KR102332018B1 - High temperature titanium alloy and method for manufacturing the same - Google Patents

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KR102332018B1 KR1020200011343A KR20200011343A KR102332018B1 KR 102332018 B1 KR102332018 B1 KR 102332018B1 KR 1020200011343 A KR1020200011343 A KR 1020200011343A KR 20200011343 A KR20200011343 A KR 20200011343A KR 102332018 B1 KR102332018 B1 KR 102332018B1
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Abstract

중량 %로, Al: 3.0~7.0%, Sn: 2.0~5.0%, Hf: 1.0~6.0%, Nb: 0.1~1.5%, Mo: 0.2~0.6%, Si: 0.2~0.6%, C: 0.05~0.2%, 기타 불가피한 불순물 및 잔부 Ti을 포함하는, 니어 알파 타이타늄 합금이 개시된다. 본 발명에 의하면 석출물에 편석되는 Zr을 대체하는 Hf을 포함하고 기존의 니어 알파 타이타늄 합금인 Ti-1100 합금이나 IMI 834 합금보다 기계적 강도가 우수한 새로운 니어 알파 타이타늄 합금 및 그 제조방법을 제공할 수 있는 장점이 있다.In weight %, Al: 3.0 to 7.0%, Sn: 2.0 to 5.0%, Hf: 1.0 to 6.0%, Nb: 0.1 to 1.5%, Mo: 0.2 to 0.6%, Si: 0.2 to 0.6%, C: 0.05 to A near alpha titanium alloy comprising 0.2%, other unavoidable impurities, and the balance Ti. According to the present invention, it is possible to provide a new near alpha titanium alloy containing Hf that replaces Zr segregated in precipitates and having superior mechanical strength than Ti-1100 alloy or IMI 834 alloy, which is an existing near alpha titanium alloy, and a method for manufacturing the same There are advantages.

Description

고온용 타이타늄 합금 및 그 제조방법{HIGH TEMPERATURE TITANIUM ALLOY AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}HIGH TEMPERATURE TITANIUM ALLOY AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME

본 발명은 기계적 특성이 우수한 고온용 타이타늄 합금과 상기 타이타늄 합금의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a high-temperature titanium alloy having excellent mechanical properties and a method for manufacturing the titanium alloy.

타이타늄 합금은 낮은 밀도와 높은 강도, 우수한 비강도(specific strength) 및 생체 적합성(biocompatibility)을 가지므로 많은 산업분야에 이용되고 있다.Titanium alloy is used in many industrial fields because it has a low density, high strength, excellent specific strength (specific strength) and biocompatibility (biocompatibility).

현재 많이 사용되는 타이타늄 합금은 순수한(또는 상업적으로 순수한) 상태의 CP(commercially pure) 타이타늄, 저온 알파(alpha)상을 주상으로 포함하는 니어(near) 알파 타이타늄 합금, 고온 베타(beta)상과 저온 알파(alpha) 상이 공존하는 알파+베타 타이타늄 합금, 그리고 베타 안정화 원소를 많이 포함한 베타 타이타늄 합금 등으로 구분된다.Titanium alloys currently widely used include CP (commercially pure) titanium in a pure (or commercially pure) state, a near alpha titanium alloy containing a low temperature alpha phase as a main phase, a high temperature beta phase and a low temperature It is classified into an alpha + beta titanium alloy in which an alpha phase coexists, and a beta titanium alloy containing a lot of beta stabilizing elements.

고온 환경에서 사용되는 구조용 재료로 종래에는 내열강이나 니켈 또는 코발트 기지 초합금(alloy)이 주로 사용되었다. 그러나 상기 내열강이나 초합금은 고온에서의 기계적 특성은 우수하나 높은 밀도로 인해 무게가 지나치게 많이 나가는 근본적인 문제가 있다.Conventionally, heat-resistant steel or nickel or cobalt-based superalloys have been mainly used as structural materials used in high-temperature environments. However, although the heat-resistant steel or superalloy has excellent mechanical properties at high temperatures, there is a fundamental problem in that it weighs too much due to its high density.

이로 인해 내열강이나 초합금 대비 밀도가 낮아서 무게가 적고 비강도(specific strength)가 높으면서 고온에서의 기계적 특성도 우수한 니어 알파 타이타늄 합금이 주목을 받고 있다.For this reason, a near-alpha titanium alloy with low density compared to heat-resistant steel or superalloy, which has low weight, high specific strength, and excellent mechanical properties at high temperatures, is attracting attention.

현재 사용되고 있는 대표적인 니어 알파 타이타늄 합금으로는 Ti-1100 합금(wt% 기준으로 Ti-6Al-2.7Sn-4Zr-0.4Mo-0.45Si)과 IMI 834 합금(Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.5Mo-0.35Si) 합금 등이 있다.Representative near-alpha titanium alloys currently used include Ti-1100 alloy (Ti-6Al-2.7Sn-4Zr-0.4Mo-0.45Si based on wt%) and IMI 834 alloy (Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.5 Mo-0.35Si) alloy and the like.

그러나 상기 니어 알파 타이타늄 합금들은 모두 사용 가능 온도가 600℃ 이하로 제한될 뿐만 아니라 상온 및 고온에서의 강도가 약하다는 단점이 있다. 특히 상기 니어 알파 타이타늄 합금들은 모두 타이타늄 합금 내에서 고용 강화에 효과적인 Zr을 4% 정도로 포함한다. 그러나 상기 Zr은 니어 알파 타이타늄 합금의 열처리시에 형성되는 석출물에 많이 편석되어 그 결과 상기 니어 알파 타이타늄 합금들의 기계적 강도 향상에 효과적이지 못한 문제가 있다.However, all of the near alpha titanium alloys have disadvantages in that the usable temperature is limited to 600° C. or less, and the strength at room temperature and high temperature is weak. In particular, all of the near alpha titanium alloys contain about 4% of Zr effective for solid solution strengthening in the titanium alloy. However, the Zr is highly segregated in the precipitates formed during the heat treatment of the near alpha titanium alloy, and as a result, there is a problem in that it is not effective in improving the mechanical strength of the near alpha titanium alloy.

본 발명의 일 측면에서의 목적은 상온 및 고온에서의 기계적 특성이 우수하고 더 나아가 600℃ 이상의 고온에서도 사용할 수 있는 니어 알파 타이타늄 합금 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.An object of one aspect of the present invention is to provide a near alpha titanium alloy that has excellent mechanical properties at room temperature and high temperature and can be used even at a high temperature of 600° C. or more, and a method for manufacturing the same.

보다 구체적으로 본 발명에서는 기존의 Zr 대비 동등 이상의 고용 강화 효과를 가질 수 있고 시효 처리시 형성되는 석출물로 과도하게 빠져나가지 않음으로써 기계적 강도가 우수한 니어 알파 타이타늄 합금 및 그 제조방법을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.More specifically, in the present invention, it is another object to provide a near alpha titanium alloy excellent in mechanical strength and a method for manufacturing the same, which can have a solid solution strengthening effect equal to or greater than that of Zr and does not excessively escape as precipitates formed during aging treatment. do it with

또한 본 발명에서는 열처리 공정에서 석출물을 제어함으로써 기계적 특성이 우수한 니어 알파 타이타늄 합금 및 그 제조방법을 제공하고는 것을 또 다른 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a near alpha titanium alloy having excellent mechanical properties and a method for manufacturing the same by controlling precipitates in the heat treatment process.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에서In order to achieve the above object, in one aspect of the present invention

중량 %로, Al: 3.0~7.0%, Sn: 2.0~5.0%, Hf: 1.0~6.0%, Nb: 0.1~1.5%, Mo: 0.2~0.6%, Si: 0.2~0.6%, C: 0.05~0.2%, 기타 불가피한 불순물 및 잔부 Ti을 포함하는, 니어 알파 타이타늄 합금이 제공된다.In weight %, Al: 3.0 to 7.0%, Sn: 2.0 to 5.0%, Hf: 1.0 to 6.0%, Nb: 0.1 to 1.5%, Mo: 0.2 to 0.6%, Si: 0.2 to 0.6%, C: 0.05 to A near alpha titanium alloy is provided comprising 0.2%, other unavoidable impurities and the balance Ti.

