KR100416303B1 - 일방향응고용 시편제조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 일방향응고를 통한 시편을 제조하는 장치에 관한 것이다. 본 발명은 일방향응고용 시편제조장치에 있어서, 소정의 기체를 유입하고 유출시키는 전처리진공부(8)와, 소정의 시편로드(12)를 액상변환시키기 위해 소정의 열을 가하는 로(furnace)(4)와, 상기 로(furnace)(4)를 통해 액상 변환된 시편로드(9)의 조질변화를 균일하게 유지시키는 냉각파이프(6)와, 상기 전처리진공부(8)의 경로로서 상기 냉각파이프(6)까지 연장되는 알루미나 튜브(7)를 포함한다. 이에 따라, 종래의 브리지만 방식의 일방향응고로에서 관찰할 수 없는 응고계면을 볼 수 있고, 또한 로(furnace)(4)와 냉각파이프(cold finger)(6)의 근접한 설치로 인해 온도구배의 향상으로 일방향응고 조직을 얻는 것이 용이해지는 효과가 있다.

Description

일방향응고용 시편제조장치{apparatus of a part manufacture used for directionally solidification}

본 발명은 일방향응고를 통한 시편제조장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 일방향응고시 소정의 온도구배를 통해서 시편을 제조하는 장치에 관한 것이다.

일반적인 일방향응고법은 기존의 등축정 초내열합금 터빈블레이드 주조품을 사용할 시 응력에 수직으로 작용하는 횡방향의 입계, 즉 균열의 시작점을 제거하여 제품의 수명을 연장시킨 응고기술이다.

구체적으로는 입계의 배열로 파괴의 시작시간을 지연시켜 초내열합금의 크리프강도와 피로 저항성이 항상되도록하는 응고기술이다.

일방향응고가 시작될 때 응고잠열(Latent heat of fusion)이 전달되는 방향에 따라 응고가 진행되는 고상/액상 계면으로부터 일방향 또는 다결정의 미세조직이 결정된다.

일방향응고시 생성된 잠열이 액상으로부터 고상으로 전달될 때 일방향응고가 일어나는데 이를 위해서는 고상/액상계면의 액상에서 양의 온도구배가 형성되어야 한다. 이는 열의 흐름이 액상에서 고상방향으로만 진행된다는 것을 의미한다.

일방향응고시 일정 응고속도에서 평면형 계면을 가정할 때 고/액계면에서 열흐름방정식(heat flow balance)은 다음과 같다.

이고,은 고/액상의 열전도도,은 고/액상의온도구배, L은 응고잠열, 그리고 V는 응고속도이다.

즉,의 값이 커져 고상쪽으로 열을 뺏는 능력이 커지면 응고잠열이 액상에서 고상족으로 이동하게 되어 일방향응고가 발생한다.

또한 일방향응고시 온도구배는 일방향응고 장치에서 설정되는 온도구배 뿐만 아니라 재료고유의 고상 및 액상의 열전도도와 응고잠열에 의해서 결정되며 또한 응고속도에 따라 온도구배가 변함을 알 수 있다.

일반적으로 일방향응고로는 브리지만(Bridgman)방식의 로(furnace)가 대부분을 차지한다.

종래의 브리지만 방식의 일방향응고로는 도 4에 도시된 바와 같이, 커버(cover)가 절연체(Insulation)와 단열재(Baffle)로 이루어진 로(101)와, 상기 로(101)의 내부에 설치되어 용탕을 주입하는 용탕주입구(103)와, 다수의 경로로 이루어진 원통형상의 정밀주조용몰드(Investment mold)(107)와, 상기 정밀주조용몰드(107)를 가열시키는 흑연열원(Graphite heater)(102)과, 상부에 정밀주조용몰드(Investment mold)(107)가 위치하여 상기 정밀주조용몰드(Investment mold)(107)내부의 액체인 용탕(106)을 고체(105)로 응고시키기 위한 냉각판(Chill plate)(104)으로 구성이 된다.

상기 종래의 브리지만 방식의 일방향응고로의 동작은 상기 로(101)의 내부에 설치되어있는 용탕주입구(103)에 용탕(106)을 주입하여, 다수의 경로로 이루어진 원통형상의 정밀주조용몰드(Investment mold)(107)로 상기 용탕(106)을 흘려보낸다.

정밀주조용몰드(Investment mold)(107) 내부의 상기 용탕(106)은 밑으로 흘러 내려가고, 흘러 내려가는 용탕(106)을 액체상태로 유지하기 위해 상기 흑연열원(Graphite heater)(102)에서 발생하는 열로 정밀주조용몰드(Investment mold)(107)를 가열한다.

