KR100724087B1 - 내식성과 기계적 특성이 우수한 티타늄합금 및 그 제조 방법 - Google Patents

내식성과 기계적 특성이 우수한 티타늄합금 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내식성 및 기계적 특성이 우수한 티타늄 합금에 관한 것으로, 보다 상세하게는 알루미늄(Al)과 지르코늄(Zr)에 대한 합금원소의 조성을 조절하고, 팔라듐(Pd), 니켈(Ni) 및 크롬(Cr)을 선택적으로 첨가하여 제조된 티타늄 합금에 대한 것으로서, 종래 티타늄 합금에 비해 내식성 및 기계적 특성이 우수하여 고온/고압 환경의 원자력발전소, 화력발전소, 화학공장 등에서 전열관 및 구조물 재료로 사용될 수 있으며, 항공재료 및 인체용 생체재료로 유용하게 사용될 수 있는 이점을 제공한다.
티타늄 합금, 알루미늄, 지르코늄, 팔라듐, 니켈, 크롬

Description

내식성과 기계적 특성이 우수한 티타늄합금 및 그 제조 방법{Ti-based Alloys having Improved Corrosion Resistance and Mechanical Properties and Their preparation}
도 1은 본 발명에 따른 티타늄 합금 제조 공정을 나타낸 흐름도이다.
본 발명은 내식성과 기계적 특성이 우수한 티타늄 합금 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 알루미늄(Al)과 지르코늄(Zr)에 대한 합금원소의 조성을 조절하고, 팔라듐(Pd), 니켈(Ni) 및 크롬(Cr)을 선택적으로 첨가하여 내식성, 수소흡수성, 경도 및 인장 특성을 향상시킨 티타늄 합금에 대한 것이다.
티타늄 합금은 비강도(중량 대비 강도)가 높고 내식성이 우수하여 여러가지 구조물 재료로 널리 사용되고 있다. 특히, 항공기와 잠수함뿐만 아니라 원자력발전소나 화학공장의 압력용기 및 전열관 재료로 사용되고 있으며, 또한, 인체에서 무독성 및 내구성을 갖고있기 때문에 치과용 임플랜트 및 인공관절 재료 등 생체재료로 사용되고 있다.
즉, 경량을 요구하는 항공재료와 레져용품(예, 골프채 헤드, 자전거) 재료 뿐만 아니라 원자력발전소, 화력발전소, 화학공장의 압력용기, 전열관, 구조물 재료로 널리 사용되고 있다.
그 한가지 예로, 원자력발전소 노심의 증기발생기 티타늄합금 전열관은 원자력발전소 수명이 다하는 기간동안 교체없이 사용되기 때문에 발전소 전체 수명 동안에 부식이나 기계적 특성이 저하되지 않아야 한다. 그러나, 최근에는 발전소의 경제성 향상을 위해 발전소의 수명을 가능하면 연장하는 추세이다. 이와 같은 변화에 부합되는 내식성과 기계적 특성을 향상시킨 새로운 티타늄합금의 개발은 원자력발전소 안전성을 제고시킬 수 있을 것이다.
ASTM B 338에 상업적으로 사용되는 다양한 티타늄 및 티타늄 합금의 조성에 대해 나열하고 있다. 내식성을 유지하기 위해서는 순수 티타늄(commercial pure titanium)을 제시하고 있으며, 기계적 강도를 요구하는 경우에는 Al, V, Sn, Mo, Cr, Zr 등이 첨가된 합금을 제시하고 있다. 미국, 일본, 유럽을 포함한 서방세계에서 보편적으로 사용되지 않는 티타늄 합금(Zr-2.15Al-2.5Zr-0.06O)이 중국과 러시아 등에서 사용되고 있다.
미국특허 제6,632,396호에는 Al, V, Mo, Cr, Fe, Zr, C, O 을 포함하는 티타 늄 합금을 포함하고 있으며, 이 특허에서는 열처리를 적절히 도입하여 냉간 가공성을 높이는 방법을 개시하고 있다.
