본 논문에서는 니오븀-하프늄-티타늄-지르코늄-탄탈륨-텅스텐 합금과 최적화된 제조 공정을 제안합니다. 제조 공정은 분말 야금법과 다단계 용융 및 단조 전략을 결합한 방식을 채택합니다. 구체적으로, 텅스텐(W), 탄탈륨(Ta), 니오븀(Nb) 분말을 순차적으로 혼합, 압축 및 진공 소결하여 예비 합금 블랭크를 제조합니다. 이 블랭크를 최소 두 번의 전자빔로 용융 공정을 통해 더욱 정련하여 균일한 Nb-Ta-W 모합금을 얻습니다. 표면 산화 방지 코팅 처리 후, Nb-Ta-W 모합금을 열간 단조하여 적합한 합금 빌릿을 만듭니다. 이어서 하프늄(Hf), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr) 판을 텅스텐 불활성 가스(TIG) 용접을 통해 빌릿의 외표면에 용접하여 소모성 전극을 제작한다. 마지막으로, 이 전극을 진공 소모성 용융 공정을 통해 최소 세 번 이상 재용융한다. 이 최적화된 공정은 다성분 니오븀계 합금의 균일한 화학 조성 분포를 달성하고, 전체 준비 워크플로우를 간소화하며, 정밀한 저산소 함량 제어 및 정확한 조성 조절을 실현하고, 합금의 종합적인 성능에 미치는 악영향을 효과적으로 제거합니다.
니오븀-하프늄-티타늄-지르코늄-탄탈륨-텅스텐 합금은 상업적으로 C-103 니오븀 합금으로 알려져 있으며, 대표적인 저강도 고연성 니오븀계 구조 재료입니다. 우수한 열간 압출, 열간 단조, 압연 및 용접성을 포함한 탁월한 열간 가공 성능을 보여주며, 봉, 튜브 및 스트립과 같은 다양한 형상으로 가공할 수 있습니다. 뛰어난 고주파 진동 저항성과 저온 내성 덕분에 항공우주 및 추진 시스템에 널리 적용됩니다. C-103 니오븀 합금의 대표적인 서비스 구성 요소에는 액체 로켓 엔진 노즐 확장부, 궤도 기동 엔진, 고연성 자세 제어 엔진 및 복사 냉각 추력실이 포함되며, 이는 우주선, 발사체 및 제트 추진 엔진의 핵심 구조 부품으로 사용됩니다.
진공 소모성 재용융은 맞춤형 소모성 전극을 사용하는 C-103 니오븀 합금의 주류 제조 기술입니다. C-103 합금 제조의 핵심 기술적 어려움은 구성 원소 간의 상당한 융점 차이에 있습니다. 대표적인 내화 금속인 W, Ta 및 Nb는 Ti 및 Zr보다 800℃ 이상 높은 매우 높은 융점을 가지고 있습니다. 이 합금은 질량 분율이 높은 Nb를 주요 기지 원소로 사용하기 때문에 고융점 및 고밀도인 W, Ta 및 Nb를 Hf, Ti 및 Zr과 직접 결합하여 일체형 소모성 전극을 형성하는 것이 불가능합니다. 따라서 W, Ta 및 Nb 원소의 합리적인 혼입 방법은 고품질 C-103 니오븀 합금 제조를 제한하는 핵심 병목 현상이 되었습니다. 각 구성 원소의 구체적인 융점은 다음과 같습니다. 텅스텐 3410±20℃, 탄탈륨 2995℃, 니오븀 2468℃, 하프늄 2227℃, 지르코늄 1852℃, 티타늄 1668℃.
