분말 금속 소개 - 티타늄

1. 티타늄의 출처

티타늄은 1791년 영국의 그레고어라는 아마추어 광물학자에 의해 처음 발견되었습니다. 1795년 독일의 화학자 클라프로트는 이 미지의 금속 물질을 그리스 신화의 신족인 티탄의 이름을 따서 명명했으며, 이는 중국어와 영어로 "티타늄"으로 번역됩니다. 티타늄은 지구상에 풍부하게 존재합니다. 알려진 티타늄 광물은 140종 이상이지만, 주요 산업용 광물은 일메나이트와 루틸입니다. 그중 중국의 일메나이트 매장량은 전 세계 매장량의 28%를 차지해 세계 1위입니다.

티타늄은 세계적으로 무독성 원소로 인정받고 있지만, 채굴 및 생산 비용과 가격이 높습니다. 고온 및 저온 내성, 강산 및 강알칼리 내성, 높은 강도, 낮은 밀도 등 일련의 특성 덕분에 NASA의 로켓과 위성에 사용되는 특수 소재가 되었으며, 중국의 위투 로버, J-20, 산둥함 및 기타 초대형 프로젝트에도 사용되었습니다. 1980년대 민간 분야에 진출한 이후에는 천연 항균성과 생체 친화성으로 식품 산업의 "명예로운 금속 왕"이 되었습니다.

2. 순수 티타늄과 티타늄 합금의 차이

순수 티타늄은 공업용 순수 티타늄 또는 상업용 순수 티타늄이라고도 하며, 불순물 원소의 함량에 따라 등급이 나뉩니다. 우수한 프레스 가공성과 용접성을 갖추고 있으며, 열처리와 조직 형태에 민감하지 않고, 만족스러운 소성 조건에서 일정한 강도를 유지합니다. 강도는 주로 침입형 원소인 산소와 질소의 함량에 좌우됩니다. 99.5% 공업용 순수 티타늄의 특성은 다음과 같습니다. 밀도 P=4.5g/cm3, 융점 1800°C, 열전도율 λ=15.24W/(M.K), 인장 강도 σ b=539MPa, 연신율 δ =25%, 단면 수축률 ψ=25%, 탄성 계수 E=1.078×105MPa, 경도 HB195. 티타늄 합금은 티타늄과 다른 원소로 구성된 합금입니다. 발견된 이후 현재까지의 역사가 60~70년에 불과한 비교적 젊은 금속입니다. 티타늄 합금 소재는 가벼운 중량, 높은 강도, 낮은 탄성, 고온 내성 및 내식성의 특성을 갖습니다. 주로 항공기 엔진, 로켓, 미사일 및 기타 부품에 사용됩니다. 티타늄에는 두 가지 동소체가 있습니다. 티타늄은 융점이 1720°C인 동소체입니다. 882°C 이하에서는 조밀육방격자 구조를 가지며 이를 α 티타늄이라고 합니다. 882°C 이상에서는 체심입방격자 구조를 가지며 이를 β 티타늄이라고 합니다. 티타늄의 위 두 구조가 가진 서로 다른 특성을 이용하고 적절한 합금 원소를 첨가하여 상변태 온도와 상 함량을 점진적으로 변화시키면 서로 다른 구조의 티타늄 합금(티타늄 합금)을 얻을 수 있습니다. 티타늄 합금 원소는 상변태 온도에 미치는 영향에 따라 세 가지로 나눌 수 있습니다.

① α상의 안정성을 높이고 상변태 온도를 높이는 원소는 α 안정화 원소이며, 알루미늄, 마그네슘, 산소 및 질소가 포함됩니다. 그중 알루미늄은 티타늄 합금의 주요 합금 원소로, 합금의 상온 및 고온 강도를 높이고 비중을 낮추며 탄성 계수를 증가시키는 데 큰 영향을 미칩니다.

② β상의 안정성을 높이고 상변태 온도를 낮추는 원소는 β 안정화 원소입니다. 이는 등형과 공석형으로 나눌 수 있습니다. 전자에는 몰리브덴, 니오븀, 바나듐 등이 포함되며, 후자에는 크롬, 망가니즈, 구리, 규소 등이 포함됩니다.

