Ti6Al4V 티타늄 합금의 연구 개발 및 응용

Ti6Al4V 합금은 1954년에 처음으로 성공적으로 개발된 등축 마르텐사이트형 2상 합금으로, 현재 전 세계적으로 널리 사용되는 티타늄 합금으로 발전하였습니다. 이 합금은 항공기 부품에 폭넓게 사용되며, 그 피로 성능은 지속적으로 주목받고 있는 연구 분야입니다.

Ti6Al4V 합금은 정제 정도에 따라 일반 Ti6Al4V와 Ti6Al4V(ELI)로 나뉘며, 이들의 화학 성분은 표 1에 나와 있습니다. 해당 합금의 측정된 기계적 특성은 다음과 같습니다. 인장 강도(σb) 896 MPa, 항복 강도(σs) 869 MPa, 탄성 계수(E) 110 GPa, 전단 탄성 계수(G) 42.7 GPa, 밀도(ρ) 4.43 g/cm³. 현재 Ti6Al4V는 전체 티타늄 합금 생산량의 50%, 가공된 티타늄 합금 제품의 95%를 차지하고 있습니다. 이 합금이 개발된 이후 관련 연구는 끊임없이 진행되었으며, 오랜 연구를 통해 가공 기술이 상당히 성숙한 수준에 도달했습니다.

그러나 최근에는 설계 개념이 변화하면서 단순한 정적 강도 설계에서 손상 안전 설계 개념과 손상 허용 설계 기준으로 전환되었고, 새로운 응용 분야가 개척되면서 Ti6Al4V에 대한 연구가 다시 활발해졌습니다. 현재는 미세 조직, 결정 방향, 열처리 방법, 단면 크기, 하중 방향, 응력 비, 표면 상태 및 부식 환경 등이 합금의 피로 성능에 미치는 영향과 그 메커니즘에 대한 광범위한 연구가 이루어지고 있습니다. 이러한 연구를 통해 Ti6Al4V는 새로운 응용 소재로 다시 한 번 주목받고 있습니다.

표 1: Ti6Al4V 합금 및 Ti6Al4V(ELI) 합금의 화학 성분 (질량 백분율, %)

1. 산업에서의 β 열처리 적용

항공 산업의 효율성 향상과 비용 절감에 대한 요구가 증가함에 따라 항공 소재의 밀도를 낮추고 성능을 향상시키는 것이 점점 더 중요해지고 있습니다. 소재의 밀도를 줄이면 항공기의 추력 대 중량비를 향상시켜 비행 거리를 늘리고 연료 비용을 절감할 수 있습니다. 항공기 구조 부품의 경량화 방법 중 하나는 높은 비강도와 우수한 종합 성능을 제공하는 α+β형 티타늄 합금을 사용하는 것입니다. 이를 통해 중량을 10% 이상 줄일 수 있습니다.

동시에, 부품의 설계 수명과 손상 허용 한계를 보장하기 위해서는 소재가 우수한 파괴 인성과 균열 확산 저항성을 갖추어야 합니다. 다른 고강도 공학 소재와 비교할 때, 티타늄 합금은 탄성 계수가 낮기 때문에 강도를 기준으로 설계된 부품보다 강성을 기준으로 설계된 구조 부품이 더 크고 무거워지는 경향이 있습니다. 따라서 α+β형 티타늄 합금의 종합 성능을 더욱 향상시키는 것은 연구자들의 지속적인 관심사입니다.

