KR101465091B1 - 우수한 강도와 연성을 갖는 초미세결정립 다상 타이타늄 합금 및 그 제조방법 - Google Patents

우수한 강도와 연성을 갖는 초미세결정립 다상 타이타늄 합금 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 낮은 탄성계수와 우수한 생체적합성을 가지면서도 종래의 의료용 티타늄 합금보다 높은 강도와 함께 현저하게 개선된 연성을 가져, 특히 의료분야에 적합하게 적용할 수 있는 티타늄 합금과 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 티타늄 합금의 제조방법은, (a) 티타늄 합금을 베타변태온도 이상으로 열처리하는 단계; (b) 열처리된 티타늄 합금을 수랭하는 단계; (c) 수랭된 티타늄 합금을 500~700℃에서 단면 감소율 기준 80% 이상의 변형량을 가하는 소성가공 단계; 및 (d) 소성 가공된 티타늄 합금을 수랭하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

우수한 강도와 연성을 갖는 초미세결정립 다상 타이타늄 합금 및 그 제조방법 {ULTRAFINE-GRAINED MULTI-PHASE TITANIUM ALLOY WITH EXCELLENT STRENGTH AND DUCTILITY AND MANUFACTURING METHOD FOR THE SAME}
본 발명은 우수한 강도와 함께 현저하게 향상된 연성을 갖는 타이타늄 합금과 이 합금의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 낮은 탄성계수와 우수한 생체적합성을 가지면서도 종래의 의료용 타이타늄 합금 정도의 강도와 함께 현저하게 개선된 연성을 가져, 특히 의료분야에 적합하게 적용할 수 있는 타이타늄 합금과 이의 제조방법에 관한 것이다.
티타늄은 일반적으로 비강도(강도/무게)가 높고, 내식성 등이 탁월하여 다양한 산업분야의 기초소재로 활용도가 높아 ‘꿈의 신소재’라고 불릴 정도로 미래의 활용분야가 기대되는 금속 소재중 하나이며, 이러한 티타늄의 여러 우수한 특성들로 인해 생체의료, 해양, 항공우주, 스포츠 및 레저 등의 분야에 우수한 재료로 널리 연구개발되고 있다.
최근에는 인체 내에서의 높은 화학적 안정성과 생체 적합성이 우수한 물성을 이용하여 임플란트 등과 같은 인체의 뼈 등을 대체하는 생체 의료용 금속 소재로도 다양하게 사용되고 있는데, 여기서 "생체 의료용 금속 소재"라 함은, 골격, 관절, 치아 등을 대체하여 인체에 이식되기 위해 개발되어 온 재료로서 인공 뼈, 인공 관절, 인공 치아 등 각종 인공 보형물을 제조하기 위해 개발된 금속소재를 의미한다.
한편, 생체 의료용 재료로 사용된 티타늄 및 그 합금의 1세대는 순 티타늄과 Ti-6Al-4V 합금(ELI 합금) 등인데, 순 티타늄의 경우 생체 재료로서 요구되는 강도 특성을 충분히 만족시키기 어렵고, ELI 합금의 경우 합금성분인 알루미늄(Al)이 치매를 유발할 가능성이 있고 바나듐(V)이 세포독성을 나타낸다는 문제점이 있어, 의료용으로는 적합하지 않다.
이러한 생체 의료용 재료에 요구되는 합금의 기계적 특성과 생체적합성을 양립시키기 위해, Ti-13Nb-13Zr 합금이 개발되었으며, Ti-13Nb-13Zr 합금은 그 미세조직을 초세립(ultrafine-grain)으로 만들어 고강도화할 경우, 고부가가치의 임플란트에도 응용할 수 있다.
한편, 결정립을 초세립으로 만들기 위한 방법으로, 강소성 가공법인 ECAP(equal-channel angular pressing), ECAE(equal-channel angular extrusion), HPT(high-pressure torsion) 등이 있다. 그러나 이 방법들을 통해 제조할 수 있는 제품은 그 길이가 수십 밀리미터에 불과하여 산업적인 응용에 상당한 한계로 작용하고 있다.
또한, 초세립 티타늄에 대한 선행문헌으로 한국 공개특허공보 제 2006-0087077호에는 ECAP을 이용하여 티타늄 합금의 결정립을 미세화하는 방법이 개시되어 있는데, 이 방법은 (i) 초세립 재료의 형성을 위하여 재료에 가해야 하는 변형량이 너무 높고, (ii) 최종 생산한 초세립 티타늄 합금이 산업적 용도가 제한되는 크기이며, (iii) ECAP 공정의 특성상 대량생산이 불가능한 문제점을 안고 있다.
