Analysis of Mechanical Properties and Microstructure of Inconel 706 Alloy using Rotary Forging

회전단조에 따른 Inconel 706 합금의 미세조직 및 기계적 특성 분석

Abstract

The Inconel 706 alloy is a nickel-based super alloy and requires a large load for hot forging due to its excellent mechanical properties at high temperature. Rotary forging process is an innovative metal forging process where workpiece is gradually deformed by the revolving conical upper die with an inclination angle. This process allows that the workpiece is partially in contact with an upper die during the process so that the press force is considerably lower compared with the conventional upsetting process. In this study, experiments of rotary forging process and conventional upsetting process for cylindrical parts using Inconel 706 where conducted to investigate the formability of rotary forging process. And microstructure analysis and mechanical properties of Inconel 706 were performed to investigate the effect of rotary forging process on the material property.

1. 서론

초내열합금은 고온에서의 우수한 내산화성, 내부식성, 인장 및 크리프 특성으로 인해 항공 및 발전용 터빈디스크, 원자력 발전의 설비등에 사용된다. Inconel 706 합금은 편석 생성을 억제하기 위해 Inconel 718합금 대비 Nb 함량을 낮춘 대신 Ti 함량을 증가시켰으며, 가공성 향상을 위해 Mo을 제거해 가격경쟁력이 우수하며 대형 제품에 활용되고 있다[1]. 대형 부품으로 사용되는 잉고트(ingot)는 주조후에 기공 및 주조조직을 파괴하기 위해 단조 공정이 필수적으로 필요하다. 이를 위한 단조 공법 중 하나는 업세팅(upsetting) 공정으로 축 방향의 압축을 통해 빌렛의 높이를 줄임과 동시에 단면적을 넓히는 자유단조 공법이다. 업세팅 공정에서 잉고트 내부의 편석과 기공 제거를 위해 적정 압하율을 적용하는데 이 때, 잉고트와 금형의 전면적이 접촉하면서 단조 시 큰 하중이 요구된다. 특히 Inconel 706 합금과 같은 초내열합금은 고온에서 우수한 기계적 특성으로 단조 시 필요하중이 더욱 증가하게 된다. 이로 인해 한 번에 부여할 수 있는 압하량은 상대적으로 줄어들고 최종 압하량에 도달하기까지 재가열을 통한 반복작업을 거치므로 미세조직 제어에 문제가 야기될 수 있다.

회전단조(Rotary forging) 프레스는 1929년 Massey에 의해 설계되었다. 회전단조 공정은 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 기울어져 있는 콘(corn) 형상의 상부 금형이 수직 및 회전 운동을 하고, 회전하는 하부 금형과 함께 소재를 점진적으로 성형하는 공법이다[2]. 업세팅 공정은 금형과 소재의 상, 하면이 전면적에 걸쳐 접촉하고 이 접촉면에서 소재 흐름에 반대방향으로 마찰력이 작용하여 성형 후 소재의 배 부위가 불룩해지는 배럴링(barreling)이 일어나는 반면 회전단조 공정에서는 소재와 상부금형이 부분적으로 접촉하 여 마찰이 비대칭적으로 발생하고 이로 인해 소재의 접선방향(tangential)으로의 불균일한 변형을 유발한다. 특히, 회전단조 공정은 금형과 소재의 국부적인 접촉으로 인해[4-6], 빌렛의 고경비(h/d)가 0.5~1 일 때 상부 형상에 변형이 집중적으로 나타나는 머쉬룸 효과(Mushroom effect)가 발생한다[7]. 회전단조 공정은 점진적인 변형을 통해 업세팅 공정에 비해 단조 하중을 크게 줄일 수 있으나 소재 유동이 다르기 때문에 단조품의 기계적 특성 차이를 유발할 수 있다.

