티타늄 Ti6Al4V ELI 분말
티타늄 Ti6Al4V ELI 분말은 항공우주, 의료, 자동차 및 특수 응용 분야에서 고성능 적층 제조 부품을 가능하게 하는 틈새 시장을 개척했습니다. 맞춤형 조성을 통해 티타늄 합금의 강도, 내파괴성 및 생체 적합성 이점을 유지하면서 유해한 불순물을 최소화합니다.
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목차
개요
티타늄 Ti6Al4V ELI 분말은 항공우주, 의료, 자동차 및 기타 까다로운 산업 전반에서 3D 프린팅, 적층 제조 및 금속 사출 성형 분야에 널리 사용되는 고성능 티타늄 합금입니다.
Ti6Al4V ELI는 표준 Ti6Al4V에 비해 산소, 질소, 탄소, 철의 함유량이 적은 5등급 티타늄의 "초저간극" 변형을 말합니다. 그 결과 연성, 파단 인성, 피로 강도 및 고온 크리프 저항성이 향상됩니다.
금속 분말 공급원료인 Ti6Al4V ELI는 분말 베드 융합 및 지향성 에너지 증착 3D 프린팅을 사용하여 복잡한 형상과 경량의 고강도 구조물을 제작할 수 있습니다. 기존의 단조 또는 주조 Ti6Al4V 부품에 필적하는 미세한 표면 마감과 기계적 특성을 가진 부품을 생산할 수 있습니다.
아래에서는 구성, 특성, 사양, 가격, 응용 분야, CP 티타늄 및 스테인리스 스틸 파우더와 같은 대체품과의 비교를 포함하여 Ti6Al4V ELI 파우더에 대해 자세히 살펴봅니다.
구성
티타늄 Ti6Al4V ELI 분말의 공칭 성분은 다음과 같습니다:
| 요소 | 무게 % |
|---|---|
| 알루미늄(Al) | 5.5 – 6.75 |
| 바나듐(V) | 3.5 – 4.5 |
| 산소(O) | <= 0.13 |
| 질소(N) | <= 0.05 |
| 탄소(C) | <= 0.08 |
| 수소(H) | <= 0.0125 |
| 철(Fe) | <= 0.25 |
| 티타늄(Ti) | 잔액 |
주요 합금 원소인 알루미늄과 바나듐은 열처리 시 고용체 강화 및 침전물 경화 메커니즘을 통해 티타늄 매트릭스를 강화하는 역할을 합니다.
ELI 변형은 고온에서 연성 및 파괴 저항성에 미치는 해로운 영향을 최소화하기 위해 O, N, C, Fe와 같은 간질성 불순물을 엄격하게 제어합니다.
속성
사전 합금된 분말 형태의 Ti6Al4V ELI 합금의 몇 가지 주요 특성은 다음과 같습니다:
기계적 특성
| 속성 | 가치 |
|---|---|
| 인장 강도 | ≥ 895MPa(130ksi) 이상 |
| 수율 강도 | ≥ 825MPa(120ksi) 이상 |
| 신장 | ≥ 10% |
| 경도 | 334 HV(32 HRC) |
물리적 속성
| 속성 | 가치 |
|---|---|
| 밀도 | 4.43g/cm3 |
| 융점 | 1604 - 1660°C(2920 - 3020°F) |
| 열 전도성 | 6.7 W/m-K |
| 전기 저항 | 170 - 190 μΩ-cm |
인쇄 속성
| 속성 | 가치 |
|---|---|
| 인쇄 프로세스 | 레이저 - PBF, EBM<br>아크 - DED |
| 입자 크기 | 15 - 45 μm |
| 겉보기 밀도 | ≥ 2.7g/cm3 이상 |
| 유량 | ≥ 30초/50g 이상 |
서비스 조건
| 속성 | 가치 |
|---|---|
| 최대 서비스 온도 | 400 - 500°C(750 - 930°F) |
| 내식성 | 전반적으로 우수 |
| 용접성 | 우수 |
| 열처리 가능성 | 솔루션 트리트먼트 + 나이 |
애플리케이션
티타늄 Ti6Al4V ELI 합금 분말의 고유한 특성으로 인해 다음과 같은 용도에 적합합니다:
항공우주
- 구조용 브래킷, 하우징, 엔진 부품
- 기체 및 헬리콥터 부품, 날개, 동체
- 우주선 추진 시스템, 추력 노즐
의료 및 치과
- 정형외과 임플란트 - 고관절, 무릎, 척추 고정술
- 치과 임플란트, 크라운, 브릿지, 어버트먼트
자동차
- 커넥팅 로드, 밸브, 터보차저 휠
- 모터스포츠 장비 - 엔진 블록, 브레이크 캘리퍼
화학
- 원자로 용기, 열교환기, 파이프, 탱크
- 펌프, 밸브, 리액션 타워, 스크러버
기타
- 스포츠 용품 - 자전거, 골프 클럽, 프레임
- 방어 - 장갑차, 방탄판
- 에너지 - 웰헤드 구성 요소, 유체 엔드 부품
