티타늄 및 티타늄 합금의 새로운 공정, 기술 및 응용

1. 강도가 높다. 티타늄 합금은 인장강도가 686 - 1176MPa로 매우 높은 강도를 갖고 있는 반면, 밀도는 강철의 약 60%에 불과하므로 비강도가 매우 높습니다.

2. 경도가 높다. 티타늄 합금(어닐링 상태)의 경도는 HRC 32 - 38.입니다.

3. 낮은 탄성률. 티타늄 합금(어닐링 상태)의 탄성 계수는 ​​1.078×10-1.176×10MPa로 강철과 스테인레스강의 약 절반입니다.

4. 우수한 고온 및 저온 성능. 고온에서도 티타늄 합금은 여전히 ​​우수한 기계적 특성을 유지할 수 있으며 내열성은 알루미늄 합금보다 훨씬 높으며 작동 온도 범위도 넓습니다. 현재 새로운 내열-티타늄 합금의 작동 온도는 550 - 600도에 도달할 수 있습니다. 저온에서는 티타늄 합금의 강도가 상온보다 증가하고 인성이 좋습니다. 저온-온도 티타늄 합금은 -253도에서도 여전히 우수한 인성을 유지할 수 있습니다.

5. 티타늄의 내식성이 강합니다. 대기 중 550도 이하의 온도에서 티타늄은 표면에 얇고 치밀한 산화티타늄 피막을 빠르게 형성하므로 대기, 해수, 질산, 황산 및 기타 산화 매체 및 강알칼리에서의 내식성은 대부분의 스테인레스강보다 우수합니다.

2.1 티타늄 제조 방법
티타늄은 자연계에 상대적으로 풍부하지만, 분산되어 존재하고 추출이 어렵기 때문에 희귀한 금속이다. 현재 티타늄 제조는 열환원법과 용융염 전기분해법의 두 가지 주요 범주로 나눌 수 있습니다.

(1) 티타늄 제조를 위한 열환원법: 열환원법은 TiCl4, TiO2, K2TiF6 등의 화합물로부터 Li, Na, Mg, Ca 등의 강한 환원제 및 이들의 수소화물을 사용하여 특정 온도에서 티타늄을 환원시키는 방법이다. 다양한 티타늄 화합물에 따라 티타늄을 제조하는 열적 환원 방법은 세 가지 범주로 분류될 수 있습니다.

① Kroll 공정, Hunter 공정, Armstrong 공정, EMR 공정 등 염화티타늄의 산화{0}}환원 방법;

② OS 공정, PRP 공정, MHR 공정 등 산화티타늄의 산화{0}}환원 방법;

③ 티탄산염의 산화{0}}환원 방법. 현재 Kroll 공정과 Hunter 공정만이 산업생산에 성공적으로 적용되고 있습니다. Kroll 공정은 금속 마그네슘을 사용하여 염화물에서 티타늄을 대체하는 반면, Hunter 공정은 금속 나트륨을 사용하여 이를 수행합니다. 또한 미국 시카고의 International Titanium Powder Company에서 개발한 암스트롱 공정은 헌터 공정과 유사하며 나트륨을 환원제로 사용하여 금속 티타늄을 정제합니다. 미국에서는 이 방법을 사용하여 공장에서 사전 생산을-수행하기 시작했습니다.

(2) 티타늄 제조를 위한 용융염 전기분해법: 1959년 크롤은 5~10년 안에 용융염 전기분해가 티타늄 제조의 주류 방법으로 크롤 공정을 대체할 것이라고 예측했다. 수년에 걸쳐 국내외 연구기관 및 연구실에서는 용융염 전기분해를 통해 티타늄을 제조하는 12가지 이상의 신기술을 개발해왔습니다. 원료에 따라 세 가지로 분류할 수 있습니다.

① 티탄산염의 전기분해;

② 염화티탄의 전기분해;

③ FFC Cambridge 공정, MER 공정, USTB 공정, QIT 공정, SOM 공정, 이온액체 전기분해 등 산화티타늄 전기분해.

2.2 티타늄의 새로운 용도
1940년대부터 티타늄의 용도는 급속도로 발전하여 항공기, 로켓, 미사일, 인공위성, 우주선, 선박, 군수산업, 의료분야, 석유화학산업 등 다양한 분야에 널리 적용되어 왔습니다. 최신 연구에 따르면 인체에는 일정량의 티타늄이 포함되어 있으며 티타늄은 식세포를 자극하고 면역 기능을 향상시킬 수 있는 것으로 나타났습니다. 따라서 많은 실험실에서 바이오{3}}티타늄 개발 및 응용에 전념하고 있습니다.

3.1 티타늄 합금의 제조방법

티타늄 합금의 전통적인 가공은 일반적으로 용융 및 주조 기술을 채택합니다. 최신 처리 기술은 다음과 같이 분류됩니다.

