[헬로티]

테츠이 토시미츠 (鐵井 利光) (국립연구개발법인)물질․재료연구기구

에너지 자원의 절약, CO2 배출량 절감에 의한 지구온난화 방지 등의 관점에서 최근 각종 운송기기, 발전설비 등에서 경량이며 사용 가능 온도가 높은 내열 재료의 요구가 점점 더 높아지고 있다. 

티탄-알루미늄(TiAl)합금이란 앞에서 말한 요구에 대응할 수 있게 개발된 금속계 신소재의 하나로, 최대의 특징은 티탄합금 등 기존의 경량 금속 재료보다 내용 온도가 대폭으로 높다는 것이다. 최근 이 특징을 활용해 티탄-알루미늄합금은 기존에는 니켈(Ni)기 초합금이 사용되고 있던 고온 부품에 대한 적용이 시작되고 있다.

이 글에서는 우선 티탄-알루미늄합금의 일반적인 특징과 실용화 상황을 소개하고, 그 파생으로서 열간단조형 티탄-알루미늄합금의 경위 등을 서술한다. 

다음으로 이 열간단조형 티탄-알루미늄합금을 기초로 물질․재료연구기구(NIMS)에서 개발한 대형화에 대응한 고강도의 새로운 티탄-알루미늄합금의 개요과 실제로 대형 부재를 제조한 사례를 소개한다.

티탄-알루미늄합금의 특징

티탄-알루미늄합금이란 티탄-알루미늄 이원계에 존재하는 복수의 금속간화합물상이 복합화된 합금이며, 주상은 ｒ상(TiAl상), 제2상은 α상(Ti3Al상)이다. 주요 구성 원소가 티탄과 알루미늄이기 때문에 자체가 경량이고, 비중은 니켈기 초합금의 약 1/2의 약 4이다. 

또한 티탄-니켈합금을 구성하는 상은 모두 금속간화합물상이기 때문에 원자간의 결합성에 기인해 변형하기 어렵고 고온 강도가 높다는 특징이 있다. 

이상의 특징에 의해 비강도(강도/비중)이 요구되는 고온의 회전 부품이나 항공우주용 구조 재료에 적합하다. 그 반면 기존의 금속 재료에 비하면 무르다는 문제도 있다.

티탄-알루미늄합금의 기본은 원자비가 50:50인 티탄-알루미늄 이원계 성분인데, 실용적인 티탄-알루미늄합금은 알루미늄 농도를 42～48원자(at)% 정도로 약간 감소시킨 위에 많은 다른 원소가 첨가되어 있으며, 이들은 개발자에 따라 크게 다르다. 즉, 현재는 알루미늄 농도나 첨가 원소의 종류와 양이 다른 다수의 티탄-알루미늄합금이 존재한다.

티탄-알루미늄합금의 상 구성이나 조직 형태는 성분과 제조 방법, 프로세스 온도의 차이 등에 따라 현저하게 변화한다. 그림 1에 티탄-알루미늄합금의 대표적인 미세 조직의 예를 나타냈다. 

이것은 주사형 전자현미경의 반사 전자상이며, 어두운 상이 ｒ상, 중간의 회색 상이 α2상, 밝은 상이 β상이다. 티탄-알루미늄합금에서 가장 특징적인 조직은 ｒ상과 α2상이 층 모양으로 적층된 라멜라 조직이라는 불리는 조직이다. 

β상은 티탄-알루미늄 이원계 합금에서는 존재하지 않지만, 망간(Mn), 크롬(Cr), 바나듐(V) 등의 원소를 첨가함으로써 생성하는 제3상이다.

티탄-알루미늄합금의 실용화 상황

처음에 티탄-알루미늄합금이 실용화된 제품은 승용차의 가솔린 엔진용 터보차저이다. 이것은 터빈휠이 로스트왁스 정밀 주조법에 의해 제조된 티탄-알루미늄합금의 주조품으로, 저합금강제 샤프트와 접합해 터빈 로터로 하고 있다. 

기존의 제품에서는 니켈기 초합금의 인코넬 713C가 사용되어 왔다. 티탄-알루미늄합금제 터빈휠의 효과는 경량화에 의한 관성 모멘트의 저감으로, 터보차저의 과도 응답특성이 크게 향상됐다고 생각된다.

