| 초록 |
고온 구조재료로서 사용되는 질화규소 세라믹스는 내열성, 내마모성, 열충격 저항성, 내산화성이 우수하기 때문에 기계적인 특성과 열적특성이 요구되는 산업용 부품에 적용되고, 특히, 가스 터빈 로터, 열교환기, 순산소 버너 시스템의 노즐부, 우주항공 산업에 반동추진 엔진용 로켓 추진체 등 고온재료에 사용되고 있다. 이러한 구조재료들은 고온에서 산소분위기에 장시간 노출되어 있기 때문에 산화 저항성이 요구되어지는 재료이다. 따라서, 본 연구에서는 반응소결 및 상압소결이 연속적으로 이루어져 치밀화가 가능한 NPS(Nitrided Pressureless Sintering) 공정을 이용하여 제조된 질화규소 세라믹스 소결체에 대한 산화기구를 조사하였다. 그 결과, 시간이 경과함에 따라 시편의 무게가 증가하다가 일정한 시간이 지남에 따라 율속 단계를 보이는 것으로 나타났으며, 기공율이 높고, 기공크기가 큰 소결체가 산화에 의한 무게 증가율이 더 높다는 것을 확인 할 수 있었고 산화 온도 역시 높을수록 무게 증가가 더 빨랐다. 즉, 온도와 기공율이 산화속도에 큰 영향을 미치는 중요한 인자임을 알 수 있었다. 치밀질 5A5Y5Si과 다소 큰기공을 함유하고 있는 5A5Y10Si의 소결체가 산화층을 형성하기 위해 필요한 활성화 에너지를 구한 결과, 각각 215 kJ/mol, 104 kJ/mol 이였다. 1300℃에서 각각의 시간대 별로 산화된 시편에 대해 미세구조를 관찰해본 결과, 5A5Y5Si의 경우 표면에 산화하여 이루어진 상이 일정한 막을 형성하는 것을 볼 수 있으며, 형성된 막의 두께는 100시간 이후 거의 변화 없이 약 10㎛ 크기로 일정한 상태를 유지하는 것을 관찰할 수 있었다. 반면, 5A5Y10Si 경우는 표면에 기공을 따라 산화막이 형성되다가 점점 시간이 지날수록 시편 표면 전체에 막이 두껍게 형성되는 것을 관찰할 수 있었으며, 500시간 이후 시편 표면에 형성된 산화막을 살펴보면 크랙이 존재하는 것을 알 수 있었다. 산화시험 후 강도에 미치는 영향을 살펴보기 위해 1300℃에서 각 산화시간대 별로 꺾임강도를 측정해본 결과, 치밀한 소결체인 5A5Y5Si의 경우 500 MPa로 강도변화가 거의 없었지만 5A5Y10Si의 경우는 50시간 이후의 강도 값은 약 100 MPa 정도 다소 큰 차이로 저하하였다. |
