개요
티타늄 알루미늄 합금 은 티타늄과 알루미늄이 혼합된 금속 소재의 일종입니다. 가볍고 강도가 높으며 고온에서 부식 및 산화 저항성이 뛰어납니다.
TiAl 합금은 고유한 특성 조합으로 인해 항공우주 및 자동차 분야에서 중요한 고온 구조 재료로 간주됩니다. 밀도가 낮아 니켈 기반 초합금보다 가벼우면서도 최대 750°C의 온도에서도 강도와 안정성을 유지합니다.
주요 속성 티타늄 알루미늄 합금
| 속성 | 설명 |
|---|---|
| 밀도 | 3.7 - 4.1g/cm3, 니켈 합금보다 훨씬 낮습니다. |
| 힘 | 최대 750°C의 온도에서도 높은 강도 유지 |
| 강성 | 약 160 GPa의 높은 탄성 계수 |
| 연성 | 실온에서는 부서지기 쉽지만 고온에서는 연성이 높아집니다. |
| 내식성 | 티타늄으로 인한 우수한 내식성 |
| 산화 저항 | 보호 산화물 층을 형성하여 최대 750°C까지 우수한 내산화성을 제공합니다. |
| 비용 | 티타늄 합금보다 비싸지만 니켈 합금보다 저렴합니다. |
티타늄 알루미늄 합금의 종류
티타늄 알루미늄 합금에는 크게 두 가지 유형이 있습니다:
감마 TiAl 합금
감마 TiAl 합금은 라멜라 미세 구조를 가지며 약 45-48% 티타늄과 나머지 알루미늄을 함유하고 있습니다. 니오븀, 탄소, 붕소, 크롬과 같은 원소를 소량 첨가하여 특성을 향상시키기도 합니다.
감마상 TiAl 합금은 저밀도, 강도, 연성 및 내산화성의 균형이 잘 잡혀 있습니다. 가장 널리 사용되는 TiAl 합금입니다.
알파-2 Ti3Al 합금
알파-2 Ti3Al 합금은 약 25% 알루미늄을 함유하고 있으며 육각형 결정 구조를 가지고 있습니다. 인장 강도는 매우 높지만 감마 TiAl 합금에 비해 연성 및 파괴 인성이 낮습니다.
알파-2 합금은 일반적으로 터보차저와 같은 800°C 이상의 초고온 애플리케이션에 사용됩니다.
구성 티타늄 알루미늄 합금
티타늄 알루미늄 합금은 티타늄을 주성분으로 하고 알루미늄과 소량의 다른 원소를 함유하고 있습니다. 다음은 일반적인 구성 범위입니다:
| 합금 요소 | 구성 범위 | 역할 |
|---|---|---|
| 티타늄(Ti) | 52-56% | 기본 기본 요소 |
| 알루미늄(Al) | 44-48% | Ti의 주요 합금 원소 |
| 니오븀(Nb) | 최대 2% | 강도 및 크리프 저항 증가 |
| 크롬(Cr) | 최대 2% | 산화 저항성 증가 |
| 붕소(B) | 최대 0.2% | 연성 향상 |
| 탄소(C) | 최대 0.1% | 힘 증가 |
| 실리콘(Si) | 0.1-1% | 내산화성 향상 |
| 텅스텐(W) | 0.1-1% | 입자 크기 조정 |
| 몰리브덴(Mo) | 0.1-1% | 힘 증가 |
합금의 올바른 미세 구조와 특성을 얻기 위해 합금 원소의 비율을 정밀하게 제어합니다.
