티타늄 합금의 종류와 용도

티타늄 합금다른 합금 원소가 첨가 된 기본 원소로서 티타늄으로 구성됩니다. 이들은 구조적 티타늄 합금 및 내열성 티타늄 합금, 보다 구체적으로 α 형, β 형 및 α + β 형 티타늄 합금으로 분류 될 수 있습니다.

1. 티타늄 합금의 개발 역사

티타늄은 1950 년대에 중요한 구조 금속으로 등장했습니다. 티타늄 합금 재료의 중요성을 인식하고 전 세계 많은 국가에서 연구 및 개발을 시작하여 실제 응용 분야로 이어졌습니다.

Ti-6Al-4V 최초의 실용적인 티타늄 합금은 1954 년 미국에서 개발되었습니다. 내열성, 강도, 소성, 인성, 성형 성, 용접성, 내식성 및 생체 적합성으로 인해 티타늄 합금 산업의 초석이되었습니다. 이 합금은 사용 된 모든 티타늄 합금의 75% 85% 차지하며 다른 많은 티타늄 합금이 수정되었습니다.

티타늄의 산업 생산은 1948 년에 시작되었습니다. 1950 년대와 60 년대에는 항공 우주 엔진을위한 고온 티타늄 합금과 기체를위한 구조적 티타늄 합금 개발에 중점을 두었습니다. 1970 년대에는 내식성 티타늄 합금이 개발되었으며 1980 년대부터 부식 방지 및 고강도 티타늄 합금이 추가로 발전했습니다. 내열성 티타늄 합금의 작동 온도는 1950 년대 400 ° C에서 1990 년대 600-650 ° C로 증가했습니다. 엔진 (팬 및 압축기) 의 콜드 엔드에서 핫 엔드 (터빈) 로 사용을 확대합니다. 구조적 티타늄 합금은 고강도, 높은 소성, 높은 인성, 높은 모듈러스 및 높은 손상 내성으로 진화했습니다.

1970 년대부터 Ti-Ni, Ti-Ni-Fe 및 Ti-Ni-Nb와 같은 형상 기억 합금이 개발되어 엔지니어링에 널리 사용되고 있습니다. 중국에서는 티타늄 및 티타늄 합금에 대한 연구가 1956 년에 시작되었으며 티타늄 재료의 산업 생산과 TB2 합금의 개발이 mid-1960s 시작되었습니다.

2. 티타늄 합금의 주요 분류

티타늄은 두 가지 동종 방향으로 존재합니다. 티타늄 합금은 1668 ° C의 융점으로 이러한 형태에 따라 분류됩니다. 882 ° C 아래에서 티타늄은 α-티타늄이라고하는 육각형 밀착 결정 구조를 가지고 있습니다. 882 ° C 위에서는 β-티타늄이라고하는 신체 중심 입방 구조를 가지고 있습니다. 적합한 합금 원소를 첨가함으로써, 상 변환 온도 및 상 함량은 상이한 티타늄 합금 구조를 생성하도록 조정될 수 있다.

실온에서 티타늄 합금은 세 가지 유형의 매트릭스 구조를 가지므로 α 합금, (α + β) 합금 및 β 합금의 세 가지 유형이 생성됩니다. 중국에서는 각각 TA, TC 및 TB로 표시됩니다.

Α 티타늄 합금: 단상 α 고체 용액으로 구성된이 합금은 일반 및 더 높은 적용 온도 모두에서 안정적인 구조를 갖습니다. 그들은 순수한 티타늄에 비해 높은 내마모성과 내산화성을 제공합니다. 그들은 500-600 ° C에서 강도와 크리프 저항을 유지하지만 열처리로 강화 될 수 없으며 실내 온도 강도가 낮습니다.

Β 티타늄 합금: 이들은 β 고체 용액으로 구성된 단상 합금이다. 그들은 열처리없이 높은 강도를 가지며, 담금질 및 노화를 통해 더욱 강화되어 1372-1666 MPa의 실온 강도를 얻을 수 있습니다. 그러나, 이들은 열적 안정성이 좋지 않고 고온 적용에 적합하지 않다.

Α + β 티타늄 합금: 이들은 우수한 포괄적 인 특성, 안정적인 구조, 우수한 인성, 가소성 및 고온 변형 성능을 가진 이중 상 합금입니다. 그들은 뜨거운 압력, 냉각 및 합금 강화를 위해 노화에 의해 처리 될 수 있습니다. 열처리 후 강도는 어닐링 된 상태보다 약 50%-100% 높으며 400-500 ° C에서 장기간 사용하기위한 고온 강도가 우수합니다. 열 안정성은 α 티타늄 합금보다 약간 낮습니다.