티타늄 합금의 일반적인 단조 온도는 상변태점보다 40~50°C 낮은 온도에서 수행되며, 이 온도에서 가열 및 변형을 통해 등축 결정 조직이 형성됩니다. 이러한 조직은 상온에서의 강도, 연성 및 열 안정성이 우수하지만, 고온 성능, 파괴 인성 및 균열 확산 저항성은 상대적으로 떨어집니다. 반면, 상변태점 이상의 온도에서 수행되는 β 단조는 **망상 구조(바스켓위브 조직)**를 형성하는데, 이는 고온 크리프 성능, 내구성, 파괴 인성 및 균열 확산 저항성을 향상시키는 반면, 연성 및 열 안정성은 크게 감소합니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 연구자들은 상변태 이론, 변형 열처리 이론 및 강인화 이론을 결합하고 컴퓨터 수치 시뮬레이션을 활용한 단조 기술을 적용해 **근β 단조 이론(Near-β Forging Theory)**을 제안했습니다. 이 이론에 따르면, 상변태점보다 45~75°C 낮은 온도에서 가열 및 변형을 수행하면 등축 α + 층상 α + β 변태 기지의 삼상 조직이 형성됩니다. 이러한 조직은 연성 및 열 안정성을 저하시키지 않으면서, 항복 강도, 고온 크리프 성능, 저사이클 피로 수명, 파괴 인성 및 균열 확산 저항성을 효과적으로 향상시킬 수 있으며, 사용 온도 범위 또한 증가시킵니다.

문헌에 따르면, β 변태 온도보다 45~75°C 낮은 온도에서 단조를 수행했을 때, 상온에서의 인장 강도와 연신율은 GJB391-87 표준의 요구 사항을 완전히 충족한다고 보고되었습니다. 이는 가열 온도와 β 변태 온도 사이의 충분한 온도 차이로 인해 단조 과정 중 변형에 따른 온도 상승이 β 변태 온도를 초과하지 않기 때문입니다. 결과적으로 변형은 이상(二相) 영역에서만 이루어지며, 약 70%의 가공률이 보장됩니다. 최종 단조 제품은 열처리 후 초생 α + β 등축 결정 조직을 갖는 것으로 확인되었습니다.

2. 조직과 섬유조직이 성능에 미치는 영향 연구

변형의 방향성은 **섬유조직(텍스처)**을 형성하게 됩니다. 판재의 조직이 모든 방향에서 균일하게 분포하면 변형 시 각 방향의 변형률이 비슷해져 약한 부분이 쉽게 발생하지 않습니다. 상온에서 Ti6Al4V 합금의 α상 비율은 85% 이상에 달합니다. 특히 α상의 **밀집 육방격자 구조(HCP)**의 섬유조직 방향이 판재 표면에 대해 수직이거나 거의 수직일 때, 두께 방향의 섬유조직 밀도가 가장 높아지며 강도가 극대화됩니다. 이로 인해 심층 인발 성형(Deep Drawing) 중 파손이 발생하기 어렵습니다.

Ti6Al4V 합금은 **6%의 α 안정화 원소(Al)**과 **4%의 β 안정화 원소(V)**를 함유하고 있어 우수한 종합 성능을 자랑하며, 항공 산업에서 광범위하게 활용되고 있습니다. 이 합금은 봉재, 단조품, 판재, 형재, 선재 등 다양한 형태의 반제품으로 제공됩니다.

조직과 섬유조직의 차이에 따른 기계적 성능의 영향

다양한 조직과 섬유조직은 각기 다른 기계적 성능을 나타냅니다.

• 고밀도 섬유조직: 높은 강도를 제공합니다.

• 저밀도 섬유조직: 낮은 강도를 나타냅니다.

적절한 변형 공정을 통해 소재의 섬유조직을 유리한 형태로 조절하여 추가 변형을 쉽게 할 수 있습니다. 판재의 경우, 섬유조직이 판재 표면에 대해 수직 또는 거의 수직인 경우 두께 방향의 강도가 강화되며, 세로 및 가로 방향의 성능이 균일해집니다. 이때 강도는 다소 낮아지지만, 냉간 가공 및 프레스 성형성이 뛰어납니다.

문헌 연구에 따르면, 압연 공정을 통해 다양한 조직과 섬유조직을 형성할 수 있으며, 각기 다른 성능 특성을 나타냅니다.

미세조직이 성능에 미치는 영향

Ti6Al4V 합금은 주로 일반 어닐링 상태에서 사용되며, 퀜칭 및 시효 처리 상태에서도 사용됩니다. 이처럼 다른 상태에서는 미세조직이 성능에 미치는 영향이 상당히 다르게 나타납니다.

