KR100213429B1 - 진공정밀 주조법을 이용한 터보차져용 터빈블레이드 제작방법 - Google Patents

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Description

진공정밀 주조 법을 이용한 터보 차져용 터빈블레이드 제작방법

본 발명은 진공정밀주조법을 이용한 터보차져용 터빈블레이드 제작 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 세라믹 셀 주형을 이용한 진공정밀 주조법(일명로스트왁스법)으로 터보차져용 터빈 블레이드를 제작함에 있어 주조 작업 및 주조 품에서 나타나는 치수 및 형태 변형을 진공정밀주조법내에 포함시켜 우수한 품질의 터빈블레이드를 제작하고자 하는데 그 목적이 있는 것이다.

일반적으로 터보 챠저용 터빈 블레이드는 선박 엔진 실린더의 공기 흡입 압력을 높이기 위해 엔진에서 방출되는 고온, 고압의 부식성 배기 가스가 충돌하여 터빈과 동일 축상에 있는 임펠러를 고속으로 회전시키는 용도의 부품으로 엔진에서 방출되는 배기 가스의 열 에너지가 운동에너지로 변환될 때 이 운동 에너지를 이용하여 샤프트에 회전력을 부여하는 역할을 수행한다.

따라서 터빈 블레이드는 고온(최대 440℃)·고압(압축비 최대 3.5)의 부식성 배기 가스(S, Na, Pb, V 등 함유) 분위기에서 고속(최대 18,000rpm)으로 장시간 사용되어야 하기 때문에 높은 품질과 내구성이 요구되고 부품 특성 상 고도의 치수 정밀도가 요구된다.

그러므로 고온 고응력하의 부식성 분위기에서 작동되므로 내열 강도와 내식성이 우수한 소재인 Ni(니켈)기 초내열합금으로 제작된다.

상기와 같은 Ni 기 초내열합금은 고온 강도의 향상을 위해 알루미늄(AL), 티타늄(TI), 같은 원소를 첨가시켜 제작하는데, 알루미늄과 티타늄 등의 첨가 원소는 대기와의 반응성이 강하므로 합금 원소의 제어가 어려워 진공 용해 및 주조 작업을 행하게 되는 것이다.

터보 차져용 터빈 블레이드도 Ni기 초내열 합금으로 진공 용해 및 주조 작업이 요구되고, 제품의 특성상 높은 표면조도, 입자의 미세화, 엄격한 내부 결함제어 등의 고품질을 필요로 하기 때문에 세락믹 셀 주형을 이용한 진공 정밀 주조 법으로 제작하는 것이다.

터보 챠져용 터빈 블레이드는 상기와 같이 가혹한 조건에서 장시간 사용되어야 하기 때문에 소제 특성뿐만 아니라 치수 정밀도가 높아야 한다. 제품 특성상 에어 포일(날개)의 댐핑 와이어 홀과 원판상의 디스크가 결합되는 루트 부위의 일부분을 제외하고는 기계 가공 없이 주조 상태로 사용되기 때문에 주조 품 상태에서 제품의 치수 허용오차를 만족하는 제작 기술이 필요하게 된다.

치수 허용 오차는 기본 치수, 각도, 라운드, 형상 오차 등 많은 규정이 있으나 특히 주조 상태에서 에어 포일(날개)이 Z축 길이 방향을 기준으로 X,Y방향으로 0.2~0.3mm 이하의 형상 오차범위를 만족시켜야 하기 때문에 주조 시에 발생되는 팽창 및 수축의 응력에 대한 변형 방지, 및 교정기술과 함께 적절한 제작 방법이 필수적으로 요구되며 본 발명들에 대해서는 비 공개되는 주요 기술로 되어 있다.

상기와 같이 정밀을 요구하는 터빈 블레이드를 초기 제작 단계에서부터 치수 및 형태 변형이 발생하게 되면 루트부 가공 등 최종 제작 단계에서는 각 제작 단계에서 발생된 오차가 누적되어 만족하는 부품 제작이 불가능하게 되는 것은 물론 양산용 생산 시스템을 확정할 수 없게 되는 것이다.

이와 같은 진공 정밀 주조 법으로 제작하는 종래의 터빈 블레이드의 제작방법을 간략히 살펴보면 다음과 같다.

