• Journal of Welding and Joining
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• v.31 no.3
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• pp.31-38
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• 2013

The transition of serrated grain boundary and its effect on liquation behavior in the simulated weld heat-affected zone (HAZ) have been investigated in a wrought Ni-based superalloy Alloy 263. Recently, the present authors have found that grain boundary serration occurs in the absence of adjacent coarse ${\gamma}^{\prime}$ particles or $M_{23}C_6$ carbides when a specimen is direct-aged with a combination of slow cooling from solution treatment temperature to aging temperature. The present study was initiated to determine the interdependence of the serration and HAZ property with a consideration of this serration as a potential for the use of a hot-cracking resistant microstructure. A crystallographic study indicated that the serration led to a change in grain boundary character as special boundary with a lower interfacial energy as those terminated by low-index {111} boundary planes. It was found that the serrated grain boundaries are highly resistant to boron enrichment, and suppress effectively grain coarsening in HAZ. Furthermore, the serrated grain boundaries showed a higher resistance to susceptibility of liquation cracking. These results was discussed in terms of a significant decrease in interfacial energy of grain boundary by the serration.

• Korean Journal of Materials Research
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• v.26 no.1
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• pp.13-16
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• 2016

Morphology and formation processes of lamellar grain boundaries in titanium rich binary TiAl intermetallics were studied. TiAl alloys containing aluminum content of 44 to 48 at.% were induction-heated to 1723 K followed by helium-gas-quenching at various temperatures. For the Ti-44%Al, few lamellae were observed in samples quenched from higher than 1473 K. Although small peaks of beta phase were detected using X-ray diffraction, only the ordered hexagonal phase (${\alpha}_2$) with clear APB contrast was observed in TEM observation. For the Ti-48 at.%Al alloy, almost no lamellar structure, and straight grain boundaries were observed in samples quenched from higher than 1623 K. The formation of lamellae along grain boundaries was observed in the sample quenched from 1573 K. The fully lamellar microstructures with serrated boundaries were observed in samples quenched from lower than 1473 K. It was found that the formation of ${\gamma}$ platelets took place at higher temperatures in Ti-48 at.%Al than in Ti-44 at.%Al. Although the size of the serration is different, serrated lamellar grain boundaries could be obtained for all alloy compositions employed. The serration appeared to be due to the grain boundary migration induced by precipitation and growth of ${\gamma}$. Differences in transformation characteristics with aluminum content are discussed.

• Korean Journal of Materials Research
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• v.17 no.4
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• pp.192-197
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• 2007

The effects of immersion time in the liquid nitrogen on the behavior of aluminum alloys used for the hydrogen storage tank of auto-mobile at cryogenic temperature were investigated. With increasing immersion time in the liquid nitrogen, the elongation of AI 5083 alloy at cryogenic temperature decreased because of non-uniform fracture of precipitates on the grain boundary, and the serration also occurred because of discontinuous slip due to rapid decreasing of the specific heat. The mechanical properties of AI 6061 alloy at cryogenic temperature were characterized by uniformed yield strength, tensile strength and elongation regardless of the immersion time in the liquid nitrogen. These mechanical properties of aluminum alloys at cryogenic temperature were interpreted by the strength of grain boundary and the slip deformation behavior.

• Proceedings of the KWS Conference
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• 2010.05a
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• pp.73-73
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• 2010

합금원소가 다량 첨가된 고합금강, 스테인리스강, Ni기 초내열합금 등은 용접시 혹은 후열처리 동안 열영향부 (HAZ: heat-affected-zone)에서 결정립계를 따라서 액화균열이 종종 발생한다. 이러한 액화균열은 급속한 가열시 HAZ의 결정립계가 국부적으로 용융되어 액상필름을 형성하고, 냉각시 수축으로 인한 인장구속응력에 의해 필름을 따라서 균열이 발생하여 생성된다. HAZ 결정립계 액화는 탄화물, 황화물, 인화물, 보론계 화합물 등이 급가열시 기지와의 반응에 의해 표피 액상을 형성하는 조성적 액화 (constitutional liquation)에 의한 액상의 결정립계 침투로 설명되거나, 결정립계 자체의 용융점을 상당량 낮추는 보론(B), 인(P), 황(S)등의 편석에 의한 국부적 입계 용융으로 주로 연관 지어 해석한다. HAZ 액화균열은 고온 입계균열 현상이므로, 결정립계의 특성에 따라 크게 영향을 받으며 결정립계 character 설계에 의해 액화균열 저항성을 개선시킬 수 있음을 유추할 수 있다. 한편, 본 연구자들은 최근 Ni기 초내열합금에 있어 입계 serration 현상을 새롭게 발견하였으며, 이론적 접근법을 통해 serration을 위한 특별한 열처리 방법을 개발하였다. 형성된 파형입계는 결정학적인 관점에서 조밀 {111} 입계면을 갖도록 분해 (dissociation)되어 낮은 계면에너지를 갖게 됨을 확인하였으며, 입계형상 변화뿐만 아니라 탄화물 특성변화까지 유도하여 크리프 수명을 기존대비 약 40% 정도 향상시킴을 확인하였다. 본 연구에서는 이러한 직선형 입계 대비 'special boundary'로 간주되는 파형입계가 도입될 경우, 보론 편석 및 HAZ 액화거동에 미치는 영향을 고찰하고자 하였다. SIMS (secondary ion mass spectrometry)를 이용하여 열처리 직후 결정립계 보론편석 정도를 비교하였다. 파형입계 시편의 경우, 일반직선형 시편에 비해 결정립계에 보론편석 저항성이 우수함을 확인할 수 있었다. 재현 HAZ 열사이클 시험을 통해 미세조직을 정량적으로 분석하였다. 파형입계 시편 및 일반직선형 시편 모두 최고온도 $1060^{\circ}C$이상부터 입계 탄화물이 기지내로 완전 용해되고 입계가 액화되기 시작하였다. 최고온도별로 입계액화비율을 정량적으로 비교한 결과, 파형입계가 직선입계 대비 훨씬 낮음을 확인할 수 있었으며, 때때로 액화된 필름이 입계를 따라 전파되지 않고 부분적으로 단락되어 있음이 관찰되었다. 액화시험 후 투과전자현미경을 이용한 EDS (energy dispersive spectrometry) 분석을 통해 결정립계 액화의 주요원인은 입계 $M_{23}C_6$의 조성적 액화반응 보다는 보론 편석 (원자 및 $M_{23}(CB)_6$)으로 인한 결정립계 국부용융이 더 유력함을 유추할 수 있었다. 따라서 상기 결과로부터 입계구조가 안정되어 계면에너지가 낮은 파형입계가 보론편석에 대한 저항성이 우수하였으며, 이러한 결과는 액화 저항성에 대응되어 영향을 미침을 알 수 있었다. 게다가 파형입계에 액상 필름이 생성되더라도 낮은 계면에너지에 의해 비롯된 상대적으로 낮은 적심성 (wettability)에 의해 필름이 쉽게 전파되지 않음을 'Smith 입계 wetting 이론'을 이용하여 해석할 수 있었다.

