알파 티타늄 합금: 구조, 물성, 열처리

알파 티타늄 합금은 주로 알파 상을 포함하며, 완전 알파(fully alpha) 또는 준알파(near-alpha)로 분류됩니다. 베타 상이 거의 없거나 전혀 없기 때문에, 이 합금은 기존의 열처리로 강도를 높일 수 없으며, 용체화 및 결정립 미세화가 주요 강도 향상 기전입니다. Al, O, Zr, Sn 및 Si는 중요한 첨가 원소입니다. 알루미늄 함량은 일반적으로 6% 미만으로 유지되어 취성 있는 정렬 알파2(Ti3Al)의 형성을 제한하며, 산소는 강력한 삽입원자 강화 효과를 제공하지만 연성을 저하시키며, 준알파 합금에서는 실리콘을 사용하여 크리프 저항성을 향상시킵니다.

상업용 순수 티타늄

상업용 순수 티타늄(CP 티타늄)은 국제적으로 일반적으로 ASTM 등급 1~4로 분류되지만, 이는 중국 등급과 일대일로 대체되는 것이 아니라 단지 일반적인 분류 체계로만 제시될 뿐입니다.

완전한 알파 미세구조

완전 알파 합금은 용접성, 내식성, 연성, 노치 인성 및 최저 −253°C에 달하는 연성-취성 전이 온도를 제공합니다. 등축 결정립은 알파-베타 가공 후 재결정 어닐링을 통해 형성됩니다. 강도는 결정립 미세화에 따라 결정되며, 산소 함량이 가장 낮은 CP 등급의 경우, 항복 강도 = 231 MPa + 10.5d의 공식이 성립합니다.^−1/2. 베타 상에서 급속 냉각하면 침상 또는 판상 알파-프라임 마르텐사이트가 생성되는 반면, 서서히 냉각하면 거친 층상 콜로니가 생성된다. 층상 구조는 인장 강도와 피로 강도, 연성을 다소 희생하는 대신 더 우수한 파괴 인성과 크리프 저항성을 갖는다.

Ti-5Al-2.5Sn은 높은 극저온 강도와 인성을 겸비하고 있으며, 약 −253°C의 액체 질소 저장 용도로 사용됩니다.

준알파 합금

준알파 합금은 가스 터빈 압축기 용도로 약 600°C까지 내크리프성, 내산화성 및 강도를 제공합니다. 대표적인 예로는 Ti-1100, IMI 834, BT18y 등이 있습니다. 소량의 Mo, Nb 또는 V를 첨가하면 제한된 베타 상을 통해 단조성을 향상시킬 수 있으며, Zr과 Sn은 알파 상을 강화하는 반면, Si, C 및 희토류 원소를 첨가하면 크리프 저항성을 향상시킬 수 있습니다.

알파-베타 영역에서 단조 및 열처리를 수행하면, 1차 등축 알파와 2차 층상 알파를 포함하는 변형 베타로 구성된 이모달 구조가 형성될 수 있다. 이 구조는 크리프, 파괴 인성 및 피로 특성을 균형 있게 조화시킨다.

베타 용액 처리를 거친 후 냉각 속도를 높이면 알파 라스가 더 얇아지고, 강도는 높아지지만 연성은 낮아집니다. 베타 함량을 높이면 IMI 834의 크리프 특성은 개선될 수 있지만, 피로 성능은 저하될 수 있습니다. 노화 처리나 장기간 노출 시 정렬된 알파2 및 Ti5Si3 실라이드가 석출되어 상온 및 고온 강도는 증가하지만 연성은 감소합니다.