진공정밀주조법은 주조하고자 하는 제품과 동일하게 왁스 또는 유사 재료로 모형을 제작한 다음, 왁스 모형 표면에 필러(Filler)와 바인더(Binder)등을 혼합한 슬러기(Slurry)중에 칩적하고, 내화 물을 끼얹는 작업을 수차례 반복하여 주형을 제작한다. 이렇게 제작된 주형은 건조후 주형을 가열하여 주형 내부에 있는 왁스를 제가한 다음 고온에서 주형을 소성하여 주형을 제작한다.

이렇게 제작된 주형을 이용하여 진공 노에서 금속을 용해 및 주입한 다음 주형을 제거하고, 후처리를 거쳐 주조 품을 제작하는 방법이다.

이와 같은 제작 방법을 수행하면 터빈 블레이드가 제작되지만 터빈 블레이드 특성상 고도의 내부 결함 제어 및 기계적 성질뿐만 아니라 높은 치수 정밀도가 요구되는 부품이기 때문에 제작시 가능하면 치수 및 형태 변형이 발생하지 않고, 요구되는 치수 오차 범위를 만족시켜야 한다.

이를 해결하기 위해 품질 향상 측면에서는 주로 입자 미세화를 위해 핵성성재인 접종재(Ionculant)를 사용하고 결함 제어가 기계적 성질을 향상시키 위해서는 적정 디자인된 주형을 사용하여 주조 시에 단열재 및 주조 조건을 적용하게 된다. 치수 변형을 억제하기 위해서는 후속 작업에서 발생하는 변형량을 계산해 왁스 모형 제작용 금형 제작시 이를 반영하는 방법을 사용하게 된다.

즉 전공정밀 주조 법을 이용해 터빈 블레이드의 제작은 우선 주형 제작을 위해 제품과 동일하게 왁스 모형을 제작하여야 하는데, 왁스 모형을 제작하기 위해서는 왁스모형 제작용 금형을 제작하여야 한다. 금형 제작시 중요한 것은 왁스 모형의 수축 변형, 주조시 발생하는 치수 및 형태 변형을 반영한 금형 제작이 수행되어야 되는 것이다.

그러나 왁스모형 제작용 금형에서 후속 작업으로 나타날 수 있는 치수 및 형태 변형을 반영하여 주조 품을 제작하여도 주조 품을 제작 후에 치수 측정에서 변형 문제가 발생하였다.

이것은 후속 작업의 치수 변형을 어느 정도 정량적으로 반영될 수 있으나, 형태변형의 경우 예측이 어렵고, 작업할 때마다 다른 형태 변형이 발생할 수 있어 변형량을 정확히 산출하여 반영하는 것이 상당히 어렵기 때문인 것이다.

또한 주조 품을 치수 측정에서 만족되는 치수 오차를 갖지 못하면, 반복적인 금형 수정에 따른 비용 및 시간 낭비뿐만 아니라 반복에 따른 고가의 금형을 폐기하는 경우도 발생되게 된다.

특히 주조 작업은 특성상 동일한 주조조건으로 주조 작업을 수행해도 치수변형이 유동적으로 발생할 수 있기 때문에 치수 및 형태 변형이 거의 없는 혹은 변형이 있다해도 치수허용 오차를 만족하는 제품을 제작하기 위해서는 정확히 금형을 제작하고, 필요에 의하여 발생된 변형을 적절히 교정하는 작업이 추가되어야만 되는 것이다.

아울러 진공정밀주조작업은 왁스 모형용 금형 설계와 제작 단계, 왁스 모형 사출 및 조립 단계, 주형 제작 단계, 탈 왁스 및 주형 소성 단계, 주조 작업단계, 후처리 단계로 이루어져 있다.

