티타늄 합금 분말: 특성, 생산 및 응용 분야

티타늄 합금 분말 은 높은 중량 대비 강도, 내식성, 생체 적합성으로 평가받는 첨단 엔지니어링 소재입니다. 이 문서에서는 티타늄 합금 분말 야금, 제조 방법, 구성, 기계적 특성, 산업 전반의 용도 및 공급업체 환경에 대한 개요를 제공합니다.

티타늄 합금 분말 개요

티타늄 합금 분말은 티타늄에 알루미늄, 바나듐, 철, 몰리브덴과 같은 다른 금속 원소를 혼합한 것입니다. 분말은 가스 분무 및 기타 방법을 통해 미세한 구형 입자로 생산됩니다.

이러한 고급 분말은 금속 사출 성형, 적층 제조, 열간 등방성 프레스와 같은 분말 야금 기술을 통해 고성능 부품을 제조하는 데 사용됩니다. 티타늄 합금 분말로 만든 부품은 비합금 티타늄으로 만든 부품에 비해 우수한 기계적 특성을 나타냅니다.

티타늄 합금 분말은 고강도, 저밀도, 내식성 및 생체 적합성이라는 고유한 특성으로 인해 항공우주, 의료, 자동차, 화학 및 소비자 응용 분야에 적합합니다.

티타늄 합금 분말의 장점:

• 높은 중량 대비 강도 비율
• 뛰어난 내식성
• 생체 불활성 및 생체 적합성
• 컴포지션을 통해 프로퍼티를 조정하는 기능
• 구성 요소로 그물 모양 제조 가능
• 분말 야금을 통한 비용 절감

티타늄 합금 분말의 도전 과제:

• 높은 재료비
• 처리 및 처리 중 반응성 문제
• 달성 가능한 속성의 한계
• 통제된 대기에 대한 요구 사항
• 경쟁 합금보다 낮은 연성

구성 티타늄 합금 분말

티타늄 합금은 가공 후 형성되는 미세 구조에 따라 알파, 알파-베타, 베타로 분류됩니다. 합금 원소, 농도, 열-기계적 처리에 따라 미세 구조 단계가 결정됩니다.

티타늄 합금 분말의 일반적인 합금 원소:

• 알루미늄(Al)
• 바나듐(V)
• 철(Fe)
• 몰리브덴(Mo)
• 주석(Sn)
• 지르코늄(Zr)
• 니오븀(Nb)

합금 원소의 효과:

• 알루미늄(Al) - 강도를 높이고 밀도를 낮춥니다.
• 바나듐(V) - 알파 및 베타 위상 강화
• 철(Fe) - 강도 및 연성 증가
• 몰리브덴(Mo) - 최대 500°C까지 합금을 강화합니다.
• 주석(Sn) - 크리프 저항성 향상
• 지르코늄(Zr) - 입자 정제
• 니오븀(Nb) - 알파 케이스 형성 방지

일반적인 티타늄 합금 분말 조성물:

합금	핵심 요소	단계	속성
Ti-6Al-4V(5등급)	Al: 6%, V: 4%	알파 + 베타	우수한 강도, 적당한 연성, 열처리 가능, 가장 널리 사용되는 합금
Ti-6Al-7Nb	Al: 6%, Nb: 7%	알파에 가까운	높은 인장 강도, 생체 불활성, 의료용 임플란트에 사용됨
Ti-10V-2Fe-3Al	V: 10%, Fe: 2%, Al: 3%	베타	최고 강도의 티타늄 합금, 낮은 연성, 가공이 어려움
Ti-13V-11Cr-3Al	V: 13%, Cr: 11%, Al: 3%	알파 + 베타	최대 400°C의 뛰어난 고온 경도 및 크리프 저항성

컴포지션이 프로퍼티에 미치는 영향:

