항공우주 분야에서는 어떤 티타늄 합금 시스템이 사용되나요?

티타늄 합금의 개발은 항공 분야에서 시작되었으며, 더 가볍고 강하며 고온 환경에서도 견딜 수 있는 구조물에 대한 업계의 수요에 따라 발전해 왔습니다. 항공우주용 티타늄 시스템은 고강도·고인성 합금, 고온 합금, 내화성 합금, 티타늄 매트릭스 복합재의 네 가지 그룹으로 분류할 수 있습니다.

고강도·고인성 티타늄 합금

인장 강도가 1000 MPa 이상이고 파괴 인성이 55 MPa·m 이상인 합금^1/2 이곳에서는 일반적으로 고강도·고인성 티타늄 합금으로 취급됩니다. Ti-Al-Mo-V-Cr이 주요 합금계입니다. Ti-1023은 보잉 777의 랜딩 기어와 A380의 주 랜딩 기어 스트럿에 사용되어 왔으며; Timetal 555는 보잉 777의 랜딩 기어와 보기 빔에 사용되었습니다. 러시아산 BT22는 Su-27 및 Il-76과 같은 항공기의 대형 하중 지지 기체 및 랜딩 기어 부품에 사용되었습니다.

Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al은 Mo, V, Cr을 사용하여 베타 상을 안정화시킵니다. 이러한 첨가 원소의 함량을 높이면 연성이 향상될 수 있으며, 열처리 후 인장 강도는 1100~1200 MPa에 달할 수 있습니다. 용체화 처리 후 냉간 성형성이 우수하며, 용체화 처리 및 노화 처리 후에는 강도와 연성의 균형이 잘 잡혀 있습니다. Ti-5Mo-5V-2Cr-3Al은 Cr 함량이 적고 베타 안정제 함량이 임계 농도에 가까워 알파-베타 합금과 준안정 베타 합금의 특성을 모두 갖추고 있습니다. 열처리 후 인장 강도는 1110 MPa, 탄성 계수는 70.5 MPa·m에 달할 수 있습니다.^1/2 항공우주 구조물의 파괴 인성.

고온 티타늄 합금

고온 티타늄 합금은 항공기 엔진에 필수적인 소재입니다. 가장 초기에 널리 사용된 합금인 Ti-6Al-4V는 약 300~350°C에서 작동하며, 고온 강도, 연성, 인성, 성형성 및 생체적합성을 모두 갖추고 있습니다. 이후 개발된 IMI550, BT3-1, IMI685와 같은 합금들은 인장 강도와 크리프 강도를 향상시켰으며, 사용 온도를 400°C 수준으로 높였습니다. 실리콘 첨가 및 Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si 계열의 개발을 통해 IMI834, Ti-1100, BT36 등 알파 상에 의해 부분적으로 강도가 강화된 합금들이 탄생했다.₂. 영국과 트렌트 700 엔진에서 널리 사용되는 IMI834는 약 600°C에 이릅니다.

대표적인 미국 합금

영국 대표 합금

대표적인 러시아 및 중국 합금

600°C 이하에서 이러한 합금은 비강도, 비크리프 강도 및 비피로 강도 측면에서 구조용 강철, 알루미늄 및 니켈 초합금보다 우수한 성능을 발휘할 수 있습니다. 동등한 강도와 사용 성능을 유지하면서 니켈을 티타늄으로 대체하면 질량을 약 1.7배까지 줄일 수 있습니다. 높은 추력 대 중량 비율을 가진 엔진에는 블리스크, 블링, 용접 구조물, Ti 등이 필요합니다.₂AlNb, TiAl 및 섬유 보강 티타늄 복합재.

마하 6 속도에서는 항공기 표면 온도가 650°C를 초과할 수 있으므로, 내열성 외피, 프레임, 엔진 및 기체 부품에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 따라서 개발은 크리프 저항성, 파단 수명, 피로 강도, 열역학적 안정성, 내산화성 및 열응력 부식 저항성을 목표로 하고 있습니다.

Ti-6Al-4V의 장기 사용 온도는 약 350°C에서 약 600°C로 상승했습니다. 이는 종종 기존 티타늄 합금의 열차단 한계로 간주되므로, 그 이상의 온도 범위에서는 TiAl 및 실리콘 카바이드 섬유 강화 티타늄 복합재가 중요한 역할을 합니다. 보고된 650°C 합금 개념은 Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si 계에 Hf, Nb 및 Ta를 첨가한 것이다. 희토류 원소의 첨가량은 0.1 at.% 미만으로 유지되어야 하며, 이보다 더 많이 첨가할 경우 급속 응고 분말 야금 공정이 필요합니다. 완전한 층상 구조를 얻으려면 베타 열처리가 필요합니다.

내연소성 티타늄 합금

현재 티타늄은 많은 현대식 가스 터빈 엔진의 구조적 질량 중 약 3분의 1을 차지하지만, 일반적인 합금은 온도, 압력, 기류 및 마찰이 복합적으로 작용할 경우 발화할 수 있습니다. 화재는 블레이드 끝단이나 후단부의 국부적인 연소 상태에서 시작되어, 불과 4~20초 만에 케이스 전체를 관통하는 360° 연소로 진행될 수 있습니다.

내화성 합금은 발화나 화염 확산을 방지합니다. 합금 C(Ti-35V-15Cr)는 F119 고압 압축기의 고정자 베인, 내부 링 및 노즐 플랩에 사용됩니다. 합금 C+는 크리프 저항성을 높이기 위해 Si와 C를 첨가한 것입니다. Ti40(Ti-25V-15Cr-0.2Si)은 약 500°C에서 장기간 사용하도록 설계되었으나, 510°C 이상에서는 크리프 저항성을 상실하므로 520°C를 초과해서는 안 됩니다. Ti-35V-15Cr-Si-C를 기반으로 하는 TF550의 밀도는 5.33 g/cm³입니다.³ 그리고 550°C에서 유용한 크리프 및 파단 거동을 보인다.

