티타늄 합금은 무엇을 '두려워'하는가?

티타늄 합금은 티타늄에 다른 원소를 첨가한 합금입니다. 티타늄 합금은 낮은 밀도, 높은 비강도, 우수한 내식성 및 우수한 공정 성능의 특성을 가지고 있습니다. 항공우주 공학을 위한 이상적인 구조 재료입니다. 세계 많은 국가가 티타늄 합금 재료의 중요성을 인식하고 이에 대한 연구 개발을 차례로 수행하여 실용적인 응용 프로그램을 얻었습니다.

티타늄 합금 개발의 역사

① 최초의 실용적인 티타늄 합금은 1954년 미국이 성공적으로 개발한 Ti-6Al-4V 합금이다. 내열성, 강도, 가소성, 인성, 성형성, 용접성, 내식성 및 생체적합성이 우수하여 티타늄 합금 산업의 트럼프 합금이 되었다. 이 합금의 사용은 모든 티타늄 합금의 75%~85%를 차지한다. 다른 많은 티타늄 합금은 Ti-6Al-4V 합금의 변형으로 볼 수 있다.

② 1950~60년대에는 항공기 엔진용 고온 티타늄 합금과 동체용 구조용 티타늄 합금이 주로 개발되었다. 1970년대에는 내식성 티타늄 합금이 대량 개발되었다. 1980년대 이후 내식성 티타늄 합금과 고강도 티타늄 합금이 더욱 개발되었다. 내열성 티타늄 합금의 작동 온도는 1950년대 400℃에서 1990년대에는 600~650℃로 상승했다. A2(Ti3Al) 및 r(TiAl) 기반 합금의 등장으로 엔진의 티타늄 사용이 엔진의 콜드엔드(팬 및 압축기)에서 엔진의 핫엔드(터빈)로 확대되었다. 구조용 티타늄 합금은 고강도, 고가소성, 고강도 및 고인성, 고탄성률 및 고내손상성을 향해 발전하고 있다.

③ 또한 1970년대 이후 Ti-Ni, Ti-Ni-Fe, Ti-Ni-Nb 등의 형상기억합금도 등장하여 공학분야에서 널리 사용되고 있다.

세계에는 수백 가지의 티타늄 합금이 개발되어 있으며 Ti-6Al-4V, Ti-5Al-2.5Sn, Ti-2Al-2.5Zr, Ti-32Mo, Ti-Mo-Ni, Ti-Pd, SP-700, Ti-6242, Ti-10-5-3, Ti-1023, BT9, BT20, IMI829, IMI834 등

티타늄 합금의 부식 형태

티타늄은 내식성이라는 특성이 있다는 것은 잘 알려져 있지만, 실제 생산 환경에서 티타늄 합금은 다양한 유형의 부식을 겪게 됩니다. 파괴 불가능한 티타늄 합금이 가장 두려워하는 것이 무엇인지 살펴보겠습니다.

1. 틈새부식

금속부품의 틈새나 결함에서는 전기화학적 셀을 형성하는 전해질의 정체로 인해 국부부식이 발생한다[i]. 중성 및 산성 용액에서 티타늄 합금의 틈새에서의 접촉부식 가능성은 알칼리성 용액보다 훨씬 크다. 접촉부식은 틈새 표면 전체에서 발생하지 않지만 결국 국부적인 천공 손상으로 이어진다.

2. 피팅 현상

대부분의 염 용액에서 티타늄은 침식 부식이 없습니다. 주로 비수용액과 끓는 고농도 염화물 용액에서 발생합니다. 용액의 할로겐 이온은 티타늄 표면의 패시베이션 필름을 부식시키고[ii] 티타늄으로 확산되어 침식 부식을 일으킵니다. 침식 구멍은 깊이보다 작고 일부 유기 매체도 할로겐 용액에서 티타늄 합금과 침식됩니다. 할로겐 용액에서 티타늄 합금의 침식 부식은 일반적으로 고농도 및 고온 환경에서 발생합니다. 또한 황화물 및 염화물의 침식 부식에는 특정 조건이 필요하고 제한적입니다.

3. 수소취성

수소 취성, 수소 유도 균열 또는 수소 손상이라고도 하며, 티타늄 합금의 조기 손상 및 파손 원인 중 하나입니다. 티타늄 및 그 합금 표면의 패시베이션 필름은 강도가 높습니다. 수소 취성 민감도는 강도가 증가함에 따라 증가하므로 패시베이션 필름의 수소 취성 민감도는 매우 높습니다.

4. 접촉부식

표면의 수동 산화막은 티타늄 전위를 양전위로 변위시키는 것을 촉진하여 티타늄 재료의 산 및 수성 매체에 대한 내식성을 향상시킵니다. 티타늄 합금 표면의 높은 전위로 인해 접촉하는 다른 금속이 전기화학적 회로를 형성하고 접촉 부식을 일으킬 수밖에 없습니다.

티타늄 합금은 다음 두 가지 유형의 매체에서 접촉 부식이 발생하기 쉽습니다. 첫 번째 유형은 수돗물, 소금물, 해수, 대기, HNO3, 아세트산 등입니다. 이 용액에서 Cd, Zn 및 Al의 안정된 전극 전위는 Ti보다 더 음수이며 양극 부식 속도는 6~60배 증가합니다. 두 번째 유형은 H2SO4, HCl 등입니다. 티타늄은 이러한 용액에서 수동화 상태 또는 활성화 상태일 수 있습니다. 첫 번째 유형의 용액 부식은 실제 접촉 부식 공정에서 일반적입니다. 양극 산화는 일반적으로 접촉 부식을 방지하기 위해 기판 표면에 개질된 층을 형성하는 데 사용됩니다.

티타늄 및 티타늄 합금의 주요 한계는 고온에서 다른 재료와의 화학적 반응성이 좋지 않다는 것입니다. 이러한 특성으로 인해 티타늄 합금은 일반적인 전통적인 정련, 용융 및 주조 기술과 달라야 하며 심지어 종종 금형을 손상시켜 티타늄 합금의 가격을 매우 비싸게 만듭니다. 따라서 처음에는 항공기 구조, 항공기 및 석유 및 화학 산업과 같은 첨단 산업 분야에서 주로 사용되었습니다.

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