• 알루미늄 함량이 증가하면 인장 강도는 증가하고 밀도는 감소합니다.
• V, Mo, Cr을 첨가하여 고온 강도 향상
• Fe 첨가 시 실온 인장 강도 증가
• Sn은 합금의 크리프 저항을 개선합니다.
• 입자 구조 제어에 도움이 되는 Zr 및 Nb

티타늄 합금 분말의 생산 방법

티타늄 합금 분말은 용융된 합금에서 미세한 구형 분말을 생성하는 첨단 방법을 통해 제조됩니다. 가장 일반적인 생산 기술로는 가스 분무, 플라즈마 회전 전극 공정(PREP), 플라즈마 분무가 있습니다.

가스 분무

• 고압 불활성 가스 제트가 용융 금속 흐름을 미세한 물방울로 분해합니다.
• 10미크론에서 250미크론 사이의 분말을 생성합니다.
• 가장 널리 사용되고 경제적인 방법
• 분말은 모양이 불규칙하고 위성이 포함되어 있습니다.

플라즈마 회전 전극 공정(PREP)

• 회전 전극은 플라즈마 토치를 사용하여 합금을 분해합니다.
• 매우 구형의 부드러운 분말을 생성합니다.
• 파우더 크기 및 분포에 대한 탁월한 제어
• 반응성 및 고융점 합금에 사용

플라즈마 원자화

• 전기 아크 또는 플라즈마가 합금을 가열하여 물방울로 원자화합니다.
• 유동성이 좋은 고구형 분말 생산
• 63미크론 미만의 미세 분말의 소량 생산에 적합

보조 처리

원자화된 파우더는 파우더 특성을 개선하기 위해 2차 처리를 거칩니다:

• 미세 입자 크기 분포로 체질하기
• 새틀라이트 제거 및 응집 최소화를 위한 컨디셔닝
• 원소 또는 마스터 합금 분말을 혼합하여 목표 조성을 달성합니다.

처리 고려 사항

• 티타늄 합금 분말은 인화성(가연성)이므로 보관, 처리 및 취급 시 산소와 습도가 50ppm 이하인 통제된 환경이 필요합니다. 아르곤은 일반적으로 불활성 커버 가스로 사용됩니다.

티타늄 합금 분말의 기계적 특성

인장 속성

티타늄 합금은 조성과 가공 이력에 따라 비합금 티타늄에 비해 인장 강도 특성이 더 높습니다.

합금	최대 인장 강도(MPa)	항복 강도(MPa)	연신율(%)
CP 티타늄 1등급	240-550	170-480	20-25
Ti-6Al-4V ELI 등급 23	860-965	795-875	10-15
Ti-6Al-7Nb 등급 26	900-1000	825-900	15-20
Ti-15V-3Al-3Cr-3Sn 18등급	900-1000	800-900	8-14

원소 합금의 효과:

• 알루미늄은 고용체 강화를 통해 강도를 향상시킵니다.
• V, Mo, Nb, Ta를 추가하면 고온 강도가 증가합니다.
• 철분은 실온 인장 강도를 향상시킵니다.

피로 및 골절 속성

몰리브덴과 바나듐과 같은 베타 안정제의 농도가 높을수록 피로 강도와 파단 인성은 감소합니다. 열역학적 처리를 통해 강도, 연성, 피로 및 파단 특성의 조합을 최적화할 수 있습니다.

산업 응용 분야 티타늄 합금 분말

티타늄 합금은 강도, 내식성, 경도 및 생체 적합성이 뛰어나 산업 전반에 걸쳐 중요한 응용 분야에 적합합니다.

