KR20130009639A - 고강도­고강성도 베타 티타늄 합금의 제조 방법 - Google Patents

고강도­고강성도 베타 티타늄 합금의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

베타 티타늄 합금에 붕소를 도입하여 TiB 침전물을 생성하는 단계; 상기 합금의 베타 트랜서스 온도(beta transus temperature) 초과에서 상기 TiB 침전물을 갖는 티타늄 합금을 균질화(homogenization)로 열처리하는 단계; 상기 베타 트랜서스 온도 미만에서 상기 열처리된 합금을 열간 금속 가공 작업하는 단계; 상기 베타 트랜서스 온도 미만에서 상기 작업된 합금을 용체화 처리로 열처리하는 단계; 및 상기 베타 트랜서스 온도 미만에서 상기 용체화 처리된 합금을 노화하는 단계; 를 포함하는 고강도, 고강성도 베타 티타늄 합금의 제조 방법이 개시된다.

Description

고강도­고강성도 베타 티타늄 합금의 제조 방법{Method of making high strength-high stiffness beta titanium alloy}
본 발명은 베타 티타늄 합금(beta titanium alloy)의 기계적 특성을 향상시키기 위한 방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 연성의 손실 없이 Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr (Ti-5553) 합금의 강도 및 강성도를 향상시키는 방법에 관한 것이다.
베타 티타늄 합금들은 경량화를 가능하게 하는 더 높은 비강도(specific strength) (밀도로 정규화된 강도)를 통해 향상된 성능을 제공한다. 이러한 합금들은 항공우주 산업에서, 예를 들면, 구조체(structure), 착륙 기어 조립체(landing gear assemblies) 및 헬리콥터 로터 시스템(helicopter rotor systems)용으로 응용된다 (참고 문헌 1: R.R. Boyer 및 R.D. Briggs, 항공우주 산업에서의 베타 티타늄 합금의 용도, Journal of Materials, Engineering and Performance, Volume 14(6), 2005, 페이지 681 내지 685). 이러한 응용에 있어서, 티타늄 합금은 고강도 저합금 스틸 및 4340M 스틸과 같은 스틸을 대체하여, 우수한 부식 방지로 인하여, 감소된 유지비와 함께 중량 절감(weight saving)을 제공한다. Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr (Ti-5553) (모든 조성은 중량 백분률로 표시) 합금은 더 확립된 Ti-10V-2Fe-3Cr 합금의 대체물로서 최근 높은 관심을 받고 있다. Ti-5553 합금은 향상된 가공성, 최대 6 인치까지의 단면 크기(section size)에서의 열처리 능력 및 강도-연성-인성(strength-ductility-toughness)의 더 좋은 조합을 제공한다. 열처리 조건에서 Ti-5553의 전형적인 목표 특성은 180 ksi의 최대 인장 강도(ultimate tensile strength), 5%의 인장 신율(tensile elongation) 및 16.2 Msi의 인장 탄성률(tensile elastic modulus)이다. 베타 티타늄 합금의 강도 및 강성도 향상은 향상된 성능을 제공할 수 있고 경량화 이득을 더 제공할 것이다.
그러므로, 인장 신율의 손실 없이 베타 티타늄 합금의 기계적 특성을 향상시키는 새롭고 향상된 방법에 대한 요구가 있다. 본 발명의 방법은 이러한 요구를 만족시킨다.
