KR890002986B1 - 타이타늄 합금의 처리방법 및 처리된 타이타늄 합금 - Google Patents

타이타늄 합금의 처리방법 및 처리된 타이타늄 합금 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

타이타늄 합금의 처리방법 및 처리된 타이타늄 합금
제1도는 본 발명에 따라 처리된 재료의 광현미경 사진.
제2도는 여러조건하에서 처리된 Ti-6-4-2-6의 균열성장 수명(crack growth life)을 도시한 선도.
제3도는 본 발명의 처리방법 또는 종래의 방법에 따른 크리이프 수명을 비교 도시한 선도.
제4도는 온도에 대한 함수로서 균열 성장 속도를 비교 도시한 선도.
본 발명은 고강도 알파-베타 타이타늄 합금의 처리 방법에 관한 것으로, 특히 상당한 양의 베타 안정화제와 최소한 3%이상의 몰리브덴을 함유한 고강도 알파 베타 타이타늄 합금의 처리 방법 및 그 합금에 관한 것이다.
고강도 타이타늄 합금은 항공분야에 널리 사용되는데, 그 한예로, 개스터어빈 엔진에 사용되는 디스크가 있다. 상기의 개스터어빈 엔진 디스크는 디스크 원주에 위치한 콤프레셔(cpmpressor)날개를 지지 및 제한하고 그리고 10,000rpm의 속도로 회전된다. 작동시, 부분적으로 주기성을 띤 상당한 응력이 발생하는데 이때 상기의 파동하는 응력으로 인해 피로 파괴가 일어난다. 일반적으로 상기의 피로 파괴는, 표면 또는 표면 밑에 있는 홈 또는 결함에서 발생한 균열이 파동하는 응력으로 인해 성장 또는 전파 됨으로서 일어난다. 그리고, 상기 균열의 성장은 응력에 저항할수 있는 금속영역을 감소시켜 그에 의해 응력 효과를 증가시킴으로써 더욱 빠른 균열 성장속도를 일으킨다.
피로 파괴가 일어나지 않는 것이 이상적이나 그것은 불가능하며, 또한 피로파괴로 인해서 손상을 입지 않을 것을 기대하는 것도 불가능하다. 따라서 일단 피로 균열이 일어나면 가능한한 상기의 균열 성장 속도를 느리게 하여, 피로 파괴가 발생하기 전에 정기적인 검진등의 방법으로 상기 균열을 탐지하는 것이 바람직하다.
타이타늄 합금의 기계적인 성질을 개선하는 방법들의 대부분이 항복강도, 인장강도 및 크리이프 성질 등과같은 타이타늄의 정적 성질에 초점을두고 있는데 비해, 본 발명는 특히 널리 사용되있는 타이타늄 합금인 Ti-6-2-4-6의 균열 성장속도에 대해 언급하고 있다.
미합중국 특허 제2,968,586호와 제2,974,076호는, 타이타늄 합금의 알파베타계와 상기 합금을 위한 여러가지 가능한 열기계적 연속처리를 설명하는 타이타늄 분야의 초창기 특허들이다. 상기의 제2,974,076호에서는, 베타 변태 온도 이상의 온도에서 급냉하는 것을 포함한 열처리는 변태온도 이하에서 급냉하는 것에 비해 상기 합금의 인장강도와 연성을 떨어뜨리기 때문에 바람직하지 못하다고 설명했다(컬럼3, 마지막 전체단락). 제2,974,076호의 특허청구범위 8항과 9항에서는 베타 변태 온도 이상으로 가열하여 베타 변태온도 직하까지 서냉한후, 상기의 베타 변태 온도 직하에서 등온을 유지하다가 그후 급냉되는 것으로 구성되는 열 처리법을 설명했다. 그러나, 그러나, 상기의 두 특허는 베타 변태 온도 이상에서 발생하는 변형에 대해서 설명하지 않았다.상기의제2,968,586호 특허는 워드만 스타튼 조직(Widmanstatten structure)을 일으키는 방법으로서 급냉을 설명하였고 그리고 분당 약 1.7-16.6℃의 냉각속도(분당 약3°F-30°F)로 냉각하는 것이 바람직하다고 주장했다(컬럼 3, 23-25라인).
