티타늄 합금 가공의 주요 고려 사항
1. 화학적 반응성과 온도 민감도
티타늄은 고온에서 예외적으로 높은 화학적 반응성을 나타내며, 이는 가공의 모든 측면을 근본적으로 형성합니다. 약 섭씨 600도 이상에서 티타늄은 주변 대기로부터 산소, 질소 및 수소를 공격적으로 흡수합니다. 산소와 질소는 침입형으로 알파 상에 용해되어 알파 케이스로 알려진 단단하고 부서지기 쉬운 표면층을 형성합니다. 이 층은 피로 저항성과 연성을 크게 저하시키므로 고온 작업 후에 기계 가공, 연삭 또는 화학적 산세척을 통해 완전히 제거해야 합니다.- 수소 흡수는 서비스 로딩이 발생할 때까지 명백하지 않을 수 있는 수소 취성을 유발하므로 훨씬 더 교활한 위협을 제기합니다. 섭씨 300도 정도의 낮은 온도에서도 티타늄은 대기 또는 탄화수소 윤활제를 함유한 수분-으로부터 수소를 흡수할 수 있습니다.
알파-베타상과 베타상 필드 사이의 경계를 표시하는 베타 트랜서스 온도는 합금 구성에 따라 다릅니다. Ti-6Al-4V의 경우 이는 약 섭씨 995도에서 발생하는 반면, Ti-5Al-2.5Sn의 경우 섭씨 1040도 근처에서 발생합니다. 베타 천이 이상으로 처리하면 연성 및 피로 특성이 열악한 거친 층상 변형 베타 미세 구조가 생성됩니다. 따라서 열기계적 처리에서는 정밀한 온도 모니터링과 빠른 처리량을 요구하는 좁은 처리 창을 사용하여 최고 온도를 신중하게 제어해야 합니다.
티타늄 합금의 열전도율은 탄소강의 약 6분의 1-로 매우 낮습니다. 가공 또는 연삭 중에 열은 벌크 재료로 소멸되지 않고 공구{2}}가공물 인터페이스에 집중됩니다. 이는 절삭 온도 상승, 공구 마모 가속화, 마찰 가열로 인한 알파 케이스 형성 등 가공물 표면 손상 가능성을 초래합니다.
2. 가공 과제
티타늄 합금은 기존의 엔지니어링 재료와 구별되는 엄청난 가공상의 어려움을 나타냅니다. 이 소재는 높은 화학적 친화력으로 인해 특히 절단 중에 발생하는 높은 온도에서 흠집이 나고 절단 도구에 용접되는 경향이 있습니다. 이러한 구성-가장자리 형성으로 인해 표면 마감이 불량하고 치수 정확도가 예측할 수 없게 됩니다. 강철의 약 절반에 해당하는 낮은 탄성 계수는 절삭력 하에서 상당한 스프링백과 편향을 유발하여 가는 공작물에 대한 엄격한 공차 달성을 어렵게 만듭니다.
절삭 공구 선택은 가공 성공에 결정적인 영향을 미칩니다. 미세한 입자 구조와 높은 코발트 함량을 지닌 초경합금 공구는 경도와 인성의 최상의 균형을 제공합니다. 다결정 다이아몬드 공구는 상당히 높은 비용이 들지만 고속 마무리 작업에 탁월한 성능을 제공합니다.- 공구 형상에는 절삭력을 줄이기 위한 포지티브 경사각과 마찰을 최소화하기 위한 넉넉한 릴리프 각도가 필요합니다. 가공 경화된 티타늄은 어닐링된 재료보다 절단하기가 훨씬 더 어렵기 때문에 날카로운 절단 모서리가 필수적입니다.