Fig. 1 Schematic diagram and contact area of (a) rotary forging; (b) upsetting

따라서 본 연구에서는 회전단조 공정을 이용하여 Inconel 706합금을 성형한 뒤, 단조품의 미세조직 및 기계적 특성을 분석하고 업세팅 공정과 비교하였다. 회전단조 후 Inconel 706 단조품에서 시편을 채취하여 상온, 고온 인장시험 및 응력파단 시험을 진행하였으며, EBSD 분석을 이용하여 Inverse Pole Figure(IPF), Kerner Average Misorientation(KAM), Grain Orientation Spread (GOS) 결과를 비교 분석하였다. 또한 유한요소해석을 이용하여 공정별 단조품의 내부 변형률과 기계특성과의 상관관계를 분석하였다

2. 실험 방법

본 연구에 사용된 Inconel 706의 화학조성은 Table 1과 같으며, Vacuum Induced Melting(VIM) + Electroslag Remelting(ESR) + Vacuum Arc Remelting(VAR)으로 구성된 triple melting을 통해 제작되었다. 이후 회전단조 및 업세팅 공정을 위한 시편은 단련품에서 채취하여 solution heat treatment 온도보다 높은 1100℃에서 1시간 동안 가열하여 준비하였다.

Table 1 Chemical composition of Inconel 706(wt.%)

회전단조 실험은 Fig. 3에 나타낸 바와 같이 자체 제작된 장비를 이용하였으며, 장비의 최대 프레스 하중은 100 ton, 최대 행정거리는 600 mm이다. 상부 금형의 최대 기울기 각도는 10°이며 상, 하부에 부착된 4개의 모터에 의해 금형은 최대 100 rpm까지 회전이 가능하다. 회전단조 공정과 업세팅공정의 실험 조건은 Table 2에 나타내었다. 회전단조 공정 장비 및 업세팅 프레스 사양에 따라 단조 속도는 회전단조시 1.2mm/sec, 업세팅 시 10mm/sec로 진행되었다. 회전단조 및 업세팅 실험을 위해 각각 3개의 원통형시편을 준비하였으며, 형상은 Fig. 4에 나타내었다. 업세팅 시편은 직경 58 mm, 높이 48 mm의 원통이며, 회전 단조 실험에 사용된 시편또한 동일한 원통형 형상으로(직경 58 mm, 높이 43 mm) 하부에 소재 이탈을 방지하기 위한 돌출부를 가진다(Fig. 4(a)).

Fig. 3 Photograph of rotary forging simulator

Table 2 Experiment conditions of upsetting and rotary forging

Fig. 4 Schematic indicating: (a) billet for upsetting and rotary forging; (b) tensile specimen cutting scheme according to (c) ASTM E8

회전단조 후 기계적 특성 분석을 위해 Fig. 4(b)와 같이 시편 중심부에서 인장시험 시험편을 ASTM E8(Fig. 4(c)) 규격으로 제작하였다. 공정에 따른 미세조직 비교를 위해 Electron Backscatter Diffraction(EBSD) 분석을 진행하였다. 항공 및 발전용 터빈 부품에 활용되는 소재의 경우 고온환경에서의 기계적 특성을 고려함과 동시에 고속으로 회전하는 부품에 적용되므로 응력 파단 시험이 필수적으로 수행되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 단조 후 Inconel 706 합금에 대한 상온 및 고온 인장시험과 응력 파단시험을 수행하였다. 인장 시험 변형률 속도는 10^-3s^-1이며, 고온인장시험은 450℃에서 동일 변형률 속도로 진행되었다. 응력파단 시험은 650℃, 650 MPa 조건하에 진행하였다.

회전단조 및 업세팅 공정의 소재 내부 변형률을 분석하기 위해 상용 유한요소해석 소프트웨어인 Forge Nxt 3.0을 이용하여 성형 공정 해석을 진행하였다. 회전단조 및 업세팅 공정의 유한요소해석 모델은 Fig. 5와 같이 상부 금형(upper die), 하부 금형(lower die), 빌렛(billet)으로 구성되어 있다. 해석에 사용된 소재 물성은 Fig. 6에 나타낸 고온압축시험 결과를 활용하였다. 고온압축실험은 980℃에서 1시간 용체화 처리된 Inconel 706 합금을 이용하여 850℃부터 1200℃까지 8개 온도조건, 10^-3s^-1부터 10s^-1까지 5개의 변형률 속도조건 하에 압축률 60%로 진행되었다. 해석에 사용된 경계 조건은 Table 2에 나타낸 바와 같이 실제 실험 조건과 동일하게 적용하였다.

