Ta-W-Hf-Re-C 합금은 질량 백분율로 W 6%~8%, Hf 3%~5%, Re 0.8%~0.9%, C 0.3%~2%로 구성되며, 나머지는 Ta 및 불가피한 불순물로 이루어져 있다. 본 발명은 또한 Ta-W-Hf-Re-C 합금 봉을 제조하는 방법을 개시하며, 이는 1. 원료 분말을 균질화한 후 성형; 2. 진공 고온 소결; 3. 진공 전자빔 용융; 4. 다이 단조를 포함한다. 본 발명은 Hf를 첨가하여 안정적인 산화물을 형성함으로써 합금의 내식성, 고온 성능 및 가공성을 향상시킨다. Re와 C의 첨가는 합금의 크리프 강도를 향상시켜 초고온 및 초고압과 같은 극한 환경에서의 사용에 적합하게 한다. 본 발명의 제조 방법은 합금의 균질화를 촉진하고, Hf의 상당한 휘발을 방지하며, Ta-W-Hf-Re-C 합금봉의 성능을 보장합니다.
높은 중성자속 방사선과 액체 알칼리 금속 냉각제와의 접촉 가능성으로 인해 고온 크리프 저항성, 우수한 내식성, 높은 고온 내구 강도 및 파괴 인성을 갖춘 재료가 필요합니다. 기존의 니켈계 및 코발트계 고온 합금은 이러한 요구 사항을 충족할 수 없습니다. 고텅스텐 탄탈륨 합금은 탄탈룸 합금 중에서도 중요하고 널리 사용되는 고온 고강도 재료입니다. 이들은 고밀도, 고융점 탄탈룸과 텅스텐으로 구성된 연속 고용체 단상 이원 합금이며, 대표적인 고용체 강화 합금입니다. 높은 밀도, 높은 융점, 내식성, 우수한 가공성 및 용접성 덕분에 탄탈륨-텅스텐 합금은 최근 무기, 항공우주 및 기타 극한 환경에서 작동하는 분야에서 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 현재 우리나라에서 가장 널리 사용되는 고텅스텐 탄탈륨 합금은 Ta10W와 Ta12W입니다. 이 합금들은 상온 강도가 높고, 가소성이 우수하며, 고온 강도도 우수하지만, 산화 저항성이 매우 낮다는 단점이 있습니다. 탄탈륨은 반응성이 매우 높은 금속으로, 300°C 이상의 온도에서 공기에 노출되면 산소를 쉽게 흡수합니다. 탄탈륨-텅스텐 합금 자체도 산화 저항성이 낮아 600°C부터 산화가 시작됩니다. 따라서 이러한 합금의 강화 메커니즘은 고속 기류 침식 및 극한 온도와 같은 극한 산소 환경에서 쉽게 손상됩니다. 더욱이, 탄탈륨-텅스텐 합금의 크리프 저항성은 작동 온도가 1100°C를 초과하면 급격히 감소합니다. 그러므로 미래 심우주 탐사에 필요한 전력을 충족하기 위해서는 새로운 고온 구조 재료를 개발하는 것이 필수적입니다.
본 논문에서는 Ta-W-Hf-Re-C 합금을 소개합니다. 탄탈륨-텅스텐 합금 기지에 Hf를 첨가하여 안정적인 산화물을 형성함으로써, 이 합금은 내식성, 고온 성능 및 가공성을 향상시킵니다. 또한, 저온에서 고온에 이르는 넓은 온도 범위에서 우수한 연성과 강도를 유지합니다. 동시에, Re와 C의 첨가는 크리프 강도를 효과적으로 향상시켜 초고온, 초고압, 고속 기류 침식, 급속 가열 및 냉각과 같은 극한 환경에서의 사용에 적합하게 합니다. 상기 기술적 문제를 해결하기 위해, 질량 백분율로 W 6%~8%, Hf 3%~5%, Re 0.8%~0.9%, C 0.3%~2%를 포함하고 나머지는 Ta 및 불가피한 불순물로 구성된 Ta-W-Hf-Re-C 합금이 제공된다.
탄탈륨-텅스텐 합금 기지에 황화수소(Hf)를 첨가하면 알칼리 금속 부식에 거의 영향을 받지 않는 안정적인 산화물이 형성되어 합금의 내식성, 특히 고온 내식성이 크게 향상된다. 이로써 합금의 액체 금속인 K, Na, Li에 대한 내식 온도가 1260℃까지 상승한다. 동시에, Hf는 산소에 대한 강한 친화력을 가지고 있기 때문에, Hf 첨가는 고용체를 통해 합금의 강도를 높일 뿐만 아니라 Hf와 산소로부터 산화물 형성을 촉진하여 합금의 물성에 대한 산소의 악영향을 감소시킨다. 이로 인해 합금의 고온 및 가공 특성이 크게 향상됩니다. -160℃에서 1370℃의 온도 범위에서 합금은 우수한 연성과 강도를 유지하므로 초고온, 초고압, 고속 기류 침식, 급속 가열 및 냉각과 같은 극한 환경에서 사용하기에 적합합니다. 또한, 본 발명은 굴절률(Re)을 첨가하여 결정립 크기를 미세화하고, 탄소(C)를 첨가하여 전위를 고정하는 Ta₂C 2차상을 형성함으로써 합금의 크리프 강도를 효과적으로 향상시킵니다.
원료 분말을 혼합하고 스트립 형태로 압축한 다음 고온에서 진공 소결하여 소결 빌릿을 얻습니다. 이 빌릿을 3회에 걸쳐 진공 전자빔 용융 및 다이 단조 공정을 거쳐 Ta-W-Hf-Re-C 합금 봉을 얻습니다. 본 발명은 진공 고온 소결 공정을 이용하여 빌릿으로부터 탄소, 산소, 질소, 수소 등의 기체 불순물뿐 아니라 저융점 및 휘발성 원소를 효과적으로 제거하고, 동시에 예비 합금화를 완료한다. 3회의 진공 전자빔 용융 공정을 병행함으로써 합금의 균질화를 촉진하고, 하프늄(Hf)의 과도한 휘발 및 불순물 혼입을 효과적으로 방지하여 Ta-W-Hf-Re-C 합금의 조성 및 함량을 확보하고, Ta-W-Hf-Re-C 합금봉의 성능을 보장한다.
탄탈륨 분말, 텅스텐 분말, 하프늄 분말, 레늄 분말 및 탄소 분말의 입자 크기는 모두 60메쉬 이하이며, 각각의 순도는 99.5% 이상이다. 본 발명은 각 원료 분말의 입자 크기를 제어하여 균일한 혼합을 보장함으로써 합금의 균일성을 향상시킨다. 동시에 고순도 원료 분말을 사용함으로써 원료 단계에서 다량의 불순물 유입을 방지하고 합금의 조성을 더욱 확실하게 보장합니다. 혼합에는 V형 믹서를 사용하여 24시간 동안 혼합합니다. 성형에는 압력 프레스를 사용합니다. V형 믹서 사용과 제한된 혼합 시간은 원료 분말의 철저하고 균일한 혼합을 촉진하며, 압력 프레스 사용은 우수한 성형 결과를 제공하고 시공이 용이합니다.
