되었다. 순 Ta과 탄소강과의 폭발용접 연구를 살펴보면, Xia와 Jin[1]은 폭발용접으로 클래딩 된 Ta/steel(0.20 wt.% C 함유) 계면에서 열처리 후 상호확산(interdiffusion) 에 의해 탄화물 층이 형성되는 것을 관찰하였다. Yang 등[5]은 순 Ta 박막(foil)을 Q235 탄소강(0.16 wt.%C 함유) 기판에 코팅하는 개량된 폭발용접 기술을 선보였으며, Ta/steel 계면에서 vortex 구조가 접합 강도를 높이고 균열 전파를 방지한다고 보고하였다. 하지만, Ta/steel 폭발 용접 변수에 따른 미세조직 변화와 최적의 용접조건 window 도출에 대한 연구는 미흡한 실정이다. 이때, 주요 폭발 용접 변수는 대치 거리, 폭약의 종류와 두께, 충돌 속도, 충돌 각도 그리고 폭발 압력 등으로 알려져 있다. Shiran 등[11]은 스테인리스강 튜브와 알루미늄 합금 튜브 간의 폭발용접에서 최적의 대치 거리(stand-off distance, 두 금속 간 간격)를 연구하였다. 이들은 폭발용접에서 폭발속도(detonation velocity) 조절이 충돌 속도(collision velocity)를 결정한다고 보고했지만, weldability window와 적정 조건 도출은 하지 않았다.
본 연구에서는 Ta-10W 합금(1 mm 두께) 판재를 Ni-Cr-Mo 저합금강(25 mm 두께) 기지 위에 폭발용접을 사용하여 클래딩 하는 연구를 수행하였다. 이때, Ta-10W 합금은 순 Ta 대비하여 고온 성능이 우수하고, 변형 속도가 빨라 폭발용접 시 wavy 계면 유도가 수월하다고 판단된다[2,12]. 주요 용접 변수(대치 거리 및 폭약 두께)에 따른 접합계면의 미세조직 변화와 적정 용접 조건 설정에 활용될 수 있는 weldability window를 도출하고자 하였다. 폭발용접된 Ta/steel 계면의 미세구조를 멀티스케일 정량·정성 분석하였고, 압입 및 인장 시험을 통해 접합 계면의 기계적 특성을 고찰하였다. 본 연구를 통해 폭발용접된 Ta/steel 계면의 이상적 미세조직과 적정 조건과의 상관성을 해석할 수 있는 통찰력을 제공하고자 한다.
2. 실험 방법
본 연구에서 기지 금속(substrate)으로 사용된 Ni-Cr-Mo 저합금강은 미국 군사규격(Military Standard, MIL-STD) MIL-S-46119에 해당되며, Fe‒3.17Ni‒1.34Cr‒0.41Mo‒0.26Si‒0.44Mn‒0.07Cu‒0.34C(all in wt%) 합금성분을 갖는다. 제조사로부터 열간압연 후 노멀라이징-퀜칭-템퍼링 공정을 통해 두께 25 mm 판재로 공급받았다. 노멀라이징은 1010 ºC에서 3시간 수행되고, 이후 수냉으로 퀜칭하고, 585 ºC에서 3시간 동안 템퍼링 처리를 실시하였다. 클래딩 금속(flyer material)은 Ta‒10W 합금을 사용하였으며, 열간압연 공정에 의해 제작된 두께 1 mm 판재를 제조사로부터 제공받았다.
폭발용접을 위해 두 개 이종 금속을 폭 140 mm, 길이 290 mm로 절단하여 그림 1과 같이 배열하였다. 배열 전에 접합되는 두 개 판재 면들에 대해 SiC 샌드페이퍼로 #500으로 연마하여 표면 거칠기를 3 μm 이하로 관리하였다. 기지와 용접하고자 하는 상대재(flyer)를 적당한 간격(대치 거리, stand-off distance)으로 평행하게 배치하였다. 본 연구에서는 Ta‒10W 합금 상부에 위치시키고, 완충제로서 카드 보드를 넣고 그 위에 적당한 양의 폭약을 장착하였다. 사용된 폭약은 질산 암모늄(ammonium nitrate, NH4NO3)-based 유형이며, 뇌관에 의해 기폭 시키면 폭발(explosion)이 생기고 이 폭발력에 의해서 Ta‒10W 합금은 특정한 각도(collision angle, β)로 모재와 충돌한다. 충돌점에서는 위·아래 금속이 매우 큰 변형 속도로 전단(shear)과 마찰(friction)이 발생하며 야금학적으로 접합된다[13]. 본 연구에서는 주요 용접 변수인 대치 거리(3, 4, 5 mm/폭약 높이 60 mm 고정)와 폭약 높이(40, 60, 80, 100 mm/대치 거리 3 mm 고정)를 변화시켜 적정 용접조건을 도출하고자 하였다.
