Ti3Al 분말: 구성, 특성, 응용 분야 등

Ti3Al 분말의 주요 특성 및 특성은 다음과 같습니다:

• 최대 750°C의 고온에서도 높은 강도 유지
• 니켈 초합금 대비 약 절반의 밀도
• 뛰어난 내식성
• 다른 티타늄 합금에 비해 밀도가 낮습니다.
• 최대 약 700°C의 내산화성
• 내마모성
• 생체 적합성

그러나 Ti3Al은 상온 연성 저하, 낮은 파단 인성, 용접성 저하 등의 한계도 있습니다. 다양한 용도에 맞게 특성의 균형을 최적화하려면 적절한 가공과 합금 첨가가 필요합니다.

이 문서에서는 Ti3Al 분말의 구성, 특성, 응용 분야, 공급업체, 비용, 테스트 방법 및 기타 기술적 세부 사항에 대한 자세한 개요를 제공합니다.

Ti3Al 분말 구성

Ti3Al 분말의 공칭 조성은 중량 기준으로 75% 티타늄과 25% 알루미늄입니다. 티타늄 알루미나이드 금속 간 화합물은 50-75% 알루미늄 사이에서 형성되며, Ti3Al이 가장 일반적인 버전입니다.

정확한 구성은 생산 방법에 따라 달라질 수 있습니다. 특정 특성을 향상시키기 위해 Nb, Mo, Si, B, Ta, W, C, O와 같은 다른 원소가 소량 첨가되는 경우가 많습니다. 아래 표는 일반적인 구성 범위를 보여줍니다:

요소	무게 %
티타늄(Ti)	69 – 76%
알루미늄(Al)	24 – 31%
니오븀(Nb)	0 – 6%
몰리브덴(Mo)	0 – 4%
실리콘(Si)	0 – 2%
붕소(B)	0 – 0.5%
탄탈륨(Ta)	0 – 5%
텅스텐(W)	0 – 5%
탄소(C)	0 – 0.1%
산소(O)	0 – 0.2%

취성을 방지하고 연성을 유지하려면 산소와 탄소 함량을 조절하는 것이 중요합니다. 원재료와 공정에 따라 다른 미량 원소도 존재할 수 있습니다.

Ti3Al 분말 특성

Ti3Al 분말의 독특한 특성은 티타늄과 알루미늄 원자로 구성된 정렬된 금속 간 결정 구조에서 비롯됩니다. 몇 가지 주목할 만한 특성은 다음과 같습니다:

고온 강도

Ti3Al은 최대 750°C까지 비교적 높은 강도를 유지하며 티타늄이나 알루미늄만 사용하는 것보다 훨씬 우수합니다. 따라서 엔진, 터빈, 밸브 등의 고온 응용 분야에 적합합니다. 아래 표는 다양한 온도에서 Ti3Al의 강도를 다른 티타늄 합금과 비교한 것입니다:

합금	실온 강도(MPa)	500°C(MPa)에서의 강도	밀도(g/cm3)
Ti3Al	400	260	3.9
Ti6Al4V	900	500	4.5
Ti64	900	400	4.5

저밀도

밀도가 약 3.7 - 4.1g/cm3인 Ti3Al은 니켈 초합금 및 대부분의 다른 티타늄 합금보다 훨씬 가볍습니다. 따라서 항공우주 분야에서 중요한 부품 무게를 줄이는 데 도움이 됩니다.

산화 저항

Ti3Al은 비합금 티타늄보다 공기 중에서 최대 700°C까지 우수한 내산화성을 제공합니다. 따라서 과도한 재료 손실 없이 고온에서 작동할 수 있습니다.

내식성

티타늄 함량으로 인해 Ti3Al은 광범위한 산, 알칼리 및 식염수 환경에 대한 내식성이 뛰어납니다. 따라서 화학 처리 장비에 유용합니다.

내마모성

Ti3Al은 강철에 필적하는 우수한 내마모성과 내식성을 가지고 있어 밸브, 펌프 및 압출 금형과 같은 고마모 응용 분야에 적합합니다.

