저비용 분말 야금 티타늄 합금 형상 제어 통합

티타늄 합금은 가벼운 중량, 높은 강도, 내식성 등 우수한 특성을 지니며 다양한 분야에서 대체할 수 없는 역할을 합니다. 그러나 티타늄의 가공성이 낮아 전통적인 주조 및 단조+기계가공 공정으로 생산된 부품의 비용이 높고, 이로 인해 적용이 제한되고 있습니다. 분말야금 기술은 분말을 부품으로 직접 소결하므로 티타늄 가공 비용이 높은 문제를 근본적으로 해결할 수 있습니다.

현재 분말야금 티타늄 합금 부품에는 두 가지 주요 문제가 있습니다. 성능이 낮고 소결 중 쉽게 변형된다는 점입니다. 이 중 낮은 소결 밀도와 높은 산소 함량이 성능 저하의 주요 원인이며, 입자 혼합이 균일하지 않아 발생하는 불균일한 수축이 소결 제품 변형의 근본 원인입니다. 따라서 분말야금 티타늄 합금의 공학적 적용과 발전을 촉진하기 위해 저비용 분말야금 티타늄 합금 형상 제어 통합 기술을 개발하는 것이 시급합니다.

중국과학원 공정공학연구소 양야펑 연구원이 이끄는 "특수 분말의 기능 개질 및 첨단 제조" 연구팀은 분말야금 티타늄 합금의 형상 제어 문제를 중심으로 일련의 연구를 수행했습니다. 수년간의 연구를 통해 여러 고효율 소결 보조제와 산소 불순물 흡착제를 개발했으며, 이를 통해 분말야금 티타늄 합금의 소결 밀도와 성능을 크게 향상시켰습니다. 이를 바탕으로 균질화 특성이 높은 새로운 유형의 코팅 티타늄 분말을 개발하여 복잡한 형상의 티타늄 합금 부품을 정밀하게 형상 제어할 수 있게 되었습니다. 관련 연구 성과를 다룬 논문 10편 이상이 발표되었으며, 관련 분야에서 폭넓은 관심을 받았습니다.

논문 주요 내용
분말야금 티타늄 합금 소결 보조제의 설계 원리와 소결 치밀화 거동을 강화하는 메커니즘을 제시했습니다.

소결 중 산화 피막의 용해 및 확산 거동을 규명하고, 강도와 연성을 크게 향상시키는 고효율 산소 불순물 흡착제를 설계했습니다.

도식 분석：

그림 1：

분말야금 티타늄 합금이 직면한 어려움과 해결책

그림 2：

(a) Ti–3Fe–1Si 및 (b) Ti–3Fe–2Si 시편의 소결 미세구조와 (c) Si 첨가량에 따른 소결 밀도 및 특성 변화 추세

Fe-Si 소결 보조제를 첨가하면 티타늄 합금의 소결 밀도가 99% 이상으로 증가합니다.

그림 3：

(a) Ti 분말 성형체의 팽창 곡선, 서로 다른 식각 시간에서 측정한 원료 Ti 분말 (b) 및 열처리 Ti 분말 (c)의 고해상도 XPS 깊이 프로파일 스펙트럼

열팽창 곡선과 광전자 분광 분석 결과는 모두 티타늄 표면의 산화 피막이 670°C에서 기지 내부로 확산되기 시작함을 보여줍니다. 이를 바탕으로 산소 불순물 흡착제의 설계 기준인 "산화 피막이 용해되기 전에 반응시켜 제거한다"는 원칙을 확립했습니다.

그림 4：

첨가한 산소 흡수제의 종류와 함량에 따른 티타늄 합금 특성 변화 추세

고효율 산소 흡수제 NdB6를 0.3wt% 첨가하면 티타늄 합금의 연신율이 약 12.5%에서 17% 이상으로 증가합니다.

그림 5：

(a) 코팅 분말의 SEM 사진, (b) 코팅 분말과 혼합 분말의 열팽창 곡선, (c) 혼합 분말과 코팅 분말로 소결한 자동차 완충 부품의 치수 정확도 측정 사진

코팅 분말의 합금 조성이 더 균일하며, 냉간 압축 성형체는 소결 과정에서 균일한 선형 수축을 나타내므로 분말야금 티타늄 합금의 복잡한 형상 부품이 소결 중 쉽게 변형되는 문제를 해결합니다.

그림 6：
(a–d) 코팅 분말의 형상 및 원소 분포, (e) 압축 성형체와 코팅 분말 소결 후 자동차 부품 사진

티타늄 분말 표면에 소결 보조제와 산소 흡수제가 균일하게 코팅되어 고밀도 소결과 고성능을 달성할 뿐만 아니라 복잡한 부품의 일회 소결 성형도 실현합니다.

기계적으로 혼합한 분말의 불균일한 조성이 소결 변형의 내재적 원인임을 규명하고, 고도로 균질화된 코팅 티타늄 분말을 개발했습니다. 이를 통해 소결 중 제품의 선형 수축 거동을 강화하고 정밀 성형을 달성했습니다.

이 논문은 연구팀이 제안한 "반응 유도 저온 액상 형성"을 통해 분말야금 티타늄 합금의 소결 치밀화를 강화하는 새로운 전략을 소개합니다. 새롭게 개발된 Fe-Si 보조제는 소결 과정에서 일시적 액상과 영구적 액상을 생성합니다. 두 액상은 상승작용을 통해 소결 밀도를 99% 이상으로 높입니다. 이어서 고함량 용존 산소 불순물로 인해 발생하는 취성 문제를 해결하기 위해, 연구팀은 티타늄 분말 표면 산화 피막의 초기 용해 온도가 670ºC임을 최초로 규명하고 "산화 피막이 용해되기 전에 반응시켜 제거한다"는 산소 불순물 흡착제 설계 기준을 확립했습니다.

그 후 NdB6 산소 흡착제 0.3wt%를 도입하여 티타늄 합금의 연성을 크게 향상시켰습니다. 위 연구를 바탕으로 유동층 분말 표면 기능 개질 기술을 통해 티타늄 분말 표면에 소결 보조제와 산소 불순물 흡착제를 균일하게 코팅했습니다. 이는 소결 과정에서 성형체 조성의 신속한 균질화를 촉진하고 균일한 선형 수축 능력을 강화하여 분말야금 티타늄 합금의 소결 변형 문제를 해결했습니다. 위 이론과 연구 성과를 바탕으로 연구팀은 기업과 협력하여 분말야금 티타늄 합금의 형상 및 특성 제어 통합 기술을 개발하고, 분말야금 티타늄 합금의 저비용 생산 라인을 구축하여 티타늄 합금의 분말야금 기술과 공학적 응용 발전을 촉진했습니다.