타이타늄의 열처리에 관한 것으로 미합중국 특허번호 제3,901,743호와 제4,053,330호가 있는데, 상기의 제3,901,743호 특허는 특히Ti-6-2-4-6재료를 설명하고 그리고 단조된 재료로 시작해서 베타 변태 악간 아래의 온도(베타 변태온도는 946℃(1735°F)임)즉, 상기 특허에서 제안된 온도인 87℃-927℃(1600-1700°F)에서 용체화 처리를 해주고, 실온으로 급냉하고, 그뒤 760-871℃(1400-1600°F)로 재가열해준후 계속해서 510-593℃(950-1100°F)의 온도에서 시효시키는 것으로 구성되는 열 처리법에 대해 설명했다. 그러므로, 상기 특허는 다음에 설명될 본 발명과는 무관하다. 제4,053,330호 특허에서 설명된 열처리법은 베타변태온도 이상의 온도에서 단조하여 마르텐사이트 조직을 일으키도록 급냉한후, 상기의 두 온도 사이에서 템퍼링 해주는 것으로 구성되어 있는데, 이때 상기의 급냉은 분단 555℃(1000°F/분)의 냉각속도를 제공하는 액체 매질 중에서 행해진다.
미합중국 특허 번호 제4,309,226호는 유사 알파 타이타늄 합금, 특히Ti-6-2-4-6합금(6Al, 4Zr, 2Mo 나머지는 Ti)의 처리를 위한 열-기계적인 방법을 설명하고 있는데, 상기 방법은 여러가지 면에서 본 발명과 유사하나 상기 방법이 알파 베타 합금으로 불려지는 본 발명의 합금과는 상당히 다른 유사 알파 합금에 적용되므로, 상기 방법이 본 발명에서 사용되는 합금에 적용될 경우는 상기 발명에서 얻어지는 결과와 같은 우수한 효과는 기대할수 없을 것이다. 특히, Mo의 함유량이 적기 때문에 본 발명에 따라 얻어지는 재료에서와 같은 Mo이 다량 함유된 계면상이 형성되지 않을 것이다.
본 발명에 따라 Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo로 대표되는 타이타늄 합금 계열은 균열 성장에 대해 높은 저항성을 갖도록 열-기계적으로 처리된다. 즉, 상기의 재료는 베타 변태 이상의 온도에서 단조된후, 베타 변태 온도를 거쳐 11-55℃/분(20-100°F/분)의 속도로 냉각되고, 그뒤 베타 변태 직하의 온도에서 열처리된 다음 시효된다.
상기에 따라 얻어지는 본 발명의 조직은 베타 가질내에, Mo의 함량이 풍부한 구역으로 둘러싸인 알파 플레이트릿(platelets)을 갖으며 또한 상기의 조직은 입계 알파가 없다.
또한, 상기의 조직은 피로 균열의 전파에 대해 저항성을 갖으며, 그밖의 다른 특징과 장점은 상세한 설명 및 특허청구 범위와 본 발명에 따른 실시 양태를 나타낸 도면에 의해 명확히 드러날 것이다.
본 발명은 소정의 타이타늄 합금류의 기계적 성질을 개선시키기 위한 열-기계적 처리 방법인데, 상기의 처리 방법은 공칭 조성이 6%Al, 2%Sn, 4%Zr, 6%Mo 및 그 나머지는 Ti로 디어 있는 타이타늄 합금에 가정 적합하므로, 이후로는 상기의 합금과 관련지어 본 발명의 처리 방법을 설명하겠다. 상기의 상용 합금의 원소 범위는 범위가±0.25%인 Sn을 제외하고는 모두 상기의 공칭 함량에서 ±0.5%의 범위에 있다. 그러나, 상기와는 다른 합금도 본 발명의 처리 방법에의해 성질이 개선되리라고 믿어진다. 본 발명의 처리 방법에 사용될 수 있는 다른 대체 상용 재료로는 공칭 조성이 5% Al, 2% Sn, 4% Zr, 4% Mo, 4% Cr과 그 나머지는 Ti로 되어 있는 Ti-17이 있으며, 상기 합금은 원소 범위가 ±0.25%인 Sn과 Zr을 제외하고는, ±0.5%의 원소 범위내에 있다. 상기의 두 합금은 베타상이 비교적 안정되도록 상당한 베타 안정화 물질(적어도 10중량%이상)을 함유한 알파 베타합름으로, 베타 변태 이상의 온도에서 급냉됨에 의해 두꺼운 합금도 완전히 강화될수 있는 고경화능 합금이다. 그리고 다음에 언급될 비교적 많은 양의 몰리브덴(>3%)을 함유한 합금 또한 중요하다.
