주조 티타늄 합금의 종류, 특성 및 결함은 무엇인가요?

주조 티타늄 합금은 어닐링된 미세구조에 따라 α형, α+β형, β형으로 분류됩니다. 이 합금의 유용한 특성으로는 낮은 밀도, 높은 비강도, 내식성 등이 있으며, 주조 거동은 용융 유동성, 응고 수축, 반응성에 의해 결정됩니다. 이 가이드에서는 나열된 등급의 재료군, 조성, 기계적 특성 및 일반적인 주조 결함을 비교합니다.

주조 티타늄 합금의 특성

티타늄은 낮은 밀도, 높은 강도, 우수한 인성, 비자성, 높은 융점, 낮은 열팽창 계수, 그리고 뛰어난 내식성 및 생체 부식 저항성을 모두 갖추고 있습니다. 주조 티타늄 합금은 일반적으로 다음과 같은 10가지 특성을 지닙니다.

1. 낮은 밀도, 높은 강도, 높은 비강도

티타늄의 밀도는 4.51 g/cm³입니다.³, 강철의 약 57% 수준입니다. 알루미늄보다 무게는 2배 미만이지만 강도는 약 3배에 달할 수 있습니다. 여기서 제시된 비교에 따르면, 티타늄 합금의 비강도는 스테인리스강의 약 3.5배, 알루미늄 합금의 1.3배, 마그네슘 합금의 1.7배에 달합니다. 이로 인해 티타늄 합금은 항공우주 분야에서 중요한 구조용 소재로 사용됩니다.

2. 뛰어난 내식성

티타늄의 부동태화는 산화막에 의해 결정됩니다. 티타늄은 환원성 매체에서 급속한 부식이 발생할 수 있는 반면, 산화성 매체에서는 훨씬 더 뛰어난 내식성을 보입니다. 티타늄은 해수, 습식 염소, 아염소산염 및 차아염소산염 용액, 질산, 크롬산, 금속 염화물, 황화물, 유기산 등을 포함한 매체에서 부식 공격을 견딥니다.

3. 우수한 내열성

알루미늄은 일반적으로 150°C 부근에서, 스테인리스강은 310°C 부근에서 원래의 성능을 상실하는 반면, 티타늄 합금은 500°C 부근에서도 유용한 기계적 특성을 유지할 수 있습니다. 약 마하 2.7의 속도에서는 항공기 표면 온도가 230°C에 달할 수 있으며, 이 온도에서는 알루미늄 및 마그네슘 합금이 사용하기에 부적합해질 수 있습니다. 티타늄 합금은 항공기 엔진 압축기 디스크와 블레이드, 그리고 후방 동체 외피에 사용됩니다.

4. 우수한 저온 성능

Ti-5Al-2.5Sn ELI와 같은 일부 티타늄 합금의 경우, 온도가 낮아질수록 강도는 증가하는 반면 연성은 소폭만 감소합니다. 이러한 합금의 저온 연성과 인성은 액체 수소 및 액체 산소 로켓 엔진과 유인 우주선의 극저온 용기 및 탱크에 사용될 수 있게 해줍니다.

5. 비자성적 특성

티타늄은 비자성체입니다. 잠수함 선체에 사용될 경우, 자성 수뢰를 작동시키지 않습니다.

6. 낮은 열전도율

티타늄의 열전도율은 강철의 약 5분의 1, 알루미늄의 약 13분의 1, 구리의 약 25분의 1 수준입니다. 열전도율이 낮은 점은 일부 용도에서 단점이 됩니다.

7. 낮은 탄성 계수

티타늄의 탄성 계수는 강철의 약 55% 수준이다. 구조용으로는 이처럼 상대적으로 낮은 탄성 계수가 단점이 될 수 있다.

8. 인장 강도와 항복 강도가 비슷하다

인용된 Ti-6Al-4V의 경우, 인장 강도는 960 MPa이고 항복 강도는 892 MPa로, 그 차이는 불과 68 MPa에 불과하다.

9. 티타늄은 고온에서 쉽게 산화된다

티타늄은 수소와 산소에 대한 친화력이 강하므로, 산화와 수소 흡수를 철저히 제어해야 합니다. 용접 시에는 아르곤 차폐가 필요합니다. 티타늄 튜브와 시트는 진공 상태에서 열처리를 거치는 반면, 티타늄 단조품의 경우 약산성 용광로 분위기를 세심하게 제어해야 합니다.

