강하고 연성이 있는 티타늄

Nature 618권, 63~68페이지(2023)이 기사 인용

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측정항목 세부정보

티타늄 합금은 다양한 중요한 응용 분야에 없어서는 안될 첨단 경량 소재입니다1,2. 티타늄 산업의 중심은 α 및 β 상을 안정화시키는 합금 첨가를 통해 제조된 α-β 티타늄 합금입니다3,4,5. 우리의 작업은 쉽게 풍부하게 존재하는 α-β 티타늄 합금인 산소와 철1,2,3,4,5을 위한 가장 강력한 두 가지 안정화 요소와 강화제를 활용하는 데 중점을 두고 있습니다. 그러나 구어체로 '크립토나이트에서 티타늄으로'8라고 설명되는 산소의 취성 효과8와 철의 미세 분리로 인해 강하고 연성이 있는 α-β 티타늄-산소-철 합금 개발을 위한 결합이 방해를 받았습니다. 여기에서는 뛰어난 인장 특성을 나타내는 일련의 티타늄-산소-철 조성을 보여주기 위해 합금 설계와 적층 제조(AM) 공정 설계를 통합합니다. 우리는 다양한 특성화 기술을 사용하여 이러한 특성의 원자 규모 기원을 설명합니다. 산소와 철이 풍부하고 AM에 의한 순형 또는 거의 순형 제조를 위한 공정 단순성으로 인해 이러한 α-β 티타늄-산소-철 합금은 다양한 응용 분야에서 매력적입니다. 또한, 현재 산업 폐기물인 비등급 스폰지 티타늄 또는 스폰지 티타늄-산소-철10,11을 산업 규모로 사용할 수 있는 가능성을 제공합니다. 에너지 집약적인 스펀지 티타늄 생산12의 탄소 배출량을 줄이기 위한 경제적, 환경적 잠재력은 상당합니다.

대부분의 산업용 티타늄(Ti) 합금은 Ti의 두 가지 기본 상인 HCP(육방밀집형) α와 BCC(체심 입방형) β를 기반으로 하는 미세 구조를 가지고 있습니다. Ti–6Al–4V(지정되지 않는 한 전체적으로 사용된 중량%)로 표시되는 α–β Ti 합금은 Ti 산업의 중추입니다1,2. 그들은 2,3,4,5 (1) 버거에 가까운 방향 관계를 갖는 층상 α-β, (2) 등축 α 및 β 또는 (3) α-β 층판 중 구형 α로 구성된 미세 구조를 형성할 수 있습니다. 이러한 각 미세 구조에는 장점과 단점이 있으므로 α-β Ti 합금을 다양한 산업 응용 분야에 다용도로 사용할 수 있습니다1,2,3,4,5. 이 중 라멜라 α-β 미세구조가 일반적으로 적용되었습니다.

α-β Ti 합금은 Ti를 α상 및 β상 안정제와 합금하여 제조됩니다. α상 안정제는 Al, N, O, C, Ga 및 Ge(참조 3,4,5)로 제한되며, 이 중 N 및 C는 엄격하게 제어되는 불순물(0.05% N, 0.08% C)2,3입니다. 반면 Ga와 Ge는 상업적으로 실행 가능하지 않습니다. 따라서 Al과 마찬가지로 O도 유일한 실용적인 옵션입니다. 보충 표 1에는 Al을 α상 안정제로 사용하는 주요 α-β Ti 합금이 나열되어 있습니다. 특히, O는 (1) α상을 약 20배 강화하고(참조 1의 16페이지 표 4에 제공된 데이터에 따라 계산됨), (2) α상을 1배만큼 안정화한다는 점에서 Al보다 우수합니다. 약 10(참조 5의 380페이지에 제공된 알루미늄 등가 공식을 기준으로 함) 및 (3) 응고 중 이전 β 입자의 성장을 40배 이상 제한합니다(10.8 대 0.26). 그러나 O의 이러한 속성은 α-β Ti 합금 개발에 활용되지 않았습니다.

Ti의 주요 α상 안정제로서 O의 문제는 변형 중 전위와의 강한 상호 작용으로 인한 취성 효과입니다6,7. 더욱이, O는 상평형을 변화시켜 부서지기 쉬운 α2상(Ti3Al)14의 형성을 촉진합니다. 이러한 제약으로 인해 산업용 Ti 합금에 대한 다음과 같은 경험적 설계 규칙이 도출되었습니다. Al + 10(O + C + 2N) + 1/3Sn + 1/6Zr < 9.0%(참조 5). Ti–6Al–4V의 경우 이 설계 규칙에는 0.05% N 및 0.08% C에서 0.12% O(참조 15)가 필요하며, 이는 등급 23 Ti–6Al–4V의 경우 0.13% O, 0.20% O로 완화되었습니다. 5등급 Ti–6Al–4V. 이 규칙에 따라 Al 함량이 낮을수록 O 함량이 높아집니다. 실제로 최신 산업용 α-β Ti 합금 ATI 425(Ti-4.5Al-3V-1.8Fe-0.3O)16는 Al 함량이 낮기 때문에 최대 0.3% O를 허용하며, 위의 경험적 규칙에서는 최대 0.31% O. Al이 포함되지 않은 경우 이 규칙은 최대 0.72% O를 허용합니다.