본 발명에 따른 처리방법의 첫단계는 베타 변태 이상의 온도, 바람직하게는 베타 변태 온도보다 약 14℃-36℃(약 25-64°F)가 높은 온도 범위에서 단조하는 단계이다. 가열된 다이를 사용하여"등온"단조를 실시하나, 적당한 단조온도 변동 특히14°-36℃(25-65°F)내의온도 변동은 본 발명의 범위내에 포함된다. 이때 상기의 단조에 따는 변형량과 변형 속도는 재료를 재결정시키고 그리고 결정 입계가 거칠고 비틀리게될 정도로 해주는 것이 바람직하다. 또한, 이때 나타나는 단면 축소율은 적어도 10%, 바람직하게는 적어도 25%이상으로 해주는 것이 좋다.
상기의 등온 변형 단계를 거친후, 상기의 재료는 등온 단조온도(바람직하게는 538℃(약 1,000°F)이하)로 부터 분당11℃(F)-55℃(100°F)의 조절된 냉각 속도에 의해 냉각되는데, 이때 상기의 조절된 냉각 속도 단계는 다음에서 설명된 바람직한 현미경 조직을 생성하는데 중대한 영향을 미친다. 즉 상기의 냉각 속도 보다 느리면 상기 재료의 균열 성장을 충분히 막을 수 없는 굻은 침상조직으로 나타나고, 상기의 속도보다 빠르면 바람직한 침상의 미세조직을 얻을수 없다.
그후, 상기의 재료는 베타 변태온도의 직하 온도, 바람직하게는 베타 변태 온도보다 약28℃(50°F)-83℃(150°F)가 낮은 온도에서 약 0.5-5시간동안 가열되고, 그뒤 상기의 재료는 상기의 열처리 온도로부터 공냉의 냉각 속도 또는 그보다 빠른 속도(바람직하게는 약 260℃(500°F)이하의 온도)로 냉각된다.
본 발명에 따른 처리 방법의 최종 단계는 약 480℃(°F)약 649℃(1200°F)사이의 온도에서 상기의 재료를 4-8시간동안 시효시키는 것이다.
상기와 같은 단계를 거쳐 얻어진 조직이 제1도에 나타나 있는데, 상기 조직은 베타상에 의해 둘러싸인 침상의 알파상 플레이트릿으로 구성되어 있따. 상기의 알파상 플레이트릿의 두계(d)에 대한 길이(l)는 최초의 등온 단조 온도로 부터 상기의 냉각속도에 의해 약4-20배가 되도록 조절된다. 만약에 상기의 냉각 속도가 너무 빠르면, 상기의 플레이트릿은 지나치게 얇아지므로(l/d이 너무 커짐으로)바람직한 성질의 조직이 되지 못하고, 냉각 속도가 너무 느리면 균일의 성장을 저지할수 없는 굵은 조직이 된다. 균열이 발생한 후인 제1도의 조직을 관찰해보면, 균열이 침상의 알파상과 기질의 베타상 사이의 계면을 따라 전파된 것을 발견할수 있다. 따라서, 상기와 같은 이유로 상기의 플레이트릿의 길이가 비교적 짧고, 방향이 또한 서로 뒤섞여 있다면, 그에 따라 균열이 전파 통로가 휘어지기 때문에 균열의 전파는트 느리게 일어날 것이다.