또한, 본 발명의 다른 측면에서In addition, in another aspect of the present invention

중량 %로, Al: 3.0~7.0%, Sn: 2.0~5.0%, Hf: 1.0~6.0%, Nb: 0.1~1.5%, Mo: 0.2~0.6%, Si: 0.2~0.6%, C: 0.05~0.2%, 기타 불가피한 불순물 및 잔부 Ti을 포함하는 타이타늄 합금을 주조하는 단계;In weight %, Al: 3.0 to 7.0%, Sn: 2.0 to 5.0%, Hf: 1.0 to 6.0%, Nb: 0.1 to 1.5%, Mo: 0.2 to 0.6%, Si: 0.2 to 0.6%, C: 0.05 to casting a titanium alloy containing 0.2%, other unavoidable impurities, and the remainder Ti;

상기 주조된 합금을 용체화처리하는 단계;solution heat treating the cast alloy;

상기 용체화처리된 합금을 시효처리하는 단계;를 포함하는 니어 알파 타이타늄 합금의 제조방법이 제공된다.There is provided a method for producing a near alpha titanium alloy comprising; aging the solution heat treated alloy.

본 발명에 의하면 석출물에 편석되는 Zr을 대체하는 Hf을 포함하고 기존의 니어 알파 타이타늄 합금인 Ti-1100 합금이나 IMI 834 합금보다 기계적 강도가 우수한 새로운 니어 알파 타이타늄 합금 및 그 제조방법을 제공할 수 있는 장점이 있다.According to the present invention, it is possible to provide a new near alpha titanium alloy containing Hf that replaces Zr segregated in precipitates and having superior mechanical strength than Ti-1100 alloy or IMI 834 alloy, which is an existing near alpha titanium alloy, and a method for manufacturing the same There are advantages.

또한, 본 발명에 의하면 열처리 시 석출물을 제어함으로써 기존의 니어 알파 타이타늄 합금인 Ti-1100 합금이나 IMI 834 합금보다 기계적 강도뿐만 아니라 연신율도 우수한 새로운 니어 알파 타이타늄 합금 및 그 제조방법을 제공할 수 있는 장점이 있다.In addition, according to the present invention, by controlling the precipitates during heat treatment, it is possible to provide a new near alpha titanium alloy and a method for manufacturing the same, which have superior mechanical strength as well as elongation than the existing near alpha titanium alloy Ti-1100 alloy or IMI 834 alloy. There is this.

한편, 본 발명에 의하면 합금 원소의 첨가를 통해 고온 열처리 시 결정립 성장을 억제함으로써 기계적 특성이 우수한 새로운 니어 알파 타이타늄 합금 및 그 제조방법을 제공할 수 있는 장점이 있다.Meanwhile, according to the present invention, there is an advantage in that it is possible to provide a new near alpha titanium alloy having excellent mechanical properties and a method for manufacturing the same by suppressing grain growth during high-temperature heat treatment through the addition of alloying elements.

상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.In addition to the above-described effects, the specific effects of the present invention will be described together while describing specific details for carrying out the invention below.

도 1은 본 발명의 실시예 5 합금을 용체화 처리 및 700℃/5시간 시효 처리한 미세조직을 광학 현미경으로 관찰한 사진이다.
도 2는 본 발명의 실시예 5 합금을 용체화 처리 및 650℃/5시간 시효 처리한 미세조직(a)과 SADP(selected area diffraction pattern)(b), 그리고 실시예 5 합금을 용체화 처리 및 700℃/5시간 시효 처리한 미세조직(c)과 SADP(selected area diffraction pattern)(d)를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예 5 합금을 용체화 처리 및 650℃/5시간 시효 처리한 미세조직(a)과 700℃/5시간 시효 처리한 미세조직(b)을 투과전자현미경으로 관찰한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예 4 및 5의 타이타늄 합금을 용체화 처리 및 시효처리 한 후 상온 및 650℃에서 측정한 인장강도 결과를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예 4 및 5의 타이타늄 합금을 용체화 처리 및 시효처리 한 후 상온 및 650℃에서 측정한 인장강도 결과를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예 5의 타이타늄 합금을 각각 650℃ 및 700℃에서 시효 처리 후 상온 및 650℃에서 인장 실험한 시편의 파단면 사진을 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 실시예 7의 타이타늄 합금을 700℃에서 시효 처리 후 650℃에서 인장 실험한 결과를 나타낸 그래프를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 실시예 7의 타이타늄 합금을 700℃에서 시효 처리 후 상온에서 인장 실험한 결과를 나타낸 그래프를 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 실시예 8의 타이타늄 합금을 700℃에서 시효 처리 후 650℃에서 인장 실험한 결과를 나타낸 그래프를 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 실시예 8의 타이타늄 합금을 700℃에서 시효 처리 후 상온에서 인장 실험한 결과를 나타낸 그래프를 도시한 것이다.
1 is a photograph of the microstructure of Example 5 alloy of the present invention subjected to solution treatment and aging at 700° C./5 hours under an optical microscope.
2 is a microstructure (a) and SADP (selected area diffraction pattern) (b) obtained by solution heat treatment and 650° C./5 hour aging treatment of the alloy of Example 5 of the present invention, and solution treatment of the alloy of Example 5 and The microstructure (c) and SADP (selected area diffraction pattern) (d) after aging at 700° C./5 hours are shown.
3 is a microstructure (a) of Example 5 alloy of the present invention subjected to solution heat treatment and aging at 650° C./5 hours and microstructure (b) aged at 700° C./5 hours observed with a transmission electron microscope. .
4 shows the tensile strength results measured at room temperature and 650° C. after solution heat treatment and aging treatment of the titanium alloys of Examples 4 and 5 of the present invention.
5 shows the tensile strength results measured at room temperature and 650° C. after solution heat treatment and aging treatment of the titanium alloys of Examples 4 and 5 of the present invention.
6 is a view showing a cross-sectional photograph of a specimen in which the titanium alloy of Example 5 of the present invention was subjected to a tensile test at room temperature and 650° C. after aging treatment at 650° C. and 700° C., respectively.
7 is a graph showing the results of the tensile test at 650 ℃ after aging treatment at 700 ℃ the titanium alloy of Example 7 of the present invention.
8 is a graph showing the results of a tensile test at room temperature after aging the titanium alloy of Example 7 of the present invention at 700 ℃.
9 is a graph showing the results of the tensile test at 650 ℃ after aging treatment at 700 ℃ the titanium alloy of Example 8 of the present invention.
10 is a graph showing the results of a tensile test at room temperature after aging the titanium alloy of Example 8 of the present invention at 700 ℃.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, with reference to the drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can easily implement them. The present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다. 또한, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가질 수 있다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 수 있다.In order to clearly explain the present invention, parts irrelevant to the description are omitted, and the same reference numerals are given to the same or similar elements throughout the specification. Further, some embodiments of the present invention will be described in detail with reference to exemplary drawings. In adding reference numerals to components of each drawing, the same components may have the same reference numerals as much as possible even though they are indicated in different drawings. In addition, in describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known configuration or function may obscure the gist of the present invention, the detailed description may be omitted.

본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질, 차례, 순서 또는 개수 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 다른 구성 요소가 "개재"되거나, 각 구성 요소가 다른 구성 요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.In describing the components of the present invention, terms such as first, second, A, B, (a), (b), etc. may be used. These terms are only for distinguishing the elements from other elements, and the nature, order, order, or number of the elements are not limited by the terms. When it is described that a component is “connected”, “coupled” or “connected” to another component, the component may be directly connected or connected to the other component, but other components may be interposed between each component. It will be understood that each component may be “interposed” or “connected”, “coupled” or “connected” through another component.

타이타늄은 체심입방격자(body centered cubic, BCC) 구조를 가지는 고온의 베타상과 육방체밀격자(hexagonal closed packed, HCP) 구조를 가지는 저온의 알파상의 두 가지 결정구조를 가지는 동소변태(polymorphous) 원소이다.Titanium is a polymorphous element having two crystal structures: a high-temperature beta phase with a body centered cubic (BCC) structure and a low-temperature alpha phase with a hexagonal closed packed (HCP) structure. .

상기 타이타늄에 전이금속이 첨가되면, 상기 타이타늄의 고온 베타상이 안정해지는 영역이 넓어지게 된다. 다시 말하면 고온 베타상이 저온 알파상으로 상변태되는 온도인 베타 트랜서스(beta transus) 온도가 감소하게 된다.When a transition metal is added to the titanium, a region in which the high-temperature beta phase of the titanium is stabilized is widened. In other words, the beta transus temperature, which is the temperature at which the high-temperature beta phase is transformed into the low-temperature alpha phase, decreases.

이 때 각 첨가되는 합금원소에 따라 베타상이 안정화되는 정도가 달라지는데, Mo(molybdenum)을 기준으로 각 합금원소 별로 베타상 안정화 정도를 나타낸 것을 다음과 같은 Mo 당량(Mo equivalency)이라 한다.At this time, the degree of stabilization of the beta phase varies depending on each added alloying element. The degree of stabilization of the beta phase for each alloying element based on Mo (molybdenum) is referred to as the following Mo equivalency.

