3D-Microstructural Analysis of Precipitates in Al-Cr-Fe-Ni-Ti High Entropy Alloy Using FIB-SEM Reconstruction

Abstract

복합 고농도 합금(Complex concentration alloy, CCA)은 고농도의 금속 원소를 중심으로, 그 외의 금속원소들로 구성된 다성분계 합금이다. 이러한 합금은 나노 석출물과 기지 간의 관계가 고온에 서의 기계적 성능을 결정짓는데 중요한 역할을 한다. 최근 니켈 기반 초내열합금(superalloy)의 높 은 제조 비용이 부각되면서, 복합 고농도 합금의 석출물과 모상 간의 적합성을 이용해 내열성을 강화시켜 극복할 수 있다는 점이 조명받고 있다. 복합 고농도 합금에서 우수한 기계적 특성은 석 출상의 형태, 크기, 부피 분율 등의 미세구조와 기지의 관계에 따라 달라지며 재료의 거동과 강도 에 직접적으로 영향을 미친다. 따라서 복합 고농도 합금의 성능 향상을 위해서는 석출물의 미세 구조적 특징을 정밀하게 이해하는 것이 필수적이다. 석출물의 크기와 형태 변화로 인해 기인되는 격자 불일치로 인하여 정합성이 변화되어 석출물과 기지 간의 탄성 상호작용의 강화로 더 강한 물질이 되어 고온 구조용 재료에 유망하기 때문이다. 그러나 기존의 전자현미경 기반 분석법은 2차원 분석법으로 주로 표면 정보만 제공하여, 석출 상의 복잡한 성장 및 진화 과정을 완전히 파악하는 데 한계가 있다. 이에 따라, 석출상의 3차원 형태 분석을 기반으로 정밀한 구조적 해석이 필요하다. 본 연구에서는 복합 고농도 합금의 석출 상 성장 메커니즘을 이해하기 위해 집속 이온 빔 재구성에 기반한 3차원 구조분석을 통해 다성분 계 합금 내 석출상의 형태 분석 연구를 수행하였다. 이번 연구에 사용된 복합 고농도 합금은 Al₁？Cr₁₃.₃Fe？？.？Ni₁.₂Ti₄로 고순도 원소를 아크 용해한 뒤, 진공 유도 용해를 통해 35 × 25 × 200 mm³ 크기의 잉곳으로 제조되었으며, 직경 13 mm, 길 이 67 mm의 로드로 가공하였다. 시편은 1200 °C에서 6시간 동안 균질화 열처리를 거친 후 세라 믹 블록 위에서 공냉하여 준비하였다. 기계적 연마된 시편의 미세구조는 주사전자현미경(SEM, Jeol, JSM-7001F)의 BSE 모드로 관찰하였고, TEM 분석을 위한 시편은 EBSD 결정 방향 맵을 기반 으로 [001] 방향에 정렬되도록 집속 이온빔 현미경(FIB, Hitachi, NX5000)을 이용해 단면 가공하였 다. 석출물의 형태는 투과전자현미경(TEM, FEI, Tecnai F20 G2)의 암시야상 이미징 기법을 활용하여 관찰하였다. 이렇게 준비된 시편에, 집속 이온빔 (FIB, FEI, Helios G4 HX DualBeam)을 이용하여 연속된 단층 이미지를 얻고, Avizo Software를 활용하여 3차원 재구성을 수행하였다. 시료내 자성 원소인 철과 니켈에 의해 자기장이 발생하여 전자빔이 왜곡되는 문제가 있어, FIB 내에서 5×5×5 μm³ 크기로 추출하여 자기장 영향을 최소화한 뒤, 2 kV의 저전압과 0.1 nA의 전류 조건에서 TLD detector를 이 용해 이미지를 획득하였다. Auto Slice & View 4(Thermo Fisher)를 사용해 5 nm의 밀링 간격으로 총 226 장의 이미지 슬라이드를 얻었으며, 그 결과 얻은 최종 데이터 부피는 49.338 um3 이였다. 이후 Avizo Software에서 Align, Denoise, AI Segmentation, Reconstruction의 과정을 통해 3차원 석 출물 구조를 재구성하였다. 재구성된 3차원 구조체에서 석출물은 대부분 길쭉한 판상형 이였으며 인접한 판들 사이의 상호 작용으로 형성된 L자형, 괄호형 등의 복합 구조를 3차원 이미지로 확인할 수 있었다. 특히 기존의 2차원 분석만으로는 확인할 수 없었던 개별적인 판상 구조의 석출물이 상호간 유기적으로 연결된 지점이 존재한다는 것을 밝혀주며, 석출물의 진화 과정을 제시하여 주는 중요한 지표가 되어준다. 또한, 원자 단층현미경(Atom Probe Tomography)를 통해 얻은 화학조성의 lever rule을 이용해 계 산해낸 석출물의 부피 분율과 (30%) 집속 이온 빔 3차원 분석 결과 (29%)를 비교한 결과 3차원 분석 방법의 신뢰성을 입증하였다.