즉 종래의 문제점을 다시 한번 살펴보면 정밀 주조 법을 이용한 터빈블레이드의 제작에서 발생하는 변형문제는 왁스 모형 제작시 사용 왁스의 수축에 따른 치수 변형과 금형에 왁스 주입시 부적절한 주입에 따른 에어 포일 하단 부의 면패임과 휨 같은 형상 변형이 발생하는 왁스 모형제작상의 치수문제와, 주형 재료인 내화물의 코팅(슬러리, 침적, 내화물 피복, 건조 단계)후에 주형 팽차에 따른 치수변형 발생인 주형 제작상 치수 문제와, 주형에 주입한 금속의 응고 완료 후 응고수축에 따른 치수 및 형상 변형 발생인 주조 금속의 치수 문제와, 열처리 내에서의 부적절한 냉각에 따른 터빈 블레이드의 형태 변형 발생인 열처리에 다른 치수 문제와 앞 공정에서 발생한 치수 및 형태 변형은 최정 루트부 가공시에 누적된 치수 오차에 의한 가공 정밀도를 저하시켜 불량품이 발생하는 기계 가공시 치수 문제 등 여러가지의 문제점이 발생하였다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위한 방법으로 진공정밀주조법으로 터빈 블레이드를 제작하는 공정 상에 있어서 우선 금형 제작에서 후속 작업에서 나타나는 왁스 모형의 수축 변형, 주조시 발생하는 주조금속의 수축 변형, 주형의 팽창에 따른 변형, 열처리변형 등의 치수 변형을 고려하고, 또한 왁스 모형에서 치수 교정작업을 추가하는 것은 물론 주조후에 발생하는 주조품의 치수 변형은 후처리 작업인 열처리 작업 중에 치수 교정 작업이 이루어지도록 하여 작업 공정을 단축시키면서도 고도의 품질이 생산 될 수 있도록 하는데 관한 것이다.

제1도는 터보 차져용 터빈 블레이드의 모형도.

제2도는 본 발명 주조 품의 변형을 고려한 터빈 블레이드 제작 공정도.

제3도는 본 발명 주조 품의 변형을 고려한 터빈 블레이드 제작 블록도.

본 발명의 구성을 첨부된 도면에 의거하여 구성을 살펴보면 다음과 같다.

제2도는 본 발명 주조품의 변형을 고려한 터빈블레이드 제작 공정도를 제3도는 본 발명 주조품의 변형을 고려한 터빈블레이드 제작 공정 블록도를 도시한 것으로서, 왁스 모형은 금형 설계와 제작 단계, 왁스 모형 사출 단계, 왁스 모형의 변형 교정 작업 단계, 왁스 모형의 조립 단계, 주형 제작 단계, 탈 왁스 및 주형 소성 단계, 진공 용해 및 주조작업 단계, 마감질 작업단계, 열처리 및 변형 교정 작업 단계, 파괴 및 비파괴법을 이용한 소재 및 부품 특성 평가 단계, 정밀기계가공 및 장착 시험 단계로 이루어진 것이다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 작용을 살펴보면 다음과 같다.

왁스 모형 제작용 금형 제작은 다음과 같다.

정밀 주조에서는 왁스모형 제작용 금형을 만들게 되는데, 주조 품의 치수 및 표면조도 등에 큰 영향을 미치기 때문에 금형 제작은 제품의 품질을 좌우하는 매우 중요한 공정이라 할 수 있다. 금형 설계는 제품 도면과 터빈블레이드 에이 포일 부위의 단면 데이터를 근거로 부품 및 금형 모델 링을 수행하는데 제품의 재질 특성에 맞는 수축률을 감안해 금형 치수를 보정하게 된다. 또한 정밀주조에서는 왁스의 수축과 주형의 팽창에 따른 치수변형이 발생하기 때문에 이 값도 고려해 금형 치수를 보정해야 한다. 이 작업이 완료되면 통상 열변형이 적으면서도 가공이 원활한 소재를 사용해 기계가공으로 금형을 제작하게 된다.

금형 설계 초기에는 치수변형량을 추정해 보정하게 되지만 제품 제작 과정에서는 치수 및 형태변형량을 동시에 고려해 금형을 수정하게 된다. 주의해야 할 점은 초기 금형 제작시 제품의 허용오차 범위 내에서 가능하면 내부 허용오차 범위에 가깝게 제작해야 반복 수정에 따른 금형 불량을 방지할 수 있다. 형태변형량의 경우 정확히 산출해 보정하기 위해서는 터빈블레이드의 주형 제작 및 주조작업 등 제작 공정이 안정화되어 있어야 한다. 금형의 설계 데이터는 시제품 제작이 완료되었을 때 3차원 치수측정기로 측정한 터빈블레이드의 에어 포일 부위 데이터를 CAD상에서 형상 및 두께 허용오차를 검증할 때도 유용하게 사용된다.

왁스모형 제작 및 조립은 다음과 같다.

