항공 산업에서의 티타늄 합금

항공 운송은 항공 화물 물류를 통한 운송이든, 여객기 이용을 통한 여행이든 관계없이 우리 일상생활에 필수적인 부분이 되었습니다. 하늘을 올려다보며 하늘 위를 날아가는 항공기를 바라볼 때, 자연스럽게 떠오르는 질문이 있습니다: 이처럼 막대한 하중을 견디고 고도에서 작동할 수 있는 비행기를 제작하는 데 사용되는 재료는 무엇일까요?
이 놀라운 성능을 가능케 하는 재료에 대해 알아보겠습니다.

티타늄 개요

1948년, 듀폰(DuPont)사는 마그네슘 환원 공정을 이용해 스펀지 티타늄의 산업적 생산에 성공하였으며, 이는 티타늄 재료사에서 중대한 이정표가 되었다. 그 이후로 티타늄 합금은 뛰어난 물리적 특성 덕분에 다양한 산업 분야에 광범위하게 적용되어 왔다. 이 특성에는 높은 비강도, 우수한 내식성, 뛰어난 내열성 .

특히 티타늄은 지각 내에서 풍부하게 존재하는 원소로, 전체 풍부도 순위에서 9위를 차지한다 는 점에서 구리, 아연, 주석 등 일반적으로 사용되는 금속보다 훨씬 풍부하다. 티타늄은 다양한 암석에 널리 분포되어 있으며, 특히 모래와 점토 속에 매장량이 특히 풍부하다.

티타늄의 특성

티타늄은 다음과 같은 여러 뛰어난 특성을 지닌다. 높은 강도, 높은 고온 강도, 우수한 내식성, 뛰어난 저온 성능, 그리고 강한 화학 반응성 .

구체적으로, 티타늄의 강도는 알루미늄 합금, 마그네슘 합금 및 스테인리스강을 훨씬 능가하여 가장 뛰어난 구조용 금속 중 하나이다. 티타늄 합금은 고온에서도 매우 우수한 성능을 발휘하며, 작동 온도가 알루미늄 합금보다 현저히 높고, 장기간에 걸쳐 450–500°C .

에서 안정적인 성능을 유지할 수 있다. 또한 티타늄은 산, 염기 및 대기 부식에 대해 뛰어난 내성을 보이며, 특히 피팅 부식 및 응력 부식 균열 에 대한 저항성이 매우 강하다. 저온에서는 TA7 티타늄 합금 –253°C .

와 같은 극저온에서도 양호한 연성과 기계적 특성을 유지한다. 그러나 티타늄은 고온에서 화학 반응성이 높아 공기 중 수소 및 산소와 쉽게 반응하여 경화된 표면층을 형성한다. 또한 티타늄 합금의 열전도율은 비교적 낮은 편으로—약 니켈의 1/4, 철의 1/5, 알루미늄의 1/14 —그러나 탄성 계수는 약 강철의 절반 수준 이다. 이러한 특성들로 인해 티타늄은 다양한 첨단 공학 응용 분야에서 필수적인 소재가 된다.

티타늄 합금의 분류 및 응용 분야

티타늄 합금은 응용 분야에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다. 내열 합금, 고강도 합금, 내식성 합금 (예: Ti-Mo 및 Ti-Pd 합금), 저온용 합금 , 그리고 특수 기능 합금 티타늄-철 수소 저장 재료 및 티타늄-니켈 형상 기억 합금을 포함한다.

티타늄 합금의 적용 역사는 비교적 짧지만, 그 뛰어난 성능으로 인해 수많은 칭호를 획득하였는데, 그 중 하나가 “우주 금속”이다. 이 명칭은 그 가벼운 무게, 높은 강도, 그리고 우수한 고온 내성에서 유래하며, 항공기 및 항공우주 차량 제조에 이상적인 소재임을 반영한다.

현재 전 세계 티타늄 및 티타늄 합금 생산량의 약 4분의 3이 항공우주 분야에 사용되고 있으며 알루미늄 합금으로 제작되던 많은 부품들이 이제 티타늄 합금으로 대체되고 있다.

항공 분야 응용

티타늄 합금은 항공기 및 엔진 제조에 필수적인 소재로, 단조 팬 부품, 압축기 디스크 및 블레이드, 엔진 케이싱, 배기 시스템 등에 광범위하게 사용된다. , 그리고 프레임 및 벌크헤드와 같은 구조 부품을 포함하여 프레임 및 벌크헤드 .

항공우주 응용 분야에서 티타늄 합금의 높은 비강도, 내식성, 저온 성능은 다음 용도에 이상적입니다. 압력 용기, 연료 탱크, 체결부, 계측기 고정 스트랩, 구조용 프레임, 로켓 케이싱 티타늄 합금 시트 용접 부재는 광범위하게 사용됩니다. 인공위성, 달 착륙선, 유인 우주선, 우주 왕복선 .

1950년 미국은 티타늄 합금을 최초로 F-84 전투폭격기 에 적용하였으며, 후미 동체 열 차단재, 공기 덕트, 꼬리 부울링 등 비구조 부하 부재에 사용했습니다. 1960년대부터 티타늄 합금은 후미 동체 응용 분야에서 중앙 동체로 확장되어 구조용 강철을 부분적으로 대체하게 되었고, 벌크헤드, 보, 플랩 트랙 .

