티타늄 합금의 내식성 및 내마모성

1 티타늄 합금의 표면 개질 기술
티타늄 합금은 낮은 밀도, 높은 비강도, 우수한 내식성 및 강한 피로 저항성을 지닙니다. 항공우주, 외장 부품, 자동차, 의료 및 기타 분야에서 널리 사용되어 왔습니다. 그러나 티타늄 합금은 마찰 계수가 높고 접착 마모와 미세 마모에 매우 민감하며 내마모성이 낮습니다. 또한 고온·고속 마찰에서 쉽게 발화하고 고온 산화 저항성도 상대적으로 낮아 구조의 안전성과 신뢰성에 심각한 영향을 미치며, 그 적용 범위를 크게 제한합니다.

따라서 내마모성, 고온 산화 저항성 및 내식성과 같은 티타늄 합금의 표면 특성을 더욱 향상시키는 것은 시급히 해결해야 할 문제가 되었습니다. 합금의 조성과 제조 공정을 개선하는 것 외에도, 현재 티타늄 합금의 표면 개질은 가장 효과적인 방법입니다.

기존의 표면 개질 기술에서 이온 주입은 이온 주입 에너지의 제약을 받아 강화층이 매우 얕습니다. 이온 침탄, 붕소화 및 질화는 처리 주기가 길고 고온에서 공작물이 쉽게 변형되는 단점이 있습니다. 열분사 개질층은 구조가 치밀하지 않고 기재와의 결합 강도도 상대적으로 낮으며, 높은 결합 강도의 금속학적 결합을 형성하기 어렵습니다. 레이저 표면 개질 기술은 레이저 기술과 금속 열처리가 결합된 결과입니다. 이는 재료 표면에 극히 높은 에너지를 가하여 물리적·화학적 변화를 일으킴으로써 재료의 표면 경도, 내마모성, 내식성 및 고온 특성을 크게 변화시키는 기술입니다. 높은 에너지 밀도로 인해 발생하는 매우 빠른 가열 속도, 정밀하고 제어 가능한 출력 및 개질할 국부 표면의 선택성 때문에 레이저 표면 개질 기술은 폭넓은 관심을 받고 있습니다.

2 tic/ti 복합 재료 클래딩층
레이저 클래딩은 레이저 코팅 또는 레이저 용융이라고도 하며, 새로운 유형의 재료 가공 및 표면 개질 기술입니다. 그 본질은 특수한 특성(예: 내마모성, 내식성, 내산화성 등)을 가진 분말을 금속 표면에 분사하거나 레이저 빔과 함께 분말을 동시에 공급한 다음, 레이저 빔의 작용으로 이를 용융·팽창·급속 응고시켜 기재 표면에 균열과 기공이 없는 금속학적 결합층을 형성하는 것입니다. 레이저 클래딩 기술의 장점은 다음과 같습니다. 1) 레이저 빔은 에너지 밀도가 높고 응고 과정에서 냉각 속도가 빠르므로 레이저 클래딩층의 응고 조직이 미세합니다. 2) 필요에 따라 동일 부품의 서로 다른 부위에 서로 다른 클래딩을 적용할 수 있습니다. 3) 기재와 클래딩층은 금속학적으로 결합되며, 클래딩층 조직은 뚜렷한 구배 특성을 지니므로 클래딩층과 기재가 우수하게 결합됩니다.

레이저 클래딩은 가장 널리 사용되는 티타늄 합금 레이저 표면 개질 기술입니다. 레이저 클래딩층에서 얻어지는 조성과 특성에 따라 주로 내마모성, 내고온 산화성, 생체 적합성 및 열차폐 클래딩층으로 구분됩니다. 티타늄 합금은 내마모성이 상대적으로 낮기 때문에 티타늄 합금 표면의 레이저 클래딩 연구는 주로 내마모성 향상에 집중되어 있습니다. 티타늄 합금 표면의 레이저 클래딩 내마모 개질층에 사용되는 재료는 주로 B, C, Ni, Si, B4C, Cr2C3, TiC, BN, Si C, Ti B, TiB2, A1203 등입니다.

세라믹 재료는 우수한 내마모성, 내식성, 내열성 및 고온 산화 저항성을 지니지만, 취성이 크고 피로 저항성이 낮으며 응력과 균열에 민감하고 가공이 어렵다는 점 때문에 그 적용이 제한됩니다. 티타늄 합금 표면의 레이저 클래딩 세라믹 코팅 기술에 대한 연구는 세라믹 재료의 적용 범위를 넓혔으며, 세라믹 재료의 우수한 성능과 티타늄 합금 재료의 인성 및 우수한 가공성을 유기적으로 결합했습니다. 이를 통해 두 종류 재료의 종합적인 장점을 충분히 발휘하고 구조적 성능(강도, 인성 등)과 환경 성능(내마모성, 내식성, 내고온성 등)의 요구를 충족하여 매우 이상적인 복합 재료 구조를 얻을 수 있습니다.