상기 가열된 정밀주조용몰드(Investment mold)(107)는 냉각판(Chill plate)(104) 상부에 위치하여 냉각판(Chill plate)(104)을 아래방향으로 이동시키면 외부환경의 상온이나 물에 노출되어 공냉 또는 수냉되는 일방향응고를 실시한다.

상기와 같은 구성으로 종래의 브리지만(Bridgeman)방식 일방향응고 로(101)의 경우에는 냉각판(Chill plate)(104)위에 정밀주조용몰드(Investment mold)(107)가 고정되어 있어 일방향으로 성장시키는 과정동안 냉각부가 가열부에서 점진적으로 멀어짐에 따라 온도구배가 점차 떨어지게 된다.

따라서, 일방향응고의 시편을 제조함에 있어서, 열원(Graphite heater)(102)과 냉각판(Chill plate)(104)사이의 거리가 멀고 다수의 정밀주조용몰드(Investment mold)(107)를 가지므로 열의 손실이 많기 때문에 높은 온도구배를 구현하기 힘든 문제점을 가지고 있다.

또한, 일방향응고 도중에 외부환경으로 급랭시켜 고상/액상의 계면과 일방향응고시편의 전체적인 응고공정을 관찰하는 실험적 적용이 불가능하여 다양한 시편제작에 적용할 수 없는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 안출한 것으로, 금속재료분야의 일방향응고를 통한 시편제작에서 종래의 일반향응고로에서 나타나는 낮은 온도구배의 문제점을 개선하고 응고공정변수에 따른 시편의 응고거동을 관찰할 수 있는 일방향응고로 장치의 제작에 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 일방향응고용 시편제조장치를 나타낸 사시도이고,

도 2는 본 발명에 따른 일방향응고용 시편제조장치를 나타낸 단면도이고,

도 3은 본 발명에 따른 일방향응고용 시편제조장치의 냉각파이프를 나타낸 단면도이고,

도 4는 종래기술의 브릿지만 방식의 로(furnace)를 나타낸 단면도이다.

- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명-

2; 고정링(o-ring) 4; 로(furnace)

5; 튜브고정부(Tube holder) 6; 냉각파이프(cold finger)

7; 알루미나 튜브(Alumina tube) 8; 전처리진공부(vaccum head)

9; 액체상태의 시편로드(rod) 10; 진공파이프(Vacuum pipe)

11; 슈퍼-칸델 열원(super-kanthal heating element)

12; 시편로드(rod)

13; 운반대(carriage) 14; 열원

15; 로의 본체 16; 유입부

17;유출부 18; 냉각관

19; 모세 알루미나 튜브

상기 목적은 본 발명에 따라, 일방향응고용 시편제조장치에 있어서, 소정의 기체를 유입하고 유출시키는 전처리진공부(8)와, 소정의 시편로드(12)를 액상변환시키기 위해 소정의 열을 가하는 로(furnace)(4)와, 상기 로(furnace)(4)를 통해 액상 변환된 시편로드(9)의 조질변화를 균일하게 유지시키는 냉각파이프(6)와, 상기 전처리진공부(8)의 경로로서 상기 냉각파이프(6)까지 연장되는 알루미나 튜브(7)를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 전처리진공부(8)는, 상기 알루미나 튜브(7) 내의 불순물과 기포를 흡입하는 통로인 진공파이프(10)와, 상기 알루미나 튜브(7)의 외측 원주면에 소정의 저항력을 가하여 수직 평행이동을 제어하는 고정링(o-ring)(2)을 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 로(furnace)(4)는, 연부 측면의 소정의 단열재(insulation)로 둘러싸여진 본체(15)와, 상기 알루미나 튜브(7)의 측면이탈을 방지하는 튜브고정부(5)와, 상기 알루미나 튜브(7)와 간격을 유지하며 소정의 온도를 가하는 열원(11)을 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 냉각파이프(cold finger)(6)는, 상기 소정의 냉매를 일정한 용량으로 주입하는 유입부(16)와, 상기 알루미나 튜브(7)의 외경과 소정의 간격을 유지하며 열을 흡수하는 냉각관(18)과, 열흡수가 이루어진 냉매를 일정한 용량으로 배출하는 유출부(17)를 포함하는 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 첨조하여 본 발명에 따른 일방향응고용 시편제조장치를 상세하게 설명하면 다음과 같다. 도 1은 본 발명에 따른 일반향응고용 시편제조장치를 나타낸 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 일방향응고용 시편제조장치를 나타낸 단면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 일방향응고용 시편제조장치의 냉각파이프를 나타낸 단면도이고, 도 4는 종래기술의 브릿지만 방식의 로(furnace)를 나타낸 단면도이다.