폭발 방향에 평행하게 시편을 절단하여 계면 미세조직을 분석하였다. SiC 샌드페이퍼 #200에서 #2000까지 자동 연마기를 이용하여 연마하고, 1 μm 연마천과 다이아몬드 페이스트(paste)를 이용하여 기계적 연마를 실시한 후 colloidal silica suspension으로 시험편 준비를 마무리하였다. Ta 합금의 조직 발현을 위해 50 ml 증류수와 20 ml 불산, 10 ml 질산, 15 ml 황산 혼합용액으로 에칭하였으며, Steel은 100 ml 에탄올과 5 ml 질산 혼합용액으로 에칭하였다. 미세조직의 정성 및 정량분석을 위해 광학현미경(Optical Microscopy, OM; MITUTOYO社 810-127K), 전계방사형 주사전자현미경(Field Emission Scanning Electron Microscopy, FE-SEM; TESCAN CZ/MIRAI LMH, 20 keV)을 활용하였다. 계면 미세조직의 결정학적 분석을 위해 후방산란전자회절(Electron Back Scattered Diffraction, EBSD; TSL OIM program) 기법을 적용하였다.
폭발압접된 Ta/steel 계면 주변에서 국소 영역에 대한 경도(hardness)를 평가하기 위해 나노압입(nanoindentation) 시험을 실시하였다. KLA社의 나노압입시험기(i-Nano Nanoindenter, KLA Co., Milpitas, CA, USA)를 활용하였으며, Berkovich 타입의 다이아몬드 tip을 사용하였다. Berkovich 압자가 다른 Cube-corner 및 Conical shape 압자 대비 본 연구에 적합하다고 판단하였다[16]. Berkovich tip을 시편에 압입하며 200 nm 깊이까지 CSM(Continuous Stiffness Measurement) 방법을 이용하여 강성을 측정하였고, 경도 값을 얻는데 사용하였다. 또한, 비커스 경도기(MITUTOYO社 HM-122)를 이용하여 Ta/steel 계면을 가로질러 마이크로 경도 분포를 측정하였다. 압입자를 하중 0.2 kgf을 이용하여 15초간 유지한 후 제거하여 압흔 면적을 측정하여 경도 값을 결정하였다. 폭발압접된 Ta/steel 계면의 구조적 건전성을 평가하고자 폭발용접 방향과 평행하게 판상 시험편을 가공하여 상온 인장시험을 수행하였다. 그림 2는 인장시험편의 치수와 모식도를 나타낸다. 용접부의 전단강도(shear strength)를 평가하기 위해 양쪽 판재에 홈 가공을 한 tension-shear 시험을 수행하였다. 인장시험은 기계식 직류 서보모터 방식의 기기(INSTRON 8862 with ±100 kN capacity)를 사용하여 cross-head 속도 5 mm/min로 시험을 수행하였다.
Schematics showing the shape and dimension of specimen for the tension shear testing.