10. 낮은 감쇠 능력

모양과 크기가 똑같은 종을 티타늄, 구리, 강철로 만들어 같은 힘으로 두드리면, 티타늄으로 만든 종의 울림이 더 오래 지속된다. 충격 에너지가 천천히 소산되는데, 이는 감쇠 능력이 낮음을 나타낸다.

주조 티타늄 합금의 분류

아래에 제시된 12가지 주조 티타늄 등급은 어닐링된 미세구조에 따라 분류되어 있습니다. ZT 표기는 중국 명명 체계에서 주조 티타늄을 나타냅니다. 인용된 중국 국가표준은 GB/T 6614-2014이며, 티타늄 및 티타늄 합금 주조품, 및 GB/T 15073-2014, 주조 티타늄 및 티타늄 합금.

주조 티타늄 및 티타늄 합금의 화학 조성

다음의 성분 표는 GB/T 6614-2014에 근거한 것이며, 이 표에 명시된 허용치는 여기에 제시된 주조 등급 및 조건에 적용됩니다.

참고 사항: 기타 원소는 티타늄 주조 공정 중에 본질적으로 존재하는 미량 원소로, 일반적으로 Al, V, Sn, Mo, Cr, Mn, Zr, Ni, Cu, Si, Nb 및 Y를 포함하며, 해당 등급에 의도적으로 첨가된 합금 원소는 제외됩니다. 기타 원소에 대한 개별 및 총 함량 한도는 구매자가 요구할 경우에만 분석됩니다.

주조 티타늄 및 티타늄 합금의 기계적 특성

다음의 조성 및 기계적 특성 표는 GB/T 15073-2014에 근거한 것이며, 여기에 제시된 수치는 모든 주조 티타늄 제품에 적용되는 보편적인 한계치로 간주되어서는 안 됩니다.

1. α 티타늄 합금. 어닐링된 구조는 전적으로 α 상으로 이루어져 있습니다. 이 합금은 고온에서 구조적 안정성이 뛰어나며, 비록 실온에서의 강도는 높지 않지만 내열 티타늄 합금의 기초를 이룹니다. 상업용 순수 티타늄 또한 α 상 물질입니다.
2. α+β 티타늄 합금. 어닐링된 조직에는 α상과 β상이 포함되어 있습니다. 이러한 합금은 열처리를 통해 강도를 높일 수 있으며, 400~450°C에서 비교적 높은 강도와 우수한 내열성을 나타냅니다. 더 높은 온도에서는 α 합금에 비해 조직 안정성과 용접성이 떨어집니다.
3. β 티타늄 합금. 어닐링된 구조는 β 상입니다. 담금질과 템퍼링을 통해 높은 기계적 특성을 얻을 수 있습니다.

α 주조 티타늄 합금

상업용 순수 티타늄 주물

상업용 순수 티타늄 주조재에는 ZTA1(중국산 CP 티타늄 주조 등급), ZTA2(중국산 CP 티타늄 주조 등급), ZTA3(중국산 CP 티타늄 주조 등급)이 포함됩니다. 이 중 첫 번째 등급은 불순물 함량이 가장 낮아 연성은 높지만 강도는 낮습니다. 세 번째 등급은 불순물 함량이 더 많아 강도는 높지만 연성은 낮습니다. 주조 직후의 조직은 거친 위드만슈테텐(Widmanstätten) 결정립을 가진 순수 α 상으로 이루어져 있으며, 어닐링을 거치면 등축 조직이 형성됩니다.

주조 특성은 순수 금속과 유사합니다. 유동성이 우수하고, 분산 수축은 제한적이며, 국부 수축 공극이 형성될 수 있으나 열간 균열 발생 가능성은 낮습니다. CP 티타늄 주물은 적당한 강도와 우수한 연성을 갖추고 있으며, 주조성, 내식성 및 용접성도 우수합니다. 이 주물은 300°C에서 장기간 작동할 수 있습니다.

Ti-5Al-2.5Sn 주조 티타늄 합금

Ti-5Al-2.5Sn 주조 티타늄 합금은 α 안정제로 5% 알루미늄을, 중성 원소로 2.5% 주석을 함유한 중강도 단상 α 합금입니다. 이 합금은 고온 강도와 용융 용접성이 우수합니다. 이 합금은 열처리를 통해 강도를 높일 수 없으며, 일반적으로 어닐링 상태에서 사용됩니다. 가공 연성이 상대적으로 낮기 때문에 판재 성형 시 가열이 필요합니다.

