티타늄 합금판에 대한 기술 요구 사항 및 참조 표준
1. 재료분류 및 등급
티타늄 합금 판은 미세 구조와 합금 구성에 따라 크게 네 가지 범주로 분류됩니다. Ti-5Al-2.5Sn(6등급)과 같은 알파 합금에는 주로 알루미늄 및 주석과 같은 알파 안정제가 포함되어 있습니다. 이 합금은 고온에서 탁월한 용접성과 크리프 저항성을 제공하므로 기체 구조 및 극저온 응용 분야에 적합합니다. Ti-8Al-1Mo-1V(9등급) 및 Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo를 포함한 거의-알파 합금은 알파 우세 구조를 유지하면서 소량의 베타 안정제를 포함합니다. 이는 가스 터빈 엔진 부품에 향상된 고온 안정성을 제공합니다.
알파{0}}베타 합금은 가장 널리 사용되는 범주를 나타내며 Ti{5}}6Al-4V(5등급)는 항공우주, 의료 및 산업 분야 전반에 걸쳐 주력 합금입니다. 이 합금은 이중상 미세 구조를 통해 강도, 연성 및 파괴 인성의 최적 균형을 달성합니다. 매우 낮은 격자형 변형인 Ti-6Al-4V ELI(등급 23)는 산소, 철 및 수소 함량을 제한하여 중요한 응용 분야의 손상 내성을 향상시킵니다. Ti-10V-2Fe-3Al 및 Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn과 같은 베타 합금은 용체화 처리 및 시효 처리되어 티타늄 합금 중에서 가장 높은 강도 수준을 달성할 수 있으며, 열처리 전 성형성에 특히 이점이 있습니다.
2. 화학성분 요구사항
티타늄 합금 판의 화학적 조성은 일관된 기계적 특성과 내식성을 보장하기 위해 엄격하게 제어되어야 합니다. Ti-6Al-4V(5등급)의 경우 알루미늄 함량은 5.50~6.75%이고 바나듐 함량은 3.50~4.50%입니다. 철은 최대 0.30%, 산소는 0.20%, 탄소는 0.08%, 질소는 0.05%, 수소는 0.015%로 제한됩니다. 모든 잔류 원소의 총합은 0.40%를 초과해서는 안 됩니다.
ELI 등급의 경우 알루미늄은 5.50~6.50%, 철은 최대 0.25%, 산소는 0.13%, 수소는 0.0125%로 제한됩니다. 이렇게 감소된 간질 수준은 파괴 인성과 연성을 크게 향상시키며, 이것이 바로 이 등급이 수술용 임플란트 및 중요한 항공우주 구조 부품에 필수인 이유입니다. Ti-5Al-2.5Sn(6등급)은 알루미늄을 4.00~6.00%, 주석을 2.00~3.00%, 철을 0.50%, 수소를 0.020%까지 허용합니다. 산소 한계는 표준 Ti-6Al-4V와 0.20%로 일치합니다.
3. 기계적 성질 요구사항
Ti-6Al-4V 플레이트는 상온에서 세로 방향으로 895MPa의 최소 극한 인장 강도, 828MPa의 0.2% 오프셋에서 최소 항복 강도, 10%의 최소 연신율, 25%의 최소 면적 감소를 달성해야 합니다. ELI 변형은 동일한 신율 및 감소 요구 사항을 유지하지만 강도 수준이 약간 감소했습니다. 즉, 860 MPa 최소 극한 인장 강도 및 795 MPa 최소 항복 강도입니다. Ti-5Al-2.5Sn에는 827MPa의 최소 인장 강도, 759MPa의 최소 항복 강도 및 일치하는 연성 지표가 필요합니다.
고온 서비스의 경우 Ti{8}}6Al-2Sn-4Zr-2Mo 플레이트는 섭씨 315도에서 최소 인장 강도 620MPa를 보여야 하며 크리프 저항은 섭씨 425도에서 검증되어야 합니다. 파괴 인성은 손상 방지 설계에 중요한 매개변수입니다. Ti-6Al-4V ELI 플레이트는 최소 75MPa 제곱근의 평면 변형 파괴 인성 K_IC를 달성해야 하며, Ti-5Al-2.5Sn은 최소 55MPa 제곱근을 필요로 합니다. 샤르피 V-노치 충격 에너지 요구량은 각각 20줄과 16줄입니다.
4. 치수 공차 및 표면 마감
두께 공차는 판 두께에 따라 다릅니다. 최대 6.35mm 플레이트의 경우 표준 공차는 ±0.13mm이고 정밀 공차는 ±0.08mm로 강화됩니다. 6.35~25.4mm 사이의 표준 공차는 ±0.25mm이고 정밀도는 ±0.13mm입니다. 25.4mm를 초과하여 최대 50.8mm까지의 플레이트의 경우 표준 공차는 ±0.38mm이고 정밀 공차는 ±0.25mm입니다.
