순수 탄탈럼 금속의 불충분한 강도로 인해 1000℃~1900℃의 온도 범위에서 높은 강도를 갖는 합금의 생산이 필요합니다. 이러한 합금은 유용한 형태로 성형할 수 있고, 충분한 내산화성을 가지거나 적절한 코팅으로 효과적으로 보호할 수 있어 해당 온도 범위에서 부품의 조기 고장 없이 작동할 수 있습니다. 경제적 비용을 고려할 때 새로운 합금의 연구 개발은 필수적입니다.
텅스텐은 3450℃에 달하는 높은 융점을 가지고 있습니다. 탄탈럼과 마찬가지로 텅스텐은 체심 입방 구조의 금속이며 탄탈럼과 무한 고용체를 형성할 수 있습니다. 따라서 탄탈럼 금속에 텅스텐을 첨가하여 탄탈럼-텅스텐 합금을 형성하면 순수 탄탈럼 금속의 불충분한 강도를 극복하고 재료의 인장 강도를 크게 향상시킬 수 있습니다. 레늄 금속은 3186℃의 녹는점을 가지며, 알려진 순수 금속 중 두 번째로 높은 녹는점을 지닌 가장 밀도가 높은 원소 중 하나입니다. 레늄 금속은 연성-취성 전이 온도가 낮고 탄화물을 형성하지 않습니다. 레늄은 조밀 육방정계 구조를 가지며 탄탈륨에 25% 이상 용해됩니다. 레늄 금속은 탄탈륨-레늄 합금에서 강력한 경화제 역할을 합니다. 알려진 내화 금속 중 탄탈륨 기반 합금에 가장 우수한 강화 효과를 나타내는 원소입니다. 탄탈륨-레늄 합금은 또한 낮은 취성-연성 전이 온도와 상온에서 우수한 연성(소성)을 가지고 있습니다.
탄탈륨 합금 튜브는 로켓 노즐, 원자력 개발 분야의 고온 내식성 열교환기, 적외선 추적용 적외선 방사 튜브 등에 일반적으로 사용됩니다. 이러한 응용 분야에서는 탄탈륨 합금 튜브의 균일한 벽 두께가 요구됩니다. 현재 국내외 탄탈륨 합금 튜브 표준은 벽 두께 공차를 ±10%로 규정하고 있습니다. 그러나 탄탈륨 금속은 16.6 g/cm³에 달하는 비교적 높은 밀도를 가지고 있습니다. 공차를 완화하면 재료의 박판화 및 경량화에 매우 불리합니다. 따라서 벽 두께 공차가 ±5% 이하인 탄탈륨 합금 튜브를 연구 개발하는 것이 필수적입니다.
본 발명은 탄탈륨 합금 및 그 제조 방법, 그리고 이음매 없는 탄탈륨 합금 튜브 및 그 제조 방법에 관한 것입니다. 본 발명은 항공, 우주, 원자력 에너지 개발 등의 분야에서 순수 탄탈륨 금속을 사용하는 장비의 강도 부족 문제를 해결합니다. 본 발명에 의해 제조된 탄탈륨 합금은 1100℃에서 비커스 경도 ≥150을 가지며, 우수한 상온 가공성, 고온 강도 및 고온 경도를 나타낸다. 이 탄탈륨 합금을 사용하여 제조된 이음매 없는 탄탈륨 합금관은 우수한 상온 가소성과 우수한 내산화성을 가지므로 1100℃를 초과하는 가혹하고 극한 환경에서도 적용 가능하다.
제1 탄탈륨 합금을 진공 재결정화 및 진공 어닐링로에서 어닐링한다. 진공 재결정화 및 어닐링 후의 제1 탄탈륨 합금을 냉각하여 제2 탄탈륨 합금을 얻는다. 제2 탄탈륨 합금을 단조-진공 재결정화 및 어닐링 공정을 두 번 반복하여 제3 탄탈륨 합금을 얻는데, 이때 제3 탄탈륨 합금의 결정립 크기는 ≤300µm이다. 드릴 비트와 스피닝 맨드릴을 선택하여 제3 탄탈륨 합금에 구멍을 뚫는다. 드릴로 뚫은 구멍의 안쪽 벽을 연마합니다. 그런 다음 드릴로 뚫은 제3 탄탈륨 합금을 머플로에서 400~800℃로 가열하고 해당 온도를 유지합니다. 20~30분 동안 회전 맨드릴에 오일을 바르고 가열된 제3 탄탈륨 합금을 부착합니다. 유압 프레스에서 다이를 사용하여 제3 탄탈륨 합금을 여러 번 회전시켜, 패스당 변형률이 10% 이하이고 총 변형률이 50% 이상이 되도록 제3 탄탈륨 합금이 튜브 압연에 적합할 때까지 가공합니다. 맨드릴을 제거하여 제1 튜브 블랭크를 얻습니다.
