α+β티타늄합금
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α+β티타늄합금
α+β 티타늄 합금은 α형과 β형 사이의 티타늄 합금으로, α상을 안정화시키는 원소(알루미늄, 주석 등)와 β상을 안정화시키는 원소(몰리브덴, 바나듐, 크롬, 철, 망간 등)를 모두 포함합니다. 이 합금의 미세구조는 열처리를 통해 조절이 가능하여 α형 합금의 우수한 내식성과 열안정성과 β형 합금의 높은 강도와 우수한 가공성을 모두 갖출 수 있다.
열처리 후 강도는 어닐링 상태보다 약 50%~100% 더 높고 고온 강도가 높으며 400~500℃에서 장시간 작업할 수 있으며 열 안정성은 α티타늄 합금에 이어 두 번째로 높습니다.
α+β 티타늄 합금의 특성으로 인해 항공우주, 조선, 화학 산업, 의료, 스포츠 장비 및 기타 분야에서 널리 사용됩니다. 주요 특징은 다음과 같습니다.
• 더 높은 비강도(강도/밀도 비율)
• 우수한 피로 저항성
• 우수한 가소성 및 가공성
• 열처리를 통한 특성 조절
• 특히 해수 및 산성 환경에서 우수한 내식성
• 용접성이 좋음
• 비교적 낮은 파괴인성(순수 베타 합금과 비교)
• 고온 환경에서도 여전히 좋은 강도를 유지할 수 있음(단, α 합금보다 낮음)
대표적인 성분
α+β 티타늄 합금의 합금 원소는 주로 다음과 같습니다.
• α상 안정화 원소 : Al(알루미늄), Sn(주석)
• β상 안정화 원소 : Mo(몰리브덴), V(바나듐), Cr(크롬), Fe(철), Mn(망간), Zr(지르코늄) 등
열처리 및 미세구조
α+β 티타늄 합금의 특성은 주로 다음과 같은 다양한 열처리 방법을 통해 조절될 수 있습니다.
1. 솔루션 트리트먼트 + 에이징 트리트먼트
• 합금의 강도를 향상시킵니다.
• β상의 분산 및 침전을 촉진하고 인성을 향상시킨다.
2. 어닐링
• 가공 스트레스를 해소하고 가소성을 향상시킵니다.
• 산화 및 크립 저항성 향상
3. 더블 어닐링
• 피로 성능을 개선하기 위해 다양한 온도 단계를 통해 미세 구조를 조정합니다.
미세구조 : 일반적으로 α+β 2상 구조를 나타내며, 여기서 α상은 대개 등축 구조이고 β상은 α상 주위 또는 네트워크 구조로 분포합니다. α/β상의 비율과 형태는 열처리를 통해 조작되어 기계적 성질을 최적화할 수 있습니다.
기계적 성질
α+β 티타늄 합금의 기계적 특성은 열처리 방법에 따라 다릅니다. 다음은 Ti-6Al-4V의 일반적인 기계적 특성입니다.
기계적 성질 | 숫자 |
밀도(g/cm³) | 4.4 5 |
인장강도(MPa) | 900-1100 |
항복강도(MPa) | 830-980 |
신장률(%) | 10-14 |
탄성계수(GPa) | 110~120 |
경도(HRC) | 30-38 |
적용 분야
α+β 티타늄 합금은 다음 분야에 널리 사용됩니다.
• 항공우주 : 항공기 동체 구조, 엔진 구성 요소(예: 터빈 블레이드, 팬 디스크)
• 조선산업 : 잠수함 압력선체, 프로펠러 샤프트
• 자동차 산업 : 경주 및 고성능 자동차용 커넥팅로드 및 서스펜션 시스템
• 의료기기 : 인공관절, 정형외과용 임플란트
• 스포츠용품 : 골프채, 자전거 거치대
• 화학 장비 : 내식성 열교환기, 펌프 및 밸브
일반적인 합금 소개
1. Ti-6Al-4V(TC4)
• 가장 흔한 α+β 티타늄 합금
• 강도, 가소성, 내식성 및 용접성이 우수합니다.
• 항공우주, 의료장비, 화학산업 등에서 널리 사용됩니다.
2. 티-6알루미늄-6V-2Sn
• 높은 하중 환경에 대한 더 높은 강도
• 그러나 가소성이 다소 부족하여 지나치게 복잡한 가공에는 적합하지 않음
3. 티-6알루미늄-2Sn-4Zr-6Mo
• 더 나은 고온 강도 및 크립 저항성
• 항공기 엔진 및 고온 환경 부품에 적합
처리 성능
α+β 티타늄 합금의 가공 성능은 비교적 양호하지만, 여전히 다음 사항에 유의해야 합니다.