[Mo]eq = [Mo] + 0.67 [V] + 0.44 [W] + 0.28 [Nb] + 0.22 [Ta] + 2.9 [Fe] + 1.6 [Cr] + 1.25 [Ni] + 1.7 [Mn] + 1.7 [Co] - 1.0 [Al][Mo]eq = [Mo] + 0.67 [V] + 0.44 [W] + 0.28 [Nb] + 0.22 [Ta] + 2.9 [Fe] + 1.6 [Cr] + 1.25 [Ni] + 1.7 [Mn] + 1.7 [Co] - 1.0 [Al]

한편 Al은 타이타늄 합금에서 저온 알파상을 안정화시키는 대표적인 합금 원소이다.On the other hand, Al is a representative alloying element that stabilizes the low-temperature alpha phase in a titanium alloy.

따라서 상기 Mo 당량을 계산할 때, Al은 다른 베타 안정화 원소 값과는 달리 음(negative)의 값을 가지는 것으로 계산된다.Therefore, when calculating the Mo equivalent, Al is calculated to have a negative value unlike other beta stabilizing element values.

한편 타이타늄 합금에 첨가되는 합금원소에 따라 알파상이 안정화되는 정도가 달라지는데, Al(aluminum)을 기준으로 각 합금원소 별로 알파상 안정화 정도를 나타낸 것을 상기 Mo 당량과 구분되는 개념으로 다음과 같은 Al 당량(Al equivalency)이라 한다.On the other hand, the degree of stabilization of the alpha phase varies depending on the alloying element added to the titanium alloy. The degree of stabilization of the alpha phase for each alloying element based on Al (aluminum) is a concept distinct from the Mo equivalent. Al equivalency).

[Al]eq = [Al] + 1/6 [Zr] + 1/3 [Sn] + 10 [O][Al] eq = [Al] + 1/6 [Zr] + 1/3 [Sn] + 10 [O]

본 발명에서의 니어 알파 타이타늄 합금은 기존의 Ti-1100 합금이나 IMI 834 합금에서의 Zr의 대부분을 다른 원소로 치환하거나 Zr을 포함하지 않는 것을 제 1 특징으로 한다. 이를 위해 본 발명에서 Hf(hafnium)을 필수 성분으로 포함한다.The near alpha titanium alloy in the present invention is characterized in that most of the Zr in the existing Ti-1100 alloy or IMI 834 alloy is substituted with other elements or does not contain Zr. For this purpose, Hf (hafnium) is included as an essential component in the present invention.

본 발명에서 Hf을 포함하는 이유는 다음과 같다.The reason for including Hf in the present invention is as follows.

일반적으로 타이타늄 합금은 침입형 원소에 의한 강화, 고용 강화, 석출 강화 및 전위 밀도 또는 결정립 미세화 강화 메커니즘에 의해 강화된다.In general, titanium alloys are strengthened by interstitial element strengthening, solid solution strengthening, precipitation strengthening, and dislocation density or grain refining strengthening mechanisms.

상기 강화 메커니즘 가운데 침입형 원소에 의한 강화는 취성을 유발시킬 수 있기 때문에 바람직하지 못하다.Among the strengthening mechanisms, strengthening by interstitial elements is not preferable because it may cause brittleness.

따라서 본 발명의 타이타늄 합금이 이용할 수 있는 강화 메커니즘은 나머지 고용 강화와 석출 강화 및 전위 밀도 또는 결정립 미세화 강화로 귀결된다.Therefore, the strengthening mechanism usable by the titanium alloy of the present invention results in the remaining solid solution strengthening, precipitation strengthening, and dislocation density or grain refining strengthening.

그 중에서도 고용 강화는 고온에서도 일정 수준 이상으로 유지되므로, 그 결과 고온 강도 및 내크리프 특성도 향상시킬 수 있다.Among them, since solid solution strengthening is maintained at a certain level or more even at high temperatures, as a result, high temperature strength and creep resistance can also be improved.

이 때 Hf은 Al 등과 함께 타이타늄 합금에서 가장 대표적인 고용 강화 원소이다. 특히 Hf은 본 발명의 타이타늄 합금의 기지인 알파 상을 강화시킬 뿐만 아니라 후속 열처리 공정 중에 형성되는 석출물과 기지 내에 비교적 균일하게 분포할 수 있다. 그 결과 Hf은 열처리 후에도 고용강화 효과를 지속적으로 유지할 수 있는 장점이 있다.At this time, Hf is the most representative solid solution strengthening element in a titanium alloy along with Al and the like. In particular, Hf may not only strengthen the alpha phase, which is the matrix of the titanium alloy of the present invention, but also be relatively uniformly distributed in the matrix and precipitates formed during the subsequent heat treatment process. As a result, Hf has the advantage of continuously maintaining the solid solution strengthening effect even after heat treatment.

또한 본 발명에서는 또 다른 조성적 특징으로 B(boron)을 포함할 수 있다.Also, in the present invention, B (boron) may be included as another compositional feature.

B이 타이타늄 합금에 첨가되면, B은 Ti와 반응하여 TiB 또는 TiB2 조성의 Ti boride를 형성한다.When B is added to the titanium alloy, B reacts with Ti to form Ti boride of TiB or TiB 2 composition.

상기 Ti boride는 액상 상태에서 정출(primary precipitation)되므로 본 발명의 타이타늄 합금의 후속 열처리(특히 용체화 처리) 시 결정립의 조대화를 억제함으로써 기계적 특성 향상에 도움이 된다.Since Ti boride is crystallized in a liquid state (primary precipitation), it helps to improve mechanical properties by suppressing coarsening of grains during subsequent heat treatment (especially solution heat treatment) of the titanium alloy of the present invention.

상기와 같은 기술적 이유를 바탕으로, 본 발명의 일 측면에서Based on the above technical reasons, in one aspect of the present invention

중량 %로, Al: 3.0~7.0%, Sn: 2.0~5.0%, Hf: 1.0~6.0%, Nb: 0.1~1.5%, Mo: 0.2~0.6%, Si: 0.2~0.6%, C: 0.05~0.2%, 기타 불가피한 불순물 및 잔부 Ti을 포함하는, 니어 알파 타이타늄 합금을 제공한다.In weight %, Al: 3.0 to 7.0%, Sn: 2.0 to 5.0%, Hf: 1.0 to 6.0%, Nb: 0.1 to 1.5%, Mo: 0.2 to 0.6%, Si: 0.2 to 0.6%, C: 0.05 to 0.2%, other unavoidable impurities and the balance Ti, providing a near alpha titanium alloy.

일 구체예에서,In one embodiment,

상기 니어 알파 타이타늄 합금은 중량 %로, Al: 3.0~7.0%, Sn: 2.0~5.0%, Zr: 1.5~3.0%, Hf: 1.5~4.5%, Nb: 0.1~1.5%, Mo: 0.2~0.6%, Si: 0.2~0.6%, C: 0.05~0.2%, 기타 불가피한 불순물 및 잔부 Ti을 포함할 수 잇다.The near alpha titanium alloy is in weight %, Al: 3.0 to 7.0%, Sn: 2.0 to 5.0%, Zr: 1.5 to 3.0%, Hf: 1.5 to 4.5%, Nb: 0.1 to 1.5%, Mo: 0.2 to 0.6 %, Si: 0.2 to 0.6%, C: 0.05 to 0.2%, and other unavoidable impurities and the remainder may include Ti.

다른 구체예에서,In another embodiment,

상기 니어 알파 타이타늄 합금은 중량 %로, Al: 5.5~7.0%, Sn: 2.5~4.0%, Zr: 1.5~3.0%, Hf: 1.5~4.5%, Nb: 0.1~1.5%, Mo: 0.2~0.6%, Si: 0.2~0.6%, C: 0.05~0.2%, 기타 불가피한 불순물 및 잔부 Ti을 포함할 수 있다.The near alpha titanium alloy is weight %, Al: 5.5-7.0%, Sn: 2.5-4.0%, Zr: 1.5-3.0%, Hf: 1.5-4.5%, Nb: 0.1-1.5%, Mo: 0.2-0.6 %, Si: 0.2 to 0.6%, C: 0.05 to 0.2%, and other unavoidable impurities and the remainder may include Ti.

다른 일 구체예에서, In another embodiment,

상기 니어 알파 타이타늄 합금은The near alpha titanium alloy is

중량 %로, Al: 3.0~7.0%, Sn: 2.0~5.0%, Hf: 1.0~6.0%, Nb: 0.1~1.5%, Mo: 0.2~0.6%, Si: 0.2~0.6%, C: 0.05~0.2%, 기타 불가피한 불순물 및 잔부 Ti을 포함하고, Zr을 포함하지 않을 수 있다.In weight %, Al: 3.0 to 7.0%, Sn: 2.0 to 5.0%, Hf: 1.0 to 6.0%, Nb: 0.1 to 1.5%, Mo: 0.2 to 0.6%, Si: 0.2 to 0.6%, C: 0.05 to 0.2%, other unavoidable impurities and the remainder may contain Ti, and may not contain Zr.