다음으로 실용화된 티탄-알루미늄합금 부품은 경기용 F1 엔진의 엔진 밸브로, 압출재를 기계가공함으로써 제품화하고 있다. 이 제품에서는 밸브 중량의 경량화에 의해 엔진 회전수의 대폭 증대에 기여했는데, 레귤레이션의 변경에 의해 현재는 사용되지 않고 있다. 

그 다음으로 실용화된 것은 제트엔진의 저압 터빈 날개로, 현재의 제조법으로는 주조 소재에서 전체를 깍아냄으로써 박육의 터빈 날개로 가공하고 있다. 기존 니켈기 초합금이 사용되어 온 터빈 날개를 티탄-알루미늄합금으로 변경함으로써 대폭적인 경량화가 도모되고, 연비 향상과 CO2 배출량 절감에 큰 효과가 있다고 생각된다.

열간단조형 티탄-알루미늄합금의 개발 경위

주조법으로 제조할 수 있는 티탄-알루미늄합금 부품의 사이즈에는 한계가 있기 때문에 대형 부품을 제조하기에는 우선 대형의 잉곳을 제작, 그것을 주조에 의해 성형하는 단조법을 적용할 필요가 있다. 

그러나 티탄-알루미늄합금의 연성, 가공성은 고온에서도 보통의 금속 재료에 비해 현저하게 떨어지기 때문에 대기 중에서도 냉각시키면서 고속으로 압축가공하는 보통의 단조, 이른바 열간단조법의 적용은 곤란했다. 

그래서 기존에는 금형과 제품 소재 전체를 고온으로 유지한 채로 극저속으로 압축가공하는 항온단조법이 사용되어 왔는데, 코스트가 크고 또한 큰 부품을 제조할 수 없는 문제가 있었다.

그래서 티탄-알루미늄합금 자체의 고온 변형능을 개선하는 대응이 이루어졌다. 구체적으로는 제3상으로서 β상을 이용하는 것이다. β상은 bcc 베이스의 상으로 저온에서는 금속간화합물인데, 고온에서는 고용체(금속상)으로 변화한다. 

따라서 단조 온도에서 어느 정도의 β상을 함유시키면 고속 변형의 열간단조가 가능해진다. 이것은 필자가 이전 발명한 방법으로, 논문 발표도 세계 최초이다.

그림 2에 β상을 포함하는 티탄-알루미늄합금과 포함하지 않는 티탄-알루미늄합금의 열간단조 후의 외관을 나타냈다. β상에 의한 고온 변형능 향상 효과는 분명하다. 

이 β상의 활용에 의해 티탄-알루미늄합금으로는 기존 불가능했던 열간단조가 가능해지고, 대형 부품에 대한 티탄-알루미늄합금 적용의 길이 열렸다. 

실제로 이 성과를 활용함으로써 세계 최초의 열간단조형 티탄-알루미늄합금[성분 ; Ti-42Al-5Mn(ar%)]은 일본의 기간 방위 제품의 대형 구조 부재로서 대규모로 실용화되고 있다. 단, 제품의 성격 상 상세한 것은 공표되어 있지 않다.

NIMS 개발의 새로운 티탄-알루미늄 단조합금

이전 필자가 개발한 앞에서 말한 열간단조형 티탄-알루미늄합금은 고온 변형능이 우수한 β상의 존재를 기본으로 하고 있으며, 각종 프로세스를 거친 최종 단계에서도 β상이 잔류하고 있었다. 

고온 변형능이 풍부하다는 것은 고온 강도가 낮다는 것을 말하기 때문에 기존의 열간단조형 티탄-알루미늄합금의 사용 가능 온도는 보통의 티탄-알루미늄합금보다 대폭으로 낮다는 문제가 있었다. 

따라서 앞에서 말한 방위 제품에서는 문제가 없었지만, 예를 들면 발전용 가스터빈의 터빈 끝단 날개 등 대형이고 사용 온도가 높은 부품에 대한 적용은 곤란했다.