Fig. 5 FEM simulation models of (a) upsetting; (b) rotary forging

Fig. 6 True stress-strain curves of Inconel 706 obtained compression test under the different temperatures from 850 ℃ to 1200 ℃ and strain rate range from 10 ^-3 to 10

3. 결과 및 고찰

3.1 회전단조 공정의 하중 저감 효과

회전단조 공정 및 업세팅 공정 실험을 통해 얻은 하중이력을 Fig. 7에 나타내었다. 회전단조 공정 및 업세팅 공정에서 동일한 50% 압하율을 적용했을 때 회전단조 공정에서 스트로크 21.5 mm 일 때 최대 성형 하중은 55.9 ton, 업세팅 공정의 경우 스트로크 24 mm일 때 247.6 ton 으로 회전단조 공정이 업세팅 공정 대비 77.5% 하중 저감 효과가 있는 것으로 확인되었다.

Fig. 7 A comparison between the load histories of upsetting and rotary forging processes, based on experimental measurements and FE simulations

3.2 변형률 분포

성형 해석 결과의 신뢰성을 검증하기 위해 성형하중해석결과와 실험결과를 Fig. 7에 비교하였다. 회전단조공정의 최대성형하중 해석결과와 실험값은 8.9% 오차 이내의 정확도를 보였으며, 하중 이력의 경향 또한 실험값과 일치하는 것이 확인되었다.

본 해석결과를 이용하여 회전단조 및 업세팅 후 소재 내부 유효변형률을 분석하여 Fig. 8에 나타내었다. 업 세팅 후 단조품 중심부에 1.2 높은 유효변형률이 나타나고 소재와 금형의 접촉면은 마찰에 의한 영향으로 0.2의 낮은 유효변형률이 분포되어 Dead metal zone 이 형성되었음을 확인할 수 있다. 회전단조 후 소재 상부 에는 변형이 집중되어 버섯형상으로 성형되었다. 이는 앞서 언급한 바와 같이 금형과 소재 상부의 국부적인 접촉면으로 인한 소재상부에 불균일 변형이 집중적으 로 발생하기 때문이다. 이로 인하여 회전단조 후 소재 상부 중심에서 최대 유효변형률이 6.5로 나타나고, 소재 반경방향으로 변형률이 낮아지는 불균일한 분포가 나타났다. 소재 하부에서는 0.65이하의 낮은 유효변형률을 보이며 Dead metal zone이 형성되었다.

Fig. 8 Effective strain distribution during: (a) upsetting; (b) rotary forging process

3.3 미세조직

공정에 따른 미세조직 변형 거동을 분석하기 위하여 단조 전 시편과 회전단조 및 업세팅 후 단조품 단면의 IPF, KAM, GOS 분석 결과를 Fig. 9에 나타내었다.

Fig. 9 Microstructure of IN706 in the initial billet, and upset forged and rotary forged sample; IPF maps(a, b, e, h), KAM maps(c, f, i), and GOS maps(d, g, j)​​​​​​​

변형 전 초기 시편의 미세조직은 Fig. 9(a)와 같이 133.4 ㎛의 평균 결정립 크기를 갖는다. 업세팅 공정 후 1.2의 유효변형률이 부여된 중심부(Fig. 9(b))에서 평균 결정립 크기가 77.9 ㎛로 초기 시편 대비 42% 감소되었다. 회전단조 공정의 경우와 같이 최대 변형률이 부여된 상부 중심(Fig. 9(e))에서 결정립 크기가 73.1 ㎛로 초기 평균 결정립 크기 대비 46% 감소하였으나, 상대적으로 낮은 유효변형률 분포를 보인 소재 하부(Fig. 9(h))의 경우 290 ㎛로 초기 결정립 대비 2.1배 증가하였다.

높은 유효변형률 위치에서 나타난 결정립 미세화는 Dynamic recrystallization(DRX)발생에 의한 것으로 판단된다. DRX는 작거나 중간 정도의 Stacking fault energy를 갖는 금속에서 특정 온도와 변형률 조건에서 발생하며[9], Inconel 706과 같은 니켈기 초내열합금에서는 DRX 중Discontinuous dynamic recrystallization (DDRX)가 지배적으로 발생하는 것으로 알려져 있다[10].