또 다른 구체예에서In another embodiment

상기 니어 알파 타이타늄 합금은The near alpha titanium alloy is

중량 %로, Al: 5.5~7.0%, Sn: 2.5~4.0%, Hf: 2.5~5.5%, Nb: 0.1~1.5%, Mo: 0.2~0.6%, Si: 0.2~0.6%, B: 0.05~0.2% C: 0.05~0.2%, 기타 불가피한 불순물 및 잔부 Ti를 포함하고, Zr을 포함하지 않을 수 있다.In weight %, Al: 5.5-7.0%, Sn: 2.5-4.0%, Hf: 2.5-5.5%, Nb: 0.1-1.5%, Mo: 0.2-0.6%, Si: 0.2-0.6%, B: 0.05- 0.2% C: 0.05 to 0.2%, including other unavoidable impurities and the remainder Ti, and may not contain Zr.

또한, 바람직하게는 상기 니어 알파 타이타늄 합금은 상기 조성에 B: 0.05~0.2%를 더 포함할 수 있다.In addition, preferably, the near alpha titanium alloy may further include B: 0.05 to 0.2% in the composition.

만일 Al의 첨가량이 3%보다 적으면, Al 첨가에 따른 고용강화 효과가 작아서, 그 결과 최종 타이타늄 합금의 강도 및 경도가 저하되는 문제가 있다.If the addition amount of Al is less than 3%, the solid solution strengthening effect according to the Al addition is small, as a result, there is a problem that the strength and hardness of the final titanium alloy is lowered.

반면 Al의 첨가량이 7%보다 많으면, 과도한 Al 첨가에 따라 시효과정에서 α2상(Ti3Al) 석출물이 지나치게 형성되는 문제가 있다.On the other hand, when the amount of Al added is more than 7%, there is a problem in that α 2 phase (Ti 3 Al) precipitates are excessively formed in the aging process according to the excessive Al addition.

한편 Sn은 Al보다는 알파상 안정화능이 적은 거의 중성형 원소이며,On the other hand, Sn is an almost neutral element with less alpha phase stabilization ability than Al.

고용 강화능과 함께 고온 강도 및 내크리프 특성을 향상시킨다.It improves high temperature strength and creep resistance along with solid solution strengthening ability.

Sn의 첨가량이 2%보다 적으면, Sn 첨가에 따른 상기 강화 효과가 작아서 그 결과 최종 타이타늄 합금의 강도 및 고온 특성이 저하되는 문제가 있다.When the amount of Sn added is less than 2%, the strengthening effect according to the Sn addition is small, and as a result, there is a problem in that the strength and high temperature characteristics of the final titanium alloy are lowered.

반면 Sn의 첨가량이 5%보다 많으면, 과도한 Sn 첨가에 따라 시효과정에서 α2상(Ti3Al) 석출물이 지나치게 형성되는 문제가 있다. 또한 Sn의 과도한 첨가는 타이타늄 합금의 비중을 높여서 비강도를 저하시키는 문제가 있다.On the other hand, when the amount of Sn added is more than 5%, there is a problem in that α 2 phase (Ti 3 Al) precipitates are excessively formed in the aging process according to the excessive Sn addition. In addition, excessive addition of Sn increases the specific gravity of the titanium alloy, there is a problem of lowering the specific strength.

Zr은 Al 및 Sn보다는 알파상 안정화능이 적은 거의 중성형 원소이며, Ti와 전율 고용체를 형성하며 고용 강화 효과가 있다.Zr is an almost neutral element that has less alpha phase stabilization ability than Al and Sn, and forms a constant solid solution with Ti and has a solid solution strengthening effect.

Zr의 첨가량이 3%보다 많으면, 후속 시효 처리시 과도한 Zr이 시효 시 형성되는 석출물에 편석되어 기지의 고용 강화 효과를 유지시키기 어려운 문제가 있다.When the amount of Zr added is more than 3%, there is a problem in that excessive Zr is segregated in precipitates formed during aging during subsequent aging treatment, making it difficult to maintain the solid solution strengthening effect of the matrix.

바람직하게는 Zr을 2.5% 이하, 더 바람직하게는 2% 이하 포함할 수 있으며, Zr을 아예 포함하지 않을 수도 있다.Preferably, it may contain 2.5% or less of Zr, more preferably 2% or less, and may not contain Zr at all.

Hf은 위에서 설명한 바와 같이, 고용 강화 효과와 함께 시효 이후에도 기지 내에서 대부분 잔존하므로 고용강화 유지 효과가 뛰어난 장점이 있다.As described above, since most of Hf remains in the base even after aging along with the solid solution strengthening effect, it has an excellent advantage in the solid solution strengthening and maintaining effect.

Hf의 첨가량이 1%보다 적으면, Hf 첨가에 따른 상기 강화 효과가 작아서, 그 결과 최종 타이타늄 합금의 강도 및 고온 특성이 저하되는 문제가 있다.When the amount of Hf added is less than 1%, the strengthening effect according to the addition of Hf is small, and as a result, there is a problem in that the strength and high temperature characteristics of the final titanium alloy are lowered.

반면 Hf의 첨가량이 6%보다 많으면, 과도한 Hf 첨가에 따라 연성이 감소되고 타이타늄 합금의 밀도를 높여서 비강도를 떨어뜨리는 문제가 있다.On the other hand, if the amount of Hf added is more than 6%, there is a problem in that the ductility is reduced according to the excessive addition of Hf and the specific strength is lowered by increasing the density of the titanium alloy.

Nb은 베타상 안정화 원소로써 크리프 강도와 피로 강도를 향상시킨다.Nb is a beta-phase stabilizing element and improves creep strength and fatigue strength.

Nb의 첨가량이 0.1%보다 적으면, Nb 첨가에 따른 상기 고온 특성 향상의 효과를 제대로 발휘하지 문제가 있다.When the amount of Nb added is less than 0.1%, there is a problem in that the effect of improving the high-temperature characteristics according to the addition of Nb is not properly exhibited.

반면 Nb의 첨가량이 1.5%보다 많으면, 과도한 Nb 첨가에 따라 고온 베타상 비율이 증가함으로써 오히려 고온 강도 및 내크리프 특성이 저하되는 문제가 있다.On the other hand, when the amount of Nb added is more than 1.5%, there is a problem in that the high-temperature beta phase ratio is increased according to the excessive addition of Nb, so that the high-temperature strength and creep resistance properties are rather deteriorated.

Mo도 Nb과 같이 베타상 안정화 원소이며, 상온 및 고온 영역에서의 강도를 향상시킨다.Mo is also a beta-phase stabilizing element like Nb, and improves strength at room temperature and high temperature.

Mo의 첨가량이 0.2%보다 적으면, Mo 첨가에 따른 상기 강화 효과가 작아서 그 결과 최종 타이타늄 합금의 강도 및 고온 특성이 저하되는 문제가 있다.When the amount of Mo added is less than 0.2%, the strengthening effect according to the addition of Mo is small, and as a result, there is a problem in that the strength and high temperature characteristics of the final titanium alloy are lowered.

반면 Mo의 첨가량이 0.6%보다 많으면, 과도한 Mo 첨가에 따라 고온 베타상 비율이 증가함으로써 오히려 고온 강도 및 내크리프 특성이 저하되는 문제가 있다.On the other hand, when the addition amount of Mo is more than 0.6%, there is a problem in that high temperature strength and creep resistance properties are rather deteriorated because the high temperature beta phase ratio is increased according to the excessive addition of Mo.

Si은 시효 처리 시 Ti5Si3와 같은 Ti silicide를 형성함으로써 고온 크리프 특성을 향상시킨다.Si improves high-temperature creep properties by forming Ti silicide such as Ti 5 Si 3 during aging treatment.

Si의 첨가량이 0.2%보다 적으면, 석출되는 Ti silicide의 양이 지나치게 작아서 고온 크리프 특성 향상을 구현하기 어려운 문제가 있다.When the amount of Si added is less than 0.2%, the amount of Ti silicide to be precipitated is too small, so that it is difficult to improve the high temperature creep properties.

반면 Si의 첨가량이 0.6%보다 많으면, 과도한 Si 첨가에 따라 석출되는 Ti silicide의 양이 지나치게 많아서 그 결과 연성이 크게 저하되는 문제가 있다.On the other hand, when the amount of Si added is more than 0.6%, the amount of Ti silicide precipitated by excessive Si addition is too large, and as a result, there is a problem that ductility is greatly reduced.

