항공 및 모바일 부문에서 티타늄 합금을 채택하는 이유
항공 및 모바일 분야에서 티타늄 합금을 선호하는 이유는 무엇일까요? 놀라운 무게 대비 강도와 열 및 부식에 대한 저항성으로 잘 알려진 이 첨단 소재는 항공기와 스마트폰 디자인에 혁신을 가져왔습니다. In...
티타늄 합금의 강도와 내구성의 비밀에 대해 궁금한 적이 있나요? 이 글에서는 이러한 합금을 고성능 소재로 변화시키는 열처리 기술의 매혹적인 세계에 대해 자세히 알아볼 것입니다. 다양한 열처리 방법의 원리, 프로세스 및 효과를 안내하여 엔지니어와 애호가 모두에게 귀중한 통찰력을 제공합니다. 티타늄 합금의 놀라운 특성 뒤에 숨겨진 과학을 발견할 준비를 하세요!
(1) 마르텐사이트 상 변환은 티타늄 합금의 특성에 큰 변화를 일으키지 않습니다. 이 특징은 강철의 마르텐사이트 상 변환과 다릅니다. 티타늄 합금의 열처리 강화는 마르텐사이트 상을 포함하여 담금질에 의해 형성된 하위 안정상의 노화 분해에 의존합니다. 순수 A형 열처리 티타늄 합금은 기본적으로 효과가 없으며 주로 α+β형 티타늄 합금에 사용됩니다.
(2) 열처리는 티타늄 합금을 부서지기 쉬우므로 ω 상 형성을 피해야 합니다. 노화 과정을 올바르게 선택하면 더 높은 노화 온도를 사용하는 등 ω 상이 분해될 수 있습니다.
(3) 강철 재료와 달리 반복적인 상 변형을 사용하여 티타늄 합금 입자를 정제하는 것은 어렵습니다. 반복적인 상 변환은 오스테나이트 펄라이트(또는 페라이트, 시멘타이트)는 대부분의 강철에서 입자 미세화를 달성하기 위해 새로운 단계의 핵 형성 및 성장을 제어할 수 있습니다. 이 현상은 티타늄 합금에는 존재하지 않습니다.
(4) 열전도율이 낮으면 티타늄 합금, 특히 α+β 티타늄 합금의 경화성이 저하될 수 있습니다. 담금질 열 응력이 크고 담금질 중에 부품이 뒤틀리기 쉽습니다. 열전도율이 낮기 때문에 티타늄 합금의 변형은 국부 온도 상승을 쉽게 유발하여 국부 온도가 β 변환점을 초과하고 Widmanstatten 구조를 형성 할 수 있습니다.
(5) 활발한 화학적 특성으로 인해 티타늄 합금은 열처리 중에 산소 및 수증기와 쉽게 반응합니다. 이는 공작물 표면에 산소가 풍부한 층이나 스케일을 형성하여 합금의 성능을 저하시킵니다. 동시에 티타늄 합금은 열처리 중에 수소를 흡수하는 경향이 있어 다음과 같은 문제를 일으킵니다. 수소 취성.
(6) β 전이점은 동일한 조성이라 하더라도 제련로에 따라 크게 달라집니다.
(7) β 상 영역에서 가열할 때 β 입자는 더 커지는 경향이 있습니다. β 입자가 거칠어지면 합금의 가소성이 급격히 떨어질 수 있으므로 가열 온도와 시간을 엄격하게 제어해야 합니다. β 상 영역에서 가열을 위한 열처리는 주의해서 사용해야 합니다.
티타늄 합금의 상변환은 티타늄 합금 열처리의 기초입니다. 티타늄 합금의 성능을 향상시키려면 합리적인 합금 외에도 적절한 열처리를 사용해야 합니다.
티타늄 합금의 열처리에는 어닐링 처리, 노화 처리, 변형 열처리, 화학 열처리 등 여러 가지 유형이 있습니다.
어닐링은 다양한 티타늄 합금에 적합하며, 주요 목적은 응력을 제거하고 합금 가소성을 개선하며 구조를 안정화시키는 것입니다.
어닐링의 형태에는 응력 완화 어닐링, 재결정화 어닐링, 이중 어닐링이 있습니다, 등온 어닐링, 진공 어닐링 등입니다.
