1. 고온-티타늄 합금의 장기-열적 안정성
(1) 열안정성을 위한 합금 설계
알파 안정제(Al, Sn, Zr): 알루미늄(6~8wt%)과 주석(1~3wt%)은 알파상을 강화하고 합금의 베타{4}}트랜서스 온도를 높입니다(고온에서 상변태 지연). 지르코늄(2~4wt%)은 연성을 손상시키지 않으면서 결정립을 미세화하고 크리프 저항성을 향상시킵니다. 예를 들어 Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo(Ti-6242)는 베타 천이 온도가 Ti-6Al-4V보다 15~20% 높은 ~1000도이므로 450~500도에서 10000+시간 동안 안정적인 작동이 가능합니다.
베타 안정제(Mo, Nb, Ta): 몰리브덴(1~2wt%)과 니오븀(2~5wt%)은 합금의 고온- 연성을 향상시키고 베타상의 조대화를 지연시킵니다. 탄탈륨(1~3wt%)은 매트릭스의 원자 확산 속도를 줄여 열 안정성을 향상시킵니다. Ti-1100(Ti-6Al-2.7Sn-4Zr-0.4Mo-0.45Si)과 같은 고급 등급은 실리콘(0.4~0.5wt%)을 포함하여 미세한 규소화물 석출물(Ti₅Si₃)을 형성하여 결정립 경계를 고정하고 550~600도에서 크리프 변형을 억제합니다.
낮은-삽입 광고 제어: 산소에 대한 엄격한 제한(<0.15 wt%), nitrogen (<0.015 wt%), and hydrogen (<0.010 wt%) prevent the formation of brittle interstitial compounds that degrade thermal stability over time.
(2) 장기간-고온-노출 동안의 미세구조 안정성
라멜라/바이{0}}미세 구조: 대부분의 고온-온도 등급은 열처리되어-라멜라 또는 이중{2}}(등축 알파 + 라멜라 알파-베타) 미세 구조를 형성합니다. 예를 들어, 완전 라멜라 상태의 Ti{13}}6242는 상당한 입자 조대화 또는 상 분리 없이 500도에서 20,000시간 동안 베타 매트릭스에서 미세하고 균일한 알파 라멜라 분포를 유지합니다. 대조적으로, 기존의 Ti-6Al-4V는 5,000시간 노출 후 350도 이상의 알파상 조대화 및 강도 손실을 경험합니다.
위상 저하에 대한 내성: 600도 미만의 온도에서 고온-티타늄 합금은 표준 등급을 괴롭히는 해로운 상(예: 부서지기 쉬운 오메가 상 또는 거친 수소화물)의 형성을 방지합니다. 예를 들어 Ti{6}}1100은 동일한 온도와 지속 시간에서 Ti-6Al-4V의 강도 손실이 40%인 것과 비교하여 인장 강도(900MPa에서 750~800MPa로)가 10~15%만 감소하면서 10,000시간 동안 600도에서 알파 베타 미세 구조를 유지합니다.
(3) 기계적 성질의 유지
크리프 저항: 고온-티타늄 합금은 설계 온도에서 우수한 크리프 성능을 나타냅니다. Ti-6242의 크리프 변형률은 다음과 같습니다.<1×10⁻⁹ per hour at 450°C and 200 MPa stress (10x lower than Ti-6Al-4V under the same conditions), with total creep deformation <0.1% after 10,000 hours. Ti-1100 achieves a creep strain rate of <5×10⁻⁹ per hour at 550°C and 250 MPa, meeting the demands of aero-engine compressor blades.
피로 강도: 주기적인 고온-부하 하에서 이 합금은 실온-온도 피로 강도(107주기)의 60~70%를 유지합니다. 예를 들어, Ti{13}}6242는 450도에서 ~250 MPa(350도에서 Ti-6Al-4V의 경우. 150 MPa)의 피로 강도를 가지므로 터빈 케이싱과 같이 진동이 발생하기 쉬운 부품에서 안정적인 서비스를 제공합니다.
연성 유지: 500도에 장기간 노출되면 Ti-6242의 연신율은 20~25%(12%에서 9~10%)로 감소하는 반면, Ti-6Al-4V는 같은 기간 동안 350도에서 연성을 50%(12%에서 6%) 잃습니다.
2. 장기간 사용 시 고온-티타늄 합금의 내산화성-
(1) 고온에서 티타늄 합금의 산화 메커니즘
외층: 다공성 TiO2(금홍석), 열 순환에 따라 갈라지고 부서지는 현상;
중간층: Ti₃O₅, 보호 특성이 약한 반전도성 산화물;
내부 레이어: Ti2O₃는 취성산화물로서 표면취성을 유발하고 피로수명을 단축시킵니다.
(2) 내산화성 강화를 위한 합금화 및 표면처리
실리콘 및 알루미늄 합금: Ti-1100과 같은 등급의 실리콘(0.3~0.5wt%)은 TiO2 필름 아래에 연속적인 SiO2 층을 형성하여 산소에 대한 확산 장벽 역할을 하며 600도에서 산화물 성장 속도를 50~60% 감소시킵니다. 알루미늄(7~8wt%)은 산화물층의 알루미늄 함량을 증가시켜 순수 TiO2보다 융점이 높고 산소 투과도가 낮은 혼합 Al2O₃-TiO2 스케일을 형성합니다.
크롬 및 니오븀 첨가: 크롬(1~2wt%)은 산화물층과 기판 사이의 열팽창 불일치를 줄여 산화물 접착력을 향상시키고, 니오븀(3~5wt%)은 TiO2의 루틸상을 안정화시키고 산화물 스케일의 균열 형성을 억제합니다.
표면 코팅: 초-고온-온도 응용 분야(550~700도)의 경우 고온-티타늄 합금은 종종 다음과 같은 코팅으로 코팅됩니다.알루미나이드 코팅(예:-시멘트 처리된 Al-Ti 코팅 포장) 또는세라믹 코팅(예: 이트리아-안정화된 지르코니아, YSZ). 이러한 코팅은 조밀한 Al2O₃ 또는 세라믹 장벽을 형성하여 코팅되지 않은 합금에 비해 650도에서 산화 속도를 90% 감소시킵니다. 예를 들어, 알루미나이드-코팅된 Ti-1100의 중량 증가는 다음과 같습니다.<0.1 mg/cm² after 1000 hours at 600°C, vs. 1.2 mg/cm² for uncoated Ti-1100.
(3) 장기-산화 성능 한계
코팅되지 않은 합금: 대부분의 비코팅 고온-티타늄 합금은 10,000시간 동안 최대 550~600도까지 허용 가능한 내산화성을 유지할 수 있으며 총 산화물 두께는 다음으로 제한됩니다.<10 μm and weight gain <0.5 mg/cm². Above 600°C, the oxide layer thickens rapidly (exceeding 20 μm at 650°C for 1000 hours) and becomes prone to spalling under thermal cycling, leading to intergranular oxidation and embrittlement.
코팅된 합금: 알루미나이드 또는 세라믹 코팅의 경우 산화막 두께에 따라 장기 사용(10,000시간)의 경우 상한 온도가 650~700도까지 확장됩니다.-<8 μm and weight gain <0.2 mg/cm² at 700°C. However, coating degradation (e.g., interdiffusion of coating and substrate elements) becomes a limiting factor beyond 700°C, requiring periodic recoating for critical components.