미국특허 제4,889,170호에는 비강도나 열저항이 요구되는 항공기 재료용 Al:2~5 %, V: 2~12 %, Mo: 0.5~8 %인 고강도 티타늄합금의 조성 조건과 제조 공정을 개시하고 있다.
유럽 특허 EP 1 172 450 B1에서도 Al: 2~6 %, Mo: 6~9 %, V: 1~3 %, Cr: 0.5~2.0 %, Fe: 0~1.5% 포함하는 고강도 티타늄 합금을 개시하고 있다.
미국특허 제4,606,886호에는 Al: 3.5~5.65 %, Al: 3.0~8.1 %, Zr: 4.5~7.5 %, Mo: 1.5~3 %, Si: 0.2~0.6% 포함한 티타늄합금을 개시하고 있으며, 이 합금은 고온에서 고강도를 요구하는 경도, 용접성, 균열전파 저항성을 향상시킨 것이다.
미국특허 제5,358,686호에도 Al, Sn, Zr, V, Mo, Si, O, Fe를 포함하는 NaCl조건에서 응력균열 부식저항성이 우수한 티타늄합금을 개시하고 있다.
그리고, 일본특허 7-300636호에는 Al:4~5.5 %, Sn:0~2.5 %, Zr: 0~2.5 %, V: 0.5~2.5 %, Mo: 0.3~1 %, Si: 0~0.15 %, O: 0.04~0.12 %, Fe: 0.01~0.12 %를 포함하는 티타늄 합금에 대하여 개시하고 있으며, 이 발명에서는 고강도와 인성을 조합 한 성질을 가지면서 3.5% NaCl용액에서 응력균열 부식저항성을 향상시키고자 하였다.
이에 본 발명자들은 내식성 및 기계적 특성이 우수한 티타늄 합금을 개발하기 위해 노력한 결과, Al과 Zr을 각각 0.8∼2.2 중량% 로 첨가한 것과, 이들에 Pd, Ni 및 Cr을 조합하여 첨가한 티타늄 합금 및 그 제조방법을 개발하므로서, 내식성 및 기계적 특성을 향상시킬 수 있음을 알아내어 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 항공 및 레져용품 재료뿐만아니라, 원자력발전소, 화력발전소, 화학공장의 전열관 및 구조재료, 또한 인체용 생체재료로 사용이 가능한 내식성 및 기계적 특성이 우수한 티타늄 합금 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 알루미늄(Al) 0.8~2.2 중량%, 지르코늄(Zr) 0.8~2.2 중량%, 산소(O) 0.06~0.10 중량% 및 잔부(殘部) 티타늄(Ti)으로 구성된 조성을 갖는 티타늄 합금을 제공한다.
본 발명에 따른 티타늄 합금에 있어서, 티타늄 주금속 외에 합금형성입자로 알루미늄(Al) 0.8~2.2 중량%, 지르코늄(Zr) 0.8~2.2 중량%, 산소(O) 0.06~0.10 중량%로 구성된 기본 조성에 팔라듐(Pd) 0.03~0.22 중량%가 더 첨가된 티타늄 합금인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 티타늄 합금에 있어서, 티타늄 주금속 외에 합금형성입자로 알루미늄(Al) 0.8~2.2 중량%, 지르코늄(Zr) 0.8~2.2 중량%, 산소(O) 0.06~0.10 중량%로 구성된 기본 조성에 팔라듐(Pd) 0.03~0.22 중량% 및 니켈(Ni) 0.02~0.08 중량%가 더 첨가된 티타늄 합금인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 티타늄 합금에 있어서, 티타늄 주금속 외에 합금형성입자로 알루미늄(Al) 0.8~2.2 중량%, 지르코늄(Zr) 0.8~2.2 중량%, 산소(O) 0.06~0.10 중량%로 구성된 기본 조성에 팔라듐(Pd) 0.03~0.22 중량% 및 크롬(Cr) 0.02~0.08 중량%가 더 첨가된 티타늄 합금인 것이 바람직하다.