본 발명의 새롭고 향상된 방법에 따르면, 붕화 티타늄 (TiB) 침전물은 Ti-5553과 같은 베타 티타늄 합금에 도입되고, 그 다음 상기 합금은 균질화, 열간 가공(hot work) 및 최종 열처리 공정 단계를 거쳐, 기준 합금(baseline alloy)과 비교하여 기계적 특성 향상을 달성한다. 붕소는 티타늄 합금 조성물에 도입되어 예비 합금 분말 야금법(pre-alloyed powder metallurgy technique)과 같은 적합한 방법으로 TiB 침전물을 생성한다. 예시적인 예로서, 본 발명의 방법은 기체 분무화 예비 합금 분말 접근법(gas atomized pre-alloyed powder approach)을 통해 생성된 Ti-5553 합금의 기계적 특성을 향상시키는데 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 예비 합금 분말 접근법(pre-alloyed powder metal approach)을 통한 고강도-고강성도 Ti-5553 합금의 제조 흐름도이고;
도 2는 다양한 균질화 온도 및 비균질화를 거친 향상된 Ti-5553 합금의 인장 항복 강도(tensile yield strength, TYS), 최대 인장 강도(UTS) 및 인장 신율(TE) 그래프이다. 모든 시료들은 용체화 처리(solution treating)로 1500℉에서 1시간 동안 최종 열처리되고, 이어서 1100℉에서 6시간 동안 노화되었다.
이하, Ti-5553과 같은 다성분 베타 티타늄 합금의 기계적 특성을 향상시키는 새롭고 향상된 방법을 설명한다.
본 명세서에서 설명된 방법은 네 가지 결정적 요소를 포함한다:
1. 베타 티타늄 합금 매트릭스에 TiB 침전물의 도입;
2. 베타 트랜서스(beta transus) 온도 초과에서 균질화 열처리;
3. 베타 트랜서스 온도 미만에서 열간 가공;
4. 베타 트랜서스 온도 미만에서 최종 열처리.
TiB 침전물을 생성하기 위한 티타늄 합금 조성물에 붕소의 도입은 주조(casting), 주조 및 단조 공정(cast-and-wrought processing), 기체 분무화(gas atomization) 접근법 및 혼합 원소 접근법(blended elemental approach)과 같은 분말 야금법과 같은 몇 가지 다른 방법으로 달성될 수 있다. 베타 트랜서스 온도(알파에서 베타로의 상 전환이 완성되는 온도) 초과에서의 균질화 열처리는 양호한 강도-신율 조합을 갖는 평형 미세구조체(equilibrium microstructure)를 생성한다. 베타 트랜서스 온도 미만에서의 단조(forging), 압연(rolling) 및 압출(extrusion)과 같은 종래의 열간 금속 가공은 세립(fine-grained) 미세구조체를 생성하는데 사용될 수 있다. 모두 베타 트랜서스 온도 미만에서 수행되는, 원하는 부피 분율의 거친 알파 플레이트(coarse alpha plates)를 침전시키기 위한 용체화 처리 및 이어지는 미세 알파 소플레이트(fine alpha platelets)를 침전시키기 위한 노화를 포함하는 최종 열처리는, 최종 생성물에서 원하는 강도-신율 조합을 제공한다. 일반적으로 용체화 처리는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 잘 알려져 있다("티타늄", G. Lutjering 및 J.C. Williams, 제2판, Springer, 2007, 페이지 289).
