중{0}}~-고온 및 저온{2}}환경에 적합한 상업적 순수 티타늄 등급
1. 중{1}}~-고온 시나리오를 위한 CP 티타늄 등급
인장강도 및 피로강도 유지
크리프 변형에 대한 저항성(지속적인 하중 하에서 느린 소성 흐름)
미세구조 안정성(상 변형이나 불순물 분리 없음)
내산화성(취성 TiO2 스케일 형성 최소화)
1.1 최적의 등급 선택: 2등급 및 4등급
1.1.1 2급과 4급의 핵심 장점
고온에서의 강도 유지: 2등급과 4등급의 격자간 불순물(산소 및 질소)은 -티타늄 격자에 안정적인 고용체를 형성하며, 이는 200~300도에서 격자 연화에 저항합니다. 300도에서 등급 4는 실온 극한 인장 강도(UTS, 실온에서 ~485MPa vs. 300도에서 ~340MPa)의 ~70%를 유지하는 반면, 등급 1(낮은 산소 함량, 0.18wt% O)은 실온 UTS(실온에서 ~345MPa, 실온에서 ~190MPa)의 ~55%만 유지합니다. 300도).
크리프 저항: 크리프는 높은 온도에서 지속적인 하중을 받는 재료에 대한 중요한 파손 모드입니다. 4등급의 산소 함량이 높을수록 격자 마찰이 증가하고 전위 이동이 느려지며 크리프 변형이 줄어듭니다. 350도 및 150MPa의 응력에서 1000시간 후 등급 4의 크리프 변형률은 ~0.2%인데 비해 동일한 조건에서 등급 1의 경우 ~0.8%입니다.
산화 저항: 2등급과 4등급 모두 200~400도에서 치밀하고 접착력이 있는 TiO2 산화물 층을 형성하여 추가적인 산소 유입을 차단하는 역할을 합니다. 등급 4의 약간 높은 불순물 함량은 산화물 층 무결성을 손상시키지 않는 반면, 초-불순물 등급(예: 등급 1)은 낮은 격자 안정성으로 인해 다공성 산화물을 형성할 수 있습니다.
1.1.2 고온-부식성 환경을 위한 특수 등급: 7등급(Ti-0.12Pd)
고온에서 산(예: HCl)을 환원하여 내식성을 강화합니다.
고온으로 인해 가속화될 수 있는 국부 부식(공식 및 틈새 부식)을 방지합니다.
부서지기 쉬운 금속간 상을 형성하지 않고 최대 350도까지 미세 구조 안정성을 유지합니다.
1.1.3 적용사례
화학 처리: 2등급은 200~250도에서 작동하는 열 교환기 튜브에 사용되는 반면, 4등급은 300~400도에서 작동하는 원자로 용기 구성 요소에 사용됩니다.
항공우주 보조 시스템: 4등급은 내크리프성 및 강도유지력이 우수하여 항공기 엔진 나셀(250~300도 작동)의 유압라인에 사용됩니다.
담수화 플랜트: 7등급은 염화물 부식 및 열피로를 방지하기 위해 고온-염수 히터(250~300도)에 사용됩니다.
1.2 중간-~-고온에서 피해야 할 등급
1학년: 산소 함량이 매우 낮기 때문에-강도 유지율이 낮고 250도 이상에서 크리프 저항성이 낮아 고온에서 하중을 지지하는 부품에 적합하지 않습니다.-
3학년: 성능은 2등급과 4등급의 중간 수준이지만 2등급(저비용)이나 4등급(고강도)에 비해 큰 이점이 없으므로 중{4}}~-온도 응용 분야에서 사용이 제한됩니다.
2. 저온-환경에서 우수한 인성을 갖춘 CP 티타늄 등급
2.1 최적의 등급 선택: 등급 1 및 등급 2(초저온에는 등급 1이 선호됨-)
2.1.1 극저온 조건에 대한 1등급의 핵심 장점
뛰어난 저온-연성: -196도(액체 질소 온도)에서 1등급은 상온 신율의 ~80%(상온에서 24~28%, -196도에서. 20~22%)와 면적 감소의 ~75%(상온에서 30~35%, -196도에서. 25~28%)를 유지합니다. 대조적으로, 4등급(높은 산소 함량)은 -196도에서 신장률이 40% 감소합니다(상온에서 15%에서 -196도에서 9%).
높은 파괴 인성: 파괴인성(KIC)은 극저온 재료의 중요한 지표입니다. 1등급의 KIC는 -196도에서 ~60MPa·m1/²인 반면, 4등급의 KIC는 동일한 온도에서 ~35MPa·m1/²로 떨어집니다. 1등급의 낮은 격자간 불순물 함량은 격자 왜곡을 줄이고 부서지기 쉬운 석출물 형성을 제거하여 파괴 전 소성 변형을 허용합니다.
저온-피로에 대한 저항성: -100도에서 1등급의 피로 한계(107주기)는 ~170MPa로, 실온 피로 한계(~180MPa)보다 5%만 낮습니다. 이에 비해 4등급에서는 취성 증가로 인해 -100도에서 피로 한계가 15% 감소합니다(상온에서 150MPa에서 -100도에서 127MPa로).
2.1.2 높은-불순물 등급(3등급 및 4등급)을 방지하는 이론적 근거
3등급 및 4등급의 높은 산소/질소 함량은 격자 경도를 증가시키고 저온에서 전위 이동성을 감소시켜 연성 파괴에서 취성 파괴로 전환됩니다.
-100도 이하의 온도에서 이러한 등급은 결정립 경계에 국부적인 취성 영역을 형성할 수 있으며, 여기서 격자간 불순물이 분리되어 충격이나 반복 하중 시 갑작스러운 파손을 유발할 수 있습니다.
2.1.3 적용사례
액화천연가스(LNG) 시스템: 1등급은 인성이 높고 극저온 피로에 강하여 LNG 저장탱크 라이너 및 이송 파이프라인(-162도에서 작동)에 사용됩니다.
극저온 의료 장비: 2등급은 인성과 적당한 강도의 균형을 맞추기 위해 의료 영상 장치(-80도 ~ -196도에서 작동)의 액체 질소/냉동고 부품에 사용됩니다.
항공우주 극저온 연료 시스템: 1등급은 액화수소 연료라인(-253도에서 작동)에 사용되어 극한의 저온 및 진동하중에서 취성파괴를 방지합니다.