그림 1은 다양한 방법을 사용한 티타늄 합금의 어닐링 온도 범위를 보여줍니다.
그림 1 티타늄 합금에서 다양한 방법의 어닐링 온도 범위의 개략도
(1) 스트레스 완화 어닐링.
스트레스 완화 어닐링을 사용하여 다음을 제거할 수 있습니다. 내부 스트레스 주조, 냉간 변형 및 용접 중에 생성됩니다.
응력 완화 어닐링의 온도는 일반적으로 재결정 온도보다 낮은 450~650℃ 사이여야 합니다.
필요한 시간은 공작물의 단면 크기, 가공 이력, 필요한 응력 완화 정도에 따라 달라집니다.
(2) 일반 어닐링.
일반 어닐링의 목적은 티타늄 합금 반제품의 기본 응력을 제거하고 필요한 기술 조건에 따라 강도와 가소성을 높이는 것입니다.
어닐링 온도와 재결정 온도는 일반적으로 시작 온도와 같거나 약간 낮습니다. 이 어닐링 공정은 일반적으로 공장 야금 제품에 사용되며 공장 어닐링이라고도 합니다.
(3) 어닐링을 완료합니다.
완전 어닐링의 목적은 공정 경화를 완전히 제거하고 조직을 안정화하며 가소성을 개선하는 것입니다. 이 과정은 주로 재결정화를 통해 이루어지며 재결정화 어닐링이라고도 합니다.
어닐링 온도는 재결정 온도와 상전이 온도 사이가 바람직합니다. 온도가 상전이 온도를 초과하면 위드만슈타텐 구조가 형성되고 합금의 특성이 저하됩니다.
티타늄 합금의 종류에 따라 어닐링 유형, 온도 및 냉각 방법이 다릅니다.
(4) 이중 어닐링.
이중 어닐링은 합금의 가소성, 파단 인성 및 조직의 안정성을 향상시키는 데 사용할 수 있습니다. 어닐링 후에는 합금 조직이 더 균일하고 평형 상태에 가까워집니다.
이러한 유형의 어닐링은 고온 및 장기 응력 하에서 내열성 티타늄 합금의 구조 및 성능의 안정성을 보장하는 데 자주 사용됩니다.
이중 어닐링은 합금을 두 번 가열하고 공랭하는 것을 포함합니다. 첫 번째 고온 어닐링의 가열 온도는 재결정화 최종 온도보다 높거나 이에 근접하여 결정 입자가 크게 성장하지 않고 재결정이 완전히 진행될 수 있으며, ap상의 체적 분율이 제어됩니다.
공냉 후 구조가 충분히 안정적이지 않아 두 번째 저온 어닐링이 필요합니다. 어닐링 온도는 재결정 온도보다 낮고 고온 어닐링으로 얻은 준안정 β 상이 완전히 분해되도록 온도를 장시간 유지합니다.
(5) 등온 어닐링.
등온 어닐링은 최고의 가소성과 열 안정성을 얻을 수 있으며 β 안정화 원소 함량이 높은 이중상 티타늄 합금에 적합합니다.
등온 어닐링은 계층적 냉각을 채택하여 재결정 온도 이상의 온도로 가열한 후 공작물을 즉시 다른 저온 용광로(일반적으로 600-650℃)로 옮겨 단열한 다음 실온으로 공랭식 냉각합니다.
담금질 노화는 상 변화를 사용하여 열처리 강화라고도 하는 강화 효과를 생성하기 위해 티타늄 합금 열처리를 강화하는 주요 방법입니다.
티타늄 합금 열처리의 강화 효과는 티타늄 합금의 특성에 따라 결정됩니다. 합금 원소농도 및 열처리 사양에 따라 다릅니다.
이러한 요소는 합금 담금질로 얻은 준안정상의 유형, 조성, 양 및 분포뿐만 아니라 준안정상의 분해 중 침전상의 특성, 구조 및 분산도에 영향을 미치며, 이는 합금 조성, 열처리 공정 사양 및 원래 구조와 관련이 있습니다.
특정 조성을 가진 합금의 경우, 노화 강화 효과는 선택한 열처리 공정에 따라 달라집니다.
