일반기술

저온 초소성 나노 결정립 티타늄 합금 및 이의 제조방법

본 기술은 티타늄 합금재료에 ECAP(equal channel angular pressing) 가공을 수행하여 우수한 특성을 갖는 나노 결정립 티타늄 합금을 제조하는 방법 및 이에 의해 제조된 나노 결정립 티타늄 합금에 관한 것이다. 본 기술에 따른 나노 결정립 티타늄 합금의 제조 방법은, 티타늄 합금재료를 ECAP 장치의 절곡된 채널(channel)에 투입하여 가공한다. 이를 좀더 상세히 설명하면, 본 발명에 따른 나노 결정립 티타늄의 제조 방법은, 티타늄 합금재료를 준비하는 준비 단계, 및 상기 티타늄 합금재료에 등온 조건의 ECAP 가공을 적어도 2회 수행하는 ECAP 가공 단계를 포함한다. 여기서 ECAP 가공 단계에서는, 두번째 이후의ECAP 가공할 때 이전의 ECAP 가공에 대해 상기 채널 투입구의 중심을 지나는 중심축을 기준으로 회전된 상태로 상기 티타늄 합금재료를 투입하여 가공한다.티타늄 합금은 대표적인 경량금속으로 높은 비강도 및 우수한 내식성을 가지므로 항공우주용 재료, 화학공업용 재료, 생체이식 재료 및 스포츠용품 재료 등 다양한 분야에 널리 적용될 수 있다. 이러한 티타늄 합금은 초소성 특성을 구비하므로 초소성 성형을 수행하여 개체 중량 및 가공 비용을 절감시킬 수 있다. 따라서, 티타늄 합금을 각 산업 분야에 적용시 큰 부가가치를 창출할 수 있다. 티타늄 합금은 일반적으로 850 ℃ 이상의 높은 가공온도에서 10-3/초 이하의 가공속도로 가공하여야만 초소성 성형이 가능한 것으로 알려져 있다. 그러나, 초소성 특성은 미세구조에 큰 영향을 받기 때문에 미세한 결정립으로 이루어지는 티타늄 합금은 종래보다 낮은 가공온도 또는 빠른 가공속도에서 초소성 성형이 가능하다. 이에 따라, 나노 기술의 발달과 함께 미세한 결정립을 갖는 티타늄 합금의 제조 방법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 최근 별도의 열처리 없이 심한 소성 가공을 하여 내부에 기공을 발생시키지 않으면서 결정립을 미세화하는 강소성 가공 방법 등이 제시되었다. 이러한 강소성 가공방법으로는 HPT(high pressure torsion), ECAP(equal channel angular pressing) 등이 있다. 그 중 HPT 가공 방법은 높은 압력 하에서 전단 변형하는 방법으로, 이는 상온에서 빠른 속도로 가공이 가능한 반면 재료 크기에 제한이 있고 재료의 두께 및 미세조직이 불균일한 문제가 있다. 현재 학문적으노 많은 연구가 진해되고 있는 ECAP 가공 방법은 L 자형 채널에 재료를 투입하여 재료를 전단변형시키는 방법으로, 기존의 프레스 설비를 이용하여 성형이 가능하며 스케일 업이 가능하여 경제적이다. 또한, 가공량이 증가하더라도 재료의 단면적이 감소하지 않으므로 재료에 큰 변형량을 부여할 수 있다. 그런데, 티타늄 합금은 가공온도가 높고 변형량의 증가에 따라 유동응력이 감소하기 때문에 ECAP 가공 시 표면에 극심한 균열이 발생하는 문제가 있다. 따라서, 이러한 ECAP 가공을 수행하여 나노 미터 수준의 결정립을 가지는 티타늄 합금을 제조하는데 어려움이 있어 본 기술에서는 이를 해결하고자 하였다.