폭 공차는 표준 조건에서 마이너스가 없는 플러스 6.35mm이며 정밀도를 위해 플러스 3.18mm로 조여졌습니다. 길이 공차에는 표준 25mm와 정밀도 13mm가 추가됩니다. 평탄도는 표준 요구 사항에 따라 미터당 3.2mm를 초과하거나 정밀 플레이트의 경우 미터당 1.6mm를 초과해서는 안 됩니다. 엣지 캠버는 표준 3미터당 3.2밀리미터, 정밀도 3미터당 1.6밀리미터로 제한됩니다.
표면 마감 요구 사항은 처리 방법에 따라 다릅니다. 열간 압연 강판은 표면 거칠기 Ra가 6.3마이크로미터를 초과하지 않아야 합니다. 냉간 압연 또는 화학적으로 산세 처리된 판에는 Ra가 3.2마이크로미터를 초과하지 않아야 합니다. 정밀-접지판은 1.6 마이크로미터를 초과하지 않는 Ra를 요구합니다.
5. 야금학적 요구사항
밀-어닐링 조건에서 알파{0}}베타 티타늄 합금 판의 미세 구조는 변환된 베타 매트릭스 내에 분포된 등축의 1차 알파 상으로 구성되어야 합니다. 연속적인 결정립계 알파상은 연성 및 피로 저항성을 저하시키므로 허용되지 않습니다. 입자 크기는 ASTM 5 이상이어야 하며 일반적인 생산에서는 ASTM 6 ~ 8을 달성해야 합니다. 고온 처리 중에 형성된 경질 산소-부화 표면층인 알파 케이스는-완전히 제거되어야 합니다. 확인하려면 표면에 경도 스파이크가 없음을 보여주는 미세{10}경도 프로파일링이나 알파 안정화 층이 남아 있지 않음을 확인하는 금속 조직 검사가 필요합니다.
베타-안정제 강화의 국지화된 영역인 베타 반점은 중요한 항공우주 응용 분야에서 금지됩니다. 이는 적절한 시약을 사용한 매크로{2}}식각 검사를 통해 검출됩니다. 개재물 함량은 ASTM E45 방법 A에 따라 평가되며 얇은 개재물, 무거운 개재물, 규산염 개재물 및 구형 산화물 개재물에 대해 각각 최대 허용 수준은 A2, B2, C2 및 D2입니다.
6. 비파괴 테스트 요구사항-
AMS-STD-2154 클래스 A 기준에 따라 초음파 테스트는 두께가 6.35mm 이상인 모든 플레이트에 대해 필수입니다. 3.2mm 평면 바닥 구멍에 해당하는 크기를 초과하는 표시는 허용되지 않습니다. 염료 침투 테스트는 ASTM E1417에 따라 모든 마감 표면에 적용되며 길이가 3.2mm를 초과하는 선형 표시는 없습니다. 방사선 사진 테스트는 ASTM E1742에 따라 용접 또는 수리 영역에 대해 예약되어 있습니다. 와전류 테스트는 구매자와 공급자 간의 합의에 따라 감도가 설정된 ASTM E426 절차에 따라 6.35mm 미만의 얇은 판에 대한 초음파 테스트를 대체할 수 있습니다.
7. 열처리 조건
밀{0}}어닐링된 판은 섭씨 704~760도에서 처리된 후 공기 냉각됩니다. 이 조건은 일반 응용 분야에 균형 잡힌 특성을 제공합니다. 이중 어닐링에는 물 담금질과 함께 섭씨 954도에서 용체화 처리한 후 섭씨 538도에서 공랭시켜 손상-내성 설계를 위한 파괴 인성을 향상시킵니다. 용체화 및 숙성된 판재는 섭씨 927도에서 물 담금질 처리한 후 섭씨 538도에서 4~8시간 동안 숙성함으로써 최대의 강도를 얻습니다. 공랭식을 사용하여 섭씨 1010도에서 베타 어닐링한 후 섭씨 760도에서 안정화하면 항공우주 엔진 응용 분야의 크리프 저항에 최적화된 변환된 베타 미세 구조가 생성됩니다. 가공 또는 성형 작업 후에 섭씨 538~649도에서 응력이 완화됩니다.
모든 열처리는 10~마이너스 3밀리바 이상의 진공 또는 고순도 아르곤 분위기에서 이루어져야 합니다.- 열처리 과정에서 형성된 알파케이스는 최종 검사 전에 완전히 제거되어야 합니다.
8. 참조 표준
티타늄 합금 판의 기본 사양은 티타늄 및 티타늄 합금 스트립, 시트 및 판을 다루는 ASTM B265입니다. 이 표준은 화학적 조성 한계, 기계적 특성 요구 사항, 치수 공차 및 일반 품질 조항을 정의합니다. 바 및 빌렛에 대한 ASTM B348은 보충적인 기계적 테스트 참고 자료를 제공합니다.