다음 표에는 금속 적층 제조 기술을 사용하여 제조된 Ti6Al4V ELI 부품의 몇 가지 일반적인 응용 분야가 요약되어 있습니다:
| 산업 | 애플리케이션 | 혜택 |
|---|---|---|
| 항공우주 | 터빈 블레이드, 엔진 브래킷 | 무게 절감, 성능 향상 |
| 바이오메디컬 | 고관절, 두개골 임플란트 | 생체 적합성, 골유착성 |
| 자동차 | 커넥팅 로드, 브레이크 캘리퍼 | 경량화, 맞춤형 지오메트리 |
| 에너지 | 유체 엔드 부품, 웰헤드 구성품 | 내식성, 재고 감소 |
Ti6Al4V ELI 분말을 사용한 적층 제조는 그 가치를 인정받고 있습니다:
- 무게 감소 - 강철, 니켈 합금 대비 경량화
- 부품 통합 - 필요한 패스너, 용접 횟수 감소
- 맞춤형 지오메트리 - 토폴로지 최적화
- 폐기물 감소 - 원자재 사용 최소화
- 적시 생산 - 리드 타임 단축
사양
티타늄 Ti6Al4V ELI 분말 제품은 다음 사양을 준수하여 사용할 수 있습니다:
| 표준 | 유형/등급 지정 | 구성 제한 |
|---|---|---|
| ASTM F2924 | Ti6Al4V ELI | ASTM F136에 따른 O, Fe, N, C 제한 사항 |
| ASTM F3001 | 23등급 ELI | Al, V, O, N, C 범위 |
| ISO 23377 | Ti6Al4V ELI | O, N, C, H 한도 |
ASTM B214를 준수하는 인기 있는 사이즈 등급은 다음과 같습니다:
| 등급 | 입자 크기(μm) | 산소 함량(%) |
|---|---|---|
| -100+325 메시 | 45 - 149 | 0.08 - 0.13 |
| -200 메쉬 | ≤ 75 | ≤ 0.14 |
| -325 메쉬 | ≤ 45 | ≤ 0.12 |
고해상도 인쇄에는 10μm 이하의 미세한 입자 크기도 사용할 수 있습니다.
공급업체 및 가격
아래는 Ti6Al4V ELI 분말의 주요 글로벌 공급업체와 킬로그램당 일반적인 가격(USD)을 나타낸 표입니다:
| 공급업체 | 가격($/kg) |
|---|---|
| AP&C | $275 – $325 |
| 목수 첨가제 | $250 – $300 |
| GKN 회가나에 | $290 – $380 |
| 프렉스에어 | $310 – $350 |
| 샌드빅 오스프리 | $280 – $335 |
2024년 기준 평균 가격은 ASTM F2924 또는 AM 용도에 맞게 조정된 유사한 사양을 충족하는 Ti6Al4V ELI 분말의 경우 약 $300/kg입니다.
프리미엄 등급인 ELI 파우더는 표준 Ti6Al4V 파우더(~$150-$200/kg)에 비해 거의 100%의 가격 프리미엄이 붙습니다.
가격에 영향을 미치는 요소에는 주문량, 입자 크기 분포, 삽입물 함량, 형태, 겉보기 밀도, 흐름 특성 등이 있습니다.
비교
Ti6Al4V ELI와 Ti6Al4V 비교
- 초저간극(ELI) 변형은 더 순수하고, 더 연성이며, 더 견고하고, 일관성이 있습니다.
- ELI 등급은 산소, 질소, 탄소, 철분 수치가 낮습니다.
- Ti6Al4V ELI는 Ti6Al4V 파우더보다 약 100% 더 비쌉니다.
- 그 외의 특성은 매우 유사하며, 대부분의 용도에 적합한 성능을 제공하는 Ti6Al4V입니다.
- 항공우주와 같은 산업에서는 제트 엔진이나 기체에서 중요한 회전 부품에 대해 ELI 등급을 의무화하고 있습니다.
Ti6Al4V ELI 대 CP 티타늄 등급 2
- Ti6Al4V ELI는 인장 및 항복 강도가 50% 이상 증가하여 강도가 더 높습니다.
- CP 티타늄의 생체 적합성과 내식성을 그대로 유지합니다.
- 합금을 추가하면 Ti6Al4V의 성형성은 떨어지지만 열처리를 통해 강화할 수 있습니다.
- CP Ti 2등급은 경도가 낮고 사용 시 마모가 빠르지만 가격이 저렴합니다.
- 두 가지 모두 고관절 및 무릎 교체와 같은 정형외과용 임플란트에 널리 사용되는 소재입니다.
Ti6Al4V ELI 대 스테인리스 스틸 316L
- Ti6Al4V ELI는 316L 강철의 절반에 가까운 낮은 밀도를 가지고 있어 무게가 가볍습니다.
- 낮은 밀도 덕분에 2~3배 높은 비강도를 제공합니다.
- 강철은 가공하기 쉽고 저렴하지만 부식 문제의 영향을 받습니다.