왁스모형 주조품은 표면 조도와 치수변형에 큰 영향을 미친다. 사용하는 왁스 종류에 따라 왁스모형의 수축율과 표면 조도가 다르게 나타나기 때문에 왁스의 유동성, 사출 후의 치수 안정성, 표면 조도 등을 고려하여 요구하는 부품 특성에 맞도록 왁스 재료를 선정해야 하며, 표면의 평활성과 치수가 안정된 왁스모형을 제작하기 위해서는 왁스 사출시 작업 조건을 적절히 관리해야 한다.

왁스는 크게 3종류로 분류할 수 있다. 일반적으로 치수 안정도가 우수하고, 얇은 부품을 제작할 때는 필러 왁스(filler wax)나 난 필러 왁스(non filler wax)를 사용하며, 항공용 터빈 블레이드와 같이 세라믹 코아가 들어가는 제품에는 리퀴드 왁스(liquid wax)를 사용한다. 왁스 재료가 선정되면 항온 실에서 금형과 왁스 사출기를 사용하여 왁스모형을 제작한다. 사출시에서는 주로 왁스의 주입 온도, 주입 압력, 주입 속도, 압력유지 시간 등을 관리한다.

터빈블레이드용 왁스모형을 제작할 때는 왁스 자체의 수축에 따른 변형뿐만아니라 에어 포일 하단부의 면 패임이나 끝단 부의 휨과 같은 형태변형이 발생할 수 있다. 휨 변형은 주로 사출 후 블레이드 두께 차이에 의한 왁스의 불균일 냉각 때문에 나타나는 것이며, 면 패임은 사출시 왁스모형의 두께 차이에 의한 불균일한 주입 압력 때문에 발생한다. 이와 같은 변형을 무시하고 주형을 제작하면 주조품의 불량을 초래하기 때문에 적절한 조치가 필요하다. 제일 좋은 방법은 이와 같은 변형을 고려하여 금형을 제작하는 것이지만 휨 변형은 어느 정도 보정이 가능하나 면 패임에 의한 변형은 금형에서 보정하기가 곤란하므로 왁스모형 제작시 이를 고려하는 방법을 강구해야 한다. 균일한 수축변형을 유도하고 면 패임 방지 뿐 아니라 휨 변형의 억제를 위해서는 왁스모형이 두께 차이가 없도록 하는 것이 좋은데 본 발명에서는 터빈블레이드 왁스모형 제작에서 에어 포일 부위의 두께와 루트부위의 두께가 거의 일정하게 제작될 수 있는 제작기법을 개발하여 적용하였다.

왁스모형이 제작되면 탕구계 방안을 기초로 왁스모형을 조립하게 되는데 이렇게 조립된 왁스모형을 왁스 모형틀(wax pattern tree)이라 한다.

주형 제작은 다음과 같다.

주형 제작에 사용되는 재료는 크게 슬러리(slurry)와 스터코(stucco)가 있다. 슬러리는 점결제인 바인더(binder)에 필러, 활성제 및 소포제 등을 첨가하여 제작한다. 주형은 다수의 코팅 작업으로 제작되는데, 그 중에서도 1차 코팅에서 사용하는 재료는 용탕과 직접 접촉하고, 용탕에 의한 열 충격과 탈왁스시 급격한 가열을 받기 때문에 열화학적으로 안정해야 하며, 2차 코팅 이상에서 사용되는 재료는 주로 주조 품의 특성을 고려해 적절한 통기도를 갖도록 해야 한다.

따라서 주형 재료는 내화도, 열팽창성, 주입 금속의 안정성을 고려해 요구하는 부품 특성에 맞도록 선정해야 한다. 주형 재료의 경우 1차 코팅에 사용되는 슬러리는 콜로이달실리카 용액에 알루미나, 지르콘, 뮬라이트 분말 등을 혼합해 사용한다. 2차 코팅 이상에서는 응용 실리카, 샤모트 분말 등이 사용된다. 슬러리 제작은 주형 제작의 승패를 좌우하므로 제작 및 관리에 신중을 기해야 한다. 우선 내화물과 점결제의 비를 엄격히 관리해야 하며, 이것은 주형 성질, 슬러리의 유동성, 점성 등을 고려해 적절히 선정한다. 또한 슬러리의 교반 작업시 가능한 한 신속히 하여 기포 발생이 적은 방법을 택하도록 해야한다.

스터코 재료는 지르콘, 용융 알루미나, 용융 실리카, 물라이트 샌드 등이 사용되며, 1차 코팅 층은 미세 입자, 2차 코팅층 조대 입자를 사용한다.