또 다른 선행문헌으로 한국 공개특허공보 제2011-0026153호가 있는데, 이 문헌에는 티타늄을 저변형량 조건에서 압연하여 초세립 티타늄 판재를 제조하는 방법이 개시되어 있는데, 최종 형상이 두께 수 밀리미터의 판재이기 때문에, 환상의 봉재를 요구하는 임플란트용 재료를 비롯한 대부분의 의료용 재료에는 활용할 수 없는 문제점이 있다.
한편, 기존의 티타늄 합금은 강도의 측면에서는 상당한 개선이 이루어져 있으나, 연성이 높지는 않아 가공성이 떨어지는 문제점이 있다. 이에 따라 고강도와 함께 우수한 연성을 갖는 티타늄 합금 봉재의 제조기술 개발이 요구되고 있다.
한국 공개특허공보 제2006-0087077호 한국 공개특허공보 제2011-0026153호
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 과제는 탄성계수가 낮고 독성이 없어 생체적합성이 우수하면서도 충분한 강도와 함께 현저하게 개선된 연성을 가져 가공성이 우수하여, 임플란트와 같은 고부가가치 의료용 재료에 적용할 수 있는 티타늄 합금의 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 과제는 우수한 강도와 높은 연성을 갖는 티타늄 합금을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제 1 측면은, (a) 타이타늄 합금을 베타변태온도 이상으로 열처리하는 단계; (b) 열처리된 타이타늄 합금을 수랭하는 단계; (c) 수랭된 타이타늄 합금을 500~700℃에서 단면 감소율 기준 80% 이상의 변형량을 가하는 소성가공 단계; 및 (d) 소성 가공된 타이타늄 합금을 수랭하는 단계;를 포함하는 타이타늄 합금의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제 1 측면에 있어서, 상기 타이타늄 합금의 미세조직이, β상과 함께 준안정 마르텐사이트(martensite)상인 α'상과 α''상을 포함하는 다상 조직으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 제 1 측면에 있어서, 상기 타이타늄 합금의 항복강도는 800MPa 이상이고, 인장강도는 900MPa 이상이며, 연신율은 10% 이상일 수 있다.
또한, 본 발명의 제 1 측면에 있어서, 상기 (a) 단계는 750~900℃에서 30분 이상 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 제 1 측면에 있어서, 상기 (b) 단계의 소성 가공은 공형압연가공일 수 있다.
또한, 본 발명의 제 1 측면에 있어서, 상기 공형압연가공은 6~12 패스에 걸쳐 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명의 제 1 측면에 있어서, 상기 공형압연가공의 패스 사이에 상기 타이타늄 합금을 1~10분간 500~750℃로 가열하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 제 1 측면에 있어서, 상기 공형압연가공의 각 패스를 수행할 때, 타이타늄 합금을 90° 회전시킨 후 다음 패스를 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 제 1 측면에 있어서, 상기 공형압연가공된 타이타늄 합금의 평균 결정립 크기는 1 이하일 수 있다.
또한, 본 발명의 제 1 측면에 있어서, 상기 타이타늄 합금은, Nb 10~15중량%와, Zr 10~15중량%와, 나머지 Ti와 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 제 1 측면에 있어서, 상기 타이타늄 합금의 연신율은 12% 이상일 수 있다.
상기 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제 2 측면은, 미세조직이, β상과 함께, 준안정 마르텐사이트상인 α'상과 α''상을 포함하는 다상 조직으로 이루어진 것을 특징으로 하는 타이타늄 합금을 제공하는 것이다.
본 발명의 제 2 측면에 있어서, 상기 타이타늄 합금은 Nb 10~15중량%와, Zr 10~15중량%와, 나머지 Ti와 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 제 2 측면에 있어서, 상기 타이타늄 합금의 항복강도는 800MPa 이상이고, 인장강도는 900MPa 이상이며, 연신율은 10% 이상일 수 있다.
또한, 본 발명의 제 2 측면에 있어서, 상기 타이타늄 합금의 평균 결정립 크기는 1 이하일 수 있다.
또한, 본 발명의 제 2 측면에 있어서, 상기 타이타늄 합금의 연신율은 12% 이상일 수 있다.