• 일반 어닐링 상태

• 매끄러운 표면의 피로 및 노치 피로 모두에서 판상 조직은 이중 조직보다 높은 피로 한계를 나타냅니다.

• 그러나 고응력 영역에서는 이중 조직이 판상 조직보다 우수한 피로 성능을 보입니다.

• 퀜칭 및 시효 처리 상태

퀜칭 및 시효 처리 상태에서의 피로 성능은 다음과 같은 순서로 감소합니다.

이중 조직 > 미세 등축 결정 조직 > 미세 판상 조직 > 거친 등축 결정 조직 > 거친 판상 조직

또한 거시적 결정립 크기가 현저히 다른 경우, 미세조직의 유형이 동일하더라도 합금의 피로 성능에 큰 차이가 발생할 수 있습니다. 따라서 단조품의 미세조직과 결정립 크기를 효과적으로 제어하는 것이 성능 최적화를 위해 매우 중요합니다.

3. Ti6Al4V의 원재료에 대한 용해 방법 및 단조가 미세조직과 성능에 미치는 영향

Ti6Al4V 합금은 우수한 상온 강도와 고온 내열성을 갖추고 있어, 항공기 외피, 압축기 디스크 및 블레이드, 항공우주 엔진의 연료 저장 탱크 등 복잡한 하중을 받는 핵심 부품에 널리 사용되고 있습니다. 이러한 부품은 완제품에 대한 요구가 매우 엄격하기 때문에, 용해, 초기 소재 생산, 압연 및 단조를 포함한 모든 제조 공정에서 결함이 없는 혹은 결함이 최소화된 제품을 얻기 위해 철저한 공정 관리가 필요합니다.

특히, 용해 및 초기 소성 단계에서 발생한 결함은 후속 가공에서 제거되기 어려우므로, 단조용 원소재의 미세조직과 성능을 엄격하게 제어하는 것이 매우 중요합니다. 실험을 통해, Ti6Al4V 합금 단조 블록은 3회 진공 아크 재용해(VAR) 공정을 통해 제조하고, 1150℃에서 단조하여 β단조와 교차 압연 변형을 실시하면 우수한 조직을 가진 소재를 얻을 수 있으며, 열처리 후에는 초생 α + β 등축 결정 조직이 형성된다는 것이 확인되었습니다.

또한, 주괴를 α+β 2상 영역에서 다단 단조한 후 판재로 성형하고, 압연 및 풀림 처리를 하면 XJ/BS5154 규격을 만족하는 두꺼운 판재를 생산할 수 있음이 증명되었습니다. 연구에서는 클래딩 적층 압연법을 이용한 Ti6Al4V 광폭 박판 제조 공정이 개발되었으며, 압연 방식, 변형률, 열처리 조건이 박판의 조직 및 성능에 미치는 영향이 분석되었습니다.

3.3m 4단 롤 역회전 압연기를 사용하여,

1. β열처리 후 α+β 영역에서 압연하거나

2. α+β 영역에서 소재를 열간 압연하여 성형하는 두 가지 공정 경로가 적용되며,

이들 공정은 열처리 및 표면 처리 후, Q/BS5508-1999 규격을 충족하는 Ti6Al4V 광폭 박판을 생산할 수 있음을 입증하였습니다. 이러한 공정 제어를 통해, 요구되는 미세조직과 성능을 갖춘 고품질 소재를 확보할 수 있습니다.

4. Ti6Al4V의 등온 단조 및 초소성 가공

Ti6Al4V는 가장 널리 사용되는 α+β형 티타늄 합금으로, 높은 강도와 우수한 연성을 동시에 가지며, 신형 전투기에서는 티타늄 사용 비율이 40%까지 증가하고 있습니다. 이처럼 대량 적용은 엔진 추력 대비 중량비 향상, 비행 속도 및 전투 성능 향상에 중요한 역할을 합니다.