기계적 테스트 방법의 경우 ASTM E8 및 E8M이 금속 재료의 인장 테스트를 관리합니다. 경도 검증은 로크웰 경도의 경우 ASTM E18, 브리넬 경도의 경우 ASTM E10을 따릅니다. 함유물 함량 평가는 티타늄 합금에 적합한 ASTM E45를 사용합니다. 입자 크기 측정은 ASTM E112를 따릅니다. ASTM E384에 따른 미세-경도 프로파일링은 잔여 알파 사례를 감지합니다. 금속 조직학적 샘플 준비 및 에칭은 각각 ASTM E3 및 ASTM E407을 따릅니다.
비{0}}비파괴 테스트 표준에는 액체 침투 테스트용 ASTM E1417, 방사선 검사용 ASTM E1742, 얇은 제품의 전자기 와전류 테스트용 ASTM E426이 있습니다. 표면 준비 및 스케일 제거 지침은 ASTM B600에 나와 있습니다.
항공우주 재료 사양은 비행에 중요한-응용 분야에 대해 더욱 엄격한 요구사항을 제공합니다. AMS 4907은 어닐링된 상태에서 Ti{28}}6Al-4V 플레이트를 덮습니다. AMS 4911은 용액 처리 및 노화된 Ti-6Al-4V 플레이트를 다룹니다. AMS 4930은 매우 낮은 격자간 Ti-6Al-4V 플레이트를 지정합니다. AMS 4940은 Ti-5Al-2.5Sn 플레이트에 적용됩니다. AMS 4943은 Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn 베타 합금판을 덮습니다. AMS 4945는 Ti-8Al-1Mo-1V 알파에 가까운 합금 플레이트를 다룹니다. 초음파 검사 허용 기준은 AMS-STD-2154에 정의되어 있습니다.
레거시 군용 사양에는 티타늄 시트, 스트립 및 플레이트용 MIL{0}}T-9046과 막대 및 단조품용 MIL{5}}T-9047이 포함됩니다. 환경 테스트는 MIL-STD-810을 따릅니다.
국제 표준에는 가공된 Ti-6Al-4V 합금 수술용 임플란트에 대한 ISO 5832-3과 Ti-5Al-2.5Fe 합금 임플란트에 대한 ISO 5832-10이 포함됩니다. 영국 표준 BS 2TA 2 및 BS 2TA 11은 Ti-6Al-4V 시트 및 플레이트를 다룹니다. 독일 DIN 17850은 단조 티타늄 합금에 대한 기술 사양을 제공합니다. 일본 JIS H4600은 시트, 플레이트 및 스트립을 다룹니다. 중국 국가 표준 GB/T 3621 및 군사 표준 GJB 2505A는 항공 등급 티타늄 합금 플레이트에 적용됩니다.
9. 애플리케이션-특정 요구사항
항공우주 구조 응용 분야에는 높은{0}주기 피로 데이터, 손상 허용 분석 및 AMS 4907, AMS 4911 및 AMS-STD-2154에 따른 레벨 A NDT 규정 준수가 필요합니다. 항공우주 엔진 부품에는 AMS 4945 및 ASTM E139에 따른 고온 인장 특성, 크리프 저항 검증 및 열 안정성 테스트가 필요합니다.
의료용 임플란트 응용 분야에서는 ISO 5832-3, ASTM F136 및 ASTM F1472에 따라 ELI 등급 재료가 필수인 세포 독성 및 감작 분석을 포함한 생체 적합성 테스트를 요구합니다. 화학 처리 장비는 특정 공정 매체의 내식성 검증이 필요하며 ASTM B265, ASTM G28, NACE MR0175 또는 ISO 15156에 따른 용접성이 입증되어야 합니다. 해양 및 해양 구조물은 해수 부식에 저항해야 하며 ASTM B265 및 DNV-OS-B401에 따른 음극 보호 시스템과의 호환성을 입증해야 합니다. 원자력 응용 분야에서는 ASME 보일러 및 압력 용기 코드 섹션 II 파트 D에 따라 중성자 흡수 단면적, 방사선 안정성 및 미량 원소 함량을 제어합니다.
10. 인증 및 문서화
각 생산 로트는 화학 분석 결과, 기계적 특성 테스트 결과, 열수 추적성 및 실제 측정 치수를 기록한 밀 테스트 인증서를 동반해야 합니다. 이 인증서는 ASTM B265에 따라 필수입니다. 비-파괴 검사 인증서는 작업자 자격 기록과 함께 초음파, 침투 또는 방사선 결과를 보고합니다. 야금 보고서에는 미세 구조 현미경 사진, 측정된 입자 크기 및 중요한 응용 분야에 대한 포함 등급이 포함됩니다. 열처리 인증서에는 사이클 매개변수, 대기 유형 및 열전대 교정 기록이 기록되어 있습니다. 전체 추적성 보고서는 항공우주 및 의료 기기 규정 준수에 필수적인 재료 원산지, 용융 방식 및 전체 처리 내역을 설정합니다.
