기존의 티타늄 합금 소재는 높은 강도를 가지며 냉간 압연(코일)이 잘 되고 가공성도 우수하다. 본 발명의 티타늄 합금 소재는 고가의 합금 원소를 필요로 하지 않아 비용을 절감할 수 있다. 본 발명의 티타늄 합금 소재는 다음 조건을 만족한다: 알루미늄 당량(Al + 10O(산소)): 3.5–7.2%(질량%); Al: 1.0% 초과 4.5% 미만; O: 0.60% 미만; 철 등가량(Fe + 0.5Cr + 0.5Ni + 0.67Co + 0.67Mn): 0.8% 초과 2.0% 미만이며, Cu(0.4~3.0%) 및 Sn(0.4~10%)으로 구성된 그룹에서 선택된 하나 이상의 원소를 포함하고, 나머지는 Ti 및 불가피한 불순물로 구성됩니다.
티타늄 합금은 높은 비강도와 우수한 내식성으로 인해 항공우주 장비 부품, 화학 플랜트 부품, 자동차 부품 및 기타 분야에 널리 사용됩니다. 대표적인 티타늄 합금으로는 Ti-6Al-4V가 있습니다. ASTM Gr.5에서 항복강도가 0.2% 이상인 것으로 표준화된 이 Ti-6Al-4V 합금은 우수한 강도 특성을 나타냅니다. 그러나 이 합금은 첨가제로 알루미늄을 다량 함유하고 있어 냉간 압연성이 좋지 않습니다. 따라서 코일 압연으로 얇은 판재를 제조하기 어렵고, 일반적으로 패치 압연이라는 방법을 사용하여 얇은 판재로 가공합니다. 패치 압연은 열간 압연된 티타늄 시트를 겹쳐 놓고 연강 캡으로 덮은 후, 지정된 온도 이상으로 유지하면서 압연하는 방식입니다. 냉간 압연에 비해 이 방법은 매우 복잡하고 비용이 많이 듭니다. 또한 열간 압연에 적합한 온도 범위가 제한적이어서 가공에 많은 제약이 따릅니다.
반면, 코일 압연이 가능한 범용 티타늄 합금으로는 예를 들어 Ti-3Al-2.5V 합금(ASTM Gr.9)이 있습니다. 그러나 이 합금의 0.2% 항복 강도는 약 500 MPa로, 앞서 언급한 Ti-6Al-4V 합금보다 상당히 낮습니다. 또한, 일본 특허 공개 공보 제02-57136호에는 냉간 가공성이 우수한 내열성 티타늄 합금 시트가 개시되어 있습니다. 이 합금 시트는 주로 냉간 가공성 향상을 위해 개발되었으며, α상 안정화 원소 또는 β상 안정화 원소의 농도가 낮습니다. 따라서 고용 강화에 의한 강도 증가가 미미하여 고강도가 요구되는 용도에는 적합하지 않습니다.
Ti-6Al-4V 합금과 동등한 강도를 가지면서 코일 형태로 압연할 수 있는 티타늄 합금으로는 Ti-4.5Al-2Mo-1.6V-0.5Fe-0.3Si-0.05C(ASTM Gr.35)가 있으며, 실제로 냉간 압연 코일 형태로 대량 생산되고 있습니다. KSTi-9는 Ti-6Al-4V 합금과 유사하게 Mo와 V가 β상 강화 원소로 사용됩니다. 또한 고강도 티타늄 합금인 Ti-4Al-2.5V-1.5Fe-0.25O(ATI425(미국 등록상표))에서는 V가 주요 β상 안정화 원소(β상 강화 원소)로 사용됩니다.
또한, 일본 특허 공개 제01-111835호는 냉간 가공성을 향상시키기 위해 개발된 합금을 개시하고 있다. 여기에 도시된 티타늄 합금은 β상 유지로 인해 높은 가공성을 나타내므로, β상 안정화 원소의 고농도가 필요하다.
앞서 언급했듯이, 항공우주 장비 부품 등에 사용되는 티타늄 합금은 높은 강도와 우수한 냉간 압연성(코일 형태로 압연되는 능력)을 요구한다. 냉간 압연성이 현저히 낮으면 냉간 압연 중 티타늄 합금 시트의 끝부분에서 균열이 발생하고, 이 균열이 전파되어 파손으로 이어진다. 냉간 압연(코일 압연)이 가능하더라도, 냉간 압연성이 현저히 낮으면 반복적인 냉간 압연-어닐링이 필요하여 비용이 증가한다. 또한, 티타늄 합금의 가공성이 낮으면 냉간 압연이 가능하더라도 현재 제품 수준에서의 가공(예: 벤딩)이 어려운 경우가 있다. 목표는 기존 소재보다 강도가 높고, 코일 압연(냉간 압연) 및 가공성(연신율, 연성)이 우수하며, 고가의 합금 원소(Mo, V, Nb 등)에 의존하지 않고 비용을 통제하면서 티타늄 합금을 얻는 것입니다.
티타늄 합금 소재는 다음 조건을 만족합니다. Al 당량(Al+10O(산소)): 3.5-7.2%(질량%), Al: 1.0% 초과 4.5% 미만, O: 0.60% 미만, Fe 당량(Fe+0.5Cr+0.5Ni+0.67Co+0.67Mn): 0.8% 초과 2.0% 미만, 그리고 Cu로 구성된 그룹에서 선택된 하나 이상의 원소를 포함합니다. 본 발명의 티타늄 합금은 기존의 Ti-3Al-2.5V 합금보다 강도가 높으면서 코일 압연이 가능하고, 코일 압연에 적합한 우수한 냉간 압연 특성과 우수한 가공성(일정 수준의 연신율)을 갖는다. 이 합금은 Ti-6Al-4V 합금과 동등한 강도를 달성할 수 있으므로 항공우주 장비, 화학 플랜트, 자동차 등에 사용되는 고강도 부품을 높은 생산성과 낮은 비용으로 생산할 수 있다.
더 나아가, 이 티타늄 합금은 코일 압연이 가능한 기존의 Ti-3Al-2.5V 합금보다 강도가 높으면서 Ti-6Al-4V 합금과 동등한 강도를 갖는다.
