KR20020005072A

KR20020005072A - 저비용 고강도 α＋β 티타늄 합금 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20020005072A
Application number: KR1020000037547A
Authority: KR
Inventors: 김승언; 정희원; 현용택; 이용태
Original assignee: 황해웅; 한국기계연구원
Priority date: 2000-07-01
Filing date: 2000-07-01
Publication date: 2002-01-17
Also published as: KR100337426B1

Abstract

본 발명은 저비용 고강도 α+ β 티타늄 합금 및 그 제조방법에 관한 것으로, 그 목적은 티타늄(Ti)-알루미늄(Al)계를 기본조성으로 하는 α+ β 합금에 인체에도 무해하고 저가인 β상 안정화 원소를 첨가하여 우수한 상온 및 고온 인장특성을 구비하는 저비용 고강도 α+β 티타늄 합금 및 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 티타늄합금에 있어서; 철(Fe) : 3.5∼4.5 중량비, 규소(Si) : 0.3∼1.0 중량비, 알루미늄(Al) : 1.5∼6.5 중량비 및 티타늄(Ti) : 잔부로 조성된 저비용 고강도 α+β 티타늄 합금 및 제조방법을 제공함에 있다.

Description

저비용 고강도 α＋β 티타늄 합금 및 그 제조방법{Low Cost and High Strength α+ βTitanium Alloy and its Manufacture}

본 발명은 저비용 고강도 α+ β 티타늄 합금 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 전체 티타늄합금 사용량의 60% 이상을 차지하고 있는 Ti(티타늄)-6Al(알루미늄)-4V(바나듐) 의 고가인 바나듐(V)을 저가인 원소로 대체한 후 상온 및 고온 기계적 성질을 개선한 저비용 고강도 α+ β 티타늄 합금 및 그 제조방법에 관한 것이다.

티타늄합금은 높은 비강도, 우수한 내식성, 생체친화성 등으로 인하여 항공·우주, 해양, 스포츠, 의료 등의 다양한 산업 분야에 적용되어지고 있다. 티타늄합금에서의 주요 평형상은 α와 β상으로 합금원소의 종류와 양에 따라 상온에서 안정한 평형상이 α상이 되기도 하고 β상이 되기도 한다. 이와 같이 상온에서의 안정상 기준으로 티타늄합금은 일반적으로 α합금, β합금, α+β합금으로 분류된다. 이 중 가장 널리 사용되고 있는 합금은 α+β합금으로, α상을 안정화시키고 고용강화 효과를 갖는 Ti(티타늄)-Al(알루미늄)계를 기본 조성으로 하고, 여기에 몰리브덴(Mo), 철(Fe), 바나듐(V), 크롬(Cr) 등의 β상 안정화 원소나 지르코늄(Zr), 주석(Sn) 등의 중성원소가 함유된다. α+β합금 중 가장 대표적인 합금은 Ti(티타늄)-6Al(알루미늄)-4V(바나듐)으로 열간가공성, 용접성이 우수하고 열처리에 의한 다양한 기계적 성질이 얻어지기 때문에 전체 티타늄합금 사용량의 60% 이상을 차지하고 있다.

그러나 티타늄 합금 개발이 주로 항공우주용 목적으로 이루어져 왔기 때문에 가격보다는 물성 위주로 합금원소가 선정되어 고가이면서 공급이 용이하지 않은 합금 체계로 이루어져 왔다. 특히 Ti(티타늄)-6Al(알루미늄)-4V(바나듐)에 사용되고 있는 바나듐(V)은 고가의 원소인데다가 인체에 해로운 독성을 가지기 때문에, 이 합금의 특수목적 사용에 많은 제약조건이 있었다. 따라서, 대표적인 β상 안정화 원소인 바나듐(V)을 값이 싸고 인체에도 비교적 무해한 다른 β상 안정화 원소로 대체하여 저가의 신합금을 개발하려는 노력이 지속되어져 왔으며, 이러한 노력의 결과로 Ti(티타늄)-5Al(알루미늄)-2.5Fe(철), Ti(티타늄)-6Al(알루미늄)-0.1Si(규소)등과 같은 합금이 개발되었으나, β안정화 원소인 철(Fe)의 함량이 최적화 되지 않음에 따라, 상온 및 고온 기계적 특성이 다소 미흡한 경향이 있는 등 여러 가지 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 그 목적은 티타늄(Ti)-알루미늄(Al)계를 기본조성으로 하는 α+β 합금에 인체에도 무해하고 저가인 β상 안정화 원소를 첨가하여 우수한 상온 및 고온 인장특성을 구비하는 저비용 고강도 α+β 티타늄 합금 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 티타늄합금에 있어서; 철(Fe) : 3.5∼4.5 중량비, 규소(Si) : 0.3∼1.0 중량비, 알루미늄(Al) : 1.5∼6.5 중량비 및 티타늄(Ti) : 잔부로 조성된 저비용 고강도 α+β 티타늄 합금 및 그 제조방법을 제공함에 있다.