또한, 상기의 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 상기 티타늄 합금의 제조방법에 있어서,
(1) 알루미늄(Al) 0.8~2.2 중량%, 지르코늄(Zr) 0.8~2.2 중량%, 산소(O) 0.06~0.10 중량% 및 잔부(殘部) 티타늄(Ti)으로 구성된 조성을 갖는 혼합물을 용해하여 주괴를 제조하는 공정(Ingot Melting);
(2) 상기 주괴를 1,015~1,075℃에서 합금 조성을 균질화하기 위해 β영역에 서 용체화 열처리를 수행한 후 냉각시키는 β-소입 공정(β-quenching);
(3) β-소입 재료물을 850±2℃에서 15 분 동안 예열한 후 열간가공을 수행하는 공정(Hot Working);
(4) 열간가공품을 진공상태(1×10-5 토르(torr) 이하)에서 850±2℃에서 30±2 분 동안 열처리를 실시하는 진공열처리 공정(Vacuum Annealing);
(5) 실온에서 수행되는 냉간가공 공정(Cold Working); 및
(6) 냉간가공품을 650±2℃에서 2시간 동안 열처리를 수행하는 최종 열처리 공정(Final Annealing)을 포함하여 구성된 티타늄 합금의 제조방법을 제공한다.
상기의 구성을 갖는 본 발명의 티타늄 합금은 내식성, 수소흡수성 및 기계적 특성 등이 우수하여 항공 및 레져용품 재료뿐만아니라, 원자력발전소, 화력발전소, 화학공장 등의 고온/고압의 전열관 및 구조물 재료용으로의 안전성과 경제성을 향상시킬 수 있게 한다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
티타늄계 합금에 있어서, 티타늄이 주금속으로서 티타늄 함량이 90％ 이상이어야 하며, 이것은 최종제품에서 티타늄의 화학적 및 물리적 특성을 가늠하는 기준이 된다. 잔부는 합금형성입자로 구성된다. 본 발명의 합금형성입자로는 Al, Zr, Pd, Ni 및 Cr 등을 선택하였으며, Al과 Zr에 대한 합금원소의 조성을 조절하고, Pd, Ni 및 Cr 등을 선택적으로 조합하여 첨가하므로써 내식성, 수소흡수성, 경도 및 인장특성을 향상시키고자 하였다.
본 발명의 티타늄 합금은 알루미늄(Al)과 지르코늄(Zr)이 각각 0.8~2.2 중량%인 티타늄 합금과 이들에 팔라듐(Pd) 0.03~0.22 중량%, 니켈(Ni) 0.02~0.08 중량% 및 크롬(Cr) 0.02~0.08 중량%를 선택적으로 조합한 티타늄 합금인 것임을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 합금에서 첨가된 합금형성입자로서의 합금원소의 역할 및 그 조성물 내 백분율을 자세히 살펴보면 다음과 같이 요약할 수 있다.
● 알루미늄(Al): 티타늄합금에서 Al의 고용도는 상온에서 거의 7~10 % 정도이므로 고용강화에 주요한 역할을 한다. 특히, Al의 첨가는 고온 강도를 증가시키는데 매우 효과적이다.
일반적으로는 5% 이상 첨가하면 강화가 효과적이라고 알려지고 있으나 강도를 크게 고려하지 않는 원자로의 증기발생기 전열관에서는 3% 이하로 첨가하여도 충분하다. 그러나, 7 % 이상 첨가되면 Ti3Al 형태의 금속간 화합물이 생성되어 연성 저화를 초래할 수 있다.
따라서, 본 발명에서 Al은 0.8~2.2 % 첨가하여 강도를 약간 증가시키면서 내식성을 향상시키고자 하였다.
● 지르코늄(Zr): 티타늄합금에서 Zr는중성 원소로 Zr의 첨가는 α상과 β상 모두 강화시켜 강도를 증가시킨다. 이와 같은 강도 증가효과는 약 2.5% 이상 첨가하여야 효과를 얻을 수 있다.
강도의 증가를 크게 요구하지 않는 원자로의 증기발생기 전열관에서는 2.5% 이하로 첨가하여 내식성을 향상시키는 것이 바람직하다. 본 발명에서는 Zr을 0.8~2.2 % 첨가하여 강도의 저하를 막으면서 내식성을 향상시키고자 하였다.