본 발명에 따른 티타늄 합금의 제조방법과 이 방법에 의해 제조된 티타늄 합금은, 초미세립으로 이루어져 있어 충분한 강도를 가짐과 동시에, 그 미세조직이 β상과 함께 우수한 연성을 구현하는 준안정 마르텐사이트상인 α'상과 α''상을 포함하기 때문에 연성이 현저하게 개선되어, 종래의 티타늄 합금과 비교할 때, 우수한 강도를 유지하면서도 높은 연성을 구현할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따라 공형압연을 통해 제조된 타이타늄 합금 봉재의 EBSD 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 비교예 1에 따라 제조한 타이타늄 합금의 EBSD 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 비교예 2에 따라 제조한 타이타늄 합금의 EBSD 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 제조한 타이타늄 합금의 미세조직을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 비교예 1, 비교예 2 및 실시예에 따라 제조한 타이타늄 합금의 인장시험 결과를 나타낸 그래프이다.
이하 본 발명의 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 하기 실시예는 단지 예시적인 것으로, 본 발명을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
재료학적으로 본 발명에 따른 타이타늄 합금의 제조방법은, 열처리와 소성가공을 통해, 결정립 미세화를 통한 우수한 강도의 향상과 함께, 형성되는 미세조직의 상(phase)을 β상과 함께 준안정 마르텐사이트상인 α'상과 α''상을 포함하는 다상 조직으로 형성함으로써, 우수한 연성을 동시에 구현할 수 있도록 한데 특징이 있다.
본 발명에 따른 타이타늄 합금의 제조방법은, (a) 타이타늄 합금을 베타변태온도 이상으로 열처리하는 단계; (b) 열처리된 타이타늄 합금을 수랭하는 단계; (c) 수랭된 타이타늄 합금을 500~700℃에서 단면 감소율 기준 80% 이상의 변형량을 가하는 소성가공 단계; 및 (d) 소성 가공된 타이타늄 합금을 수랭하는 단계;를 포함한다.
상기 타이타늄 합금은, β상과 함께 준안정 마르텐사이트상인 α'상과 α''상을 형성할 수 있는 합금계라면 본 발명에 포함될 수 있다.
한편 이 합금을 의료용으로 사용할 경우, 생체 적합성이 우수한, Nb 10~15중량%와, Zr 10~15중량%와, 나머지 Ti와 불가피한 불순물을 포함하는 타이타늄 합금이 바람직하다.
의료용 타이타늄 합금의 합금원소를 Nb 10~15중량%와, Zr 10~15중량%를 포함하는 이유는 다음과 같다.
상기 니오븀(Nb)은 무른 소재로 성형이 쉬운 회색의 금속으로, 인체 내에서 섬유세포, 부식생성물, 생체용액 등과 유해한 반응성을 나타내지 않고 안정성을 나타내어 생체친화적인 금속소재로 알려져 있다. 또한 상온에서 매우 안정적이며 산소나 강산에도 침식이 되지 않는 등 내식성이 매우 우수한 원소이다. 니오븀(Nb)은 10~15중량%로 첨가되는 것이 바람직한데, 상기 범위를 벗어날 경우 탄성계수가 급격하게 증가하여 생체에 적용하기 어려워지기 때문이다.
상기 지르코늄(Zr)은 산 및 염기 분위기에서, 고온의 물속에서 내식성이 매우 큰 금속으로 공기 중에서도 산화 피막이 발생하여 강한 내식성을 보인다. 또한 세포독성이 없는 원소로 생체친화적인 금속소재이다. 지르코늄(Zr)은 10~15중량%로 첨가되는 것이 바람직한데, 이 범위를 벗어날 경우 탄성계수가 급격하게 증가하여 생체에 적용하기 어려워지기 때문이다.
상기 불가피한 불순물로는 상기 합금을 제조하는 과정에서 가공 공정 중에 불가피하게 포함되는 것으로, 금속산화물, 금속질화물, Cu, Fe, Si 등이 있을 수 있으며, 이들 원소는 1중량% 이하, 바람직하게는 0.1중량% 이하, 보다 바람직하게는 0.01중량% 이하로 포함되도록 하여야 한다.
상기 열처리 및 수랭 단계는, 타이타늄 합금의 미세조직을 미세한 층상 구조를 갖는 마르텐사이트 조직으로 변태시키기 위한 열처리 단계로서, 742~900℃에서 30분 이상 열처리하여 베타상 변태가 이루어지게 한 후 수랭처리를 통해 타이타늄 합금을 급랭시킴으로써, 미세한 층상 구조의 마르텐사이트 조직을 얻을 수 있게 한다.