본 접근법은 도 1에서 보인 바와 같은, 기체 분무화 분말 야금 공정 흐름도로 실시되어 왔다. 붕소는 용융된 티타늄 합금에 첨가되고 그 액체 용융액(liquid melt)은 비활성 기체 분무화되어 티타늄 합금 분말을 얻는다. 각각의 분말 입자는 균일하게 및 무작위의 방향성으로 분포된 바늘상(needle-shaped) TiB 침전물을 함유한다. 티타늄 합금 분말은 열간 정수압 소결법(hot isostatic pressing, HIP)과 같은 종래의 방법을 사용하여 예를 들면, 1475℉ 및 15 ksi에서 3시간 동안 압밀화되어 완전 조밀 분말 콤팩트(fully dense powder compact)를 얻는다. 상기 합금의 베타 트랜서스 온도는 1580℉로 측정된다. 분말 콤팩트는 1900 내지 2200℉의 온도 범위에서 균질화되어 티타늄 격자로부터 과포화된 붕소를 빼내고 평형 미세구조체를 생성한다. 그 다음, 상기 열처리된 콤팩트는 베타 트랜서스 온도 미만에서 단조, 압연 또는 압출과 같은 금속 가공 작업을 거친다. 1500℉에서 120 inch/min의 램 속도(ram speed)에서 3"지름 분말 콤팩트를 0.75"지름의 바(bar)로 압출하여 생성된 Ti-5553-1B 물품은 일 예로서 특징화된다. 압출된 바는 1500℉에서 1시간 동안의 용체화 처리 및 약 200℉/분의 냉각 속도로 실온으로의 기체 로 냉각 (gas furnace cooling)의 조합을 사용하여 베타 트랜서스 온도 미만에서 열처리되고, 1100℉에서 6시간 동안 노화 처리하고 실온으로 공기 냉각하였다.
일련의 실험으로, 주어진 붕소 향상 함량에 대하여, 균질화 및 노화는 본 발명의 방법에 따른 향상된 기계적 특성 조합을 달성하기 위한 결정적 단계라는 것이 결정되었다. 압출된 Ti-5553-1B의 실온 인장 특성에 대한 균질화 열처리의 영향을 도 2에 보인다. 열간 가공 온도(1500℉), 용체화 처리 (1500℉/1 시간) 및 노화 (1100℉/6 시간)를 이 연구에서 일정하게 유지하였다. 비균질화된 합금은 고강도(230 ksi 최대 인장 강도)를 나타내나, 인장 신율은 좋지 않았다 (2%). 열간 가공 이전에 1900 내지 2200℉의 온도 범위에서 2 내지 4시간 동안으로 균질화하는 것은 높은 인장 강도를 유지하면서도 인장 신율을 상당히 향상시켰다 (8% 또는 그 이상). 인장 강도는 50 ksi까지로 높아지고, 또는 Ti-5553의 전형적인 강도(참고 문헌 2: J.C. Fanning, TIMETAL 555의 특성, Journal of Materials Engineering and Performance, Volume 14(6), 2005, 페이지 788 내지 791)와 비교하여 28%가 향상되었다. Ti-5553-1B의 인장 탄성률은 기준(baseline) Ti-5553의 16.2 Msi에 대하여 19 Msi였고, 이는 17% 향상에 해당된다.
이하, 다양한 균질화 온도에 대하여 압출된 Ti-5553-1B의 실온 인장 특성에 대한 노화 처리의 영향이 표 1에서 설명된다. 열간 가공 온도(1500℉), 용체화 처리 (1500℉/1 시간) 및 노화 시간(1100℉/6 시간)을 이 연구에서 일정하게 유지하였다. 노화에 의해, 후 열처리가 없는 조건에 비하여 인장 신율의 손실 없이, 인장 강도는 50 내지 60 ksi로 향상되었고, 인장 탄성률은 4 내지 5 Msi로 향상되었다. 균질화 온도 및 노화 온도의 적합하게 선택함으로써, 표 1에 보인 것처럼 최적 강도-탄성률-연성 조합이 달성될 수 있다.
표 1: 다양한 온도에서 균질화되고, 용체화 처리의 최종 열처리 및 노화 없이 또는 있이 시험된 Ti-5553-1B 합금의 인장 특성. 1시간 동안 1500℉의 용체화 처리가 사용되었다. (TYS: 인장 항복 강도, UTS: 최대 인장 강도, TE: 인장 신율, RA: 면적의 감소, TM: 인장 탄성률)
Figure pat00001