절단 매개변수는 보수적으로 선택해야 합니다. 절단 깊이는 이전 단계에서 생성된 -경화층 아래에 공구를 유지하기에 충분해야 합니다. 절단보다는 마찰을 방지하려면 이송 속도가 적절한 칩 두께를 제공해야 합니다. 황삭 작업의 경우 일반적으로 절삭 속도는 분당 30~60미터로 제한되며 정삭 작업에서는 다소 더 빠른 속도도 가능합니다. 온도를 제어하고 칩을 플러시하기 위해 고압, 고용량- 절삭유를 절삭 영역에 직접 공급하는 대량 절삭유 도포가 필수입니다. 극압 첨가제가 포함된 수용성 냉각수가 선호되지만 냉각수에 응력 부식 균열을 일으킬 수 있는 염소화 화합물이 포함되어 있지 않도록 주의해야 합니다.
티타늄은 모듈러스가 낮고 진동 경향이 있기 때문에 공작물 고정에 특별한 주의가 필요합니다. 오버행을 최소화한 견고한 설정이 필수적입니다. 댐핑 재료는 고정 장치 설계에 통합될 수 있습니다. 반복되는 열 순환은 열 피로로 인한 공구 고장을 가속화하므로 가능하면 중단된 절단을 피해야 합니다.
3. 연삭 및 연마 가공
티타늄 합금을 연삭하면 특정 위험과 과제가 발생합니다. 재료의 낮은 열 전도성으로 인해 연삭 온도가 급상승하여 산소가 충분할 경우 미세한 티타늄 입자가 발화될 가능성이 있습니다. 분쇄 중 티타늄 화재는 적절한 예방 조치를 취하면 드물지만 극도로 강렬하고 소화하기 어려울 수 있습니다. 기존의 물 소화기나 이산화탄소 소화기는 효과가 없습니다. 마른 모래 또는 특수 클래스 D 소화기가 필요합니다.
연마재 선택은 개방형 구조와 유리화 결합을 갖춘 산화알루미늄 또는 탄화규소 휠을 선호합니다. 개방형 구조로 칩 클리어런스 및 절삭유 침투가 가능합니다. 휠 속도는 일반적으로 강철 연삭에 비해 감소하는 반면 작업 속도와 인피드 속도는 정지 및 과열을 방지하기 위해 증가합니다. 지속적인 드레싱으로 휠의 선명도와 절단 효율성을 유지합니다. 염소화 화합물을 피하는 풍부한 냉각수 흐름은 절대적으로 중요합니다.
벨트 연삭 및 연마 작업도 마찬가지로 세심한 매개변수 제어가 필요합니다. 지르코니아 알루미나 또는 세라믹 입자로 코팅된 연마 벨트는 성능이 좋습니다. 접촉 휠은 작업물에 적합하고 국부적인 가열을 줄이기 위해 상대적으로 부드러워야 합니다. 거친 입자부터 미세한 입자까지 단계적으로 입자가 진행되어 최적의 표면 무결성을 제공합니다.
4. 성형 작업
티타늄 합금의 냉간 성형은 가능하지만 재료의 높은 항복 강도와 뚜렷한 스프링백으로 인해 제한됩니다. 굽힘 반경은 알루미늄 합금의 1~2배에 비해 어닐링 조건에서 Ti-6Al-4V의 재료 두께보다 일반적으로 3~5배 커야 합니다. 스프링백 보정에는 오버벤딩 또는 바닥 기술이 필요하며 정확한 정도는 각 재료 상태 및 형상에 대해 경험적으로 결정됩니다.
열간 성형은 작업 가능 범위를 확장하지만 알파 케이스 문제를 야기합니다. 섭씨 540도에서 760도 사이의 성형 온도는 스프링백을 감소시키면서 더 큰 변형을 허용하지만, 성형된 부품은 반응층을 제거하기 위해 후속 표면 처리가 필요합니다. 섭씨 870~925도에서 형성되는 초소성 성형은 특정 티타늄 합금에서 얻을 수 있는 매우 미세한 입자 구조를 활용하여 단일 시트로 복잡한 항공우주 부품 제조를 가능하게 합니다. 이 프로세스에는 섭씨 ±10도 이내의 정밀한 온도 제어와 초당 약 10~마이너스 4의 제어된 변형률이 필요합니다.