티타늄 알루미늄 합금의 주요 특성
티타늄 알루미늄 합금 강도 특성
| 속성 | 가치 | 설명 |
|---|---|---|
| 인장 강도 | 500 - 1100 MPa | 티타늄 합금에 비해 매우 높은 강도 |
| 항복 강도(0.2% 오프셋) | 400 - 1000 MPa | 합금의 탄성 강도 측정 |
| 압축 강도 | 600 - 1500 MPa | 뛰어난 압축 강도 |
| 크리프 강도 | 100 - 350 MPa | 고온에서 부하를 견딜 수 있는 능력 |
| 골절 인성 | 15 - 35 MPa√m | 니켈 합금보다 균열 전파에 대한 내성이 낮습니다. |
물리적 속성
| 속성 | 가치 |
|---|---|
| 밀도 | 3.7 - 4.1 g/cm3 |
| 융점 | 1360°C - 1460°C |
| 열 전도성 | 6 - 25W/mK |
| 전기 저항 | 150 - 250 μΩ.cm |
| 열팽창 계수 | 11 - 13 x 10-6 /K |
상온에서의 기계적 특성
| 속성 | 가치 | 설명 |
|---|---|---|
| 경도 | 300 - 400 HV | 들여쓰기에 대한 저항 측정 |
| 영의 계수 | 150 - 160 GPa | 강성 측정 |
| 전단 계수 | 60 - 65 GPa | 강성 측정 |
| 푸아송 비율 | 0.25 – 0.34 | 적용된 하중과 수직 및 평행 방향의 변형률 관련 비율 |
| 가공성 | 어려운 | 강철에 비해 가공이 까다로운 소재 |
애플리케이션 및 용도 티타늄 알루미늄 합금
티타늄 알루미늄 합금은 다양한 고성능 엔지니어링 애플리케이션에 사용됩니다. 몇 가지 주요 용도는 다음과 같습니다:
항공우주 산업에서의 사용
- 블레이드, 디스크, 공기 흡입구 카울과 같은 항공기 엔진 구성품
- 고속 항공기의 기체 및 날개 구조
- 가벼운 무게와 내열성을 겸비한 우주선 부품
자동차 산업 용도
- 터보차저 터빈 휠 및 하우징
- 고성능 엔진의 커넥팅 로드, 밸브, 스프링 및 패스너
- 콘로드 및 밸브와 같은 모터스포츠 부품
기타 애플리케이션
- 가스터빈 엔진 부품, 발전 및 해양 애플리케이션
- 인공 고관절과 같은 생체 의학 임플란트
- 자전거 프레임, 골프 클럽과 같은 스포츠 용품
다음은 티타늄 알루미늄 합금과 대체 소재의 사용을 비교한 것입니다:
| 애플리케이션 | TiAl 합금 | 대체 자료 |
|---|---|---|
| 항공기 엔진 | ✅ 최대 750°C까지 뛰어난 중량 대비 강도 비율로 블레이드, 베인, 샤프트에 적합합니다. | 니켈 초합금은 더 높은 온도 성능을 갖지만 더 무겁습니다. |
| 차량용 터보차저 | ✅ 니켈 합금보다 높은 강도, 내열성 및 낮은 밀도의 균형이 우수합니다. | 니켈 합금은 더 높은 최고 온도를 견딜 수 있습니다. |
| 기체 | ✅ 비행기 날개, 꼬리 및 동체에 대해 동등한 강도의 티타늄 합금보다 20-35% 더 가볍습니다. | 티타늄 합금은 더 높은 골절 인성을 제공합니다. |
| 생체 의학 임플란트 | 티타늄 함유로 인체 뼈와 자연 결합이 가능합니다. | 스테인리스 스틸, 코발트 크롬 합금도 일반적으로 사용됩니다. |
산업 표준 및 사양
티타늄 알루미늄 합금에 널리 사용되는 업계 표준은 다음과 같습니다:
| 표준 | 설명 |
|---|---|
| AMS 4928 | 감마 티타늄 알루미나이드 합금 시트, 스트립 및 플레이트의 표준 사양 |
| AMS 4965 | 분말 야금으로 가공된 감마 티타늄 알루미나이드 합금 표준 |
| AMS 4972 | 알파-베타 또는 베타 티타늄 알루미나이드 봉, 막대 및 와이어의 표준 사양 |
| ISO 21365 | 구조용 감마 TiAl 합금 사양 |
| ASTM B381 | 수술용 임플란트용 티타늄-알루미늄-바나듐 합금에 대한 표준 분류 |
합금 제품은 화학, 미세 구조 및 기계적 특성에 대한 다양한 표준을 충족하는 다양한 등급으로 제공됩니다.
