Ti3Al 파우더: 성분, 특성, 용도 등

Ti3Al 파우더의 주요 특성과 성질은 다음과 같습니다.

• 최대 750°C의 고온에서도 고강도
• 니켈 내열 합금의 약 절반 정도의 밀도
• 탁월한 내식성
• 다른 티타늄 합금에 비해 낮은 밀도
• 약 700℃까지 산화 저항력 발생
• 내마모성
• 생체적합성

그러나, Ti3Al도 상온연성도와 파괴인성이 낮고 용접성이 좋지 않은 등의 제한점이 있습니다. 다양한 응용 분야에서 특성의 균형을 최적화하려면 적절한 가공 및 합금 첨가가 필요합니다.

이 문서에서는 Ti3Al 파우더의 조성, 특성, 응용 분야, 공급업체, 비용, 시험 방법, 기타 기술적 세부 사항에 대해 자세히 살펴봅니다.

Ti3Al 분말 조성

Ti3Al 가루는 무게에서 75% 티타늄과 25% 알루미늄의 명목상 조성을 갖습니다. 티타늄 알루미늄간 화합물은 50~75% 알루미늄에서 형성되며, Ti3Al이 가장 일반적인 버전입니다.

정확한 구성은 생산 방법에 따라 달라질 수 있습니다. 니오븜(Nb), 몰리브덴(Mo), 실리콘(Si), 붕소(B), 탄탈럼(Ta), 텅스텐(W), 탄소(C), 산소(O)와 같이 다른 원소를 소량 첨가하여 특정 특성을 강화하는 경우가 많습니다. 아래 표는 일반적인 구성 범위를 보여줍니다.

요소	중량 %
타이타늄 (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%

연성 유지와 취성 방지를 위해서는 산소와 탄소 함량을 제어하는 것이 매우 중요합니다. 기타 미량 원소도 원자재와 공정에 따라 포함될 수 있습니다.

Ti3Al 분말의 특성

Ti3Al 가루의 독특한 특성은 티타늄과 알루미늄 원자 모두로 구성된 정렬된 금속 간 결정 구조에서 비롯됩니다. 주목할 만한 특성은 다음과 같습니다.

고온 강도

Ti3Al은 티타늄이나 알루미늄만으로는 상당히 향상된 750¡«C까지 비교적 높은 강도를 유지합니다. 이로 인해 엔진, 터빈, 밸브 등의 고온 응용 분야에 적합합니다. 다음 표는 서로 다른 온도에서 Ti3Al의 강도를 다른 티타늄 합금과 비교합니다.

합금	실온 내구도(MPa)	500°C에서의 강도(MPa)	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 초합금과 대부분의 다른 티타늄 합금보다 훨씬 가볍습니다. 이를 통해 항공 우주 분야에서 중요한 구성 요소 중량을 줄이는 데 도움이 됩니다.

산화 저항

Ti3Al는 공기 중에서 최대 700°C까지 우수한 산화 저항성을 제공하며 합금이 아닌 티타늄보다 뛰어납니다. 이를 통해 과도한 소재 손실 없이 고온에서 작동할 수 있습니다.

내식성

티탄 함량은 Ti3Al에 광범위한 산, 알칼리, 염분 환경에 대한 뛰어난 내식성을 제공합니다. 이는 화학 처리 장비에 유용합니다.

내마모성

Ti3Al은 강철과 비슷한 마모와 부식 저항성이 좋아 밸브, 펌프, 압출 다이와 같은 고마모 응용 분야에 적합합니다.

그러나 Ti3Al도 다음과 같은 단점이 있습니다.

• 실온에서 연성과 파괴인성이 부족함
• 제작 및 가공이 어려움
• 균열 발생 가능성으로 인한 용접성 불량

적합한 처리 및 합금 첨가를 통해 목적하는 애플리케이션에 대한 특성 균형을 최적화해야 합니다.