담금질 온도가 높을수록 노화 강화 효과가 더 뚜렷하지만 β 변환 온도 이상으로 담금질하면 입자가 지나치게 거칠어져 취성이 발생할 수 있습니다.
농도가 낮은 2상 티타늄 합금의 경우 더 많은 것을 얻기 위해 고온 담금질을 사용할 수 있습니다. 마텐사이트.
더 높은 농도의 2상 티타늄 합금은 더 낮은 온도에서 담금질하여 더 많은 전이성 β 상을 얻어야 최대 노화 강화 효과를 얻을 수 있습니다.
냉각 방식은 일반적으로 수냉식 또는 오일 냉각식이며, 일반적으로 담금질 프로세스 는 전달 과정에서 β상의 분해를 방지하고 노화 강화 효과를 감소시키기 위해 빠르게 전달되어야 합니다.
노화 온도와 시간은 α + β 형 티타늄 합금의 일반적인 노화 온도는 500-600℃, 시간은 4-12시간으로 최상의 전체 성능 기준을 얻기 위해 선택해야 합니다.
β 형 티타늄 합금의 노화 온도는 450-550 ℃, 시간은 8-24 시간이며 냉각 방법은 공랭식입니다.
변형 열처리는 압력 가공(단조, 압연 등)과 열처리 기술의 효과적인 조합으로 변형 강화와 열처리 강화를 모두 수행하여 단일 강화 방법으로는 얻을 수 없는 조직 및 종합적인 성능을 얻을 수 있습니다.
일반적인 변형 열처리 프로세스는 그림 2에 나와 있습니다.
다양한 유형의 열 기계 열처리는 변형 온도와 재결정 온도 및 상전이 온도 사이의 관계에 따라 분류됩니다.
변형 온도에 따라 다음과 같이 나눌 수 있습니다:
그림 2 티타늄 합금의 변형 열처리 공정을 개략적으로 나타낸 도식.
(a) 고온 변형 열처리;
(b) 저온 변형 열처리
(1) 고온 열기계 처리
재결정 온도 이상으로 가열하여 40%에서 85%까지 변형시킨 다음 급속 담금질한 다음 기존의 노화 열처리를 거치는 과정을 거칩니다.
(2) 저온 열기계 처리
변형은 재결정 온도보다 약 50% 낮은 온도에서 이루어지며, 그 후 일반적인 노화 처리를 거칩니다.
(3) 복합 열역학적 처리
고온 열기계 처리와 저온 열기계 처리를 결합한 공정입니다.
티타늄 합금은 마찰 계수가 높고 내마모성이 약해(일반적으로 강철보다 약 40% 낮음) 접촉면이 쉽게 접착되고 마찰 부식을 일으키기 쉽습니다.
티타늄 합금은 산화성 매체에서는 부식에 강하지만 환원성 매체(염산, 황산 등)에서는 부식에 대한 저항력이 떨어집니다.
이러한 특성을 개선하기 위해 전기 도금, 스프레이 및 화학적 열처리(예 질화, 산소 공급 등)를 사용할 수 있습니다.
질화 후 질화 층의 경도는 질화하지 않은 표면층보다 2~4배 높아 합금의 내마모성을 크게 향상시키는 동시에 환원 매체에서 합금의 내식성을 향상시킵니다.
산소 침투는 합금의 내식성을 7-9 배까지 증가시킬 수 있지만 가소성 및 피로 강도 의 손실 정도가 달라집니다.
티타늄 합금의 미세 구조 특성
티타늄 합금, 특히 α+β 듀플렉스 티타늄 합금에서는 다양한 구조를 관찰할 수 있습니다.
이러한 구조는 주로 합금 구성, 변형 과정 및 열처리 공정에 따라 형태, 입자 크기 및 입자 내 구조가 다릅니다.
일반적으로 티타늄 합금은 α상과 β상의 두 가지 기본 상이 있습니다.
티타늄 합금의 기계적 특성은 이 두 단계의 비율, 형태, 크기 및 분포에 따라 크게 달라집니다.
티타늄 합금의 구조적 유형은 기본적으로 네 가지로 나눌 수 있습니다: 비드만슈타텐 구조(라멜라 구조), 바스켓위브 구조, 바이모달 구조, 아이소메트릭 구조입니다.
