개요 티타늄 알루미나이드 분말
티타늄 알루미나이드 분말은 티타늄과 알루미늄으로 만든 첨단 엔지니어링 소재입니다. 고강도, 저밀도, 고온을 견딜 수 있는 뛰어난 특성으로 인해 최근 몇 년간 큰 관심을 받고 있습니다.
티타늄 알루미나이드 분말에 대한 몇 가지 주요 정보입니다:
- 구성: 티타늄과 알루미늄, 니오븀 또는 몰리브덴과 같은 기타 합금 원소 결합
- 생산 방법: 가스 분무, 플라즈마 회전 전극 공정(PREP), 기계적 합금화
- 입자 크기: 일반적으로 10미크론에서 150미크론까지
- 일반적인 위상: 감마(γ) 및 알파-2(α2) 티타늄 알루미나이드 금속 간 상
- 밀도: 3.7 - 4.25g/cm3, 티타늄이나 강철 합금보다 훨씬 낮습니다.
- 녹는점: 1,250°C 이상
티타늄 알루미나이드는 항공우주 부품과 같은 경량의 고온 응용 분야에서 기존 티타늄 합금보다 우수한 특성을 제공합니다. 하지만 낮은 상온 연성 및 파단 인성과 같은 문제도 있습니다. 현재 진행 중인 연구는 상업적 사용을 확대하기 위해 가공 방법과 합금 첨가물을 최적화하는 것을 목표로 하고 있습니다.
구성
티타늄 알루미나이드 합금의 주요 구성 요소는 티타늄, 알루미늄 및 기타 합금 원소입니다:
| 요소 | 무게 % |
|---|---|
| 티타늄(Ti) | 50 – 80% |
| 알루미늄(Al) | 10 – 25% |
| 니오븀(Nb) | 0 – 10% |
| 몰리브덴(Mo) | 0 – 5% |
| 크롬(Cr), 바나듐(V) | 각 최대 1% |
존재하는 주요 금속 간 단계는 다음과 같습니다:
- 감마 티타늄 알루미나이드(γ-TiAl): 면을 중심으로 한 정방형 결정 구조, 티타늄과 알루미늄의 정렬된 상 조합. 고온 애플리케이션에 주로 사용됩니다.
- 알파-2 티타늄 알루미나이드(α2-Ti3Al): 육각형 결정 구조, 티타늄과 알루미늄의 정렬된 상. 실온에서 연성을 가지지만 고온에서 강도가 낮습니다.
γ-TiAl, α2-Ti3Al 및 기타 상 사이의 비율을 최적화하여 특정 요구 사항에 맞게 특성을 조정할 수 있습니다.
제작 방법
티타늄 알루미나이드 분말 는 첨단 분말 야금 공정을 사용하여 생산할 수 있습니다:
| 방법 | 설명 | 입자 크기 | 장점 |
|---|---|---|---|
| 가스 분무 | 가스 분사를 이용한 용융 합금 스트림 분해 | 10 - 150 μm | 높은 파우더 수율, 다양한 크기 |
| 플라즈마 회전 전극 공정(PREP) | 회전하는 용융 전극의 원심분리 분해 | 45 - 150 μm | 파우더 크기 및 품질 제어 |
| 기계적 합금 | 반복적인 냉간 용접 및 분말 입자의 파쇄 | 10 - 100 μm | 유연성, 복합 분말의 합금화 |
가스 분무는 용융 스트림을 향한 가압 가스 분사를 사용하여 빠르게 응고된 구형 분말을 생성합니다. 플라즈마 용융은 플라즈마 토치로 전극을 녹여 원심력에 의해 분해하는 방식을 사용합니다. 기계적 합금은 녹지 않고 기계 화학에 의해 복합 입자를 생성합니다. 각각의 방법은 티타늄 알루미나이드 생산에 고유한 장점이 있습니다.
