[헬로티]

마사하시 나오야 (正橋 直哉)   東北대학

티탄(Ti)은 지구상에서 10번째로 존재량이 많은 원소이다. 경량성(비중은 4.51g/cm2이고 철의 60%, 동의 50%), 고강도(철의 약 2배의 비강도), 내식성(산, 알칼리 중에서 잘 부식되지 않는다)이 우수하고, 항공기의 구조구체나 건조물의 지붕재를 비롯해 시계의 밴드나 휴대전화, 안경 등의 민생품에 이르기까지 널리 사용되고 있다. 

그 특징의 첫 번째는 고활성으로 산소와의 친화력이 강하고, 산소가 고용함으로써 가공성의 열화나 용접성의 저하를 일으키는 것이다. 두 번째는 결정 구조이므로 가공이 어렵기 때문에 상제어를 이용한 가공이 필요한 것이다. 

그리고 세 번째는 표면을 피복하는 산화물에 의해 높은 내식성을 나타내는 것으로, 해수 중에서 티탄의 부식 전위는 백금(Pt)에 가깝다.

표에 티탄과 주요 금속 재료의 물성값을 나타냈다. 티탄은 885℃에서 상변태를 일으키고, 기계적 성질에 영향을 미친다. 밀도와 영률이 강과 비교해 낮기 때문에 동일한 강성이라도 경량의 제품을 설계하기 쉽지만, 도전율․열전도도․열팽창계수가 낮다.

이 글에서는 티탄합금의 개념, 소성가공의 기초와 유의점, 그리고 티탄합금의 대형재 성형가공에 이용되는 초소성변형과 확산접합의 예를 소개한다.

티탄합금이란

1. 특성

순티탄은 저온에서는 hcp 구조(α상)이지만, 885℃ 이상에서 bcc 구조(β상)으로 상변태한다. β상은 가공성이 우수하기 때문에 여러 가지 형태로 가공하는 것이 가능하지만 강도가 떨어진다. 한편 α상은 강도는 높지만 가공성이 떨어진다. 그래서 용도에 따라 α상과 β상의 양비와 α상과 β상의 조직 변태를 제어해 사용한다.

α상의 강도가 높은 것은 원자가 이동하는 방법의 수(슬립계)가 적고, 전위의 이동도가 작기 때문이다. 가공성은 소성변형을 일으키는 슬립계가 많은 β상이 우수하다. 

즉, 강도를 우선하는가, 가공성을 우선하는가에 따라 α상과 β상의 양비와 조직 형태가 변한다. 대략적으로 분류하면, 고강도에서 고가공성을 향해 ‘α합금→Near α합금→α＋β합금→Near β합금→β합금’이 된다. 원하는 상구조를 얻기 위해 합금 원소의 조정과 가공 열처리가 채용된다.

합금 원소의 선택은 그림 1과 같이 상태도로부터 4종류로 크게 나눌 수 있다. 첫 번째는 X의 양을 늘릴 때, α상과 β상의 안정 영역에 영향이 미치지 않는 합금계로서 ‘전율 고용형’〔그림 1 (a)〕이 있으며, 하프늄(Hf)이나 지르코늄(Zr)이 해당된다. 

두 번째는 X를 증가시키면 변태 온도가 상승하고, α상의 영역이 확대되는 원소로 ‘α상 안정형’〔동 그림 (b)〕이라고 부르며, 알루미늄(Al), 주석(Sn), 산소(O) 등이 해당된다. 

세 번째는 X를 증가시키면 변태 온도가 저하하고, β상의 영역이 확대되는 원소로 ‘β상 안정형’〔동 그림 (c)〕이라고 부르며, 몰리브덴(Mo), 니오브(Nb), 탄탈(Ta), 바나듐(V)이 해당된다. 네 번째가 β상 안정형과 비슷한데, X의 증가와 함께 공석 반응을 일으키는 ‘β상 공석형’〔동 그림 (d)〕으로, 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 니켈(Ni) 등이 해당된다.