그림 3은 다양한 유형의 티타늄 합금의 일반적인 형태적 특성을 보여줍니다.
표 1은 4가지 일반적인 구조 상태에서의 TC4 티타늄 합금의 합금 성능 지수를 제공하며, 구조에 따라 성능이 크게 다르다는 것을 보여줍니다.
표 1: TC4 합금의 성능에 대한 네 가지 일반적인 조직의 영향
| 기계적 특성 | 압축 강도 σ /MPa | 연신율 δ /% | 충격 인성 αk /(KJ*m-2) | 골절 인성 KIC /(MPa*m1/2) |
| 라멜라 구조 | 1020 | 9.5 | 355.3 | 102 |
| 바스켓 직조 구조 | 1010 | 13.5 | 533 | ___ |
| 바이모달 구조 | 980 | 13 | 434.3 | ___ |
| 아이소메트릭 구조 | 961 | 16.5 | 473.8 | 58.9 |
그림 3 티타늄 합금의 일반적인 구조
(a) 라멜라 조직, (b) 바스켓 위브 조직, (c) 바이모달 조직, (d) 아이소메트릭 조직
L아멜라 조직
그것은 거친 원래 β 결정 입자와 완전한 입자 경계 α 상이 특징이며, 원래 β 결정 입자에 큰 크기의 "번들"을 형성하고 동일한 "번들"에 더 많은 것이 있습니다. 그림 3(a)와 같이 슬라이스는 서로 평행하고 동일한 방향에 있습니다.
이러한 종류의 미세 구조는 합금이 베타 상 영역에서 가열 후 변형되거나 변형되지 않고 베타 상 영역에서 천천히 냉각 될 때 형성되는 구조입니다. 합금이 이러한 구조를 가지면 파괴 인성, 내구성 및 크리프 강도는 좋지만 가소성, 피로 강도, 노치 감도, 열 안정성 및 열 응력 내식성은 매우 떨어집니다. 이러한 특성은 α "번들"의 크기와 입자 경계 α의 두께에 따라 달라집니다. α "번들"이 작아지고 입자 경계 α가 얇아지며 전반적인 성능이 향상됩니다.
B아케트위브 티슈
그 특징은 변형 과정에서 원래의 β 입자 경계가 파괴되고 분산된 입자 경계 α가 없거나 소량만 나타나며 원래 β 입자의 α 조각이 짧아진다는 것입니다.
α "번들"의 크기는 작으며, 그림 3(b)와 같이 바구니를 엮은 것처럼 클러스터가 엇갈리게 배열되어 있습니다.
이러한 종류의 미세 구조는 일반적으로 합금이 가열되거나 β 상 영역에서 변형되기 시작하거나 (α+β) 이중 상 영역의 변형량이 충분히 크지 않을 때 형성됩니다.
미세 메쉬 바스켓 구조는 가소성, 충격 인성, 파단 인성 및 높은 사이클 피로 강도가 우수할 뿐만 아니라 열 강도도 우수합니다.
바이모달 조직
그 특징은 연결되지 않은 1차 α가 p-형질 전환 조직의 매트릭스에 분포하지만, 그림 3(c)와 같이 총 함량이 50%를 초과하지 않는다는 것입니다.
티타늄 합금의 열 변형 또는 열처리의 가열 온도가 β 변형 온도보다 낮을 때 일반적으로 이중 상태 구조를 얻을 수 있습니다.
바이모달 구조는 조직에서 α상이 두 가지 형태를 갖는 것을 말합니다. 하나는 기본 등축 α상이고 다른 하나는 기본 α상에 해당하는 β- 변형 조직의 라멜라 α상입니다.
이 위상은 보조 α 위상 또는 보조 α 위상이라고도 합니다.
이 구조는 합금이 (α+β) 이중 상 영역에서 더 높은 온도와 더 큰 변형이 있을 때 형성됩니다.
I소메트릭 조직
그 특징은 그림 3(d)와 같이 일정량의 변형된 β 구조가 1차 α-상 매트릭스에 50% 이상의 균일한 함량으로 분포되어 있다는 점입니다.
