티타늄 합금의 미세구조는 어떻게 확인하나요?

티타늄과 티타늄 합금은 낮은 밀도, 높은 비강도, 내식성, 고온 내성, 비자성 특성 및 무독성 등의 장점을 겸비하고 있습니다. 이들은 항공우주, 선박 공학, 석유, 화학 공정, 경공업, 야금, 기계, 의료 및 에너지 분야에서 널리 사용되고 있습니다.

티타늄 합금은 일반적으로 알파, 알파-베타, 베타 합금으로 분류됩니다. 이 합금들의 기본 상은 비교적 단순하지만, 가공 조건에 따라 다양한 형태와 분포는 물론 전이 상 및 불순물 상이 생성될 수 있습니다.

티타늄 합금의 금속 조직

상업용 순수 티타늄(CP 티타늄)은 알파 계열에 속합니다. 다른 알파 합금은 일반적으로 약 6%의 알루미늄과 소량의 중성 원소를 함유하며, 어닐링 후에는 거의 전적으로 알파 상을 띱니다. 이 포괄적인 분류에는 CP 티타늄과 알파 티타늄 합금이 포함됩니다. 니어-알파 합금은 추가로 약 4% 이하의 베타 안정화 원소를 함유하며, 대표적인 예로는 Ti-8Al-1Mo-1V(Ti-811)와 Ti-4Al-2V가 있다.

알파 티타늄 합금과 그 미세구조

알파 티타늄 합금은 거의 전적으로 알파 상으로 구성되어 있지만, 철이나 망간의 함량이 상대적으로 높을 경우 미량의 베타 상이 나타날 수 있다. 알파 상은 주로 등축형과 판상형 또는 침상형의 두 가지 형태로 존재한다. 단일 알파 영역에서 가공 및 어닐링을 수행하면 CP 티타늄과 유사한 등축형 알파 결정립이 형성된다.

어닐링 온도가 알파/알파-베타 상전이 온도인 약 955°C 또는 알파-베타/베타 상전이 온도인 약 1040°C를 초과할 경우, 후속적인 용광로 또는 공기 냉각 과정에서 고온 베타 상이 위드만스태튼(Widmanstatten) 특성을 지닌 층상 또는 침상 알파 상으로 변태한다. 용광로 냉각 시에는 더 크고 둥근 판상 결정이 생성되며, 공기 냉각 시에는 더 가늘고 날카로운 침상 결정이 생성됩니다. 등축 알파에 비해 이러한 결정 형태는 인장 강도에는 거의 영향을 미치지 않지만 연성을 저하시킵니다.

알파-베타 티타늄 합금 및 그 미세구조

알파-베타 합금은 질량 기준으로 6% 미만의 알루미늄을 함유하며, 다양한 베타 안정제 및 중성 원소가 포함되어 있습니다. 어닐링 후에는 알파와 베타가 서로 다른 비율로 존재합니다. 일반적으로 용접성이 우수하고 열처리를 통해 강도를 높일 수 있지만, 냉간 성형성과 냉간 가공성은 떨어집니다. 대표적인 예로는 Ti-6Al-4V, Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si, TC21(Ti-62222와 대략 유사) 등이 있습니다.

Ti-6Al-4V는 가장 널리 사용되는 알파-베타 티타늄 합금입니다. 일반적으로 열간 가공 후 어닐링 처리를 거치지만, 담금질 및 노화 처리를 할 수도 있습니다. 이 합금의 알파-베타 비율과 두 상의 형태, 크기, 분포는 열간 가공 조건에 매우 민감합니다.

담금질 또는 등온 열처리 과정에서, 베타 상으로부터의 알파 상 침전 시, 핵형성과 성장을 통해 형성된 비평형 미시상인 과도 오메가 상이 동반될 수 있다.

베타 티타늄 합금 및 그 미세구조

베타 합금은 안정 베타, 준안정 베타, 준베타 합금으로 세분화된다. 중요한 금속조직학적 변수로는 베타 결정립 크기, 1차 및 2차 알파의 양과 형태, 그리고 결정경계를 따라 분포하는 알파 등이 있다.

안정 베타 합금

안정 베타 합금은 실온까지 담금질하는 동안 마르텐사이트 변태를 억제할 수 있을 만큼 충분한 베타 안정제를 함유하고 있다. 이 합금의 어닐링 및 담금질된 기질은 등축 베타 구조이며, 고온 크리프 시 쌍정이 형성될 수 있다. 이 합금은 실온 강도가 비교적 낮고, 냉간 성형성이 우수하며, 환원성 매체에서 내식성이 좋다.

준안정 베타 합금

준안정 베타 합금은 베타 안정제의 임계 농도 이상을 함유하며, 몰리브덴 환산량이 약 10%이고, 알루미늄 함량은 3% 이하이며, 소량의 중성 원소를 포함합니다. 베타 영역에서 용체화 처리를 하면 거의 전적으로 준안정 베타 구조가 남으며, 노화 처리를 하면 알파 상이 석출된다. 이러한 합금은 우수한 냉간 가공성과 높은 노화 강도를 겸비하고 있다. 대표적인 조성으로는 Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al, Ti-10Mo-8V-1Fe-3.5Al 및 Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al(Ti-15-3)이 있습니다.

베타에 가까운 합금

준베타 합금은 중립 원소 및 알루미늄과 함께 임계 농도에 가까운 베타 안정제를 함유하고 있습니다. 베타 필드 용체화 처리를 하면 다량의 준안정 베타 상과 기타 준안정 알파 또는 오메가 성분이 생성되며, 시효 처리 후에는 알파 상과 베타 상이 주를 이룹니다. 이러한 합금은 단조품에 매우 적합하며, 강도와 인성의 균형이 뛰어납니다. Ti-10V-2Fe-3Al (Ti-10-2-3)은 대표적인 합금이다.