티타늄 합금 (titan alloy)
개요
티타늄 (Titanium, Ti) 은 원소번호가 22 인 금속으로 은백색의 광택을 띄고 있으며 지구상에 널리 분포된 금속 중의 하나이다. 티타늄의 비중은 4.5g/㎤ 으로 알루미늄보다 40% 크나, 강도가 약 6 배나 된다(비강도가 높다는 말이다). 융점은 1680℃로 금속 중에서는 매우 높다.
무자비하게 비싸지만 비강도 (강도/비중) 가 크고 상온 뿐만 아니라 고온에서도 내부식성이 우수하다. 티타늄은 비강도가 높기 때문에 항공우주, 자동차 등에 구조물로써 이용되며, 내식성이 뛰어나기 때문에 화학산업 등 에서 반응기, 열교환기, 배관 등에 이용되기도 한다. 쉽게 말해 이리 저리 좋은 재료지만 비싸서 널리 쓰이지는 않는 재료이다 (좋은 금속 재질은 원래 다 이렇다).
기계적 측면
티타늄은 비강도가 높아 구조물로 이용하면 다른 금속을 이용했을 경우보다 무게가 크게 경감된다. 따라서 중량이 중요한 인자인 구조물 (항공기, 자동차) 등에서는 사용되지만 움직이지 않는 구조물에서는 단순히 강도만을 위해서 사용할 필요는 없다. 비싸니까.
열처리
티티늄 합금은 여러가지 이유로 열처리를 수행한다. 가장 큰 이유는 용체화 처리 (solution treatment)와 시효경화 (aging)을 수행하여 강도를 증가시키는 것이다. 경우에 따라 특수한 성질 (인성, 피로 강도, 고온 크립 특성 등)을 향상 시키기 위해서 하는 경우도 있다. 열처리는 Alpha and near-alpha alloys, Alpha-beta alloys와 Beta alloys 로 크게 분류 될 수 있다.
종류 및 분류
모든 다른 금속 재질과 마찬가지로 분류와 호칭이 다소 모호하다. 이를 분류하고 정의하는 규격 (예. ASTM) 도 있긴 하지만 실제 상업명은 다른 경우가 많다 (병기해서 표기하는 경우도 있다). 일반적으로 미국에서는 ASTM Grade 로 분류를 하니 기본적으로 이것으로 보자.
Grade 1~4 까지의 경우는 상업적으로 순수한 (commercially pure) 티타늄을 의미하므로 여기서는 제외한다. 순수 티타늄은 강도가 티타늄 합금만큼 좋지는 않다.
Grade 7, 11, 16, 17, 26, 27 도 상업적으로 순수한 (commercially pure) 티타늄 인데 납이나 루테늄을 추가한 경우이다.
Grade 12. 9, 18, 28, 6 은 Alpha and near-alpha alloys 합금이다.
Grade 5, 23, 29 는 Alpha-beta alloys 합금이다.
Grade 19, 20 은 Beta alloys 합금이다.
위에서 언급된 Grade 이외에도 다른 종류의 합금이 많이 있다.
티타늄 합금의 예 (Ti 6AL-4V, UNS R56400)
티타늄 합금이 워낙 많다보니 가장 유명한 티타늄 합금인 Ti 6AL-4V 의 예만 들어서 보자.
Ti 6AL-4V는 상업적으로 가장 많이 사용되며 특히 항공우주 분야에서는 매우 혁신적인 재질이다. 상업명으로 Ti 6AL-4V이나 ASTM 분류로는 Grade 5 이며 Ti-6-4로 쓰이기도 하며 UNS 분류로는 R56400 이다. 약 400 도씨까지 사용되며 높은 강도, 인성, 연성, 용접성, 제작성이 가장 잘 조합된 재료이다.
이 재질을 정의하는 규격이 아래와 같이 많다. 주의할 점 중에 하나는 열처리에 따라 기계적 성질이 바뀌므로 재질을 표기할 때에는 반드시 열처리 번호를 적어줘야 한다 (이건 모든 금속 재질의 경우가 마찬가지이다). 아래 표를 보면 알 수 있듯이 열처리를 하면 항복이나 인장 강도가 증가하고 연신율은 작아지며 충격 강도나 인성이 증가하며 다른 열챙창계수나 열용량, 열전도도와 같은 물리적 물성치들은 거의 변하지 않는다. 이러한 변화는 열처리로 강도가 변하는 재질의 일반적인 특성이다.