Ti3Al 파우더 응용 분야

Ti3Al 가루의 고유한 성질로 인해 다음과 같은 용도에 적합합니다.

항공 우주

우주 항공 산업은 무게 절감, 고온 강도, 내산화성에 대한 수요로 인해 Ti3Al 제품의 가장 큰 소비자입니다. 일반적인 응용 분야는 다음과 같습니다.

• 터빈 블레이드, 베인, 디스크
• 연소기, 애프터버너
• 기체, 구조적 구성 요소
• 유압 튜빙, 밸브

자동차

자동차 산업은 터보차저 구성품, 밸브, 스프링, 패스너, 배기 시스템 부품에 고온 강도와 가벼운 무게가 요구되는 티타늄-알루미늄을 사용합니다.

화학 가공

Ti3Al은 부식 저항과 고온에서의 기계적 성질이라는 두 가지 특성이 요구되는 밸브, 펌프, 배관 피팅, 반응 용기와 같은 구성 요소에 사용됩니다.

바이오의학

Ti3Al의 생체적합성, 내식성, 강도는 인공 고관절과 같은 정형외과 임플란트에 적합합니다.

다른 응용 분야로는 고성능 밸브, 압출 다이, 발열체 및 스포츠 용품이 있습니다. Ti3Al은 또한 적층 조형 가루로 사용됩니다.

Ti3Al 파우더 사양

Ti3Al 파우더는 생산 공정에 따라 크기 범위, 형태 및 순도 수준이 다릅니다. 주요 명세는 다음과 같습니다.

사양	상세 정보
입자 크기	15~150마이크론
형태학	원형, 각진, 혼합
겉보기 밀도	2~3.5 g/cm3
탭 밀도	3~4.5 g/cm3
순결	0.99%, 0.999%
산소 함유량	¨P 0.2 무게%
질소 함량	¨P 0.05 wt%
탄소 함량	¨P 0.08 중량%
철 성분	¨P 0.30 wt%
니켈 함량	¨P 0.10 wt%
표준 팩	5kg, 10kg, 25kg을 한국어로 번역하면 "5킬로그램, 10킬로그램, 25킬로그램"입니다.

일반적으로 미세한 입자는 유동성, 충전 밀도, 반응성이 더 뛰어납니다. 구 모양은 분말 유동성도 개선합니다. 순도가 높을수록 오염 물질이 줄어들고 특성이 향상됩니다.

Ti3Al 분말 생산

Ti3Al 파우더를 생산하기 위해 사용되는 방법으로는 다음이 있습니다.

• 가스 분무법?- 용융 Ti-Al 합금은 불활성 가스와 함께 분무되어 가루로 응고되는 미세한 물방울로 분무됩니다. 이러한 것은 유동성이 좋은 구형 입자를 만듭니다.
• 기계적 합금?- 원소 Ti와 Al 파우더는 금속 간 화합물을 기계적으로 합성하기 위해 볼 밀링을 했습니다. 파우더 입자는 불규칙한 모양입니다.
• 플라즈마 구형화?- 기계적 합금화에서 나온 불규칙한 Ti3Al 분말을 플라즈마에서 재용용하여 구형 분말을 생성한다.
• 전극 유도 용융 가스 분무(EIGA)?- Ti3Al 전극을 직접 용융 및 분무하여 분말 생성

가스 원자화와 플라스마 처리를 통해 입자 크기 분포, 형태, 산소 흡수, 미세 구조를 더욱 정밀하게 제어할 수 있습니다. 애플리케이션 요구 사항에 따라 생산 후에 가루를 특정 크기로 가려내는 경우가 많습니다.

Ti3Al 파우더 비용

Ti3Al 분말은 티타늄 또는 알루미늄 분말 단독 처리에 비해 훨씬 더 비쌉니다. 비용은 다음과 같이 다양합니다.

