Mg 주조 합금의 항공우주 분야 적용에 대한 과제

Abstract

  • 연구의 핵심 목적: 항공우주 산업에서 사용되는 마그네슘 주조 합금의 기술적 장단점을 검토하고, 향상된 특성을 갖는 새로운 합금 개발 및 주조 기술 향상을 통해 경량화 및 성능 향상을 달성하는 것.
  • 주요 방법론: 기존 마그네슘 주조 합금의 특성 분석, 새로운 합금 개발 및 평가, 개선된 주조 기술 적용 및 평가.
  • 핵심 결과: 고온 특성이 향상된 AZ91, AZ92 등 Mg-Al-Zn계 합금과 Mg-Zn-Zr계 합금의 특성을 제시하고, 수지 결합 모래 및 개선된 주조 기술을 통해 복잡한 형상의 대형 주조품 제작 가능성을 확인. 고온 특성과 내식성이 우수한 새로운 합금 WE54 개발.

연구진 정보

  • 소속 기관:
  • 저자명: A. Stevenson
  • 주요 연구 분야:

연구 배경 및 목적

  • 해당 연구가 필요한 산업적 배경: 항공우주 산업은 경량화 및 고성능 소재에 대한 지속적인 요구가 존재. 마그네슘 합금은 경량성이 우수하지만, 고온 특성 및 내식성이 제한적임.
  • 구체적인 기술적 문제점 과제: 기존 Mg-Al-Zn계 합금은 고온에서 강도 저하 및 응력 부식 균열 발생, Mg-Zn-Zr계 합금은 용접성 및 균열 발생 문제 존재. 복잡한 형상의 대형 주조품 제작 어려움.
  • 연구 목표: 고온 특성 및 내식성이 향상된 새로운 마그네슘 주조 합금 개발 및 복잡한 형상의 대형 주조품 제작 가능한 주조 기술 개발.

논문의 주요 목표와 연구내용

  • 논문의 주요 목표와 연구내용: 항공우주 산업에서 사용되는 마그네슘 주조 합금의 현황과 기술적 문제점을 분석하고, 이를 해결하기 위한 새로운 합금 개발 및 주조 기술 개선 방안 제시.
  • 문제점: 기존 마그네슘 주조 합금의 고온 강도 저하, 응력 부식 균열, 복잡한 형상 주조의 어려움, 용접성 문제 등.
  • 문제 해결을 위한 단계적 접근:
    • 기존 마그네슘 주조 합금 (Mg-Al-Zn계, Mg-Zn-Zr계)의 특성 분석 및 한계점 파악.
    • 고온 특성 및 내식성 향상을 위한 새로운 합금 설계 및 개발 (희토류 원소, 지르코늄 등 첨가).
    • 수지 결합 모래 및 개선된 주조 공정 기술 도입을 통한 복잡한 형상 및 대형 주조품 제작 기술 개발.
    • 새로운 합금 및 개선된 주조 기술의 평가.
  • 주요 Figure:
    • * Figure 1: EQ21과 QE22A 합금의 온도에 따른 인장 특성 비교. 고온에서 EQ21의 우수한 특성 확인.
    • * Figure 2: WE54 합금과 고온 알루미늄 합금 (RR350, A356)의 온도에 따른 인장 특성 비교. WE54 합금의 우수한 고온 특성 확인.
    • * Figure 3: 250°C에서 WE54 합금과 다른 마그네슘 합금의 노출 시간에 따른 인장 특성 비교. WE54 합금의 우수한 고온 안정성 확인.
    • * Figure 4: 250°C에서 WE54, QH21A, QE22A 합금의 응력-변형률 관계 비교. WE54 합금의 우수한 크리프 저항성 확인.
    • * Figure 5: 다양한 마그네슘 합금의 설계 응력 백분율에 따른 임계 균열 길이 비교.
    • * Figure 6: ZE41 합금으로 제작된 웨스트랜드 WG34 헬리콥터의 메인 기어박스 주조품 사진.
    • * Figure 7: 코어 통로를 보여주는 기어박스 주조품 단면 사진.
Figure 6, This casting, produced in ZE41, weighs 620 Ibs. and is the main gearbox for the Westland WG34 helicopter.
Figure 6, This casting, produced in ZE41, weighs 620 Ibs. and is the main gearbox for the Westland WG34 helicopter.
Figure 7, Shown is a sectioned gearbox casting, revealing cored passageways.
Figure 7, Shown is a sectioned gearbox casting, revealing cored passageways.

결과 및 성과:

  • 정량적 결과: Table I, Table II, Table III, Table IV, Table V, Table VI 에 제시된 각 합금의 인장 강도, 항복 강도, 연신율, 피로 내구성, 크리프 저항성 등의 정량적인 기계적 특성 값. WE54 합금의 250°C에서 1000초 동안 파단에 이르는 응력은 30 ksi (QE22A의 거의 두 배). ZE63A-T6 합금의 항복 강도 173 N/mm², 인장 강도 289 N/mm², 연신율 10%. ZE41A-T5 합금의 항복 강도 154 N/mm², 인장 강도 229 N/mm², 연신율 5%. WE54 합금의 피로 내구 한계는 14.8 ksi (102 N/mm²). QE22A 합금의 피로 내구 한계는 14.1 ksi (97 N/mm²).
  • 정성적 결과: 고온 특성, 내식성, 용접성이 향상된 새로운 마그네슘 주조 합금 개발. 수지 결합 모래 및 개선된 주조 기술을 이용한 복잡한 형상 및 대형 주조품 제작 기술 확보. 플럭스 없는 용융 기술 개발.
  • 기술적 성과: 고온 특성이 우수한 WE54 합금 개발 (572°F (300°C)까지 우수한 특성 유지), 복잡한 형상의 대형 주조품 제작 가능 기술 확보 (CO2-실리케이트 공정 대신 수지 결합 모래 사용, 코어 통로의 길이 및 폭 증가), 플럭스 없는 용융 기술 개발.

저작권 및 참고 자료

본 자료는 A. Stevenson의 논문 "Mg Casting Alloys for the Aerospace Challenge"를 기반으로 작성되었습니다.
논문 출처: https://doi.org/10.1007/BF03258985. Journal of Metals, May 1987에 게재된 논문임.
본 자료는 위 논문을 바탕으로 요약 작성되었으며, 상업적 목적으로 무단 사용이 금지됩니다.

PDF View
Tags: 주조 기술