Ti6Al4V ELI 대 인코넬 718
- 인코넬 718은 어닐링된 Ti6Al4V ELI 합금보다 인장 강도가 50% 이상 높습니다.
- 그러나 인코넬은 밀도가 거의 두 배나 높기 때문에 강도의 이점을 대부분 무효화합니다.
- Ti6Al4V ELI는 최대 300°C의 높은 온도에서 강도를 더 잘 유지합니다.
- 인코넬 718은 최대 700°C까지 내 산화성을 제공하지만 가공이 훨씬 어렵습니다.
- 니켈 합금과 티타늄 분말은 모두 항공우주 엔진과 기체 부품에 널리 사용됩니다.
Ti6Al4V ELI와 코발트 크롬(CoCr) 비교
- 생체 적합성 금속 합금인 CoCr은 무릎 및 고관절 교체와 같은 의료용 임플란트에서 Ti6Al4V ELI와 경쟁합니다.
- Ti6Al4V ELI는 강도, 연성 및 파단 인성의 이상적인 조합을 제공합니다.
- 시간이 지남에 따라 더 나은 골유착과 뼈의 성장을 촉진합니다.
- CoCr 합금은 금속 이온 침출 문제로 인해 염증 위험을 초래할 수 있습니다.
- 정형외과용 하중 지지 임플란트에는 Ti6Al4V ELI가 선호되는 반면, 치과용 임플란트에는 CoCr이 더 많이 사용되고 있습니다.
장단점
티타늄 Ti6Al4V ELI의 장점:
- 뛰어난 중량 대비 강도 비율
- 낮은 밀도는 부품 경량화로 이어집니다.
- 고온에서 물성 유지
- 열악한 환경에서도 부식에 강함
- 생체 불활성 - 인체 조직에 의한 거부 반응 방지
- 분말 공급 원료로 3D 프린팅을 사용하여 복잡하고 최적화된 형상을 구현할 수 있습니다.
- 산업 전반에 걸친 광범위한 애플리케이션
단점:
- 강철 또는 알루미늄 분말보다 비싸다
- 니켈 합금보다 인장 및 피로 강도가 낮습니다.
- 낮은 경도 및 내마모성을 위해 코팅이 필요합니다.
- 고온에서 산소와의 반응성
- 다른 금속에 비해 열 및 전기 전도성이 낮습니다.
결론
티타늄 Ti6Al4V ELI 파우더는 항공우주, 의료, 자동차 및 특수 응용 분야에서 고성능 적층 제조 부품을 구현할 수 있는 틈새 시장을 개척했습니다.
티타늄 합금의 강도, 내파괴성 및 생체 적합성의 이점을 유지하면서 해로운 불순물을 최소화하는 맞춤형 구성입니다.
부품 설계의 자유로움, 신속한 프로토타이핑, 폐기물 감소, 재고 절감으로 Ti6Al4V ELI의 시장이 더욱 확대되고 있습니다.
금속 적층 가공이 성숙해짐에 따라 항공우주 분야를 넘어 임플란트, 모터스포츠 부품, 유체 처리 하드웨어 등에도 폭넓게 적용될 것으로 예상되며, 단조 및 가공과 같은 기존 기술에 비해 비용 장벽이 해소되어야 합니다.
자주 묻는 질문
Q: Ti6Al4V 분말에 대한 ELI 지정은 무엇을 의미하나요?
A: ELI는 연성 및 파단 인성을 향상시키기 위해 O, N, C, H 불순물을 더욱 엄격하게 제어하는 "엑스트라 로우 인터스티셜"의 약자입니다.
Q: Ti6Al4V ELI는 의료용 또는 항공우주용으로 승인되었나요?
A: 예, ASTM F2924, ISO 23377과 같은 주요 표준 기관에서는 인체 이식용 또는 비행에 필수적인 애플리케이션에 대해 Ti6Al4V ELI 성분을 인정하고 있습니다.
Q: Ti6Al4V ELI 파우더는 열간 등방성 프레스(HIP) 후처리가 필요합니까?
반드시 그렇지는 않습니다. 오늘날의 AM 장비는 HIP 없이도 주조/단조 속성에 필적하는 99% 이상의 고밀도 Ti6Al4V 구조를 구현할 수 있습니다.
Q: 3D 프린팅된 Ti6Al4V ELI 부품을 열처리 및 노화 경화할 수 있나요?
A: 예, 용액 처리 후 에이징을 통해 60+ HRC로 침전물을 경화하여 1,200+ MPa의 최종 인장 강도를 달성할 수 있습니다.
Q: Ti6Al4V ELI 파우더 재사용이 프린트된 부품의 특성에 어떤 영향을 미칩니까?
A: 재사용된 파우더는 산소 흡착이 증가하여 연성이 저하될 수 있으므로 중요한 용도로는 새 파우더를 사용하는 것이 좋습니다.
Q: Ti6Al4V ELI 용접에 불활성 가스 차폐가 필요합니까?
A: 예, 고순도 아르곤 차폐로 변색과 취성을 방지하며 헬륨 혼합물도 사용됩니다.