세라믹 셀 주형 제작을 위한 코팅 작업에서 1차 및 2차 코팅 층은 주물의 표면 조도, 표면 결함, 치수에 직접영향을 미치므로 특별한 주위가 요구된다. 만약 부적절한 주형 제작으로부터 1차 코팅에서 발생하는 미세 크랙은 인장 및 주형 크랙의 원인이 되며, 2차 코팅시 그 틈으로 코로이달 실리카가 주형내의 표면에 침투하여 용탕과 반응함으로써 결함이 원인이 된다. 3차 이후의 코팅 층은 가열 냉각에 의한 팽창 및 수축 응력, 탈왁스시 왁스모형의 팽창 응력, 용탕의 정압 및 동압에 견딜 수 있어야 하기 때문에 부품 형상, 주조 조건, 사용 재질 등을 고려한 코팅 작업이 수행되어야 한다. 결구 주형은 충분한 강도와 내열성, 통기도, 붕괴성 등이 종합적으로 구비되도록 제작되어야 한다.

내화 물이 주형 골재로 사용되기 위해서는 적당한 입도 분포를 가져야 한다. 내화물의 입도 분포는 주형 포면의 미려도는 물론 주형의 강도, 통기도와 직접 관계하므로 적당한 입도 분포의 내화 물을 선정해야 한다. 일반적으로 주형의 강도는 통기도에 반비례 하지만 입도 분포를 최적화 함으로써 강도와 통기도를 다같이 만족시킬 수 있다. 최적 입도 구성 원리는 치수를 유지하기 위한 조립과 표면을 미려하게 할 미립의 최밀 충진 조건을 갖도록 배합하는 것이다. 즉 조립에 의해 형성되는 공간에 미립이 채워지고 다시 그 틈 사이를 더욱 미세한 입자가 채워지는 배합이어야 하는데, 이러한 조건을 충족하기 위해서는 큰 입자군의 최소 입자경과 작은 입자군의 최대 입자경의 비가 5 : 2이상이어야 한다.

터빈블레이드의 결정입도를 조절하는 방법에는 주입 온도와 주형의 예열 온도 등 주조 조건을 조절하는 방법과 응고 핵생성 촉진제인 접종제(inoculant)를 첨가하는 방법이 있다. 그러나 주조 조건에 의해서만 결정입도를 조절하는 경우엔느 터빈블레이드의 에어 포일 부위와 같이 두께가 일정하지 않은 경우에는 전체적으로 균일하면서도 미세한 결정입자를 얻기가 어렵다. 따라서 전체적으로 균일하면서도 미세한 결정입자를 얻을 목적으로 접종제를 사용하게 된다. 이와 같은 접종제는 터빈블레이드의 합금과 요구하는 결정입도에 따라 그 종류와 양을 결정한다. 접종제를 사용하는 시기는 1차 코팅층의 주형 제작시 슬러리에 첨가하게 되며, 접종제로는 통상 산화코발트, 코발트-실리케이트, 코발트-티타나이드, 코발트-지르코네이트, 코발트-알루미네이트 등의 코발트 화합물이 사용된다.

코팅(coating)은 다음과 같다.

왁스 모형틀을 표면을 슬러리 중에 침적하고 내화물을 피복 하는 것을 코팅이라 하며, 왁스모형을 슬러리 중에 침적하는 단계, 내화물을 입혀주는 단계, 건조의 공정으로 이루어져 있다. 이와 같은 일련의 작업을 수차례 반복해서 주형을 제작하게 된다. 내화성 바인더와 필러를 혼합한 슬러리 중에 침적할 때는 기포가 부착되지 않도록 특히 주의해야 한다. 내화물의 피복 방법에는 내화물 입자를 빗방울 형태로 낙하시키면서 부착하는 낙하 방법과 내화물 입작가 들어 있는 용기 바닥으로 공기를 불어넣어 내화물을 공중에 띄워놓은 상태에서 내화물 입자를 부착시키는 고체유동상법이 있다. 건조는 보통 온도와 습도가 일정하게 유지된 실내에서 수시간 자연 건조시킨 후 다음 코팅 작업을 수행한다.

탈 왁스 및 주형 소성은 다음과 같다.

