합금 원소는 티타늄 합금을 어떻게 강화하는가?

티타늄 합금은 고체 용해 거동, 상 안정성, 석출 및 열처리 반응을 변화시키는 선별된 첨가 원소에 의해 강도가 향상됩니다. 알루미늄은 주로 α 상을 강화하며, 바나듐과 몰리브덴은 β 티타늄을 안정화하고 강화하는 반면, 주석과 지르코늄은 내열 합금의 성능을 향상시킵니다. 다음 섹션에서는 이러한 효과를 망간, 크롬, 실리콘, 구리 및 희토류 원소의 효과와 비교합니다.

알루미늄

상업용 순수 티타늄을 제외한 거의 모든 티타늄 합금에는 주로 용체 강화 효과를 위해 알루미늄이 함유되어 있습니다. 질량 기준으로 알루미늄 1%를 첨가할 때마다 실온 인장 강도가 약 50 MPa 증가합니다. 티타늄 내 알루미늄의 용해도는 7.5%로 제한됩니다. 이 한계를 초과하면, 정렬된 Ti₃Al (α₂) 형태를 띠게 되어 연성, 인성 및 응력 부식 거동에 부정적인 영향을 미치므로, 알루미늄은 일반적으로 7%로 제한됩니다.

알루미늄은 내산화성을 향상시키고, 밀도를 낮추며, 재결정 온도를 높입니다. 5%를 첨가하면 순수 티타늄의 재결정 온도가 600°C에서 800°C로 상승할 수 있습니다. 이는 티타늄 고체 용액 내의 원자 결합을 강화하여 고온 강도를 향상시킵니다. 열처리 가능한 β 합금에서 약 3%의 알루미늄을 첨가하면 준안정 β 상의 분해로 인해 생성되는 취성화 ω 상을 억제할 수 있습니다. 또한 알루미늄은 α-Ti 내 수소 용해도를 높여, 수소화물 관련 취성화 현상의 발생 가능성을 줄여줍니다.

지르코늄과 주석

주석은 지르코늄과 마찬가지로 중성 원소이며, 연성을 크게 저하시키지 않으면서 α 고체 용액을 효과적으로 강화합니다. 또한 크리프 저항성을 향상시키며, 내열 티타늄 합금에서 중요한 역할을 합니다.

지르코늄은 α-Ti와 β-Ti 모두에 대한 용해도가 높으며, 일반적으로 보강 효과를 높이기 위해 다른 원소와 함께 첨가됩니다. 지르코늄과 주석은 단일 α형 내열 합금이 알루미늄보다 연성 손실을 줄이면서 더 우수한 내열성과 내크리프성을 갖도록 도와주어, 우수한 성형성과 용접성을 뒷받침합니다. 또한 주석은 수소 취성 민감도를 감소시킵니다. 농도가 과도할 경우, 규칙적으로 배열된 Ti₃Sn은 결정 형태를 형성하며, 연성과 열적 안정성을 저하시킵니다.

바나듐과 몰리브덴

바나듐은 β-동형 원소로, β 티타늄에는 무제한으로 용해되며 α 티타늄에도 어느 정도 용해됩니다. 이 원소는 주석보다 더 효과적으로 강도를 높이는 동시에 우수한 연성을 유지하며, 크리프 저항성과 열적 안정성을 향상시킬 수 있습니다.

몰리브덴 또한 β-동형체입니다. 이 원소는 용체 강화 효과를 제공하며, 열간 가공성, 크리프 저항성 및 열적 안정성을 향상시키고, 수소 취성 경향을 감소시킵니다. 바나듐과 몰리브덴은 가장 널리 사용되는 β 상 안정제입니다. 이 원소들은 β 상을 강화시키고, 상변태 온도를 낮추며, 경화성을 높이고, 열처리 반응을 향상시킵니다. 이 두 원소 중 하나를 함유한 티타늄 합금은 유텍토이드 반응을 일으키지 않으며, 우수한 고온 구조적 안정성을 유지합니다. 바나듐만으로는 약 400°C까지만 크리프 저항성을 제공합니다. 몰리브덴은 더 효과적이지만 밀도를 증가시키며, 특히 염화물 용액에서의 틈새 부식 저항성을 포함한 내식성도 향상시킵니다.

망간과 크롬

망간과 크롬은 β 상을 강력하게 강화하고 안정화시키며, 몰리브덴이나 텅스텐보다 밀도가 낮습니다. 이 원소들은 고강도 준안정 β 합금에 널리 사용됩니다. 티타늄과의 느린 유테크토이드 반응은 장기적인 고온 안정성과 크리프 저항성을 저하시킬 수 있습니다. β-동형 원소, 특히 몰리브덴을 첨가하면 이러한 반응을 억제할 수 있다.

구리

일부 구리는 α 상에 용해되고, 일부는 TiCu를 형성한다.₂, 열적 안정성과 고온 강도를 향상시킵니다. 용해도 한계 이상에서는 노화 처리를 통해 분산 강화가 일어나며, 실온 및 고온에서 강도가 상당히 증가할 수 있습니다.

실리콘

실리콘은 고온 강도를 향상시킵니다. 질량 기준으로 약 0.2% 이상일 경우, Ti를 형성합니다.₅Si₃ 지르코늄이 포함되지 않은 합금 및 (Ti₂(Zr)₅Si₃ 지르코늄 함유 합금에서. 이러한 실리사이드 화합물은 크리프 저항성을 향상시키지만 열적 안정성은 저하시킵니다. 실리콘의 높은 유테크토이드 온도(860°C)는 내열성을 뒷받침하므로, 내열 합금에는 최대 α상 용해도를 초과하지 않는 범위 내에서 약 0.25%의 실리콘이 함유되는 경우가 많습니다. 실리콘과 티타늄 원자의 크기가 크게 다르기 때문에, 실리콘은 전위 부위에 분리되어 전위의 이동을 방해한다. 또한 β 상에서의 수소 용해도를 증가시켜 수소 취성 경향을 감소시킨다.

희토류 원소

희토류 원소를 첨가하면 내열성과 열적 안정성이 향상됩니다. 내부 산화 과정을 통해 미세하고 안정적인 희토류 화합물이 형성됩니다._xO_y 분산 강화 효과를 주는 입자들. 이 과정은 매트릭스 내의 산소 농도를 낮추고 주석을 희토류 산화물로 이동시켜, 취성 α 상의 발생을 억제하는 데 기여한다.₂ 침전. 희토류 원소는 또한 β-결정의 성장을 강력하게 억제하고 결정 입자를 미세화하여 전반적인 물성을 향상시킵니다.

티타늄 합금 개발은 고합금 다성분 시스템으로 나아가고 있다. 합금 원소의 첨가는 용체 강화 효과를 제공하고, α 또는 β 상을 안정화시키며, 열처리 반응성을 개선하고, 유해한 영향을 억제하며, 내열성과 내식성을 향상시킨다.