상기 열처리 온도는 742℃ 미만에서는 베타변태온도 이하인 까닭에 상변태가 원활하게 일어나지 않으므로 742℃ 이상(바람직하게는 750℃ 이상)으로 하는 것이 바람직하고, 900℃를 초과할 경우에는 미세조직의 제어에 있어서 특별한 효과 없이 경제적으로 불리하므로 900℃ 이하로 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 열처리 시간은 30분 정도면 변태된 상의 안정성을 도모할 수 있으며, 6시간을 초과하여 열처리하는 것은 경제적으로 불리하므로, 6시간 이하로 하는 것이 바람직하다.
상기 소성가공 단계는 마르텐사이트 조직을 갖는 타이타늄 합금을 높은 변형률로 변형시킴으로써, 재료 내에서 동적 구상화와 함께 결정립 미세화가 되도록 하기 위한 단계이다.
상기 소성가공 단계는 일반적인 압연 단계로 행해질 수 있으나, 의료용 재료에 보다 적합하고 동적 구상화 작업이 보다 원활하게 이루어지도록 공형압연가공을 하는 것이 보다 바람직하다.
공형압연가공은, 세부적으로 공형압연전 열처리 단계와 공형압연 단계로 구분될 수 있다.
상기 공형압연전 열처리 단계는 수랭된 타이타늄 합금을 500~700℃에서 30분 이상 열처리하는 단계로, 이 단계는 공형압연 시 가공성을 높이기 위한 것으로 열처리 시간을 30분 이상 수행하는 것이 바람직하다. 상기 열처리 온도는 500℃ 미만에서는 후속되는 수랭처리로 다상 조직을 구현하기 어렵고, 700℃를 초과할 경우 가공 중에 동적 구상화가 잘 일어나지 않을 수 있기 때문에, 500~700℃가 바람직하다.
상기 공형압연 단계는 6~12 패스에 걸쳐 이루어지는 것이 바람직한데, 6패스 미만일 경우 패스당 변형량이 많아 가공불량이 발생할 가능성이 높고, 12패스를 초과할 경우 비경제적이기 때문이다. 또한, 상기 공형압연의 패스 사이에는 타이타늄 합금을 1~10분간 450~742℃로 재가열하는 단계를 포함할 수 있는데, 이는 각 패스를 거치는 과정에서 재료의 온도가 낮아져 초기의 가공성을 유지하지 못하는 것을 막기 위한 것이다. 또한, 재가열 시간을 1분 미만으로 할 경우, 가열 효과가 충분하지 않고, 10분을 초과할 경우, 생산성이 크게 저하되고 동적 구상화 효과도 감소하기 때문에, 재가열 시간은 1~10분이 바람직하다. 또한, 가열온도는 초기의 가열온도를 유지하기 위한 것이므로, 초기 온도와 동일하게 450~742℃로 하는 것이 바람직하다.
상기 수랭 단계는 소성 가공된 타이타늄 합금을 수랭하여, 미세조직 내부에 특히 연성이 우수한 α'상을 생성하기 위한 단계이며, 상온에서 수랭으로 수행될 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예와, 실시예와 비교하기 위한 2가지 비교예의 제조방법과 이 방법에 의해 수득한 타이타늄 합금의 미세조직과 기계적 성질을 비교함으로써, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
[실시예]
중량%로, Nb: 13%, Zr: 13%, 나머지 Ti 및 불가피한 불순물로 이루어진 Ti-13Nb-13Zr 합금을, 직경 28mm, 길이 280mm의 봉재로 가공하였다. 이와 같이 가공한 봉재를 열처리로를 사용하여 800℃에서 1시간 동안 열처리한 후 수랭하였다.
이후 해당 재료를 650℃로 가열하여 1시간 동안 열처리한 후, 50톤급 공형압연기를 이용하여 강소성 가공을 수행하였는데, 본 발명의 실시예에서 사용한 공형압연기는 총 8 패스에 걸쳐 누적 단면 감소율 90%가 되도록 설계된 것이다.
구체적으로, 공형압연은 650℃로 가열한 봉재를 공형압연기의 4 패스까지 연속적으로 압연한 후 다시 열처리로에 넣고 650℃에서 1분간 재가열한 후, 나머지 4 패스를 한 후 수랭하는 방식을 사용하였다. 이때 중간에 재가열하는 단계는 재료의 온도를 일정 범위 내에서 유지하여 초기의 성형성을 잃지 않도록 하기 위해서이다. 그리고 공형압연 시 모든 패스마다 재료를 시계 방향으로 90°씩 회전하며 압연하였는데, 예를 들면 1 패스 압연 후 재료를 시계 방향으로 90°회전하여 2 패스 압연을 수행하고 그 후 다시 재료를 시계 방향으로 90°회전하여 (총 180°회전) 3 패스 압연을 수행하는 방식이다.