스트레치 성형, 딥 드로잉, 하이드로포밍은 각각 특정한 과제를 안겨줍니다. 다이와 블랭크 표면 모두에 이황화 몰리브덴, 흑연 또는 특수 티타늄 형성 화합물을 도포하는 등 윤활은 전체적으로 매우 중요합니다. 다이 재료에는 단단하고 내마모성이 있는-표면이 필요합니다. 질화 공구강 또는 니켈{3}}계 초합금이 일반적으로 사용됩니다.
5. 용접 고려 사항
티타늄 합금의 융합 용접에는 용융된 티타늄이 산소, 질소 및 수소와 격렬하게 반응하기 때문에 엄격한 대기 보호가 필요합니다. 부적절한 차폐로 인해 기계적 특성이 크게 감소된 다공성, 취성 용접부가 생성됩니다. 고순도 아르곤 차폐를 사용한 텅스텐 불활성 가스 용접은 가장 일반적인 수동 공정을 대표하지만, 플라즈마 아크 용접, 전자빔 용접 및 레이저 용접은 자동화 생산에 광범위하게 사용됩니다.
차폐 시스템은 온도가 약 섭씨 400도 아래로 떨어질 때까지 용융 풀뿐만 아니라 전체 열 영향 구역을 보호해야 합니다-. 토치 뒤로 연장되는 트레일링 쉴드와 루트 패스의 백퍼징이 표준 방식입니다. 아르곤 순도는 99.995%를 초과해야 하며 이슬점은 섭씨 영하 50도 미만이어야 합니다. 공기, 습기 또는 탄화수소로 인한 오염으로 인해 용접 변색이 연한 노란색에서 파란색, 회색 또는 흰색까지 나타나며 점진적으로 심각한 취성이 발생합니다.
필러 금속 선택은 일반적으로 기본 합금 구성과 일치하지만 약간의 수정으로 용접성이 향상될 수 있습니다. Ti-6Al-4V의 경우 조성 충진재 매칭이 표준입니다. 예열은 일반적으로 불필요하며 반응 온도 범위에서 시간이 길어지면 잠재적으로 해로울 수 있습니다. 용접 후 열처리에는 일반적으로 섭씨 540~650도에서 응력 완화가 포함되지만, 열처리 가능한 합금의 전체 특성을 복원하려면 용체화 처리 및 노화가 필요할 수 있습니다.
베타 조건의 용접 후 용접 후 열처리는 -구속 균열 민감성을 줄여 두꺼운 단면에 이점을 제공합니다. 그러나 거친 베타 입자 구조는 허용되지 않는 특성을 피하기 위해 후속 냉각을 신중하게 제어해야 합니다.
6. 열처리 프로토콜
티타늄 합금의 열처리에는 알파 케이스 형성을 방지하기 위해 진공 또는 불활성 대기로가 필요합니다. 10~마이너스 3밀리바 이상의 진공 수준이 일반적이며 각 사이클 전에 누출율이 확인됩니다. 아르곤 백필은 담금질 작업에 사용될 수 있지만 가스 순도는 용접 차폐 가스와 동일한 엄격한 표준을 충족해야 합니다.
공랭식을 사용하여 섭씨 700~760도에서 밀 어닐링을 수행하면 응력이 완화되고 적당한 특성 최적화가 가능합니다. 베타 용액 처리 후 알파{3}}베타 어닐링을 포함하는 이중 어닐링은 크리프 저항성과 열 안정성을 향상시킵니다. 용액 처리 및 노화는 준안정 베타 매트릭스 내에서 알파상의 석출을 제어하여 강도를 극대화합니다. Ti-6Al-4V의 경우 일반적으로 섭씨 925~955도인 용액 처리 온도는 원하는 1차 알파와 변환 베타의 균형을 달성하기 위해 좁은 범위 내에서 제어되어야 합니다. 담금질 매체 선택은 물, 중합체 담금질 또는 강제 가스를 각각 제공하는 서로 다른 절충안을 통해 왜곡과 냉각 속도의 균형을 맞춥니다.