③ 상변태 온도에 미치는 영향이 적은 원소는 중성 원소이며, 지르코늄과 주석 등이 해당합니다.

주요 등급 상세 설명:

TA1 (미국 규격 Gr1)

TA1 (Gr1) 티타늄은 네 가지 공업용 순수 티타늄 등급 중 첫 번째 등급입니다. 이 등급은 가장 부드럽고 연성이 우수합니다. 성형성이 가장 뛰어나며 내식성과 충격 인성이 우수합니다. TA1 등급은 성형이 용이해야 하는 모든 용도에 적합한 소재로, 일반적으로 티타늄 판재와 티타늄 파이프로 사용됩니다.

TA2 (미국 규격 Gr2) 등급

TA2 등급 티타늄은 공급처와 사용 가능성이 다양하고 폭넓기 때문에 상업용 순수 티타늄 산업의 "주력 제품"으로 알려져 있습니다. TA1 등급 티타늄 합금과 동일한 특성이 많지만 강도는 약간 더 높습니다. 두 등급 모두 내식성이 동일하게 우수합니다. 이 등급은 용접성, 강도, 연성 및 성형성이 좋습니다. 따라서 TA2 등급 티타늄 봉재와 판재는 건설, 발전, 의료 산업 등 다양한 분야에서 우선적으로 선택됩니다.

TA3 (ANSI Gr3) 등급        

이 등급은 상업적으로 가장 적게 사용되는 공업용 순수 티타늄 등급이지만, 그렇다고 가치가 낮은 것은 아닙니다. TA3 등급은 TA1 및 TA2 등급보다 강도가 높고 연성은 유사하며 성형성은 약간 낮습니다. 그러나 이전 등급보다 기계적 특성이 우수합니다. TA3 등급은 항공우주, 화학 처리, 해양 산업 등 적당한 강도와 높은 내식성이 필요한 분야에 사용됩니다.

TA4 (ANSI Gr4) 등급        

TA4 등급은 네 가지 상업용 순수 티타늄 등급 중 가장 강한 등급으로 간주됩니다. 또한 우수한 내식성, 양호한 성형성 및 용접성으로 알려져 있습니다. 일부 기체 구조 부품, 극저온 용기, 열교환기 등 높은 성능이 요구되는 분야에 사용됩니다.

TA9 (ANSI Gr7) 등급        

TA9 등급은 침입형 원소인 팔라듐이 첨가되어 합금이 된 것을 제외하면 기계적 및 물리적 특성이 TA2 등급과 동일합니다. Gr7은 용접성과 특성이 우수하며 모든 티타늄 합금 중 내식성이 가장 뛰어납니다. 특히 환원성 산에서 내식성이 가장 우수합니다. TA9 등급은 화학 공정 및 생산 설비 부품에 사용됩니다. TA9는 특히 환원성 산 환경에서 매우 강한 내식성을 보입니다.

TA9-1 (미국 규격 Gr11) 등급

TA9-1 등급은 소량의 팔라듐을 첨가해 내식성을 높이고 합금화한 것을 제외하면 TA1 등급과 매우 유사합니다. 이러한 내식성은 염화물 환경에서 틈새 부식을 방지하고 환원성 산에 대한 내성을 높이는 데 활용할 수 있습니다. 그 밖의 유용한 특성으로는 우수한 연성, 냉간 성형성, 유용한 강도, 충격 인성 및 뛰어난 용접성이 있습니다. 이 합금은 1등급 티타늄과 동일한 용도에 사용할 수 있으며, 특히 내식성이 요구되는 분야에 적합합니다.