UNS: R56400
AMS: 4911, 4920, 4928, 4934-4935, 4965, 4967, 6930-6931, T9046
ASTM: B265, B348, B381 F136
MIL: T9046-T9047
MMS: 1217, 1233
DMS: 1570, 1583, 1592, 2285, 2442 R-1
BMS: 7-348
적용 분야
티타늄과 그 합금은 우주항공, 일반산업, 해양분야 및 상업분야 전반에 걸쳐 기술적인 우수성과 경제성이 널리 입증되고 있다. 북미의 경우 티타늄 수요의 약 70%가 우주항공 관련 분야에 적용되고 있다. 현 응용분야의 확산 및 새로운 응용개발로 인해 일반산업, 해양분야 및 상업분야에서 괄목할 만한 성장이 이루어 질 것이다. 현재 티타늄 합금이 응용되고 있는 산업분야를 소개하고자 한다.
GAS TURBINE ENGINES (가스 터빈 엔진 분야)
Fan blades, compressor blades, discs, hubs 및 non-rotor parts 같은 부품들을 포함하는 gas turbine engine의 고효율은 오직 티타늄 합금소재 적용으로 실현 가능하다. 이 분야에 적용되는 티타늄 소재의 장점으로는 중량대비 고강도, 일반 고정 온도하에서의 고강도 그리고 변형이나 조직피로에 좋은 저항성 등을 들 수 있다.
HEAT TRANSFER (열교환기 분야) 산업분야
적용되는 티타늄의 주된 용도로는 해수, 염분용액 또는 오염된 용액을 냉각매체로 사용하는 열교환기 분야를 들 수 있다. 티타늄 콘덴셔, 관형 열교환기, 판형 열교환기 등이 발전소, 제련소, 공기 조절 시스템, 화학공장, 해양 플래트폼, 선박 및 잠수함 등에 광범위하게 사용되고 있다.
DSA - dimensional stable anode (불용성 전극 분야)
티타늄의 독특한 전기화학적 특성으로 인해 chlorine(염소), chlorite(염소산염) 및 hypo-chlorite(차아염소산염) 생산설비에 최고의 에너지 효율적인 소재로서 사용되고 있다. PULP and PAPER (펄프, 제지 분야) 오폐수 재생 또는 장비의 사용수명 및 안정성에 대한 요구가 절실해 짐에 따라 티타늄은 펄프, 제지공장의 표백설비의 drum washers(드럼세척기), diffusion bleach washers (표백제 분사 세척기), 펌프, 배관시스템 및 열교환기 등에 적용되는 기본소재로 인증되고 있다. .
DESALINATION (탈염설비 분야)
티타늄의 탁월한 내부식, 내침식성 및 높은 응축효율성에 의해 탈염공장의 주요 설비에 가장 경제적이고 신뢰성 있는 소재로 적용되고 있다. 매우 얇은 두께의 티타늄 용접관의 수요 증가로 Copper-Nickel 소재 대비 티타늄의 가격 경쟁력을 높이고 있다.
EXTRACTION and ELECTROWINNING of METALS (금속 적출 및 추출 분야)
티타늄 반응기 사용한 금속적출은 제련공정의 환경 친화적인 대안을 갖을 수 있다.
MEDICAL (의료 분야)
티타늄 소재는 인공이식, 외과장비, 맥박조정기 케이스 또는 원심분리기 등에 널리 쓰이고 있다. 티타늄은 고강도 및 낮은 탄성계수는 물론 체액의 생리적 거부현상에 대한 저항성 등 모든 금속 중 가장 생체 친화적인 특성을 갖고있다.
HYDROCARBON PROCESSING (탄화수소 공정 분야)
설비 보수 및 가동중지등과 관련된 설비의 수명연장의 필요성 때문에 제련소, LNG 공장 및 해양 플랫트폼의 열교환기, vessel, 배관시스템 등에 티타늄 소재의 적용이 선호되고 있다. 티타늄은 탄화수소, H2S, 염수 및 CO2 에의한 보편적인 영향이나 피로부식에 의한 crack등에 저항성을 갖고있다.