섭씨 480~600도의 시효 온도는 다양한 강도-연성 조합을 생성하며, 낮은 온도는 강도를 선호하고 높은 온도는 인성을 향상시킵니다. 완전한 변형을 위해서는 숙성 시간이 충분해야 하며, 온도와 단면 크기에 따라 일반적으로 4~16시간이 소요됩니다.
후열 처리 검사에는 완전한 알파 케이스 제거를 확인하기 위한 미세-경도 프로파일링, 대상 미세 구조를 확인하기 위한 금속 조직 검사, 특성 검증을 위한 기계적 테스트가 포함됩니다.
7. 화학적 처리 및 표면 처리
화학적 밀링 및 산세척을 통해 열 처리된 티타늄에서 알파 케이스와 스케일을 제거합니다. 표준 산세 용액에는 물에 불화수소산과 질산이 포함되어 있으며, 일반적인 비율은 HF 1부와 HNO3 4~6부피입니다. 질산은 표면을 산화시키고 부동화시키는 역할을 하는 반면 HF는 산화티타늄을 용해시킵니다. 산세척 중 과도한 수소 흡수를 방지하려면 HF 대 HNO3 비율이 4:1을 초과해야 합니다. 섭씨 20~60도 사이의 용액 온도는 에칭 속도를 제어하며, 온도가 높을수록 재료 제거 속도는 빨라지지만 수소 픽업 위험은 증가합니다.
무게 감소 또는 윤곽 형성을 위한 화학적 밀링은 높은 온도에서 유사한 화학 물질을 사용합니다. 내산-내성 코팅으로 마스킹하면 제거할 영역이 정의됩니다. 마스크 설계에서는 측면 에칭과 수직 에칭의 비율인 에칭 계수를 고려해야 합니다.
아노다이징은 티타늄에 보호 및 장식용 산화막을 생성합니다. 크롬산 또는 황산 용액의 유형 2 양극산화처리는 내마모성 표면을 만듭니다.- 유형 3 색상 아노다이징은 얇은 산화막의 광학 간섭을 활용하여 염료 없이 다양한 색상을 생성하며 부품 식별 및 의료 기기 마킹에 유용합니다. 양극 산화 처리된 층은 생체 적합성이 있으며 정형외과 임플란트의 골유착을 향상시킵니다.
질산의 부동태화 처리는 표면 철 오염을 제거하고 내식성을 향상시킵니다. 이는 엄격한 생체 적합성 요구 사항을 충족해야 하는 의료용 티타늄의 경우 특히 중요합니다.
8. 단조 및 열기계 가공
티타늄 합금 단조에는 좁은 가공 창과 높은 유동 응력을 관리하기 위해 등온 또는 거의 등온에 가까운 조건이 필요합니다.{0}} 베타 트랜서스 이상의 기존 단조는 연성이 제한된 거칠고 변형된 미세 구조를 생성합니다. 베타 천이보다 섭씨 15~50도 낮은 온도에서 수행되는 알파-베타 단조는 알파상의 동적 재결정화를 통해 미세 구조를 미세화하여 우수한 기계적 특성을 생성합니다.
등온 단조는 단조 온도로 유지되는 초합금 다이를 사용하여 열 손실을 줄이고 더 낮은 프레스 힘을 허용합니다. 이를 통해 후속 가공을 최소화하면서 거의-순-모양을 형성할 수 있습니다. 그러나 다이 비용이 상당하고 사이클 시간이 길다.