(1) 니어-네트-형상 형성 기술;

(2) 와이어 마찰 용접 기술;

(3) 초소성 성형 기술;

(4) 재료 준비 및 가공을 위한 컴퓨터 시뮬레이션 기술. Near-net-형상 성형 기술에는 레이저 성형, 정밀 주조, 정밀 금형 단조, 분말 야금, 스프레이 성형 등이 포함됩니다. 분말 야금은 티타늄 분말 또는 티타늄 합금 분말을 원료로 사용하여 티타늄 부품을 제조한 후 성형 및 소결하는 새로운 공정입니다. 첫째, 일반적으로 볼밀을 사용하여 원료에 강한 충격, 분쇄 및 교반을 가하는 기계적 합금화를 통해 분말이 생성됩니다. 그런 다음 형성된 합금 분말을 등방압 압축과 냉간 압축이라는 두 가지 압축 방법으로 성형합니다. 이 단계의 목적은 특정 밀도와 강도를 지닌 특정 모양과 크기의 프레스 블랭크를 얻는 것입니다. 이후, 형성된 블랭크를 스파크 플라즈마 소결하는데, 상하 다이 펀치와 대전된 전극을 통해 소결 분말에 특정 소결력과 가압력을 가하는 방식이다. 방전 활성화, 열간 소성 변형 및 냉각을 통해 프로세스가 완료되어 고성능 티타늄 소재를 얻습니다. 이어서, 플라즈마 소결 후 티타늄 합금은 추가 가공, 일반적으로 열처리 또는 소성 가공을 거칩니다.

3.2 티타늄 합금의 새로운 응용

티타늄 합금은 처음에는 항공우주 분야에서 주로 항공기 엔진이나 공압 부품 제조에 널리 사용되었습니다. 이후 지속적인 기술 발전으로 티타늄 합금은 일반 사람들의 생활 속으로 들어왔고 공장이나 가전제품에서도 찾아볼 수 있게 되었습니다. 현재 국가와 기관에서는 저비용, 고성능의 새로운 티타늄 합금을 개발하기 위해 경쟁하고 있습니다. 최근 티타늄 합금의 개발은 주로 다음과 같은 5가지 측면에 중점을 두고 있습니다.

(1) 의료용 티타늄 합금

티타늄 합금은 밀도가 낮고 생체 적합성이 뛰어나 인체에 이식할 수 있는 이상적인 의료 소재입니다. 이전에는 의료 분야에 사용되는 티타늄 합금에는 인체에 ​​해를 끼칠 수 있는 바나듐과 알루미늄이 포함되어 있었습니다. 그러나 최근 일본 학자들은 생체 적합성이 우수한 새로운 유형의 티타늄 합금을 개발했습니다. 이 합금은 아직 대량 생산되지는 않았지만, 가까운 미래에 이러한 고품질 합금이-일상 생활에 널리 사용될 것으로 예상됩니다.

(2) 난연성-티타늄 합금

특정 압력, 온도 및 공기 흐름 속도에서 연소에 저항할 수 있는 티타늄{0} 기반 합금은 난연성 티타늄 합금입니다.- 미국, 러시아, 중국은 새로운 난연성 티타늄 합금을 연속적으로 개발했습니다.- 미국에서는 연소에 민감하지 않고 엔진의 안정성을 크게 향상시킬 수 있는 난연성 티타늄 합금을 엔진에 적용했습니다.

(3) 높은-강도 및 높은{2}}인성 -타입 티타늄 합금

-티타늄 합금은 강도가 높고 용접성이 좋으며 냉간 및 열간 가공 특성이 뛰어납니다. 연구원들은 이 특성을 활용하여 우수한 열간 가공 성능, 우수한 가소성 및 우수한 용접성 등 뚜렷한 특성을 지닌 - 유형의 티타늄 합금을 개발했습니다. 더욱이, 용액 처리 및 시효 후에 기계적 성질이 크게 향상됩니다. 현재 일본과 러시아 모두 이러한 티타늄 합금을 개발했습니다.

(4) 티타늄-알루미늄 화합물

일반 티타늄 합금에 비해 티타늄{0}}알루미늄 화합물은 고온 성능이 우수하고, 산화 및 크리프 저항성이 우수하며, 일반 티타늄 합금보다 밀도가 낮습니다. 이러한 뛰어난 특성은 티타늄-알루미늄 화합물이 새로운 합금 추세를 촉발할 것임을 나타냅니다. 현재 미국에서는 이 새로운 티타늄-알루미늄 복합합금을 합성해 대량생산을 진행 중이다.

(5) 고온-티타늄 합금

섬유 또는 입자{0}}강화 복합재를 사용하여 급속 응고 방법과 분말 야금학을 결합하여 제조된 티타늄 합금은 우수한 고온 기계적 특성을 가지고 있습니다.- 고온-티타늄 합금의 사용 온도 한계는 일반 티타늄 합금의 사용 온도 한계보다 훨씬 높습니다. 현재 미국에서는 새로운 고온-티타늄 합금을 개발했습니다. (6) 티타늄-니켈 합금은 티타늄과 니켈로 구성된 합금으로 "메모리 합금"으로 알려져 있습니다. 이 합금을 미리 정해진 형상으로 만든 후{10}}성형 처리를 했을 때 외력에 의해 변형되면 약간의 가열만으로 원래의 모습을 복원할 수 있습니다. 이 합금은 계측기, 계측기, 전자 기기 등 다양한 분야에 사용될 수 있습니다.