β상 안정화 원소 X의 양은 공석형 쪽이 안정형보다 소량인데, 공석 변태에 의한 분해 반응과 ω상 석출에 의한 취화가 일어나기 때문에 실용적으로는 β상 안정형 원소가 많이 이용된다. 

고온에서 안정적인 β상을 실온에서 잔류시키는 과정에서 석출하는 것이 ω상(미세상)으로, 가공성을 열화시킨다. ω상은 고온 β상을 실온에서 잔류시키는 과정뿐만 아니라, 준안정 β상을 400℃ 이하에서 유지하는 것으로도 석출, 전자를 ‘athermal ω’, 후자를 ‘ithothermal ω’이라고 부른다.

2. 티탄합금의 열처리

다음으로 열처리에 대해 설명한다. 상태도는 금속의 평형 상태를 나타내는데, 평형까지의 시간은 확산에 의존하고 조합에 따라서는 장시간을 필요로 하기 때문에 실용에서는 비평형 상태의 가공 열처리가 많이 이용된다. 

고온에서 고용된 합금 원소는 급랭하면 가령 고용한계 이상에서도 평형 농도 이상의 양을 고용한다. 그러나 그 온도에서 열처리(시효처리)를 실시하면, 고용한계 이상의 첨가 원소는 석출물로서 모상으로 쓸려진다. 

β합금의 경우, β상을 실온에서 잔류시키기(준안정 β상) 위해 첨가량을 실온의 마르텐사이트 변태 개시점(Ms) 조성 이상으로 할 필요가 있다. 그 이유는 이 조성 이하에서는 마르텐사이트 변태가 일어나, β상을 잔류시킬 수 없기 때문이다. 

이와 같은 합금을 α＋β/β 온도 이상으로 유지 후에 급랭하고, 시효처리를 실시해 α상을 석출시킨다. 그림 2는 β상 공석형 원소와의 이원 합금의 상태도인데, 실온 부근의 첨가량 근방에서 준안정 β상을 얻을 수 있다. 단, 마르텐사이트와 ω상은 경합하기 때문에 조성과 가공 열처리 조건에는 주의해야 한다.

티탄의 가공성

슬립계가 적은 α상 티탄의 소성변형은 슬립계가 많은 β상보다 떨어지기에 α상을 함유하는 합금의 성형가공에는 열간가공이 많이 이용된다. 

그림 3은 연강 SS41과 이종 티탄의 고온에서의 변형저항 온도의존성인데, 변태점(1,158K)에 근접함에 따라 티탄의 변형저항이 뚜렷하게 저하하고 있다. 고온 가공 시의 문제는 티탄의 산화이다. 

티탄은 산소와의 친화력이 높기 때문에 고온에서는 산소를 고용하는 동시에, 산화막이 표면을 피복하기 때문에 가공성 열화를 일으키고 쓸데없이 온도를 높일 수 없다. 

또한 중간 온도로 소성가공을 실시하는 경우도 윤활유가 활성의 티탄과 반응해 불순물로서 혼입될 우려가 있다. 산화를 억제하기 위해서는 가급적 저온의 가공이 바람직한데, β합금은 β 안정화 원소를 다량으로 포함하기 때문에 변형저항이 높고 변태점보다 높은 온도 영역에서 가공하는 경우가 많다.

한편 냉간가공의 경우, 가공을 실시할수록 α상의 0001면으로 배향이 진행해 집합 조직 강화를 일으킨다. 그 결과로 변형의 이방성이 커지고, 랭크포드 값이 커지기 때문에 디프 드로잉 가공에는 유리해진다. 

한편, 티탄의 가공 경화계수는 비교적 작기 때문에 국부 변형이 일어나기 쉬운 점에는 주의가 필요하다. 그림 4는 이종 티탄과 강판의 단축 변형저항(σ 0.2)과 구속 변형저항(Km)에 대한 변형의존성인데, 티탄의 Km은 강판의 Km보다 높다. 