● 팔라듐(Pd): 티타늄에 백금족 원소(Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt)를 첨가하는 가장 큰 이유는 틈부식과 산성 용액에서 내성을 포함한 내식성을 향상시키는데 효과적이기 때문이다.
백금족 원소 중에서 Pd과 Ru가 덜 비싸면서 부식저항성 향상에 다른 백금족 원소보다 우수하기 때문에 널리 사용되고 있다. 특히, Pd은 티타늄합금에서 첨가원소로 첨가되면 Ru 보다 틈부식 저항성을 크게 향상시킨다고 알려져 있으므로, 티타늄 합금의 내식성 향상을 위해 Pd의 첨가를 우선적으로 고려하였다.
일반적으로, Pd은 0.03% 이상 첨가하여야 내식성 향상에 기여하며 그 첨가량이 증가함에 따라 내식성은 보다 크게 향상된다. 그러나, 0.2% 이상으로 Pd을 티타 늄합금에 첨가하면 내식성의 증가는 포화된다. 그러므로, 그 이상 첨가하여도 유의적인 효과는 없다. 따라서, 본 발명에서 Pd의 첨가는 0.03~0.22% 로 제한하였다.
● 니켈(Ni)과 크롬(Cr): 티타늄합금에서 Ni과 Cr은 산화막을 강화시켜 내식성을 향상시킨다. Ni과 Cr은 각각 Ti2Ni 및 Ti2Cr 와 같은 석출물을 형성하여 수소의 과포테셜(over-potential)을 낮추어 티타늄 산화막을 강화시키는 역할을 한다. 그리고, 이와 같은 석출물이 산화막 내에 존재하면 부동태 상태를 유지하는데 필요한 전류밀도를 낮추게 된다.
Ni과 Cr이 백금족 원소와 함께 첨가되면, 티타늄 부동태 피막을 강화시키고 안정화 시키는데 지대한 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 또한, Ni과 Cr 의 첨가는 값비싼 백금족 원소의 첨가량을 줄여 경제적인 티타늄합금을 제조할 수 있게 한다.
Ni과 Cr 은 1% 이하로 Pd과 함께 첨가하는 것이 부식저항성 향상에 기여할 것으로 예상되며, 2% 이상 첨가하면 위에서 언급한 석출물의 양이 증가하여 너무 경화되어 연성을 크게 저하시키게 된다. 따라서, 내식성을 향상시키는 관점에서 Pd첨가와 동시에 Ni과 Cr 을 0.02~0.08% 첨가하는 것이 가장 효과적이라고 판단하였다.
● 산소(O): 증기발생기 전열관은 유체의 열전달 효율을 증진시키기 위하여 고온 및 고압의 조건에서 사용된다. 이와 같은 전열관에 응용되는 티타늄합금은 내식성, 강도 및 가공성이 우수하여야 한다.
티타늄합금에 첨가된 산소는 고용강화에 의한 강도증가에 큰 영향을 미치므로 가공성을 고려하면 0.15% 미만으로 첨가하는 것이 타당하다. 따라서, 본 발명에서는 산소의 첨가를 0.06~0.10%로 제한하여 가공성을 고려하였다.
상기의 구성을 갖는 본 발명에 따른 티타늄 합금은, 알루미늄(Al)과 지르코늄(Zr)에 대한 합금원소의 조성을 조절하고, 팔라듐(Pd), 니켈(Ni) 및 크롬(Cr)을 선택적으로 첨가하여 제조된다. 특히, Pd의 첨가 또는 Pd과 Ni과 Cr을 동시에 첨가하면 내식성과 수소흡수성, 기계적 특성을 크게 향상시킬 수가 있다.
이하에서는, 상기의 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 티타늄 합금의 제조 방법을 도 1의 흐름도를 참고하여 상세히 설명한다.
먼저, 알루미늄(Al), 지느코늄(Zr), 산소(O) 및 티타늄(Ti) 조성을 갖는 혼합물을 용해하여 주괴(ingot)를 제조하는 주괴 제조 공정(Ingot Melting)을 수행한다(제1공정). 구체적으로는, 중량%로, 알루미늄(Al) 0.8~2.2%, 지르코늄(Zr) 0.8~2.2%, 산소(O) 0.06~0.10% 및 잔부(殘部) 티타늄(Ti)을 기본 조성으로 한다. 상기 기본 조성에 팔라듐(Pd), 니켈(Ni) 및 크롬(Cr) 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 첨가할 수 있다.