도 1 은 상온에서 TFS 합금의 최대 인장강도와 연신율

도 2 는 고온(400℃)에서 TFS 합금의 최대 인장강도와 연신율

도 3 은 Ti(티타늄)-4Fe(철)-ySi(규소)의 규소화물 조직

(a) 0.5 wt% 규소(Si), (b) 1 wt% 규소(Si)

(c) 2 wt% 규소(Si), (d) 4 wt% 규소(Si)

도 4 는 상온에서 Ti(티타늄)-4Fe(철)-(0.5,1)Si(규소)-xAl(알루미늄) 합금의 최대 인장강도와 연신율 (빗금친 영역 : 단련합금 Ti(티타늄)-6Al(알루미늄)-4V(바나듐)합금의 최대 인장강도, 점선 : 주조합금 Ti(티타늄)-6Al(알루미늄)-4V(바나듐)합금의 최대 인장강도)

도 5 는 고온(400℃)에서 Ti(티타늄)-4Fe(철)-(0.5,1)Si(규소)-xAl(알루미늄) 합금의 최대 인장강도와 연신율 (빗금친 영역 : 단련합금 Ti(티타늄)-6Al(알루미늄)-4V(바나듐)합금의 최대 인장강도, 점선 : 주조합금 Ti(티타늄)-6Al(알루미늄)-4V(바나듐)합금의 최대 인장강도)

본 발명은 티타늄(Ti)-알루미늄(Al)계를 기본조성으로 하는 α+β 합금 중 가장 대표적인 Ti(티타늄)-6Al(알루미늄)-4V(바나듐)합금을 기준으로 하여, 고가의 바나듐(V)을 (3.5∼4.5 중량비)의 저가인 철(Fe)로 대체하고, 아울러 상온 및 고온 기계적 성질을 개선하기 위해 (0.3∼1.0 중량비)의 규소(Si)를 첨가하고, β상 안정화 원소의 변화에 상응하는 α상 안정화 원소의 변화도 도모하여 합금의 알루미늄(Al) 함량을 (1.5∼6.5 중량비)로 변화시킨 새로운 저비용 고강도 α+β 티타늄합금에 관한 것이다.

표 1 은 본 발명합금과 비교 및 종래합금의 조성을 나타낸 것으로, 본 발명합금의 제조를 위해 아크용해로를 이용하여 아르곤(Ar) 분위기에서 모합금을 제조한 후, 순 동(Cu)으로 제작한 반영구 금속주형을 사용하여 원심주조방법으로 제작하였다. 또한, 주조 후 합금의 조직을 균질화하고 기공 등의 주조결함을 제거하기 위해서 900℃, 100 MPa 조건에서 2시간 동안 열간정수압처리(Hot Isostatic Pressing)하였다. 상기와 같은 방법에 의해 제조된 본 발명의 주 조성은 철(Fe) ; 3.5∼4.5 중량비, 알루미늄(Al) ; 1.5∼6.5 중량비, 규소(Si) ; 0.3∼1.0 중량비, 및 티타늄(Ti) ; 나머지로 되어 있다.

상기 β상을 안정화시켜 합금을 강화시는 철(Fe)은 도 1,2 에 도시된 바와 같이, 상온에서 β상을 안정화시키기 위한 최소한의 조성은 3.5wt% 이며, 3.5wt% 이하의 조성에서는 상온에서 충분한 양의 β상을 안정화 시킬 수 없다. 또한, 티타늄(Ti)-철(Fe)-규소(Si) 3원계합금의 상온 및 고온 기계적 성질로부터 2wt%보다 4wt% 의 조성이 기계적 성질이 우수함을 알 수 있다.

또한, 4.5wt% 이상의 철(Fe)이 첨가될 경우, 취약한 ω상과 TiFe와 같은 금속간화합물이 형성되어 합금의 연성을 급격히 저하시킨다. 따라서 본 합금계에서의 철(Fe)의 최대함량은 4.5wt% 로 하는 것이 바람직하다.

