차세대 중형항공기 구조재료용 알루미늄 합금

황인성,강왕구,이해창 한국항공우주학회 2013 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2013 No.4

알루미늄 합금 개발 동향을 살펴보고, 차세대 중형항공기 구조재료용 알루미늄 합금 후보군을 정리하였다. 최근 주목받고 있는 알루미늄-리튬 합금을 비롯한 고가의 재료는 제외한 알루미늄 합금 가운데 성능이 개선된 내용을 기존 재료 물성치와 비교를 통해 정리하였다. 현재 운용중인 중형항공기인 Q400의 동체 및 주익의 주요구조에 사용된 재료와 함께 표로 정리하여 중량 절감 및 항공기 성능 개선 수준을 비교할 수 있도록 하였다. 추후 구조해석을 통해 정적/피로 특성을 확인하고, 생산 및 제작부서와 협의하여 도출된 재료 후보군의 적절성을 판단할 수 있도록 한다. This paper describes aluminum alloy development trend and introduces some candidate materials for next generation regional aircraft structure. Excellent in mechanical properties but expensive material such as Aluminum-Lithium alloy is excluded. There have been much advancements in non-lithium alloys bringing values to airframers. Some graphs show qualitative comparison between old and new material properties. Aluminum alloys in major structural parts of Q400 are also listed to estimate weight savings and performance enhancement of new aircraft. The candidate materials should be checked by structural analysis on their static/fatigue characteristics and discussion with manufacturing engineer would be necessary in the future.

내산화성 Mg 모합금을 이용한 고(高) Mg 함유 ECO-Almag6~9 합금 압출재의 제조 및 특성평가

김봉환 ( Bong-hwan Kim ),윤영옥 ( Young-Ok Yoon ),김세광 ( Shae-Kwang Kim ) 한국주조공학회 2021 한국주조공학회지 Vol.41 No.3

산업용으로 활용되는 많은 알루미늄 합금에 마그네슘 성분이 포함되어 있다. 이들 알루미늄 합금에 첨가된 마그네슘 원소는 알루미늄의 강도를 향상시키는 역할을 하지만, 제조 과정 중 산화 경향이 크기 때문에 제품의 품질과 특성을 저해하는 원인이 된다. 마그네슘이 주요 합금원소인 5천계 알루미늄 전신재 합금의 경우, 높은 산화성으로 인하여 마그네슘 함량은 약 5wt% 이내에서만 활용된다. 본 연구에서는 산화 경향이 억제된 것으로 알려진 ECO-Mg 모합금을 이용하여 5wt% 이상의 높은 마그네슘 함량을 포함하는 새로운 합금, ECO-Amag6~9 (6~9wt%Mg 함유) 합금을 제조하고 그 특성을 평가하였다. ECO-Almag6~9 합금은 높은 Mg 함량에도 깨끗한 용탕 품질이 확보되어 양산용 DC 주조기를 이용한 빌렛 제조 및 압출이 가능하였다. 또한 높은 Mg 함량으로 인해기존 산업용 5xxx계 합금에 비해 높은 강도와 연성을 보여 산업적 활용성이 높을 것으로 기대된다. The magnesium is one of the important alloying elements in the conventional aluminum alloys. The addition of magnesium to aluminum is well known to increase the mechanical strength of the aluminum without the trade-off of the decreased elongation. However, the content of magnesium in aluminum alloys has been limited to be lower than about 5wt.% because of the high oxidation tendency of magnesium element during the manufacturing processes such as casting, hot-forming and post heat-treatments, which can deteriorate the quality and properties of the final products. In this study, new ‘ECO-Almag6~9’ (containing 6~9wt%Mg) alloys were investigated to be made of the ECO-Mg master alloy, which has been invented to reduce the oxidation tendency of itself. It was successfully demonstrated that ECO-Almag6~9 alloys can be fabricated through the mass-production facilities of DC casting and extrusion routes without the problems of magnesium oxidation. In addition, it was confirmed that the strength and ductility were simultaneously improved due to the addition of high magnesium contents.

