Ti-6Al-4V ELI (Grade 23) 티타늄 합금

Ti-6Al-4V ELI 소개

Ti-6Al-4V ELI (Extra Low Interstitial, 초저간극 원소)는 Ti-6Al-4V (Grade 5)의 개선된 버전으로, α+β 이중상 티타늄 합금입니다. 주요 특징은 일반 Ti-6Al-4V와 비교하여 ELI 등급이 산소, 탄소, 질소, 철 등의 불순물 함량이 낮아져 재료의 인성, 피로 성능 및 균열 저항성이 향상된다는 것입니다. 뛰어난 생체 적합성, 기계적 특성 및 내식성 덕분에 Ti-6Al-4V ELI는 의료, 항공 우주 및 고급 산업 제조 분야에서 널리 사용됩니다.

초저간극 원소 함량 덕분에 일반 Ti-6Al-4V보다 더 우수한 특성을 가지며, 특히 높은 파단 인성과 피로 저항성이 요구되는 응용 분야에 적합합니다.

Ti-6Al-4V ELI의 화학 성분

Ti-6Al-4V ELI의 화학 성분은 ASTM F136, ASTM B348, AMS 4907 등의 규격을 충족하며, 다음과 같습니다(단위: %):

• Ti: 잉여

• Al: 5.5~6.5

• V: 3.5~4.5

• O ≤ 0.13

• C ≤ 0.08

• N ≤ 0.03

• H ≤ 0.0125

• Fe ≤ 0.25

일반 Ti-6Al-4V (Grade 5)와 비교하여 ELI 등급은 산소 함량의 상한이 더 낮습니다 (0.13% vs. 0.20%) 또한 질소, 수소 등의 간극 원소도 엄격히 제어됩니다.

Ti-6Al-4V ELI의 물리적 특성

• 밀도: 4.44 g/cm³

• 융점: 1604-1660°C

• 탄성 계수: 110 GPa

• 열 전도율: 6.6 W/m·K

• 비열 용량: 560 J/kg·K

• 전기 저항률: 1.63×10⁻⁶ Ω·m

저밀도와 고강도의 조합으로 Ti-6Al-4V ELI는 항공 우주 및 의료 임플란트에 이상적인 선택입니다.

Ti-6Al-4V ELI의 기계적 특성

Ti-6Al-4V ELI의 기계적 특성은 일반 Ti-6Al-4V (Grade 5)보다 우수하며, 특히 저온에서의 인성과 피로 성능이 크게 향상되었습니다.

Ti-6Al-4V ELI는 저온에서도 뛰어난 인성을 유지하여 깊은 바다나 항공 우주와 같은 극한 환경에서의 응용에 적합합니다.

Ti-6Al-4V ELI의 주요 특징

1. 고강도, 저밀도

• 강도는 대부분의 강합금보다 높지만 밀도는 강의 약 57%에 불과하여, 가볍고 강한 재료로 적합합니다.

2. 우수한 내식성

• 해수, 산성 환경, 생리액 등에서 뛰어난 내식성을 보이며, 특히 의료 임플란트와 해양 공학에 적합합니다.

3. 뛰어난 생체 적합성

• 낮은 독성, 생리적 부식 저항성, 우수한 조직 적합성 덕분에 Ti-6Al-4V ELI는 정형외과 및 치과 임플란트(인공 관절, 뼈 판, 치과 임플란트 등)에 널리 사용됩니다.

4. 탁월한 인성과 피로 성능

• 산소, 질소, 탄소, 수소 등의 간극 원소 함량이 낮아 Ti-6Al-4V ELI는 저온과 고순환 하중 환경에서 일반 Grade 5보다 더 나은 파단 인성과 피로 저항성을 제공합니다.

5. 우수한 가공성

• 단조, 기계 가공, 3D 프린팅(SLM/EBM) 등 다양한 가공 방법에 적합하며, 다양한 가공 요구 사항을 충족할 수 있습니다.

Ti-6Al-4V ELI의 응용 분야

1. 의료 임플란트

• 정형외과: 인공 관절(엉덩이 관절, 무릎 관절), 뼈 고정 장치, 척추 임플란트

• 치과: 치과 임플란트, 치아 다리, 교정 장치

• 심혈관: 심장 판막 스텐트, 삽입형 의료 기기

• 외과 기기: 수술용 칼, 뼈 톱, 핀셋 등

2. 항공 우주

• 기체 구조 부품, 엔진 부품(예: 로터, 팬 블레이드)

• 우주선 연결 부품, 하중 구조

• 심우주 탐사기, 위성 부품

3. 고급 산업

• 해양 공학: 심해 잠수정 외피, 해저 파이프라인 연결 부품

• 스포츠 장비: 고급 자전거 프레임, 골프 클럽

• 자동차 제조: 레이싱 부품(서스펜션 부품, 브레이크 디스크 등)

성형 및 가공 주의 사항

1. 기계 가공

• Ti-6Al-4V ELI는 가공 경화가 두드러지므로 절삭 시 날카로운 공구(예: 탄화 티타늄 공구)를 사용하는 것이 좋습니다.

• 저속, 고급속도를 사용하고 냉각액을 함께 사용하여 공구 마모를 줄이는 것이 좋습니다.

2. 용접

• TIG 용접, 레이저 용접, 전자 빔 용접이 가능하지만 산화를 방지하기 위해 진공 또는 비활성 가스 환경에서 수행해야 합니다.

3. 열처리

• 풀림(Annealing): 700-850°C에서 1-2시간 유지하여 인성과 가공성을 향상시킵니다.

• 용해 + 시효(Solution + Aging): 940-970°C에서 용해 후 급냉하고 500-600°C에서 시효 처리하여 강도를 향상시킵니다.

4. 3D 프린팅

• Ti-6Al-4V ELI는 선택적 레이저 용융(SLM) 및 전자 빔 용융(EBM) 증가 제조에 적합하며, 복잡한 구조 부품 제조에 적합합니다.

Ti-6Al-4V ELI vs. Ti-6Al-4V (Grade 5) 비교

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