티타늄 합금은 구조 재료에서 독특한 위치를 차지합니다. 순수 티타늄은 뛰어난 내식성과 생체적합성에도 불구하고 중간 정도의 강도(인장 강도 약 240~550MPa)만 제공합니다. 상업적으로 순수한 금속에서 티타늄이 -항복 강도가 1500+MPa인-고성능 엔지니어링 재료-로 변하는 것은 전적으로 주기율표 전체의 합금 원소와의 상호 작용에 달려 있습니다.
강화 메커니즘이 종종 좁은 요소 세트에 의존하는 강철 또는 알루미늄 합금과 달리 티타늄은 비정상적으로 광범위한 합금 환경을 제공합니다. 60개 이상의 요소가 티타늄의 상평형, 변환 동역학 및 기계적 반응을 크게 수정합니다. 이러한 요소는 무작위로 선택되지 않습니다. 이들의 역할은 기본적인 결정학적 호환성, 전자 구조 및 주기율표에서 티타늄과 관련된 위치에 따라 결정됩니다.
이 문서에서는 이 "다-요소 파트너" 제품군이 항공우주 응용 분야를 지배하는 Al-V 조합에서 서비스 온도를 600도 이상으로 높이는 내화 금속 추가에 이르기까지 "주문형 맞춤화"-성능을 어떻게 -가능하게 하는지 체계적으로 조사합니다.
야금학적 구조: 티타늄이 수많은 원소에 반응하는 이유
1.1 설계 변수로서의 동소체 변환
티타늄의 다양성은 동소체 변형에서 비롯됩니다. 882도 이하에서 순수 티타늄은 -Ti로 지정된 육각형 조밀-충전(HCP) 구조로 결정화됩니다. 이 온도 이상에서는 체-중심 입방체(BCC) -Ti로 변환됩니다.
이러한 변태 온도-와 각 상의 안정성-은 합금 첨가물에 의해 근본적으로 변경됩니다. -트랜서스 온도를 높이는 요소는 -위상 필드를 확장하며 -안정화 장치라고 합니다. -트랜서스 온도를 낮추는 요소는 -위상 필드를 확장하며 -안정기라고 합니다. 세 번째 범주인 중립 요소는 변태 온도에 최소한의 영향을 미칩니다.
이 상 안정성 프레임워크는 1차 결정립 크기, 2차 래스 두께, 결정립 형태 및 금속간 화합물 분포 등 다양한 규모에 걸쳐 미세 구조 엔지니어링을 가능하게 합니다.
1.2 분류 시스템
티타늄의 동소체 변형과의 상호 작용을 기반으로 합금 원소는 네 가지 기능적 범주로 나뉩니다.
| 범주 | 강요 |
-Transus에 미치는 영향 |
일반적인 농도 범위 |
| -안정제 | Al, Ga, Ge, B, O, N, C | 증가하다 |
l: 2~7중량%; O: 0.1~0.3중량% |
| -안정제(동형) | Mo, V, Nb, Ta, W | 감소하다 |
V: 2~15중량%; Nb: 10~40중량% |
| -안정제(공석) | Fe, Cr, Ni, Cu, Si, H | 감소하다 |
V: 2~15중량%; Nb: 10~40중량% |
| 중립 요소 | Zr, Hf, Sn | 최소한의 변화 |
Zr: 1~8중량%; Sn: 2~5wt% |
그림 1은 각 범주의 이진 상태 다이어그램 특성을 보여주며, 합금 첨가가 위상 경계를 어떻게 재구성하고 다양한 미세 구조 결과를 가능하게 하는지 보여줍니다.
-안정제: 강도와 산화의 기초
2.1 알루미늄: 만능 강화제
알루미늄은 티타늄에서 가장 널리 사용되는 합금 원소로, Ti{2}}6Al-4V부터 고온 근합금까지 거의 모든 상업용 합금에 존재합니다. 그 지배력은 다양한 기여에서 비롯됩니다.
·고용체 강화: Al은 -상에서 우선적으로 용해되어 HCP 격자 내의 대체 사이트를 차지합니다. 이는 (1) 격자 왜곡이 전위 운동에 대한 저항을 증가시키는 것과 (2) -위상 적층 결함 에너지의 수정이라는 두 가지 강화 효과를 생성합니다.
·밀도 감소: Al은 2.7g/cm3에서 합금 밀도를 크게 낮춥니다. Al을 1wt% 추가할 때마다 밀도가 약 1.5% 감소합니다. 이는 특정 강도가 부품 설계에 영향을 미치는 항공우주 응용 분야에 중요한 이점입니다.
·정렬 가능성: 약 8wt%를 초과하는 농도에서 Al은 정렬된 2(Ti₃Al) 석출물의 형성을 촉진합니다. 이것이 거칠게 분포된 경우 합금을 부서지게 할 수 있지만, 제어된 석출은 추가적인 강화 경로를 제공합니다.
Huang et al.의 최근 연구. Al 첨가가 티타늄의 전위 거동을 근본적으로 변화시킨다는 것을 입증했습니다. 이원 Ti-6Al 합금에서 Al은 변형 쌍정을 억제하고 다중 슬립 시스템에 대한 임계 분해 전단 응력(CRSS)을 수정합니다. 이러한 강화는 트레이드오프와 함께 제공됩니다. 항복 강도는 증가하지만 연성 및 충격 인성은 일반적으로 감소합니다.
2.2 간질 강화제: 산소, 질소, 탄소
산소, 질소 및 탄소는 티타늄 격자 내의 틈새 부위를 차지하여 낮은 농도에서 매우 효율적인 강화를 생성합니다. 각 0.1wt% O는 항복 강도를 약 150-200MPa 증가시킵니다.
·산소: 가장 흔한 간질로서 O는 강화 기회이자 오염 문제입니다. 산소는 -상을 안정화시키고, -트랜서스 온도를 높이며, 실질적인 고용 강화를 제공합니다. 그러나 약 0.3~0.4wt% O를 초과하면 연성 변형 메커니즘을 억제하여 심각한 취성을 유발합니다.
·질소: 최근의 발전으로 N의 역할이 재검토되었습니다. Zhang et al. 결정립계 공학과 결합된 제어된 N 첨가(0.17~0.40wt%)가 탁월한 강도-연성 조합을 생성할 수 있음을 입증했습니다. Ti{14}}1800 합금(Ti-4.1Al-2.5Zr-2.5Cr-6.8Mo-0.17O-0.10N)은 1차, 2차 및 초미세 -Widmanstätten 석출물의 계층 구조를 통해 1800MPa 항복 강도를 달성했습니다.
·탄소: 0.05~0.2wt% C를 첨가하면 TiC 형성이 촉진됩니다. 이러한 탄화물은 (1) 고온 처리 중에 결정립 경계를 고정하고, 최종 미세 구조를 정제하고, (2) 석출을 위한 이질적인 핵 생성 지점으로 작용하는 두 가지 기능을 수행합니다. 생성된 미세 구조는 더 미세한 입자와 더 무작위적인 라스 방향을 보여줍니다.
2.3 붕소: 곡물 정제제
B(0.01~0.2wt%)를 사용한 미세 합금은 이전 입자 크기를 실질적으로 개선하는 TiB 위스커를 생성합니다. TA6.5 합금에서 0.2wt% B는 미세 구조를 거친 Widmanstätten에서 정제된 바스켓-직조 형태로 변형시켜 콜로니 크기를 줄이고 실온-및 650도 인장 특성을 모두 향상시켰습니다.
계속...