C는 O와 함께 대표적인 알파 안정화 원소로써 상온부터 고온까지 강도 향상에 기여함과 함께 고온 크리프 강도를 향상시킨다.C is a representative alpha stabilizing element along with O, contributing to strength improvement from room temperature to high temperature and improving high temperature creep strength.

C의 첨가량이 0.05% 이상부터 상기와 같은 C의 첨가 효과가 발현되며, C의 첨가량이 0.2%보다 많으면 타이타늄 합금에 취성이 발생될 수 있는 문제가 있다.When the amount of C added is 0.05% or more, the effect of the addition of C is expressed, and when the amount of C added is more than 0.2%, there is a problem that brittleness may occur in the titanium alloy.

마지막으로 B의 경우, 첨가량이 0.05%보다 적으면 정출되는 Ti boride의 양이 지나치게 작아서 결정립 미세화 효과 등의 구현이 어려운 문제가 있다.Lastly, in the case of B, if the addition amount is less than 0.05%, the amount of crystallized Ti boride is too small, so there is a problem in that it is difficult to implement the effect of refining the grains.

반면 B의 첨가량이 0.2%보다 많으면, 과도한 B 첨가에 따라 정출되는 Ti boride의 조성이 TiB에서 TiB2로 바뀌게 될 뿐만 아니라 Ti boride의 형상 또한 blocky하게 변화함으로써 그 결과 타이타늄 합금의 연성을 크게 떨어뜨리는 문제가 있다.On the other hand, if the amount of B added is more than 0.2%, the composition of Ti boride that is crystallized according to the excessive B addition changes from TiB to TiB 2, and the shape of Ti boride also changes blocky. As a result, the ductility of the titanium alloy is greatly reduced. there is a problem.

상기 합금은 알파상 계면에서 존재하는 silicide 석출물을 포함할 수 있다.The alloy may include silicide precipitates present at the alpha phase interface.

상기 합금은, B를 더 포함하는 경우, 알파상 계면에서 존재하는 silicide 석출물과, Ti-boride 정출물을 포함할 수 있다.The alloy, when further comprising B, may include a silicide precipitate present at the alpha phase interface, and a Ti-boride crystal.

상기 합금은 규칙상인 α2상을 포함하지 않을 수 있다.The alloy may not include a regular α 2 phase.

상기 조성을 가지는 본 발명의 일 측면에서 제공되는 니어 알파 타이타늄 합금은 Mo 당량이 0.4 내지 0.7 이며, Al 당량은 7.2 내지 8.0 범위를 가지게 된다.The near alpha titanium alloy provided in one aspect of the present invention having the above composition has an Mo equivalent of 0.4 to 0.7, and an Al equivalent of 7.2 to 8.0.

만일 Mo 당량이 0.4 보다 작거나 Al 당량이 8.0 보다 높게 되면, 시효 처리시 또는 용체화 처리 후 냉각된 타이타늄 합금의 알파상의 분율이 지나치게 높아져서 열처리 온도가 너무 높아지는 문제가 있다. 반면에 Mo 당량이 0.7 보다 크거나 Al 당량이 7.2 보다 낮게 되면, 베타상의 분율이 지나치게 높아져서 니어 알파 합금이 아닌 알파+베타 합금의 미세조직을 가지게 되어 고온에서의 기계적 특성이 저하되는 문제가 있다.If the Mo equivalent is less than 0.4 or the Al equivalent is higher than 8.0, the fraction of the alpha phase of the cooled titanium alloy during aging treatment or after solution heat treatment is excessively high, so that there is a problem in that the heat treatment temperature is too high. On the other hand, when the Mo equivalent is greater than 0.7 or the Al equivalent is lower than 7.2, the fraction of the beta phase is excessively high and has a microstructure of an alpha + beta alloy, not a near alpha alloy, and thus there is a problem in that mechanical properties at high temperatures are deteriorated.

본 발명의 다른 측면에서In another aspect of the invention

중량 %로, Al: 3.0~7.0%, Sn: 2.0~5.0%, Hf: 1.0~6.0%, Nb: 0.1~1.5%, Mo: 0.2~0.6%, Si: 0.2~0.6%, C: 0.05~0.2%, 기타 불가피한 불순물 및 잔부 Ti을 포함하는 타이타늄 합금을 주조하는 단계;In weight %, Al: 3.0 to 7.0%, Sn: 2.0 to 5.0%, Hf: 1.0 to 6.0%, Nb: 0.1 to 1.5%, Mo: 0.2 to 0.6%, Si: 0.2 to 0.6%, C: 0.05 to casting a titanium alloy containing 0.2%, other unavoidable impurities, and the remainder Ti;

상기 주조된 합금을 용체화처리하는 단계;solution heat treating the cast alloy;

상기 용체화처리된 합금을 시효처리하는 단계;를 포함하는 니어 알파 타이타늄 합금의 제조방법이 제공된다.There is provided a method for producing a near alpha titanium alloy comprising; aging the solution heat treated alloy.

타이타늄 합금의 각 성분 및 함량 범위에 대하여는 앞서 설명하였는 바 중복하여 설명하지 않는다.Each component and content range of the titanium alloy will not be repeatedly described as previously described.

이후 상기 합금들은 베타 단상 영역에서 단조된 후, 알파+베타 영역에서 1시간 동안 유지된 후 급냉하는 용체화처리 하는 단계를 수행할 수 있다.After the alloys are forged in the beta single phase region, the solution heat treatment step of quenching after being maintained for 1 hour in the alpha + beta region may be performed.

이후, 상기 용체화 처리된 합금을 시효처리하는 단계를 수행할 수 있다.Thereafter, the aging treatment of the solution heat-treated alloy may be performed.

600℃ 이상의 온도에서 시효처리될 수 있다.It can be aged at a temperature of 600°C or higher.

이 때, 상기 단조 공정은 생략될 수도 있다. 특히 B이 첨가된 본 발명의 타이타늄 합금에서는 Ti-boride의 정출로 인해 타이타늄 합금의 결정립이 미세화되고 균일화될 수 있으므로, 이 경우 상기 단조 공정은 생략해도 무방하다.In this case, the forging process may be omitted. In particular, in the titanium alloy of the present invention to which B is added, the crystal grains of the titanium alloy may be refined and uniform due to the crystallization of Ti-boride. In this case, the forging process may be omitted.

상기 시효처리 온도는 600 내지 800℃가 바람직하다. 바람직하게는 700 내지 800℃일 수 있다.The aging treatment temperature is preferably 600 to 800 ℃. Preferably it may be 700 to 800 ℃.

만일 시효처리 온도가 600℃ 보다 낮은 경우, 낮은 시효처리 온도로 인해 시효시간이 지나치게 증가할 뿐만 아니라 더 나아가 니어 알파 타이타늄이 사용되는 온도와 시효온도가 차이가 작게 된다. 그 결과 니어 알파 타이타늄 합금의 사용 중에 시효가 발생하여 타이타늄 합금의 미세조직의 변화와 함께 기계적 특성의 변화가 발생하기 때문이다.If the aging treatment temperature is lower than 600°C, the aging time is excessively increased due to the low aging treatment temperature, and furthermore, the difference between the aging temperature and the temperature at which the near alpha titanium is used is small. As a result, aging occurs during the use of the near alpha titanium alloy, which causes changes in mechanical properties along with changes in the microstructure of the titanium alloy.

반면 시효처리 온도는 이론적으로는 베타 단상 영역 이하까지 가능하나, 800℃ 보다 높게 되면 결정립 성장과 함께 석출되는 석출물들의 조대화가 발생하여 기계적 특성에 악영향을 미칠 수 있다.On the other hand, the aging treatment temperature is theoretically possible up to the beta single-phase region or less, but when it is higher than 800° C., coarsening of the precipitates precipitated with grain growth occurs, which may adversely affect the mechanical properties.

이하, 실시예 및 실험예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through Examples and Experimental Examples. The scope of the present invention is not limited to specific embodiments, and should be construed by the appended claims. In addition, those skilled in the art will understand that many modifications and variations are possible without departing from the scope of the present invention.

<실시예><Example>

먼저 본 발명의 타이타늄 합금은 바(bar) 형태의 잉곳을 VAR(vacuum arc remelting)을 이용하여 제조되었다. 본 발명에서 제조된 타이타늄 합금 및 Ti-1100 합금 및 IMI 834 합금의 조성은 아래의 표 1과 같다.First, the titanium alloy of the present invention was prepared using a bar-shaped ingot (vacuum arc remelting) using VAR (vacuum arc remelting). Compositions of the titanium alloy, Ti-1100 alloy, and IMI 834 alloy prepared in the present invention are shown in Table 1 below.

