본 연구는 TiC가 첨가된 초경합금의 WC 입자 내에 새로운 유형의 평면 결함을 최초로 발견했습니다. 이 결함의 독특한 특징은 세라믹 상 입자 내부에 금속 Ti 원자의 단일 층이 안정적으로 존재한다는 것입니다. 이 평면 결함은 기지상의 특정 결정면에 분포하는 이종 원자의 배열에 의해 발생하며, 상 경계, 결정립계, 쌍정 경계, 적층 결함, 계면 구조 등 기존의 평면 결함과는 현저히 다릅니다.

Grain-interior Planar Defects Induced by Heteroatom Monolayer in WC Grains 2

이 평면 결함의 조성, 구조 및 결정학적 특성은 원자 수준에서 상세히 규명되었으며, 에너지 상태와 안정성은 전산 시뮬레이션을 통해 평가되었습니다. 본 연구는 단일 Ti 원자층이 기저면의 수직 방향을 따라 새로운 WC 결정의 핵 생성을 촉진함을 발견했습니다. 이질 원자층의 교란으로 인해 W와 C 원자의 증착이 완벽한 결정 격자에서의 격자 위치에서 벗어나 핵 생성되고 성장된 WC 결정립의 WC 원자 배열에 변화를 초래합니다.

이 평면 결함의 분포 밀도를 조절하면 초경합금 재료의 기계적 성질을 변화시킬 수 있으며, 적절한 평면 결함 밀도 조건에서 최적의 기계적 성질을 얻을 수 있음을 확인했습니다. 본 연구는 결정립 내부에 평면 결함을 도입하고 조절함으로써 재료의 기계적 성질을 향상시키는 새로운 접근법을 제시합니다.

Grain-interior Planar Defects Induced by Heteroatom Monolayer in WC Grains 3

내용물 숨다

1 연구 배경

2 혁신 포인트

2.1 (1) 새로운 유형의 입자내 평면 결함 발견

2.2 (2) WC 입자상의 원자 스케일 평면 결함의 결정학적 특성 및 형성 메커니즘 규명

2.3 (3) 입자내 평면 결함 밀도 조절을 통한 고강도, 고인성 초경합금 제조

3 요약

연구 배경

다결정 재료의 전형적인 평면 결함에는 상 경계와 결정립계 외에도 주로 쌍정 경계, 적층 결함, 그리고 복합 결함이 포함됩니다. 쌍정 경계와 적층 결함과 같은 결정립 내부의 평면 결함은 일반적으로 변형에 의해 발생합니다.

상 경계 또는 결정립계에 형성되는 평면 결함(예: 복합물)은 일반적으로 도펀트 원소의 편석, 상 분해, 침전 등에 의해 발생합니다. 도핑은 재료 제조 과정에서 매트릭스의 성능을 향상시키기 위해 널리 사용됩니다. 첨가제는 원소 편석 또는 2상 입자의 침전 형태로 결정립계에 존재하거나, 결정립 내에서 용질 원자, 클러스터 또는 침전물로 변형될 수 있습니다. 첨가제가 특정 형태로 결정립계에 존재하면 계면 에너지를 감소시켜 결정립 성장을 억제할 수 있습니다. 결정립 내부에 분포되면 고용체(치환형 또는 침입형) 또는 분산 침전을 통해 매트릭스를 강화하는 데 중요한 역할을 합니다. WC-Co 초경합금은 전형적인 서멧 복합재로, 산업계에서 공구 및 금형 재료로 널리 사용됩니다.

이 제조에 사용되는 입자 성장 억제제는 주로 VC, Cr₃C₂, TiC, NbC, TaC와 같은 내화성 금속 탄화물입니다. 기존 연구에 따르면 대부분의 입자 성장 억제제는 (W,M)Cₓ 복합물(여기서 M은 내화성 금속이고 0)로 변환됩니다.

Ti와 Co는 WC 결정립계에서 서로 다른 편석 및 석출 거동을 보이며, 이는 WC/WC 결정립계에서 매우 비대칭적인 초구조를 형성할 수 있습니다. 초경합금에서 입자 성장 저해제의 또 다른 형태는 Co 결합재상에서의 용해 또는 WC에서의 고용체 형성입니다. 이 경우, 내화 금속은 일반적으로 기지 결정립 내에 무질서하게 분포된 치환 용질 원자 형태로 존재합니다. 그러나 내화 금속 원자가 다른 형태로 존재하는지, 그리고 재료의 미세구조 및 특성에 미치는 영향은 아직 불분명합니다. 본 연구에서는 WC 결정립 내에서 특수한 유형의 평면 결함을 최초로 발견했습니다.