ADC12 알루미늄합금 다이캐스팅 판재의 겹치기 마찰교반접합

권용재,김준일,박주열 대한용접·접합학회 2021 대한용접학회 특별강연 및 학술발표대회 개요집 Vol.2021 No.11

최근, 다양한 산업분야에서 환경규제 강화 및 에너지 절감 등에 관련된 기술개발에 대한 요구가 점점 높아지고 있는 상황이며, 이는 앞으로도 지속적으로 증대될 것으로 전망된다. 자동차산업에 있어서도 이러한 요구가 증가됨에 따라, 다양한 기술이 개발되고 있다. 특히, 차량 경량화를 위한 방안으로서, 알루미늄합금 등과 같은 경량금속소재의 사용량 증가 및 적용 범위의 확대가 예기된다. 그러나, 알루미늄합금의 경우, 차량용 소재로서 많이 사용되고 있는 철계 금속재료에 비해 가격이 높다는 등의 문제를 가지고 있다. 이에 대응하기 위한 한 방안으로서, 비교적 고가의 전신재를 사용하기 보다는 가격 경쟁력이 있는 주조재의 적용이 활발히 진행되고 있다. 또한, 알루미늄합금 자동차부품의 적용에 있어서, 단품 자체의 생산기술 개발도 중요하지만, 관련 용접 및 접합기술의 개발도 필수불가결하다. 알루민늄합금에 용융용접법을 적용하는 경우에 있어서는, 일반적으로 알루미늄합금의 표면자연산화막, 높은 열전도도 및 전기전도도 등에 기인하는 어려움이 많다. 특히, 주조재의 경우에는, 기공 및 편석 등과 같은 주조결함을 내포하고 있는 경우가 많기 때문에, 용융용접법의 적용에 제한이 있는 경우가 많다. 이러한 알루미늄합금의 용융용접에 대한 한계를 극복하기 위하여, 고상접합기술 중의 하나인 마찰교반접합(Friction Stir Welding; FSW)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 알루미늄합금의 마찰교반접합에 관한 연구는 주로 전신재 및 맞대기접합에 관한 연구가 이루어져 왔다. 그러나, 자동차부품의 조립에 있어서는, 겹치기이음부에 대한 접합이 많이 사용되고 있으며, 전술한 바와 같이 주조재의 적용을 위해서는 주조재의 겹치기이음부에 대한 연구가 필요하다. 본 연구에서는, 두께 2.0 mm의 ADC12 알루미늄합금 다이캐스팅 판재의 겹치기이음부에 마찰교반접합을 적용하였다. 또한, 접합변수가 접합부특성에 미치는 영향에 대하여 연구하였다. 그 결과, 접합부영역은 크게 3영역, 즉 모재부, 열-기계적 영향부, 교반부으로 구성되어 있었다. 교반부에 있어서는, 제2상입자가 마찰교반접합공정 중에 미세화되고 비교적 균일하게 기지금속 내에 분산되어 있었다. 또한, 재결정에 의해 결정립 또한 미세화되었다. 그럼에도 불구하고, 평균 경도에 있어서는 모재와 유사한 값을 나타내었다. 또한, 마찰교반접합 중에 형성된 접합부 내의 결함은 최대인장전단하중의 감소를 수반하였다.