3. 결과 및 고찰
3.1 초기 미세조직 및 용접 변수에 따른 계면 미세조직 변화
본 연구에서 사용한 저합금강 기지 및 클래드용 Ta-10W 플라이어 금속 각각의 모재 미세조직을 관찰하였다. 압연 방향(rolling direction, RD)으로 관찰한 미세조직을 그림 3에 나타내었다. Ni-Cr-Mo 저합금강 기지 조직은 전형적인 템퍼드 마르텐사이트(tempered martensite)로 확인된다. 구오스테나이트 결정립(prior austenite grain, PAG, 흰색 점선) 내부에 packet(노란색 점선)이 존재하고, 그 packet 내부에는 block들이 저경각입계(low-angle boundary)로 구분되어 관찰되는 substructure를 갖는다(그림 3(a) 참조). 템퍼링(585 ºC/3 h) 효과에 의해 미세한 탄화물들이 주로 구오스테나이트 결정립계(PAG boundary, PAGB), packet/block boundary뿐만 아니라 block 내부에도 관찰된다. 이러한 미세조직은 저합금강[17,18] 혹은 Cr-Mo-V 내열강[19,20]에서 관찰되는 전형적인 미세조직이다. Ta-10W 플라이어 금속은 열간압연 이후 온전한 재결정에 의해 등축정 결정립(equiaxed grain)들이 관찰되었으며 결정립 크기는 20‒30 μm 정도이다.
Microstructures of the two parent metals: for the substrate MIL-S-46119 steel, (a) SEM micrograph, (b) EBSD inverse pole figure map, and (c) kernel average misorientation map are presented, while (d), (e), and (f) for the Ta‒10W flyer alloy.
그림 4에는 폭약의 높이를 60 mm, 대치 거리를 3 mm 설정한 조건에서 계면 미세조직을 폭발 방향에 따라 기폭부, 중간부, 엔드부에서 각각 관찰한 결과를 나타내었다. 모든 부위에서 특유의 물결 모양 wavy 계면이 관찰되었고, 폭발이 시작하여 용접이 진행될수록 vortex의 높이가 점차 증가하였다. 이는 폭발이 시작되면 폭발속도의 가속과 함께 플라이어 판재의 운동에너지가 점차 증가하고 충돌 속도 증가로 인해 두 금속 간 강력한 열과 소성변형에 의해 혼합(intermixing)이 증가하기 때문으로 판단된다. Yang 등[5]의 연구에서도 볼 수 있듯이 vortex 내부에 Ta과 Fe가 평균 50:50으로 혼합된다고 보고하고 있다. 본 연구에서도 SEM/EDS를 사용하여 VMZ 내부를 각 point 성분 조사를 해본 결과, Ta:Fe 원자 비율(atomic ratio)이 평균 54:46으로 파악되었다. 이러한 경향은 본 연구에서 시험한 모든 조건에서 동일하게 관찰되었다. 이후부터 용접조건별 미세조직 비교는 대표적인 중간부에서 관찰한 결과를 비교하고자 한다.
(a) Photograph of the explosively welded Ta/steel plate and SEM micrographs showing the wavy Ta/steel interface taken from (b),(e) start, (c), (f) middle, and (d),(g) end position along the explosion direction.
그림 5에는 폭약의 높이를 60 mm로 고정하고, 대치 거리를 변화할 때 형성되는 계면 미세조직을 나타낸다. 시험한 모든 조건에서 두 개의 판재가 접합이 덜 된 부분이 나타나거나 분리되는 현상은 관찰되지 않았다. 대치 거리가 3→4→5 mm로 증가할수록 vortex 크기가 점점 증가하였다. 이는 Ta‒10W 플라이어 합금이 폭발에 의한 매우 큰 압력으로 저합금강 기지를 상대로 날아갈 때, 대치 거리가 증가할수록 충돌 속도도 가속에 의해 증가하므로, vortex 크기가 증가하는 것으로 판단된다. 실제, 알루미늄 합금에 스테인리스강을 폭발압접시킨 Shiran 등[11]의 결과에서도 동일한 경향으로 보고하고 있다. 또 하나 주목할 점은 대치 거리가 증가할수록 파장(wavelength)도 339→459→557 μm로 증가하였다. 대치 거리가 증가하면 두 금속 간 충돌각도(β)도 증가하게 되어 wave 파장이 길어지게 된다.
SEM micrographs showing the wavy Ta/steel interface fabricated by explosive thickness of 60 mm with the stand-off distance of (a) 3 mm, (b) 4 mm, and (c) 5 mm.