하지만 이 합금은 열가공 시 변형 저항이 크고, 가공 온도가 높으며, 열가공 가능한 온도 범위가 좁아 가공이 어려운 소재에 해당하며, 가격도 매우 고가입니다. 일반 단조에서는 대형 소재밖에 만들 수 없으며, 엔진용 단조 부품의 소재 이용률은 10~20%, 항공기 구조 부품에서는 10% 미만으로 매우 낮아 대량의 재료 낭비가 발생합니다. 결과적으로 소재 비용이 높고 절삭 가공성이 떨어져 제품 단가가 매우 비쌉니다. 또한, 대형 단조품은 금속 조직과 성능 제어가 어려워 품질 변동이 큽니다.

이러한 문제를 해결하기 위한 방법 중 하나는 정밀 단조와 무절삭 또는 소절삭 성형을 실현하는 것입니다.

등온 단조의 역할과 장점

가공 온도 범위가 좁은 문제를 해결하기 위한 효과적인 방법 중 하나가 등온 단조입니다. 등온 단조는 특정 온도에서 초소성 변형이 가능한 성질을 활용한 정밀 단조 기술입니다.

티타늄 합금은 온도가 낮아질수록 변형 저항이 급격히 증가하므로, 일반 단조에서는 표면 저온층의 영향이 커지고,

• 일반 단조의 변형 응력은 390~590MPa,

• 정밀 단조에서는 490~980MPa에 달합니다.

이처럼 높은 응력은 금형에 큰 하중을 유발하고, 국부 과열 및 연화로 인해 금형 수명을 단축시키며, 이는 정밀 금형 단조의 실현을 어렵게 만드는 주요 원인입니다.

반면, 초소성 조건 하에서는 표면 저온층이 존재하지 않고, 윤활제가 금형과 공작물 사이에 존재하여 마찰이 현저히 낮아지므로,

• 일반 단조 시 요구되는 변형 응력은 80~100MPa에 불과하고,

• 복잡한 형상의 단조품도 200MPa 이하에서 성형이 가능하며,

• 이는 정적 하중 상태이므로, 등온 단조는 일반 단조 대비 1/5~1/10의 장비 토닝으로 정밀 성형이 가능합니다.

데드존 문제와 해결 방안

일반 단조에서는 **변형이 거의 일어나지 않는 데드존(Dead Zone)**이 존재하며, 이는 조직 불균일의 주요 원인입니다. 금형의 냉각 효과와 마찰로 인해 표면 저온층이 형성되어, 변형이 거의 일어나지 않고, 조대한 결정립이 남게 됩니다.

이러한 조대 조직의 영향을 줄이기 위해 후공정에서 제거할 수 있도록 여유 치수를 크게 설정하지만, 이는 재료 낭비가 크고 정밀 성형이 어려운 이유 중 하나입니다.

반면, 등온 단조나 열간 금형 단조는 데드존이 거의 발생하지 않기 때문에, 정밀 단조에서는 반드시 등온 단조를 거친 소재를 사용해야 하며, 데드존을 포함한 일반 소재는 사용하기 어렵습니다.

등온 단조의 공정 안정성과 실제 적용 사례

등온 단조는 작업자에 의한 품질 변동을 최소화할 수 있습니다. 작업자는 자동 온도 제어 전기로에서 금형으로 소재를 옮긴 후, 프레스 기계가 설정된 공정 조건에 따라 자동으로 압조 작업을 수행하고, 성형 완료 후 인출만 수동으로 진행됩니다. 공정 전반이 자동화되어 높은 품질 안정성을 확보할 수 있어, 정밀 단조 실현에 매우 적합합니다.

연구에 따르면, 등온 금형 단조로 제조된 Ti6Al4V 중공 고압 전축 단조품은 표면이 매우 매끄럽고, 일반 단조품 대비 중량이 60% 감소, 재료 절감 및 가공량 감소에 큰 효과가 있었으며, 화학 조성, 기계적 성능, 미세조직 모두 기술 조건을 충족하였습니다. 해당 단조품은 여러 대의 엔진에 장착되어 시험 운전이 수행되었고, 총 누적 운전 시간은 1,007시간, 단일 엔진 최장 운전 시간은 249시간에 달했으며, 이상 현상 없이 엔진 설계 요구를 완벽히 충족하였습니다.