3 티타늄 합금 표면의 레이저 합금화
레이저 합금화는 고에너지 레이저 빔의 작용으로 하나 이상의 합금 원소를 기재 표면과 함께 빠르게 용융시키는 것, 즉 레이저를 사용하여 금속 및 합금 표면의 화학 조성을 변화시키는 것입니다. 이 방법의 장점은 다음과 같습니다.

1) 금속 부품의 국부 표면 처리를 통해 고급 합금의 특성을 얻을 수 있습니다.

2) 개질층의 깊이와 폭을 정밀하게 제어할 수 있습니다.

3) 레이저 가열층의 온도 구배가 크기 때문에 결합층이 좁고 결합 품질이 우수하며 모재의 특성에 미치는 악영향이 최소화됩니다. 레이저 합금화와 레이저 클래딩의 차이점은 레이저 합금화의 경우 첨가된 합금 원소와 기재의 표면층을 액체 상태에서 완전히 혼합하여 합금화층을 형성하는 반면, 레이저 클래딩은 사전 도포층을 완전히 용융시키고 기재의 표면층은 약간만 용융시켜 클래딩층의 조성을 기본적으로 유지하면서 클래딩층과 기재 재료가 금속학적 결합을 형성하도록 하는 것입니다.

4 레이저 용융 티타늄 판의 제조

레이저 용융은 고에너지 밀도의 레이저 빔을 사용하여 공작물 표면을 주사하고, 표면의 얇은 층을 용융한 후 매우 빠른 냉각 속도로 응고시키는 것을 의미합니다. 레이저 용융을 통해 금속 재료 표면에 높은 경도, 높은 내구성 및 우수한 고온 성능을 지닌 개질층을 형성하면서 부품의 심부는 여전히 우수한 인성을 유지할 수 있습니다. 그 결과 부품은 우수한 내식성, 높은 충격 인성 및 높은 피로 강도의 특성을 갖게 됩니다. 레이저 용융은 국부적인 급속 응고 비평형 물리 야금 공정입니다. 이 방법은 높은 출력 밀도, 작은 공작물 변형 및 간단한 공정이라는 특징을 지닙니다. 특히 레이저 용융 응고 계면의 온도 구배는 103K/mm에 달할 수 있고 응고 속도는 초당 수 미터에 달할 수 있어 초미세 조직과 구조를 얻을 수 있습니다. 따라서 최근 몇 년 동안 레이저 용융 기술은 금속 표면 개질 기술에 널리 사용되어 왔으며, 티타늄 합금 표면에도 적용되고 있습니다.

5 레이저 표면 균열 문제의 해결

티타늄 합금 레이저 표면 개질 기술은 현재 널리 사용되고 있지만, 공정 측면에서는 여전히 해결해야 할 문제가 많습니다. 첫 번째는 레이저 표면 개질 균열 문제입니다. 또한 레이저 가공 결과의 재현성, 특히 세라믹 분말을 사용하는 레이저 합금화 및 레이저 클래딩 결과의 낮은 재현성도 주요 문제입니다.

5.1 레이저 표면 개질 레이저 빔 공정 매개변수 레이저 표면 개질 공정 매개변수에는 주로 레이저 출력, 스폿 크기, 주사 속도, 중첩률 및 레이저 빔 에너지 분포 등이 포함되며, 이들은 개질층의 품질에 영향을 미칩니다. 레이저 빔의 에너지 분포는 레이저 빔 모델로 설명되며, 주로 가우시안 모델, 다중 모델, 직사각형 모델 및 오목 상단 모델의 네 가지 모델이 있습니다. 가우시안 빔은 절단 및 용접 응용에 가장 적합하지만 레이저 표면 개질에는 적합하지 않습니다. 이는 기지 깊숙한 곳에서 기화와 용융을 일으키기 쉽습니다. 여러 레이저를 사용하여 개질할 때에는 개질층이 겹치는 부분에서 붕괴 및 기공과 같은 심각한 결함이 쉽게 발생합니다. 평탄하고 고성능인 개질층을 얻으려면 최상의 조합을 달성할 수 있도록 이러한 매개변수를 종합적으로 최적화해야 합니다.