그러나 Ti3Al은 다음과 같은 단점도 있습니다:

• 상온 연성 및 파단 인성 저하
• 제작 및 기계 가공이 어려움
• 균열에 취약하여 용접성 저하

의도한 용도에 맞게 특성 균형을 최적화하려면 적절한 가공 및 합금 첨가가 필요합니다.

Ti3Al 분말 응용 분야

Ti3Al 분말의 고유한 특성으로 인해 다음과 같은 응용 분야에 적합합니다:

항공우주

항공우주 산업은 경량화, 고온 강도 및 내산화성이 필요하기 때문에 Ti3Al 제품의 가장 큰 소비처입니다. 일반적인 응용 분야는 다음과 같습니다:

• 터빈 블레이드, 베인, 디스크
• 연소실, 애프터버너
• 기체, 구조 부품
• 유압 튜브, 밸브

자동차

자동차 산업에서는 고온 강도와 경량화가 요구되는 터보차저 부품, 밸브, 스프링, 패스너, 배기 시스템 부품에 Ti3Al을 사용합니다.

화학 처리

Ti3Al은 고온 기계적 특성과 함께 내식성이 요구되는 밸브, 펌프, 파이프 피팅, 반응 용기와 같은 부품에 사용됩니다.

바이오메디컬

Ti3Al의 생체 적합성, 내식성 및 강도는 인공 고관절과 같은 정형외과용 임플란트에 적합합니다.

기타 응용 분야로는 고성능 밸브, 압출 금형, 발열체, 스포츠 용품 등이 있습니다. Ti3Al은 적층 제조 분말로도 사용됩니다.

Ti3Al 분말 사양

Ti3Al 분말은 생산 공정에 따라 다양한 크기 범위, 형태 및 순도 수준으로 제공됩니다. 주요 사양은 다음과 같습니다:

사양	세부 정보
입자 크기	15 - 150 미크론
형태학	구형, 각형, 혼합형
겉보기 밀도	2 - 3.5g/cm3
탭 밀도	3 - 4.5g/cm3
순도	≥991T3PT, ≥99.91T3PT
산소 함량	≤ 0.2 wt%
질소 함량	≤ 0.05 wt%
탄소 함량	≤ 0.08 wt%
철분 함량	≤ 0.30 wt%
니켈 함량	≤ 0.10 wt%
표준 팩	5kg, 10kg, 25kg

입자 크기가 미세할수록 일반적으로 유동성, 포장 밀도 및 반응성이 향상됩니다. 구형 형태는 또한 분말 흐름을 개선합니다. 순도가 높을수록 오염 물질이 감소하고 특성이 개선됩니다.

Ti3Al 분말 생산

Ti3Al 분말을 생산하는 데 사용되는 방법에는 다음과 같은 여러 가지가 있습니다:

• 가스 분무 - 용융된 Ti-Al 합금을 불활성 가스와 함께 미세한 방울로 분무하여 분말로 응고시킵니다. 이렇게 하면 유동성이 좋은 구형 입자가 생성됩니다.
• 기계적 합금 - 원소 Ti 및 Al 분말을 볼 밀링하여 금속 간 화합물을 기계적으로 합성합니다. 분말 입자는 불규칙한 모양을 가지고 있습니다.
• 혈장 스페로이드화 - 기계적 합금으로 만든 불규칙한 Ti3Al 분말을 플라즈마에서 재용융하여 구형 분말을 생성합니다.
• 전극 유도 용융 가스 분무(EIGA) - Ti3Al의 전극을 직접 녹이고 분무하여 분말을 생산합니다.

가스 분무 및 플라즈마 처리를 통해 입자 크기 분포, 형태, 산소 픽업 및 미세 구조를 더 잘 제어할 수 있습니다. 분말은 일반적으로 생산 후 응용 분야 요구 사항에 따라 특정 크기 분획으로 체질해야 합니다.