그림 6은 대치 거리를 3 mm로 고정하고, 폭약의 두께를 40‒100 mm로 변화할 때 계면 미세조직을 나타내었다. 앞선 결과와 마찬가지로, 시험한 모든 조건에서 두 개의 판재가 접합이 덜 된 부분이 나타나거나 분리되는 현상은 관찰되지 않아, 접합에 필요한 충분한 충돌 에너지가 투입되었다고 판단할 수 있다. 폭약의 두께가 40→60→80→100 mm로 증가할수록 vortex 크기가 점점 증가하였다. 폭약 두께가 두꺼워질수록 폭발 압력이 증가하여 Ta‒10W 합금의 충돌 속도가 증가하기 때문에 vortex 크기가 증가하는 것으로 이해할 수 있다. 한편, wave 파장은 폭약의 두께 증가와 뚜렷한 관계없이 약 280~330 μm 사이에 값을 나타내었다. 따라서, wave 파장은 폭약의 두께에 의해 뚜렷한 변화는 없으며, 반면 대치 거리 변화에 따라 크게 달라짐을 알 수 있다.
SEM micrographs showing the wavy Ta/steel interface fabricated by stand-off distance of 3 mm with the explosive thickness of (a) 40 mm, (b) 60 mm, (c) 80 mm, and (d) 100 mm.
상기의 결과에서, 폭발용접 동안 충돌 속도가 높아 과도한 열과 소성변형이 유도되면, vortex의 크기가 증가할 뿐만 아니라, 용융 영역(melted zone)의 범위가 증가하게 된다. 그림 7은 폭약의 높이 80 mm, 대치 거리 3 mm로 폭발용접 시킨 계면의 미세조직을 나타낸다. 두 개의 금속이 충돌에 의한 마찰로 국부적으로 온도가 올라가고, 전단에 의해 강력하게 두 금속이 서로 혼합되면서 폭발 방향으로 wave를 만들 때 vortex가 형성된다[5,14,21,22]. 이때, 두 금속이 혼합된 vortex 내부에는 고속 제트가 갇히게 되어 순간적인 단열 가열(adiabatic heating)로 인해 용융이 발생한다. 용융 영역(melted zone)은 상대적으로 차가운 Ta‒10W 합금으로 둘러싸여 매우 빠른 냉각(약 105‒107 K/s)이 이루어진다[14,23]. 그러므로, vortex 내부에는 Ta-10W 합금과 steel이 혼합된 용융 영역이 생성되며, 이를 vortex melted zone(VMZ)으로 명칭한다. 그림 7에서 보듯이 VMZ이 과도하게 클 경우, 내부에 균열이 생성된다. 이는 VMZ이 취성(brittleness)이 있음을 반영하는 것이다. VMZ에서 생성된 균열은 VMZ를 에워싸는 연성이 높은 Ta‒10W 합금으로 전파되지 않고 VMZ에 국한된다. 충돌 속도가 과하게 되면, vortex 내부만 용융되는 것이 아니라, 강력한 마찰열로 계면에도 용융이 국부적으로 발생할 수 있다. 이를 interface melted zone (IMZ)라고 명칭한다. 그림 7과 같이 IMZ 역시 취성에 의해 균열이 발생하였음을 알 수 있다. VMZ와 IMZ 내부에는 폭발 전단에 의해 뜯겨져 나간 연성이 높은 Ta‒10W 합금 입자들이 공존하는 것을 알 수 있다. 앞서 언급하였듯이, VMZ은 용융 이후 고용체(solid solution) 혹은 금속간화합물(intermetallic compound)로 변화되지 않고, 매우 빠른 냉각(약 105‒107 K/s)에 의해 비정질 고체(amorphous)가 된다고 알려져 있다[4,24].
Wavy Ta/steel interface showing VMZ and IMZ where cracks and Ta particles are included (stand-off distance of 3 mm and the explosive thickness of 80 mm).