본 일방향응고용 시편제조장치의 구성은 도 1에 도시된 바와 같이, 알루미나 튜브(Alumina tube)(7)를 기준으로 상부에 전처리진공부(8)가 설치된다. 상기 전처리진공부(8)에는 기체의 유입과 유출, 기포흡입 역할을 하는 진공파이프(10)가 설치되고, 상기 전처리진공부(Vacuum head)(8)의 내부에는 진공이 아닌 아르곤(Ar)으로 대체될 수도 있다.

또한, 상기 알루미나 튜브(7)의 길이 조절을 위해 쪼이고 푸는 고정링(O-ring)(2)이 전처리진공부(Alumina tube)(8)의 하단에 설치되어 있다.

상기 알루미나 튜브(Alumina tube)(7)를 따라 아래로는 로(furnace)(4)가 설치된다.

상기 로(furnace)(4)는 알루미나 튜브(Alumina tube)(7)를 중앙에 삽입하고, 튜브고정부(Tube holder)(5)로 수직 평행하게 길게 뻗은 상기 알루미나튜브(Alumina tube)(7)를 로(furnace)(4)와 이격되지 않도록 고정시키는 역할을 한다.

상기 알루미나 튜브(7)을 통해 주입된 시편로드(12)을 가열시키기 위한 로(Furnace)는 본체(15)가 단열재(Insulation)로 둘러싸여져 있고, 상기 로(Furnace)(4)의 내부에는 알루미나 튜브(Alumina tube)(7)를 가열하는 슈퍼-칸델(Super-kanthal)열원(11)이 내설되어 있다. 상기 시편로드(12)는 지름이 4.8mm정도이고, 알루미나 튜브(7)의 직경은 5.0mm정도여서 상기 시편로드(12)와 알루미나 튜브(7)사이에는 0.2mm의 공간이 형성된다.

상기 슈퍼-칸델(Super-kanthal)열원(11)은 현재 대기 중에 사용하는 열원 중에 가장 높은 온도를 얻을 수 있는 열원으로 종래 기술의 그라파이트 열원(Graphite heater)보다 상대적으로 높은 온도를 얻을 수 있다.

여기에 대한 첨부자료로써 로(furnace)(4)의 온도와 응고속도에 따른 온도구배를 데이터로 표기해 보았다. 상기 데이터에서 보는 바와 같이, 로(furnace)(4)의 온도에 따라 응고속도가 동일할 때 온도구배가 차이가 있음을 알 수 있다.

표1은 Mar-M247LC합금의 일방향응고시 온도구배이다.

표1. 로의 온도에 따라 응고속도가 동일할 때 온도구배의 차이

로(FURNACE)의 온도	응고속도()	온도구배()
1630	0.5525	696460
1600	0.5525	646259

따라서 종래의 그라파이트 열원(Graphite heater)의 온도보다 높은 열원인슈퍼-칸델(Super-kanthal)열원(11)은 로(4)에 내설시 상대적으로 높은 온도구배를 보인다고 할 수 있다.

상기 로(Furnace)(4)의 단열재(Insulation) 밑에 얇은 단열재(미도시)를 한번 더 깔아서 냉각파이프(Cold finger)(6)와 상호 열전달(Heat transfer)이 없게 하여 온도구배를 높였다.

또한, 로(furnace)(4) 및 열원(11)과 냉각파이프(cold finger)(6)의 거리가 짧아, 종래의 브리지만(Bridgman)방식과 비교하여 약 20가량 더 높은 70의 온도구배를 구현할 수 있다.

상기 로(furnace)(4) 내에서 형성된 알루미나 튜브(7)내의 액체상태의 시편로드(20)는 냉각파이프(6)로 내려가다가 고상이 된다. 이때, 시편이 용융되면서 로(furnace)(4)와 냉각파이프(cold finger)(6)의 접점에서 고체와 액체의 계면이 형성된다.

상기 냉각파이프(cold finger)(6)는 액체상태의 시편로드(9)를 일방향응고체로 응고시키기 위해 열을 흡수하는 역할을 한다.

상기 냉각파이프(cold finger)(6)는 도3에 도시된 바와 같이, 재질이 구리로 이루어진 표면과 내면에는 모세 알루미나 튜브(19)를 내포하고 있다.

상기 모세알루미나 튜브(19)는 냉매인 물의 확실한 유입, 유출을 위해 설치되며, 상기 냉매인 물은 알루미나 튜브(7)의 열을 흡수하기 위하여 유입부(16)로 들어가 상기 알루미나 튜브(7)를 둘러싸는 냉각관(18)을 지나서 다시 유출부(17)로배출되는 형식으로 동작된다. 따라서 상기 냉각파이프(6)의 상,하의 동작에 의해 온도구배를 조절할 수 있다.