세 가지 중에서 α 티타늄 합금과 α + β 티타늄 합금이 가장 일반적으로 사용됩니다. Α 티타늄 합금은 최상의 기계 가공성을 제공하며 α + β 합금이 가장 적게 가공됩니다.

티타늄 합금은 내열 합금, 고강도 합금, 부식 저항으로 응용 프로그램에 의해 분류 될 수 있습니다개미 합금 (티타늄-몰리브덴 및 티타늄-팔라듐 합금 등), 저온 합금, 및 특수 기능 합금 (예: 티타늄-철 수소 저장 재료 및 티타늄-니켈 메모리 합금).

티타늄 합금의 상 조성 및 미세 구조는 열처리 공정을 조정하여 다양 할 수 있습니다.

정밀한 등축 구조는 좋은 소성, 열 안정성 및 피로 강도를 제공합니다.

수동 구조는 높은 내구성 강도, 크리프 강도 및 파괴 인성을 제공합니다.

혼합 등가형 및 침상 구조는 우수한 전반적인 성능을 제공합니다.

3. 티타늄 합금의 특성

티타늄 합금은 낮은 밀도, 높은 비강도, 우수한 내식성, 높은 내열성 및 유리한 가공 특성으로 인해 이상적인 항공 우주 구조 재료입니다. 그들은 다양한 분야에서 널리 사용됩니다.

티타늄은 비교적 새로운 금속이며 그 특성은 탄소, 질소, 수소 및 산소와 같은 불순물의 함량에 영향을받습니다. 가장 순수한 형태 인 요오드화 티타늄은 0.1% 미만의 불순물을 함유하여 강도가 낮지 만 가소성이 높습니다. 99.5% 순도의 산업용 순수 티타늄은 밀도가 4.5g/cm³, 융점이 1725 ° C, 경도가 HB195.

고강도: 티타늄 합금은 약 4.51g/cm³의 밀도를 가지며 강철의 60%. 순수 티타늄은 일반 강철과 비슷한 강도를 가지고 있으며 일부 고강도 티타늄 합금은 강도가 많은 합금강을 능가합니다. 결과적으로, 티타늄 합금은 다른 금속 구조 재료보다 훨씬 더 높은 비강도 (강도/밀도) 를 가지므로, 높은 단위 강도, 우수한 강성 및 경량의 부품을 생산할 수 있다. 티타늄 합금은 항공기 엔진 구성 요소, 프레임, 스킨, 패스너 및 랜딩 기어에 사용됩니다.

높은 내열성: 티타늄 합금은 알루미늄 합금보다 수백 도 높은 온도에서 작동 할 수 있으며 중간 온도에서 필요한 강도를 유지하여 450-500 ° C에서 장기간 작동합니다. 그들은 150-500 ° C 사이에서 높은 비강도를 유지하는 반면 알루미늄 합금의 비강도는 150 ° C에서 크게 떨어집니다. 티타늄 합금은 알루미늄 합금의 경우 200 ° C 미만과 비교하여 최대 500 ° C의 온도에서 작동 할 수 있습니다.

좋은 부식 저항: 습한 대기 및 해수에서 티타늄 합금은 내식성에서 스테인레스 스틸을 능가합니다. 그들은 피팅, 산성 부식 및 스트레스 부식에 저항하고 염기, 염화물, 유기 물질, 질산 및 황산에 대한 우수한 내성을 가지고 있습니다. 그러나, 이들은 산소 및 크롬산염 배지를 감소시키는 것에 덜 저항한다.

우수한 저온 성능: 티타늄 합금은 저온과 초저온에서 기계적 특성을 유지합니다. 극도로 낮은 수준의 간질 요소를 가진 합금은-253 ° C에서도 약간의 가소성을 유지하여 티타늄 합금을 중요한 저온 구조 재료로 만듭니다.

높은 화학 활성: 티타늄은 대기 중 O, N, H, CO, CO2, 수증기 및 암모니아와 강하게 반응하는 높은 화학적 반응성을 가지고 있습니다. 탄소 함량이 0.2% 을 초과하면 합금에 경질 TiC가 형성됩니다. 고온에서는 질소로 TiN을 형성하고 600 ° C 이상으로 산소를 흡수하여 단단한 표면층을 형성합니다. 증가된 수소 함량은 취성을 초래한다. 가스 흡수로 인한 경화 된 취성 층의 깊이는 20%-30% 의 경도 증가와 함께 0.1-0.15 mm에 도달 할 수 있습니다. 티타늄은 또한 마찰 표면에 쉽게 접착되는 높은 화학적 친화력을 가지고 있습니다.

낮은 열 전도도 및 탄성 계수: 티타늄의 열 전도도는 15.24 W/(m · K) 로 니켈의 약 1/4, 철의 1/5 입니다. 그리고 알루미늄의 14 분의 1. 다양한 티타늄 합금의 열전도율은 순수한 티타늄보다 약 50% 낮습니다. 티타늄 합금은 강철의 절반 정도의 탄성 계수를 가지므로 덜 단단하고 변형되기 쉽습니다. 이것은 가공 중 상당한 스프링 백과 함께 절삭 공구의 마찰과 마모를 유발합니다.