• 99% 순도 가스 원자화 파우더 kg당 $100 ~ $500
• 99% 기계 합금 가루의 경우 kg당 $50 ~ $250
• 99.9% 플라즈마 구면화 분말의 경우 1kg당 $300~1000

가격은 입자 크기, 형태, 순도 수준, 주문 수량 및 제조업체에 따라 달라집니다. 특수한 성분이 포함된 맞춤형 합금은 더 비쌀 수 있습니다. 생산량 증가와 공정 개선으로 인해 비용이 낮아졌습니다.

Ti3Al 분말 공급업체

Ti3Al 파우더의 주요 세계 공급업체는 다음과 같습니다.

회사 (Hoesa)	위치
AP&C	캐나다
TLS Technik GmbH	독일
금속 기술	영국
ATI Powder Metals	미국
카펜터 어디티브	미국
Met3DP	중국
테크나	캐나다

중국에도 몇몇 제조업체가 있습니다. 신뢰할 수 있는 품질과 특성을 보장하기 위해 자격을 갖춘 생산 공정을 사용하는 기존 제조업체에서 파우더를 공급하는 것이 좋습니다.

Ti3Al 대비 대안

Ti3Al 경쟁자는 고온 구조적 응용 분야에서 여러 가지 대안 경쟁합니다.

표: Ti3Al과 다른 내열 합금의 비교

합금	밀도	최고 기온	힘	연성	산화 저항	비용
Ti3Al	낮음	매우 높음	높은	낮음	좋은	높은
인코넬 718	높은	높은	중간	중간	좋은	중간
헤이즈 230	높은	매우 높음	높은	낮음	훌륭함	매우 높음
Ti6Al4V	중간	중간	중간	중간	훌륭함	중간
페라이트 스테인리스 강	중간	중간	낮음	높은	가난	낮음

최대 서비스 온도의 경우 Ti3Al와 Haynes 230과 같은 니켈 기반 초합금이 우수합니다. 그러나 Ti3Al의 낮은 밀도와 비용은 우주 항공과 같이 무게가 중요한 응용 분야에 유리합니다.

Ti3Al 합금의 열악한 상온 연성은 Ti6Al4V 및 강철과 비교했을 때 핵심적인 한계로 남아 있습니다. 합금 및 공정 개발은 계속해서 가공성 및 제작성을 개선하고 있습니다.

Ti3Al가루의 이점

Ti3Al 파우더를 사용하는 주요 이점은 다음과 같습니다.

• 강도는 800¡«C까지 유지
• 니켈 최강합금보다 40% 낮은 밀도
• 뛰어난 크리프 저항성
• 뛰어난 산화, 내식성
• 전략적 재료 위험 없는 내화성 금속 대체
• 분말야금학을 사용한 준근형성 제조
• 컴포넌트는 더 높은 온도에서 작동할 수 있습니다
• 터빈 날개와 같은 회전 부품에서의 중량 절감
• 작동 매개변수를 상향 조정하여 효율성을 향상시킴

Ti3Al은 독특한 기계적 특성 균형, 낮은 밀도, 열 안정성으로 인해 차세대 항공우주, 자동차, 발전 시스템에 필수적인 소재가 되었습니다.

Ti3Al 분말 제한

장점에도 불구하고 Ti3Al에는 몇 가지 단점도 있습니다.

• 실온에서는 취성이 있고, 이성성은 500°C 이상에서 개선됩니다.
• 제작과 가공은 어려운 일입니다
• 400¡«C 이하에서의 급속한 재산 손실
• 원자재와 공정비용이 매우 많이 든다
• 공급망이 제조업체가 적기 때문에 한계가 있음
• 컴포넌트 디자인은 특화된 엔지니어링 전문성이 필요합니다
• 기존 기법으로 용접이나 결합하기 어렵다
• 재활용 및 재사용하기 어려움

현재까지는 제조 및 비용 장벽이 Ti3Al의 일반적인 상용화를 저해했습니다. 그러나 이러한 제한을 개선된 합금 화학적 조성, 파우더 품질 및 구성 요소 설계를 통해 극복하기 위한 개발이 이어지고 있습니다.