속성
티타늄 알루미나이드는 유용한 기계적 및 물리적 특성의 보기 드문 균형을 제공합니다:
| 속성 | 세부 정보 | |
|---|---|---|
| 힘 | 인장 강도 | 500 - 1100 MPa |
| 0.2% 항복 강도 | 400 - 900 MPa | |
| 밀도 | 비중 | 3.7 - 4.25g/cm3 |
| 열 | 녹는점 | 1250°C 이상 |
| 열팽창 계수 | 11 - 13 x 10-6 K-1 | |
| 연성 | 실온 연신율 | 0.5 – 2% |
티타늄 알루미나이드는 고강도, 저밀도, 600°C 이상에서 강도가 유지되는 특성으로 인해 니켈 합금과 강철을 대체할 수 있는 매우 매력적인 소재입니다. 하지만 낮은 연성, 파단 저항성, 피로 강도 등의 문제를 해결해야 합니다.
애플리케이션
중량 대비 강도와 내열성이 뛰어나 다양한 용도로 활용할 수 있습니다:
| 산업 | 구성 요소 | 혜택 |
|---|---|---|
| 항공우주 | 터빈 블레이드, 디스크, 샤프트 | 무게 감소, 추진력 증가 |
| 자동차 | 터보차저 휠, 밸브 | 더 높은 출력, 더 높은 연료 효율성 |
| 산업 | 방사형 컴프레서 휠, 블레이드 | 무게 절감, 수명 연장 |
티타늄 알루미나이드는 터빈 블레이드나 압축기 휠과 같은 고온 부품을 회전시킬 때 니켈 초합금보다 무게를 크게 줄이면서도 부품 수명은 동등하거나 더 길어집니다.
이 소재로 만든 자동차 터보차저 휠은 무게를 줄여 더 높은 회전 속도와 부스트 압력에 도달할 수 있습니다. 또한 석유 및 가스 산업의 산업용 레이디얼 플로우 컴프레서 및 터빈에서도 사용이 증가하고 있습니다.
사양
상업용 티타늄 알루미나이드 제품은 확립된 표준을 충족해야 합니다:
| 속성 | 세부 정보 |
|---|---|
| 분말 크기 | 10μm ~ 150μm |
| 입자 크기 분포 | D10: 20μm, D50: 45μm, D90: 105μm(일반) |
| 파우더 등급 | 5등급(Ti-47Al-2W-0.5Si), 23등급(Ti-47Al-3.5(Nb,Mn,Cr)-0.2Si) |
| 표준 | ASTM B863, AMS 4999 |
| 완제품 표준 | AMS 4928, 4967, 4979 |
표준화된 시험 방법을 통해 다양한 티타늄 알루미나이드 합금으로 만든 분말 로트와 완제품 부품을 신뢰성 있게 평가하고 비교할 수 있습니다. 부품은 확립된 AMS 등급을 통해 항공우주 수준의 인증을 획득하여 비행 하드웨어에 사용할 수 있습니다.
공급업체 및 가격
여러 전문 파우더 생산업체에서 적층 제조 또는 합금 개발을 위한 티타늄 알루미나이드를 제공합니다:
| 브랜드 | 제조업체 | 파우더 비용(USD/kg) |
|---|---|---|
| CronalTM TiAl | GfE 메탈레 앤 머티리얼리엔 GmbH | 500 |
| AMP 48-2-2 | ATI 파우더 메탈 | 460 |
| Ti-48Al-2Nb-2Cr | 카펜터 기술 | 510 |
| Ti-47Al-2W-0.5Si | 프렉스에어 | 450 |
| Ti-Al6-Nb7 | TLS 테크닉 GmbH | 600 |
티타늄은 분말 양이 적기 때문에 기존 티타늄 합금에 비해 킬로그램당 비용이 여전히 매우 높습니다. 그러나 적층 제조에 최적화된 특수 등급이 상업적 채택을 늘리고 있습니다.
비교
티타늄 알루미나이드는 경쟁 고온 합금에 비해 상당한 이점을 제공하지만 몇 가지 단점도 있습니다:
| 티타늄 알루미나이드 | 니켈 합금 | 티타늄 합금 | |
|---|---|---|---|
| 밀도 | Lower | 더 높음 | 비교 가능 |
| 600°C 이상에서의 강도 | 더 높음 | Lower | Lower |
| 실온 연성 | Lower | 더 높음 | 더 높음 |
| 비용 | 더 높음 | Lower | 비교 가능 |
니켈 초합금은 주변 환경에서는 괜찮은 특성을 유지하지만 고온에서는 훨씬 약해집니다. 기존의 티타늄 합금은 600°C 이하로 제한됩니다. 티타늄 알루미나이드는 800°C까지 강도를 잃지 않는 것이 특징입니다. 단점과 장점의 조합을 최적화하면 항공우주 분야에서 타깃 애플리케이션을 개발할 수 있습니다.