본 발며에 따라 처리된 재료의 특징은 알파 플레이트릿과 베타기질 사이의 계면에서 변형된 조성의 얇은 층이 관찰되는 것이데, 이때 상기의 계면 조서은 몰리브덴의 중량 퍼센트가 20-25%가 될 정도로 몰리브덴 함량이 높다.
본 발명에 따라 처리된 상기의 재료는 강인하고(tough), 인성이 있고(ductile), 균열 성장에 대한 저항성이 있으며, 게다가 상기의 계면상으로 인해 상당한 장점을 갖는다. 몰리브덴 함량이 높은 상기의 계면 재료는 열처리 단게에서 형성되는 것이며, 그것의 두께는 약10-÷mm(1000°A)이다.
상기 계면은 몰리브덴 함유량이 높기 때문에 그에 비해 상당한 양(>3%)의 몰리브덴을 함유하지 못한 합금은 본 발명에 따라 처리되었을때, 상기의 Ti-6-2-4-6재료에서와는 달리 바람직한 균열 성장 바람직한 균열 성장 반응을 일으키지 못한다는 것을 알수 있다.
본 발명의 장점중의 일부는 다음의 실시예에서 설명될 것이다.
Ti-6-2-4-6재료(베타 변태가 약 946℃(1735°F)에서 일어남)를 982℃(1800°F)에서 단면 축소율이 약 66%가 될 정도로 등온도로 단조하고, 그뒤 분당 약 22℃(40°F)의 냉각 속도로 538℃(1000°F)까지 냉각하고(그리고 실온 으로 공냉하였다). 그후, 상기 재료의 시료들은 866℃(1590°F)와 916℃(1680°F)사이의 여러 온도, 즉 베타변태 온도 보다 약 80.5℃(145°F) 내지 30.5℃(155°F)가 갖은 낮은 온도 사이의 여러 온도로 재가열한뒤, 다시 상기의 시료를 593℃(1100°F)에서 8시간동안 시효했다. 그뒤, 상기의 방법에 따라 얻어진 재료의 균열 성장 속도를 비교 측정했더니, 제2도에 도시된 바와같이 약885℃(1625°F)(b), 즉 베타 변태 온도보다 61℃(110°F)가 낮은 온도에서 최적의 균열 성장 속도가 나타나는 것으로 나타났다. 또한 593℃(1100°F)에서 시효된 시료(b)는 621℃(1150°F)에서 시효된 시료(c)보다 성질이 우수한 것으로 나타났고, 또 종래의 표준 방법에 따라 982℃(1800°F)로부터 유기(oil)중에서 급냉된후, 곧바로 830℃(1252°F)에서 열처리된 재료의 균열성장 속도는 곡선에 도시된 바와같이 1점으로 나타나 있다. 상기의 비교에서 알수 있듯이 본 발명에 따라 처리된 재료는 종래의 방법에 따라 처리된 재료에 비해 상당히 우수했다.
제3도는 본 발명에 따라 처리된 재료와 종래의 방법에 따라 처리된 재료(고상선 아래서 용체화 처리, 급냉, 593℃(1100°F)에서 시효)에서 각각 1%의 크리이프가 발생하는데 소요되는 시간을 비교한 라이손-밀러(Larson-Miller)도표인데, 상기도 도면에서 알수있듯이 온도와 응력이 같은 조건에서 본 발명에 따라 처리된 재료의 크리이프 수명은 종래의 방법에 따른 재료의 수명 약 2배가 된다.
본 발명에 따라 처리된 재료와 종래의 방법에 따른 재료의 균열 성장 수명이 제44도에 도시된 바와같이 온도의 함수로서 나타나는데, 상기 도표에서 알수있듯이 본 발명에 따른 재료의 균열 성장 수명은 비록 온도가 증가함에 따라 약간 감소하는 현상은 있으나 종래의 방법에 따른 재료에 비해 우수하다.
본 발명은 다음의 특허청구 범위를 벗어나지 않는 범위내에서 실제 사용에 따라 변할수 있다.