항공우주 산업

• 항공기 유압 시스템
• 우주선 추진제 탱크
• 기체 및 랜딩기어 구성품
• 컴프레서 블레이드, 디스크, 케이싱과 같은 엔진 부품

의료 및 치과 산업

• 고관절, 뼈판, 나사 등 정형외과용 임플란트
• 수술 기구 및 바이오 임플란트
• 교정용 아치 와이어
• 치과 임플란트

자동차 산업

• 커넥팅 로드, 흡기 밸브, 밸브 스프링 리테이너
• 모터사이클 및 레이싱 부품
• 배기 시스템 부품

화학 산업

• 열교환기, 콘덴서 및 배관
• 내식성을 위한 공정 장비
• 담수화 및 오염 제어 장비

소비자 산업

• 시계 및 보석류
• 자전거 프레임, 골프 클럽, 라크로스 스틱과 같은 스포츠 장비
• 안경테, 바디 피어싱 및 반지

기타 애플리케이션

• 해양 - 프로펠러, 소나 돔, 담수화 플랜트
• 발전 - 증기 및 가스 터빈 부품
• 건축 - 장식용 파사드 패널, 난간, 지붕

또한 티타늄 합금은 무게 대비 강도가 뛰어나 모든 산업 분야에서 강철 및 알루미늄 부품을 대체하는 데 적합합니다.

사양 및 표준

티타늄 합금 분말은 다양한 등급에서 허용되는 산소, 질소, 탄소, 철의 수준을 정의하는 ASTM 표준에 따라 생산됩니다.

표준	범위
ASTM B348	티타늄 및 티타늄 합금 봉재 및 빌릿 사양
ASTM B939	티타늄 합금 분말 테스트 방법
ASTM F67	수술용 임플란트용 비합금 티타늄 바의 사양
ASTM F1472	수술용 임플란트용 단조 티타늄 6Al-4V ELI 사양

티타늄 합금 분말 공급업체

티타늄 합금 분말은 산업 응용 분야에 맞는 다양한 등급을 제조하는 특수 금속 분말 생산업체에서 공급합니다.

주요 티타늄 합금 분말 제조업체:

회사	생산 능력	합금
AMETEK	연간 5,000톤	Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb, Ti-13V-11Cr-3Al
AP&C	연간 7,500톤	Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb, Ti-555, Ti-1023
Tekna	연간 3,500톤	Ti-6Al-4V ELI, Ti-6Al-7Nb
카펜터 기술	연간 3,000톤	Ti-6Al-4V, Ti-10V-2Fe-3Al
프렉스에어	연간 4,000톤	CP Ti, Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb

주요 티타늄 합금 분말 유통업체:

• 대서양 장비 엔지니어
• 마이크론 금속
• TLS 테크닉
• 글로벌 티타늄

비용 분석

티타늄 합금 분말의 범위는 다음과 같습니다. $$$/kg ~ $$$$$/kg 구성, 생산 방법, 모양, 크기 분포, 품질, 주문량 및 지역에 따라 달라집니다.

일반적으로 진공 기반 방법(플라즈마 분무, PREP)으로 만든 분말은 불활성 가스 분무 분말보다 가격이 높습니다. 45미크론 미만의 미세한 의료용 분말은 더 비쌉니다.

비용 절감 기회:

• 프리미엄 합금 대신 저렴한 Ti-6Al-4V 사용
• 티타늄을 스테인리스 스틸 또는 알루미늄 합금으로 대체합니다.
• 적층 가공과 CNC 가공의 차이점
• 대량 구매 시 수량 할인 혜택 제공

티타늄 등급 간 비교

Ti-6Al-4V와 Ti-6Al-7Nb 합금 비교:

속성	Ti-6Al-4V	Ti-6Al-7Nb
인장 강도	895 MPa	980 MPa
수율 강도	825 MPa	900 MPa
밀도	4.43g/cc	4.52g/cc
생체 불활성	보통	높음
비용	Lower	더 높음

Ti-6Al-4V 대 CP 티타늄 1등급:

• 인장 및 항복 강도가 2배 더 높은 Ti-6Al-4V
• CP 1등급은 더 나은 연성을 제공합니다 - 25% 연신율 대비 10-15% 연신율
• Ti-6Al-4V는 CP 티타늄보다 무게가 45% 더 강합니다.
• CP 티타늄은 합금보다 성형성이 뛰어나고 가공이 용이합니다.