Ti-V-Cr 시스템

V와 Cr은 연소 전에 조밀한 보호 산화막을 형성하여 휘발성 생성물을 통한 열 방출을 줄이고, 용융 온도를 낮추며, 열 확산성을 향상시킬 수 있다. 합금 C는 명목 조성 50Ti-35V-15Cr이고 밀도가 약 5.34 g/cm³인 베타 합금이다.³. 합금 C+는 Ti-35V-15Cr-0.6Si-0.05C이다. 이러한 합금계는 여전히 가격이 비싸고 용융이 어렵으며, 녹는점 이하에서는 열전도도가 높지 않다. Ti40의 열전도도는 녹는점 근처나 그 이상에서만 2~3배 정도 증가하므로, 빠른 열 방출만으로는 내화성을 설명할 수 없다.

Ti-Al-Cu 계

Ti-Cu 합금은 저융점 Ti를 형성한다₂990°C 부근의 구리 용액. 용융 과정에서 열이 흡수되며, 용액의 윤활 작용으로 마찰과 발열이 줄어듭니다. 러시아산 BTT-1(Ti-13Cu-4Al-4Mo-2Zr)은 약 450°C까지 사용 가능하며, 복잡한 형상의 부품을 열간 성형하기에 적합합니다. BTT-3(Ti-18Cu-2Al-2Mo)는 연성과 내화성이 더 우수하여 시트 및 포일 제조에 적합하지만, 두 합금 모두 인성이 제한적이며 쉽게 균열이 발생하고 용융 과정에서 수축이 일어날 수 있습니다.

Ti-Nb 시스템

상업용 Ti-45Nb는 오토클레이브에 사용됩니다. 과부하 인장 점화 시험에서, 이 소재는 250°C 및 3.1 MPa 조건의 순수 산소 환경에서도 연소되지 않았으며, 우수한 내식성을 보였으나 밀도가 높아 사용에 제한이 있습니다.

TiAl 금속간 화합물

TiAl 금속간 화합물은 낮은 밀도, 높은 탄성 계수, 내산화성 및 내화성을 겸비하고 있으며, 최대 사용 온도는 1040°C에 달하는 것으로 보고되었으나, 상온에서 취성이 있어 가공이 어렵습니다. Ti-Al 계에는 Ti가 포함됩니다.₃Al, TiAl 및 TiAl₃. 700~850°C 범위에서 TiAl은 기존 티타늄 및 니켈 초합금보다 비강도가 높으며, 일반적인 엔진 구조용 재료보다 비강성이 약 50% 더 높습니다.

GE가 개발한 감마-TiAl 블레이드는 보잉 787의 GEnx 저압 터빈 6단계 및 7단계에서 니켈 초합금 블레이드를 단계적으로 대체하여, 중량을 최대 72.5kg까지 줄였습니다. Nb-TiAl은 자동차 터보차저에도 적용되었으며, 현재 700~900°C 환경에서 사용되는 구조물용으로 개발되고 있다.

티타늄 매트릭스 복합재료

연속 SiC 섬유 보강 티타늄 매트릭스 복합재는 티타늄 또는 TiAl 매트릭스에 텅스텐 코어 또는 탄소 코어 SiC 섬유를 사용합니다. 이 소재는 높은 비강도와 비강성, 낮은 밀도, 크리프 및 피로 저항성을 겸비하고 있으며, 600~800°C에서는 장기간, 1000°C에서는 단기간 동안 사용이 가능합니다. 일체형 블레이드 링을 사용하면 개별 블레이드와 디스크를 사용할 때보다 압축기 질량을 약 70% 줄일 수 있습니다.

SiC_f/티타늄(Ti)은 이방성 특성을 띠는데, 종방향 인장 강도는 모재보다 2배 이상 높을 수 있는 반면, 횡방향 강도는 모재의 절반 수준에 불과할 수 있습니다. 이러한 특성은 방향성 하중이 가해지는 블링, 터빈 샤프트, 타이로드, 피스톤 로드, 외피 및 스프링에 적합합니다.

고온 등압 성형(HIP) 또는 진공 고온 성형에서는 계면 반응, 전구체-와이어의 치밀화, 그리고 캔과의 확산 접합을 적절히 제어해야 합니다. 섬유 특성, 코팅, 전구체 품질, 적층, 성형 및 가공은 모두 최종 특성에 영향을 미칩니다. Ti-1100 매트릭스 SiC_f/보도에 따르면 Ti 블링의 온도는 700~800°C에 달했으며, 50%의 구조적 질량이 약 50% 감소한 것으로 알려졌다.

전망

미래의 항공우주 시스템에는 더 높은 강도, 인성, 손상 내성, 내열성, 내산화성 및 더 낮은 비용이 요구됩니다. 우선순위로는 손상 내성 합금, 피로 저항성 구조용 합금, 첨단 TiAl 소재, 그리고 급속 응고, 분말 야금, 또는 섬유 및 입자 보강 공정을 통해 제조된 티타늄 매트릭스 복합재 등이 있습니다.

복합재 개발에는 여전히 안정성 향상, 통계적으로 신뢰할 수 있는 물성 데이터, 블링 특성 분석, 파괴 및 수명 예측, 미세 규모 비파괴 검사, 동심도 공정 제어, 설계 기준, 인증 방법, 안정적인 섬유 및 매트릭스 배치, 고온 코팅, 생산 효율성, 그리고 부품 사양 등이 필요합니다.