이번글에서는 Ti-6Al-4V 합금에 대해 알아보려고 합니다. Ti-6Al-4V은 열간 압연을 통해 21.6mm 두께의 판재로 제조되었습니다. 세 가지 미세구조 조건(AR, AC, FC)에서 시험이 진행되었습니다. AR은 압연 상태, AC는 공냉 후 이중 미세구조, FC는 로냉 후 밀 어닐링 상태를 나타냅니다.
Ti-6Al-4V 기계적 시험
준정적 및 동적 압축 시험
준정적 압축 시험은 0.001/s와 0.1/s의 변형률 속도로 실온, 100°C, 200°C에서 수행되었습니다. 동적 압축 시험은 SHPB(Split Hopkinson Pressure Bar) 장치를 사용하여 600/s와 2000/s의 변형률 속도로 실시되었습니다.
탄도 시험
VPAM 시험 레벨 9 인증 요구사항에 따라 .308 Winchester 탄환을 사용하여 탄도 시험이 수행되었습니다. v50 탄도 한계 속도를 결정하기 위해 관통 확률 50%에 해당하는 속도를 통계적으로 계산했습니다.
유한요소 시뮬레이션
Johnson-Cook 구성 모델을 기반으로 한 유한요소 시뮬레이션이 구축되었습니다. 이 모델은 변형 경화, 변형률 속도 민감도, 열 연화 효과를 고려합니다. 시뮬레이션 결과는 실제 탄도 시험 결과와 비교되었습니다.
미세구조 특성 분석
변형 및 손상 메커니즘
주요 변형 및 손상 메커니즘으로 단열 전단 밴드(ASB) 형성과 기계적 쌍정이 관찰되었습니다. ASB 내부에서는 나노결정 구조가 형성되었으며, 인접 영역에서는 변형에 의한 결함 밀도 증가가 확인되었습니다.
금속간 화합물(IMP) 형성
탄도 충격 크레이터 주변에서 Ti, Fe, Al을 주성분으로 하는 금속간 화합물 층이 발견되었습니다. 이는 Ti-6Al-4V 판재와 강철 탄심 사이의 공융 반응으로 인해 형성된 것으로 추정됩니다.
충격 온도 분석
실험 및 시뮬레이션 결과를 종합하여 충격 시 발생하는 최대 온도를 추정했습니다. 국부적으로 Ti-Fe 이원계의 공융점(약 1085°C)을 초과하는 온도가 발생하여 용융 현상이 일어난 것으로 판단됩니다.
Ti-6Al-4V 합금의 특징
Ti-6Al-4V 합금은 가장 널리 사용되는 티타늄 합금 중 하나로, 우수한 기계적 특성과 내식성을 가지고 있습니다. 이 합금의 주요 특징은 다음과 같습니다:
- 높은 강도 대 중량비: Ti-6Al-4V는 경량이면서도 높은 강도를 가지고 있어 항공우주 및 자동차 산업에서 널리 사용됩니다.
- 우수한 내식성: 표면에 형성되는 안정적인 산화막으로 인해 다양한 환경에서 뛰어난 내식성을 보입니다.
- 생체 적합성: 인체에 무해하여 의료용 임플란트 등에 사용됩니다.
- 열처리 가능성: 열처리를 통해 기계적 특성을 조절할 수 있습니다.
- 넓은 온도 범위에서의 안정성: 저온에서 고온까지 안정적인 성능을 유지합니다.
- 용접성: 다른 티타늄 합금에 비해 상대적으로 용접이 용이합니다.
이러한 특성으로 인해 Ti-6Al-4V 합금은 항공우주, 자동차, 의료, 해양 등 다양한 산업 분야에서 중요한 재료로 사용되고 있습니다.