Claims (11)

  1. 상당한 량의 베타 안정화제와 적어도 3%이상의 몰리브덴을 함유하며 또한 베타 변태 온도를 갖는 알파-베타 타이타늄 합금의 처리방법에 있어서, 상기 재료의 균열 성장 양태를 개량시키기 위한 방법에 있어서, a. 상기 재료를 베타-변태 이상의 온도에서 재결정되기에 충분할 정도로 단조하는 단계 ; b. 베타 변태온도르 거쳐 분당 약 11℃(20°F 내지 55℃(100°F)의 냉각속도로 상기의 단조된 재료를 1차 냉각하는 단계 c. 베타 변태 온도 보다 약 28℃(50°F) 내지 83℃(150°F)가 낮은 온도에서 상기의 냉각된 재료를 열처리 하는 단계 ; d. 상기의 열처리된 재료를 공냉의 냉각속도 이상으로 2차 냉각하는 단계 및, e. 그후 상기의 2차 냉각된 재료를 시효시키는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 알파-베타 타이타늄 합금의 처리방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기의 단조 단계는 베타 변태 온도 보다14℃(°F) 내지 36℃(65°F)가 높은 온도에서 실시되는 것을 특징으로 하는 알파-베타 타이타늄 합금의 처리방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기의 재료는 최소한 단면 수축율이 10%이상이 되도록 단조되는 것을 특징으로 하는 알파-베타 타이타늄 합금의 처리방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기의 재료는 최소한 단면 수축이 25%이상되도록 단조되는 것을 특징으로 하는 알파-베타 타이타늄 합금의 처리방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제b항의 1차 냉각 단계에 상기의 재료는 약 538℃(1000°F)이하의 온도로 냉각되는 것을 특징으로 하는 알파-베타 타이타늄 합금의 처리방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제c항의 열처리 단계는 약 0.5-5시간동안 실시되는 것을 특징으로 하는 알파-베타 타이타늄 합금의 처리방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제d항의 2차 냉각단게에 상기 재료는 약 260℃(500°F)이하고 냉각되는 것을 특징으로 하는 알파-베타 타이타늄 합금의 처리방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제e항의 시효 단계에서 상기의 시효는 약 482℃(900°F)와 593℃(1100°F)사이에서 약 2-10시간동안 행해지는 것을 특징으로 하는 알파-베타 타이타늄 합금의 처리방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기의 타이타늄 합금은 Ti-6-2-4-6인 것을 특징으로 하는 알파-베타 타이타늄 합금의 처리방법.
  10. 제1항에 있어서, 공칭 조성이 6% Al, 2% Sn, 4% Zr, 6% Mo 및 그 나머지는 Ti인 타이타늄 합금의 균열 성장 양태를 개량시키기 위한 방법에 있어서, a. 상기 재료를 베타 변태 온도 보다 약 14℃(65°F)가 높은 온도에서 최소한 단면 수축율이 10%이상이 되도록 단조하는 단계 ; b. 상기 단조된 재료를 분당 약 11℃(20°F)와 55℃(100°F)사이의 냉각속도로 약 538℃(1000°)이하로 냉각하는 단계 ; c. 상기의 냉각된 재료를 배타 변태 온도보다 약 28℃(50°F) 내지 83℃(150°F)가 낮은 온도 범위에서 약 0.5-5시간동안 열처리하는 단계 ; d. 상기의 열처리된 재료를 공냉의 냉각속도 이상으로 약 260℃(500°F)이하로 냉각시키는 단계 및 e. 그후 냉각된 상기의 재료를 약 482℃(900°F)와 649℃(1200°F)사이의 온도에서 약 2-10시간동안 시효시켜 주는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 알파-베타 타이타늄 합금의 처리방법.
  11. 균열 성장에 대해 저항성이 있는 타이타늄 합금 제품에 있어서, 상기 합금의 평균 l/d이 약 4와 20사이인 침상의 알파 플레이트릿을 약 20과 90상이의 체적 퍼센트로 함유한 베타 기질로 되어 있고, 상기의 침상프레이트릿은 몰리브덴의 함량이 높은 얇은 층으로돌려 싸여 있으며, 상기의 재료에는 연속된 결정입계 알파상이 거의 없는 것을 특징으로 하는 균열성장에 대해 저항성이 있는 타이타늄 합금 제품.
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