KR100526690B1 - 니켈기 초내열합금 이종재 부품의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 항공재료용 이종재 부품의 제조방법에 관한 것으로서, 단일화된 열처리방식에 의해 상온 및 고온 기계적 특성이 우수하여 항공재료에 적합한 이종재 부품의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이를 위하여 본 발명은, 니켈기 초내열합금 이종재를 확산접합하여 확산접합된 이종재의 부품을 제조하는 방법에 있어서, 상기 이종재를 850~ 900℃의 온도에서 15 ~ 20시간 동안 시효처리하고, 공냉한 다음, 다시 740 ~ 780℃의 온도에서 15 ~ 20시간 동안 시효처리를 한 후 공냉하거나, 또는 상기 이종재를, 1100 ~ 1150℃의 온도에서 3~ 5시간 동안 용체화처리하고, 공냉한 다음, 다시 700 ~ 800℃의 온도에서 20 ~ 25시간 동안 시효처리를 한 후 공냉하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 특히 Udimet 720계 합금과 Mar-M247계 합금으로 이루어진 이종재의 모재 및 접합부의 상온 및 고온 기계적 특성을 향상시키는 효과가 있다.

Description

니켈기 초내열합금 이종재 부품의 제조방법{Method for Manufacturing Parts Consisted of Two Types of Ni-Based Superalloys}

본 발명은 항공재료용 이종재 부품의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 각각 최적의 열처리 조건이 다른 두개의 니켈기 초내열합금 소재가 하나의 부품을 구성하고 있는 경우에 단일화된 열처리를 통해 고온 기계적 특성을 극대화 할 수 있는 니켈기 초내열합금 이종재 부품의 제조방법에 관한 것이다.

최근, 항공재료에 있어서 터빈이나 엔진 등의 부품 경량화와 효율 향상 등을 위해, 서로 다른 성질을 갖는 이종금속을 확산접합 등의 기술에 의해 부품을 일체로 하여 제조하고 있다. 예컨대, 항공재료 중 블리스크(Blisk)의 경우 확산접합 기술을 사용하여 분말성형품인 디스크(Disc)와 주조품인 블레이드(Blade)를 열간정수압(Hot Isostatic Pressing)을 통해 이종금속을 확산접합시키고 있다.

이러한 기술에 관한 대표적인 예로서, 본 출원인이 국내특허출원번호 제10-2003-18083호로 특허출원한 일체형 블리스크가 개시되어 있다. 즉, 상기 기술에 의하면, Ni계 초내열합금인 Udimet 720 분말을 충전된 디스크부에 Mar- M 247합금 분말로 주조된 블레이드부를 일체형으로 결합시킨 후, 열간정수압을 통해 1050~ 1150℃의 온도에서 80~ 120MPa의 압력을 가하여 확산접합시켜 블리스크를 제조하였다.

그러나, 상기한 바와 같이 이종금속으로 확산접합하여 형성한 이종재 부품의 경우에 그 열처리방식에 따라 제품 특성이 크게 달라진다. 구체적으로 종래에는, 상기 Udimet 720계 소재의 경우, 약 1105℃에서 약 4시간 유지한 후, 공냉하고, 이어서 약 650℃에서 약 24시간 유지한 후 공냉하며, 계속하여 약 760℃에서 약 16시간 동안 유지하여 공냉하는 열처리방식을 사용하였다. 또한, 상기 Mar-M247계 소재의 경우 약 1230℃에서 약 2시간 유지한 후, 급냉하고, 이어서 약 980℃에서 약 5시간 유지후 공냉하고, 계속하여 약 870℃에서 약 20시간 동안 유지하여 공냉하는 열처리방식을 사용하여 상기 Udimet 720계 소재와는 다른 열처리방식을 채용하고 있었다. 이들 구체적인 열처리방식들은 각각의 개별 소재에 대하여 적용 가능한 것으로, 이들 이종금속으로 이루어진 접합부에 적용할 적당한 열처리방식은 제시되지 않고 있다. 그 결과 서로 다른 특성을 갖는 소재로 이루어진 부품의 상온 및 고온에서의 기계적 특성이 충분히 발휘되지 못하는 문제점이 있다.