합금명alloy name Al
(wt%)
Al
(wt%)
Sn
(wt%)
Sn
(wt%)
Zr
(wt%)
Zr
(wt%)
Hf
(wt%)
Hf
(wt%)
Nb
(wt%)
Nb
(wt%)
Mo
(wt%)
Mo
(wt%)
Si
(wt%)
Si
(wt%)
B
(wt%)
B
(wt%)
C
(wt%)
C
(wt%)
O
(wt%)
O
(wt%)
TiTi
Ti-1100Ti-1100 66 2.72.7 44 0.40.4 0.450.45 Bal.Bal. IMI834IMI834 5.85.8 44 3.53.5 0.70.7 0.50.5 0.350.35 0.060.06 Bal.Bal. 실시예1Example 1 3.663.66 33 00 44 0.20.2 0.40.4 0.40.4 0.10.1 0.30.3 Bal.Bal. 실시예2Example 2 3.133.13 44 2.52.5 1.51.5 1One 0.40.4 0.40.4 0.10.1 0.30.3 Bal.Bal. 실시예3Example 3 6.666.66 33 00 44 0.20.2 0.40.4 0.40.4 0.10.1 Bal.Bal. 실시예 4Example 4 6.136.13 44 2.52.5 1.51.5 1One 0.40.4 0.40.4 0.10.1 Bal.Bal. 실시예5Example 5 6.136.13 44 2.52.5 1.51.5 1One 0.40.4 0.40.4 0.10.1 0.10.1 Bal.Bal. 실시예6Example 6 6.666.66 33 00 44 0.20.2 0.40.4 0.40.4 0.10.1 0.10.1 Bal.Bal. 실시예7Example 7 6.666.66 33 22 22 0.20.2 0.40.4 0.40.4 0.10.1 0.10.1 Bal.Bal. 실시예8Example 8 6.666.66 33 44 00 0.20.2 0.40.4 0.40.4 0.10.1 0.10.1 Bal.Bal.

상기 표 1의 합금들은 이후 MD-300S 전자 비중계를 이용하여 밀도 측정되었고, 측정된 밀도는 대략 46 g/㎤ 인 것으로 조사되었다.The alloys of Table 1 were then density measured using an MD-300S electronic hydrometer, and the measured density was found to be approximately 46 g/cm 3 .

상기 합금들의 베타 단상 온도(beta transus temperature)는 금속 조직학적 실험을 통해 대략 1050℃ 정도인 것으로 측정되었다.The beta transus temperature of the alloys was measured to be approximately 1050° C. through metallographic experiments.

이후 상기 합금들은 베타 단상 영역에서 단조 된 후, 알파+베타 영역에서 1시간 동안 유지된 후 급냉하는 용체화 처리 되었고, 600℃ 이상의 온도에서 시간을 변화시키면서 시효처리 된 후 공냉되었다.After that, the alloys were forged in the beta single-phase region and then solution heat treated for rapid cooling after being maintained for 1 hour in the alpha + beta region, aged at a temperature of 600° C. or higher while changing time, and then air-cooled.

이 때, 상기 단조 공정은 생략될 수도 있다. 특히 B이 첨가된 본 발명의 타이타늄 합금에서는 Ti-boride의 정출로 인해 타이타늄 합금의 결정립이 미세화되고 균일화될 수 있으므로, 이 경우 상기 단조 공정은 생략해도 무방하다.In this case, the forging process may be omitted. In particular, in the titanium alloy of the present invention to which B is added, the crystal grains of the titanium alloy may be refined and uniform due to the crystallization of Ti-boride. In this case, the forging process may be omitted.

시효처리는 600~800℃의 온도에서 수행되었다.Aging was carried out at a temperature of 600 to 800 °C.

<실험예 1> 타이타늄 합금의 모폴로지 분석<Experimental Example 1> Morphology analysis of titanium alloy

상기 실시예 합금들의 미세조직은 광학 현미경, 주사전자현미경(JEOL, JSM-6610LV) 및 투과전자현미경(JEOL, JEM 2100)을 통해 관찰 되었다.The microstructure of the alloys of the examples was observed through an optical microscope, a scanning electron microscope (JEOL, JSM-6610LV), and a transmission electron microscope (JEOL, JEM 2100).

도 1은 본 발명의 상기 실시예 6 합금을 용체화 처리 및 700℃/5시간 시효 처리한 미세조직을 광학 현미경으로 관찰한 사진이다.1 is a photograph of the microstructure obtained by solution heat treatment and aging at 700° C./5 hours of the alloy of Example 6 of the present invention observed under an optical microscope.

본 발명의 상기 실시예 6 합금은 B을 0.1% 포함하고 있으므로, 용체화 처리 후에도 비교적 미세한 결정립을 가짐을 도 1로부터 알 수 있다.Since the alloy of Example 6 of the present invention contains 0.1% B, it can be seen from FIG. 1 that it has relatively fine grains even after solution treatment.

도 1에서 화살표로 나타낸 긴 석출물 형상은 TiB 정출물이며, 화살표로 나타낸 다른 blocky 상들은 알파상에 해당한다.The long precipitate shape indicated by the arrow in FIG. 1 is a TiB crystal, and other blocky phases indicated by the arrows correspond to the alpha phase.

도 2는 용체화 처리 및 650℃/5시간 시효 처리한 본 발명의 상기 실시예 6 합금의 미세조직(a)과 SADP(selected area diffraction pattern)(b), 그리고 용체화 처리 및 700℃/5시간 시효 처리한 실시예 6 합금의 미세조직(c)과 SADP(selected area diffraction pattern)(d)를 도시한 것이다.2 is a microstructure (a) and selected area diffraction pattern (SADP) (b) of the alloy of Example 6 of the present invention subjected to solution heat treatment and aging at 650° C./5 hours, and solution heat treatment and 700° C./5 The microstructure (c) and selected area diffraction pattern (SADP) (d) of the alloy of Example 6 subjected to time aging are shown.

도 2 (a), (b)에서 도시하는 바와 같이, 본 발명의 실시예 6 타이타늄 합금을 650℃에서 시효처리한 합금은 α2상이 균일하게 분포함을 알 수 있다. 또한 도 2(b)의 SADP에서는 초격자가 관찰되는데, 이는 규칙상인 α2상의 존재를 직접 적으로 입증하는 것이다.As shown in FIGS. 2 (a) and (b), it can be seen that the α 2 phase is uniformly distributed in the alloy obtained by aging the titanium alloy of Example 6 at 650° C. of the present invention. In addition, a superlattice is observed in the SADP of FIG. 2(b), which directly proves the existence of the regular α 2 phase.

반면, 도 2 (c)에서 도시하는 바와 같이, 본 발명의 실시예 6 타이타늄 합금을 700℃에서 시효처리한 합금은 α2상이 관찰되지 않았다. 또한 도 2(d)의 SADP에서도 초격자가 관찰되지 않았는데, 이는 본 발명의 실시예 6 타이타늄 합금을 700℃에서 시효처리한 합금에서는 α2상이 더 이상 존재하지 않음을 보여주는 것이다. On the other hand, as shown in Fig. 2 (c), the α 2 phase was not observed in the alloy obtained by aging the titanium alloy of Example 6 at 700° C. of the present invention. Also, no superlattice was observed in the SADP of FIG. 2(d), which shows that the α 2 phase no longer exists in the alloy obtained by aging the titanium alloy of Example 6 of the present invention at 700°C.

상기 α2상은 규칙상이고, 일반적으로 규칙상들은 온도가 올라갈수록 열역학적으로 불안정해져서 결국에는 사라지게 된다. 따라서 본 발명의 타이타늄 합금에서는 시효 온도가 700℃를 넘어가게 되면, 시효 온도가 α2상의 규칙화 온도보다 높아지게 되어 α2상이 존재하지 않는 것으로 판단된다.The α 2 phase is a regular phase, and in general, the regular phases become thermodynamically unstable as the temperature increases, and eventually disappear. Therefore, the titanium alloy of the present invention, when the aging temperature is run through the 700 ℃, the aging temperature is higher than the rule change temperature on the α 2 is determined to not exist α 2 phase.

또한 상기 α2상은 일반적으로 타이타늄 합금의 연성에 매우 나쁜 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 따라서 만일 높은 연성을 필요로 하는 경우, α2상이 존재하지 않는 높은 시효온도로 시효처리하는 것이 보다 바람직하다.In addition, the α 2 phase is generally known to have a very bad effect on the ductility of the titanium alloy. Therefore, if high ductility is required, it is more preferable to age at a high aging temperature where the α 2 phase does not exist.