코팅이 완료되면 주형 속에 있는 왁스를 녹여내는데 이것을 탈 왁스(dewaxing)라 한다. 탈 왁스는 증기가압로(autoclave)에서 실시하며, 약150℃의 온도에서 수 Kg/㎠의 가압력으로 탈왁스한다. 정밀주조용 주형은 탈 왁스 후 주형표면 혹은 쉘의 기공 내에 잔루된 왁수의 불완전 연소로 발생한 탄소(C)가 부착되어 있으므로 이들을 완전히 연소시키고 주형에 강도를 부여하며, 용탕 주입시 주형으로부터 발생하는 가스의 영향을 없애기 위해 탈 왁스 후 로(furnace)에 주형을 장입하여 소성한다.

소성 조건은 700~1200℃의 온도에서 30~60분 정도 가열하는 것이 보통인데 소성 온도와 시간에 따라 주형의 강도, 통기도, 치수 등이 변하기 때문에 적절한 온도와 시간을 선정해야 한다.

진공 용해 및 주조는 다음과 같다.

터빈블레이드의 용해 및 주조 작업은 진공유도용해로에서 실시한다. 먼저 모합금(masteringot)을 진공유도용해로의 미리 가열된 도가니에 넣은 다음 용해한다.용해는 가능한 한 급속히 가열하고 합금이 녹기 시작할 때 도가니를 기울여 용융합금이 튀는 것을 막아야 한다. 용탕이 생기기 시작하면 도가니를 다시 수직의 원 위치로 놓고 파워를 조절하며 계속 가열한다. 모합금의 출탕 준비가 완료되면 미리 예열된 주형을 진공유도용해로의 주형 실에 장입한 다음 주형에 용탕을 주입한다. 용탕의 주입은 용탕의 유동성을 고려하여 조심스럽게 주입해야 하며, 주입 온도는 합금의 용융 온도보다 높은 온도에서 접근하고 용탕이 과열을 방지해야 한다. 또한 용해 및 주입 동안에는 충분한 진공도를 유지해야 한다.

커빈블레이드의 주조에서는 주형의 예열 온도, 용탕의 주입 온도, 단열재의 사용 방안 등에 따라 주조 품의 기계적 성질뿐만 아니라 건전성을 결정하는 중용한 인자가 되기 때문에 사용 소재 및 터빈블레이드의 특성에 맞는 적정 주조 조건이 선정되야 한다. 주형의 예열 온도는 가능하면 낯추어 결정입자를 미세하게 제작할 필요가 있으나 온도가 너무 낮으면 부품의 충진 불량(miss run)이 발생할 수 있다. 또한 주입 온도가 너무 높으면 주상정 조직이 생성되기 때문에 쉽고, 온도가 너무 낮으면 두께가 얇은 에어 포일 부위가 충분히 채워지지 않아 수축공 등의 결함이 발생할 수 있다. 주형의 예열 온도와 주입 온도는 상호 연관 관계 하에 주조 품의 특성에 영향을 미치기 때문에 많은 시험을 거쳐 결정립이 미세화 되고 결함 발생이 없는 범위 내에서 가능하면 온도를 낮출 필요가 있다. 용탕의 주입 온도는 합금의 용해온도보다 50~60℃이상의 온도를 선정하게 되는데 이 온도에 가까울수록 주조품의 입자 미세화 등 특성은 향상되게 된다.

진공주조를 실시하는 이유는 터빈블레이드의 경우 고온·고압의 부식성 분위기에서 작동되기 때문에 내열 강도와 내식성이 우수한 초내열 합금(superalloy)이 사용된다.

초내열합금은 지배적인 합금 원소에 따라 Ni기, Co 기 Fe기 초내열 합금으로 분류되며 크리프나 피로 등의 고온 강도가 중요시되는 터빈블레이드는 주로 Ni기 초내열 합금이 사용되고 있다. 터보 차져 터빈 블레이드에 사용되는 소재도 Ni기 초내열 합금인 B1914이다 . B1914를 비롯한 모든 Ni기 초내열 합금은 진공 용해 및 진공 주조로 제품이 제작되는데 이와 같이 진공중에서 작업을 실시하는 이유는 Ni기 초내열 합금의 경우 부품의 고온 강도를 향상시키기 위해 첨가되는 γ-상(Phase)형성 원소인 Al, Ti등의 첨가량이 많은데 Al,이나 Ti등의 합금 원소는 산소와의 반응성이 강해 대기 중에서의 작업으로는 Al, Ti합금 원소의 제어가 어렵기 때문이다. 일반적으로 Al과 Ti의 총 합이 0.2wt%넘으면 진공 용해 및 진공 주조가 반드시 필요하다.