Ti 6Al-4V (국가 규격 TC4, 미국 규격 Gr5)

"주력 제품"으로 알려진 Ti6Al-4V 또는 5등급 티타늄은 모든 티타늄 합금 중 가장 널리 사용됩니다. 전 세계에서 사용되는 전체 티타늄의 50%를 차지합니다. 다양한 장점 덕분에 폭넓게 사용됩니다. Ti6Al-4V는 열처리를 통해 강도를 높일 수 있습니다. 최대 600°F의 사용 온도에서 용접 구조물에 사용할 수 있습니다. 이 합금은 높은 강도와 가벼운 중량, 우수한 성형성 및 높은 내식성을 결합한 소재입니다. Ti6AI-4V의 폭넓은 사용 가능성 덕분에 항공우주, 의료, 해양 및 화학 처리 산업 등 여러 분야에 최적의 합금으로 활용됩니다. 다음과 같은 기술 분야에 사용할 수 있습니다. 항공기 터빈 엔진 부품 항공기 구조 부품 항공우주용 체결 부품 고성능 자동차 부품 해양 분야 스포츠 장비

Ti 6AL-4V ELI (GB TC4ELI, ANSI Gr23) 등급

Ti 6AL-4V ELI 또는 TC4ELI 등급은 Ti 6Al-4V의 고순도 형태입니다. 코일, 스트랜드, 와이어 또는 평각 와이어로 제조할 수 있습니다. 높은 강도, 가벼운 중량, 우수한 내식성 및 높은 인성이 필요한 모든 상황에서 우선적으로 선택됩니다. 다른 합금에 비해 손상 허용성이 뛰어납니다. 이러한 장점 덕분에 TC4ELI 등급은 치과 및 의료용 티타늄으로 최적의 소재입니다. 생체 적합성, 우수한 피로 강도 및 낮은 탄성 계수 덕분에 이식 부품과 같은 생체의학 분야에 사용할 수 있습니다. 또한 다음과 같은 세부 수술 분야에도 사용할 수 있습니다. 정형외과용 핀 및 나사 정형외과용 케이블 결찰용 수술 임플란트 교정 장치 관절 치환술 극저온 용기 골 고정 장치

TA10 (미국 규격 Gr12) 등급

TA10 등급 티타늄은 용접성이 뛰어나 "우수" 등급으로 평가됩니다. 고온에서 높은 강도를 제공하는 내구성이 뛰어난 합금입니다. TA10 등급 티타늄은 300계 스테인리스강과 유사한 특성을 갖습니다. 이 합금은 프레스 성형, 하이드로포밍, 스트레치 성형 또는 낙하 해머 방식으로 열간 또는 냉간 성형할 수 있습니다. 다양한 방식으로 성형할 수 있어 여러 용도에 유용합니다. 이 합금의 높은 내식성은 틈새 부식이 우려되는 설비 제조 분야에서도 매우 중요합니다. TA10 등급은 다음 산업 및 용도에 사용할 수 있습니다. 쉘 및 열교환기 습식제련 분야 고온 화학 제조 해양 및 티켓 부품

Ti 5Al-2.5Sn     

Ti 5Al-2.5Sn은 열처리로 강화할 수 없는 합금으로, 우수한 용접성과 안정성을 얻을 수 있습니다. 또한 고온 안정성, 높은 강도, 우수한 내식성 및 크리프 저항성을 갖습니다. 크리프는 고온에서 장시간 소성 변형이 발생하는 현상을 의미합니다. Ti 5Al-2.5Sn은 주로 항공기와 동체 분야 및 저온 분야에 사용됩니다.

3. 티타늄 및 티타늄 합금의 응용

티타늄과 티타늄 합금 소재는 매장량이 풍부하지만 매우 비쌉니다. 이는 티타늄이 고온 조건에서 화학적 활성이 낮고, 제련 기술과 작업 환경이 매우 까다롭기 때문입니다. 반드시 고온 및 진공 조건에서 제련해야 하며, 온도가 800℃를 넘는 경우가 많아 철강 제련보다 훨씬 어렵습니다. 따라서 티타늄 합금이라고 하면 사람들은 생산량이 적고 가격이 높은 고급 금속 소재로 생각하며, 적용 분야도 제한적입니다.