[비교예 1]
비교예 1에 따른 타이타늄 합금은, 본 발명에 따른 타이타늄 합금과의 비교를 위한 것으로, ASTM F1718-08 규격에 명시된 대로 열처리를 행한 기존의 타이타늄 합금 제조방법에 의하여 제조한 것이다.
먼저, Nb: 13%, Zr: 13%, 나머지 Ti 및 불가피한 불순물로 이루어진 Ti-13Nb-13Zr 합금을, 직경 28mm, 길이 280mm의 봉재로 가공하였다. 이와 같이 가공한 봉재를 열처리로를 사용하여 800℃에서 1시간 동안 열처리한 후 수랭하였다. 이후 해당 재료를 500℃로 가열하여 6시간 동안 열처리한 후, 상온에서 공랭하였다.
한편, ASTM F1718-08 규격은 소재를 용체화 처리 이후 495±14℃에서 6±0.25시간 가열 후 상온에서 공랭하도록 명시하고 있다.
[비교예 2]
비교예 2에 따른 타이타늄 합금은, 본 발명에 따른 타이타늄 합금의 제조방법 중 최종 열처리 방법만을 달리할 경우, 발생하는 미세조직 및 기계적 특성의 차이를 비교하기 위한 것으로, 다음과 같은 방법으로 제조하였다.
중량%로, Nb: 13%, Zr: 13%, 나머지 Ti 및 불가피한 불순물로 이루어진 Ti-13Nb-13Zr 합금을, 직경 28mm, 길이 280mm의 봉재로 가공하였다. 이와 같이 가공한 봉재를 열처리로를 사용하여 800℃에서 1시간 동안 열처리한 후 수랭하였다.
이후 해당 재료를 650℃로 가열하여 1시간 동안 열처리한 후, 50톤급 공형압연기를 이용하여 강소성 가공을 수행하였는데, 공형압연은 650℃로 가열한 봉재를 공형압연기의 4 패스까지 연속적으로 압연한 후 다시 열처리로에 넣고 650℃에서 1분간 재가열한 후, 나머지 4 패스를 한 후 공랭하는 방식을 사용하였다.
미세 조직
이상과 같은 방법으로 제조한 3종의 타이타늄 합금을 TEM을 통해 미세조직을 관찰하였다.
도 1은 본 발명의 실시예 및 비교예 1에 따라 얻은 타이타늄 봉재의 미세조직을 EBSD 기법을 이용하여 관측한 것이다. 도 1은 총 8 패스의 압연을 통해 등축상(equiaxed) 초세립이 형성된 것을 보여주며, 정량적인 분석 결과 평균 결정립 크기는 약 250nm로 측정되었다.
도 1의 대부분을 점유하고 있는 검은색 라인은 해당 결정립계가 15°이상의 고경각계임을 나타내며, 정량적 분석 결과 전체의 86%의 결정립이 고경각 결정립계인 것으로 나타났고, 이는 8 패스의 공형압연을 통해 초세립 봉재의 제조가 가능함을 의미한다.
도 2는 본 발명의 비교예 1에 따라 시효처리된 타이타늄 봉재의 미세조직을 EBSD 상분석 기법으로 관찰한 것이다. 장시간 (α+β) 이상영역에서의 열처리로 인하여 기존의 α침상 조직 사이로 β입자가 석출되어 있다.
도 3은 비교예 2에 따라 공형압연 후 공랭된 타이타늄 합금의 미세조직을 EBSD 상분석 기법으로 관찰한 것이다. 등축상 초세립이 형성된 점은 실시예와 동일하나, EBSD 분석 결과에 따르면 본 소재는 α상 및 β상으로 구성되어 있다. 준안정 마르텐사이트 상인 α'상과 α''상은 존재하지 않거나 혹은 그 함량이 무시될 정도로 작다.
도 4는 실시예에 따라 공형압연 후 수랭된 타이타늄 합금의 미세조직을 고해상도 TEM으로 관찰한 것이다. 도 4에 나타난 바와 같이, 공형압연 후 수랭처리된 타이타늄 봉재의 미세조직은, β상과 함께, 준안정 마르텐사이트 상인 α'상과 α''상을 다량 포함하고 있다.