FLUE GAS DESULFURIZATION -FGD (탈황설비 분야)
티타늄은 배기가스 탈황설비 등 환경오염 방지 분야에 탁월한 내부식성을 바탕으로 활발히 응용되고 있다.
MARINE APPLICATION (선박 분야)
티타늄 소재의 견고성, 고강도 및 극단적인 내부식성 때문에 잠수함 선체, ball valve, 화재펌프, 열교환기, 주조물, 심해잠수정 선체, water-jet 추진시스템, 제트추진 전향장치, 배기/환기관, 수직어뢰발사대, 잠수함 격납고 출입문,갑판 냉각장치 및 해수 배관시스템 등에 현재 널리 쓰이고 있다.
CHEMICAL PROCESSING (화학 분야)
질산, 유기산, chlorine dioxide, inhibited 환원제 및 황화수소 등의 aggressive 화합물 처리를 위한 티타늄 소재의 vessel, 열교환기, 탱크, 교반기, 냉각기 및 배관시스템 등이 널리 쓰이고 있다
STEAM TURBINE (스팀터빈 분야)
발전설비 가동중단 요인의 약 30% 이상이 스팀터빈 설비의 이상으로 야기되는 것으로 나타나 있다. Wilson Line장치의 터빈 blade에 티타늄 Grade 5 (6Al-4V)소재를 사용함으로써 가동중단 및 보수 기간을 단축시킨 반면 저압스팀터빈의 효율 및 수명이 향상된다.
AUTOMOTIVE (자동차 분야)
티타늄 소재는 고성능 자동차의 valves, valve spring, rocker arm, connecting rod 및 frame 같은 부품들에 이미 널리 응용되고 있다. 상업차 엔진의 train valve에 티타늄 소재를 적용함으로써 4% 에 이르는 연비향상을 이루었다는 비교결과가 입증되었다.
CASTINGS (주조 분야)
상업적인 주조품 생산은 60연대 말부터 시작되었으며 현재의 주조기술은 가스터빈 엔진, air frame, 화학공정 및 해양관련 주요 제품에 통상적으로 적용하는 단계에 까지 성숙되었다. 정밀 lost wax 금형이나 rammed graphite (sand) 금형시스템이 적용된다. 일반적으로 우주항공용 부품들은 별도의 금형이 필요로 하는 반면 일반 철부품을 생산키 위한 같은 금형을 때로는 티타늄 화학펌프나 벨브부품 생산용으로 가끔 사용하기도 한다. 티타늄 주조품의 물리적 특성은 일반적으로 그 원자재의 것에 필적한다. 견고성 및 crack 저항성등은 일반적으로 월등하며 고피로주기가 통상적으로 약간 낮은 반면 강도는 거의 같다. 70년대 말 hot isostatic pressing (HIP) 주조법의 출현으로 x-ray 검사시 통상 검색되는 주조물 내부의 수축기공 문제점을 해결할 수 있게 되었다. 이 HIP 주조 공정은 주조품 내부기공이 닫히고 diffusion bonding 되게 한다. 이에 따른 티타늄 주조품의 품질확신이 커짐과 비례하여 그 응용이 비약적으로 증가하게 되었다.
SPORTS EQUIPMENT (스포츠 분야)
티타늄 골프 샤프트, 테니스 라켓 프레임, 당구 큐 프레임, 야구 배트 및 자전거 프레임 등이 현재 Ti-3Al-2.5V 합금소재로 가공되어지고 있다. Ti-3Al-2.5V 합금은 스포츠용 소재로 적합한 특성을 갖고 있음이 입증되었다; 즉, 중량대비 고강도, 우수한 내부식성, 낮은 탄성계수 및 dampening 특성 등을 들 수 있다.
AEROSPACE (항공기 분야)
항공기 가스터빈 엔진이 단일품으로는 현재 최대의 티타늄 수요품이다. 최신 기종의 제트엔진의 경우 전체 net중량의 약 20-30%가 티타늄 합금소재로 만들어져 있다. 그 외의 티타늄 사용부품으로는 blade, disc 또는 hub, inlet guide vane 및 케이스 등을 들 수 있다. 티타늄은 590˚C 정도 까지의 온도에서 운전되는 엔진부품의 가장 보편적인 소재로 선택되고 있다.