용도로는 케이싱 외피 및 패널 등이 있습니다. 이 합금의 보고된 작동 온도는 장기간 최대 500°C, 단기간 최대 800°C입니다.

Ti-0.2Pd 주조 티타늄

Ti-0.2Pd 주조 티타늄은 상업용 순수 티타늄에 소량의 팔라듐을 첨가하여 제조된 내식성 α 상 소재입니다. 팔라듐은 환원성 매체뿐만 아니라 산화성 매체에서도 내식성을 향상시킵니다. 고온의 농축 염화물 매체에서 이 주조 소재는 특히 뛰어난 틈새 부식 저항성을 보이는 것으로 알려져 있습니다.

Ti-0.2Pd 주조 티타늄은 CP 티타늄 주조품과 유사한 용도로 사용되지만, 팔라듐이 첨가되어 비용이 더 높기 때문에 상업용 순수 티타늄으로는 사용 조건을 충족할 수 없는 경우에 선택됩니다. 주요 용도로는 희석 염산, 황산 및 인산 환경; 틈새 부식에 강한 티타늄 장비; 쉘 앤 튜브(shell-and-tube) 열교환기; 섬유 스핀네트; 아세트알데히드 공장의 플랜지 라이너; 그리고 플랜지, 조인트 및 기타 틈새가 있는 부품 등이 있습니다.

Ti-0.3Mo-0.8Ni 주조 티타늄 합금

Ti-0.3Mo-0.8Ni 주조 티타늄 합금은 순수 티타늄의 틈새 부식 저항성을 향상시키기 위해 개발된 준-α 부식 저항 합금입니다. 이 합금에 함유된 0.3%의 몰리브덴과 0.8%의 니켈은 합금의 강도를 높이고, 고온의 저pH 염화물 매체 및 약한 환원성 산에 대한 내식성을 향상시킵니다. 보고된 바에 따르면, 이 합금의 내식성은 순수 티타늄보다 훨씬 우수하며 Ti-0.2Pd 주조 티타늄에 근접합니다. 또한 가공 연성과 용접성이 우수하여 화학 산업 분야에서 널리 사용되고 있습니다.

Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V 주조 티타늄 합금

이 고알루미늄 근-α 합금의 인용된 조성은 6.58% Al 및 1.46% Mo입니다. 이 합금은 α 합금의 고온 강도와 용접성을 갖추고 있으며, α+β 합금에 근접한 가공 연성을 지닙니다. 보고된 장기 작동 온도는 500°C에서 3,000시간이며, 800°C까지의 순간 노출은 5분을 초과하지 않습니다. 450°C에서 보고된 수명은 6,000시간에 달합니다.

적용 분야로는 500°C 미만의 온도에서 작동하는 구조용 및 용접식 하중 지지 부품, 엔진 블레이드 및 케이싱, 항공기 판금 부품, 보, 이음매, 대형 패널, 용접식 하중 지지 프레임, 기타 용접 구조물 및 주물 등이 있습니다.

Ti-4Al-2V 주조 티타늄 합금

Ti-4Al-2V 주조 티타늄 합금은 상온 및 고온에서 우수한 기계적 특성, 피로 저항성, 균열 성장 저항성, 충격 저항성 및 다양한 매체에서의 내식성을 갖추고 있습니다. 이 합금은 용접이 가능하며, 열간 또는 냉간 성형이 가능합니다.

주요 용도로는 미사일 압력 용기 및 로켓 엔진 케이싱; 항공기 압축기 디스크, 블레이드, 스페이서, 실드, 외판, 리브, 웹, 날개, 보, 수평 안정판, 로터 허브, 랜딩 기어, 지지 보 및 휠 허브; 해상 수중익선, 추진 장비 및 군수품; 그리고 증기 터빈 블레이드, 축방향 및 반경방향 압축기 디스크, 내식성 스프링, 내연기관 커넥팅로드 등이 있습니다.

α+β 주조 티타늄 합금

Ti-6Al-4V 주조 티타늄 합금

Ti-6Al-4V 주조 티타늄 합금은 가장 초기에 개발되었으며 가장 널리 사용되는 티타늄 합금 중 하나로 꼽힙니다. 알루미늄은 용체화 작용을 통해 α 상을 강화하여 상온 및 고온에서의 강도를 향상시킵니다. 바나듐은 강도를 높이고 연성을 개선합니다. 또한 α 상의 형성을 억제하며₂ 정렬된 상을 형성하여 장기적인 취성화 위험을 줄입니다.