장단점
티타늄 알루미나이드에는 강력한 장점과 함께 몇 가지 지속적인 한계가 있습니다:
장점
- 니켈 합금보다 최대 35% 낮은 밀도
- 600°C 이상에서 강도 및 탄성률 유지
- 고온 크리프 저항
- 티타늄 제조와의 호환성
- 복합재보다 무게 추가 감소
단점
- 부서지기 쉬운 동작과 낮은 연성
- 낮은 골절 인성
- 피로 균열에 대한 취약성
- 가입 난이도
- 750°C 이상의 빠른 공기 산화
- 티타늄 합금보다 높은 비용
꾸준한 소재 개발로 허용 가능한 특성 온도 범위가 확대되는 동시에 환경 저항성이 개선되고 있습니다. 상업용 항공우주 엔진에 사용이 확대되면서 비용도 점차 낮아지고 있습니다.
자주 묻는 질문
| 질문 | 답변 |
|---|---|
| 티타늄 알루미나이드는 강철이나 티타늄에 비해 얼마나 무겁나요? | 3.7 - 4.25g/cm의 밀도를 가집니다.3티타늄 알루미나이드는 니켈 합금보다 35% 가볍고 강철보다 40% 이상 가벼우면서도 강도는 비슷하거나 더 높습니다. |
| 다음을 사용하여 3D 인쇄할 수 있습니까? 티타늄 알루미나이드 분말? | 예, 티타늄 알루미나이드 합금은 분말 베드 융합 또는 지향성 에너지 증착 적층 제조 방식에 매우 적합하여 주조 및 단조 제품보다 확장된 특성 최적화 유연성을 제공합니다. |
| 티타늄 알루미나이드는 어떤 용도로 사용되나요? | 티타늄 알루미나이드는 니켈 합금에 비해 밀도가 낮고 고온 성능이 뛰어나 항공우주, 자동차 및 산업 분야에서 터빈 블레이드, 터보차저 휠, 압축기 부품과 같은 부품을 대체하는 데 적합합니다. |
| 티타늄 알루미나이드는 부서지기 쉬운가요? | 다른 경량 합금과 달리 티타늄 알루미나이드는 금속 간 특성으로 인해 본질적인 취성이 있으므로 특히 피로 하중 하에서 조기 균열이나 파손을 방지하기 위해 신중한 설계 및 사용 고려가 필요합니다. |
| 티타늄 알루미나이드는 얼마나 강하나요? | 최적의 가공 조건에서 티타늄 알루미나이드는 상온과 고온 모두에서 1,100MPa 이상의 인장 강도와 1,000MPa에 육박하는 항복 강도를 달성할 수 있어 가장 강력한 경량 금속 소재 옵션이 될 수 있습니다. |
결론
저밀도, 고온 강도 및 탄성률 유지, 고온 크리프 저항성, 피로 거동 및 산화 저항성이 드물게 혼합된 γ-TiAl 기반 티타늄 알루미나이드는 고유한 소재 기술 틈새 시장을 충족합니다.
연성 및 상온 파괴 인성을 확대하기 위한 지속적인 노력에도 불구하고 금속 간 고유한 취성으로 인해 광범위한 채택이 계속 제한되고 있습니다. 환경 저항성의 한계가 해결될 때마다 애플리케이션은 더 무거운 니켈 합금을 대체하는 데 집중해 왔습니다.
분말 야금 생산과 적층 제조와 같은 정밀한 결합은 강도, 손상 내성 및 높은 사이클 피로 거동과 같은 사용 가능한 기계적 특성의 범위를 확장했습니다. 이를 통해 이전의 상용화 장벽을 극복하는 데 도움이 됩니다.
합금 첨가, 적층 제조와 같은 새로운 가공 방법, 열-기계적 처리에 대한 연구는 이 첨단 경량 합금 제품군의 잠재력을 최대한 발휘하는 것을 목표로 합니다. 오늘날 가스터빈 및 자동차 엔진 부품 대체를 목표로 삼아 조기 도입을 추진하고 있습니다.
