상호금속상 제어를 통한 뛰어난 기계적 성능을 갖는 다이캐스팅 마그네슘 합금 개발

본 게시물은 2019년 Journal of Alloys and Compounds에 발표된 "상호금속상 제어를 통한 뛰어난 기계적 성능을 갖는 다이캐스팅 마그네슘 합금 개발"이라는 제목의 연구 논문을 요약한 것입니다. 

1. 개요:

  • 제목: 상호금속상 제어를 통한 뛰어난 기계적 성능을 갖는 다이캐스팅 마그네슘 합금 개발
  • 저자: Fanzhi Meng, Shuhui Lv, Qiang Yang, Pengfei Qin, Jinghuai Zhang, Kai Guan, Yuanding Huang, Norbert Hort, Baishun Li, Xiaojuan Liu, Jian Meng
  • 발행 연도: 2019년
  • 발행 학술지: Journal of Alloys and Compounds
  • 키워드: 마그네슘 합금, 상호금속상, 투과 전자 현미경 (TEM), 시뮬레이션, 합금 설계 개념
Fig. 1. The components of intermetallic phases examined using XRD and TEM in the Mg4LaxAl (x ¼ 08, wt.%) alloys fabricated by gravity die casting. The purple dotted lines correspond to the critical Al/La ratio for the formation of certain simplex intermetallic phase, and the dotted gray area corresponds to the Al/La range where only Mg12La phase forms. (For interpretation of the references to color in this figure legend, the reader is referred to the Web version of this article.)
Fig. 1. The components of intermetallic phases examined using XRD and TEM in the Mg4LaxAl (x ¼ 08, wt.%) alloys fabricated by gravity die casting. The purple dotted lines correspond to the critical Al/La ratio for the formation of certain simplex intermetallic phase, and the dotted gray area corresponds to the Al/La range where only Mg12La phase forms. (For interpretation of the references to color in this figure legend, the reader is referred to the Web version of this article.)

2. 연구 배경:

  • 연구 주제의 사회적/학문적 맥락:
    마그네슘(Mg) 합금은 자동차 산업에서 연비와 차량 성능을 향상시킬 수 있는 뛰어난 경량화 잠재력으로 인해 점점 더 많은 관심을 받고 있습니다. 그러나 기존 금속 재료에 비해 기계적 성능이 만족스럽지 못하여 활용도가 여전히 낮습니다. 희토류(RE) 원소를 Mg 합금에 첨가하면 고온 또는 고온에서 크리프 성능과 기계적 물성이 향상되는 것으로 알려져 있습니다.
  • 기존 연구의 한계:
    Mg-4Al-4RE (AE44) 합금과 같은 합금이 사용되었지만, 차세대 강철, 고강도 알루미늄 합금 및 탄소 섬유/폴리머 복합재와 경쟁하기 위해서는 강도 및 크리프 저항성이 여전히 크게 개선되어야 합니다. 특히 강성 제한 질량비 응용 분야에서 그렇습니다. 기존 연구는 단일 RE 원소가 상호금속상 및 기계적 물성에 미치는 영향에 초점을 맞추었지만, 추가적인 최적화가 필요합니다.
  • 연구의 필요성:
    상호금속상 성분을 정밀하게 제어하여 우수한 기계적 성능을 갖는 Mg 합금을 개발해야 할 필요성이 있습니다. 본 연구는 Mg 합금, 특히 Mg-Al-La 시스템 내에서 뛰어난 기계적 물성과 저비용을 달성하기 위해 상호금속상을 조작하는 데 초점을 맞춘 새로운 합금 설계 개념을 탐구하는 것을 목표로 합니다.