한편 본 발명의 타이타늄 합금의 시효 처리 시에는 상기 α2상 이외에도 다른 석출물들이 존재함을 본 실험예에서 확인하였다.Meanwhile, it was confirmed in this experimental example that other precipitates were present in addition to the α 2 phase during the aging treatment of the titanium alloy of the present invention.

도 3은 본 발명의 상기 실시예 6 합금을 용체화 처리 및 650℃/5시간 시효 처리한 미세조직(a)과 700℃/5시간 시효 처리한 미세조직(b)을 투과전자현미경으로 관찰한 것이다.3 is a microstructure (a) of the Example 6 alloy of the present invention subjected to solution heat treatment and aging at 650 ° C. / 5 hours, and microstructure (b) aged at 700 ° C. / 5 hours observed with a transmission electron microscope. will be.

도 3의 EDS 성분분석결과가 나타나듯이, 본 발명의 상기 실시예 6 합금을 시효처리 하게 되면, 시효처리 온도와 관계없이 알파상 플레이트의 경계면에서 매우 미세한 silicide 석출물들이 존재함을 알 수 있다.As the EDS component analysis result of FIG. 3 shows, when the alloy of Example 6 of the present invention is aged, it can be seen that very fine silicide precipitates exist at the interface of the alpha-phase plate regardless of the aging temperature.

또한 상기 EDS 결과는 시효처리 온도와 무관하게 상기 silicide 석출물들은 Hf을 기지와 유사한 정도로 포함하는 것을 보여준다. 따라서 본 발명의 타이타늄 합금이 포함하고 있는 Hf은 silicide와 같은 석출물에 편석되지 않고 비교적 균일하게 존재하며, 상기 Hf의 균일한 존재는 본 발명의 타이타늄 합금이 Zr만을 포함하는 기존의 타이타늄 합금들보다 강도 측면에서 보다 유리함을 나타내는 것이라 할 수 있다.In addition, the EDS results show that the silicide precipitates contain Hf to a similar extent to the matrix, regardless of the aging temperature. Therefore, Hf contained in the titanium alloy of the present invention is relatively uniformly present without segregation in precipitates such as silicide, and the uniform existence of the Hf indicates that the titanium alloy of the present invention is stronger than the existing titanium alloys containing only Zr. It can be said that it is more advantageous in terms of aspects.

<실험예 2> 타이타늄 합금의 기계적 특성 분석<Experimental Example 2> Analysis of mechanical properties of titanium alloy

실시예의 합금들에 대하여, 인장강도 및 연신율과 같은 기계적 특성을 분석하였다.For the alloys of Examples, mechanical properties such as tensile strength and elongation were analyzed.

도 4는 본 발명의 실시예 4 및 6의 타이타늄 합금을 용체화 처리 및 시효처리 한 후 상온 및 650℃에서 측정한 인장강도 결과를 도시한 것이다.FIG. 4 shows tensile strength results measured at room temperature and 650° C. after solution heat treatment and aging treatment of the titanium alloys of Examples 4 and 6 of the present invention.

도 5는 본 발명의 실시예 4 및 6의 타이타늄 합금을 용체화 처리 및 시효처리 한 후 상온 및 650℃에서 측정한 인장강도 결과를 도시한 것이다.5 shows the tensile strength results measured at room temperature and 650° C. after solution heat treatment and aging treatment of the titanium alloys of Examples 4 and 6 of the present invention.

시효처리는 700℃에서 수행하였다.Aging was performed at 700°C.

도 4에서 도시하는 바와 같이, 본 발명의 실시예 4 및 6의 타이타늄 합금은 비교예인 Ti-1100 합금 및 IMI 834 합금 대비 상온 및 고온에서 모두 강도가 우수함을 알 수 있다.As shown in FIG. 4, it can be seen that the titanium alloys of Examples 4 and 6 of the present invention have superior strength at both room temperature and high temperature compared to the Ti-1100 alloy and IMI 834 alloy, which are comparative examples.

특히 본 발명의 실시예 6의 타이타늄 합금은 상온 연신율에 있어서 매우 우수한(약 17%) 연신율을 가지는 것으로 측정되었다. 이와 같은 본 발명의 타이타늄 합금의 우수한 연신율은 B 첨가에 의해 타이타늄 합금의 결정립이 미세화 된 요인과 함께 700℃ 이상의 시효처리로 인해 α2상이 석출되지 않았기 때문인 것으로 판단된다.In particular, the titanium alloy of Example 6 of the present invention was measured to have a very good (about 17%) elongation at room temperature elongation. The excellent elongation of the titanium alloy of the present invention as described above is considered to be because the α 2 phase did not precipitate due to the aging treatment at 700° C. or higher together with the factor that the crystal grains of the titanium alloy were refined by the addition of B.

도 6은 본 발명의 실시예 6의 타이타늄 합금을 각각 650℃ 및 700℃에서 시효 처리 후 상온 및 650℃에서 인장 실험한 시편의 파단면 사진을 도시한 것이다.6 is a view showing a cross-sectional photograph of a specimen in which the titanium alloy of Example 6 of the present invention was subjected to a tensile test at room temperature and 650° C. after aging treatment at 650° C. and 700° C., respectively.

먼저 650℃ 시효 처리 후 상온 인장 실험된 실시예 6 합금의 파단면(도 6 (a))은 거의 벽개면(quasi-cleavage)을 가짐을 알 수 있다.First, it can be seen that the fracture surface (FIG. 6 (a)) of the alloy of Example 6 subjected to room temperature tensile test after aging at 650° C. has almost a quasi-cleavage.

반면 700℃ 시효 처리 후 상온 인장 실험된 실시예 5 합금의 파단면(도 6 (b))은 얕고 연장된 보조개(dimple) 형상의 파단면과 함께 입계를 가로지르는 벽개면 파단면이 공존한다. 도 6 (b)는 도 5의 상온 연신율에서 상기 합금이 약 17%의 상온 연신율을 가지는 것과 잘 부합한다.On the other hand, the fracture surface of the alloy of Example 5 (FIG. 6 (b)), which was subjected to a tensile test at room temperature after aging at 700° C., coexists with a fracture surface of a shallow and extended dimple shape and a fracture surface of a cleavage plane crossing the grain boundary. FIG. 6( b ) agrees well with the alloy having a room temperature elongation of about 17% at the room temperature elongation of FIG. 5 .

상기와 같은 파단면 및 연신율의 변화는, 본 발명의 타이타늄 합금을 650℃에서 시효처리 한 경우 타이타늄 합금의 연성에 나쁜 영향을 주는 α2상이 석출되는 반면 700℃에서 시효처리 한 경우는 α2상의 석출이 억제되기 때문인 것으로 판단된다.Changes in the cutting plane, and an elongation as described above, when the titanium alloy of the present invention the aging treatment at 650 ℃ case where, while the α 2 phase to precipitate, which adversely affect the ductility of the titanium alloy aged at 700 ℃ process α 2 on the It is considered that this is because precipitation is suppressed.

따라서 상기 도 4 내지 6의 인장시험 결과 및 파단면의 관찰 결과는 고강도 니어 알파 타이타늄 합금을 제조하기 위해서는 650℃ 이상의 시효처리가 효과적이며, 고강도 및 고연성 니어 알파 타이타늄 합금을 제조하기 위해서는 700℃이상의 시효처리를 하는 것이 보다 바람직함을 의미한다고 할 수 있다.Therefore, the tensile test results and fracture surface observation results of FIGS. 4 to 6 show that aging treatment at 650° C. or higher is effective to produce a high-strength near alpha titanium alloy, and 700° C. or higher to produce high-strength and high ductility near alpha titanium alloy. It can be said that aging treatment is more preferable.

한편 650℃에서 인장 실험된 실시예 6 합금의 파단면은 시효온도가 650℃(도 6 (c)) 및 700℃(도 6(d)) 일 때 모두 수많은 작고 큰 딤플을 가짐을 알 수 있다. 이와 같은 딤플의 존재는 전형적인 연성 파괴 모드를 나타내며, 상기 파단면의 결과는 도 5에서의 높은 고온 연신율과 잘 부합한다.On the other hand, it can be seen that the fracture surface of the alloy of Example 6 subjected to the tensile test at 650 ° C has numerous small and large dimples when the aging temperature is 650 ° C (Fig. 6 (c)) and 700 ° C (Fig. 6 (d)). . The presence of such dimples indicates a typical ductile failure mode, and the fracture surface results are in good agreement with the high high temperature elongation in FIG. 5 .