또한, 연구진은 비정형 티타늄 합금 쉘의 열성형 금형 및 성형 조건에 대해 연구하였고, 가열 조건 및 성형 속도가 성형 품질에 미치는 영향을 분석하였습니다. Ti6Al4V 압출 튜브 소재를 사용하여 2단계 성형, 성형 온도는 780℃, 1단계 하강 속도는 7mm/s, 2단계는 5mm/s로 설정하여, 요구 성능을 충족하는 복잡 형상 쉘 성형에 성공하였습니다.

5. Ti6Al4V의 미세조직 시뮬레이션 및 성능 예측

고온 성형 과정에서는 금속이 동적 및 정적 재결정을 거쳐 새로운 결정립을 생성하게 되며, 이러한 미세조직의 변화는 제품의 거시적 기계적 성능에 큰 영향을 미칩니다. 열간 가공 중 결정립 크기를 제어하고 미세조직을 세분화하는 것은 재료의 성능을 향상시키는 데 중요한 수단입니다.

연구에 따르면, 재결정 후 결정립의 크기 및 재결정률은 초기 결정립 크기와 미량 원소의 함량뿐만 아니라, 변형 및 냉각 과정 중의 온도, 변형량, 변형 속도에 의해 크게 영향을 받습니다.

최근 **유한요소법(FEM)**은 열간 성형 공정 시뮬레이션에서 괄목할 만한 진전을 이루었으며, 다양한 변형 파라미터의 분포를 비교적 정확하게 예측할 수 있게 되었습니다. 이를 통해 열간 성형 중 미세조직 변화를 연구할 수 있는 강력한 분석 도구가 마련되었습니다.

현재는 단순한 변형 해석을 넘어서, 금속의 미세조직 변화를 예측하고, 나아가 최종 제품의 기계적 성능(항복강도, 인장강도, 연신율, 경도 등)을 예측하는 모델 개발이 금속 가공 분야의 핵심 연구 과제가 되었으며, 이는 생산 기술의 발전과 제품 품질 향상에 크게 기여할 것입니다.

또한, 정량 금속조직 분석 기술을 활용해 Ti6Al4V 합금의 고온 변형 중 미세조직 변화 과정을 분석하고, 이를 바탕으로 퍼지 집합 이론(fuzzy set theory) 중 **퍼지 동적 선형 모델(FDLM)**을 적용하여 고온 변형 시 미세조직 변화를 설명하는 방법을 제안하였습니다.

예측 모델을 구축하기 위해 고온에서 Ti6Al4V 합금이 변형될 때 α상 체적 분율 및 입자 크기 등의 미세조직 특성과, 가공 조건(변형 온도, 변형량, 변형 속도) 간의 관계 데이터를 기반으로 하여 선형 회귀 분석을 수행하였고, 이로부터 미세조직 변화 예측 모델을 도출하였습니다.

샘플 및 시험 데이터와 예측 모델 결과를 비교한 결과, 해당 모델이 신뢰할 수 있고 정확한 예측 능력을 갖추고 있음이 입증되었습니다.

6. Ti6Al4V의 응용 분야 개발

과학 기술의 발전에 따라, 우수한 기계적 성능, 내식성, 생체 적합성, 그리고 인체 뼈와 유사한 탄성 계수를 지닌 티타늄 및 티타늄 합금은 점차 많은 주목을 받고 있으며, 인체 이식용 소재로 널리 사용되고 있습니다.

인체 이식 분야에서의 티타늄 활용은 1950년대에 시작되었으며, 초기에는 Ti6Al4V 합금이 주된 이식 소재로 사용되었습니다. 오늘날에도 Ti6Al4V 합금은 의료용 이식 분야에서 핵심적인 위치를 차지하고 있습니다.

또한, 티타늄 합금은 자동차 산업에서도 그 매력적인 특성으로 인해 다양한 분야에 응용되고 있습니다. 특히 레이싱카 및 고성능 스포츠카에서는 Ti6Al4V 합금으로 제작된 밸브 시트 링이 연간 25만 개 이상 생산되고 있으며, 이는 강철 부품에 비해 부품당 약 10~12g의 경량화를 실현하여 자동차의 성능 향상 및 연비 개선에 크게 기여하고 있습니다.