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May 21, 2024

새로운 HPWF 공정은 화씨 520도(섭씨 270도) 및 20,000PSI(1,400bar)에서 Ti6Al4V로 항공우주 부품을 성형하는 데 사용되었습니다.

시장 데이터에 따르면 신형 항공기의 티타늄 사용량이 크게 증가한 것으로 나타났습니다. 판매량은 5년 내에 3배 증가할 것으로 예상됩니다(글로벌 항공우주 성장은 티타늄 확장 궤적 사이드바 참조).

항공우주 등급 티타늄을 형성하는 새롭고 더 빠르고 효과적인 방법이 필요합니다.

항공기 제조에 티타늄 사용이 증가하는 데는 그럴 만한 이유가 있습니다. 티타늄 합금은 가볍고 내식성이 뛰어나며 극한의 온도를 견딜 수 있습니다. 그러나 원자재의 높은 가격과 현재의 성형 방법으로 인해 티타늄 합금의 상업적 사용은 항공기, 우주선, 터빈, 의료 기기 및 기타 응력이 심한 구성 요소의 좁은 전문 응용 분야로 제한되었습니다.

상업용 순수라고도 불리는 티타늄 등급 1~4는 실온에서 성형이 가능합니다. 그러나 등급 5인 티타늄/6% 알루미늄/4% 바나듐(Ti6Al4V)은 현재 항공기 설계에서 더 일반적으로 선호되는 등급입니다. 현재 Ti6Al4V에는 1,300~1,650°F(700~900°C)의 온도에서 수행되는 밀링 또는 열간 성형 공정과 같은 제조 방법이 필요합니다.

이러한 각 방법의 고유한 단점은 비용이 많이 든다는 것입니다. 밀링 시 높은 스크랩률(50~70%)과 티타늄 자체의 높은 가격으로 인해 티타늄의 광범위한 사용이 심각하게 제한되었습니다. 마찬가지로, 열간 성형 공정은 시간이 많이 걸리고 비용이 많이 드는 툴링이 필요할 수 있습니다. 따라서 항공우주 산업의 티타늄 채택은 처음 예상보다 느리게 진행되어 제조업체가 티타늄의 이점을 완전히 실현하지 못하고 있습니다.

새로 도입된 기술인 HPWF(고압 온간 성형)는 열간 성형, 핫 스탬핑 및 초소성 성형보다 낮은 온도에서 항공우주 등급 시트 티타늄을 성형하기 위해 개발되었습니다.

고압 유체 셀 프레싱 기술은 전 세계적으로 수십 년 동안 항공우주 부품을 제조하기 위해 상업적으로 사용되어 왔습니다. 현대화된 도구 설계와 결합된 압력 용량의 발전으로 기체 산업은 이 냉간 성형 공정을 사용하여 증가하는 수요에 보조를 맞출 수 있었습니다. 증가된 압력은 부품을 최종 형태로 성형하는 능력을 제공하여 손으로 교정해야 하는 의존성과 중간 열처리의 필요성을 모두 제거했습니다.

지속적인 개선에 맞춰 고압 유체 셀 공정은 이제 고온에서 고압 공정을 적용하여 더욱 발전했습니다. 이러한 고압과 열의 조합은 성형 속도를 높이고 비용을 절감하며 Ti6Al4V 성형 정밀도를 향상시킵니다.

이 새로운 접근 방식은 블랭크와 공구 세트가 프레스에 들어가기 직전에 화씨 520도(섭씨 270도) 정도까지 가열하는 유도 가열 시스템을 도입합니다. 필요한 HPWF 온도는 열간 성형에 필요한 범위보다 현저히 낮습니다. 평방 인치당 20,000파운드(PSI) 또는 140메가파스칼(MPa)의 압력에서 작동하는 유체 셀 프레스에는 HPWF 공정에 중요한 매개변수를 충족하는 측정, 제어 및 추적 기능이 탑재되어 있습니다.

HPWF 공정으로 생산된 부품에 대한 제3자 분석에 따르면 성형 매개변수가 필수 공차 내에 있는 것으로 나타났습니다.

그림 1 Ti6Al4V, t = 2.0mm로 형성된 부품의 스프링백 분석에서는 HPWF가 감소하는 것으로 나타났습니다. 이미지 제공: 스코틀랜드 글래스고 고급 성형 연구 센터

2017년 말과 2018년 초 스코틀랜드 글래스고에 있는 Strathclyde 대학의 AFRC(Advanced Forming Research Center)에서 완료한 연구에 따르면 HPWF를 거친 부품의 성형 후 스프링백 편차는 0.5mm 미만인 것으로 확인되었습니다(그림 1 참조). 프로세스의 유연성으로 인해 다이 설계의 스프링백 제어가 가능하므로 재료 스프링백에 대한 보상이 프로세스에 통합될 수 있다는 점에 유의해야 합니다. 이는 최종 형태의 부품을 직접적인 결과로 만듭니다. 일관된 스프링백 정도는 부품 모양, 재료 두께 및 후속 공정 매개변수와 관련이 있습니다. 사용된 압력 수준은 중요한 영향을 미치는 것으로 보입니다.