KR101189440B1 - Gas turbine combustor for an easy repair welding and method of manufacturing the same - Google Patents

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KR101189440B1 KR1020100102343A KR20100102343A KR101189440B1 KR 101189440 B1 KR101189440 B1 KR 101189440B1 KR 1020100102343 A KR1020100102343 A KR 1020100102343A KR 20100102343 A KR20100102343 A KR 20100102343A KR 101189440 B1 KR101189440 B1 KR 101189440B1
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Abstract

가스터빈 연소기의 크리프 특성을 향상시켜 보수회수를 적게 하고, 연소기의 보수 시 용접 전에 용체화 열처리의 수행 없이 곧바로 용접 패딩이 가능하도록 하는 보수용접이 간편한 가스터빈 연소기 및 그 제조방법을 제공한다. 연료와 압축공기를 연소시켜 고온 및 고압의 연소가스를 만드는 연소기 라이너 및 고온 및 고압의 연소가스를 전달하는 트랜지션 피스를 포함하는 가스터빈 연소기는 니켈기 합금으로 이루어지며, 파형의 결정립계를 포함하는 미세조직을 포함한다. 이 가스터빈 연소기의 제조방법은 진공 중에서 1000~1200℃의 고온영역에서 용체화 처리를 행한 후, 곧바로 시효처리를 위한 700~900℃의 중온영역까지 1~15℃/분으로 서냉하고, 중온영역에서 소정의 시간 동안 유지하여 시효처리를 행한 다음 열처리를 종료한다.The present invention provides a simple gas turbine combustor and a method of manufacturing the same, which improves the creep characteristics of the gas turbine combustor, reduces the number of repairs, and enables welding padding immediately without performing solution heat treatment before welding during repair of the combustor. A gas turbine combustor comprising a combustor liner that burns fuel and compressed air to produce combustion gases at high and high pressures and a transition piece that delivers combustion gases at high and high pressures is made of a nickel-based alloy and has a fine grain boundary including a grain boundary. Includes organization. In the gas turbine combustor, the solution is subjected to a solution treatment in a high temperature region of 1000 to 1200 ° C. in a vacuum, and then immediately cooled to 1 to 15 ° C./min to a medium temperature region of 700 to 900 ° C. for aging treatment. The aging treatment is carried out by holding for a predetermined time at and then the heat treatment is finished.

Description

보수용접이 간편한 가스터빈 연소기 및 그 제조방법{Gas turbine combustor for an easy repair welding and method of manufacturing the same}Gas turbine combustor for an easy repair welding and method of manufacturing the same}

본 발명은 가스터빈 연소기 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 보수용접 시 용접열영향부에서 주로 발생하는 액화입계균열에 대한 저항성을 높여서 보수용접 전에 별도로 용체화 열처리를 행할 필요가 없는 보수용접이 간편한 가스터빈 연소기 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a gas turbine combustor and a method for manufacturing the same, and in particular, it is easy to repair welding, which does not need to be subjected to solution heat treatment before repair welding by increasing resistance to liquefied grain boundary cracks mainly generated in the welding heat affected zone during repair welding. A gas turbine combustor and a method of manufacturing the same.

산업 발전용 가스터빈(gas turbine)은 크게 압축기(compressor), 연소기(combustor), 터빈의 3부분으로 구성된다. 그 작동원리는 터빈과 동축으로 회전하는 압축기의 구동에 따라 공기를 압축한 후 연소기로 보내면, 연소기 라이너(combustion liner)에서 연료와 압축공기를 연소시켜 고온, 고압의 연소가스를 만든다. 그 후, 이러한 연소가스는 트랜지션 피스(transition piece) 및 정익(vane)을 거쳐 동력날개(blade)에 전달되며 동력날개를 회전 구동시켜서 전력을 생산하게 된다. 여기서, 가스터빈의 연소기는 압축기로부터 나온 고온, 고압의 공기를 연료와 반응시켜 높은 에너지를 갖게 하는 연소기 라이너와 이를 터빈에 전달하여 터빈을 구동하는 역할을 수행하는 트랜지션 피스로 구성되며, 가스터빈의 심장부라 할 수 있다. The gas turbine for industrial power generation consists of three parts: a compressor, a combustor, and a turbine. The principle of operation is to compress the air according to the driving of the compressor which coaxially rotates with the turbine, and then send it to the combustor, which burns fuel and compressed air in a combustion liner to produce a high temperature and high pressure combustion gas. This combustion gas is then delivered to the blade via a transition piece and vane, and rotationally drives the blade to produce power. Here, the combustor of the gas turbine is composed of a combustor liner that has high energy by reacting high-temperature and high-pressure air from the compressor with fuel, and a transition piece that transfers it to the turbine to drive the turbine. It can be called heart.