본 발명에서는 Al과 Zr에 대한 합금원소의 조성을 조절하고, Pd, Ni, Cr등을 선택적으로 첨가하여 내식성, 수소흡수성, 경도 및 인장특성 등을 향상시키고자 하였다. 이때, 상기 티타늄 합금에 첨가되는 조성물로는 각각 팔라듐(Pd) 0.03~0.22 중량%, 니켈 0.02~0.08 중량%, 및 크롬(Cr) 0.02~0.08%를 선택적으로 조합한 것임을 특징으로 한다.
이어서, 상기 주괴를 β영역에서 용체화 열처리를 수행한 후 냉각시키는 β-소입 공정(β-quenching)을 수행한다(제2공정). 잉곳 내의 주괴 조직을 파괴하고자 1000∼1200℃의 β영역에서 소입 공정을 수행하며, 보다 바람직하게는 1015~1075℃이다. β-소입(β-quenching)에서는 합금조성을 균질화하기 위하여 1015∼1075℃의 β영역에서 용체화 열처리를 수행한 후 급냉하여 마르텐사이트(martensite) 조직 및 위드만슈테텐(Widmanstatten) 조직을 얻는다. 이와 같은 β-소입 공정은 기지금속 내 입자크기를 균일하게 분포시키고 크기를 제어하기 위해서 수행된다.
이어서, β-소입 재료물을 850±2℃에서 15 분 동안 예열한 후 열간가공을 수행하는 열간가공 공정(Hot Working)을 수행한다(제3공정).
이어서, 열간가공품을 진공상태에서 850±2℃에서 30±2 분 동안 열처리를 실시하는 진공열처리 공정(Vacuum Annealing)을 수행한다(제4공정). 이때, 상기 진공처리는 1×10-5 토르(torr) 이하에서 수행되는 것이 바람직하다.
이어서, 냉간가공 공정(Cold Working)을 실온에서 수행한다(제5공정). 냉간가공 공정을 통해 석출물의 크기가 20~200nm가 되도록 조절한다.
이어서, 냉간가공품을 650±2℃에서 2시간 동안 열처리를 수행하는 최종 열처리 공정(Final Annealing)을 수행한다(제6공정). 최종 열처리 공정은 합금내 완전재결정 조직을 얻기 위하여 수행된다.
상기의 구성을 갖는 제조 방법으로 성형된 본 발명에 따른 새로운 티타늄 합금조성물을 포함하고 있는 티타늄 합금은 종래의 Zr-2.15Al-2.5Zr-0.06O 티타늄 합금과 비교하여 내식성, 수소흡수성, 경도 및 인장 특성이 우수하다.
이하, 본 발명을 하기 실시예에 의하여 보다 상세히 설명한다. 다만, 하기 실시예들은 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 하기 실시예들에 의하여 한정되거나 제한되는 것은 아니다.
<실시예 1~8, 비교예 1>
본 발명의 티타늄 합금을:
Ti-1.5Al-1.5Zr-0.08O; Ti-1.0Al-1.5Zr-0.08O; Ti-1.5Al-1.0Zr-0.08O; Ti-2.0Al-2.0Zr-0.05Pd-0.08O; Ti-2.0Al-2.0Zr-0.10Pd-0.08O; Ti-2.0Al-2.0Zr-0.20Pd-0.08O; Ti-2.0Al-2.0Zr-0.05Pd-0.05Ni-0.08O; 및 Ti-2.0Al-2.0Zr-0.05Pd-0.05Cr-0.08O 의 8종 티타늄 합금[표 1]의 내식성, 수소흡수성, 경도 및 인장 특성을 기존의 티타늄합금과 비교하여 그 특성의 우수성을 평가하고자 하였다.