5.2 개질 중 나노 밀도 및 균열 형성 메커니즘
티타늄 합금의 레이저 표면 개질은 급속 용융 및 응고의 야금 공정입니다. 레이저 가공 중에는 열전달, 물질전달, 대류, 확산 및 상변화와 같은 복잡한 물리적·화학적 현상이 발생합니다. 개질층 표면과 개질층 및 기지 사이의 천이 영역에서는 균열이 매우 쉽게 발생합니다. 균열과 같은 내부 결함은 개질층의 품질에 심각한 영향을 미칩니다. 따라서 레이저 개질 중 균열 발생 메커니즘은 여러 국가의 연구자들에게 중요한 연구 주제가 되었습니다. 많은 학자들이 레이저 개질 중 균열 제어 방법을 제안했으며, 주로 레이저 개질 공정 매개변수 최적화, 개질층 재료 조정, 첨가제를 사용한 레이저 개질층 개질, 레이저 개질 중 티타늄 합금 기재의 예열 및 서냉, 레이저 개질 중 초음파 진동 도입 등이 포함됩니다. 연구에 따르면 레이저 클래딩 중 초음파 진동을 도입하면 액체 용융 풀의 유동성을 향상시켜 기포가 빠르게 빠져나가고 조직 분포가 더욱 균일해질 수 있습니다. 응고 과정에서 초음파 진동을 가하면 성장 중인 수지상정을 분쇄하고 용융물의 여러 부분으로 분산시켜 균일하게 분포된 작은 핵을 형성할 수 있습니다. 또한 초음파 진동은 액체가 수지상정 사이의 기공을 보충하기 쉽게 하여 수축공을 줄이고 인장 응력의 원인을 일부 제거하는 데 도움이 되므로 재용융층의 균열을 줄일 수 있습니다. 용융 풀에서 초음파의 공동화 및 교반 효과는 용융 풀의 온도를 균일하게 하고 용융 풀의 응고 상태를 개선하며 잔류 열응력과 균열 민감도를 낮출 수 있습니다.

5.3 복합 구배 코팅
단일 레이저 표면 개질 기술이 발전하는 동시에 두 가지 이상의 표면 개질 기술을 통합한 복합 레이저 표면 개질 기술도 빠르게 발전하고 있습니다. 복합 레이저 표면 개질 기술은 티타늄 합금의 표면 특성을 향상시킬 뿐만 아니라 개질층의 표면 형태를 개선하고 균열 발생을 줄일 수 있습니다. Golbeeiwski M 등은 글로 방전 플라즈마 질화와 레이저 재용융을 통해 티타늄 합금 기재에 TiN과 Ti2N을 포함하는 복합 구배 코팅을 제조했으며, 티타늄 합금의 표면 특성을 크게 향상시켰습니다. Yilbas B.S. 등은 PVD 기술을 사용하여 레이저 질화된 티타늄 합금에 TiN을 증착했으며, 형성된 TiN 막층과 티타늄 기재의 결합 강도 및 전단 강도가 PVD 기술만으로 제조한 막층에 비해 크게 향상되었음을 확인했습니다.

5.4 플라즈마 분사 나노복합 세라믹 코팅의 구조적 특성
나노 재료는 특수한 구조로 인해 일반 재료에서는 얻기 어려운 우수한 특성을 지니며, 이는 티타늄 합금 레이저 표면 개질층의 성능 향상에 유리한 조건을 제공합니다. 나노 분말과 레이저 표면 개질 기술을 결합하여 티타늄 합금 표면에 나노 구조를 포함하는 표면 복합 개질층을 제조하면 티타늄 합금 표면의 기계적·물리적·화학적 특성을 변화시키고, 티타늄 합금 표면에 새로운 기능을 부여하여 재료 표면 개질과 기능화를 결합하는 목적을 달성할 수 있습니다.

레이저 표면 개질은 티타늄 합금 표면 처리에 이상적인 기술로, 모든 국가에서 큰 관심을 받고 있습니다. 특히 군사, 항공우주, 자동차, 의료 및 기타 분야에서 티타늄 합금의 사용이 확대되면서 이 분야의 연구개발 작업에 대한 관심도 더욱 커지고 있습니다. 해외의 티타늄 합금 레이저 표면 개질 기술 연구와 비교하면 중국의 관련 이론 및 실험 연구는 늦게 시작되었으며, 실제 적용 사례도 여전히 적습니다. 장비, 공정, 재료 및 기초 연구 측면에서 큰 격차가 존재합니다. 티타늄 합금 응용 분야의 발전을 더욱 확대하기 위해서는 티타늄 합금 레이저 표면 개질 기술에 대한 연구를 시급히 수행해야 합니다.