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Jul 14, 2023

항공우주용 연삭 솔루션

항공기 제조업체는 연료를 더 많이 소모하는 새로운 엔진 스타일에 중점을 두고 있습니다.

항공기 제조업체는 연료를 보다 경제적으로 연소하는 새로운 엔진 스타일에 중점을 두고 있습니다. 이 새로운 희박 연소 엔진은 오늘날의 니켈 기반 초합금 엔진 부품의 안전한 작동 수준을 훨씬 초과하는 온도에서 작동합니다. 결과적으로, 이전 소재보다 더 높은 열 안정성이나 특정 크리프 특성, 더 낮은 밀도(3.9~4.1g/cm3) 및 더 높은 비강도를 갖는 티타늄 알루미나이드(TiAl)와 같은 새로운 소재가 등장하고 있습니다.

이러한 합금은 또한 높은 비항복 강도(항복 강도/밀도), 높은 비강성(탄성률/밀도), 우수한 내산화성, 티타늄 화재에 대한 저항성 및 고온에서의 우수한 피로 특성을 갖습니다. 예를 들어, TiAl은 최대 760°C(1,400°F)에서 초합금과 동등한 강도를 갖지만 TiAl의 밀도(4.0g/cm3)는 718 Inconel 밀도(8.2g/cm3)의 절반에도 미치지 못합니다.

항공우주 엔진의 저압 터빈 부분에서 초합금 블레이드를 더 가벼운 TiAl 블레이드로 교체하면 무게가 줄어들고 효율성이 향상됩니다. 블레이드 무게가 감소하면 더 작은 니켈 합금 지지 디스크를 사용할 수 있어 무게가 더욱 줄어듭니다. TiAl 합금은 저압 터빈 단계에서 최대 50%의 중량 감소를 제공하여 추력 대 중량 비율을 개선하고 연료 소비를 줄이며 배기가스 배출을 낮출 수 있습니다.

높은 특정 모듈러스 또는 강성은 씰 지지대 및 라이닝과 같이 간격이 좁은 구성 요소 및 어셈블리에 유용합니다. 또한 높은 특정 모듈러스는 음향 진동을 더 높은 주파수로 이동시켜 다른 구조 영역의 프레팅과 피로를 줄여줍니다. 고온(400°C 또는 752°F 이상)에서 다른 부품과 마찰하는 기존 티타늄 합금은 제트 엔진에서 발화되어 티타늄 화재를 일으킬 수 있습니다. TiAl은 초합금만큼 티타늄 화재에 강하므로 티타늄 화재를 막기 위한 초합금 장벽을 TiAl로 대체할 수 있습니다. 저압(LP) 터빈 블레이드에서 TiAl이 성공한 후 항공우주 엔지니어들은 고압(HP) 압축기 블레이드, 베인 및 블레이드 덤퍼에도 TiAl을 구현하고 있습니다.

그러나 TiAl을 미래 항공기 엔진에 바람직하게 만드는 동일한 특성으로 인해 작업이 어려워집니다. TiAl은 금속 결합과 공유 결합이 혼합된 금속간 화합물입니다. TiAl과 같은 금속간 물질은 금속 특성과 세라믹 특성의 조합을 나타냅니다. 이는 고온 응용 분야에 적합한 고온 강도를 가지지만 일반적으로 실온에서 연성과 인성이 낮고 제조 특성이 좋지 않습니다. 좋은 소식은 이러한 재료를 연구하고 기존 제조 공정을 재정의함으로써 비용 효율적인 솔루션을 얻을 수 있다는 것입니다.

TiAl은 45~50원자%의 알루미늄을 함유하고 있습니다. 실온에서 TiAl 합금은 부서지기 쉬우며 연성은 특정 합금 및 미세 구조에 따라 0.3%~4% 범위입니다.

TiAl의 여러 변형이 상업적으로 이용 가능하며, 다양한 가공 방법에 맞게 조성과 미세 구조가 맞춤화되어 있습니다. 이중 구조의 TiAl은 층상 감마 콜로니와 육각형 알파-2(Ti₃Al) 상이 혼합되어 있습니다. 듀플렉스 TiAl은 실온 연성이 더 좋은 경향이 있지만 크리프 저항은 현재 니켈 초합금의 70%에 불과합니다. 완전 라멜라 및 거의 라멜라에 가까운 감마 티타늄 알루미나이드(γ-TiAl)는 최대 1,000°C의 초합금과 동등한 크리프 특성으로 더 높은 파괴 인성과 균열 전파 저항성을 갖습니다. 입방 베타 TiAl은 더 높은 변형성을 가지므로 베타 응고형 γ-TiAl 합금은 열간 등방압 프레싱, 특수 압출 및 열처리를 거쳐 열간 압연 또는 단조됩니다.

단조, 주조 및 분말 야금을 사용하여 만들어진 거친 γ-TiAl 형상은 기계 가공, 연삭 또는 비전통적인 방법을 통해 필요한 치수, 마감 및 표면 무결성을 충족하는 완성된 형상으로 변환됩니다. 실온 연성 미세 구조와 고온 특성을 달성하는 데 필요한 복잡한 가공 및 열처리로 인해 기존 초합금에 비해 TiAl의 구매-비-플라이 비율이 더 높거나 재료 비용이 높아집니다.