4. 티타늄 합금의 발전

티타늄, 티타늄 합금 및 티타늄 화합물의 우수한 특성은 그들의 사용에 대한 압박을 야기하였다. 그러나 높은 생산 비용으로 인해 적용이 제한되었습니다. 티타늄 합금 부품의 우수한 성능에도 불구하고 널리 사용되지 않습니다. 그 이유는 포함E 그들의 높은 비용, 불량한 형성 성 및 도전 용접 특성. 티타늄 합금의 가격은 초기 제련 및 후속 가공 측면에서 다른 금속보다 훨씬 높습니다.

최근 몇 년 동안 티타늄 합금 및 전자 빔 용접, 플라즈마 아크 용접 및 레이저 용접과 같은 현대 용접 기술을위한 근망 형상 기술의 개발과 함께, 티타늄 합금을 형성하고 용접하는 문제는 더 이상 응용 프로그램의 주요 장벽이 아닙니다. 전 세계 국가들은 현재 저렴한 고성능 새로운 티타늄 합금을 개발하고 있으며, 티타늄 합금을 시장 잠재력이 큰 민간 산업에 도입하기 위해 노력하고 있습니다. 국내 및 국제적으로 티타늄 합금 재료 연구의 최근 발전은 다음과 같이 요약 할 수 있습니다.

고온 티타늄 합금

최근 몇 년 동안 외국 연구자들은 빠른 응고/분말 야금 기술과 섬유 또는 입자 강화 복합 재료를 사용하여 고온 티타늄 합금 개발에 중점을 두었습니다. 이것은 티타늄 합금의 작동 온도를 650 ℃ 이상으로 증가시켰다. 미국의 McDonnell Douglas는 빠른 응고/분말 야금 기술을 사용하여 고순도의 고밀도 티타늄 합금을 성공적으로 개발했습니다. 이는 실온에서 현재의 티타늄 합금의 강도에 필적하는 760 ℃에서의 강도를 갖는다.

티타늄 알루미나이드 기반 티타늄 합금

일반적인 티타늄 합금, 티타늄 알루미나이드 기반 금속간 화합물 (예: Ti3Al (α2) 및 TiAl (γ)), 고온 성능 (각각 816 ° C 및 982 ° C의 최대 작동 온도), 내산화성, 크리프 저항, 경량 특성 (밀도는 니켈 기반 초합금의 절반에 불과합니다). 이러한 장점은 미래의 항공 우주 엔진 및 항공기 구조 부품에 대한 경쟁이 치열한 재료입니다.

고강도, 고강도 β 형 티타늄 합금

최초의 β 형 티타늄 합금 인 B120VCA (Ti-13V-11Cr-3Al) 는 mid-1950s 미국의 Crucible 회사에 의해 개발되었습니다. Β 형 티타늄 합금은 고온 및 냉간 가공성이 뛰어나고 단조, 롤 및 용접이 쉽고 높은 기계적 특성, 우수한 환경 저항을 얻을 수 있습니다. 그리고 용액-노화 처리를 통해 강도와 파괴 인성의 좋은 균형. 가장 대표적인 새로운 고강도, 고인성 β 형 티타늄 합금은 다음과 같습니다.

Ti1023 (Ti-10V-2Fe-# Al): 이 합금은 항공기 구조 부품에 일반적으로 사용되는 30CrMnSiA 고강도 구조 강철과 성능이 비슷하며 우수한 단조 특성을 가지고 있습니다.

Ti153 (Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn): 이 합금은 1000 MPa를 초과하는 노화 된 실온 인장 강도와 함께 상업적으로 순수한 티타늄보다 냉간 작업 특성이 우수합니다.

Β21S (Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si): 미국 Titanium Metals Corporation의 사업부 인 Timet이 개발했습니다. S., 이 새로운 산화 저항성, 초고강도 티타늄 합금은 우수한 내산화성과 고온 및 냉간 가공성을 가지며 0.064mm 정도의 얇은 포일로 만들 수 있습니다.

화염 방지 티타늄 합금

기존의 티타늄 합금은 특정 조건 하에서 연소되는 경향이 있으며, 이는 그 적용을 크게 제한합니다. 이를 해결하기 위해 여러 국가에서 내화성 티타늄 합금을 연구하고 특정 혁신을 달성했습니다. 미국은 F119 엔진에 사용되는 지속적인 연소에 민감하지 않은 내화성 티타늄 합금 인 합금 C를 개발했습니다. 러시아가 개발 한 BTT-1 및 BTT-3 Ti-Cu-Al 시스템의 내화성 티타늄 합금으로, 우수한 고온 변형 처리 특성을 가지며 복잡한 부품을 만드는 데 사용할 수 있습니다.