3. 연구 목적 및 연구 질문:

  • 연구 목적:
    주요 연구 목적은 뛰어난 기계적 성능과 저비용을 나타내는 마그네슘 합금 시스템을 개발하기 위한 새로운 합금 설계 개념을 소개하는 것입니다. 이는 합금 내 상호금속상 성분을 세심하게 제어함으로써 달성됩니다. 본 연구는 Mg-Al-La 시스템에서 이 개념을 입증하는 데 중점을 둡니다.
  • 주요 연구 질문:
    • 주어진 합금 시스템, 특히 Mg-Al-La에서 합금 조성, 특히 Al/La 비율을 엄격하게 제어함으로써 상호금속상 성분을 효과적으로 변경하고 제어할 수 있는가?
    • Mg-Al-La 시스템에서 Al/La 비율을 세심하게 제어함으로써 새로운 상호금속상(η상)을 형성할 수 있는가? 그리고 이 상은 향상된 기계적 물성에 기여하는가?
    • 이러한 설계 개념을 기반으로 개발된 새로운 ALaM440 합금의 기계적 성능(강도, 연성, 크리프 저항성 및 비용 효율성)은 기존 상용 및 실험적 고압 다이캐스팅(HPDC) Mg 합금 및 A380 알루미늄 합금과 비교하여 어떻는가?
  • 연구 가설:
    • Mg-Al-La 시스템에서 합금 조성, 특히 Al/La 비율을 정밀하게 제어함으로써 상호금속상의 종류와 특성을 맞춤화할 수 있다.
    • Al/La 비율을 세심하게 제어함으로써 Mg-Al-La 시스템에서 새로운 상호금속상(η상)을 형성할 수 있으며, 이 상은 향상된 기계적 물성에 기여할 것이다.
    • 제어된 상호금속상으로 설계된 ALaM440 합금은 현재 상용 및 실험적 HPDC Mg 합금, 심지어 A380 알루미늄 합금보다 우수한 강도, 연성 및 비용 효율적인 크리프 성능의 균형을 나타낼 것이다.

4. 연구 방법론

  • 연구 설계:
    본 연구는 합금 조성, 특히 Mg-Al-La 시스템 내에서 합금 조성을 수정하여 상호금속상 성분을 제어하는 데 중점을 둔 합금 설계 개념을 채택했습니다. 연구는 Mg-3.5Al-4.2La-0.3Mn (ALaM440) 합금 개발에 초점을 맞추었습니다. 합금은 중력 다이캐스팅 및 고압 다이캐스팅(HPDC) 방법 모두를 사용하여 제조되었습니다.
  • 데이터 수집 방법:
    • 합금 조성 분석: 유도 결합 플라즈마 원자 방출 분광법(ICP-AES)을 사용하여 제조된 합금의 정확한 조성을 결정했습니다.
    • 미세 구조 특성 분석:
      • X선 회절(XRD)을 사용하여 합금에 존재하는 결정상을 식별했습니다.
      • 주사 전자 현미경(SEM)을 사용하여 상호금속상의 형태와 분포를 특성화했습니다.