상기 고온 인장특성을 개선하기 위하여 첨가되는 규소(Si) 는 0.3 ~ 1.0 중량비로, 도 3 에 도시된 바와 같이 규소(Si) 함량이 증가하면, 규소(Si) 티타늄 기지에 고용되지 않고 티타늄 실리사이드의 형태로 석출한다. 석출물의 크기가 1μm 이상이 되면, 합금의 기계적 성질은 저하하며, 이러한 석출물이 형성되는 규소(Si)의 조성은 1wt% 이상이었다. 따라서 본 발명에서의 최대 규소(Si) 함량은 1wt% 이하가 바람직하다. 일반적으로 첨가되는 Si 함량은 0.3wt% 이하인데, 본 합금에서는 최대 고용한인 0.3wt% 이상을 첨가하여 Si의 고용강화와 석출강화효과를 동시에 얻고자 하였다. 즉, 0.3wt% 이상이 되면 석출물이 생기는데 이 석출물에 의해 합금의 강도가 향상될 수 있다.

상기 α안정화 원소인 알루미늄(Al) 은 도 4 및 도 5 에 도시된 바와 같이 알루미늄(Al) 함량이 첨가됨에 따라 알루미늄(Al)의 티타늄 기지로의 고용에 의해서 강도가 증가한다. 그러나, 본 발명에서 알루미늄(Al) 함량이 1.5wt% 이하로 첨가되는 경우 그 강도가 Ti(티타늄)-6Al(알루미늄)-4V(바나듐) 보다 높지 못하게 되므로, 본 발명에서의 알루미늄(Al)의 최소 첨가량은 1.5wt % 이 바람직하다.

또한, 알루미늄(Al)이 7wt% 이상 첨가되는 경우, 취약한 Ti₃Al이 형성되어 티타늄의 연성은 급격히 저하된다는 것은 이미 널이 알려진 사실이므로, 본 발명에서의 최대 알루미늄(Al) 첨가량은 6.5wt% 이 바람직하다.

[표 1]

시편번호	합금계(wt%)	비고
1	Ti-0.5Fe-0.5Si	비교예
2	Ti-1Fe-0.5Si	비교예
3	Ti-2Fe-0.5Si	비교예
4	Ti-4Fe-0.5Si	비교예
5	Ti-0.5Fe-1Si	비교예
6	Ti-1Fe-1Si	비교예
7	Ti-2Fe-1Si	비교예
8	Ti-4Fe-1Si	비교예
9	Ti-6Al-4V	비교예
10^*	Ti-5Al-2.5Fe	종례예
11^**	Ti-6Al-1.7Fe-0.1Si	종례예
12	Ti-2Al-4Fe-0.5Si	실시예
13	Ti-4Al-4Fe-0.5Si	실시예
14	Ti-6Al-4Fe-0.5Si	실시예
15	Ti-2Al-4Fe-1Si	실시예
16	Ti-4Al-4Fe-1Si	실시예
17	Ti-6Al-4Fe-1Si	실시예

* Source : Materials Properties Handbook Titanium Alloys, 상온인장특성 : 1h at 900℃/WQ + 2h at 700℃ 의 조건으로 시효처리한 시편

** Source : Materials Properties Handbook Titanium Alloys, 상온 및 고온인장특성 : α-β processed bar, 고온 인장특성은 300℃에서 실시하였음.

표 2 는 본 발명과 비교 및 종래합금의 상온 기계적 성질을 나타낸 것으로, 표점거리 22.4㎜ 의 봉상의 인장시편을 제조하여 상온 인장특성을 조사하였다. Fe의 함량이 증가할수록 인장강도는 증가하였으며, 3.5-4.5wt%가 최적의 조성이었다.또한, Si 함량은 1wt% 이상일 경우, 1㎛ 이상의 크기를 가지는 조대한 실리사이드가 형성되어 기계적 성질을 저하시켰으며, 알루미늄(Al) 함량은 증가할수록 인장강도는 증가함을 알 수 있었다. 본 발명은 Ti(티타늄)-6Al(알루미늄)-4V(바나듐)합금에 비해 항복강도, 인장강도, 연신율이 월등히 우수할 뿐만 아니라, 종래의 저비용 α+β 티타늄합금보다 우수한 기계적 특성 즉, 상온에서 인장강도 975 ~ 1241 MPa, 연신율 6.3 ~ 16 % 의 기계적 특성을 나타내었다.