최근에는 가스터빈의 성능향상과 친환경을 위해 연소가스의 터빈입구의 온도를 상승시키려는 노력이 활발히 진행 중에 있다. 이러한 노력의 일환으로 연소기 소재의 측면에서는 연소기 라이너, 트랜지션 피스에 사용되는 니켈기 초내열 합금의 온도 수용성을 보다 높이고자 고용강화형 초내열 합금(예를 들어, Hastelloy X)에서 규칙격자 강화상 γ'을 일정분율 석출시키는 석출강화형 초내열 합금(예를 들어, Nimonic 263)으로의 천이가 점차 확대되어 가고 있다.Recently, efforts have been actively made to increase the temperature of the turbine inlet of the combustion gas in order to improve the performance of the gas turbine and eco-friendly. As part of this effort, in order to increase the temperature acceptability of nickel-based superheat-resistant alloys used in combustor liners and transition pieces in terms of combustor materials, the regular lattice-reinforced phase γ in solid solution reinforced superheat-resistant alloys (eg Hastelloy X) The transition to precipitation-reinforced superheat-resistant alloys (eg, Nimonic 263), which precipitates a fraction, is gradually expanding.

한편, 상기 연소기 라이너와 트랜지션 피스는 실제 사용 중에 고온, 고압, 연소진동 등에 의한 환경적 요인으로 피로(fatigue), 크리프(creep), 마모 등의 손상에 의한 균열의 발생 및 변형 등으로 일정시간 작동 후에는 반드시 보수를 행하게 된다. 특히, 균열은 용접(welding)에 의한 패딩(padding)으로 보수하고 있는데, 연소기 라이너와 트랜지션 피스에 사용되는 소재가 고용강화형 합금에서 석출강화형 합금으로 전환 시에는, 용접성(weldability)이 현격히 떨어지게 되므로 필연적으로 보수용접 전에 용체화열처리를 행하게 된다.Meanwhile, the combustor liner and the transition piece operate for a predetermined time due to the occurrence and deformation of cracks caused by damage such as fatigue, creep, abrasion, etc. due to environmental factors such as high temperature, high pressure, combustion vibration, etc. during actual use. Afterwards, the repairs must be performed. In particular, the cracks are repaired by welding padding. When the material used for the combustor liner and transition piece is converted from a solid solution alloy to a precipitation hardening alloy, the weldability is significantly reduced. Inevitably, the solution heat treatment is performed before the repair welding.

규칙격자 강화상 γ'이 일정 분율로 석출된 초내열 합금은 용접 시 용접열영향부(heat affected zone)에서 고온균열의 일종인 액화균열이 생성되기 쉽다. 용접을 행할 경우, 열영향부에서는 급가열에 의해 편석(segregation) 혹은 석출물의 용해(dissolution)에 의한 기지(matrix)와의 공정반응(eutectic reaction)으로 인해 결정립계는 용융점 이하에서 이미 용융되어 액상필름(liquid film)을 형성하고, 급냉각에 의해 γ'의 빠른 석출을 동반한 수축으로 발생하는 용접부 인장잔류응력에 의해 액상 결정립계가 찢어져서 결국 액화입계균열(liquation grain boundary cracking)을 생성시킨다. 따라서 보수용접 시 열영향부의 액화균열을 방지하기 위해서는 결정립계 편석 혹은 석출물 등을 충분히 재용해시키는 용체화 열처리가 효과적이다. Superheat-resistant alloys in which the regular lattice-reinforced phase γ 'is deposited at a predetermined fraction easily form liquefied cracks, which are a kind of high temperature cracks in the heat affected zone during welding. In the case of welding, the grain boundary is already melted below the melting point due to eutectic reaction with matrix due to segregation or dissolution of precipitates by rapid heating in the heat affected zone. A liquid film) is formed, and the liquid crystal grain boundary is torn due to the tensile residual stress of the welded portion caused by the shrinkage accompanied by rapid precipitation of γ 'by rapid cooling, resulting in liquation grain boundary cracking. Therefore, in order to prevent the liquefaction crack of the heat affected zone during the repair welding, the solution heat treatment to re-dissolve the grain boundary segregation or precipitates is effective.