그림 8은 적정 조건이라고 판단되는(균열이 없고 VMZ 및 IMZ가 최소화되는 조건) 폭약의 높이 40 mm, 대치 거리 3mm로 폭발용접 시킨 계면의 미세조직과 EDS 원자 분포 map을 나타낸다. 과하지 않은 vortex 높이(~50 μm)와 파장(~330 μm)이 관찰되며, VMZ이 연성이 높은 Ta‒10W 합금에 완전하게 둘러싸여 있다. Wavy 계면을 가로질러 Ta과 Fe 원자들의 분포가 서서히 변화하는 경사(gradient) 없이 경계가 확실하게 구분됨을 알 수 있다. 이를 통해 계면 넘어 원자들의 상호확산(interdiffusion)이 뚜렷하게 발생하지 않았음을 알 수 있다. 이는 두 금속의 불필요한 확산에 의한 반응층(reaction zone) 혹은 유해상 발생을 방지하고, 폭발용접에 의해 고상 압접(solid-state forged bonding)되는 이상적인 계면이 유도되었다는 것을 의미한다. Trueb[3]는 폭발압접된 Ta/steel 계면에 대해 1100 °C/16 h 열간 노출을 하더라도 확산층이 매우 좁게 형성 된다고 보고하였다.
(a) SEM micrograph of the Ta-10W/steel interface and corresponding EDS maps showing the distribution of (b) Ta and (c) Fe (stand-off distance of 3 mm and the explosive thickness of 40 mm).
그림 9는 적정 조건에서 폭발용접 시킨 계면의 미세조직과 EBSD 결정학적 방위 분석 map을 나타낸다. Wavy 계면 근처에서 Ta‒10W 합금이 심하게 소성변형되어 연신된 결정립들을 관찰할 수 있다. 특히, vortex를 형성하며 VMZ을 에워싸는 결정립들은 연신된 형태로 관찰된다. 국부적인 격자 변형 정도를 확인하기 위해 kernel average misorientation (KAM) map을 적용하였다. KAM map에서 변형 정도(strain level)가 가장 낮을 경우 파란색에서 증가할수록 초록색, 노란색, 빨간색으로 나타난다. 그림 9(d)에서 보듯이, wavy 계면과 vortex 주변으로 상당히 높은 국부 변형이 발생하였음을 알 수 있다(그림 9(d) 화살표 참조). 계면에서 멀어져 Ta‒10W 합금으로 갈수록 변형은 급격하게 적어지고, 주목할 점은 결정립계에 많은 변형이 집중되었음을 알 수 있다. 저합금강 측면에서는 상당량의 소성변형과 충돌 열에 의해 계면 근처 결정립들이 재결정(recrystallization)되어 아주 미세한 등축정 결정립들이 관찰되었다. 계면 근처의 Ta‒10W 합금에서는 재결정이 발생하지 않았는데, 이는 저합금강(450‒700 °C)에 비해 Ta‒10W 합금(1100‒1400 °C)의 재결정 온도가 높고, 확산이 느리기 때문이다.
(a) SEM micrograph of the Ta-10W/steel interface at low magnification and EBSD misorientation maps at high magnification: (b) image quality map, (c) inverse pole figure, and (d) kernel average misorientation map (stand-off distance of 3 mm and the explosive thickness of 40 mm).
3.2 폭발용접 weldability window 설정
폭발용접시 적정 용접조건을 설정하기 위해서 통상 충돌속도(collision point velocity, vc)와 충돌 각도(collision angle, β)로 표시되는 weldability window를 사용한다[25,26]. 그림 1(b)와 같이, 충돌 속도 (vc)와 플라이어 금속이 기지로 날아가는 충격 속도(plate impact velocity, vp), 그리고 충돌 각도(β)는 삼각함수 관계로부터 다음과 같이 주어진다[27]:
충돌 속도 하한치(left limit, vcmin)는 Cowan 등[28]에 의해 아래 수식과 같이 표현된다:
여기서, Re는 임계 Reynolds number이며, 10.6으로 사용된다[27]. H1과 H2는 두 금속의 비커스 경도 값(저합금강: 330 Hv, Ta‒10W: 280 Hv)을 나타내고, ρ1과 ρ2는 밀도(저합금강: 7.7952 × 103 kg/m3, Ta‒10W: 16.8346 × 103 kg/m3)를 나타낸다. 상기 수식으로부터, 본 연구의 충돌 속도 하한치(vcmin)는 2,268 m/s로 계산된다. 충돌 속도 상한치(right limit, vcmax)는 금속 내에서의 음속으로 알려져 있으며, 본 연구에서는 4,200 m/s로 결정되었다.