[표 2]

시편번호	인장강도(MPa)	항복강도(MPa)	연신율(%)
1	567	478	22.2
2	565	398	26.4
3	690	553	19.6
4	799	634	13.9
5	587	475	23.0
6	645	524	18.1
7	704	539	19.4
8	831	611	13.9
9	917	722	8.0
10	1050	920	15.5
11	1052	991	16.5
12	975	930	13.0
13	1093	1055	16.0
14	1191	1141	12.0
15	1022	871	11.0
16	1108	949	11.7
17	1241	1179	6.3

표 3 은 본 발명과 비교 및 종래합금의 고온(400℃) 기계적 성질을 나타낸 것으로, 표점거리 22.4 의 봉상의 인장시편을 제조하여 400℃의 고온에서 인장특성을 조사하였다. 본 발명은 Ti(티타늄)-6Al(알루미늄)-4V(바나듐) 합금에 비해 항복강도, 인장강도가 월등히 우수할 뿐만 아니라, 종래의 저비용 α+ β 티타늄 합금보다 우수한 기계적 성질 즉, 고온(400℃)에서 인장강도 678 ~ 981 MPa, 연신율 8.8 ~ 18.1 % 의 고온 기계적 특성을 나타내었다.

[표 3]

시편번호	인장강도(MPa)	항복강도(MPa)	연신율(%)
1	309	218	26.3
2	327	215	23.6
3	-	-	-
4	532	323	12.9
5	385	256	17.8
6	403	275	17.7
7	-	-	-
8	585	337	11.8
9	609	450	20.5
10	720	540	-
11	798	667	17.5
12	678	442	14.8
13	779	570	17.0
14	930	731	18.1
15	750	484	11.0
16	807	598	9.9
17	981	787	8.8

상기 3.5 ~ 4.5 wt% 첨가되는 철(Fe)은 상온에서 β상을 안정시키며, 합금의 연성을 저하시키지 않는 범위로, β상 분율의 증가, α/β상경계 증가와 고용강화시킨다. 또한, 0.3 ~ 1.0 wt% 첨가되는 규소(Si)는 티타늄에 고용되거나 0.1 ㎛ 이하의 크기를 가지는 티타늄 실리사이드로 미세하게 석출됨으로써 합금을 강화시킨다. 또한, 1.5 ~ 6.5 wt% 첨가되는 알루미늄(Al)은 기지에 고용되어 α상을 안정화시켜 합금을 강화시킨다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위내에 있게 된다.

이와 같이 본 발명은 α상을 안정화시키고 고용강화 효과를 구비하는 Ti-Al계를 기본조성물에 철(Fe)과 같이 원료가 풍부하면서도 저가이고, 최종 합금의 기계적 성질을 저하시키지 않는 β안정화 원소의 함량과, 고온 기계적 특성을 개선하기 위해 첨가되는 규소(Si) 함량 및, 이들의 첨가량 변화에 따라 α 안정화 원소인 알루미늄(Al)의 함량을 최적화 하여, 기존의 α+β 합금인 Ti(티타늄)-6Al(알루미늄)-4V(바나듐) 보다 저렴하고, 생체에 무해한 합금을 얻을 수 있다.

또한, Ti(티타늄)-6Al(알루미늄)-4V(바나듐) 및 기존에 개발된 저비용 α+β 합금보다 우수한 상온 및 고온 인장특성을 구비하므로, 여러 응용분야에 적용할 수 있는 등 많은 효과가 있다.

Claims

티타늄합금에 있어서;

철(Fe) : 3.5∼4.5 중량비, 규소(Si) : 0.3∼1.0 중량비, 알루미늄(Al) : 1.5∼6.5 중량비 및 티타늄(Ti) : 잔부로 조성된 것을 특징으로 하는 저비용 고강도 α+β 티타늄 합금.
티타늄합금에 제조방법에 있어서;

철(Fe) : 3.5∼4.5 중량비, 규소(Si) : 0.3∼1.0 중량비, 알루미늄(Al) : 1.5∼6.5 중량비 및 티타늄(Ti) : 잔부 로 조성된 합금을 아크용해로를 이용하여 아르곤(Ar) 분위기에서 용해하여 모합금을 제조하고, 이를 순 동(Cu) 반영구 금속주형을 사용하여 원심주조하며, 주조된 합금을 900℃, 100 MPa 조건에서 2시간 동안 열간정수압처리(Hot Isostatic Pressing)하여 조직을 균질화하고 기공 등의 주조결함을 제거하는 것을 특징으로 하는 저비용 고강도 α+ β 티타늄 합금 제조방법.