티타늄 합금의 종류, 열처리 및 용도는 무엇인가요?

티타늄과 티타늄 합금은 강도, 내열성, 내식성 면에서 알루미늄 및 알루미늄 합금보다 우수합니다. 이들은 항공, 항공우주, 화학 공정, 미사일, 선박 분야에서 널리 사용됩니다. 그러나 티타늄은 고온에서 반응성이 극도로 높아집니다. 따라서 용융, 주조, 용접 및 열처리는 진공 상태나 불활성 분위기에서 수행되어야 합니다. 이러한 엄격한 가공 조건과 높은 비용으로 인해 더 광범위한 사용이 제한되고 있습니다.

상업용 순수 티타늄

티타늄은 은백색의 금속으로, 녹는점은 1,680°C이고 밀도는 4.5 g/cm³입니다.³. 알루미늄보다는 무겁지만 강철보다는 가볍습니다. 강도는 알루미늄의 약 6배로, 비강도가 높습니다. 또한 티타늄은 연성이 뛰어나고 내열성이 좋으며 열팽창 계수가 낮아, 고온 환경에서 사용하거나 열간 가공 시 열 응력이 상대적으로 적습니다.

티타늄은 황산, 염산, 질산, 수산화나트륨 및 기타 알칼리 용액, 습한 환경, 해수에서 뛰어난 내식성을 보입니다. 다만 불화수소산에는 내성이 없습니다. 티타늄은 표면에 조밀한 산화막이 형성되어 금속 광택을 유지하기 때문에 대기 중에서도 안정적입니다. 그러나 600°C 이상에서는 이 산화막이 보호 기능을 상실합니다.

티타늄에는 두 가지 동소체가 있다. 882.5°C 이하에서는 육방 밀집 배열 구조의 α-Ti가 안정된 구조를 이룬다. 882.5°C부터 녹는점까지는 체심 입방 구조의 β-Ti가 안정된 구조를 이룬다.

상업용 순수 티타늄(CP 티타늄)은 삽입 원소 및 불순물 원소의 허용 수준에 따라 다양한 등급으로 분류됩니다. 이러한 불순물은 강도, 연성 및 내식성에 영향을 미칩니다. ASTM 체계에서 흔히 사용되는 등급으로는 1, 2, 3, 4등급이 있으며, 해당 자료에 따르면 2등급은 일반 산업 용도로 가장 널리 사용되는 등급 중 하나입니다. 이 설명은 국제적인 CP 티타늄 체계에 대한 것으로, 중국 CP 티타늄 등급과 일대일 대응 관계를 설정하는 것은 아닙니다.

CP 티타늄은 우수한 내식성과 적당한 강도를 겸비하고 있습니다. 이 소재는 매우 높은 강도는 필요하지 않지만 내식성이 요구되는 부품, 예를 들어 항공기 외판 및 구조물, 화학 처리 장비, 반응기, 열교환기, 해수 담수화 장비 등에 적합합니다.

CP 티타늄은 일반적으로 기존의 열처리로 강도를 높일 수 없습니다. 냉간 가공을 통해 강도를 높일 수 있습니다. 주요 열처리로 재결정 어닐링과 응력 제거 어닐링이 있으며, 이를 통해 연성을 회복하고 잔류 응력을 감소시키며 치수 안정성을 향상시킬 수 있습니다.

성분, 미세구조, 분류 및 명칭

합금 원소

티타늄에 합금 원소를 첨가하면 강도가 높아집니다. α-Ti에 용해된 원소는 α 고체 용액을 형성하는 반면, β-Ti에 용해된 원소는 β 고체 용액을 형성합니다. 알루미늄, 탄소, 질소, 산소, 붕소는 α/β 동소체 전이 온도를 높이는 역할을 하며, 이를 α-안정화 원소라고 합니다. 철, 몰리브덴, 마그네슘, 크롬, 망간, 바나듐은 상변태 온도를 낮추며, 이를 β-안정화 원소라고 합니다. 주석과 지르코늄은 상변태 온도에 거의 영향을 미치지 않으므로 중성 원소로 간주됩니다.

미세구조 분류

사용 조건 또는 어닐링 후의 미세구조에 따라 티타늄 합금은 α 합금, β 합금, (α+β) 합금, 그리고 소량의 β 상을 포함하는 근-α 합금으로 분류됩니다. 중국 합금 명칭은 이 세 가지 주요 합금 그룹을 나타내기 위해 TA, TB, TC 접두사에 숫자를 붙여 표기합니다. 성능에 따라 티타늄 합금은 저강도, 중강도 또는 고강도 합금으로 분류될 수도 있습니다.