      • 투과 전자 현미경(TEM)(명시야 TEM(BF-TEM), 선택 영역 전자 회절(SAED), 에너지 분산형 X선 분광기(EDS) 분석 및 고각 환형 암시야 주사 투과 전자 현미경(HAADF STEM) 포함)을 사용하여 상 식별, 결정 구조 결정 및 계면 특성 분석을 포함하여 더 높은 해상도에서 상세한 미세 구조 분석을 수행했습니다.
    • 기계적 물성 평가: 인장 시험을 실시하여 합금의 항복 강도와 파단 연신율을 평가했습니다.
    • 회절 패턴 시뮬레이션: Single Crystal 소프트웨어를 사용하여 상 식별을 위한 전자 회절 패턴을 시뮬레이션했습니다.
    • HAADF STEM 이미지 시뮬레이션: QSTEM 소프트웨어 패키지를 사용하여 구조 모델링 및 HAADF STEM 이미지 시뮬레이션을 수행했습니다.
    • 밀도 함수 이론(DFT) 계산: VASP 5.2.2를 사용한 DFT 시뮬레이션을 수행하여 새로운 상호금속상의 결정 구조를 최적화하고 형성 에너지를 계산했습니다.
  • 분석 방법:
    • 상 식별: XRD 패턴 및 SAED 패턴을 분석하여 존재하는 상호금속상을 식별했습니다. 시뮬레이션된 회절 패턴을 실험적 SAED 패턴과 비교하여 상을 검증했습니다.
    • 미세 구조 분석: SEM 및 TEM 이미지를 분석하여 상호금속상의 형태, 크기, 분포 및 부피 분율을 특성화했습니다. EDS 분석을 사용하여 상의 화학량론을 결정했습니다.
    • 결정 구조 결정: SAED 패턴 및 HAADF STEM 이미지와 DFT 계산 및 시뮬레이션을 결합하여 새로운 상호금속상(η-Al3La)의 결정 구조를 결정했습니다.
    • 기계적 물성 비교: ALaM440 합금의 항복 강도와 파단 연신율을 다양한 상용 및 실험적 HPDC Mg 합금 및 A380 알루미늄 합금과 비교했습니다.
    • 비용-성능 분석: 크리프 강도 및 상대 비용을 비교하여 A380 합금 및 기타 Mg 합금에 대한 ALaM440 합금의 비용 효율성을 평가했습니다.
  • 연구 대상 및 범위:
    본 연구는 Mg-Al-La-Mn 합금 시스템, 특히 새로 설계된 ALaM440 합금(Mg-3.5Al-4.2La-0.3Mn)에 초점을 맞추었습니다. 본 연구에서는 이 시스템에서 형성된 상호금속상, 특히 새로운 η-Al3La 상을 조사했습니다. ALaM440 합금의 기계적 성능을 평가하고 상용 HPDC Mg 합금(AE44, AE46, AZ91, AM60, AS41, AS31, AAS21, AX52, AX53, AJ52, AJ62, MRI153A, AXJ530, MRI153M, MRI230D, ACM522, ALaCe44, Mg-RE) 및 기존 HPDC A380 알루미늄 합금과 비교했습니다. 범위에는 미세 구조 특성 분석, 새로운 상의 결정 구조 결정, 상온에서의 기계적 물성 평가 및 비용-크리프 성능에 대한 예비 평가가 포함되었습니다.