알루미늄 5182, 5052 및 3003 합금 판재의 어닐링 조건에 따른 기계적 특성 변화 및 집합 조직 해석

원시태,김기주 대한기계학회 2020 大韓機械學會論文集A Vol.44 No.1

To fabricate aluminum alloys with good formability and toughness, it is crucial to establish proper heat treatment conditions. Among the various heat treatment conditions, in the case of annealing, if the heat treatment temperature is too high, the crystal grains of the cold rolled material may coarsen and lose their mechanical properties, whereas if the temperature is too low, the work hardening of the cold rolled material may not be released, and the ductility may deteriorate. This results in the same tendency regarding not only the heat treatment temperature, but also the heat treatment time. Therefore, in the present study, cold rolled sheets of 3003, 5052, and 5182 aluminum alloys were annealed at a temperature of 350 °C. Microhardness and tensile tests were performed according to various annealing times of 0–1,200 s, and the results were compared. The tensile test results were similar to those of the microhardness test, which confirmed that abrupt softening occurred between 60 and 70 s. Comparing the three alloy sheets, the 5182 aluminum alloy sheet demonstrated excellent mechanical properties. 알루미늄 합금이 성형성과 인성이 우수하도록 제조하려면 적절한 열처리 조건을 확립하는 것이 매우 중요하다. 다양한 열처리 조건 중에서 어닐링은 열처리 온도가 충분히 높은 경우 냉간압연 재료의 결정립들이 조대화 될 수 있으며 그들의 기계적 물성을 잃을 수 있다. 반면에 열처리 온도가 너무 낮으면 냉간압연으로 가공 경화된 소재의 강도가 풀리지 않아 연성을 떨어뜨리게 된다. 이 결과는 열처리 온도의 경우뿐만 아니라 열처리 시간에서도 동일한 경향을 나타낸다. 그러므로 본 연구에서는 3003, 5052 및 5182 알루미늄 합금의 냉간압연 후 350℃에서 어닐링 열처리를 행하였으며 0초~1,200초 동안의 다양한 열처리 후 미소 경도와 인장 시험을 행하여 그 결과를 비교하였다. 미소 경도 시험 결과 열처리 시간 60초~70초 사이에 급작스러운 연화가 나타났으며 이것은 인장 시험에서의 결과와 부합하였다. 이들 세 가지 합금계 판재의 비교로부터 5182 알루미늄 합금이 가장 우수한 기계적 강도를 갖는 것을 확인하였다.

알루미늄 5182 합금의 압연 및 어닐링 조건에 따른 인장물성 및 톱니모양 거동의 변화

김기주(Kee Joo Kim) 대한기계학회 2019 大韓機械學會論文集A Vol.43 No.9

일반적으로 5xxx 계열 알루미늄 합금은 성형성이 우수하여 자동차의 차체 판재로 사용된다. 5xxx계열 알루미늄 합금의 경우 우수한 강도와 성형성을 위하여 주 합금 원소로 Mg이 첨가된다. 이러한 Mg이 첨가된 알루미늄 합금의 인장시험에서는 가공경화로 인해 시편 표면에 Lüders band가 관찰되며 응력-변형률 곡선에서는 톱니 모양 거동이 관찰된다. 이러한 톱니 모양 거동은 판재의 성형 중 표면을 거칠게 만들 뿐만 아니라 자동차용 차체 판재로의 적용에 심각한 문제를 발생시킨다. 본 연구에서는 압연 패스수와 압연 압하율의 변화에 따른 5182 알루미늄 합금 판재의 톱니 모양 거동에 대하여 다양한 인장시험을 통하여 조사하였다. 또한, 톱니 모양 거동이 압연 후 어닐링 열처리 조건과 밀접한 관계가 있기 때문에, 5182 알루미늄 합금 판재의 압연 후 열처리에 따른 인장곡선의 변화를 평가하였다. In general, 5xxx series aluminum alloys are used in high-forming component parts in automobiles owing to their high formability. In case of 5xxx series aluminum alloys, Mg is added as the main alloy element for excellent strength and formability. In the tensile test of aluminum alloys with added Mg, the Lüders band is observed on the surface and serration behavior is observed in the stress-strain curves. This serration behavior causes surface roughness during sheet forming, which is a serious problem in applications to automotive body sheets. In this study, the tensile behavior of 5182 aluminum alloy sheets with varying the numbers of rolling passes and rolling reduction ratio was investigated by tensile test. In addition, since the serration behavior is closely related to changes in the annealing heat treatment conditions after roll forming, the change in the tensile curves of the 5182 aluminum alloy sheets after heat treatment was carefully evaluated.