링 롤링, 압출 및 회전 단조는 각각 기존의 금속 가공 원리를 티타늄의 특정 특성에 맞게 적용합니다. 다이 재료는 고온에서 티타늄의 화학적 친화성을 견뎌야 하며, 니켈-계 합금 및 세라믹은 공구강이 부적합한 용도를 찾습니다.
열역학적 처리 순서는 제어된 변형과 열처리를 결합하여 맞춤형 미세 구조를 달성합니다. 알파-베타 합금의 경우 일반적으로 여기에는 주조 구조를 분해하기 위한 고온 작업이 포함되며, 이어서 알파 형태를 개선하기 위한 저온 작업이 뒤따르고 어닐링 또는 용체화 처리 및 노화로 마무리됩니다.
9. 품질관리 및 검사
-티타늄 합금 부품의 공정 검사에서는 표면 무결성 검증이 강조됩니다. 육안 검사를 통해 열처리 중 대기 오염을 나타내는 변색을 식별합니다. 염료 침투 검사는 기계 가공, 연삭 또는 열처리로 인한 표면-파괴 결함을 감지합니다. 초음파 검사는 평평한-바닥 구멍 표준을 참조하는 허용 기준을 사용하여 내부 건전성을 확인합니다.
마이크로{0}}경도 테스트는 대부분의 사양에서 표면 경도가 코어 경도의 110%를 초과하지 않는 완벽한 알파 케이스 제거를 확인합니다. 금속 조직 검사를 통해 미세 구조 유형, 입자 크기, 베타 반점 또는 연속 입자 경계 알파와 같은 결함이 없는지 확인합니다.
기계 테스트에는 실내 및 고온에서의 인장 테스트, 중요한 응용 분야에 대한 파괴 인성 테스트, 설계 요구 사항이 요구되는 피로 테스트가 포함됩니다. 모든 테스트는 노치 효과를 피하기 위해 적절한 표면 준비를 통해 대표적인 위치에서 가공된 시편을 사용해야 합니다.
화학적 분석을 통해 특히 산소, 질소 및 수소 제한이 엄격한 ELI 등급의 경우 격자간 요소가 사양 내에 유지되는지 확인합니다. 수소 분석은 처리 중에 대기 또는 냉각수 오염으로 인해 이 원소가 증가할 수 있으므로 특히 중요합니다.
10. 안전 및 환경 고려 사항
티타늄 가공은 특정 제어가 필요한 여러 가지 안전 위험을 발생시킵니다. 미세한 티타늄 입자, 특히 500마이크로미터 미만의 입자는 자연 발화성이 있으며 스파크, 정전기 또는 기계적 충격으로 인해 발화될 수 있습니다. 적층 제조 작업에서 발생하는 분쇄 먼지, 가공 칩 및 분말은 불활성 대기 시스템이나 정전기 축적을 방지하기 위해 전도성 호스를 사용하는 특수 진공 장비를 사용하여 수집해야 합니다. 화재 진압에는 클래스 D 건조 분말, 건조 모래 또는 아르곤 범람이 필요합니다. 물, 이산화탄소 또는 할론 소화기는 티타늄 화재를 심화시킬 수 있습니다.
스펀지 생산에 사용되는 사염화티타늄 및 기타 염화물 화합물은 호흡 위험을 나타내지만 이는 부품 제작업체보다는 1차 생산업체의 주요 관심사입니다. 가공 냉각수에는 황화수소나 기타 독성 화합물을 생성할 수 있는 박테리아 분해에 대한 모니터링이 필요합니다.
환경 규정은 배출 전 중화 및 불소 침전이 필요한 불화수소산을 함유한 사용한 산세척 용액의 폐기를 관리합니다. 진공 아크 재용해 공정을 통한 칩 재활용은 귀중한 티타늄을 회수하는 동시에 환경에 미치는 영향을 줄입니다. 하지만 칩은 합금 등급별로 분리하고 절삭유를 제거해야 합니다.