가스 분무 방식과 플라즈마 분무 방식:

속성	가스 분무	플라즈마 원자화
파티클 모양	위성과 함께 불규칙	고도로 구형
산소 픽업	보통	낮은 산소 수준
비용	Lower	더 높음
생산성	더 높음	Lower

처리 방법 티타늄 합금 분말

티타늄 부품을 제조하기 위한 세 가지 주요 분말 처리 경로는 다음과 같습니다:

금속 사출 성형(MIM)

• 작고 복잡한 부품의 대량 생산
• 플라스틱 사출 성형과 금속 분말 소결의 조합
• 뛰어난 치수 정확성과 표면 마감
• 항공우주 및 의료 애플리케이션

적층 제조(AM)

• CAD 데이터에서 부품을 직접 3D 프린팅
• 복잡하고 가벼운 지오메트리를 자유롭게 설계할 수 있습니다.
• 널리 사용되는 Ti-6Al-4V와 같은 티타늄 합금
• 의료, 항공우주, 자동차 등 다양한 산업 분야에서 사용됨

열간 등방성 프레스(HIP)

• 열과 등압을 사용하여 캡슐화된 분말을 통합합니다.
• 복잡한 형태의 고밀도 구현
• 고체 금속 가공에 비해 저렴한 비용
• 항공기 및 의료 부품에 사용

자주 묻는 질문

티타늄 합금 분말의 등급은 어떻게 되나요?

가장 일반적인 티타늄 합금 등급에는 Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb, Ti-10V-2Fe-3Al, Ti-13V-11Cr-3Al 등이 있습니다. 등급 번호는 성분을 나타냅니다(예: Ti-6Al-4V는 6% 알루미늄과 4% 바나듐을 포함합니다).

Ti-6Al-4V가 가장 인기 있는 티타늄 합금인 이유는 무엇인가요?

Ti-6Al-4V는 경량, 내식성, 제작 용이성, 비용 면에서 최적의 조합을 제공합니다. 알파+베타 상태에서 강도가 우수하며 추가 열처리가 가능합니다. 전체 티타늄 사용량 중 50% 이상을 차지합니다.

티타늄 합금 분말에는 어떤 입자 크기를 사용할 수 있나요?

적층 제조용 티타늄 합금 분말의 범위는 15~45미크론입니다. 25미크론 미만의 미세한 분말은 해상도가 높지만 가격이 더 비쌉니다. MIM 애플리케이션의 경우 45~250미크론 사이의 더 큰 분말 크기가 선호됩니다.

티타늄 파우더에 불이 붙는 원인은 무엇인가요?

티타늄 분말은 산소에 대한 친화력이 높아 공기에 노출되면 자연 발화할 수 있습니다. 호발성 특성으로 인해 취급, 보관, 가공 시 불활성 가스 환경이 필요합니다. 습기나 기름 잔여물도 화재를 일으킬 수 있습니다.

티타늄 합금 파우더가 비싼 이유는 무엇인가요?

티타늄 합금 분말 생산에는 불활성 분위기에서 복잡한 진공 용융 공정이 필요하기 때문에 강철이나 알루미늄 합금에 비해 비용이 많이 듭니다. 또한 높은 원자재 비용, 에너지 소비, 폐기물 발생, 낮은 분말 재사용 가능성도 높은 판매 가격에 영향을 미칩니다.

어떤 산업에서 티타늄 합금 분말을 사용하나요?

주요 응용 산업은 고강도, 경량, 내식성으로 인해 항공우주, 의료 및 치과, 자동차, 해양, 스포츠 장비, 화학 처리 분야입니다. 생체 적합성 덕분에 수술용 임플란트 및 교정용 와이어에도 사용할 수 있습니다.

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