의료 티타늄 합금

티타늄은 무독성이며 가볍고 강하며 생체 적합성이 뛰어나므로 인체의 임플란트와 같은 의료 용도에 이상적인 소재입니다. 현재, Ti-6Al-4V ELI 합금은 의료 분야에서 널리 사용되고 있다. 그러나이 합금은 미량의 바나듐 및 알루미늄 이온을 방출하여 세포 적합성을 감소시키고 잠재적으로 인체에 해를 끼칠 수 있습니다. 이 문제는 의료계에서 오랫동안 관심사였습니다. Mid-1980s 초 미국은 정형 외과 수술에 사용하기 위해 알루미늄이없는 바나듐이없는 생체 적합성 티타늄 합금을 개발하기 시작했습니다. 일본, 영국 및 기타 국가들도이 분야에서 광범위한 연구를 수행했으며 새로운 발전을 이루었습니다. 가까운 장래에 고강도, 저계수 및 내식성 티타늄 합금이 의료 분야에서 널리 사용되는 Ti-6Al-4V ELI 합금을 대체 할 것으로 예상됩니다.

티타늄 합금의 5, 주요 응용

티타늄 합금은 알루미늄과 강철의 밀도, 강도 및 작동 온도를 가진 항공 우주 산업에서 사용되는 새로운 중요한 구조 재료입니다. 그들은 높은 비강도 및 우수한 해수 내식성 및 초저온 성능을 가지고 있습니다. 티타늄 합금은 주로 항공기 엔진 용 압축기 구성 요소뿐만 아니라 로켓, 미사일 및 고속 항공기의 구조 구성 요소를 제조하는 데 사용됩니다. Mid-1960s 이후 티타늄 및 그 합금은 전기 분해 산업의 전극, 발전소의 응축기, 석유 정제 및 해수 담수화 히터, 일반 산업에 적용되었습니다. 그리고 환경 오염 제어 장치. 티타늄 및 그 합금은 부식 방지 구조 재료의 한 유형이되었으며 수소 저장 재료 및 형상 메모리 합금을 생산하는 데에도 사용됩니다.

경량, 높은 비강도 및 우수한 내식성으로 인해 티타늄 합금은 항공 산업, 특히 엔진 시스템에서 널리 사용됩니다. 티타늄 합금을 사용하여 엔진 부품을 제조하는 것은 수많은 이점을 제공한다.

티타늄 합금의 밀도가 낮 으면 움직이는 부품의 관성 질량이 줄어들어 마찰이 줄어들고 연료 효율이 향상됩니다. 티타늄 밸브 스프링은 자유 진동을 증가시키고 진동을 감소시킬 수 있습니다.

티타늄 합금을 선택하면 관련 구성 요소의 부하 응력을 줄이고 부품의 크기를 줄여 엔진 및 전체 항공기의 무게를 줄일 수 있습니다. 부품 관성 질량의 감소는 진동 및 소음을 감소시키고, 엔진 성능을 개선하며, 엔진 속도 및 출력을 증가시킨다. 다른 구성 요소에 티타늄 합금을 적용하면 편안함과 미학을 향상시킬 수 있습니다. 티타늄 합금은 에너지 절약 및 소비 감소에 귀중한 역할을합니다.

티타늄 합금은 높은 강도, 낮은 밀도, 좋은 기계적 특성, 인성 및 우수한 내식성을 가지고 있습니다. 그러나, 그들의 열악한 가공성, 가공의 어려움, 뜨거운 가공 동안 수소, 산소, 질소 및 탄소와 같은 불순물을 흡수하는 경향뿐만 아니라 열악한 내마모성 및 복잡한 생산 공정, 현재 도전. 항공 우주 산업의 발전에 대한 필요성으로 인해 티타늄 산업은 연평균 약 8% 의 성장률로 성장했습니다. 현재, 티타늄 합금 가공 재료의 연간 생산량은 거의 30 등급의 티타늄 합금으로 40,000 톤을 초과합니다.

높은 강도와 뛰어난 내식성을 활용하는 티타늄 합금으로 만든 고강도 스프링은 이제 매트리스와 같은 민간 응용 분야에서 널리 사용됩니다. 매트리스 스프링에 티타늄 합금 기술을 통합함으로써 새로운 티타늄 합금 스프링은 바디 윤곽을 준수 할 수 있으며 부드러운 것에서 단단하게 전환하는 독특한 지원을 제공하여 깊은 수면 편안함을 제공합니다. 또한, 2 회 고온 성형 처리로 스프링의 탄성과 탄성이 크게 향상되어 내구성이 향상됩니다.