터보 차져용 터빈 블레이드 소재인 B1914는 화학 성분에서 Al, Ti의 첨가량이 총10%이상 Boron이 0.1% 미량불순금속인 Bi, Ag, Mg, Pb이 수 ppm으로 구성되어 있어 활성 성분과 미량 불순금속을 정확하게 제어하기 위해서는 진공에서의 용해 및 주입을 실시한다. 본 발명에서 사용한 소재의 화학 성분은 다음과 같다.

(단위는 wt%, *는 ppm이다)

후처리 작업(마감질)

터빈 블레이드의 후처리는 주조 품의 마감질 작업, 열처리 및 교정 작업등의 주조 후에 실시하는 모든 작업이 포함된다. 이 가운에 마감질 작업은 열처리 전의 탕도 제거 및 블라스팅과 보수 등을 말한다. 먼저 주방 상태의 터빈 블레이드를 넉 아웃머신(knock out machine)으로 주형을 제거하고 주물 표면에 부착되어 있는 잔류 내화 물을 제거하기 위해 숏 블라스팅을 실시한다. 또한 결함이 존재할 경우나 부품 치수 수정 시에는 규정을 만족하는 범위 내에서 그라인딩으로 보수한다. 최종적으로 표면조도 향상을 위한 그래스 비드 블라스팅(glass bead blasting)등을 실시한다.

진공열처리는 다음과 같다.

터보 차져용 터빈 블레이드와 같은 Ni기 초내열 합금은 시효 경화성이 있기 때문에 용체화 처리와 시효 처리를 실시한다. 용체화 처리는 γ-을 기지중에 고용시켜 내식성을 향상시키고 다음 시효 처리에는 경화시킬 목적으로 행하며, 시효 처리는 용체화 처리에 의해 다량의 석출량이 고용된 기지를 적당한 온도에서 석출 반응으로 강화시키고 필요한 성질을 얻고자 실시하는 것이다. 터빈 블레이드와 같이 소재의 용체와 처리는 진공 분위기에서 가열한 다음 냉각을 실시하게 되어 있다. 진공 열처리를 실시하는 이유는 B1914같은 초내열 합금의 경우 표층부에 형성되는 Cr₂O₃는 1000℃부근부터 O₂와의 반응에 의해 Cr₂O₃가 되어 증발함으로써 초기에 형성된 산화층이 다시 감소되고 기지 내부로 산화가 계속 진전되기 때문에 이를 방지하기 위해서이다. 또한 제품의 표면 청결과 제품 표면에 부착된 휘발분이나 가스를 용이하게 제거할 수 있으며 균일한 냉각에 따른 부품 특성 향상 때문에 실시하는 것이다.

진공 열처리에서 중요한 것은 진공도 분만 아니라 냉각 속도를 얼마나 적절히 조절하는 가에 있다. 특히 가스 냉각으로 소입하는 열처리에서는 사용하는 냉각 가스의 가압력이 결국 냉각 속도를 좌우하게 되기 때문에 적절한 냉각 가스의 압력을 선정해야 한다.

터빈 블레이드를 제작할 때 변형 문제가 발생하지 않도록 하는 앞제작 단계에서 미리 보정하는 것이 가장 좋은 방법이나 냉각에 의하 휨같은 변형은 항상 일정하게 발생하지 않기 때문에 변형 문제가 전혀 없는 또는 제작 공정 중에서 변형 문제를 완전히 제거하는 것은 불가능하다. 물론 작업 공정이 안정화되어 있고 교정이 되도록 보정된 방안으로 부품을 제작하면 거의 변형이 없는 부품 제작도 가능하다. 그러나 100%변형 문제가 없도록 할 수는 없기 때문에 변형이 발생한 터빈블레이드는 교정 작업을 실시해야 한다.

터빈 블레이드의 후처리 작업에서는 제작 공정에서 발생한 변형을 교정할 수 있다. 교정 작업은 주조품의 품질에 변화가 없도록 적절히 실시 할 필요가 있다.

본 발명에서는 전용 변형 교정 지그를 사용하여 교정하였다.