현재 티타늄 합금은 가벼운 중량, 높은 강도 및 고온 내성과 같은 우수한 특성 덕분에 각국의 첨단 무기와 국가 핵심 장비 제조에 널리 사용되고 있으며, 특히 항공우주 분야에 적합합니다. 적용 분야의 예는 다음과 같습니다. 화학 산업

1. 알칼리 산업

알칼리 산업에서 티타늄 냉각기가 등장하면서 기존의 불합리한 냉각 공정으로 인해 염소 가스 생산량이 기준에 미달하던 문제를 효과적으로 해결할 수 있게 되었습니다. 동시에 클로르알칼리 산업의 생산 환경을 변화시켰으며, 투입된 티타늄 합금 냉각기의 수명은 최대 20년에 이를 수 있습니다.

2. 염 산업

가장 발전된 소금 생산 공정은 진공 제염이며, 이 공정에서 생성되는 고온 농축 염수는 탄소강 구조에 심각한 손상을 일으키고 설비 누수를 초래합니다. 가열실과 증발실에 티타늄-강 복합 구조를 사용하면 소금 스케일 생성을 효과적으로 방지하고 소금 생산 품질을 향상시키며, 증발 과정에서 고농도 염수가 관벽을 부식시키는 것을 줄여 유지보수 주기를 연장할 수 있습니다. 항공우주 1. 항공 산업 항공 분야에서 티타늄 합금의 적용은 항공기 구조용 티타늄 합금과 엔진 구조용 티타늄 합금으로 나뉩니다. 항공기 티타늄 합금 구조 부품의 주요 적용 부위는 랜딩기어 부품, 프레임, 빔, 동체 외피, 방열판 등입니다. 러시아의 Il-76 항공기는 고강도 BT22 티타늄 합금을 사용해 랜딩기어와 하중 지지 빔 같은 핵심 부품을 제조합니다. 보잉 747 주 랜딩기어 전달 빔의 소재는 Ti-6Al-4V이며, 단조품의 길이는 6.20m, 폭은 0.95m, 중량은 1545kg입니다. C-17 항공기의 수평 안정판 축 핵심 부품에는 고강도·고인성 Ti-62222S 티타늄 합금이 사용됩니다. 항공기 엔진 분야에서는 티타늄 합금이 압축기 디스크, 블레이드, 드럼, 고압 압축기 로터, 압축기 케이싱 등에 사용됩니다. 보잉 747-8GENX 엔진의 팬 블레이드 앞전과 팁에는 티타늄 합금 보호 슬리브가 사용되며, 10년의 사용 수명 동안 교체 횟수는 단 세 번에 불과했습니다.

2. 항공우주 산업

우주선의 작업 환경은 매우 가혹합니다. 소재의 구조 설계에 뛰어난 기술이 요구될 뿐만 아니라 소재 자체의 우수한 특성과 기능도 매우 중요합니다. 따라서 티타늄 합금은 다양한 소재 중에서도 두각을 나타냅니다. 항공우주 장비 분야에서 1960년대 미국 아폴로 계획의 우주선 이중 객실과 폐쇄형 객실의 날개 빔과 리브는 Ti-5Al-2.5Sn으로 제작되었고, 라이닝은 순수 티타늄으로 제작되었습니다. 독일 MT Aerospace사는 고강도 Ti-15V-3Cr 합금 추진 시스템 탱크를 제작하여 유럽 알파 통신 위성의 대형 플랫폼에 적용했습니다. 러시아 티타늄 합금의 항공우주 공학 적용 사례도 많으며, 예를 들어 에네르기아 발사체에는 3.5t BT23 티타늄 합금 대형 금형 단조품과 단조품이 사용되었습니다. 또한 티타늄 합금은 액체 연료 로켓 엔진의 연료 탱크, 극저온 액체 저장 탱크, 액체 수소 공급 펌프 임펠러 등에도 사용됩니다.