DDRX는 변형 간 결정립계에 축적된 전위들로 인해 재결정 핵이 생성되고[11] 임계 변형량이 부여됨과 동시에 충분한 열에너지가 공급되면 성장이 일어나 결정립계를 따라 미세한 재결정 조직을 형성하게 된다[12]. 따라서 DRX가 발생한 영역에서는 낮은 Kernel average misorientation(KAM)값과 2°이하의 낮은 Grain orientation spread(GOS)값이 나타난다. Fig. 9(b), (c)에 나타낸 바와 같이 업세팅 공정의 경우 단조품 중심부 위치에서, 회전단조 공정의 경우 단조품 상부 중심부에서 최대 유효변형률이 발생하였고 동일 위치에서 낮은 KAM값과 2°이하의 GOS값이 나타났다. 이러한 결과 는 공정별 변형이 집중된 영역에서 DRX가 발생하여 결정립이 미세화 되고 전위밀도와 결정립 방위차가 낮아졌음을 나타낸다.

회전단조 후 소재 하부의 유효변형률이 낮은 영역에서(Fig. 9(h), (i), (j)) 단조 전 시편 대비 결정립 크기가 증가하고 재결정 발생 영역 대비 높은 KAM 값과 GOS 값이 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이는 초기 소재 가열 단계에서 결정립이 성장하고 성형중에 결정립계의 삼중점에서 불안정한 에너지로 국부적인 재결정만 발생한 반면 대부분 영역에서는 소재 내부 변형률이 DRX 를 위한 임계값을 넘지 못해 재결정이 발생하지 않은 것으로 판단된다.

3.4 기계적 특성

회전단조 및 업세팅 공정 후 단조품에서 시편을 채취하여 인장시험 및 응력파단 시험을 진행 후 실험결과를 Fig. 10에 나타내고 Table 3에 정리하였다. 회전단조 된 시편의 상온 항복강도, 인장강도, 연신율은 업세팅 시편 대비 각각 1.6%, 1.6%, 13.1% 감소하였고, 450℃ 온도에서는 항복강도, 인장강도, 연신율이 각각 0.3%, 1.0%, 19.1% 감소하였다. 응력파단시험 결과, 회전단조 시편의 응력 파단까지의 시간 및 연신율은 256 hr, 1.9%이며, 업세팅 시편의 경우 307 hr, 2.8%으로 회전단조 시편이 업세팅 시편 대비 파단 수명은 16.8%, 연신율은 29.7%로 감소하였다.

Fig. 10 Result of (a) tensile test at room temperature, 450℃; (b) result of stress rupture test at 650℃/650 MPa​​​​​​​

Table 3 Mechanical properties of Inconel 706 after upsetting and rotary forging​​​​​​​

회전단조 시편과 업세팅 시편의 기계적 특성 결과가 차이나는 이유는 단조품 내 시편 채취 위치인 중심부에서 각 공정에 따라 결정립 크기가 큰 차이를 보이기 때문으로 판단된다. Fig. 9에 나타낸 바와 같이 단조품의 중심부의 결정립 크기는 업세팅의 경우 77.9 ㎛로 회전단조 시편의 동일위치에서 결정립 크기인 290 ㎛보다 작아 결정립 미세화 효과로 인해 인장 및 응력파단 특성이 향상된 것으로 판단된다[13, 14].

4. 결론

본 연구에서는 Inconel 706에 회전단조 공정 및 업세팅 공정을 적용하여 압축성형을 진행하여 공정 특성을 분석하였으며, 또한 공정에 따른 단조품의 미세조직과 기계적 특성과의 상관관계에 대한 연구를 수행하였다.

(1) 회전단조 공정은 상부금형과 소재간 국부적인 접촉을 통해 소재가 점진적으로 성형되어 업세팅 공정 대비 최대하중이 77.5%로 저감되었다.

(2) 업세팅 공정에서 최대변형률은 시편의 중심에서 1.2로 나타난 반면, 회전단조의 경우 상부 금형과 소재가 닿는 영역에서 최대 유효변형률이 6.5로 나타났다. 또한 두 공정 모두 최대 유효변형률이 분포된 영역에서 결정립 미세화가 집중적으로 일어났다.

(3) 회전단조 시 단조품 중심부에 DRX가 일어날 수 있는 충분한 변형률이 부여되지 않고 상부에 변형이 집중되어 업세팅 공정 대비 회전단조 공정 시편의 인장 및 응력파단 특성이 감소하였다.

후기

이 연구는 2022년도 산업통상자원부 및 산업기술평가관리원(KEIT) 연구비 지원에 의한 연구임(‘20010676’).