티타늄 합금의 변형 처리 및 열처리는 모두 (α+β) 이중 상 영역 또는 α 상 영역에서 수행되며 가열 온도가 β 변형 온도보다 훨씬 낮을 때 일반적으로 등축 구조를 얻을 수 있습니다.
이 구조는 다른 구조에 비해 가소성, 피로 강도 및 열 안정성이 우수하지만 파단 인성, 내구성 및 크리프 강도는 떨어집니다.
이 구조는 전반적인 성능이 더 우수하기 때문에 현재 가장 널리 사용되고 있습니다.
열처리 공정이 티타늄 합금의 미세 구조 진화에 미치는 영향
티타늄 합금의 열처리 공정은 그림 4에 나와 있습니다.
공정 중에 제어되는 주요 매개 변수는 고용체 온도, 고용체 시간, 냉각 방법(다음을 포함)입니다. 물 담금질, 오일 담금질 및 공기 냉각), 용광로 냉각, 노화 온도 및 노화 시간.
그림 4 일반적인 열처리의 공정 다이어그램
TC21 합금의 미세 구조에 대한 고용체 용액 온도의 영향
그림 5는 다양한 고용체 온도에서 TC21 합금의 미세 구조를 보여줍니다.
고용체 온도가 증가함에 따라 αp상의 부피 분율이 감소하는 것을 볼 수 있습니다.
고용체 온도가 Tβ보다 높으면 αp 상이 사라집니다.
940°C에서 용액을 처리하는 동안, 그림 5(c)의 화살표와 같이 등축 αp 상이 막히면서 β 입자의 입자 경계가 구부러지고 구부러집니다.
Tβ보다 높은 온도(즉, 1000°C)에서 용액 처리를 하면 αp 상이 사라집니다.
β 입자 경계의 이동에 대한 장애물이 사라지면서 그림 5(d)와 같이 β 입자는 평균 직경이 약 300μm로 급격하게 성장합니다.
용액 온도가 TC21 합금의 미세 구조에 상당한 영향을 미친다는 것을 알 수 있습니다.
(α+β) 이중상 영역이 고용체 처리되면 αp상의 크기, 형태 및 분포가 β 결정 입자의 크기에 직접적인 영향을 미칩니다.
티타늄 합금의 αp 상과 β 입자 크기는 합금의 기계적 특성에 중요한 역할을 합니다.
β 입자의 급속한 성장을 피하기 위해 TC21 합금의 고용체 온도를 Tβ 이하로 선택해야 비교적 적합한 입자 크기를 얻을 수 있고 1 상과 2 상으로 구성된 이중 상태 구조를 얻을 수 있습니다.
그림 5 용액 온도가 TC21 합금의 미세 구조에 미치는 영향
(a)850℃/AC; (b)910℃/AC; (c)940℃/AC; (d)1000℃/AC
용액 시간이 TC21 합금의 미세 구조에 미치는 영향
그림 6은 용액 처리 및 4시간 동안 공랭 처리 후 TCIZ 합금의 미세 구조를 보여줍니다.
그림 6, 5(a) 및 5(b)에서 TC21 합금의 ap 상 부피 분율과 분포는 용해 시간이 증가해도 크게 변하지 않음을 알 수 있습니다.
용액 처리가 특정 시간에 도달하면 TC21 합금의 미세 구조는 용액 처리 시간에 민감하지 않지만 용액 처리 온도가 합금의 고용체 구조에 결정적인 역할을하는 것이 분명합니다.
그림 6 용해 시간이 TC21 합금의 미세 구조에 미치는 영향
(a)850℃/4시간, AC; (b)910℃/4시간, AC
냉각 방법이 TC21 합금의 미세 구조에 미치는 영향
그림 7은 냉각 방법이 TC21 합금의 미세 구조에 미치는 영향을 보여줍니다.
용액 처리 후 냉각 방법이 TC21 합금의 미세 구조에 상당한 영향을 미친다는 것을 알 수 있습니다.
WQ 및 OQ 조건에서는 냉각 속도가 빠르기 때문에 전이성 β만 형성되고 βT는 형성되지 않습니다.
AC 조건에서는 일정량의 βT가 형성됩니다.
WQ 및 OQ 조건에서 얻은 αp 위상의 크기는 AC 조건에서 얻은 것보다 약간 작습니다.