마찬가지로 국내 항공우주 공학이 빠르게 발전하면서 티타늄 합금도 광범위하게 사용되고 있습니다. 1970년 둥팡-1 위성부터 현재의 선저우 계열 우주선과 창어 탐사선에 이르기까지 티타늄 합금이 사용되었습니다. 또한 중국이 개발한 액체 수소 환경용 저온 TA7ELI 티타늄 합금 실린더는 창정 계열 발사체에 사용되었습니다. 하얼빈공업대학은 TC4 티타늄 합금을 사용해 달 탐사 로버의 휠 림을 제작했습니다. 이 밖에도 중국은 BT20 및 기타 고강도 티타늄 합금을 사용해 미사일 엔진 케이싱, 노즐 및 기타 부품을 제조하고 있습니다. 선박 분야 티타늄과 티타늄 합금은 핵잠수함, 잠수정, 원자력 쇄빙선, 수중익선, 호버크래프트, 소해함뿐만 아니라 프로펠러 추진기, 휩 안테나, 해수 배관, 응축기, 열교환기, 음향 장치 및 소방 장비에도 널리 사용됩니다. 예를 들어 미국의 "Sea Cliff" 잠수정에는 티타늄 관측실과 조종실이 설치되어 있으며 잠수 깊이는 6100m에 달합니다. 일본의 도호 티타늄사와 후지신 조선은 공동으로 "Marishiten II" 전 티타늄 쾌속선을 건조했으며, 한동안 미국에서 큰 인기를 끌었습니다. 중국이 최초로 독자 설계하고 독자적으로 통합한 유인 잠수정 "자오룽"에도 티타늄 합금이 사용되었으며, 자오룽의 작업 범위는 전 세계 해양 면적의 99.8%를 포괄합니다.

4. 티타늄 및 티타늄 합금의 기존 문제와 전망

티타늄과 티타늄 합금은 큰 발전을 이루었지만 기존 문제도 드러났으며, 티타늄 합금의 발전은 상당한 도전에 직면해 있습니다. 주요 내용은 다음 세 가지 측면으로 요약됩니다.

• 생산     

중국은 주요 티타늄 산업 국가이지만 생산되는 고품질 제품의 수가 많지 않고, 특수한 특성을 지닌 티타늄 제품의 종류도 적습니다. 또한 중국은 티타늄 스트립과 티타늄 압출 형재를 대량으로 안정적으로 생산하지 못하고 있어 항공우주, 해양 등 분야에서 티타늄과 티타늄 합금의 개발 및 활용이 제한되고 있습니다. 항공기 엔진의 티타늄 함량을 약 50%까지 추가로 높이는 것도 여전히 매우 어렵습니다.

2) 성능 티타늄 금속은 화학적 활성이 높고 다른 원소에 의해 쉽게 오염되므로 티타늄 합금의 가공 및 제조 공정에 대한 요구 수준이 매우 높습니다. 동시에 가공되는 고성능 제품은 기계적, 물리적, 화학적 및 공정 특성을 종합적으로 고려해야 합니다. 기존 티타늄 합금은 600°C를 넘으면 크리프 저항성과 고온 산화 저항성이 급격히 떨어지며, 이는 티타늄 합금의 적용 확대를 가로막는 두 가지 주요 장애물입니다.

3) 비용 현재 모든 국가가 티타늄 합금의 적용 비용을 낮추기 위해 노력하고 있으며 많은 성과를 거두었습니다. 그러나 중국의 현재 상황을 보면 관리 및 기술 수준이 아직 이상적인 수준에 도달하지 못했습니다. 중국산 티타늄 합금 제품의 가격은 국제 시장에서 경쟁력이 낮아 사용 범위를 더욱 확대하는 데 불리합니다.

현재 티타늄 합금의 주요 적용 분야는 여전히 항공우주와 같은 군수 산업 분야입니다. 자동차, 열차, 고속철도 등 새로운 적용 분야의 개발과 일상생활에서 일반적으로 사용되는 민간 분야의 적용 전망은 여전히 매우 밝습니다. 또한 고가의 합금 원소를 더 저렴한 원소로 대체하고 공정 기술을 통해 티타늄 합금 부품의 비용을 줄이는 것은 향후 티타늄 합금 연구의 중요한 과제입니다. 향후 고급 용도에 사용되는 티타늄 합금이 저비용으로 제조되면 티타늄 합금은 다양한 분야에 적용될 것입니다.