AIRFRAME (항공기체 분야)
민간용 및 군사용 항공기체 분야에서 티타늄 합금소재는 알루미늄, 니켈 및 철합금 소재등에 효율적으로 경쟁하고 있다. 예를들면, 전체 티타늄 소재로된 SR 71은 아직도 모든 항속 및 고도 기록기를 장악하고 있다. 또한 항공기체 구조의 전분야에 걸쳐 적용되고 있다; 즉, 거대하고 높은 압력을 받는 단조된 날개구조물들, 랜딩기어 부품들, 주요 소형 볼트류, 스프링류 그리고 수압 tubing 등을 들 수 있다. 항공기체나 엔진용으로 티타늄 소재가 선택되는 근거로는 티타늄의 대표적인 특성인 중량대비 고강도로 인한 동체중량 감소효과 및 타 구조물소재와 비교되는 탁월한 내부식성을 들 수 있겠다.
SPACE (우주항공 분야)
초기 Mercury 및 Apollo 우주선에서부터 널리 적용되기 시작한 티타늄 소재는 군사용 및 NASA 우주계획에 광범위하게 공헌해 오고 있다. 유인우주선의 경우 티타늄 합금은 solid rocket booster case, guidance control pressure vessel 그리고 기타 저중량 및 소재의 신뢰성이 요구되는 다양한 부품들에 넓게 적용되고 있다.
NUCLEAR WASTE STORAGE (방사성 페기물 처리 분야)
방사성 폐기물은 반드시 수백년간 안전하게 폐기저장 되어야 한다. 티타늄은 자연 발생되는 방사성 유동액에 높은 저항성을 가지고 있어 방사폐기물처리 다층방벽시스템에 최우선적으로 추천되고 있다.
THICK SECTION TITANIUM (중량물 분야)
중량물은 대게 100mm(t) 이상의 단조 또는 압연두께의 가공물을 말한다. 티타늄 합금소재는 중량가공이 요구되는 항공기체 부품 및 PWA나 GE사의 고속 우회로 젯트엔진용 fan disk 그리고 단조된 Sikorsky 헬리콥터 회전익등과 같은 회전체 부품에 성공적으로 사용되고 있다. 관련 주요 기본적인 티타늄 합금으로는 Ti-6Al-4V (annealed 또는 solution treated & over aged); 유사 베타합금 Ti-5Al-2Sn-2Zr-4M0-4Cr 및 Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo (solution treated aged); 베타합금 Ti-13V-11Cr-3Al 및 Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr (solution treated aged) 를 들 수 있다. 현재까지 가장 많이 중량품이 적용된 단일사업으로는 Ti-13V-11Cr-3Al 합금을 사용한 SR-71 Blackbird로 나타나 있다. 이 사업에서 Lockheed 기술진들은 티타늄합금 선택의 이유로 운전온도를 견딜 수 있는 소재로는 티타늄과 스텐레스이나 Ti-13V-11Cr-3Al 합금의 중량은 평방인치당 스텐레스의 절반정도인 반면 최고강도는 스텐레스와 거의 같은 점을 기술하고 있다. 만약 통상적인 가공기술을 적용했다면 Ti-13V-11Cr-3Al을 필요로 한 부품은 거의 몇 가지 되지도 않았을 것이다. 티타늄 합금은 조직피로 및 분열에 우수한 견고성이 있어 중량물 전 두께에 걸쳐 (두께 100mm-150mm는 물론 200mm 까지) 균일성을 유지하기 때문에 이런 중량물에 스텐레스 등 철합금소재 대비 우수한 대체소재로 유용하게 활용되고 있다
출처 및 참고 문헌
http://asm.matweb.com/search/SpecificMaterial.asp?bassnum=MTP642
https://en.wikipedia.org/wiki/Titanium_alloy
http://www.rtiintl.com/Titanium/RTI-Titanium-Alloy-Guide.pdf
http://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=1341
http://www.magellanmetals.com/Ti_6al4v.html
http://www.aerospacemetals.com/titanium-ti-6al-4v-ams-4911.html
http://www.aircraftmaterials.com/data/titanium/ti6al4v.html
https://www.atimetals.com/Documents/ati_6-4_tds_en_v1.pdf
https://www.atimetals.com/Documents/high_perf_metals_brochure_v1.pdf
http://www.veridiam.com/pdf/DataSheetTitaniumAlloy.pdf