An interest on titanium matrix composites has grown significantly over the past few years. This has been brought about by their unique properties which include high specific strength, specific stiffness and specific fatigue resistance of titanium matrix composites. The requirement for higher structural efficiency provides a motivation for development of titanium nanocomposites for structural material for military and civil applications. Boron is the most efficient stiffener of Ti-6Al-4V alloy. The modulus increase is due to a stiff, strong $TiB_w$ phase that precipitates in situ B addition in titanium matrix. The $TiB_w$ is thermodynamically and thermally stable in Ti-rich alloys, so that mechanical property improvements derived from TiBw are not expected to degrade with extended exposure at elevated temperatures. Other advantages of the $TiB_w$ phase in titanium alloy are that its coefficient of thermal expansion matches that of titanium so that residual stresses are not generated due to thermal cycling, and the density of $TiB_w$ is essentially equal to that of titanium, which eliminates segregation during process.
The in-situ powder metallurgy process is used for $TiB_w/Ti-6Al-4V$ composite due to its ability for microstructural control. $TiB_2$ and Ti-6Al-4V powders are mixed by high energy ball milling process to fabricate $TiB_w/Ti-6Al-4V$ nanocomposite powders, in which $TiB_w$ phases are uniformly distributed in Ti-6Al-4V matrix. $TiB_2$ powders are reacted with Ti-6Al-4V matrix powders and transformed into TiB nano whiskers during spark plasma sintering process via the reaction: Ti + $TiB_2$ =2TiB. This reaction has a slightly negative Gibbs free energy of reaction, $\delta G$, value that assures to fabricate $TiB_w/Ti-6Al-4V$ nanocomposites. $TiB_W$ are homogeneously dispersed and randomly aligned in the Ti-6Al-4V matrix. Aspect ratio of $TiB_W$ is controlled by $TiB_2$ initial particle size and sintering temperature and holding time. $TiB_w/Ti-6Al-4V$ shows clean interface due to in-situ reaction and growth direction of TiB whisker is indicated as [010]. However, lattice mismatch between $TiB_w and Ti-6Al-4V is not always coherent.
Mechanical properties with different sintering temperature, reinforcement volume fraction and size of reinforcement were characterized. Grain size of Ti-6Al-4V matrix also sensitively affects on mechanical properties of nanocomposite. $TiB_w/Ti-6Al-4V$ nanocomposite which is sintered at low temperature has smaller matrix grains and results in a higher strength and hardness. The mechanical properties of $TiB_w/Ti-6Al-4V$ nanocomposite also increased with volume fraction of $TiB_w$ due to high strength and elongated whisker shape of TiB phase. Compressive strength and hardness of 20vol% $TiB_w/Ti-6Al-4V$ nanocomposite are increased almost 2 times and 1.7 times compared with these of Ti-6Al-4V alloy. In addition, the size of $TiB_w$ showed strong effect on mechanical properties of $TiB_w/Ti-6Al-4V$ nanocomposite. Smaller diameter of $TiB_w$ is more effective to increase the tensile and compressive strength. However, tensile elongation of $TiB_w/Ti-6Al-4V$ is very low under 1% due to a high oxygen content of Ti-6Al-4V powders.
티타늄 합금은 비강도(강도/비중)가 높고 내식성이 우수하며 넓은 온도범위에서 우수한 기계적 특성을 나타냄에 따라 항공우주산업, 자동차산업, 화학공업, 의료 분야 등에서 매우 다양하게 적용되고 있다. 그러나 이러한 우수한 특성에도 불구하고 까다로운 생산공정으로 철강, 알루미늄 등 기존의 구조용 소재에 비해 가격이 비싸 현재까지도 광범위한 적용에는 제약을 받고 있다. 한편 군용 항공기, 유도무기 등 경량화가 필수적이고, 상용 제품에 비해 상대적으로 가격요인에 덜 민감한 무기체계에서는 티타늄 합금의 적용비율이 꾸준히 증가하고 있으며, 최근 철강, 알루미늄 합금이 주재료로 이용되던 전차, 장갑차용 구조물 및 부품에도 티타늄 합금의 적용이 시도되고 있다.
복합재료의 제조는 in-situ 반응을 이용한 분말야금공정으로 진행되었다. TiB 휘스커는 소결 과정 중의 $TiB_2$ 분말과 Ti-6Al-4V의 반응에 의하여 생성되었다. 온도 증가에 따른 Boron 원자 확산으로 육각기둥의 TiB 휘스커 상으로 성장하였으며, 기지재와의 in-situ반응으로 인하여 기지재와 강화상은 깨끗한 계면을 이루고 있었으나, 격자배열은 항상 정합을 이루지 않았다.
$TiB_w$ 강화상 크기가 복합재료의 기계적 특성에 미치는 영향을 분석하기 위하여, 초기 $TiB_2$ 입자의 크기를 변화시키면서 초기 500nm, 1㎛, 3㎛의 $TiB_2$ 는 소결 후 aspect ratio 60의 115nm, 185nm, 858nm의 $TiB_w$ 로 생성되었다. 세 종류의 5wt% $TiB_2$ 를 첨가한 소결체를 제작하였다. 경도, 압축강도 모두 115nm $TiB_w$ 강화상의 복합재료가 762Hv, 2420MPa의 높은 경향을 나타내었고, 이는 작은 휘스커 강화상의 응력분산 효과와 전위 진행의 억제효과에 따른 것이다. 하지만 취성파괴로 인해 매우 낮은 인장강도 값을 나타내었다. 이는 기지재 내의 높은 산소함량과 휘스커 강화재의 무질서한 배열 때문이다. 기지재의 산소함량을 최소화 시키고 강화재의 방향성을 통한 인장강도와 연신율 향상이 필요하다. 소결온도에 따른 기계적 특성평가를 위해 1100~1400도에서 소결한 후 경도, 압축강도를 측정하였다. 온도가 높을수록 기지재의 결정립과 강화상의 성장이 발생하였으며, 경도의 경우 최대 80Hv, 압축강도의 경우 400MPa의 차이를 나타냈다. 이러한 경향은 Hall-Petch식과 부합하여 결정립이 크기가 감소함에 따라 경도와 강도가 증가하는 현상을 확인하였다.
TiBw 강화상의 함량이 증가함에 따라 경도, 압축강도, Young's modulus 값도 증가하는 경향을 보였다. 이는 Ti-6Al-4V에 비해 높은 강도를 갖는 세라믹 강화상과의 복합화로 인한 것이며, 10wt% $TiB_2$ 를 첨가했을 때, 최대 1.7배의 경도 증가와 2배의 압축강도 증가 효과를 나타내었다. 강화상 함량에 따른 Young's modulus를 RUS로 측정하여 혼합법칙과 Halpin-Tsai 방법과 비교해보았다. 휘스커 강화재의 방향성과 aspect ratio가 고려된 Halpin-Tsai 방법의 길이방향 modulus 값에 가까운 값을 나타내었으며, 이는 소결과정에서 프레스 압력방향으로 인해 무질서하게 배열되지만 상대적으로 x, y 방향으로의 강화재 배열이 우세하기 때문이다.