Ti3Al 분말의 전망

Ti3Al의 확장된 사용은 다음 사항으로 인해 항공우주, 자동차, 산업용 가스 터빈 및 발전 분야에서 예상됩니다.

• 제트엔진의 연료 효율성 및 저공해화에 대한 수요 증가
• 전기 터보차저에 필요한 고온재료
• 적층 제조 기술 시장 점차 성장
• 희토류 및 내화금속의 전략적 소재 대체에 주목
• 향상된 생산성을 통한 비용 절감

자동차 및 공업용 시장은 가격에 더욱 민감해서 기존 합금 대비 입증된 비용 대 성능 이점을 요구합니다. 항공 우주 부문은 뛰어난 성능을 위해 프리미엄을 기꺼이 지불합니다.

미국, EU 및 일본의 정부 이니셔티브는 Ti3Al 파우더 생산, 구성 요소 제작, 접합 방법 및 합금 개발에 대한 R&D를 가속하고 있습니다. 이것으로 인해 애플리케이션 공간이 확장되고 더 높은 보급률이 이끌어집니다.

자주 묻는 질문

Q: Ti3Al 파우더는 어디에 사용합니까?

A: Ti3Al 파우더는 500~800¡«C에서 작동하는 터빈 블레이드, 터보차저 휠, 열교환기 등의 고온 구성품 제조에 사용됩니다. 이는 높은 강도, 저밀도 및 우수한 내산화 특성의 균형을 제공합니다.

Q: Ti3Al가루는 어떻게 만드나요?

A: 공통적인 생산 방법으로는 가스 분무, 플라즈마 분무, 전극 유도 용해 가스 분무(EIGA) 및 기계적 합금 제조가 있습니다. 각 공정마다 성격이 다른 분말을 만들어 내며 각기 다른 용도에 맞습니다.

Q: Ti3Al 파우더는 Inconel 718보다 우수한가?

A: Ti3AI의 밀도가 낮아 Inconel 718에 비해 중량을 줄여줍니다. 700°C 이상의 고온에서는 더 나은 강도를 발휘합니다. 그러나 실온에서 Ti3AI의 연성은 매우 낮은 반면, Inconel 718은 쉽게 제작되고 가공될 수 있습니다.

Q: Ti3Al 가루 가격은 얼마입니까?

A: Ti3Al 파우더는 kg 당 약 $450-$750로, 이는 니켈 수퍼 합금보다 약 5배, 티타늄 또는 알루미늄 파우더보다 약 10배나 비쌉니다. 이러한 비용은 복잡한 처리와 한정된 시장 수요로 인한 것입니다.

Q: Ti3Al 가루는 어떻게 다루고 보관해야 합니까?

A: 다른 반응성 합금 파우더와 마찬가지로, Ti3Al에는 불활성 가스 블랭킷과 무습한 보관이 필요합니다. 세라믹, 유리 또는 스테인레스 용기만 사용해야 합니다. 안전 예방 조치로는 접지, 환기 및 호흡기 개인 보호 장비 등이 있습니다.

Q: Ti3Al 가루 사용 시 어떤 문제가 있습니까?

A: 주요 한계로는 실온에서 연성이 떨어지는 점, 소재 비용이 높은 점, 공급업체 수가 제한적인 점, 가공/제조에 어려움이 많은 점, 접합 기술이 부족하다는 점 등이 있습니다. 상업적 이용을 확대하려면 합금 개선, 공정 개발, 부품 설계 최적화가 필요합니다.

Q: Ti3Al 파우더의 향후 전망은 어떠한가?

A: Ti3Al 파우더 사용량은 항공 엔진, 자동차 터보차저, 고온 산업용 애플리케이션에서 크게 늘어날 것으로 예상됩니다. 비용 낮추기, 속성 개선, 성숙한 제조 활동에 대한 이니셔티브를 통해 보다 확장적으로 채택될 수 있습니다.