합금 원소는 티타늄 합금의 특성에 어떤 영향을 미치나요?

티타늄에는 두 가지 동소체가 있습니다. 밀집 육방정계 구조의 알파 티타늄은 882°C 이하에서 안정적이며, 체심 입방정계 구조의 베타 티타늄은 882°C 이상에서 안정적입니다. 티타늄의 밀도는 4.51 g/cm³이며, 약 550~600°C까지 높은 비강도를 유지하고, 안정된 산화막과 질화막을 통해 부식에 저항하며, 액체 질소 온도에서도 유용한 강도, 연성 및 인성을 유지합니다. 열전도율은 철의 약 1/4 수준이며, 탄성 계수는 철의 약 54%에 해당한다.

티타늄 합금화의 목적

합금화는 알파 상과 베타 상의 조성, 안정성 및 특성을 조절합니다. 전자 농도가 4 미만인 원소는 알파 상을 안정화시키는 경향이 있고, 4 이상인 원소는 베타 상을 안정화시키며, 4에 가까운 원소는 두 상 모두를 안정화시킬 수 있습니다. 주요 첨가 원소로는 Al, Sn, Zr, V, Mo, Mn, Fe, Cr, Cu 및 Si 등이 있습니다.

• 알파 안정제, 예를 들어 Al과 같은 원소는 전이 온도를 높이고 알파 영역을 확장시킨다.
• 베타 안정제, 예를 들어 Mo와 같은 원소는 변형 온도를 낮추고 베타 영역을 확장시킵니다.
• 중성 원소 변태 온도에 거의 영향을 미치지 않으며, 두 상 모두에 상당히 잘 용해된다.

4가지 대표적인 이원계 유형

1. 페리텍토이드 및 복합체 형성 시스템: Ti-Al, Ti-Sn, Ti-Ga, Ti-B, Ti-C, Ti-N 및 Ti-O. Ti-Al, Ti-Sn 및 Ti-Ga의 광범위한 알파 상 고체용해 영역은 내열 합금에 있어 중요한 역할을 한다.
2. 지속적인 베타 용해도 및 제한적인 알파 용해도: Ti-V, Ti-Nb, Ti-Ta 및 Ti-Mo. 이러한 체심 입방 구조 원소들은 베타 상을 안정화시킵니다. 임계 농도에 도달하면 급속 냉각을 통해 실온까지 베타 상을 완전히 유지할 수 있습니다.
3. 유텍토이드 계: Ti-Cr, Ti-Mn, Ti-Fe, Ti-Co, Ti-Ni, Ti-Cu, Ti-Si, Ti-Bi 및 Ti-W. Cu, Si 및 H는 활성 유토크토이드 베타 안정제이며, 시효 경화를 유도할 수 있다; Fe, Mn 및 Cr은 변태 속도가 충분히 느려, 일반 냉각 후에도 알파-베타 구조가 유지될 수 있다.
4. 연속 알파 및 베타 고체 용액: Ti-Zr 및 Ti-Hf. Zr은 알파를 강화하는 효과가 있어 널리 사용되며, Hf는 밀도가 높고 희귀하여 실용성이 떨어집니다.

따라서 효과적인 합금 설계란, 요구되는 상 균형, 기계적 특성 및 가공 응답을 얻기 위해 원소 종류와 첨가물을 선택하는 것을 의미한다.