인장 특성
상기와 같은 미세 조직의 차이가 인장 특성에 미치는 영향을 확인하기 위하여, 게이지 직경 4 mm 및 길이 30 mm 사이즈로 인장 시편을 제작한 후, 인장 시험기를 사용하여 인장 시험을 수행하였다. 구체적인 인장 시험 조건은 상온에서 연신율계(extensometer)를 부착하고 변형률 5 x 10-3 s-1로 실시하였으며, 실험의 정확성을 위해 동일 조건에서 최소 3회 이상 수행하였다.
하기 표 1은 상기 인장 시험 결과를 나타낸 것이고, 도 5는 인장 시험을 통해 얻은 응력-변형률 그래프이다.
합금 인장강도(MPa) 항복강도(MPa) 연신율(%)
실시예 960 810 15
비교예 1 960 870 7
비교예 2 1030 940 8
상기 표 1 및 도 5에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 합금은, 기존 소재인 비교예 1 합금에 비해 인장강도는 유사한 수준이지만 연신율이 2배 이상 향상됨을 알 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 합금은, 비교예 2 합금에 비해서는 인장강도가 다소 떨어지나, 연신율의 측면에서는 2배 가까이 향상됨을 알 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 합금은 기존의 티타늄 합금과 비교할 때, 기계적 강도는 상당한 수준으로 유지하면서, 가공성을 결정하는 연성에서는 현저한 향상을 이룩하였는데, 이는 결정립의 초세립화를 통한 강도 유지와, α'상을 포함하는 다상 조직을 통한 연성의 향상에 기인하는 것으로 보인다.

Claims (16)

  1. (a) Nb 10~15중량%와, Zr 10~15중량%와, 나머지 Ti와 불가피한 불순물을 포함하는 티타늄 합금을 베타변태온도 이상으로 열처리하는 단계;
    (b) 열처리된 티타늄 합금을 수랭하는 단계;
    (c) 수랭된 티타늄 합금을 공형압연가공을 통해 500~700℃에서 단면 감소율 기준 80% 이상의 변형량을 가하는 소성가공 단계; 및
    (d) 소성 가공된 티타늄 합금을 수랭하는 단계;를 포함하는 티타늄 합금의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 (a)~(d) 단계를 통해 얻은 티타늄 합금의 미세조직이, β상과 함께 준안정 마르텐사이트상인 α'상과 α''상을 포함하는 다상 조직으로 이루어진 것을 특징으로 하는 티타늄 합금의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 (a)~(d) 단계를 통해 얻은 티타늄 합금의 항복강도는 800MPa 이상이고, 인장강도는 900MPa 이상이며, 연신율은 10% 이상인 것을 특징으로 하는 티타늄 합금의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 (a) 단계는 742~900℃에서 30분 이상 수행하는 것을 특징으로 하는 티타늄 합금 제조방법.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 공형압연가공은 6~12 패스에 걸쳐 이루어지는 것을 특징으로 하는 티타늄 합금의 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 공형압연가공의 패스 사이에 상기 티타늄 합금을 1~10분간 500~750℃로 가열하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 티타늄 합금의 제조방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 공형압연가공의 각 패스를 수행할 때, 티타늄 합금을 90° 회전시킨 후 다음 패스를 수행하는 것을 특징으로 하는 티타늄 합금의 제조방법.
  9. 제 1 항 내지 제 4 항, 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 (a)~(d) 단계를 통해 얻은 티타늄 합금의 평균 결정립 크기는 1㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 티타늄 합금의 제조방법.
  10. 삭제
  11. 제 1 항 내지 제 4 항, 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 (a)~(d) 단계를 통해 얻은 티타늄 합금의 연신율은 12% 이상인 것을 특징으로 하는 티타늄 합금의 제조방법.
  12. Nb 10~15중량%와, Zr 10~15중량%와, 나머지 Ti와 불가피한 불순물을 포함하고,
    미세조직이, β상과 함께, 준안정 마르텐사이트상인 α'상과 α''상을 포함하는 다상 조직으로 이루어진 것을 특징으로 하는 티타늄 합금.
  13. 삭제
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 티타늄 합금의 항복강도는 800MPa 이상이고, 인장강도는 900MPa 이상이며, 연신율은 10% 이상인 것을 특징으로 하는 티타늄 합금.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 티타늄 합금의 평균 결정립 크기는 1㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 티타늄 합금.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 티타늄 합금의 연신율은 12% 이상인 것을 특징으로 하는 티타늄 합금.

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