항공우주용 티타늄 합금 체결재에 대한 개요

체결재는 중요한 범용 기본 부품으로서 산업에서 매우 중요한 역할을 하며, ‘산업의 쌀’이라고 불립니다.

체결재는 종류에 따라 볼트, 나사, 스터드, 너트, 목재 나사, 자기 탭핑 나사, 와셔, 리벳, 핀, 스냅링, 결합 세트, 조립형 체결재 등 13가지 주요 유형으로 나눌 수 있습니다. 또한 사용 분야에 따라 일반용 체결재와 항공우주용 체결재로 분류됩니다. 항공 분야에서는 기계적 결합 방식이 여전히 주된 연결 방식이며, 항공기의 조립은 다양한 종류의 체결재에 의존합니다. 우주 항공기에서도 각 부위 간 연결은 체결재를 통해 이루어집니다.

장비의 경량화가 진행됨에 따라 항공우주용 체결재는 티타늄 합금 소재를 점점 더 선호하고 있습니다. 국제적으로 티타늄 합금 체결재의 사용은 1950년대로 거슬러 올라가며, 미국은 B-52 폭격기에 Ti-6Al-4V 합금 볼트를 처음 적용해 큰 경량화 효과를 얻었습니다. 이로 인해 항공우주 분야에서 티타늄 합금 체결재의 활용이 시작되었습니다. 현재 미국, 프랑스 등 선진국에서는 티타늄 합금 체결재의 95% 이상이 국제적으로 공인된 Ti-6Al-4V 소재로 제조되고 있으며, 일부 첨단 기종에서는 기존의 30CrMnSiA 강을 완전히 대체하고 있습니다.

예를 들어, 미국의 C-5A 군용 수송기는 티타늄 합금 체결재 사용으로 약 4,500kg의 중량을 줄였으며, 민간 항공기인 보잉 747도 강재 체결재를 티타늄으로 대체하여 약 1,814kg의 경량화를 달성했습니다. 러시아 또한 Il-76, Il-86, Il-96, Tu-204, An-72, An-124 등의 기종에 티타늄 합금 체결재와 합금 시스템을 적용하여 항공기의 중량을 효과적으로 줄였습니다. 예를 들어 Il-76 항공기에는 약 14만 2천 개의 티타늄 합금 체결재가 사용되며, 약 600kg의 무게 절감이 가능했습니다.

중국에서의 티타늄 합금 체결재 개발은 1965년부터 시작되었습니다. 1970년대에는 관련 기관들이 티타늄 합금 리벳과 그 응용에 대한 연구를 진행하였고, 1980년대에는 일부 2세대 군용기에서 소량의 티타늄 합금 리벳과 볼트가 사용되기 시작했습니다. 1990년대 후반에는 국제 3세대 전투기의 생산라인 도입과 국산 3세대 전투기의 개발과 함께 일부 티타늄 합금 체결재가 채택되기 시작했습니다. 최근 들어 중국 항공우주 산업의 빠른 발전에 힘입어 각 기관들은 체결재용 티타늄 합금 소재와 제조 공정 기술 개발을 본격적으로 추진하고 있으며, 티타늄 합금 체결재는 항공우주 분야에서 대량으로 사용되고 있습니다. 민간 항공기에서도 그 사용량은 상당히 많습니다. 자료에 따르면, 국산 C919 항공기 한 대에는 약 20만 개의 티타늄 합금 체결재가 필요하며, 2018년 연간 150대 대형 항공기 생산 계획을 기준으로 연간 약 3천만 개의 티타늄 합금 체결재가 요구됩니다.

1. 티타늄 합금 체결재의 장점

아래 표는 체결재용 티타늄 합금과 강철 재료의 성능을 비교한 것입니다. 티타늄 합금은 체결재에 적용할 때 다음과 같은 장점이 있습니다.

1. 밀도가 낮다

티타늄 합금의 밀도는 강철 재료보다 훨씬 작기 때문에, 티타늄 합금 체결재는 강철 체결재보다 훨씬 가볍습니다.

2. 비강도가 높다

티타늄 합금은 일반 금속 재료 중에서도 비강도(강도 대비 밀도 비율)가 높은 재료입니다. 이 특성을 활용하면 알루미늄 합금처럼 가벼운 재료보다도 티타늄을 선택할 수 있으며, 같은 하중 조건에서도 티타늄 합금 부품은 더 작은 형상으로 설계할 수 있어 공간 절약에 유리합니다. 이러한 재료 활용 개념은 항공우주 분야에서 매우 중요합니다.

3. 높은 융점

티타늄 합금의 융점은 강철보다 훨씬 높아, 고온 환경에서의 내열성이 뛰어납니다.