알루미늄-공기 전지를 위한 친환경 소재 개발

이우혁(Woo Hyuk Lee),김우철(Woo Cheol Kim),김정구(Jung Gu Kim) 한국에너지기후변화학회 2021 한국에너지기후변화학회 학술대회 Vol.2021 No.11

최근 친환경 에너지원에 대한 세계적인 관심이 높아짐에 따라 보다 안정적이고 효율적인 에너지 기술을 찾기 위한 연구가 진행되고 있다. 알루미늄-공기 전지는 높은 이론 에너지밀도, 알루미늄의 경제성 및 안전성 측면에서 각광받고 있다. 그러나 알루미늄 전극과 전해질 간의 기생 부식 반응은 알루미늄-공기 전지 상용화를 위해 해결해야할 큰 과제이다. 본 연구에서는 기생 부식 반응을 억제하기 위해 커피찌꺼기 성분을 활용한 전해질 첨가제, 식물 추출물 전해질 첨가제를 개발하였으며, 폐알루미늄을 활용한 합금 전극에 관한 연구를 진행하고 있다. 기생 부식 반응 억제 효과를 분석하기 위해 전기화학 분석, 표면 분석, DFT 시뮬레이션 등을 활용하였다. 전해질 첨가제 개발의 경우 ppm 수준의 첨가를 통해 알루미늄-공기 전지의 방전 효율이 개선되었으며, 첨가제의 흡착 거동 메커니즘과 흡착 거동에 의한 기생 부식 반응 억제 메커니즘을 규명하였다. 합금 전극 개발의 경우, Al-Zn 합금에 미세 합금 원소 첨가를 통해 방전 효율을 향상시키고 메커니즘을 규명하였다. 한편, 폐알루미늄 캔의 혼합 주조를 통한 미세원소 합금 효과에 관한 연구를 진행 중에 있다.

5000계열 Al 합금의 캐비테이션 특성에 관한 워터 캐비테이션 피닝의 영향

김성종,현광용,Kim, Seong-Jong,Hyun, Koang-Yong 해양환경안전학회 2012 海洋環境安全學會誌 Vol.18 No.5

최근 FRP 선박의 폐선 처리문제, 환경 규제의 강화, 자원 재활용 등의 관점에서 소형 알루미늄 합금 선박의 건조가 증가하는 추세이다. 그러나 알루미늄은 가볍기 때문에 해양에서 고속으로 운행 가능한 알루미늄 선박은 캐비테이션이 발생되어 기포붕괴에 따른 큰 충격압력에 의해 캐비테이션 침식이 일어남으로서 재료의 수명에 있어 문제점을 드러내고 있다. 따라서 본 연구에는 캐비테이션에 의한 손상을 방지하여 내구 수명을 연장시키기 위한 방법으로 워터 캐비테이션 피닝 기술을 선박용 알루미늄 합금에 적용하였다. 이를 위하여 워터 캐비테이션 피닝을 실시하여 내캐비테이션 특성이 가장 우수한 적용 시간을 규명하였다. 선박용 알루미늄 합금 5456-H116, 5083-H321 그리고 5052-O는 워터캐비테이션 피닝을 실시함으로써 내캐비테이션 특성이 워터 캐비테이션 피닝을 하지 않은 시편보다 무게감소량이 각각 42.11 %, 50.0 % 그리고 25.7 % 개선되었다. Recently, the construction of the small Al alloy ships is an increasing trend in viewpoint such as the disposal issue of a retired ship, the enhancement of environmental regulation and resources recycling etc. for FRP ships. However, Al alloy ship which can achieve high speed by light weight in marine environment is exposed to a problem on materials damage by cavitation-erosion which is generated by large impact pressure with the collapse of air bubbles due to cavitation. Consequently, in this study, water cavitation peening technology was applied in Al alloy for ship to enhance durability life by preventing cavitation damage. So, the water cavitaton peening application time that presented the excellent cavitation characteristic investigated. The weight-loss of 5456-H116, 5083-H321 and 5052-O Al alloy at the optimum water cavitation peening time were improved to 42.11 %, 50.0 % and 25.7 %, respectively.

경량차체용 5182-O 및 6K31-T4 알루미늄 합금의 레이저 용접성

윤종원,강준일 동의대학교 산업기술개발연구소 2005 産業技術硏究誌 Vol.19 No.-

차체 경량화를 위해 현재 자동차에 사용되고 있는 강재에 비해 비중이 낮으면서도 유사한 강도를 가지는 5xxx 계열 알루미늄 합금과 6xxx 계열 알루미늄 합금을 선택하여 Nd:YAG 레이저로 용접한 뒤 보호가스 사용여부에 따른 용접부의 기계적 성질 및 액압 성형성을 조사하였다. 5182-O 알루미늄 합금을 보호가스를 사용해 용접한 경우 기계적 성질 및 성형성이 보호가스를 사용하지 않은 경우에 비해 향상되었다. 6K31-T4 알루미늄 합금을 용접한 경우 보호가스 사용유무에 관계없이 균열이 발생하였으며, 용접부에서의 기계적 성질 및 액압성형성은 현저히 저하하였다.