본 발명은, 상기한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 특히 항공재료용 이종재 부품의 접합부에서의 상온 및 고온 기계적 특성을 향상 시키는 동시에, 적어도 1개 이상의 소재에서 고온 기계적 특성이 개선되는 니켈기 초내열합금 이종재 부품의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적 달성을 위한 본 발명은, 니켈기 초내열합금 이종재를 확산접합하여 확산접합된 이종재의 부품을 제조하는 방법에 있어서, 상기 확산접합된 이종재를 850~ 1150℃의 온도까지 가열하고, 가열된 이종재를 공냉한 다음, 공냉된 이종재를 다시 700~ 800℃의 온도까지 가열한 후 가열된 이종재를 공냉하는 것을 그 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

우선, 본 발명에 따른 제조방법은, 서로 다른 성질을 갖는 이종금속이 서로 확산접합에 의해 얻어지는 항공재료용 이종재를 접합하여 적용하는 경우에 매우 적합하다.

본 발명에서의 특징인 단일 열처리방식에 가장 적합한 이종재로는, 예컨대 Udimet 720와 Udimet 720Li와 같은 Udimet계 합금과, Mar-M247 또는 Mar-M247LC와 같은 Mar-M247계 합금을 들 수 있다. 이들 합금들에 대하여는 ASM Handbook 제5권, Code 4218 등에 자세히 개시되어 있다.

본 발명에서의 상기 두 종류의 합금은, 모두 분말이어도 좋으며, 어느 하나는 성형품이라도 관계없다. 바람직하게는, 어느 한 쪽의 주조품에 다른 쪽의 합금을 분말로 충전하는 것이다.

본 발명에서는 상기 확산접합된 이종재를 열처리할 때, 기존의 방식과는 달리 단일열처리로 가능하다. 구체적으로 본 발명에서는, 먼저 850~ 1150℃의 온도까지 이종재를 가열하고, 가열된 이종재를 공냉하는 제1단계와, 다시 700~ 800℃의 온도까지 가열한 후 공냉하는 제2단계를 열처리한다.

상기 제1단계에서는 이종재를 850 ~ 1150℃의 온도까지 가열하여 유지하는 것이 바람직하다. 이때 가열유지온도가 850℃ 이하인 경우 Udimet 소재에서는 δ상이, Mar-M247 소재에서는 γ'상이 과다하게 석출되어 소재의 연신율이 저하되며, 상기 가열유지온도가 1150℃를 초과하는 경우 Udimet 소재 및 Mar-M247 소재에서 국부적인 용해가 발생될 수 있다.

또한, 상기 제2단계에서는 700 ~ 800℃의 온도까지 가열하는 것이 바람직하다. 이때 가열유지온도가 700℃ 이하인 경우 γ' 상의 석출속도가 너무 느려지고, 800℃를 초과하는 경우 Udimet 소재에서 γ' 석출물의 양이 너무 감소하게 된다.

상기 각 단계에서의 공냉은, 자연냉각 또는 송풍기에 의한 강제냉각을 모두 포함한 것이다.

특히, 본 발명에서의 단일열처리방식은 여러 패턴으로 조합 선택하여 적용할 수 있는데, 예컨대 도 1a에 도시된 바와 같이, 상기 이종재를 850~ 900℃의 온도에서 15~ 20시간 동안 시효처리한 후 공랭한 다음, 다시 740~ 780℃의 온도에서 15~ 20시간 동안 시효처리를 한 후 공랭하는 것을 들 수 있다. 이러한 방식은 용체화처리 과정이 없이 2단계의 시효처리만 수행할 수 있어 실제 열처리 과정에서 바람직하다.

다른 열처리패턴으로서, 도 1b에 도시된 바와 같이, 상기 이종재를 1100~ 1150℃의 온도에서 3~ 5시간 동안 용체화처리한 후 공냉한 다음, 다시 700~ 800℃의 온도에서 20~ 25시간 동안 시효처리를 한 후 공냉하는 패턴을 들 수 있다. 이러한 방식은 용체화처리 과정을 포함하지만, 시효처리를 하나의 단계로 단순화할 수 있어 실제 열처리과정에서 바람직하다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 구체적으로 설명한다.

[실시예]

-270mesh의 Udimet 720 분말에 정밀주조된 Mar-M247 소재를 약 100MPa로 가열하면서 1100℃에서 3시간 동안 열간정수압 성형하여 확산접합시켰다.

이 확산접합된 소재를 약 870℃에서 15시간 동안 시효처리를 행한 후, 공냉하고, 이어서 약 760℃에서 16시간 동안 시효처리를 행한 다음, 공냉시켰다(발명재 1).

또한, 상기 열처리방법과는 달리, 상기 확산접합된 소재를 약 1105℃에서 4시간 동안 용체화처리를 행한 후 공냉하고, 이어서 약 700℃에서 24시간 동안 시효처리를 행한 다음 공냉시켰다(발명재 2).