• 절삭 : 티타늄 합금의 열전도도가 좋지 않아 가공 중에 빌드업 엣지와 공구 마모가 쉽게 발생합니다. 코팅된 카바이드 공구를 사용하고 저속, 고이송 속도의 절삭 매개변수를 채택하는 것이 좋습니다.
• 용접 성능 : 양호, TIG 용접, 전자빔 용접, 레이저 용접 및 기타 공정을 사용할 수 있지만 산화를 방지하기 위해 불활성 가스 보호 환경에서 작동해야 합니다.
• 열간성형 : 열간단조 및 열간압연에 적합하지만 온도는 엄격하게 제어되며 일반적으로 750~950℃에서 수행됩니다.
다른 티타늄 합금과의 비교
분류 | 재료 | 미세조직 특성 | 성능 특성 | |
α 티타늄 합금 | 모든 α 티타늄 합금 | 알루미늄 6% 미만 및 소량의 중성원소 함유 | 어닐링 후 불순물 원소에 의해 생성된 소량의 β상을 제외하고 거의 대부분이 α 상이다. | 낮은 밀도, 우수한 열 강도, 우수한 용접 성능, 낮은 간극 원소 함량, 우수한 초저온 인성 |
알파형 티타늄 합금 | 알루미늄과 소량의 중성 원소 외에도 소량(<4%)의 베타 안정화 원소도 존재합니다. | α 상 외에 소량(부피 기준으로 약 10%)의 β상이 존재합니다. | 열처리 및 강화가 가능하며, 열강도, 열안정성이 좋고 용접성능이 우수합니다. | |
α+ 복합티타늄합금 | 모든 티타늄 합금에 소량의 활성 공석 원소를 첨가 | 어닐링 후에는 많은 양의 α상 외에 소량(부피 기준으로 약 10%)의 B상과 금속간화합물이 존재합니다.일정량의 알루미늄과 다양한 양의 β원소 및 중성원소를 함유 | 석출강화효과가 있으며, 상온 및 고온인장강도, 크립강도를 향상시키고, 용접성능이 양호하다. | |
α+β티타늄합금 | 일정량의 알루미늄과 다양한 양의 β원소 및 중성원소를 함유하고 있습니다 | 소둔 후, a상과 β상의 비율이 다르게 나타난다 | 열처리로 강화할 수 있으며, β-안정화 원소의 증가에 따라 강도와 경화성이 증가합니다. 용접성은 좋지만 일반적으로 냉간 성형 및 냉간 가공 능력이 부족합니다. TC4ELI 합금은 가공 후 초저온 인성이 우수하고 손상 내구성이 좋습니다. | |
β 티타늄 합금 | 열안정성 베타 티타늄 합금 | 베타 열안정 원소를 다량 함유하고 있으며, 때로는 기타 원소도 소량 함유하고 있습니다. | 소둔 후 모두 β상이다 | 낮은 실온 강도, 강력한 냉간 성형 및 냉간 가공 기능, 환원 매체에서의 우수한 내식성, 우수한 열 안정성 및 용접성 |
준안정 β 티타늄 합금 | 임계농도 이상에서 β-안정원소, 소량의 알루미늄(3% 이하) 및 중성원소 함유 | β상 영역에서 용액 처리(물 담금질 또는 공랭)를 거친 후 거의 대부분이 준안정 β상이다. 시효 중 β상에 α 상이 석출되고, 시효 후 β상과 α 상이 형성된다. | 용액 처리 후, 상온 강도가 낮고, 냉간 성형 및 냉간 가공 능력이 강하고, 용접성이 좋다. 시효 후, 상온 강도가 높고, 고항복 강도에서 높은 파괴 인성을 갖는다. 350℃ 이상에서 열 안정성이 나쁘고, 경화성이 좋다. | |
근 -β 티타늄 합금 | 임계농도 부근에 β안정화원소를 함유하고 있으며, 중심원소 및 알루미늄이 일정량 함유되어 있음 | β상 영역에서 용액 처리를 한 후에는 많은 양의 준안정 β 상과 소량의 다른 준안정 상이 존재합니다. 노화 후에는 β상, α 상이 된다 | 준안정 β 티타늄 합금의 특성 외에도 β상 영역은 고용 처리 후 항복 강도가 낮고 신장률이 높습니다. ( α +β)상 영역 고용처리, WQ 또는 AC는 시효처리 후 고강도 상태에서 파괴인성 및 가소성이 양호하다; ( α +β)상 영역 고용처리, FC는 중강도 상태에서 높은 파괴인성 및 가소성을 얻을 수 있다 | |