5. 주요 연구 결과:

  • 주요 연구 결과:
    • 상호금속상 성분 제어를 기반으로 하는 새로운 합금 설계 개념이 Mg-Al-La 시스템에 성공적으로 적용되어 ALaM440 합금 개발로 이어졌습니다.
    • 새로운 침상 상호금속상인 η-Al3La가 ALaM440 합금에서 발견 및 식별되었습니다. 이 상은 격자 상수 a = 0.4437 nm, b = 0.4508 nm, c = 0.9772 nm 및 β = 103.5°의 단사정계 결정 구조를 나타냅니다.
    • η-Al3La 상을 포함하는 ALaM440 합금은 기존 HPDC Mg 합금에 비해 강도-연성 균형이 크게 향상되었으며, 상온에서 극한 인장 강도 측면에서 A380 알루미늄 합금의 성능을 능가합니다.
    • ALaM440 합금은 또한 뛰어난 비용 크리프 성능을 나타내어 기존 다이캐스팅 Mg 합금보다 성능이 뛰어나고 150°C 이상의 열악한 환경에서 A380 합금과 비슷하거나 더 나은 성능을 보입니다.
    • 평면 결함, 단층 방향 쌍정(MOT)으로 식별된 결함이 η-Al3La 상 내에서 관찰되었으며, 이는 합금의 기계적 거동에 잠재적으로 기여합니다.
    • η-Al3La 상과 Mg 기지 사이의 계면은 정합 계면으로 밝혀졌으며, 특정 방향 관계를 가집니다: (011)η//(1122)Mg, [100]η는 [1010]Mg에서 5.7-10.4° 벗어났습니다.
  • 통계적/정성적 분석 결과:
    • EDS 분석: ALaM440 합금의 침상 상에 대한 통계적 EDS 분석 결과 약 Al3La의 화학량론을 나타내어 η-Al3La로 식별되는 것을 뒷받침합니다. 이 상에 대한 Al/La의 원자 비율은 통계적으로 약 3:1로 결정되었습니다.
    • XRD 분석: Mg-4La-xAl 합금의 XRD 패턴은 Al/La 비율 변화에 따른 상호금속상의 진화를 보여주며, 다양한 Al/La 비율에서 Mg12La, Al2.12La0.88, η상, Al11La3 및 Mg17Al12 상의 형성을 보여줍니다. ALaM440 합금의 XRD 패턴은 Al11La3 및 Al2La에 대한 이론적 회절 피크 위치와 상당한 차이를 보여주어 다른 주요 상호금속상의 존재를 시사합니다.
    • DFT 계산: DFT 계산은 -0.430 eV/atom의 계산된 형성 에너지로 제안된 η-Al3La 구조의 안정성을 확인했습니다. 최적화된 η-Al3La 구조에서 계산된 격자 상수 및 시뮬레이션된 전자 회절 패턴은 실험 측정과 잘 일치했습니다.
    • 기계적 시험: ALaM440 합금의 항복 강도 및 파단 연신율을 다른 HPDC Mg 합금 및 A380 합금과 비교하여 플롯팅하여 우수한 강도-연성 균형을 입증했습니다. 크리프 강도 데이터 및 비용 분석은 ALaM440 합금의 뛰어난 비용 크리프 성능을 보여주었습니다.
  • 데이터 해석:
    • Mg-Al-La 시스템에서 제어된 Al/La 비율은 Mg-Al-RE 합금에서 일반적으로 보고되는 Al11La3 상과 다른 새로운 η-Al3La 상의 형성을 유도했습니다.
    • 미세한 침상 형태와 Mg 기지와의 정합 계면을 갖는 η-Al3La 상의 존재는 ALaM440 합금의 향상된 기계적 물성에 매우 중요합니다.
    • 정합 η-Al3La/Mg 계면과 η-Al3La 상 내의 평면 결함은 전위 거동 및 변형 메커니즘에 영향을 미쳐 강화 및 연성에 효과적으로 기여합니다.
    • ALaM440 합금은 강도, 연성 및 비용 효율적인 크리프 저항성의 우수한 조합을 달성하여 자동차 파워트레인 부품에 대한 유망한 대체 재료가 됩니다.
  • 그림 목록:
    • 그림 1: 중력 다이캐스팅으로 제조된 Mg-4La-xAl (x = 0-8, wt.%) 합금 시리즈에서 XRD 및 TEM을 사용하여 조사한 상호금속상 성분.
    • 그림 2: (a) 연구된 ALaM440 합금의 후방 산란 SEM 이미지, (b) 해당 XRD 패턴, (c) 새로운 상호금속상에 대한 Al/La 원자 비율의 통계 다이어그램, (d-g) 이 새로운 상에 대한 다양한 영역 축에 대한 해당 SAED 패턴, (h-j) 각각 (d-f)로 표시된 영역 축을 따라 촬영한 η-Al3La 상의 HAADF STEM 이미지.
    • 그림 3: DFT 최적화된 η-Al3La 상의 단위 셀 구성.
    • 그림 4: (첫 번째 및 세 번째 행) 다양한 영역 축을 따른 시뮬레이션된 전자 회절 패턴, (두 번째 및 네 번째 행) 해당 실험적 SAED 패턴, (다섯 번째 행) 그림 3의 공 색상과 일치하는 공 색상으로 각각 [100], [010] 및 [110]에서 본 모델, (여섯 번째 행) 위의 모델을 사용한 시뮬레이션된 HAADF STEM 이미지, (마지막 행) 각각 [100], [010] 및 [110]에서 촬영한 HAADF STEM 이미지.
    • 그림 5: (a) 및 (b) 각각 [100] 및 [010] 영역 축을 따른 SAED 패턴, 해당 (c 및 d) 확대된 SAED 패턴 및 (e 및 f) 원자 분해능 HAADF STEM 이미지.
    • 그림 6: η-Al3La 상에서 MOT(빨간색 화살표로 표시) 및 방향 쌍정(주황색 화살표로 표시)에 대한 다양한 분포를 갖는 HAADF STEM 이미지.
    • 그림 7: (a) 다양한 HPDC Mg 시스템의 항복 강도 및 파단 연신율과 A380 합금. (b) 기존 다이캐스팅 Mg 합금의 크리프 강도(100시간에서 0.1% 크리프 변형률을 생성하는 응력) 및 A380 합금 대비 비용.
    • 그림 8: (a) 및 (b) EA의 BF-TEM 이미지, (c) 미세한 η-Al3La 상의 SAED 패턴 및 (d) η-Al3La와 Mg 기지 사이의 계면.
    • 그림 9: 각각 {102}η, (b) (011) 및 (c) (110) 평면에서 결함 형성을 보여주는 고배율 TEM 이미지. 삽입 그림은 해당 고속 푸리에 변환(FFT) 패턴입니다.