이 합금은 폭넓은 기계적 성능과 우수한 가공성, 초소성 성형성을 겸비하고 있습니다. 다양한 압력 가공 방법으로 성형이 가능하며, 여러 용접 공정을 통해 용접할 수 있습니다. 일반적인 반제품 형태로는 봉, 단조품, 얇은 판과 두꺼운 판, 형강, 와이어 등이 있습니다. 주로 어닐링 상태로 사용되지만, 용체 처리 및 노화 처리를 거칠 수도 있습니다.

항공우주 분야에서의 용도로는 항공기 보, 프레임, 레일, 랜딩기어 보, 팬 및 압축기 디스크와 블레이드, 로켓 외피, 압력 용기, 패스너 등이 있습니다. 30CrMnSiA 구조용 강재를 대체하면 부품 중량을 약 30% 정도 줄일 수 있습니다. 민간 분야에서의 용도로는 가스 터빈 블레이드, 선박용 프로펠러, 해양 시추 플랫폼, 내식성 펌프, 의료용 임플란트 및 스포츠 용품 등이 있습니다. 비주조 Ti-6Al-4V는 자동차 프레임, 크랭크샤프트, 커넥팅로드, 볼트, 흡기 밸브 및 서스펜션 스프링에도 사용됩니다.

Ti-6Al-4.5Sn-2Nb-1.5Mo 주조 티타늄 합금

이 합금은 높은 강도, 높은 인성, 손상 내성 및 용접성을 겸비하고 있으며, 500°C 미만의 환경에서 장기간 작동할 수 있습니다. 설명된 용도에는 항공우주 및 민간용 구조 부품이 포함되며, 봉, 단조품, 두꺼운 판재도 주요 반제품 형태로 나열되어 있습니다. 이러한 가공 제품 형태는 본 절에서 다루는 주조 재료와는 구별됩니다.

β 주조 티타늄 합금

Ti-32Mo 베타 주조 티타늄 합금은 매우 뛰어난 내식성을 지니고 있으며 다양한 용접 방법으로 가공할 수 있지만, 강도 향상을 위한 열처리가 가능한 합금으로 분류되지는 않습니다. 몰리브덴 함량이 높아 용융이 까다롭고, 밀도가 5.69 g/cm³까지 높아집니다.³, 탄성 계수를 낮추며, 500°C 이상의 공기 중에서 가열될 경우 심한 산화를 일으킵니다. 따라서 주로 강산에 노출되는 주조 펌프, 밸브 및 이와 유사한 부품에 사용됩니다.

주조 특성 및 일반적인 결함

합금 원소는 일반적으로 응고 온도 범위를 넓히고 유동성을 저하시킵니다. 그러나 알루미늄 함량을 높이면 결정화열이 증가하여 유동성이 향상될 수 있습니다. 질량 기준으로 10% Al을 첨가하면 결정화열이 327 J/g에서 435 J/g로 증가합니다. Ti-32Mo 베타 주조 티타늄 합금은 31%-35% Mo를 함유하고 있으며, 응고 온도 범위가 넓고 유동성이 나쁘기 때문에 얇은 벽 두께의 주조품에는 적합하지 않습니다.

상업용 순수 티타늄에서 집중 수축 공극은 부피 기준으로 약 1%를 차지한다. 합금 원소 함량이 질량 기준으로 10%일 때, 집중 수축의 부피 분율은 약 0.5%~1.5%이다. 응고 범위가 넓은 합금의 경우, 응고 과정에서 형성된 수축 공극이 잔류 용융물로부터 유입된 가스로 채워져 가스 수축 공극이 발생할 수 있다. 티타늄 합금 주물은 이러한 결함이 발생할 가능성이 매우 높다. 또한 응고 범위가 넓어질수록 분산형 수축 기공도 증가한다.

상업용 순수 티타늄의 선형 수축률은 1.0%~1.1%입니다. 티타늄 합금의 수축률은 알루미늄 함량이 증가함에 따라 커집니다. 낮은 탄성 계수와 열팽창 계수, 그리고 고온에서 비교적 높은 강도가 결합되어 티타늄 합금은 고온 균열에 대한 우수한 저항성을 갖습니다. 표면 냉간 균열은 주조 과정에서 용융 티타늄과 금형 간의 반응이나, 주조 표면 및 틈새에서 기체 불순물과의 반응으로 인해 발생하며, 이로 인해 산소가 풍부한 취성 α-케이스가 형성됩니다. 이 취성 표면층은 쉽게 냉간 균열을 일으킵니다.