Fabrication and characterization of ceramic reinforced tungsten matrix composites for ultraHigh temperature applications

Abstract

로켓이나 우주왕복선을 발사하기 위해서는 고성능의 추진기관의 개발이 핵심이며, 로켓의 추진력에 가장 중요한 영향을 미치는 핵심 부품인 로켓 모터(rocker motors)의 노즐(nozzle)에 사용될 내열 소재의 개발이 무엇보다도 필요한 핵심기술이다. 로켓의 추진 성능을 향상시키기 위해서는 높은 열효율이 필요하며, 열효율을 향상시키기 위해는 연소 시에 발생하는 높은 열을 견뎌낼 수 있는 열방호 목적의 고성능 내열 부품이 필요하다. 현재 탄소복합재료 및 텅스텐 합금이 이러한 부품 등을 제조하는데 사용되고 있으나 로켓 추진 가동 신뢰성을 증대시키기 위해서는 이러한 재료들의 내삭마 특성 증대가 시급한 실정이다. 내열금속은 열충격 저항성 및 녹는점이 높아 초고온 내열구조재료로서 주목을 받고 있으나, 로켓의 연소가스에 의한 산화 및 삭마 현상이 극심하기 때문에 로켓 모터(rocker motors)의 노즐(nozzle)에 사용되기 위해서는 산화 및 삭마 저항성 향상이 필수적이다. 본 연구에서는 극심한 초고온 환경에서 사용할 수 있는 로켓 추진기관용 초고온 내열구조재료 개발을 위하여 기계적 합금화 공정을 통해 고부피분율의 세라믹 입자가 내열금속 기지 내에 균일하게 분산된 복합분말 및 복합재료를 제조하고 기계적 특성평가 및 내열/내삭마 특성 향상 메커니즘을 규명하였다. 기계적 합금화 공정에 의해 고부피분율의ZrN, HfC 세라믹 입자가 기지 내에 균일하게 분산된 텅스텐 복합분말을 제조한 후, 복합분말의 성형 및 소결조건을 제어하여 세라믹 입자가 텅스텐 기지 내에 균일하게 분산된 고밀도 ZrN/W 및 HfC/W 금속복합재료의 제조공정 기술을 개발하였다. 제조된 ZrN/W 및 HfC/W 복합재료는 상온 및 고온에서 기지 금속 대비 2배 이상의 높은 기계적 특성을 보이고 있는데, 이는 기계적 합금화 공정으로 인한 세라믹 입자의 균질 분산에 의해 나타나는 분산강화 효과와 세라믹 입자와 기지 간의 상호확산을 통해 결합력을 향상시켰기 때문이다. 또한 실제 사용환경에서의 적합성을 평가하기 위하여 oxy-acetylene토치 테스트 및 초음속 토치 테스트 등 다양한 방법의 내삭마 특성평가를 진행하고 내삭마 메커니즘을 분석하였다. 30vol%의 고부피분율을 가진 텅스텐 복합재료는 기지 금속 대비 3배 이상의 높은 내삭마 특성을 보이고 있는데, 이는 초음속의 연소가스에 노출될 경우 텅스텐 복합재료 표면의 기지 금속 삭마가 일어나게 되고, 이로 인해 노출된 ZrN, HfC세라믹 입자가 산화되어 표면에 치밀한 ZrO2 및 HfO2 산화피막이 형성되어 더 이상의 표면 삭마를 막아주기 때문이다. 이상의 연구결과들을 통해 향후 고성능의 로켓 추진체의 개발이 더욱 앞당겨질 수 있을 것으로 기대된다.