β 티타늄 합금

β 티타늄 합금

개요

β 티타늄 합금은 β 안정화 원소(Mo, V, Nb, Cr, Fe 등)를 주요 합금 원소로 합니다. β 상 안정성이 높고 특정 조건에서 단일 β 상 구조를 유지할 수 있습니다. 열처리 없이도 높은 강도를 가지고 있습니다. 합금은 담금질 및 시효 후 더욱 강화되며, 실온 강도는 1372~1666MPa에 도달할 수 있습니다. 그러나 열 안정성이 좋지 않고 고온에서 사용하기에 적합하지 않습니다.

• α상 : 티타늄의 α상은 육방밀집격자(HCP 구조)로서 높은 강도, 경도, 우수한 고온 성능 및 내식성을 특징으로 합니다. α 티타늄 합금은 일반적으로 순수 티타늄이나 티타늄 합금의 α상으로 주로 구성되며, 격자 구조로 인해 고온 및 혹독한 환경에서도 우수한 성능을 발휘합니다.

• β상 : 티타늄의 β상은 체심입방격자(BCC구조)로서 가소성은 좋으나, 고온강도는 α상보다 약간 낮다.

β-안정화 원소란 무엇인가요?

β상에 우선적으로 용해되고, 이소트로픽 변환 온도를 낮추고, β상 영역을 확장하는 원소는 β안정화 원소입니다. 티타늄과의 상호 작용 특성에 따라 β 동형 및 B 공석의 두 가지 유형으로 나뉩니다.

(1) β-동형 안정화 원소는 β-티타늄에 무한히 용해되어 있으며, 용질 원소가 증가함에 따라 이소성 변형 온도는 점차 낮아지며, 여기에는 몰리브덴, 바나듐, 탄탈륨, 니오븀이 포함됩니다.

(2) 유사 이형물의 변형 온도를 낮추는 것 외에도 공석안정화원소는 공석변태효과도 가지고 있다. β상은 공융물을 분해하여 α상과 금속간 화합물을 형성합니다. 공석 반응 속도의 차이에 따라 두 가지 유형으로 더 나눌 수 있습니다. 느린 공석 원소(철, 크롬 및 망간)와 활성 공석 원소(구리 및 실리콘)입니다. 공석변태는 매우 빠르며 급냉으로 억제할 수 없으므로 β상은 실온에서 안정화될 수 없습니다.

α 및 α+β 티타늄 합금과 비교하여 β 티타늄 합금은 다음과 같은 중요한 특성을 가지고 있습니다.

• 고강도 및 고인성 : β 티타늄 합금은 좋은 가소성과 인성을 유지하면서 열처리를 통해 높은 강도(1400MPa 이상)를 얻을 수 있습니다.

• 우수한 열간 가공 성능 : β 티타늄 합금은 고온 가소성이 우수하여 열간 단조, 열간 압연, 압출, 인발 등으로 가공이 가능하며 대형이고 복잡한 부품 제조에 적합합니다.

• 우수한 용접 성능 : α 및 α+β 합금과 비교하여 β 티타늄 합금은 용접에 덜 민감하며 레이저 용접, 전자빔 용접, 텅스텐 불활성 가스 용접 등에 적합합니다.

• 높은 경화성 및 열처리 능력 : 용액 경화 및 시효 경화가 가능하여 우수한 기계적 성질을 얻을 수 있습니다.

• 낮은 탄성계수 : 강철 및 α+β 티타늄 합금보다 낮아 생물학적 임플란트 소재, 탄성 부품 및 기타 분야에 적합합니다.

일반적인 β 티타늄 합금 및 그 구성

β 티타늄 합금은 일반적으로 β 안정화 원소를 추가하여 β 상의 안정성을 유지합니다. 일반적인 합금은 다음과 같습니다.

β 티타늄 합금의 미세 조직 및 열처리

β 티타늄 합금은 다양한 열처리 조건에서 다양한 구조와 특성을 얻을 수 있습니다.

(1) 열처리 방법

• 용액처리(ST) :

• 목적 : 가소성 및 경화성 향상

• 온도 : 750~900℃ (합금마다 약간 다름)

• 구조 : 균일한 β상 구조

• 노화 :

• 목적 : 강수 강화를 통한 강도 향상

• 온도 : 450~650℃

• 조직 : β 매트릭스에 2차 α상이 침전되어 강도 향상

• 이중 열처리(DHT )

• 고온 용액 처리를 먼저 한 후 저온 시효 처리를 하여 최상의 종합 성능을 얻습니다.

(2) 대표적인 조직

β 티타늄 합금의 구조는 냉각 속도 및 열처리 조건에 따라 크게 달라지며, 주로 다음과 같습니다.

• 전체 β 구조 : 용액 냉각 후 얻어지며 가소성이 높아 플라스틱 가공에 적합합니다.

• β+α″ 구조 : 급속냉각(물담금질 등) 후 β의 일부가 경도가 높은 마르텐사이트 α″로 변형됩니다.

• β+α+ω 구조 : 시효처리 후 α, ω상이 석출되어 강도가 향상됩니다.