Ti3Al 파우더 비용

Ti3Al 분말은 티타늄이나 알루미늄 분말만 사용하는 것보다 훨씬 비쌉니다. 비용은 다양합니다:

• 99$ 순도 가스 분무 분말의 경우 kg당 $100 - $500
• $50 - $250 kg당 99% 기계 합금 분말용
• 플라즈마 구상화 분말 99.9%의 경우 kg당 $300 - $1000

가격은 입자 크기, 형태, 순도 수준, 주문 수량 및 제조업체에 따라 다릅니다. 특수한 조성을 가진 맞춤형 합금은 더 높은 비용이 들 수 있습니다. 생산량 증가와 공정 개선으로 인해 비용이 감소하고 있습니다.

Ti3Al 분말 공급업체

Ti3Al 분말의 주요 글로벌 공급업체는 다음과 같습니다:

회사	위치
AP&C	캐나다
TLS 테크닉 GmbH	독일
금속 기술	UK
ATI 파우더 메탈	미국
목수 첨가제	미국
Met3DP	중국
Tekna	캐나다

중국에도 몇몇 생산업체가 있습니다. 신뢰할 수 있는 품질과 특성을 보장하기 위해 검증된 생산 공정을 사용하는 기존 제조업체의 파우더를 공급받는 것이 좋습니다.

Ti3Al과 대체품 비교

Ti3Al은 고온 구조용 애플리케이션을 위한 여러 대안과 경쟁합니다:

표: Ti3Al과 다른 고온 합금 비교

합금	밀도	최대 온도	힘	연성	산화 저항	비용
Ti3Al	낮음	매우 높음	높음	낮음	양호	높음
인코넬 718	높음	높음	Medium	Medium	양호	Medium
헤인즈 230	높음	매우 높음	높음	낮음	우수	매우 높음
Ti6Al4V	Medium	Medium	Medium	Medium	우수	Medium
페라이트계 스테인리스강	Medium	Medium	낮음	높음	Poor	낮음

최대 사용 온도에서는 Ti3Al 및 Haynes 230과 같은 니켈 기반 초합금이 더 우수합니다. 그러나 항공우주와 같이 무게가 중요한 응용 분야에서는 Ti3Al의 밀도와 비용이 낮다는 점이 유리합니다.

Ti3Al의 낮은 상온 연성은 스틸 및 Ti6Al4V에 비해 여전히 주요 한계로 남아 있습니다. 합금 및 공정 개발은 기계 가공성과 제작성을 지속적으로 개선하고 있습니다.

Ti3Al 분말의 장점

Ti3Al 분말 사용의 주요 이점은 다음과 같습니다:

• 800°C까지 유지되는 높은 강도
• 니켈 초합금보다 낮은 밀도 40%
• 우수한 크리프 저항성
• 우수한 내산화성 및 내식성
• 전략적 물질 위험 없이 내화 금속 대체 가능
• 분말 야금을 이용한 그물망에 가까운 형상 제조
• 부품은 더 높은 온도에서 작동 가능
• 터빈 블레이드와 같은 회전 부품의 무게 절감
• 더 높은 작동 매개변수를 통한 효율성 향상

기계적 특성, 저밀도 및 열 안정성의 고유한 균형으로 인해 Ti3Al은 차세대 항공우주, 자동차 및 발전 시스템에 적합한 소재입니다.

Ti3Al 분말의 한계

이러한 장점에도 불구하고 Ti3Al에는 몇 가지 단점도 있습니다:

• 상온에서 부서지기 쉽고, 500°C 이상에서 연성이 향상됩니다.
• 제작 및 가공은 까다로운 작업입니다.
• 400°C 이하의 급격한 재산 손실
• 원자재 및 가공 비용이 매우 높습니다.
• 소수의 생산업체로 제한된 공급망
• 부품 설계에는 전문 엔지니어링 지식이 필요합니다.
• 기존 기술로는 쉽게 용접하거나 접합할 수 없음
• 재활용 및 재사용이 어려움

제조 및 비용 문제로 인해 현재까지 Ti3Al의 광범위한 상업적 채택이 늦어졌습니다. 그러나 합금 화학, 분말 품질 및 부품 설계 개선을 통해 이러한 한계를 극복하기 위한 개발 노력이 계속되고 있습니다.