Fig. 2. (a) Backscatter SEM image of the studied ALaM440 alloy, (b) the corresponding XRD pattern (the known Al2La and Al11La3 were indicated by green and red lines, respectively), (c) the statistical diagram of the atomic ratio of Al/La for the new intermetallic phase, (deg) the corresponding SAED patterns on various zone axes for this new phase, and (hej) HAADF STEM images of the h-Al3La phase taken along the zone axes indicated by (def) respectively. The insets in (hej) show the higher magnifications with the unit cell schematically indicated by red dotted parallelograms. (For interpretation of the references to color in this figure legend, the reader is referred to the Web version of this article.)
Fig. 2. (a) Backscatter SEM image of the studied ALaM440 alloy, (b) the corresponding XRD pattern (the known Al2La and Al11La3 were indicated by green and red lines, respectively), (c) the statistical diagram of the atomic ratio of Al/La for the new intermetallic phase, (deg) the corresponding SAED patterns on various zone axes for this new phase, and (hej) HAADF STEM images of the h-Al3La phase taken along the zone axes indicated by (def) respectively. The insets in (hej) show the higher magnifications with the unit cell schematically indicated by red dotted parallelograms. (For interpretation of the references to color in this figure legend, the reader is referred to the Web version of this article.)
Fig. 3. Unit cell configuration of the DFT optimized h-Al3La phase.
Fig. 3. Unit cell configuration of the DFT optimized h-Al3La phase.
Fig. 4. (the first and third rows) The simulated electron diffraction patterns along various zone axes, (the second and fourth rows) the corresponding experimental SAED patterns, (the fifth row) models viewed from [100], [010] and [110], respectively, with the colors of the balls being consistent with those in Fig. 3, (the sixth row) simulated HAADF STEM images using the above models, and (the last row) HAADF STEM images taken from [100], [010] and [110], respectively. (For interpretation of the references to color in this figure legend, the reader is referred to the Web version of this article.)
Fig. 4. (the first and third rows) The simulated electron diffraction patterns along various zone axes, (the second and fourth rows) the corresponding experimental SAED patterns, (the fifth row) models viewed from [100], [010] and [110], respectively, with the colors of the balls being consistent with those in Fig. 3, (the sixth row) simulated HAADF STEM images using the above models, and (the last row) HAADF STEM images taken from [100], [010] and [110], respectively. (For interpretation of the references to color in this figure legend, the reader is referred to the Web version of this article.)
Fig. 5. (a) and (b) SAED patterns along [100] and [010] zone axes, respectively, and the corresponding (c and d) magnified SAED patterns and (e and f) atomic resolution HAADF STEM images.
Fig. 5. (a) and (b) SAED patterns along [100] and [010] zone axes, respectively, and the corresponding (c and d) magnified SAED patterns and (e and f) atomic resolution HAADF STEM images.
Fig. 8. (a) and (b) BF-TEM images of the EAs, (c) SAED pattern from a fine h-Al3La phase and (d) the interface between h-Al3La and Mg matrix.
Fig. 8. (a) and (b) BF-TEM images of the EAs, (c) SAED pattern from a fine h-Al3La phase and (d) the interface between h-Al3La and Mg matrix.