4. 열팽창 계수와 탄성계수가 작다

열에 의한 팽창이 작고, 탄성계수도 낮아 열적 안정성이 우수합니다.

5. 비자성

티타늄 합금은 자기 투과율이 매우 낮아 사실상 자성을 띠지 않기 때문에, 티타늄 체결재는 비자성 특성을 가지고 있으며, 전자기 간섭을 효과적으로 방지할 수 있습니다. 오스테나이트계 스테인리스강도 비자성이지만, 냉간 가공 후에는 자성을 띨 수 있습니다. 반면, 티타늄 합금은 열가공이나 냉가공 모두 자성에 영향을 주지 않아 항공전자장비(Avionics)에 적합합니다.

6. 높은 항복강도 대비 인장강도 비율 (항복비)

인장 하중을 받는 체결재는 항복강도가 설계에서 가장 중요한 기준이며, 항복 변형이 발생하면 체결 기능을 상실하기 때문입니다. 티타늄 합금은 강철보다 항복강도와 인장강도 간 차이가 적어 항복비가 높고, 그만큼 체결재의 안정성과 신뢰성이 높습니다.

7. 탄소섬유 복합재료와 전위 상성이 뛰어나다

티타늄 합금이 체결재로 대량 사용되는 가장 중요한 이유 중 하나는, 티타늄의 전극 전위가 탄소섬유 복합재와 잘 맞아 갈바닉 부식(이종금속간 전기화학적 부식)을 방지할 수 있기 때문입니다.

8. 기타 장점

이외에도 티타늄 합금은 우수한 내식성, 높은 크리프 저항성 등 다양한 장점을 가지고 있습니다.

체결재용 재료 특성 비교

2. 체결재용 티타늄 합금 소재 및 성능 개요

체결재에 사용되는 티타늄 합금은 그 제조 공정과 사용 용도와 밀접한 관련이 있습니다.

한편으로, 티타늄 합금 체결재의 제조 공정은 다음 세 단계로 나뉩니다.

첫째, 소성가공(예: 헤딩, 축경, 나사 전조 등),

둘째, 표면 강화(예: 볼트 지지면과 축의 전이부 강화 등),

셋째, 기계가공(예: 선반, 밀링, 연삭 등)입니다.

다른 한편으로, 체결재의 용도에 따라 요구되는 소재 성능이 달라지기 때문에, 용도에 따라 서로 다른 티타늄 합금이 사용됩니다. 예를 들어 리벳은 장착 과정에서 한쪽 또는 양쪽을 두들겨서 변형시키는 과정이 필요하므로, 재료에 **높은 연성(가공성)**이 요구됩니다. 반면 볼트는 일반적으로 높은 강도가 요구되며, 이는 고강도 합금강인 30CrMnSiA에 필적하는 수준으로, 일반적으로 고강도 티타늄 합금이 사용됩니다.

이러한 제조 공정과 용도 요구를 고려할 때, 체결재용 티타늄 합금은 크게 세 가지로 분류됩니다:

상업용 순티타늄(Commercially Pure Titanium), α+β형 합금, 그리고 β형 합금입니다.

표 2를 참고하면, 상업용 순티타늄에는 Grade 1과 Grade 2가 해당됩니다.

α+β형 합금에는 Ti-6Al-4V, Ti-6Al-1.5Cr-2.5Mo-0.5Fe-0.3Si, Ti-662 등이 포함됩니다.

β형 합금은 주로 준안정 β형(메타안정 β형) 합금이 사용되는데, 이들은 일반적으로 몰리브덴 환산(Mo-eq)이 10% 내외입니다.

Mo-eq가 10% 미만인 근 β형 합금은 열처리에 의한 강화 효과가 부족하고, 10%를 초과하는 안정 β형 합금은 β상이 너무 안정되어 시효 처리 시 분해가 어렵기 때문에, 준안정 β형 티타늄 합금이 가장 효과적인 강화 특성을 보여줍니다.

또한, 준안정 β형 티타늄 합금은 우수한 냉간 가공성을 지녀 **냉간 헤딩(cold heading)**이 가능하며, 고온 가열 설비나 보호 가스를 사용하지 않아도 되어 생산성이 높고, 소재 활용률이 우수하며, 성형 후 치수 정밀도와 표면 품질도 뛰어납니다.

반면, α+β형 합금 체결재는 열간 헤딩만 가능하며, 전용 가열 장비와 보호가스가 필요하고, 생산성 및 소재 활용률이 낮으며, 가열 온도 불균일 등의 문제가 발생하기 쉽습니다.