몇 가지 일반적인 티타늄 알루미늄 등급은 다음과 같습니다:
- Ti-48Al-2W-0.5Si(AMS 4928)
- Ti-47Al-2Cr-2Nb(ISO 21365 등급 5)
- Ti-45Al-5Nb-0.2C-0.2B(AMS 4965 등급 5)
공급업체 및 비용
티타늄 알루미늄 합금의 주요 글로벌 공급업체는 다음과 같습니다:
| 공급업체 | 제공되는 성적 | 생산 방법 |
|---|---|---|
| VSMPO | Ti-47Al-2Cr-2Nb<br>Ti-48Al-2Cr-2Nb-1Ta-0.7W | 투자 주조<br>단조 |
| ATI | Ti-48Al-2W-0.5Si<br>Ti-47Al-2Cr-2Nb | 정밀 주조<br>분말 야금 |
| 정밀 캐스트 부품 회사 | 맞춤형 합금 | 투자 주조 |
| Plansee | TiAl 감마 합금 | 분말 야금 |
티타늄 알루미늄 합금은 티타늄 합금보다 비싸지만 니켈 기반 초합금보다는 저렴합니다. 몇 가지 일반적인 가격 추정치는 다음과 같습니다:
| 등급 | 가격 견적 |
|---|---|
| Ti-48Al-2Cr-2Nb | $85 - $125 kg당 |
| Ti-47Al-2W-0.5Si | $100 - $150 kg당 |
| 맞춤형 TiAl 합금 | $150 - $250 kg당 |
가격은 주문량, 크기 사양, 인증 요구 사항 및 기타 사용자 지정에 따라 달라집니다.
티타늄 알루미늄 합금의 장점과 한계
혜택 및 장점
- 매우 높은 비강도 - 높은 중량 대비 강도 비율
- 최대 750°C까지 뛰어난 강도 유지
- 우수한 내환경성 - 산화, 연소 및 부식 방지
- 니켈 및 코발트 초합금보다 저렴한 비용
- 단조, 압연을위한 약간의 고온 가공성
단점 및 제한 사항
- 가공의 어려움 - 열간 가공 및 기계 가공
- 실온에서 부서지기 쉬운 동작
- 상대적으로 낮은 골절 인성
- 최대 사용 온도는 750°C로 제한됩니다.
- 수소 및 습기 흡수에 따라 달라질 수 있습니다.
다음은 다른 대안과 비교하여 장단점을 비교한 것입니다:
| 매개변수 | TiAl 합금 | 니켈 초합금 | 티타늄 합금 |
|---|---|---|---|
| 고온 강도 | 최대 750°C까지 사용 가능 | ✅ 900°C 이상에서 우수 | 500°C 이상 불량 |
| 밀도 | ✅ 최저 | 더 높음 | 비교 가능 |
| 산화 저항 | 최대 750°C까지 사용 가능 | ✅ 800°C 이상에서 최고 | 550°C 이상 불량 |
| 비용 | ✅ 더 낮음 | 최고 | 더 높음 |
| 작업 효율성 | Poor | 양호 | ✅ 최고 |
| 손상 허용 오차 | Poor | 양호 | ✅ 우수 |
자주 묻는 질문
질문: 감마 티타늄 알루미나이드는 무엇인가요?
A: 감마 TiAl 알루미나이드는 감마(γ) 상 결정 구조를 가진 티타늄(Ti)과 알루미늄(Al)을 포함하는 금속 간 합금입니다. Ti와 Al 원자가 정렬된 라멜라 배열을 이루고 있습니다. 감마 TiAl은 가장 일반적으로 사용되는 합금 유형입니다.
Q: 항공우주 애플리케이션에 TiAl 합금을 고려하는 이유는 무엇인가요?
A: TiAl 합금은 최대 750°C까지 낮은 밀도와 우수한 기계적 특성의 탁월한 조합을 제공합니다. 따라서 훨씬 더 무거운 니켈 합금 대신 TiAl을 사용하여 더 가볍고 효율적인 항공 엔진 부품을 설계할 수 있습니다.
Q: TiAl 터보차저 부품의 예로는 어떤 것들이 있나요?
A: 고성능 디젤 및 가솔린 자동차 엔진의 터보차저 휠과 하우징을 만드는 데 TiAl 합금이 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 밀도가 낮고 내열성이 뛰어나 더 높은 출력 밀도와 효율을 제공합니다.
Q: TiAl 합금 사용의 주요 과제는 무엇인가요?
A: 주조, 단조, 가공을 통한 가공의 어려움과 상온에서의 고유 취성, 경쟁 합금보다 낮은 손상 내성은 채택에 장벽이 됩니다. 하지만 가공 방법과 합금 개발은 계속 발전하고 있습니다.
Q: TiAl 합금의 일반적인 산소 함량 제한은 얼마인가요?
A: TiAl 합금에서 산소는 0.2% 미만으로 제한됩니다. 산소 수준이 높을수록 연성에 부정적인 영향을 미칩니다. 고급 용융 및 주조 방법을 사용하여 산소 흡수를 제어합니다.