먼저 첫 번째 튜브 블랭크를 진공 어닐링로에서 진공 응력 제거 어닐링 처리합니다. 진공 응력 제거 어닐링 후, 첫 번째 튜브 블랭크를 냉각하여 두 번째 튜브 블랭크를 얻습니다. 두 번째 튜브 블랭크는 내부 및 외부의 긁힘과 접힘을 제거하는 결함 제거 처리를 거칩니다. 균열은 연삭을 통해 제거하여 세 번째 튜브 블랭크를 얻습니다. 롤과 냉간 압연 맨드릴을 선택하고, 세 번째 튜브 블랭크를 3롤 밀을 사용하여 여러 번 냉간 압연하여 패스당 변형률이 20~30%, 총 변형률이 80% 이상이 되도록 합니다. 세 번째 튜브 블랭크를 최종 크기로 압연하여 탄탈륨 합금 튜브를 얻습니다. 탄탈륨 합금 튜브를 세척하고 필요한 길이로 절단하여 반제품 튜브를 얻습니다.
반제품 튜브를 진공 어닐링로에서 어닐링한 후 냉각하여 이음매 없는 탄탈륨 합금 튜브를 얻습니다. 또한, 상기 방법을 사용하여 제조된 이음매 없는 탄탈륨 합금 튜브도 제공됩니다. 이음매 없는 탄탈륨 합금관은 외경 3~38mm, 벽 두께 0.2~5mm, 길이 0~12000mm, 벽 두께 공차 ±4% 이하, 결정립 크기 20~40μm, 상온 인장 강도 450MPa 이상, 연신율 25% 이상의 특성을 갖는다. 이 탄탈륨 합금 및 제조 방법을 설계함으로써 탄탈륨에 텅스텐과 레늄을 첨가할 수 있었다. 그 결과, 산소 함량 80ppm 이하, 탄소 함량 40ppm 이하, 질소 함량 20ppm 이하의 탄탈륨 합금을 얻을 수 있었다. 진공 소결, 두 번의 전자빔 용융 공정 및 열기계 가공을 거친 후, 탄탈륨 합금은 1100℃에서 200 이상의 비커스 경도를 나타내어 우수한 상온 가공성, 높은 고온 강도 및 높은 고온 경도를 보여주었습니다.
이러한 이음매 없는 탄탈륨 합금 튜브의 설계 및 제조 방법을 통해, 상기 제조된 탄탈륨 합금은 다방향 단조를 거치게 되며, 이는 탄탈륨 합금 내부에 존재하는 기존의 편석 및 기공을 압축하여 조대한 구조를 더욱 미세하고 치밀하게 만들어 탄탈륨 합금의 가소성 및 기계적 특성을 향상시킵니다. 제품은 치밀한 미세 구조와 미세하고 균일한 결정립을 갖습니다. 총 세 번의 어닐링 처리를 수행하며, 각 단조 후 파쇄된 결정립을 재결정화하기 위해 진공 어닐링 온도와 시간을 적절히 제어하여 각 단조 후 균일한 결정립 구조를 얻습니다. 제조된 이음매 없는 탄탈륨 합금관은 다음과 같은 특징을 갖습니다. 외경 3~38mm, 벽 두께 0.2~5mm, 길이 0~12000mm, 벽 두께 공차 ±4% 이하, 결정립 크기 20~40μm, 상온 인장 강도 450Mpa 이상, 연신율 25% 이상, 우수한 상온 소성 및 산화 저항성을 가지며, 1100℃ 이상의 초고온을 포함한 극한 환경에서도 사용 가능합니다.