최소한의 접합이 발생하기 위해서는 소재의 항복 강도보다 더 큰 충격 압력이 필요하다. 이러한 개념에 의해 Deribas [26]는 폭발압접을 위한 최소 boundary(vmin)를 설정하였다.
여기서, k는 표면 조도와 관련된 상수로서, 매끈할 경우 0.6으로 사용하였다. Hv는 Ta‒10W 플라이어 합금의 비커스 경도 값(280 Hv), ρ는 밀도(16.8346 × 103 kg/m3)이다. 그림 10에서 아래의 녹색선으로 표시된다. 즉, 접합이 발생하려면, 녹색선 이상의 조건에서 폭발용접 변수를 조절해야 한다.
Crossland와 Williams [29], 그리고 Wittman [30]은 직선계면에서 wavy 계면으로 천이되는 boundary (vt)를 제안하였다:
물성 값을 대입하여 계산하면 그림 10의 분홍색 선으로 표기된다. 즉, wavy 계면을 얻기 위해서는 적어도 분홍색 선보다 높은 위치의 충돌 속도-각도 조합 조건을 설정해야 한다.
Wavy 계면을 얻을 수는 있으나 충돌 에너지가 너무 과하면, 그림 7과 같이 취성의 용융 영역이 과하게 생성된다. VMZ이 너무 커져 계면 밖으로 돌출하거나, IMZ가 wavy 계면에 존재할 경우, 계면의 건전성이 크게 저하하므로, 용융 영역이 계면에 존재하지 않도록 피하는 upper boundary 설정이 중요하다. 본 연구에서는 3가지 방법으로 upper boundary를 설정해 보았다. 첫 번째는 Wittman [31]이 제안한 수식으로서,
이때, 모든 파라미터들은 Ta‒10W 플라이어 판재에 해당한다. Tm 녹는점(3,300 K), K 열전도도(50 W/mK), Cp는 비열(135 J/kgK), h는 두께 (0.001 m), C0 벌크 음속(4,200 m/s)이다. 각각의 수식에 필요한 Ta‒10W 합금의 파라미터들은 직접 실험을 통하여 구하였다. 여기서 N은 상수이며, 통상 0.11 혹은 0.06 값을 사용한다[32]. N=0.11을 사용하여 결정한 upper boundary는 그림 10에서 파란색 선으로 표시된다. 한편, N=0.06을 사용하면 빨간색 boundary로 나타난다. 세 번째는 Deribas와 Zakharenko [26,33]가 제안한 방법으로서, 아래와 같은 수식으로 표현된다:
여기서, E 탄성계수(2.05 × 1011 Pa), ν 포와송비(poisson ratio, 0.35)이다. 상기 수식을 이용하여 결정한 upper boundary는 그림 10에서 주황색 선으로 표시된다. 대치 거리를 3 mm로 고정하고, 폭약의 두께를 40‒100 mm로 변화할 때 실험값을 측정하고 계산하여, 그림 10의 weldability window에 사각형 마크로 표기하였다. 실험적으로, 충돌 속도(vc)는 광섬유 간섭계(fiber optic interferometer)를 사용하여 측정하였다. 광섬유 간섭계는 두 개 이상의 빛 파동이 서로 겹쳐지면서 간섭 현상을 일으키는 원리를 이용하는 것으로 폭발용접시 충돌 속도를 결정하는 데 사용된다[34]. 적정 조건이라 판단하는 40 mm 폭약 두께 조건을 제외하고, 나머지 60 mm 이상의 폭약 두께 조건에서는 IMZ가 관찰되는 결과로부터, upper boundary는 N=0.11을 사용하여 Wittman[31] 방식으로 결정한 upper boundary(파란색 선)가 미세조직 관찰 결과와 가장 근접하게 예측함을 알 수 있다. Weldability window와 실제 실험 결과로부터 적정조건을 그림과 같이 노란색 박스로 표기할 수 있다. Ta/steel 이종 폭발용접시 적정조건의 window가 매우 좁게 형성되어 있음을 알 수 있다.