이 차이는 AC의 느린 냉각 속도로 인해 냉각 과정에서 합금의 αp 상이 완전히 성장할 수 있기 때문입니다(AC 조건에서 합금의 αp 상 함량이 증가하고 응집 성장을 유발).
느린 냉각 과정에서는 고온의 β 상이 완전히 변형되어 βT를 형성할 수도 있습니다.
그림 7 냉각 방식이 TC21 합금의 미세 구조에 미치는 영향
(a)910℃/1h, WQ; (b)910℃/1h, OQ; (c)910℃/1h, AC
TC21 합금의 구조에 대한 노화 온도의 영향
그림 8은 500°C와 600°C에서 숙성된 TC21 합금의 미세 구조 사진을 보여줍니다.
그림 8에서 노화 후 합금의 구조가 αp 상과 βT 상으로 구성되어 있음을 알 수 있습니다.
노화가 진행됨에 따라 이차 α 단계가 성장하고 합쳐집니다.
2차 α상은 노화 온도가 증가함에 따라 점차적으로 증가합니다.
그림 8(a), (b), (c)에서 볼 수 있듯이 500°C 노화에서는 낮은 노화 온도로 인해 고용체 처리에서 얻은 안정하지 않은 β는 노화 과정에서 분해의 추진력이 부족하여 이차상이 더 적게 형성됩니다.
그림 8 TC21 합금의 구조에 대한 노화 온도의 영향
TC21 합금의 구조에 대한 노화 시간의 영향
그림 9는 550°C에서 다양한 시간 동안 숙성된 TC12 합금의 미세 구조 사진을 보여줍니다.
그림 9에서 노화 기간이 증가함에 따라 βT상의 체적 분율은 증가하는 반면 αp상의 크기는 크게 변하지 않지만 응집 및 성장 현상이 발생하는 것을 관찰할 수 있습니다.
더 큰 보조 스트립과 같은 α 단계도 합쳐지고 커지는 것처럼 보입니다.
그림 9 TC21 합금의 구조에 대한 노화 시간의 영향
열처리가 일반적인 티타늄 합금의 미세 구조에 미치는 영향
TC12 합금과 Ti60 합금의 열처리 공정 조건을 제어하여 그림 10과 같이 두 가지 주요 유형의 라멜라 미세 구조와 바이모달 미세 구조를 얻을 수 있습니다.
그림 10 열처리가 일반적인 티타늄 합금의 미세 구조에 미치는 영향
그림 10은 Ti600 합금이 각각 Tb(1010°C) 이상과 이하의 고용체 온도를 선택함으로써 LM 및 BM 구조를 얻을 수 있음을 보여줍니다.
LM 조직에서 라멜라의 두께는 2-3 μm이고, BM 조직에서 αp상의 부피 분율은 약 20%이며, 평균 직경은 약 15 μm입니다.
그림 10(f)는 600℃에서 100시간 열노출(TE) 후 BM 구조를 갖는 Ti600 합금의 미세구조를 보여줍니다.
그림 10(e)와 (f)에 표시된 현미경 조직만으로는 BM 조직과 BM+TE 조직의 차이를 구분할 수 없습니다.
고온 티타늄 합금의 알루미늄이 풍부한 αp 상은 장기간 노화 또는 열 노출 시 α2(Ti3Al) 상으로 침전되는 경향이 있습니다.
투과전자 현미경을 통해 그림 11과 같이 열 노출 후 BM 조직 Ti600 합금의 α2 상에서 αp 상이 발견되었습니다.
그림 11 열 노출 후 Ti600 합금에서 α2상의 TEM 형태 및 선택 영역 전자 회절 패턴
(a) TEM 지형도, (b) 선택 영역 전자 회절 패턴
MachineMFG의 창립자인 저는 10년 넘게 금속 가공 산업에 종사해 왔습니다. 폭넓은 경험을 통해 판금 제조, 기계 가공, 기계 공학 및 금속용 공작 기계 분야의 전문가가 될 수 있었습니다. 저는 이러한 주제에 대해 끊임없이 생각하고, 읽고, 글을 쓰면서 제 분야에서 선두를 유지하기 위해 끊임없이 노력하고 있습니다. 저의 지식과 전문성을 귀사의 비즈니스에 자산으로 활용하세요.
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