티타늄 합금 조직 특징 기술지도사 2차 금속 서브노트

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금속재료기술사와 더불어 기술지도사 금속분야의 기출문제를 확인해보면,
비철금속재료 중 마그네슘합금, 티타늄합금에 대한 문제가 자주 출제되고 있다.

이번 포스팅은 티타늄합금의 특성과 조직, 특징 등을 정리해본다.

2014년 제29회 1교시 기출문제

티타늄

산업 구조물 환경의 변화에 따라 부식에 안정적이고 경량이면서도 공가도를 가지는 재료선정이 요구되고 있다.
최근에 이러한 요구에 부응하기 위하여 티타늄 및 그 합금에 대한 이용이 증가하고 있으며 기존의 스테인레스 강, 구리 합금 및 니켈 합금의 대체 소재로서 부각되고 있다.

티타늄의 특성

1. 티타늄은 비중이 4.5, 인장강도가 50Kg/mm2으로 강도가 크다.
2. 고온 강도, 내식성, 내열성이 우수하나, 절삭성, 주조성이 불량하다.
3. 용도는 초음속 항공기 외관, 송풍기의 프로펠라 등에 쓰인다.

티타늄 합금

1. 티타늄 합금은 티타늄의 성질을 개선하기 위하여 알루미늄, 주석, 망간, 철, 크롬, 몰리브덴, 바나듐 등을 첨가한 것이다.
2. 몰리브덴, 바나듐은 내식성을 향상시키고, 알루미늄의 첨가로 수소 함유량이 적게 되어 고온 강도를 높일 수 있다.
3. 티타늄합금은 티타늄보다 비강도가 높고, 다른 고강도 합금에 비하여 고온 강도가 크기 때문에 제트엔진의 축류, 압축기의 부품 등에 이용된다.

α형 합금

상온강도가 낮으나 저온안전상이므로 수백도의 고온이 되어도 취약한 천이상인 w상이 석출할 염려가 없어서 내열 티타늄 합금의 기본이 되며 용접성이 좋다.

Al을 첨가하면 내산화성 및 고온강도를 향상시키고 수소취성을 방지한다.

1. α형 합금은 알루미늄과 주석, 지르코늄, 납 및 탄탈륨과 같은 소량의 다른 합금성분을 첨가하여 만든 것으로 상온에서 알파 단일상의 조직을 갖는다.
2. 상온에서의 강도는 비교적 낮은 편이나 수백도의 고온이 되어도 취약한 상이 석출하지 않기 때문에 내열 티타늄 합금의 기본이 되며 용접성 또한 양호하다.
3. 가공성은 육방정으로 β형 합금에 비해서 떨어지지만 지르코늄, 바나듐 및 몰리브덴 등의 합금을 첨가하면 개선할 수 있다.
4. 합금 원소 중, 알루미늄은 고온에서의 내산화성과 강도를 향상시키고 수소취성을 억제하는 효과가 있지만 6% 이상 첨가하면 금속간화합물 (Ti3Al) 을 형성하므로 인성이 저하된다.
5. 대표적인 합금으로는 Ti-5Al-2.5Sn가 있는데, α상 단산이기 때문에 안정하고 용접성 및 가공성이 우수하다.
6. 고온강도가 높은 Extra Low Intersitial 등급의 경우 저온 성질도 우수한데, -240'C 에서 강도가 상온의 약 2배로 다른 금속재료에 비해 높다.
7. 이런 특성으로 인하여 항공기용 부품 등에 많이 적용되고 있다.
8. 그 외에 Ti-0.5Pb, Ti-5Ta 합금이 있는데, 비산화성 산에 대한 내식성이 양호하여 염산 및 황산 등을 사용하는 용기에 주로 이용되며 고온의 불산을 사용하는 분위기에는 Ti-5Ta 합금이 주목받고 있다.

α + β형 합금

α 형과  β형의 특징을 겸비하도록 열처리 조건에 의해서 재료특성을 조절할 수 있다.

1. α + β형 합금은 상온에서 α상과 β상이 혼재하는 조직을 갖는 합금이다.
2. 열처리에 의해 α상과 β상의 비율을 조절할 수 있고, 그 비율에 따라 공도를 제어할 수 있다.
3. Ti-6Al-4V 합금이 가장 널리 사용되고 있는데, 강력 티타늄 합금으로 많이 사용되고 있다.
4. 이 합금은 강도가 약 870MPa 이상으로 높고 인성이 우수할 뿐만 아니라 용접성, 성형가공성 및 주조성 등 두루두루 양호하기 때문에 가공하여 사용하기 쉽다.
5. 어닐링 상태나 용체화 처리 후 시효경화한 상태에서도 사용이 가능하므로 신뢰성이 높다.
6. 400'C 의 고온에서도 사용이 가능하므로 항공기의 기체나 엔진 부품으로 많이 사용되고 있다.

β형 합금

고농도 합금으로 강도가 크고 또 입방정이어서 소성가공성이 좋다.
용접성과  내식성이 좋으므로 각종 합금이 개발되고 있다.

1. β형 합금은 바나듐, 몰리브덴, 니오븀 및 탄탈륨 등의 베타 안정화 원소를 첨가하여 만든 고농동의 합금이다.
2. 강도가 높고 입방정이기 때문에 소성가공성이 양호하다.
3. 일반적으로 β상은 준안전상으로 용체화 처리와 시효에 의하여 1260MPa 이상의 고강도를 얻을 수 있다.
4. 자칫 금속간화합물의 석출로 인해 취약해질 우려가 있다.
5. 내식성도 양호하고 용접도 가능하지만 모재와 동등한 강도를 얻을 수 없다.
6. 대표적으로 Ti-11.5Mo-6Zr-4.5Sn 합금이 있는데, β III라고도 불리며 가공성이 특히 좋고 용접성도 양호하다.
7. 어닐링 및 용체화 상태에서도 사용이 가능하며 열적으로 안정하다.
8. 내식성도 우수하여 가열된 염에 대해서도 견디며 응력부식균열을 일으키지 않는다.

티타늄합금의 온도별 인장강도 : MFG

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