3.3 폭발용접 계면의 기계적 특성 고찰
적정 조건(폭약 두께 40 mm, 대치 거리 3 mm)에서 얻어진 폭발용접 Ta/steel 계면의 경도 분포를 고찰하고자 하였다. 그림 11에 계면을 가로질러, 기폭부, 중간부, 엔드부에서 각각의 비커스 경도 분포를 나타내었다. 폭발용접 과정에서 충돌에 의한 vortex 생성과 그 내부에 trap된 고속 제트의 순간적 단열 가열로 용융이 발생된 VMZ에서 가장 높은 경도 값(507‒572 Hv)이 관찰되었다. VMZ을 경계로 양쪽 모재 쪽 side로 벗어나면 경도가 급격히 낮아져 모재 경도에 수렴한다. 즉, 고속 충돌 이후 열전달과 용융이 최소화되어 열-기계적 영향부(thermo-mechanically affected zone, TMAZ)가 뚜렷하게 부각되지 않았다. 하지만, 강한 소성변형에 의한 가공경화로 계면 끝단부 근처 TMAZ에서는 모재 대비 경도 값이 약간 높게 나타났다.
SEM micrograph of explosively welded Ta/steel interface and corresponding hardness traverse across the interface: (a),(b) start, (c),(d) middle, and (e),(f) end position along the explosion direction.
그림 12는 적정 조건(폭약 두께 40 mm, 대치 거리 3 mm)에서 얻어진 폭발용접 Ta/steel 계면의 나노압입(nanoindentation) 경도 분포를 나타낸다. Vortex 영역과 근처를 보다 세분화하여 나노압입 경도를 고찰하였다. VMZ을 둘러싸고 있는 Ta‒10W 합금은 두 가지 위치로 나누어 비교하였다. 즉, steel과 계면을 이루는 위치(Ta/interface)와 vortex 내부에 존재하면서 Ta‒10W 모재와 가까운 위치(Ta/vortex)로 구분하였다. 그림 12에서 보듯이, 용융 이후 급속 냉각된 VMZ이 가장 높은 나노압입 경도 값을 보여준다. VMZ은 동일 영역 내에서 위치 별로 경도 값이 소폭으로 변화하는데, 이는 연성이 높은 Ta이 얼마나 더 혼합되었느냐에 따라 경도 값의 fluctuation이 발생한다. 즉, Ta의 혼합 비율이 높으면, 경도 값은 다소 하락한다. Ta 합금으로만 이루어진 ‘Ta/interface’와 ‘Ta/vortex’ 영역이 유사하게 가장 낮은 경도 값을 나타내었다. 한편, 계면 근처 재결정된 steel 영역은 용융 영역 보다는 나노 경도 값이 낮지만 Ta 합금 영역보다는 높게 나타난다. 이는 충돌에 의해 심하게 변형되는 가공경화 효과와 재결정에 의한 결정립 미세화 효과에 의한 것으로 해석된다.
Nanoindentation test result on the Ta/steel interface: (a) SEM micrograph of the Ta/steel interface with nano-hardness values for each position, (b) comparison of nano-hardness values for each position.