그래서 필자는 이 문제를 해결한 새로운 티탄-알루미늄합금을 NIMS로 개발했다. 기본적인 개념은 β상이 1,300～1,350℃의 열간단조 온도에서는 존재하고, 그 후의 저온 열처리로 소실하는 새로운 성분의 개발이다. 

개념은 심플하지만, 실제로 이 성분을 찾아내는 것은 매우 곤란했다. 시행착오를 해서 몇 백 개의 잉곳을 제조해 단조시험이나 고온특성 평가 등을 반복하는 꾸준한 연구의 결과, 마침내 목적하는 새로운 합금의 성분을 찾아낼 수 있었다.

그림 3에 개발한 새로운 티탄-알루미늄합금의 단조, 열처리 후의 미세 조직을 기존 열간단조형 티탄-알루미늄합금과 비교해 나타냈다. 

기존의 열간단조형 티탄-알루미늄에서는 백색의 β상이 다수 존재하는 것에 대해, 새로운 티탄-알루미늄합금에서는 β상이 거의 소실되어 있으며 고온 강도 향상에 효과적인 미세한 라멜라 조직인 것을 확인할 수 있다. 

그림 4에 새로운 티탄-알루미늄합금의 실온～고온의 인장강도를, 기존의 열간단조형 티탄-알루미늄 및 발전용 가스터빈 끝단 날개의 현용재인 한 방향 응고 니켈기 초합금과 비교해 나타냈다. 

또한 여기서는 회전체에서 필요해지는 비강도(강도/비중)의 비교이다. 새로운 티탄-알루미늄합금의 인장 비강도는 기존의 열간단조형 티탄-알루미늄합금은 물론이고, 한 방향 응고 니켈기 초합금보다 현저하게 높은 것을 확인할 수 있다.

새로운 티탄-알루미늄합금의 대형 부재 시제작 예

마지막으로 개발한 새로운 티탄-알루미늄합금을 이용해 대형 부재를 시제작한 예를 소개한다. 우선 전제로서 필요한 대형 잉곳의 제조 방법을 개발했다. 기존 티탄-알루미늄합금은 진공 아크 용해, 레비테이션 용해 등 수냉 동 도가니 중에서 용해하는 고주파 용해에 의한 잉곳 제조 방법을 개발했다. 

이 방법은 원료 전체를 녹인 후에 고주파로 충분히 교반하기 때문에 성분 균질성이 기존법에 비해 현저하게 양호하다는 특징이 있다. 그림 5에 이 방법으로 제조한 직경 280mm, 길이 550mm, 중량 145kg인 대형 잉곳의 외관을 나타냈다.

다음으로 이 잉곳을 열간단조한 후에 기계가공함으로써 후육의 디스크를 제작했다. 그림 6에 열간단조와 기계가공의 상황을 나타냈다. 최종적으로 이 디스크를 카본을 상하형으로 하는 핫 프레스로 성형함으로써 모의적인 성형 부품을 제조했다. 

그림 7에 핫 프레스 성형용 형과 성형품의 외관을 나타냈다. 새로운 티탄-알루미늄합금의 고온 변형능은 양호하기 때문에 형태를 따라 틈새 없이 성형되어 있으며, 외관이나 단면에는 결함이 전혀 없는 것을 확인할 수 있다.

장래 전망과 앞으로의 과제

600～850℃ 정도에서 사용할 수 있는 현실적인 경량 재료는 티탄-알루미늄합금 이외에는 없기 때문에 티탄-알루미늄합금의 이용 확대는 앞으로 각 산업 분야에서 더욱 추진될 것으로 생각된다. 

주요 대상 부품은 비강도(강도/비중)이 필요한 회전체나 구조 부재로, 주조로 제조하는 소형 부품에 더해 이 글에서 대상으로 한 단조에 의한 대형 부재에 대한 적용도 시야에 넣게 될 것으로 생각된다.

앞으로 제조 코스트의 저감, 내열 온도의 향상, 저연성도 사용할 수 있는 환경의 정비 등 많은 과제가 남아있지만, 계속적으로 연구 개발이 추진되어 현재의 과제가 하나씩 해결되어 감으로써 이후 티탄-알루미늄합금이 더욱 많은 제품에 실용화되기를 기대하고 있다.