이 결함은 TiC가 첨가된 WC-Co 초경합금의 특정 WC 결정면에서 Ti 원자의 규칙적인 배열로 인해 발생합니다. 이는 초합금 및 금속간 화합물에서 흔히 발견되는 규칙적인 구조를 가진 층상(예: B2 및 L1₂)과는 현저히 다르며, 규칙적이거나 부분적으로 규칙적인 층상 구조를 가진 MAX 상도 아닙니다. 본 연구에서는 이러한 입자내 평면 결함의 조성, 미세구조, 결정학적 특징 및 계면 에너지 상태를 원자 수준에서 분석하고, 그 형성 메커니즘을 규명하며, 이를 복합 결함 및 적층 결함과 같은 다른 평면 결함과 비교합니다. 나아가, 이 특수한 평면 결함이 초경합금의 기계적 특성에 미치는 영향을 연구합니다.

혁신 포인트

(1) 새로운 유형의 입자내 평면 결함 발견

영어: 결함은 이물질 원자의 정렬된 배열로 인해 발생합니다.1340~1490°C의 온도 범위에서 소결한 TiC를 함유한 WC-Co 시멘트 카바이드에서 WC 입자 내부에 특수한 평면 결함이 발견되었습니다.이러한 결함은 그림 1(a) 및 (b)에 표시된 대로 두 가지 형태로 존재합니다.Type I의 경우 계면 양쪽의 WC 결정은 동일한 방향을 가지므로 WC의 두 부분이 동일한 영역 축을 공유합니다.Type II의 경우 WC 결정의 일부가 계면 법선을 중심으로 180° 회전하고 처음에는 동일한 방향을 가진 WC의 다른 부분과 결합하는 것과 같습니다.앞서 언급한 입자 내 평면 결함은 Σ13a형 WC 입자 경계(그림 1c 참조)와 다릅니다. 구체적으로, 전형적인 Σ13a 결정립계는 두 WC 결정립, 즉 (0001)WC//(0001)WC와 [10-10]WC//[1-210]WC 사이의 배향 관계에 의해 형성됩니다. 이와 대조적으로, 본 연구에서 발견된 입자내 평면 결함의 양쪽에 있는 WC 결정은 그림 1(d)에서 볼 수 있듯이 일관된 배향을 보입니다. HAADF-STEM 이미지와 에너지 분산 분광법(EDS) 분석 결과는 그림 1(e)에서 볼 수 있듯이 이러한 평면 결함에 Ti가 풍부함을 나타냅니다.

그림 1. 1490°C에서 소결 및 담금질한 TiC 함유 WC-Co 초경합금의 미세조직적 특성: (a) 내부 계면(화살표로 표시)을 포함하는 WC 입자의 HAADF-STEM 이미지; (b) 내부 입자 계면이 점선으로 표시된 미세조직의 BSE 이미지; (c) Σ13a형 WC 입자 경계; (d) WC의 입자내 평면 결함; (e) Ti가 풍부한 평면 결함을 보여주는 HAADF-STEM 이미지 및 에너지 스펙트럼 분석.

(2) WC 입자상의 원자 스케일 평면 결함의 결정학적 특성 및 형성 메커니즘 규명

실험 및 이론 계산 결과와 종합해 볼 때, WC 결정립 내의 단일 Ti 층은 WC/Co 상 경계에 존재하는 (W,Ti)Cₓ 복합체의 분해 후 원자 확산에 의해 형성된 안정된 구조입니다. 액상 소결의 용해-석출 과정에서 단일 Ti 층은 WC 결정 성장을 위한 핵생성 지점을 제공합니다.

Ti 층과 인접한 W 및 C 원자층으로 구성된 다양한 계면 구조에 대해 기본 원리 계산을 수행했습니다. 두 가지 유형의 평면 결함 모두 W-C-Ti-C-W 배열을 따를 때 가장 낮은 계면 에너지를 나타냄을 확인했습니다. 이는 그림 2(a)에서 볼 수 있듯이 단일 Ti 층이 WC 결정의 C 원자층에 연결될 때 평면 결함이 가장 안정된 상태에 있음을 나타냅니다. 이는 TEM 관찰 및 분석 결과와 일치합니다.

