정밀 주조용 티타늄 합금: 유형, 이점, 적용 분야

티타늄은 가볍고 강하지만 가공, 용접, 성형이 어렵습니다. 따라서 정밀 주조(인베스트먼트 캐스팅)가 이 금속 부품 생산에 최적의 방법입니다.

본 글에서는 다음을 설명합니다.

18세기에 발견되었으나 높은 융점(3,020°F / 1,660°C)과 산소와의 반응성으로 가공이 어려웠습니다. 1960년대 들어 가장 까다로운 항공우주 분야에 본격 적용되기 시작했습니다.

항공우주 산업은 티타늄을 선호합니다. 알루미늄보다 약간 무겁지만 강도는 2배 이상입니다. 크랙과 피로에 강하고 크리프(creep)가 거의 없어 기체 구조물에 이상적입니다.

또 다른 주요 특성은 내식성과 생체적합성입니다. 알루미늄처럼 자가 치유되는 표면 산화막이 염수와 대부분 화학물질(강산 제외)의 공격을 막아줍니다. 이로 인해 해수 담수화 플랜트, 특히 담수화 열교환기에 최적의 금속입니다.

생체적합성은 인체 이식 시 부작용이 없음을 의미합니다.

높은 융점 외에도 산소와 쉽게 반응하고 가공이 어렵습니다.

반응성은 진공 용해 및 주조로 해결합니다. 그러나 용접은 공기 완전 차단이 매우 어려워 큰 과제입니다.

가공 난제는 '끈적한' 금속 특성에서 옵니다. 절삭 공구를 미끄러지듯 지나가는 대신 달라붙어 갈링(galling)을 일으키고 공구 수명을 크게 단축시킵니다.

정밀 주조는 진공 하에서 수행 가능한 니어넷셰이프(Near-net-shape) 공정입니다. 산소 반응을 차단하고, 용접을 불필요하게 하며, 가공을 최소화합니다.

공정은 주조할 부품의 왁스 레플리카 제작으로 시작합니다. 왁스를 세라믹 슬러리로 코팅해 경화된 셸을 만듭니다. 왁스를 녹여 제거하면 공동이 생기고, 진공 상태에서 용융 티타늄을 주입합니다. 응고 후 셸을 깨서 주조품을 꺼냅니다.

정밀 주조는 높은 기하학적 정밀도와 미세 표면 디테일 재현이 가능합니다. 언더컷, 얇은 벽, 리세스 형상 구현이 가능하고 가공 여유를 최소화할 수 있습니다. 복잡한 형상 제작이 용이해 작은 조각을 용접해 조립할 필요가 없습니다.

티타늄은 여러 상용 순도 등급과 4가지 주요 합금 유형으로 제공됩니다. 알루미늄, 몰리브덴, 바나듐, 니오븀 등을 합금해 내식성, 크리프 저항성, 용접성을 개선합니다.

4대 합금은 다음과 같습니다.

이 중 6AL-4V가 가장 널리 주조됩니다. 항공우주 분야 외에도 염수 내식성 덕분에 해양 프로펠러 샤프트와 담수화 열교환기에 즐겨 쓰입니다.

6AL-4V ELI는 우수한 생체적합성과 피로 저항성으로 '수술용 등급' 티타늄 합금으로 불립니다.

3AL-2.5는 가장 용접성이 좋은 티타늄 등급입니다. 내식성도 뛰어나 고온 화학 공정용 열교환기 부품에 자주 쓰입니다.

기체 구조물에는 매우 높은 크리프 저항성이 요구되는데, 5AL-2.5Sn이 이에 탁월합니다. 높은 강도-중량비도 티타늄 채택 이유입니다.

티타늄은 타 금속 대비 많은 장점이 있으나 가공, 용접, 성형이 어렵습니다. 정밀 주조는 얇은 벽과 미세 디테일을 가진 정밀한 니어넷셰이프 형상을 구현하는 최적의 티타늄 부품 생산 방식입니다.

일부 용도에는 상용 순도 등급이 쓰이나, 알루미늄 등 타 원소와 합금한 티타늄이 더 일반적입니다. 정확한 조성에 따라 주조 거동, 크리프 및 내식성이 개선됩니다.

대부분 티타늄 부품은 6AL-4V 합금으로 주조되나, 용도에 따라 다른 합금이 더 적합할 수 있습니다. 세계적 정밀 주조 기업인 Impro는 고객 제품에 최적의 합금을 제안해 드립니다. 자세한 내용은 문의해 주십시오.

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