Ti3Al 분말 전망

Ti3Al은 다음과 같은 이유로 항공우주, 자동차, 산업용 가스터빈 및 발전 부문에서 사용이 확대될 것으로 예상됩니다:

• 제트 엔진 연료 효율 및 배출량 감소에 대한 수요 증가
• 전기 터보차저에 필요한 고온 재료
• 성장하는 적층 제조 기술 시장
• 희토류 및 내화성 금속에 대한 전략적 소재 대체에 중점을 둡니다.
• 제조 생산성 향상을 통한 비용 절감

자동차 및 산업 시장은 가격에 더욱 민감하며 기존 합금에 비해 비용 대비 성능의 이점이 입증되어야 합니다. 항공우주 분야는 성능을 극대화하기 위해 프리미엄을 기꺼이 지불합니다.

미국, EU, 일본의 정부 이니셔티브는 Ti3Al 분말 생산, 부품 제조, 접합 방법 및 합금 개발에 대한 R&D를 가속화하고 있습니다. 이를 통해 적용 분야가 확대되고 채택률이 높아질 것입니다.

자주 묻는 질문

Q: Ti3Al 파우더의 용도는 무엇인가요?

A: Ti3Al 분말은 터빈 블레이드, 터보차저 휠, 열교환기 및 500-800°C에서 작동하는 기타 부품과 같은 고온 부품을 제조하는 데 사용됩니다. 고강도, 저밀도 및 우수한 산화 저항성의 탁월한 균형을 제공합니다.

Q: Ti3Al 분말은 어떻게 만들어지나요?

A: 일반적인 생산 방법에는 가스 분무, 플라즈마 분무, 전극 유도 용융 가스 분무(EIGA) 및 기계적 합금 등이 있습니다. 각 공정은 특정 용도에 적합한 다양한 분말 특성을 제공합니다.

Q: Ti3Al 파우더가 인코넬 718보다 더 나은가요?

A: Ti3Al은 밀도가 낮기 때문에 인코넬 718보다 무게를 줄일 수 있습니다. 700°C 이상의 온도에서 강도가 더 높습니다. 그러나 Ti3Al의 실온 연성은 매우 낮은 반면, 인코넬 718은 쉽게 제작 및 가공할 수 있습니다.

Q: Ti3Al 분말의 가격은 얼마인가요?

A: Ti3Al 분말의 가격은 kg당 약 $450-750으로 니켈 초합금보다 거의 5배, 티타늄 또는 알루미늄 분말보다 10배 더 비쌉니다. 비용이 높은 이유는 복잡한 공정과 제한된 시장 수요 때문입니다.

Q: Ti3Al 분말은 어떻게 취급하고 보관하나요?

A: 다른 반응성 합금 분말과 마찬가지로 Ti3Al은 불활성 가스로 덮고 습기가 없는 곳에 보관해야 합니다. 세라믹, 유리 또는 스테인리스 용기만 사용해야 합니다. 안전 예방 조치에는 접지, 환기 및 호흡용 PPE가 포함됩니다.

Q: Ti3Al 분말을 사용할 때 어떤 어려움이 있나요?

A: 상온 연성 저하, 높은 재료 비용, 제한된 공급업체 수, 가공/제작의 어려움, 접합 기술 부족이 주요 한계입니다. 상업적 사용을 확대하기 위해서는 합금 개선, 공정 개발 및 부품 설계 최적화가 필요합니다.

Q: Ti3Al 분말의 향후 전망은 어떻게 되나요?

A: 항공우주 엔진, 자동차 터보차저, 고온 산업용 애플리케이션에서 Ti3Al 분말 사용량이 크게 증가할 것으로 예상됩니다. 비용 절감, 특성 개선, 제조 성숙을 위한 이니셔티브는 더 광범위한 채택을 가능하게 할 것입니다.