산업 적용 동향
Ti-6Al-4V는 현재 가장 널리 사용되는 티타늄 합금으로, 다음과 같은 산업 분야에서 광범위하게 적용되고 있습니다:
항공우주 산업
- 항공기 엔진 부품
- 기체 구조물
- 우주 발사체 부품
의료 산업
- 인공 관절
- 치과 임플란트
- 의료 기기
자동차 산업
- 고성능 차량의 엔진 부품
- 서스펜션 부품
해양 산업
- 선박 프로펠러
- 해양 구조물
스포츠 용품
- 골프 클럽 헤드
- 자전거 프레임
장점
- 높은 비강도: 밀도가 낮으면서도 강도가 높아 경량화에 유리
- 우수한 내식성: 표면에 안정적인 산화막 형성으로 부식 저항성 우수
- 생체 적합성: 인체에 무해하여 의료용 임플란트에 적합
- 넓은 온도 범위에서의 안정성: 저온에서 고온까지 안정적인 성능 유지
- 우수한 피로 저항성: 반복적인 하중에 대한 저항성이 뛰어남
단점
- 높은 가격: 원재료 및 가공 비용이 높아 상대적으로 고가
- 가공의 어려움: 높은 강도로 인해 기계 가공이 어려움
- 용접의 복잡성: 특수한 용접 기술이 필요하며 용접부 품질 관리가 중요
- 산소와의 반응성: 고온에서 산소와 쉽게 반응하여 취성이 생길 수 있음
- 제한적인 내마모성: 다른 고강도 합금에 비해 마모 저항성이 낮음
시뮬레이션과 실험 결과 비교
FE 시뮬레이션은 v50 값을 최대 3% 오차 범위 내에서 예측했으나, 전반적으로 탄도 한계 속도를 과대평가하는 경향을 보였습니다. 이는 미세구조 변형의 특정 손상 메커니즘을 모델에 완전히 반영하지 못했기 때문으로 추정됩니다.
결론
- 압축 시험에서는 미세구조의 영향이 미미했으나, 이중 미세구조(AC) 시편이 다른 조건에 비해 낮은 항복점과 강도를 보였습니다.
- 탄도 시험에서 FC 시편이 가장 우수한 성능을 보였습니다. v50 값의 차이는 크지 않았으나, FC 조건에서 관통 확률의 표준편차가 가장 낮아 저속 탄환에 대한 방호 안전성이 높았습니다.
- FE 시뮬레이션은 v50을 최대 3% 오차 범위 내에서 예측했으나, 전반적으로 과대평가하는 경향을 보였습니다. 이는 미세구조 변형의 특정 손상 메커니즘을 모델에 완전히 반영하지 못했기 때문으로 추정됩니다.
- 미세구조 분석 결과, 단열 전단 밴드 형성과 기계적 쌍정이 주요 변형 메커니즘으로 확인되었습니다. 탄도 시험 시편에서는 추가로 금속간 화합물 형성이 관찰되었습니다.
- 충격 시 발생하는 최대 온도가 Ti-Fe 이원계의 공융점을 초과하여 국부적인 용융 현상이 일어난 것으로 판단됩니다. 이는 탄도 성능에 영향을 미치는 중요한 요인으로 작용했을 것으로 추정됩니다.
이 연구는 Ti-6Al-4V 합금의 탄도 성능에 대한 미세구조의 영향을 종합적으로 분석했으며, 실험과 시뮬레이션을 통해 충격 시 발생하는 복잡한 변형 및 손상 메커니즘을 규명했습니다. 향후 연구에서는 이러한 메커니즘을 더욱 정확히 모델링하여 시뮬레이션의 정확도를 높이는 것이 과제가 될 것입니다.
이번 글에서는 Ti-6Al-4V 합금에 대해 알아보았습니다. 티타늄은 가격이 비싸 자동차 산업에 쉽게 쓰이지는 못하지만 항공, 의료기기 등 다양한 분야에 적용 중이며 현재 고급 세단 차종에 대해 일부 적용이 검토 되고 있습니다.
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