교정은 열처리 단계에서 실시하는데 용체화 처리 후 시효처리 전에 교정 작업을 실시함으로써 교정의 용이성과 교정에서 발생한 잔류응력의 제거와 터빈블레이드의 특성 변화를 방지하였다.

용체화처리와 시효처리가 완료된 상태에서 터빈브르레이드의 인장강도는 100Kg /㎟ 정도로 높고, 교저에 따른 탄성복역현상 때문에 교정이 용이하지 않지만, 용체화처리 직후에는 상대적으로 강도가 낮고 후에 실시할 시효처리에서 교정으로 발생한 변형 응력은 제거하는 효과가 있기 때문에 손쉽고도 정확한 교정이 가능하다.

기계 가공 및 장착은 다음과 같다.

소재 품질 평가를 수행한 터빈블레이드는 기계 가공을 거쳐 터보차쳐에 장착되게 된다.

기계 가공은 에어 포일의 경우 진동 감쇠 고리(damping wire)체결 부위의 구멍 가공과 터보차쳐 샤프트의 디스크에 결합되는 루트부의 경우 연삭 가공을 수행하며 최종적으로 진동 사상 작업으로 완성한다.

터빈블레이드의 경우 일반적인 기계 가공 방법으로는 정밀 치수의 제어가 곤란하기 때문에 전용 기계가공라인이 필요하게 된다.

터빈블레이드의 루트부를 가공하기 위해서는 에어 포일 부위를 고정해야 하는데 터빈블레이드의 에어 포일 형상이 3차원으로 복잡하게 되어 있기 때문에 정확히 고정하기가 쉽지 않다.

따라서 루트부를 정밀하게 가공하기 위 특수한 에어 포일 고정방법이 사용되게 된다.

기계 가공이 완료되면 터빈블레이든 샤프트에 조립하고, 바란스 테스트(balance test)를 수행한 다음 터보 차져에 조립하여 성능 시험을 거친 후 선박 엔진에 장착된다.

상기 상세히 기술한 교정 작업은 왁스 모형 금형 설계 및 제작 단계에서 1차 적으로 교정을 실시하지만 교정이 이루어지지 않으면 2차적으로 열처리 작업중에 변형 교정을 추가로 반복 실시하여 교정을 하는 것이다.

열처리 중에 실시하는 교정 작업은 용체화 열처리를 실시한 다음 시효 열처리 전에 터빈 블레이드의 미세조직 특성에 변화가 없는 어느 정도 일정 온도 범위내에서 적정 실시하여 변형을 교정하는 것이다.

그러므로 본 발명은 진공정밀주조법을 이용하여 터보 챠쳐용 터빈 블레이드를 제작함으로 제품이 갖는 정밀도 즉 허용치수에 있어서, 그 허용치수를 만족시켜 고도의 높은 품질의 터빈 블레이드를 생산할 수 있어 산업 경제적인 측면에서 크게 기여할 수 있는 발명인 것이다.

Claims (3)

1. 진공정밀주조법을 이용한 터보 챠져용 터빈 블레이드를 제작함에 있어서, 그 공상에 왁스 모형용 금형 설계와 제작 단계, 왁스 모형 사출 단계, 왁스 모형의 변형 교정 작업 단계, 왁스 모형의 조립 단계, 주형 제작 단계, 탈왁스 및 주형 소성 단계, 진공 용해 및 주조작업 단계, 마감질 작업단계, 열처리 및 변형 교정 작업 단계, 파괴 및 비파괴법을 이용한 소재 및 부품 특성 평가 단계, 정밀기계가공 및 장착 시험 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 진공정밀 주조법을 이용한 터보 챠져용 터빈블레이드 제작 방법.
2. 제1항에 있어서, 왁스 모형의 금형 설계 및 제작 단계에서 터빈 블레이트의 에어 포일과 루트부의 두께를 일정하게 제작하여 치수 변형을 보정하는 것을 특징으로 하는 진공 정밀 주조법을 이용한 터보챠져용 터빈 블레이드 제작방법.
3. 제1항에 있어서, 용체화 열처리를 실시한 다음 시효 열처리 전에 터빈 블레이드의 미세조직 특성에 변화가 없는 어느 정도 일정 온도 범위내에서 적정 실시하여 변형을 교정하는 것을 특징으로 하는 진공정밀 주조법을 이용한 터보챠져용 터빈 블레이드 제작 방법.