티타늄 합금의 열처리

응력 제거 어닐링

응력 제거 어닐링은 가공이나 용접 과정에서 발생하는 내부 응력을 제거합니다. 해당 자료에 따르면 일반적인 처리 온도는 450~650°C이며, 유지 시간은 1~4시간이고, 공기 냉각을 실시합니다.

재결정 어닐링

재결정 어닐링은 가공 경화를 제거합니다. 일반적인 어닐링 온도는 순수 티타늄의 경우 550~690°C, 티타늄 합금의 경우 750~800°C이며, 1~3시간 동안 온도를 유지한 후 공기 냉각을 실시합니다.

담금질 및 시효 처리

담금질과 시효 처리는 합금의 강도와 경도를 높입니다. α 티타늄 합금은 일반적으로 담금질 및 시효 처리를 하지 않습니다. β 합금과 안정화 원소가 비교적 많이 포함된 (α+β) 합금의 경우, 담금질 온도는 대개 α+β 2상 영역의 상단부에서 선정됩니다. 해당 자료에 따르면, 경화 온도는 760~950°C, 유지 시간은 5~60분이며, 물로 냉각한다.

담금질 후, 일부 α 상이 잔류하는 반면 β 상은 준안정 상태가 됩니다. 노화 처리 과정에서 준안정 상태의 β 상에서 분산된 α 상이 석출되어 강도와 경도가 증가합니다. 담금질 및 노화 처리를 거친 Ti-6Al-4V의 미세구조에는 블록형 α+β 상과 침상형 α 상이 포함되어 있습니다. 가열 과정에서는 오염, 산화 및 과열을 방지해야 합니다. 일단 β 결정립이 과도하게 성장하면, 열처리를 통해 원래의 결정립 크기를 복원할 수 없습니다.

일반적인 티타늄 합금의 종류와 용도

알파 티타늄 합금

α 티타늄 합금은 전적으로 α 용질용액으로 구성되어 있어 인성과 연성이 우수합니다. 이 합금은 냉간 가공을 통해 판재나 봉재와 같은 반제품으로 만들 수 있습니다. 미세구조가 고온에서도 안정적이며, 내산화성과 고온 강도가 뛰어납니다. 500~600°C에서 이 합금의 강도는 3대 주요 티타늄 합금 계열 중 가장 높지만, 상온 강도는 일반적으로 β 및 (α+β) 합금보다 낮다. 대표적인 합금으로 Ti-5Al-2.5Sn이 있으며, 이는 미사일 연료 탱크와 초음속 항공기 터빈 케이싱에 사용된다.

베타 티타늄 합금

완전 β형 티타늄 합금은 밀도가 상대적으로 높고 내열성이 떨어지며 내산화성이 낮기 때문에 산업 현장에서 거의 사용되지 않습니다. 700°C 이상에서는 대기 중의 불순물 가스에 의해 쉽게 오염되며, 제조 공정 또한 복잡합니다. 그러나 체심 입방 결정 구조는 우수한 연성을 제공하며, 이는 준안정 β 티타늄 합금의 개발로 이어졌습니다. 대표적인 합금으로 Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al이 있습니다. 이 합금은 일반적으로 350°C 이하의 환경에서 압축기 블레이드, 샤프트, 디스크와 같은 고하중 회전 부품에 사용됩니다.

알파-베타 티타늄 합금

(α+β) 티타늄 합금은 α 합금과 β 합금의 장점을 모두 갖추고 있습니다. 이 합금은 내열성과 연성이 우수하며, 열처리를 통해 강도를 높일 수 있고, 제조 과정도 비교적 간단합니다. Ti-6Al-4V는 이 계열에서 가장 널리 사용되는 합금입니다. 이 합금은 400°C 미만의 고온에서 강도가 요구되는 엔진 부품과, 로켓 및 미사일에서 저온 환경에서 사용되는 액체 수소 연료 탱크 부품에 적합합니다.

티타늄 합금으로 제작된 자동차 엔진용 터보차저와 정밀 단조된 항공기 엔진 블레이드가 대표적인 부품입니다.

대표적인 조성, 특성 및 용도