이와같이 열처리된 각각의 확산접합 소재에 대하여 열처리 전후에 있어서 상온 및 650℃의 고온에서 기계적 시험을 행하고, 그 결과를 표 1에 나타내었다.

구분	상온				고온(650℃)				비고
	항복강도(MPa)	인장강도(MPa)	감면율(%)	연신율(%)	항복강도(MPa)	인장강도(MPa)	감면율(%)	연신율(%)
비교재	956	1365	17.1	13.8	863	1198	17.6	15.2	열처리전
발명재1	970	1420	15.6	13.0	850	1270	22.6	22.4	열처리후
발명재2	1268	1605	13.6	11.4	1141	1330	7.4	5.3	열처리후

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따라 열처리된 발명재의 경우 상온 및 고온 강도가 증가하였다. 또한, 발명재의 경우 상온에서의 연신율은 감소하였으나, 실제 사용환경인 650℃의 고온에서 발명재(1)은 연신율이 크게 향상되었고, 발명재(2)는 비록 연신율이 감소되었으나 실제 부품 사용 측면에서는 충분한 연신율을 유지하고 있는 것으로 판단된다.

또한, 상기 각 성형품에 대하여 열처리 전후의 확산접합부에서의 기계적 시험을 행하고, 그 결과를 표 2에 나타내었다.

구분	상온		고온(650℃)		비고
	항복강도(MPa)	인장강도(MPa)	항복강도(MPa)	인장강도(MPa)
비교재	803	973	791	939	열처리전
발명재1	871	981	811	1070	열처리후
발명재2	879	965	992	1013	열처리후

상기 표 2에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따라 열처리된 발명재의 경우 확산접합부에서의 강도가 증가함을 알 수 있었다.

한편, 발명재(1)에 대하여 상온 및 고온에서의 파단면을 관찰하여 그 결과를 도 2에 나타내었다. 도 2a 및 도 2b는 각각 상온 및 고온에서의 파단면에 대한 조직사진이다.

도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 본 발명재의 경우 파단이 접합부가 아닌 Mar-M247 주조합금에서 발생됨을 알 수 있는 데, 이는 본 발명재의 경우 확산접합부가 모재(Mar-M247 소재) 강도 이상의 고온 강도를 갖고 있음을 의미하고 있다.

이상 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 니켈기 초내열합금 이종재 부품의 제조방법에 의하면, 새로운 단일 열처리방식을 통하여 이종재로 이루어진 일체형 부품의 접합부의 특성을 크게 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 모재의 강도특성을 향상시킬 수 있다.또한, 열처리 공정을 단순화함에 따라 열처리 설비나 비용 감소가 가능하다.또한, 상기 이종재 부품의 사용환경이 상온인 경우 뿐만 아니라, 650℃ 정도의 고온에서도 접합부 및 모재의 강도가 향상되는 효과가 있다.

도 1은, 본 발명의 실시예에 따른 이종재의 열처리이력곡선도이다.

도 2는, 본 발명의 이종재에 대한 파단면 조직사진이다.

Claims (4)

1. 니켈기 초내열합금 이종재를 확산접합하여 확산접합된 이종재의 부품을 제조하는 방법에 있어서,

   상기 확산접합된 이종재를 850~ 1150℃의 온도까지 가열하고, 가열된 이종재를 공냉한 다음, 공냉된 이종재를 다시 700~ 800℃의 온도까지 가열한 후, 가열된 이종재를 공냉하는 것을 특징으로 하는 니켈기 초내열합금 이종재 부품의 제조방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 이종재는 각각 Udimet 720계 합금과 Mar-M247계 합금인 것을 특징으로 하는 니켈기 초내열합금 이종재 부품의 제조방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 이종재는, 850~ 900℃의 온도에서 15~ 20시간 동안 시효처리하고, 시효처리된 이종재를 공냉한 다음, 공냉된 이종재를 다시 740~ 780℃의 온도에서 15~ 20시간 동안 시효처리를 한 후 시효처리된 이종재를 공냉하는 것을 특징으로 하는 니켈기 초내열합금 이종재 부품의 제조방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 이종재는, 1100~ 1150℃의 온도에서 3~ 5시간 동안 용체화처리하고, 용체화처리된 이종재를 공냉한 다음, 공냉된 이종재를 다시 700~ 800℃의 온도에서 20~ 25시간 동안 시효처리를 한 후 시효처리된 이종재를 공냉하는 것을 특징으로 하는 니켈기 초내열합금 이종재 부품의 제조방법.