그렇기 때문에 순티탄을 제외한 α합금과 α＋β 합금의 냉간가공을 공업적으로 실시하는 것은 어렵다. 냉간압연에서는 티탄의 마찰계수가 압하율의 증가와 함께, 급격하게 증가하기 때문에 압연하중이 증가하고 윤활의 역할이 커진다. 

초소성변형과 확산접합

티탄합금제 비행기의 기체 재료 제조에는 초소성가공과 확산접합이 이용된다. 이하에서는 경량 내열 재료로서 비행체에 대한 응용이 기대되는 티탄-알루미늄(TiAl) 금속간화합물(ｒ상)을 예로 소개한다. 

티탄-알루미늄합금은 알루미늄을 50at% 함유하기 때문에 밀도가 3.8g/cm3로 낮고, α상 안정화 원소의 알루미늄과의 합금화와 규칙 구조화에 의해 고강도를 나타낸다. 

그러나 ｒ상의 결정 구조는 c축 방향으로 2% 늘어난 정방정이기 때문에 슬립계에 제한이 있고 소성가공이 곤란하다. 그래서 성분 설계와 가공 열처리에 의해 소성변형능이 우수한 β상을 입계로 석출시킨 micro-duplex 조직으로 함으로써 초소성변형과 확산접합성을 부여한다. 

입계 β상이 ｒ상의 입계 슬립을 야기하는 동시에, 10μm 정도의 ｒ입자의 회전에 의해 470% 이상의 인장신연과 초소성변형능이 발현된다(그림 5).

입계 β상은 준안정상이기 때문에 열처리로 α상으로 변태해 강화할 수 있으므로 소성가공으로 원하는 형상으로 다듬질한 후, 열처리를 실시함으로써 Ti3Al(α2상)과 ｒ상으로 해 고강도를 얻는다. 

그 조직 형태는 열처리 조건에 의해 제어할 수 있고, 어떤 기능을 중시하는지에 따라 조직을 선택할 수 있다(그림 6). 상변태에서는 β상 중에 고용하는 β상 안정화 원소가 α2상과 ｒ상으로 분배되고, 그 과정에서 확산이 촉진되어 확산접합성을 부여할 수 있다.

확산접합 후의 접합 계면 조직은 동 그림의 TTT선도의 라멜라 노즈를 교차하는 조건(d)에서는 계면을 넘어 α2＋ｒ 조직을 나타낸다. 이와 같은 확산접합재의 접합강도 평가를 하면, 조직 제어를 실시하고 있지 않은 티탄-알루미늄 접합재에 비해 접합강도는 2배 이상인 400MPa 이상을 나타낸다.

자원이 풍부하고 매력적인 기능을 가진 티탄에 대한 기대는 높지만, 활성 금속이기 때문에 정련이나 가공이 어렵고 코스트면에서 떨어지는 것은 부정할 수 없다. 

최근 주목받고 있는 의료용 티탄합금은 강도와 내식성과 함께, 생체안전성이 활용되어 인공뼈, 치열 교정 와이어, 스텐트(금속제 튜브의 의용기구) 등에 대한 이용이 증가해 새로운 시장을 형성한다.

철강 재료와 같은 범용성을 얻는 것은 어렵지만, 다른 금속에서는 볼 수 없는 특징을 활용한 용도 개발, 특히 항공․우주 분야와 함께 환경․에너지 분야나 생체․복지 분야의 응용을 기대할 수 있다. 

그러기 위해서는 조성 조정과 조직 제어뿐만 아니라 성형가공에 의한 형상 부여 기술에 의존하는 바가 커서, 티탄은 재료 설계와 가공 기술의 긴밀한 연계가 반드시 필요한 재료라고 할 수 있을 것이다.