<실험예 3> 타이타늄 합금에서의 Zr 및 Hf 함량의 영향 분석<Experimental Example 3> Analysis of the influence of Zr and Hf content in titanium alloy

실시예의 타이타늄 합금 중 Zr 및 Hf 함량의 영향을 분석하기 위하여, 실시예 7, 실시예 8에 대하여, 인장강도 실험을 수행하였고 그 결과를 도 7 내지 도 10 및 하기 표 2에 나타내었으며, 이를 Zr 및 Hf 함량 외의 나머지 함량은 동일한 실시예 6과 비교하였다.In order to analyze the influence of the Zr and Hf content in the titanium alloy of the example, a tensile strength test was performed for Examples 7 and 8, and the results are shown in FIGS. 7 to 10 and Table 2 below, which are Zr And the remaining content other than the Hf content was compared with the same Example 6.

도 7은 본 발명의 실시예 7의 타이타늄 합금을 용체화 처리 및 700℃에서 시효 처리 후 650℃에서 인장 실험한 결과를 나타낸 그래프이다.7 is a graph showing the results of a tensile test at 650° C. after solution heat treatment and aging treatment at 700° C. of the titanium alloy of Example 7 of the present invention.

도 8은 본 발명의 실시예 7의 타이타늄 합금을 용체화 처리 및 700℃에서 시효 처리 후 상온에서 인장 실험한 결과를 나타낸 그래프이다.8 is a graph showing the results of a tensile test at room temperature after solution heat treatment and aging treatment at 700° C. of the titanium alloy of Example 7 of the present invention.

도 9는 본 발명의 실시예 8의 타이타늄 합금을 용체화 처리 및 700℃에서 시효 처리 후 650℃에서 인장 실험한 결과를 나타낸 그래프이다.9 is a graph showing the results of a tensile test at 650° C. after solution heat treatment and aging treatment at 700° C. of the titanium alloy of Example 8 of the present invention.

도 10은 본 발명의 실시예 8의 타이타늄 합금을 용체화 처리 및 700℃에서 시효 처리 후 상온에서 인장 실험한 결과를 나타낸 그래프이다.10 is a graph showing the results of a tensile test at room temperature after solution heat treatment and aging treatment at 700° C. of the titanium alloy of Example 8 of the present invention.

이에 대한 구체적인 결과를 아래의 표 2에 나타내었다.Specific results for this are shown in Table 2 below.

샘플(실험수행온도)Sample (experiment execution temperature) 인장강도(MPa)Tensile strength (MPa) 항복강도(MPa)Yield strength (MPa) 연신율(%)Elongation (%) Speed ratespeed rate 실시예 7(상온)Example 7 (room temperature) 1176.541176.54 1084.481084.48 7.257.25 0.0010.001 실시예 7(650℃)Example 7 (650°C) 541.39541.39 500.15500.15 2929 0.0010.001 실시예 8(상온)Example 8 (room temperature) 1191.781191.78 -- 0.960.96 0.0010.001 실시예 8(650℃)Example 8 (650° C.) 454.68455.68 428.43428.43 18.418.4 0.0010.001

실시예 6 내지 8의 고온에서 측정한 인장강도를 비교하면, 실시예 8은 454.68 MPa, 실시예 7은 541.39 MPa임에 비하여, 실시예 6은 662.88 MPa(도 4 참조)로써, 실시예 6의 경우가 고온에서 더 높은 인장강도를 갖는 것을 확인할 수 있다.Comparing the tensile strengths measured at high temperature of Examples 6 to 8, Example 8 was 454.68 MPa and Example 7 was 541.39 MPa, whereas Example 6 was 662.88 MPa (see FIG. 4), It can be seen that the case has higher tensile strength at high temperature.

실시예 6 내지 8의 상온에서 측정한 연신율을 비교하면, 실시예 8은 0.93%, 실시예 7은 7.25%임에 비하여, 실시예 6는 16.94%(도 5 참조)로써, 실시예 6의 경우가 상온에서 더 높은 연신율을 갖는 것을 확인할 수 있다.Comparing the elongation measured at room temperature of Examples 6 to 8, Example 8 is 0.93%, Example 7 is 7.25%, whereas Example 6 is 16.94% (see FIG. 5), in the case of Example 6 It can be seen that has a higher elongation at room temperature.

실시예 6 내지 8의 고온에서 측정한 연신율을 비교하면, 실시예 8은 18.4%, 실시예 7은 29%임에 비하여, 실시예 6은 61.96%(도 5 참조)로써, 실시예 6의 경우가 상온에서 현저히 더 높은 연신율을 갖는 것을 확인할 수 있다.Comparing the elongation measured at high temperature of Examples 6 to 8, Example 8 is 18.4%, Example 7 is 29%, whereas Example 6 is 61.96% (see FIG. 5), in the case of Example 6 It can be seen that has a significantly higher elongation at room temperature.

다른 원소의 함량이 동일한 조건 하에서, Zr의 함량이 실시예 8> 실시예 7> 실시예 6의 순서로 많은데, 상기 결과를 참고하면 Zr이 Hf으로 대체됨에 따라 인장강도 및 연신율과 같은 기계적 성능이 향상됨을 확인할 수 있다.Under the same conditions where the content of other elements is the same, the content of Zr is large in the order of Example 8> Example 7> Example 6 improvement can be seen.

즉, Hf의 첨가가 타이타늄 합금의 상온 및 고온 인장 특성 개선에 효과적임을 알 수 있다.That is, it can be seen that the addition of Hf is effective in improving the room temperature and high temperature tensile properties of the titanium alloy.

Claims (12)

중량 %로, Al: 5.5~7.0%, Sn: 2.5~4.0%, Hf: 2.5~5.5%, Nb: 0.1~1.5%, Mo: 0.2~0.6%, Si: 0.2~0.6%, B: 0.05~0.2% C: 0.05~0.2%, 기타 불가피한 불순물 및 잔부 Ti를 포함하고, Zr을 포함하지 않는 니어 알파 타이타늄 합금.
In weight %, Al: 5.5-7.0%, Sn: 2.5-4.0%, Hf: 2.5-5.5%, Nb: 0.1-1.5%, Mo: 0.2-0.6%, Si: 0.2-0.6%, B: 0.05- 0.2% C: 0.05 to 0.2%, other unavoidable impurities and the remainder Ti, near alpha titanium alloy containing no Zr.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 합금은 알파상 계면에서 존재하는 silicide 석출물을 포함하는, 니어 알파 타이타늄 합금.
According to claim 1,
wherein the alloy comprises silicide precipitates present at the alpha phase interface.
제1항에 있어서,
상기 합금은 알파상 계면에서 존재하는 silicide 석출물과,
Ti-boride 정출물을 포함하는 것을 특징으로 하는 니어 알파 타이타늄 합금.
According to claim 1,
The alloy comprises a silicide precipitate present at the alpha phase interface,
A near alpha titanium alloy comprising a Ti-boride crystal.
제1항에 있어서,
상기 합금은 규칙상인 α2상을 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 니어 알파 타이타늄 합금.
According to claim 1,
The alloy is a near alpha titanium alloy, characterized in that it does not contain a regular α 2 phase.
중량 %로, Al: 5.5~7.0%, Sn: 2.5~4.0%, Hf: 2.5~5.5%, Nb: 0.1~1.5%, Mo: 0.2~0.6%, Si: 0.2~0.6%, B: 0.05~0.2% C: 0.05~0.2%, 기타 불가피한 불순물 및 잔부 Ti를 포함하고, Zr을 포함하지 않는 타이타늄 합금을 주조하는 단계;
상기 주조된 합금을 용체화처리하는 단계;
상기 용체화처리된 합금을 시효처리하는 단계;를 포함하는 니어 알파 타이타늄 합금의 제조방법.
In weight %, Al: 5.5-7.0%, Sn: 2.5-4.0%, Hf: 2.5-5.5%, Nb: 0.1-1.5%, Mo: 0.2-0.6%, Si: 0.2-0.6%, B: 0.05- 0.2% C: 0.05 to 0.2%, including other unavoidable impurities and the remainder Ti, comprising the steps of casting a titanium alloy containing no Zr;
solution heat treating the cast alloy;
A method of producing a near alpha titanium alloy comprising; aging the solution heat treated alloy.
제10항에 있어서,
상기 시효처리는 600~800℃에서 시효처리되는 것을 특징으로 하는 니어 알파 타이타늄 합금의 제조방법.
11. The method of claim 10,
The aging treatment is a method of producing a near alpha titanium alloy, characterized in that the aging treatment at 600 ~ 800 ℃.
제10항에 있어서,
상기 시효처리는 700~800℃에서 시효처리되는 것을 특징으로 하는 니어 알파 타이타늄 합금의 제조방법.
11. The method of claim 10,
The aging treatment is a method of producing a near alpha titanium alloy, characterized in that the aging treatment at 700 ~ 800 ℃.
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