가장 실용적이고 바람직한 구현예들로 현재 여겨지는 것들과 연관되어 본 발명이 설명되었으나, 본 발명은 개시된 구현예들에 한정되지 않는 것은 말할 필요도 없으며, 반대로, 첨부된 청구 범위들의 사상 및 범위 내에 포함된 다양한 수정 및 균등 개작을 포함하는 것으로 의도된다.

Claims (16)

  1. 베타 티타늄 합금에 붕소를 도입하여 TiB 침전물을 생성하는 단계;
    상기 합금의 베타 트랜서스 온도(beta transus temperature) 초과에서 상기 TiB 침전물을 갖는 티타늄 합금을 균질화(homogenization)로 열처리하는 단계;
    상기 베타 트랜서스 온도 미만에서 상기 열처리된 합금을 열간 금속 가공 작업(hot metal working operation)하는 단계;
    상기 베타 트랜서스 온도 미만에서 상기 작업된 합금을 용체화 처리로 열처리하는 단계; 및
    상기 베타 트랜서스 온도 미만에서 상기 용체화 처리된 합금을 노화하는 단계;
    를 포함하는 고강도, 고강성도 베타 티타늄 합금의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 TiB 침전물은 주조, 주조 및 단조 공정(cast-and-wrought processing), 분말 야금법(powder metallurgy techniques), 예를 들면, 기체 분무화(gas atomization), 또는 혼합 원소 접근법(blended elemental approach)으로 상기 합금 내에 생성되는 고강도, 고강성도 베타 티타늄 합금의 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 붕소는 용융된 티타늄 합금에 첨가되고, 그 액체 용융액은 분무화되어 TiB 침전물을 함유하는 티타늄 합금 분말을 얻고, 상기 티타늄 합금 분말은 압밀화(consolidation)되어 완전 조밀 분말 콤팩트(fully dense powder compact)를 얻는 고강도, 고강성도 베타 티타늄 합금의 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 티타늄 합금 분말은 열간 정수압 소결법(hot isostatic pressing)으로 압밀화되는 고강도, 고강성도 베타 티타늄 합금의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 합금의 상기 베타 트랜서스 온도는 약 1580℉이고, 상기 합금은 약 1900 내지 2200℉의 온도 범위에서 2 내지 4시간 동안 균질화로 열처리되는 고강도, 고강성도 베타 티타늄 합금의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 열간 금속 가공은 약 1500℉ 온도에서의 단조(forging), 압연(rolling) 또는 압출(extrusion)인 고강도, 고강성도 베타 티타늄 합금의 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 열처리된 합금은 약 120 인치/분의 램 속도(ram speed)에서 압출되는 고강도, 고강성도 베타 티타늄 합금의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 열처리된 합금은 분말 콤팩트로부터 바(bar)로 압출되는 고강도, 고강성도 베타 티타늄 합금의 제조 방법.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 작업된 합금은 약 1500℉에서 약 1시간 동안의 용체화 처리로 열처리되고 실온으로 냉각되는 고강도, 고강성도 베타 티타늄 합금의 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 열처리되고 작업된 합금은 약 200℉/분의 냉각 속도에서 실온으로 기체 로 냉각(gas furnace cooling)되는 고강도, 고강성도 베타 티타늄 합금의 제조 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 용체화 처리된 합금은 약 1100℉에서 약 6 시간 동안 노화되는 고강도, 고강성도 베타 티타늄 합금의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 노화된 합금은 실온으로 공기 냉각되는 고강도, 고강성도 베타 티타늄 합금의 제조 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 티타늄 합금을 균질화로 열처리하는 단계는 상기 티타늄 합금의 인장 강도를 유지하면서 인장 신율을 향상시키는 고강도, 고강성도 베타 티타늄 합금의 제조 방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 용체화 처리된 합금을 노화하는 단계는 인장 신율의 손실 없이 상기 합금의 인장 강도 및 인장 탄성률(tensile modulus)을 향상시키는 고강도, 고강성도 베타 티타늄 합금의 제조 방법.
  15. 제1항에 있어서, 상기 티타늄 합금은 Ti-5553인 고강도, 고강성도 베타 티타늄 합금의 제조 방법.
  16. 제5항에 있어서, 상기 티타늄 합금은 Ti-5553인 고강도, 고강성도 베타 티타늄 합금의 제조 방법.
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