1970년대에 보잉 747과 같은 민간 항공기의 대량 생산이 시작되면서 보잉 747 티타늄 사용량이 급격히 증가하였다. 보잉 747 단일 기체에서만 약 3,640kg의 티타늄 을 사용하였으며, 이는 항공기 구조 중량의 약 28%를 차지한다 . 티타늄 합금은 로켓, 인공위성, 우주선 등에도 광범위하게 사용되었다.

티타늄 합금의 가공 특성

첫째, 티타늄 합금은 상대적으로 낮은 열전도율을 가지는데, 이는 강철의 약 4분의 1, 알루미늄의 약 13분의 1, 구리의 약 25분의 1 수준이다 가공 중 열 방산 및 냉각이 비효율적이므로 절삭 영역에 고온이 집중된다 이로 인해 공작물의 변형 및 탄성 복원이 발생하고, 절삭 토크가 증가하며, 절삭날의 마모가 가속화되고, 도구 수명이 현저히 단축될 수 있다.

둘째, 절삭 열이 절삭날 끝부근에 집중되어 신속하게 방산되지 않기 때문에 전면각 면에서의 마찰이 증가하여 칩 배출이 어려워지고, 이는 도구 마모를 더욱 가속화한다.

마지막으로, 고온 상태에서는 티타늄 합금의 화학적 활성이 현저히 증가하여 도구 재료와 반응하기 쉬운데, 이로 인해 접착, 확산, 그리고 적층 날개(빌트업 엣지) 형성 과 같은 현상이 발생한다. 이러한 현상은 도구의 붙음, 소손 또는 파손을 유발하여 가공 품질 및 효율성을 심각하게 저해할 수 있다.

머시닝 센터의 장점

머시닝 센터는 여러 부품을 동시에 가공할 수 있어 생산 효율을 크게 향상시킵니다. 높은 정밀도를 통해 우수한 제품 일관성을 보장하며, 공구 보정 기능을 통해 기계의 고유 정확도를 최대한 활용할 수 있습니다.

머시닝 센터는 또한 뛰어난 적응성과 유연성 을 갖추고 있어, 원호 가공, 경사면 절삭(차모퍼링), 곡면 전환(필렛 전환) 등을 쉽게 처리할 수 있습니다. 특히 인상 깊은 점은 다기능 가공 작업 을 지원한다는 점으로, 밀링, 드릴링, 보링, 태핑 등이 단일 기계에서 모두 수행 가능합니다.

원가 관리 측면에서 보면, 머시닝 센터는 정확한 원가 산정 및 생산 계획 수립을 가능하게 하며, 전용 지그·피ixture의 필요성을 없애고, 총 소요 비용을 절감하며, 생산 주기를 단축시킵니다. 또한 작업자의 육체적 부담을 대폭 경감 시켜 주며, 다음과 같은 CAM 소프트웨어와 원활하게 연동될 수 있습니다. UG(NX) 다축 가공을 수행하기 위해.

절삭 공구 및 냉각제 선택

티타늄 합금 가공 시 적절한 절삭 공구 및 냉각제를 선택하는 것이 매우 중요합니다. 공구 재료는 다음 특성을 가져야 합니다. 높은 경도 및 내마모성 효율적인 재료 제거를 보장하기 위해. 냉각제 선택은 가공 품질 및 효율성에 직접적인 영향을 미치며, 적절한 냉각제는 마찰과 절삭 열을 줄여 공구 수명을 연장하고 가공 정밀도를 향상시킵니다.

1. 공구 재료 요구 사항

• 공구 경도는 티타늄 합금의 경도보다 현저히 높아야 하며, 이는 효과적인 절삭을 가능하게 합니다.
• 공구는 높은 토크 및 절삭력에 견딜 수 있을 만큼 충분한 강도와 인성을 가져야 합니다.
• 티타늄 합금은 인성이 매우 높기 때문에 절삭날이 날카로운 상태를 유지해야 하므로, 작업 경화를 최소화하기 위해 우수한 내마모성이 요구됩니다.

2. 엔드 밀 기하 형상 선택

티타늄 합금 고유의 가공 특성으로 인해, 엔드 밀의 기하 형상은 일반적인 공구와 현저히 다릅니다.
A 작은 나선각(β) 홈 용적을 증가시키고, 절삭 토막 배출을 개선하며, 열 방산을 향상시키기 위해 권장됩니다.

3. 절삭 조건 선택

티타늄 합금 가공 시 낮은 절삭 속도 를 사용하고, 적절한 피드 속도, 합리적인 절삭 깊이 및 제어된 마감 여유량과 함께 적용해야 합니다.

4. 냉각제 선택 및 적용

독성 물질 생성 및 수소취성 발생을 방지하고, 고온에서의 응력부식균열 위험을 줄이기 위해 염소를 함유한 냉각제는 피해야 합니다.
다음과 같은 냉각제 사용이 권장됩니다. 합성 수용성 에멀젼 또는 티타늄 합금 가공에 적합한 특수 제형의 냉각제.