덧붙이자면, 일정한 응고분율(solidification fraction)까지 일방향응고를 실시한 후 알루미나 튜브(7)를 로의 하부에 그대로 보존하여 응고공정변수에 따른 시편 전체적인 응고거동을 관찰할 수 있다.

본 일방향응고용 시편제조장치의 동작은 도 2에 도시된 바와 같이, 알루미나튜브(7)를 통해 시편로드(9)를 주입시키고 상기 전처리진공부(Vacuum head)(8)의 진공파이프(10)는 상기 알루미나 튜브(7) 내에 포함된 불순기체의 기포제거를 위해진공상태를 유지시킨다.

또한 상기 전처리진공부(8)내부에 온도를 측정하기위한 열측정대(Thermal couple)(미도시)을 내설할 수도 있다.

상기 기포가 불순물이 제거된 알루미나 튜브(7) 내부에 상기 장입된 시편로드(12)를 로(furnace)(4)의 열원(14)으로 인해 액체상태의 시편로드(9)로 상변화 시킨다.

상기 알루미나 튜브(Alumina Tube)(7)는 단열재(Insulation)로 둘러싸여진 로(Furnace)(4)의 중앙을 지나간다. 상기 로(Furnace)의 본체(15) 내부에 설치된 슈퍼-칸델(Super-kanthal)열원(11)에서 발생되는 열은 알루미나 튜브(Alumina Tube)(7) 내의 고체상태의 시편로드(12)를 가열하고, 상기 가열된 시편로드(12)는 일정한 점성을 유지하며 액상 변화한다.

상기 알루미나 튜브(Alumina Tube)(7)내의 일정한 점성을 유지하는 액체상태의 시편로드(9)는 냉각파이프(6)로 내려가는데 상기 냉각파이프(6)는 냉매인 물의 순환에 따라 알루미나 튜브(Alumina Tube)(7)와 열전달(Heat transfer)현상이 일어나고 그 온도가 떨어짐에 의해 알루미나 튜브(Alumina Tube)(7) 내의 액체상태의 시편로드(12)는 고체상태로 상 변화하여 일방향응고체가 된다.

상기 냉각파이프(6)내의 냉매는 물뿐만아니라 프레온가스등의 기체도 사용 가능하다.

그리고 상기 로(furnace)(4)와 냉각파이프(6)는 일체형으로 작동을 하며, 동작의 속도에 따라 알루미나 튜브(7)내 액체상태의 시편로드(9)의 응고속도 조작으로 다양한 고체 상태의 결정립을 관찰할 수 있는 시편제작이 가능하다.

로(furnace)(4)와 냉각파이프(6)의 일체형작동은 운반대(Carriage)(13)의 움직임에 의해 이루어지며 운반대(13)의 속도는 얻고자하는 시편의 결정조직에 따라 다양하게 변화시킬 수 있다.

또한 운반대(13)의 작동 외에도 알루미나 튜브(Alumina Tube)(7)를 쪼이고 푸는 상기 전처리진공부(8)에 설치된 고정링(O-ring)(2)은 알루미나 튜브(7)를 순간적으로 떨어뜨려 상기 알루미나 튜브(7)내의 액체상태의 시편로드(9)를 급냉시켜서 얻고자하는 일방향응고체를 얻을 수 있다.

본 발명은 상기 로(furnace)(4)와 냉각파이프(6) 전체가 함께 이동함으로써 가열부(Heating zone)와 냉각부(Cooling zone)와의 거리 변화가 없다. 따라서 종래의 일방향응고로에서 관찰할 수 없는 응고계면을 관찰할 수 있으며, 또한단열재(3)와 냉각파이프(6)를 이용한 온도구배의 향상으로 일방향응고 조직을 얻는 것이 용이해지는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 소정의 기체를 유입하고 유출시키는 전처리진공부(8)와; 소정의 시편로드(12)를 액상 변환시키기 위해 소정의 열을 가하는 로(furnace)(4)와; 상기 로(furnace)(4)를 통해 액상 변환된 시편로드(9)의 조질변화를 균일하게 유지시키는 냉각파이프(6)와; 상기 전처리진공부(8)의 경로로서 상기 냉각파이프(6)까지 연장되는 알루미나 튜브(7)로 이루어진 시편제조장치에 있어서,

   상기 상기 알루미나 튜브(7)의 외측 원주면에 소정의 저항력을 가하여 수직 평행이동을 제어하는 고정링(o-ring)(2)과;

   상기 알루미나 튜브(7)의 측면이탈을 방지하는 튜브고정부(5)와;

   상기 냉각파이프(6)의 내부에 유입부(16)로 유입된 냉매를 확실하게 유입 유출시키도록 형성된 모세알루미나튜브(19)로 구성된 것을 특징으로 하는 일방향응고용 시편제조장치.
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