Interfacial Reactions of CaZrO3 -Y2O3 Composite Ceramic Shells for Titanium Alloy Investment Casting

용융 금속을 틀에 붓는 상황을 상상해 보십시오. 하지만 그 틀 자체가 녹기 시작하거나 액체 금속과 화학적으로 반응합니다. 이는 티타늄을 주조할 때 발생하는 끊임없는 투쟁입니다. 티타늄은 강도와 가벼움으로 인해 높게 평가받는 금속이지만, 고온에서 화학적으로 매우 공격적인 것으로 악명이 높습니다. 용융된 티타늄이 세라믹 쉘(shell)에 닿으면, 티타늄은 세라믹으로부터 산소와 다른 원소들을 빼앗아 가며, 결국 최종 부품의 표면을 망가뜨립니다. 이러한 오염은 금속을 취성(brittleness)이 있게 만들어 항공기 엔진이나 의료용 임플란트와 같은 중요한 용도로 사용할 수 없게 만듭니다. 수십 년 동안 과학자들은 열에 의해 분해되거나 반응하지 않고 견딜 수 있는 세라믹 재료를 찾아, 금속의 순도를 유지할 수 있는 완벽한 차단벽을 찾고자 노력해 왔습니다.

선양 주조 연구소(Shenyang Research Institute of Foundry Co., Ltd.)의 연구진은 두 가지 서로 다른 세라믹 재료를 혼합하여 더 강력한 방패를 만드는 방식으로 이 문제에 도전했습니다. 그들은 안정성은 높지만 여전히 티타늄과 너무 많이 반응하는 것으로 알려진 세라믹인 지르코네이트 칼슘(calcium zirconate)에서 시작했습니다. 이를 해결하기 위해, 그들은 열에 강하지만 단독으로 사용하기에는 어렵고 비싼 희토류 산화물인 이트리아(yttria)를 다양한 양으로 첨가했습니다. 이 두 재료를 혼합함으로써 연구팀은 지르코네이트 칼슘의 저렴한 비용과 가용성, 그리고 이트리아의 우수한 내열성을 모두 갖춘 복합 쉘을 만들고자 했습니다. 그들의 목표는 단순하면서도 매우 중요했습니다. 즉, 열에 강한 재료를 더 많이 첨가하는 것이 용융된 티타늄에 대한 화학적 공격을 막고 더 깨끗하고 강한 주물을 만들어낼 수 있는지 확인하는 것이었습니다.

연구팀은 이트리아를 지르코네이트 칼슘에 혼합하는 비율을 달리하여 네 가지 유형의 세라믹 쉘을 준비했습니다. 혼합 비율은 이트리아가 20%인 쉘부터 80%인 쉘까지 다양했습니다. 이 혼합 분말을 결합하기 위해 특수 액체 바인더를 사용하였고, 이 혼합물을 층층이 쌓아 올려 몰드를 형성했습니다. 쉘을 건조하고 가마에서 구운 후, 이를 사용하여 ZTA15로 알려진 특정 티타늄 합금을 주조했습니다. 공정은 예열된 세라믹 쉘에 용융 금속을 붓고 냉각시키는 과정을 포함했습니다. 금속이 응고된 후, 연구진은 쉘을 깨뜨려 주물의 표면을 조사하며 세라믹이 금속과 얼마나 많이 반응했는지 면밀히 살펴보았습니다.

그들이 발견한 것은 이트리아 첨가량과 최종 제품의 품질 사이에 명확하고 직접적인 관계가 있다는 것이었습니다. 이트리아 함량이 가장 낮은 쉘에서는 세라믹과 금속 사이의 반응이 심각했습니다. 약 71마이크로미터 두께의 손상된 금속층이 표면에 형성되었습니다. 금속의 내부 구조가 화학 반응에 의해 변형된 이 손상 구역은 주물 내부로 229마이크로미터 깊이까지 침투했습니다. 연구진이 혼합물 내 이트리아의 양을 늘림에 따라 이 손상 구역은 급격히 줄어들었습니다. 이트리아 농도가 가장 높은 쉘에서는 오염된 층이 단 21마이크로미터로 감소했으며, 금속의 변형된 구조는 107마이크로미터의 훨씬 얇은 띠 안에 국한되었습니다.

개선된 점은 단순히 두께뿐만이 아니라 반응의 성질 자체도 변했다는 것입니다. 이트리아 함량이 적은 쉘에서는 고온에서 지르코네이트 칼슘이 분해되어, 티타늄과 반응하여 원치 않는 화합물과 다양한 금속 구조의 혼합물을 생성했습니다. 그러나 이트리아 함량이 증가함에 따라, 이트리아는 안정제 역할을 하여 세라믹이 분해되는 것을 방지했습니다. 가장 성공적인 쉘에서는 티타늄의 표면이 거의 완전히 순수한 상태를 유지하며, 새로운 취성 상(phase)의 형성 없이 원래의 구조를 유지했습니다. 또한 연구진은 이트리아 함량이 높을수록 세라믹 쉘 자체가 더 강해져 균열이 생기거나 조각나 떨어질 가능성이 낮아졌으며, 이는 금속을 오염으로부터 더욱 효과적으로 보호했습니다.

쉘 내부에서 정확히 어떤 일이 일어나고 있는지 이해하기 위해, 연구팀은 첨단 이미징 및 X선 기술을 사용하여 층의 화학적 조성을 분석했습니다. 그들은 이트리아 함량이 낮은 쉘에서는 세라믹 재료가 분해되어 용융 금속과 공격적으로 반응하는 산화물의 무질서한 혼합물을 생성한다는 것을 발견했습니다. 반면 이트리아 함량이 높을 때는 세라믹이 안정적으로 유지되어, 티타늄을 순수하게 유지하는 보호 장벽을 형성했습니다. 연구팀은 또한 세라믹과 금속 사이의 반응이 시작되는 온도를 측정했습니다. 그들은 이트리아가 더 많은 쉘이 반응이 시작되기 전 더 높은 온도를 견딜 수 있다는 것을 발견했으며, 이는 해당 재료가 열역학적으로 더 안정해졌음을 확인시켜 주었습니다.

연구는 이 작업이 효과적으로 작동하기 위해 필요한 이트리아의 양에 임계점이 있다는 결론을 내렸습니다. 이트리아의 양이 40% 미만으로 떨어지면, 이 재료는 주요 보호 성분으로서의 역할을 하지 못하고 세라믹의 분해를 막지 못하는 부차적인 첨가제로 전락했습니다. 이러한 변화는 반응층을 크게 두껍게 만들어 복합 설계의 이점을 무효화했습니다. 따라서 연구진은 최상의 결과를 얻기 위해서는 쉘에 최소 40%의 이트리아가 포함되어야 한다고 결정했습니다. 이 발견은 제조업체들에게 실질적인 가이드라인을 제공하며, 값비싼 재료를 더 많이 추가하는 것이 성능을 향কে시키기는 하지만, 세라믹 쉘이 용융된 티타늄의 공격적인 성질에 대해 진정으로 효과를 발휘하기 위해서는 특정 최소 임계치가 필요함을 보여줍니다.