표 2. 체결재용 티타늄 합금 등급

표 3. 리벳용 티타늄 합금의 기계적 성질

※ Rm = 인장 강도, A = 연신율, Ψ = 단면 수축률, τ = 전단 강도

표 4. 볼트용 티타늄 합금의 (고용+시효 처리) 기계적 성질

※ Rm = 인장 강도, Rp0.2 = 항복 강도, A = 연신율, Ψ = 단면 수축률, τ = 전단 강도

3. 체결 부품용 주요 티타늄 합금 재료

Ti-6Al-4V 티타늄 합금

Ti-6Al-4V는 중간 강도의 α+β 이중상 티타늄 합금으로, 가장 널리 연구되고 사용되는 티타늄 합금 중 하나입니다. 체결 부품에 사용되는 티타늄 합금 대부분은 Ti-6Al-4V입니다. 이 합금은 오직 열간 압조 방식으로만 성형할 수 있으며, 특수한 열간 성형 장비와 가열 장비가 필요하므로 생산 효율이 낮고 소재 활용률도 떨어집니다.

고강도 체결 부품 용도로는 강도가 부족하며, 고용처리 및 시효처리 후 인장 강도는 최대 1100MPa, 전단 강도는 약 650MPa에 불과합니다. 또한 담금질성이 좋지 않아 단면 크기는 일반적으로 19mm 이하로 제한됩니다.

Ti-6Al-4V는 볼트, 고정락 볼트, 블라인드 리벳, 나사, 링그루브 리벳 등 다양한 체결 부품에 사용되며, 현재 국내 항공기, 엔진, 항공 전자 장비, 우주선 및 위성 등에서 광범위하게 채택되고 있습니다.

Ti-6Al-2.5Mo-1.5Cr-0.5Fe-0.3Si 티타늄 합금

이 합금은 우수한 종합 성능을 지닌 마르텐사이트형 α+β 이중상 티타늄 합금입니다. 일반적으로 풀림(annealing) 상태로 사용되며, 열처리를 통해 강화할 수도 있습니다. 또한 산화 저항성이 뛰어납니다.

Ti-3Al-5Mo-4.5V 티타늄 합금

Ti-3Al-5Mo-4.5V는 전형적인 고용-시효 강화형 이중상 티타늄 합금입니다. 고용 처리 후 상온에서 연성이 우수하며, 냉간 압조 성형성이 뛰어나고 압조비는 1:4에 달합니다.

냉간 또는 열간 압조 모두 가능하며, 현재 이 합금은 볼트, 나사, 셀프락 너트 등 다양한 체결 부품에 사용됩니다.

Ti-3Al-8Cr-5Mo-5V 티타늄 합금

Ti-3Al-8Cr-5Mo-5V는 준안정형 β 티타늄 합금으로, 고용 상태에서 뛰어난 냉간 성형성과 용접성을 보입니다. 현재 이 합금은 위성의 골판지 구조체, 로켓-위성 결합 밴드, 냉간 압조 리벳, 볼트 등의 제조에 사용되며, 특히 항공우주 분야의 핵심 기종에 대량 채택되고 있습니다.

Ti-10Mo-8V-1Fe-3.5Al 티타늄 합금

Ti-10Mo-8V-1Fe-3.5Al은 열처리 강화가 가능한 준안정형 β 티타늄 합금입니다. 고용 처리 상태에서 뛰어난 냉간 성형성을 가지며, 압조비는 2.8에 달합니다. 고용-시효 처리 후 높은 강도를 확보할 수 있으며, 인장 강도 1100MPa 급의 고강도 항공우주용 체결 부품 제조에 사용됩니다.

Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al 티타늄 합금

이 합금은 준안정형 β 티타늄 합금으로, 순수 티타늄에 필적하는 우수한 냉간 성형성을 가집니다. 고용 처리 후 다양한 체결 부품의 냉간 성형이 가능하며, 시효 후 상온 인장 강도는 1000MPa에 도달합니다. 보잉사는 이 합금을 항공기에 적용하였고, 중국도 전투기 캐노피 프레임 및 위성 구조체에 사용하는 냉간 리벳 제조에 이 합금을 사용하고 있습니다.

Ti-3Al-2.7Nb-15Mo 티타늄 합금

Ti-3Al-2.7Nb-15Mo는 β21S 계열의 준안정형 티타늄 합금입니다. 우수한 냉간/열간 가공성, 양호한 담금질성, 뛰어난 크리프 저항성과 내식성을 겸비하고 있습니다.