분류 실시예 조성 비고
실시예 1 Ti-1.5Al-1.5Zr-0.08O
실시예 2 Ti-1.0Al-1.5Zr-0.08O
실시예 3 Ti-1.5Al-1.0Zr-0.08O
실시예 4 Ti-2.0Al-2.0Zr-0.05Pd-0.08O
실시예 5 Ti-2.0Al-2.0Zr-0.10Pd-0.08O
실시예 6 Ti-2.0Al-2.0Zr-0.20Pd-0.08O
실시예 7 Ti-2.0Al-2.0Zr-0.05Pd-0.05Ni-0.08O
실시예 8 Ti-2.0Al-2.0Zr-0.05Pd-0.05Cr-0.08O
비교예 1 Ti-2.15Al-2.5Zr-0.08O
본 발명에서 실시예 합금으로 고려한 8가지 합금에서 최소 3개 이상의 시료를 채취하여 화학적 조성을 분석하였을 때, 표 2에 명기한 것과 같이 각 합금 원소 는 조성범위를 가지고 있었다. 즉, Al과 Zr은 0.8~2.2 % 범위 내에 존재하였고, Pd은 0.03~2.2 % 범위로 분석되었다. 그리고, Ni과 Cr은 0.02~0.08 % 함유하고 있었다. 모든 실시예 합금에 존재하는 산소의 함량은 0.06~010 %로 비교적 균일하게 존재하였다.
분류 합금 조성, 중량%
Al Zr Pd Ni Cr O Ti
실시예 1 0.8~2.2 0.8~1.8 - - - 0.06~0.10 잔부
실시예 2 - - -
실시예 3 - - -
실시예 4 1.8~2.2 0.03~0.08 - -
실시예 5 0.08~0.12 - -
실시예 6 0.18~0.22 - -
실시예 7 0.03~0.08 0.02~0.08 -
실시예 8 - 0.02~0.08
<실험예 1> 부식 시험
8종의 실시예 합금에 대하여 원자로의 가동조건을 모사하는 암모니아 루프(Loop)부식시험 장치를 이용하여 300일 부식시험을 수행하였을 때, 부식반응에 의한 무게증가량과 수소흡수량을 기준합금인 Ti-2.15Al-2.5Zr-0.08O과 비교하여 표 3에 나타냈다. 기준합금에 비하여 Al과 Zr의 첨가량을 1.0 또는 1.5%로 줄인 실시예 1~3의 합금의 무게증가량(4.2~5.2 mg/dm2)은 기준합금(19.9 mg/dm2)보다 매우 낮은 값을 나타내고 있었고, 이들 실시예 합금의 수소흡수량도 12.0~14.3 ppm에 달해 기준합금에 비하여 절반 수준에 불과하였다. Al과 Zr이 각각 약 2.0 % 첨가되고 Pd이 0.03~0.22% 첨가된 Ti-2.0Al-2.0Zr-xPd (x=0.05, 0.10, 0.20)계 4, 5, 6실시예 합금과 Pd이 0.05% 첨가되고 동시에 Ni 또는 Cr이 0.05% 첨가된 Ti-2.0Al-2.0Zr-0.05Pd-0.05Ni/Cr 계 실시예 7~8의 합금의 300일 부식시험후 무게증가량은 2.6~3.6 mg/dm2으로 Al과 Ti만 첨가된 실시예 1~3의 실시예 합금 보다 우수한 내식성을 보여 주고 있다. 이들 실시예 4~8의 합금의 수소흡수량은 실시예 1~3의 합금과 유사한 값을 보이고 있어 수소흡수성 관점에서도 실시예 4~8의 합금이 기준합금 보다 우수하였다.