적정 조건(폭약 두께 40 mm, 대치 거리 3 mm) 대비 폭발에너지가 높아, 용융 영역이 과하게 생성된(그림 10에서 적정 조건과 가장 거리가 먼 조건) 조건(폭약 두께 100 mm, 대치 거리 3 mm)에서 얻어진 폭발용접 Ta/steel 계면에 대하여 전단강도(shear strength)를 비교하고자 하였다. 그림 2와 같이 접합부가 의도적으로 shear가 유도되도록 기계 가공하여 tension-shear 시험을 실시하였다. Tension-shear 시험 결과, Ta/steel 계면이 아닌 notch(steel 측면에 notch 가공되어 Ta‒10W이 0.5 mm 두께로 존재하는 곳)에서 파단되었다. 이는 접합면의 전단강도가 적어도 Ta‒10W 인장강도보다 높기 때문에 노치에서 파단이 발생한 것으로 판단된다. 파단된 시편에 대해 shear area 영역을 응력축 방향과 평행하게 시편을 절단하여 계면 미세조직을 관찰하였다. 적정 조건(폭약 두께 40 mm, 대치 거리 3 mm)의 경우 그림 13(b)와 같이 Ta/steel 계면에서 균열이 발생하지 않았다. 용융 영역이 과하게 생성된 조건(폭약 두께 100 mm, 대치 거리 3 mm)의 경우 그림 13(d)와 같이 취성의 용융 영역(VMZ와 IMZ)을 따라 균열이 발생한 것으로 보아, 취약한 용융 영역이 과하게 생길 경우 계면의 건정성이 낮아진다는 것을 알 수 있다. 상기의 결과로부터, 적정 조건(폭약 두께 40 mm, 대치 거리 3 mm)으로 판단되는 변수를 통해 폭발용접된 Ta/steel 용접부는 건전한 접합 강도를 나타내었다. 즉, 적정 크기의 vortex (높이 ~50 μm, 파장 ~330 μm)를 포함하는 wavy 계면이 두 금속을 서로 interlocking 하여 충분한 강도가 발휘됨을 확인할 수 있었다. 취약한 용융 영역은 vortex 내부에 고립되고, IMZ이 계면을 따라 생성되지 않아, 건전한 계면 접합강도를 나타낸 것으로 파악된다. 따라서, 그림 10과같이 구축한 Ta/steel의 weldability window에서 Wittman [31] 방식 (N=0.11 사용)으로 결정한 upper boundary가 가장 적합함을 검증하였다.
Schematic diagram of fractured tensile shear specimen and cross-sectional observation: (a),(b) proper bonded conditions (stand-off distance of 3 mm and the explosive thickness of 40 mm), and (c),(d) excessively bonded conditions (stand-off distance of 3 mm and the explosive thickness of 100 mm).
4. 결 론
Ni-Cr-Mo 저합금강에 Ta 합금을 클래딩하기 위해 폭발용접 변수(대치 거리와 폭약 두께)에 따른 Ta/steel 계면의 미세조직 변화와 기계적 특성에 대해 고찰하고, 적정 조건을 탐색하고자 하였다. 미세조직 정량화 및 나노 경도, tension-shear 특성 분석에 대한 결과를 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.
1) 폭발용접 조건에 관계없이(대치 거리 3‒5 mm, 폭약 두께 40‒80 mm), Ta/steel 계면은 모두 wavy 형상을 나타내었다. Vortex 형성이 주도가 되어 wavy 패턴이 만들어졌고, 판재 간의 강한 interlocking이 유도되었다.
2) 대치 거리와 폭약 두께가 증가할수록, vortex 높이가 점차 증가하였다. 이는 Ta‒10W 플라이어 합금이 폭발에 의한 매우 큰 압력으로 저합금강 기지를 상대로 날아갈 때, 대치 거리 (혹은 폭약 두께)가 증가할수록 충돌 속도도 가속에 의해 증가하므로, vortex 크기가 증가하는 것으로 판단된다. 대치 거리의 증가는 vortex 파장 역시 339→459→557 μm로 증가시키지만, 폭약 두께 변화는 파장 변화에 영향을 미치지 않았다. 이는 대치 거리 변화에 의해서만 충돌 각도에 영향을 미친다는 것을 의미한다.
3) Vortex 내부에는 Ta과 steel이 혼합된 용융 영역, 즉 vortex melted zone(VMZ)이 생성된다. 용융된 후 Ta 합금으로 둘러싸여 급속 냉각되면서, 이 영역은 취성을 띠게 된다. 이는 VMZ에서 가장 높은 경도 값과 균열의 존재로 확인할 수 있다.
4) 적정 조건(폭약 두께 40 mm, 대치 거리 3 mm)으로 판단되는 변수를 통해 폭발용접된 Ta/steel 용접부는 건전한 접합 강도를 나타내었다. 적정 크기의 vortex(높이 ~50 μm, 파장 ~330 μm)를 포함하는 wavy 계면이 두 금속을 서로 interlocking 하여 충분한 강도가 발휘됨을 확인할 수 있었다.
5) 본 연구에서 구축한 Ta/steel의 weldability window에서 Wittman 방식(N=0.11 사용)으로 결정한 upper boundary가 가장 적합함을 검증하였다.
Acknowledgements
This work was supported by the Agency for Defense Development funded by the Defense Acquisition Program Administration (UE2111481D).