6. 결론 및 논의:

  • 주요 결과 요약:
    본 연구는 고성능 마그네슘 합금을 개발하기 위해 상호금속상 성분 제어에 초점을 맞춘 새로운 합금 설계 개념을 성공적으로 입증했습니다. Mg-Al-La 시스템에 적용된 이 개념은 새로운 상호금속상인 η-Al3La의 발견과 ALaM440 합금 개발로 이어졌습니다. ALaM440 합금은 뛰어난 강도, 연성 및 비용 효율적인 크리프 성능의 조합을 나타내어 기존 HPDC Mg 합금을 능가하고 A380 알루미늄 합금과 경쟁합니다.
  • 연구의 학문적 의의:
    • 본 연구는 Mg 합금, 특히 Mg-Al-La 시스템에서 상호금속상 형성 및 제어에 대한 기본적인 이해에 기여합니다.
    • 새로운 η-Al3La 상의 식별 및 상세한 특성 분석(결정 구조 및 형성 에너지 포함)은 Mg 합금 야금학의 지식 기반을 확장합니다.
    • 본 연구는 제안된 합금 설계 개념이 상호금속상 제어를 통해 맞춤형 물성을 갖는 고급 Mg 합금을 개발하는 데 실행 가능한 접근 방식임을 입증합니다.
    • 연구 결과는 ALaM440 합금의 강화 메커니즘에 대한 통찰력을 제공하며, η-Al3La 상, 정합 계면 및 평면 결함이 기계적 성능 향상에 미치는 역할을 강조합니다.
  • 실용적 의미:
    • ALaM440 합금 개발은 자동차 파워트레인 부품에 대한 유망한 대체 재료를 제공하여 기존 Mg 합금과 A380 알루미늄 합금을 대체할 가능성이 있습니다.
    • ALaM440 합금의 우수한 강도-연성 균형 및 비용 크리프 성능은 자동차 산업 및 잠재적으로 다른 분야의 경량화 응용 분야에 매력적인 후보가 됩니다.
    • 합금 설계 개념 및 식별된 η-Al3La 상은 다양한 응용 분야에 맞게 맞춤형 물성을 갖는 고성능 Mg 합금의 추가 개발을 위한 기반으로 사용될 수 있습니다.
    • ALaM440 합금의 상대적으로 낮은 비용과 뛰어난 기계적 물성은 산업계에서 쉽게 채택될 수 있음을 시사하며, 구조적 응용 분야에서 마그네슘 사용 증가로 이어질 수 있습니다.
  • 연구의 한계:
    • 본 연구는 주로 상온 기계적 물성 및 비교적 낮은 고온(150-175°C)에서의 크리프 성능에 초점을 맞추었습니다. 고온 크리프 거동 및 피로 및 내식성과 같은 기타 중요한 물성에 대한 추가 조사가 필요합니다.
    • 연구 범위는 Mg-Al-La-Mn 시스템 및 ALaM440 합금으로 제한되었습니다. 합금 설계 개념의 다른 Mg 합금 시스템에 대한 일반적인 적용 가능성 및 ALaM440 합금 조성 및 가공의 추가 최적화 가능성은 추가 탐구가 필요합니다.
    • ALaM440 합금에 대한 산업 규모의 확장 가능성 및 제조 고려 사항은 본 연구에서 명시적으로 다루지 않았으며 향후 조사가 필요합니다.

7. 향후 후속 연구:

  • 후속 연구 방향:
    • η-Al3La 상에 대한 심층적인 추가 조사(열 안정성, 고온 기계적 거동 및 상세한 변형 메커니즘 포함).
    • Mg-Al-Ce, Mg-Al-Nd 및 Mg-Al-Sm 시스템과 같은 다른 Mg 합금 시스템에서 합금 설계 개념을 탐구하여 새로운 상호금속상을 식별하고 합금 성능을 최적화합니다.
    • ALaM440 합금의 조성 및 가공 매개변수를 최적화하여 기계적 물성을 더욱 향상시키고 특정 산업 응용 분야에 맞게 조정합니다.
    • 더 높은 온도 및 더 까다로운 조건에서 ALaM440 합금의 크리프 성능을 조사합니다.
    • ALaM440 합금의 피로 물성, 내식성 및 기타 관련 성능 특성을 평가합니다.
    • 산업 규모 확장 연구를 수행하고 ALaM440 합금 부품 생산의 제조 가능성 및 비용 효율성을 평가합니다.
  • 추가 탐구가 필요한 영역:
    • η-Al3La 상 및 ALaM440 합금의 장기 크리프 거동 및 열 안정성.
    • ALaM440 합금의 미세 구조 및 물성에 대한 미량 합금 첨가의 영향.
    • ALaM440 합금의 미세 구조 및 성능에 대한 다양한 주조 공정(예: 반용융 주조, 스퀴즈 주조)의 영향.
    • ALaM440 합금의 내식성 및 내마모성을 더욱 향상시키기 위한 표면 처리 및 코팅의 가능성.
    • 기존 재료와 비교한 ALaM440 합금의 수명 주기 평가 및 환경 영향 분석.

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9. 저작권:

본 자료는 Fanzhi Meng 외 연구진의 논문: 상호금속상 제어를 통한 뛰어난 기계적 성능을 갖는 다이캐스팅 마그네슘 합금 개발을 기반으로 작성되었습니다.
논문 출처: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.346

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