분류 300일 부식시험 수행후 무게증가량 및 수소흡수량
조성 무게증가량 (mg/dm2) 수소흡수량 (ppm)
실시예 1 Ti-1.5Al-1.5Zr-0.08O 5.15 12.0
실시예 2 Ti-1.0Al-1.5Zr-0.08O 4.71 13.2
실시예 3 Ti-1.5Al-1.0Zr-0.08O 4.16 14.3
실시예 4 Ti-2.0Al-2.0Zr-0.05Pd-0.08O 3.07 12.8
실시예 5 Ti-2.0Al-2.0Zr-0.10Pd-0.08O 2.56 14.4
실시예 6 Ti-2.0Al-2.0Zr-0.20Pd-0.08O 2.35 12.1
실시예 7 Ti-2.0Al-2.0Zr-0.05Pd-0.05Ni-0.08O 3.64 12.0
실시예 8 Ti-2.0Al-2.0Zr-0.05Pd-0.05Cr-0.08O 2.87 14.6
비교예 1 Ti-2.15Al-2.5Zr-0.08O 19.93 27.2
<실험예 2> 경도 시험
본 발명에 실시예 합금은 필요에 따라 원하는 압력용기, 전열관, 인공관절, 인공치아와 같은 형태로 기계적으로 가공되어 사용되기 때문에 기계적강도가 너무 높으면 가공상에 여러가지 문제점을 야기 시킬 수 있다. 그러나, 기계적 강도가 너무 낮으면 고온/고압의 가동조건에서 기계적 건전성을 유지할 수 없게된다. 따라서, 본 발명의 티타늄합금의 기계적 특성은 기준합금과 유사하면 가공성과 구조 건전성을 동시에 만족시킬 수 있다.
표 4는 누프(Knoop) 미세 경도기를 이용하여 경도특성을 평가한 결과를 보여 주고 있다. 모든 실시예 합금의 경도 값은 230.8~267.0 Hk 범위에 존재하였다. 이는 기준 합금의 경도값이 240.2 Hk임을 고려할 때 실시예 합금의 경도는 실시예 합금과 매우 유사하였다.
분류 티타늄계 합금 경도
조성 누프 경도기(Hk)
실시예 1 Ti-1.5Al-1.5Zr-0.08O 232.7
실시예 2 Ti-1.0Al-1.5Zr-0.08O 230.8
실시예 3 Ti-1.5Al-1.0Zr-0.08O 241.5
실시예 4 Ti-2.0Al-2.0Zr-0.05Pd-0.08O 242.9
실시예 5 Ti-2.0Al-2.0Zr-0.10Pd-0.08O 250.8
실시예 6 Ti-2.0Al-2.0Zr-0.20Pd-0.08O 267.0
실시예 7 Ti-2.0Al-2.0Zr-0.05Pd-0.05Ni-0.08O 258.3
실시예 8 Ti-2.0Al-2.0Zr-0.05Pd-0.05Cr-0.08O 242.9
비교예 1 Ti-2.15Al-2.5Zr-0.08O 240.2
<실험예 3> 인장 시험
표 5는 실시예 합금의 상온 인장 특성시험 결과를 보여주고 있다. 실시예 1~3의 합금의 항복강도(Y.S.)는 389~410 MPa로 기준합금의 항복강도 (418 MPa) 보다 약간 낮지만 견줄 만한 범위에 존재하였으며, Pd과 Ni, Cr이 첨가된 실시예 4~6의 합금의 항복강도는 Pd의 첨가량이 증가하면 다소 증가하는 경향이 나타났으며, Ni또는 Cr이 Pd과 함께 첨가된 실시예 7~8의 합금의 항복강도는 기준합금 보다 17~21 MPa 정도 높게 나타났다. 실시예 합금의 인장강도(U.T.S.)는 510~566 MPa 범위에 존재하였고 그 변화 경향은 항복강도와 동일하였다. 실시예 합금의 총 연신률(T.E.)은 27.2~33.5 %로 기준합금의 값(28.2%)과 비교하여 상위하고 있었다.