• Proceedings of the KWS Conference
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• 2009.11a
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• pp.43-43
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• 2009

단련용 다결정 Ni기 초내열합금은 우수한 가공성, 내산화성, 고온특성 등으로 가스터빈 연소기, 디스크, 증기발생기 전열관 등 발전용 고온부품 소재에 널리 적용되고 있다. 최근 발전설비의 고효율화를 꾀하기 위해 작동 온도를 현격히 증가시키는 기술방향으로 발전하고 있고, 소재측면에서는 기존의 초내열합금 대비 고기능성을 확보할 수 있는 차세대 Ni기 초내열합금 개발이 유럽, 미국, 일본, 중국 등을 중심으로 활발히 이루어지고 있다. 이러한 소재의 고온강도 (온도수용성)를 향상시키기 위해서는 통상 규칙격자 금속간화합물인 $Ni_3(Al,Ti)-{\gamma}'$상의 분율을 증가시킬 수 있지만, ${\gamma}'$상분율이 증가할 경우 용접 및 후열처리 동안 용접열영향부 (HAZ)에서 액화균열이 발생할 가능성이 높아진다. 결정립계를 따라 발생하는 HAZ 액화균열은 입계특성에 의해 크게 영향을 받을 것으로 판단된다. 한편, 본 연구자들은 최근 입계 serration 현상을 단련용 합금에 도입시키는 특별한 열처리를 이론적 접근법을 통해 개발하였다. 형성된 파형입계는 결정학적인 관점에서 조밀 {111} 입계면을 갖도록 분해 (dissociation)되어 낮은 계면에너지를 갖게 됨을 확인하였으며, 입계형상 변화뿐만 아니라 탄화물 특성변화까지 유도하여 크리프 수명을 기존대비 약 40% 정도 향상시킴을 확인하였다. 이러한 직선형 입계 대비 'special boundary'로 간주되는 파형입계가 도입될 경우, HAZ 결정립크기 변화 및 액화거동에 미치는 영향을 고찰하고, 아울러 입계특성 제어가 용접성/용접부 품질 향상에 기여할 수 있는 가능성도 토의하고자 하였다. 본 연구에서는 재현 HAZ 열사이클 시험을 통해 미세구조를 정량적으로 비교하였다. 상대적으로 입계구조가 안정된 파형입계의 이동속도가 高계면 에너지를 갖는 직선형 입계보다 느려 HAZ 결정립 성장이 효과적으로 억제됨을 확인할 수 있었다. 입계 액화거동을 살펴보면, 두 시편 모두 $M_{23}C_6$, MC 등 입계탄화물 계면이 빠른 승온중 액화반응 (constitutional liquation)에 의해 입계가 액화되었으며, 이후 급냉에 의해 입계에 액상막이 존재한 흔적이 발견되었다. 최고온도별로 입계액화 폭/비율을 정량적으로 비교한 결과, 파형입계가 직선입계 대비 대체로 낮음을 확인할 수 있었으며, 때때로 액화되지 않고 잔존하는 입계 탄화물이 관찰되었다. 재현 HAZ 미세조직을 통해 Hot ductility 시험 결과를 유추하자면, 파형입계가 직선입계 보다 좁은 취성온도영역 (Brittle Temperature Range)을 나타낼 것으로 예상되어, 입계특성제어에 의해 Ni기 초내열합금의 용접성을 향상 가능성을 확인하였다.