이 합금은 높은 융점과 낮은 자기 확산 계수를 가진 동형 β 안정화 원소인 Mo와 Nb를 사용함으로써, 고온 산화 저항성이 매우 우수합니다. Ti-15-3 합금보다 산화 저항성이 100배 이상 뛰어납니다. 현재, 이 합금은 중국 항공 분야의 주요 기종에 사용되는 고강도 볼트에 널리 적용되고 있습니다.

Ti-3Al-2.7Nb-15Mo vs Ti-15V-3Al-3Cr-3Sn 산화 비교

Ti-45Nb 합금

Ti-45Nb는 안정형 β 티타늄 합금으로, 리벳 전용으로 개발된 소재입니다. 초기에는 순수 티타늄이 리벳 소재로 사용되었으나, 강도가 낮아 고하중 부위에서는 사용할 수 없었습니다.

이로 인해 순티타늄과 유사한 성형성을 가지면서도 더 높은 강도를 지닌 합금이 요구되었으며, 일반적인 준안정 β 합금은 성형 저항이 크고 상온 연성이 낮아 적용이 제한되었습니다.

이에 따라 개발된 Ti-45Nb는 상온에서 우수한 연성을 가지며, 연신율 20%, 단면 수축율 60%에 달하고, 냉간 가공성이 매우 뛰어납니다.

순수 티타늄에 비해 인장 강도와 전단 강도가 높아 각각 450MPa, 350MPa에 달합니다.

4. 미래 발전 방향

초고강도 티타늄 합금 체결재

중국 항공우주 산업의 발전에 따라, 신형 항공기 및 우주비행체에 사용되는 접합 기술 수준이 지속적으로 향상되고 있으며, 이에 따라 새로운 형태의 체결재에 대한 요구도 높아지고 있습니다.

향후 인장 강도 1200~1500MPa, 전단 강도 750MPa 이상의 초고강도 티타늄 합금 체결재 개발은 중요한 발전 트렌드 중 하나가 될 것입니다.

고온 내열 티타늄 합금 체결재

현재 체결재에 사용되는 티타늄 합금의 사용 온도는 높지 않습니다(표 5 참조). 그러나 항공우주 분야에서는 비행 속도의 증가에 따라 재료의 사용 온도 요구도 점차 높아지고 있습니다.

이에 따라, 고온에 견딜 수 있는 티타늄 합금 체결재도 중요한 미래 개발 방향이 될 것으로 예상되며, 특히 우주 분야에서는 신형 고온 티타늄 합금이 600~800℃에서 단시간 사용 가능해야 합니다.

보통 Ti₂AlNb 합금이 무거운 고온합금을 대체하는 데 사용되지만, 성형 시 변형이 크고, 기존 티타늄 합금보다 무거워 경량화 요구를 충족하지 못합니다. Ti-Al계 금속간 화합물은 가공성이 좋지 않고 기술 성숙도도 낮기 때문에, 향후 체결재용 고온 티타늄 합금은 근 α형 또는 고 알루미늄 함량의 α+β형 합금이 주류를 이룰 것으로 전망됩니다.

고온 환경에서 티타늄 합금의 강도와 크리프 저항성을 향상시키기 위해서는 Al, Sn, Zr과 같은 고용 강화 원소가 중요합니다.

하지만 알루미늄 당량 제한으로 인해 이들의 함량을 무한정 늘릴 수는 없습니다.

따라서 Al, Sn, Zr의 함량을 적절히 제어하는 한편, 다원소 복합 합금화를 통해 추가적인 강화를 실현하는 것이 효과적인 전략입니다.

β 안정화 원소인 **Mo(몰리브덴)**은 고온 강도 및 크리프 강도에 고용 강화 효과를 제공하며, **Nb(니오븀), Cr(크롬), V(바나듐)**도 유사한 효과가 있습니다. 소량의 β 안정화 원소는 합금의 취성을 억제하는 데도 유리합니다.

또한, Si(실리콘) 함량도 성능에 큰 영향을 미칩니다. 질량비 약 0.2%의 Si를 첨가하면, 타원형 실리사이드가 α판 경계에 불균일하게 석출되어 전위의 이동을 방해하며, 분산 강화 효과를 통해 크리프 저항성을 크게 향상시킵니다.

하지만 실리사이드는 합금의 열 안정성을 저하시켜 연성을 떨어뜨리고, Ti₃Al 상 생성을 촉진하는 등 부정적인 영향도 있기 때문에, 일반적으로 Si 함량은 0.5% 이하로 제한해야 합니다.

따라서, 다원소 복합 강화 설계는 차세대 고온 티타늄 합금 소재 개발의 핵심 방향입니다.

표 6: 주요 체결재용 티타늄 합금의 사용 온도