분류 티타늄계 합금의 인장 특성
조성 항복강도 (MPa) 극한인장강도 (MPa) 총연신률 (%)
실시예 1 Ti-1.5Al-1.5Zr-0.08O 389 510 28.9
실시예 2 Ti-1.0Al-1.5Zr-0.08O 409 532 33.5
실시예 3 Ti-1.5Al-1.0Zr-0.08O 410 517 29.5
실시예 4 Ti-2.0Al-2.0Zr-0.05Pd-0.08O 399 499 30.6
실시예 5 Ti-2.0Al-2.0Zr-0.10Pd-0.08O 403 508 29.8
실시예 6 Ti-2.0Al-2.0Zr-0.20Pd-0.08O 454 556 27.2
실시예 7 Ti-2.0Al-2.0Zr-0.05Pd-0.05Ni-0.08O 449 566 27.6
실시예 8 Ti-2.0Al-2.0Zr-0.05Pd-0.05Cr-0.08O 435 540 27.8
비교예 1 Ti-2.15Al-2.5Zr-0.08O 418 529 28.2
결론적으로, 경도와 인장 관점에서 실시예 합금의 기계적 특성은 기준합금에 견줄 만큼 우수하였고 일부 합금은 기준합금 보다 우수하였다.
본 발명의 티타늄합금의 내식성, 수소흡수성, 기계적 특성은 첨가되는 합금원에 따라 크게 변하였다. 따라서, 합금원소인 Al과 Zr의 첨가량의 제어는 내식성 과 수소흡수성이 보다 우수한 티타늄 합금을 도출 할 수 있다. 특히, Pd의 첨가와 Pd과 Ni또는 Cr의 동시 첨가는 내식성, 수소흡수성, 기계적 특성을 동시에 향상시킬 있었다.
상기의 구성을 갖는 본 발명의 티타늄 합금조성물은 가벼우면서 내식성과 기계적 특성이 우수하므로, 항공 및 레져용품 재료뿐만아니라 고온/고압의 환경의 원자력발전소, 화력발전소, 화학공장 등에서 전열관 및 구조물 재료, 및 인체용 생체재료로 매우 유용하게 사용될 수 있다.

Claims (9)

  1. 알루미늄(Al) 0.8~2.2 중량%; 지르코늄(Zr) 0.8~2.2 중량%; 산소(O) 0.06~0.10 중량%; 및 팔라듐(Pd) 0.03~0.22 중량%, 니켈(Ni) 0.02~0.08 중량%, 크롬(Cr) 0.02~0.08 중량%로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 원소; 및 잔부(殘部) 티타늄(Ti)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 내식성 및 기계적 특성이 우수한 티타늄 합금.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 티타늄 합금 조성은 팔라듐(Pd) 0.03~0.22 중량% 및 니켈(Ni) 0.02~0.08 중량%로 구성되는 것을 특징으로 하는 내식성 및 기계적 특성이 우수한 티타늄 합금.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 티타늄 합금 조성은 팔라듐(Pd) 0.03~0.22 중량% 및 크롬(Cr) 0.02~0.08 중량%로 구성되는 것을 특징으로 하는 내식성 및 기계적 특성이 우수한 티타늄 합금.
  5. (1) 알루미늄(Al) 0.8~2.2 중량%; 지르코늄(Zr) 0.8~2.2 중량%; 산소(O) 0.06~0.10 중량%; 및 팔라듐(Pd) 0.03~0.22 중량%, 니켈(Ni) 0.02~0.08 중량%, 크롬(Cr) 0.02~0.08 중량%로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 원소; 및 잔부(殘部) 티타늄(Ti)으로 구성된 조성을 갖는 혼합물을 용해하여 주괴를 제조하는 공정;
    (2) 상기 주괴를 1,015~1,075℃에서 합금 조성을 균질화하기 위해 β영역에서 용체화 열처리를 수행한 후 냉각시키는 β-소입 공정;
    (3) β-소입 재료물을 850±2℃에서 15 분 동안 예열한 후 열간가공을 수행하는 공정;
    (4) 열간가공품을 진공상태(1×10-5 토르(torr) 이하)에서 850±2℃에서 30±2 분 동안 열처리를 실시하는 진공열처리 공정;
    (5) 실온에서 수행되는 냉간가공 공정; 및
    (6) 냉간가공품을 650±2℃에서 2시간 동안 열처리를 수행하는 최종 열처리 공정을 포함하여 구성된 제1항의 티타늄 합금의 제조방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제5항에 있어서, 상기 공정(5)을 통해 얻어지는 석출물의 크기가 20~200 nm 인 것을 특징으로 하는 내식성 및 기계적 특성이 우수한 티타늄 합금의 제조방법.
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