순수한 Nb와 Ta에 비해, 기존의 Nb-Ta 모합금은 순수한 Nb, 순수한 Ta, 순수한 W > Nb-Ta 모합금 > Ti, Zr, Hf 순으로 융점과 밀도가 낮습니다. 이러한 특성 덕분에 소모성 제련 과정에서 모합금과 저융점 구성 원소 간의 용융 정합이 비교적 안정적으로 이루어지므로, Nb-Ta 모합금 도핑법은 Ta와 Nb를 첨가하는 기존 공정에서 널리 사용되어 왔습니다. 그러나 Nb-Ta 모합금은 야금 제조 과정에서 Ti와 Zr보다 융점과 밀도가 높습니다. 이러한 불일치는 제련 과정에서 용융되지 않은 Nb와 Ta 조각의 생성을 쉽게 유발하여 최종 합금 제품에서 미세구조적 편석과 조성 불균일성을 초래합니다. 또한, 합금 스크랩의 2차 첨가는 산소 불순물을 유입시켜 저산소 함량 제어 불량 및 합금 성능 불안정을 초래할 수 있습니다.
기존 니오븀계 합금 제조 기술의 위와 같은 결함, 즉 현저한 미세구조 편석, 조성 불균일, 제어 불가능한 저산소 함량 및 부정확한 성분 조절로 인해 합금 성능이 저하되는 문제를 고려하여, 본 연구에서는 새로운 니오븀-하프늄-티타늄-지르코늄-탄탈륨-텅스텐 합금 및 최적화된 제조 공정을 개발했습니다. 제안된 기술은 상기 기술적 문제점을 효과적으로 해결하여 균일한 화학 조성 분포, 간소화된 제조 공정, 정밀한 저산소 제어 및 정확한 조성 조정을 실현함으로써 목표 합금의 성능 저하를 방지합니다.
다성분 니오븀 합금의 최적화된 제조 공정은 다음과 같습니다. 먼저, 고융점 W, Ta 및 Nb 분말을 원료로 사용하여 순차적으로 혼합, 전극 압축 및 진공 소결을 진행합니다. 얻어진 예비 소결 블랭크를 전자빔로에서 두 차례 용융하여 균일한 Nb-Ta-W 합금 잉곳을 제조합니다. 이 잉곳을 정사각형 합금봉으로 단조하고, 봉 표면에 Hf, Ti 및 Zr 판을 TIG 용접하여 복합 소모 전극을 제작합니다. 진공 소모 전극을 세 차례 재용융하여 균일한 니오븀-하프늄-티타늄-지르코늄-탄탈륨-텅스텐 합금을 성공적으로 제조합니다.
산소 제어 측면에서, Nb-Ta-W 모합금은 열간 단조 전에 산화 방지층으로 코팅하고, 단조 과정에서 생성된 산화 스케일은 평삭 처리를 통해 완전히 제거합니다. 이 과정은 열간 가공 단계에서 산소 유입을 크게 억제하고 최종 합금의 저산소 수준 제어 정확도를 크게 향상시킵니다. 조성 안정성 측면에서, 기존의 Ti-Nb-Ta 마스터 합금 대신 Nb-Ta-W 마스터 합금을 채택함으로써 소결 중 고온에서 Ti 원소가 휘발되어 발생하는 조성 편차 및 성능 저하를 제거할 수 있습니다.
또한, 전자빔 용융을 통해 고융점 W 및 Ta를 Nb 기지에 충분히 합금화할 수 있으며, 이는 간접적으로 마스터 합금의 전체 융점을 낮춥니다. 후속 진공 아크 재용융을 통해 Nb-Ta-W 마스터 합금과 저융점 Hf, Ti 및 Zr 간의 효과적인 복합화를 실현합니다. 아크 재용융 과정에서 Nb 및 Ta 상은 다공성 스캐폴드 구조로 진화하여 고융점 금속 성분의 균일한 용융 및 확산을 가속화합니다. 이러한 구조적 진화는 W, Ta 및 Nb 상의 분리 위험을 근본적으로 제거하고, 기존 C-103 니오븀 합금의 오랜 문제였던 미세구조 불균일성과 성분 분리 문제를 해결하며, 궁극적으로 균일한 미세구조와 안정적인 조성을 갖는 고성능 니오븀-하프늄-티타늄-지르코늄-탄탈륨-텅스텐 합금을 제조합니다.