고속전철 내 · 외장재용 알루미늄 합금 주조재의 특성 평가

김기주(Kee Joo Kim) 대한기계학회 2018 大韓機械學會論文集A Vol.42 No.7

일반적으로 자동차, 철도 등 수송기기의 출력 및 고속화는 추진기관의 성능향상과 아울러 구조물의 경량화가 선행되어야 한다. 본 연구에서는 고속전철의 내 · 외장재로서 알루미늄 합금을 선정하고 이중에서도 특히 우수한 기계적 물성과 경량화의 달성이 가능한 합금계를 후보로 선정하고자 하였다. 실험 결과 주조재의 특성은 외산 주조재에 비하여 기계적특성이 뒤떨어지지 않았다. 본 연구에서 문헌조사를 통하여 선정된 합금계인 6063, 6N01, 6061, 6060, 6005 및 5083알루미늄 합금의 경도, 미세조직 및 인장물성은 캐나다 알칸사에서 제조한 외산재 알루미늄 합금의 물성과 유사한 결과를 나타내었다. It is essential to improve the performance of the propulsion engine as well as the weight of the structure to increase the output and speed of vehicles such as automobiles and trains. It was manufactured by adopting aluminum alloy as the candidate alloy of lightweight alloy to be used for interior and exterior materials of high-speed train. The investigation of more reliable lightweight aluminum and aluminum alloys for interior or exterior materials is the focus of this study. The characteristics of the casting material showed the mechanical characteristics that are not inferior to those of the foreign materials. The hardness, microstructure and tensile properties of the 6063, 6N01, 6061, 6060, 6005 and 5083 aluminum alloys selected as present study by literature research were similar to those of external materials (made by Alcan, Canada).

충돌 입자의 크기에 따른 알루미늄 합금과 적외선창의 입자침식 저항성 연구

홍윤기(Yun Ky Hong),문관호(Kwan Ho Moon) 한국항공우주학회 2016 韓國航空宇宙學會誌 Vol.44 No.12

본 논문에서는 실험적 연구를 통해 고체 입자의 크기가 입자 침식에 미치는 영향에 대해 논하였다. 고밀도 폴리에틸렌 입자를 최고 속도 마하 3으로 이단 가스건을 이용해 발사하였다. 발사된 입자를 Al1050, Al6061 T6 알루미늄 합금과 ZnS, 사파이어 적외선창 시편과 충돌시켜 입자침식을 일으켰다. 알루미늄 합금의 표면에는 크레이터가 생성되었다. 크레이터의 크기를 통해, 알루미늄 합금의 입자침식 저항성을 살펴보았다. 적외선창은 시편 표면에 크랙이 생성될 때까지 반복해서 시험하였다. 이를 통해 적외선창의 입자침식 저항 특성을 나타내는 충돌 임계 곡선을 정의할 수 있었다. 다양한 크기의 고체 입자를 이용한 입자침식 시험을 통해, 고체 입자의 크기가 재료의 입자침식 저항성에 선형적으로 영향을 끼친다는 것을 확인할 수 있었다. In this research, experimental study about size effect of solid particles on erosion resistance is presented. A high-density polyethylene particle with a mm-sized diameter is accelerated using a two-stage light gas gun up to Mach number of approximately 3.0. An accelerated particle impacts aluminum alloy such as Al1050 and Al6061 T6, and infrared windows such as ZnS and sapphire specimens. For the aluminum alloy, craters that form on the surface of the specimens are measured to characterize the erosion resistance of the material. For the infrared windows, repetitive tests are conducted until a linear or circumferential crack is found to create damage threshold curves that define a material’s erosive resistance. From the comparison of test data for various sizes of high-density polyethylene particles, it is found that erosion resistance of material is linearly dependent on the size of particles.