또한, 다른 내화성 금속(예: V, Zr, Nb, Mo, Hf)에 의해 WC 결정립에서 동일한 구조의 평면 결함이 형성될 가능성을 예측하기 위한 계산이 수행되었습니다. 그 결과, 그림 2(b)에서 볼 수 있듯이 단일 Ti 층에 의해 유도된 평면 결함의 계면 에너지는 다른 원소에 의해 유도된 것보다 현저히 낮았습니다. 이는 앞서 언급한 평면 결함이 TiC가 첨가된 초경합금에서 발견되는 반면, VC, ZrC, NbC, Mo₂C, HfC가 첨가된 초경합금에서는 이러한 결함이 거의 관찰되지 않는 이유를 설명합니다.

그림 2. I형 및 II형 평면 결함의 계산된 계면 에너지: (a) WC 기저면의 법선 방향을 따라 가능한 모든 원자층 구성의 계면 에너지. 오른쪽 그림과 왼쪽 아래 그림은 I형 및 II형 평면 결함의 각각 가장 낮은 계면 에너지("A" 및 "B")와 가장 높은 계면 에너지("C" 및 "D")에 해당하는 계면 구성과 국소 전자 밀도를 개략적으로 보여줍니다. (b) WC 입자에 Mo, Hf, Nb, V, Zr, Ti를 도핑하여 입자 내 평면 결함을 형성할 때의 다양한 계면 에너지 상태 비교 (각각 가장 낮은 계면 에너지 상태를 선택). — Figure 2. Calculated interfacial energies of Type I and Type II planar defects: (a) Interfacial energies of all possible atomic layer configurations along the normal direction of the WC basal plane. The right diagram and the bottom-left diagram show schematic illustrations of interface configurations and local electron densities corresponding to the lowest (“A” and “B”) and highest (“C” and “D”) interfacial energies of Type I and Type II planar defects, respectively; (b) Comparison of various interfacial energy states when doping Mo, Hf, Nb, V, Zr, and Ti to form intragranular planar defects in WC grains (the lowest interfacial energy state is selected for each).

(3) 입자내 평면 결함 밀도 조절을 통한 고강도, 고인성 초경합금 제조

제조된 초경합금의 WC 입자 내 입내 평면 결함 밀도는 TiC 입자 크기, 첨가량 및 소결 공정 변수를 조절함으로써 조절할 수 있습니다. 적절한 평면 결함 밀도에서, 제조된 초경합금은 4840±230 MPa의 횡파단강도(TRS)와 14.2±0.5 MPa·m¹/²의 파괴인성(KIc)을 나타냅니다. 이러한 초경합금의 종합적인 기계적 특성은 유사한 Co 함량을 가지지만 입내 평면 결함이 없는 기존 초경합금보다 우수합니다.

입자내 평면 결함 화장실 전위와 적층 결함의 장거리 이동을 방해하여 WC 입자를 강화하고 입계 균열의 전파를 억제함으로써 시멘트 탄화물의 강도와 인성을 효과적으로 향상시킬 수 있습니다.

그림 3. WC의 입자내 평면 결함이 초경합금의 기계적 성질에 미치는 영향: (a, b) WC 평면 결함의 분포 밀도에 따른 횡파단 강도(TRS)와 파괴인성(KIc)의 변화; (c) 본 연구에서 제조한 WC에 입자내 평면 결함을 포함하는 초경합금과 유사한 Co 함량이지만 결함이 없는 샘플 간의 횡파단 강도와 파괴인성의 비교; (d) WC{10-10} 결정면의 전형적인 적층 결함; (e) WC 평면 결함과 입자 내부의 적층 결함 및 전위 간의 상호 작용.

요약

본 연구에서는 TiC가 첨가된 WC-Co 초경합금의 세라믹 상(WC 입자) 내에서 단일 Ti 원자층에 의해 유도되는 새로운 유형의 평면 결함을 발견하고, 그 분포 밀도를 조절하였다. 원자 단위 미세조직 특성 분석 및 시뮬레이션 계산을 통해 이 평면 결함의 조성, 구조, 결정학적 특성 및 형성 메커니즘을 규명하였다.

이 평면 결함은 높은 안정성을 나타내어 적층 결함과 전위의 장거리 이동을 방해하고 입내 균열의 전파를 억제할 수 있습니다. WC 내 입내 평면 결함의 적절한 분포 밀도를 통해, 제조된 초경합금은 높은 횡파단 강도와 파괴인성을 동시에 달성합니다.

본 연구는 공유 결합 결정 내 단일 층의 이물질 금속 원자에 의해 특수한 입자내 평면 결함이 유도될 수 있음을 보여줍니다. 경질 상 입자 내에 이러한 평면 결함을 도입하고 조절함으로써 세라믹 매트릭스 복합재의 기계적 특성을 향상시키는 새로운 접근법을 제시합니다.

저널 홈페이지:www.keaipublishing.com/en/journals/advanced-powder-matarials