하지만, 연소기 라이너와 트랜지션 피스의 보수 시 용체화 열처리를 수행하는 것은 경제적 비용부담뿐만 아니라, 감합부 고경도 코팅층의 경도저하를 가져와 연소진동에 의한 마모손상이 현저하게 생기는 문제점이 있다. 따라서 가스터빈 연소기의 보수비용을 저감하기 위해서는 연소기 라이너와 트랜지션 피스의 크리프 특성의 향상을 통해 보수회수를 적게 하고, 보수용접을 하더라도 용체화 열처리를 수행하지 않고 마모손상 저항성을 유지시키는 것이 제조업체, 부품가공업체 및 운영업체, 유지보수업체 모두에게 중요한 과제의 하나가 되어 왔다. However, performing the solution heat treatment at the time of repairing the combustor liner and the transition piece has not only an economic cost, but also a problem that wear damage due to combustion vibration is remarkably caused due to the hardness decrease of the fitting high hardness coating layer. Therefore, in order to reduce the repair cost of gas turbine combustor, it is necessary to improve the creep characteristics of the combustor liner and the transition piece to reduce the number of repairs, and to maintain the wear damage resistance without performing the solution heat treatment even after repair welding. It has been one of the major challenges for processors, operators and maintenance companies alike.

따라서 본 발명이 해결하려는 기술적 과제는 가스터빈 연소기의 크리프 특성을 향상시켜 보수회수를 적게 하고, 연소기의 보수 시 용접 전에 용체화 열처리의 수행 없이 곧바로 용접 패딩이 가능하도록 하는 보수용접이 간편한 가스터빈 연소기를 제공하는데 있다. 또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 보수용접이 간편한 가스터빈 연소기를 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.Therefore, the technical problem to be solved by the present invention is to improve the creep characteristics of the gas turbine combustor to reduce the number of repairs, the gas welding combustor is easy to repair and repair to enable welding padding immediately without performing the solution heat treatment before welding during repair of the combustor To provide. In addition, another technical problem to be achieved by the present invention is to provide a method for manufacturing a gas turbine combustor is easy to repair and repair.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 연료와 압축공기를 연소시켜 고온 및 고압의 연소가스를 만드는 연소기 라이너 및 상기 고온 및 고압의 연소가스를 전달하는 트랜지션 피스를 포함하는 가스터빈 연소기에 있어서, 상기 가스터빈 연소기는 니켈기 합금으로 이루어지며, 파형의 결정립계를 포함하는 미세조직을 포함한다. In the gas turbine combustor comprising a combustor liner for combusting the fuel and the compressed air of the present invention for achieving the technical problem to produce a combustion gas of high temperature and high pressure, and a transition piece for transmitting the combustion gas of high temperature and high pressure. The gas turbine combustor is made of a nickel-based alloy and includes a microstructure having a wavy grain boundary.

또한, 상기 파형의 결정립계에는 판상의 입계탄화물이 서로 떨어져 배치되어 있고, 상기 파형의 결정립계 이외의 결정립 내부에는 미세한 γ′석출물이 균일하게 분포될 수 있다.Further, the plate-shaped grain boundary carbides are disposed apart from each other at the grain boundaries of the waveform, and fine? 'Precipitates may be uniformly distributed inside the grains other than the grain boundaries of the waveform.

상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 연료와 압축공기를 연소시켜 고온 및 고압의 연소가스를 만드는 연소기 라이너 및 상기 고온 및 고압의 연소가스를 전달하는 트랜지션 피스를 포함하며, 니켈기 합금을 가공 및 열처리하여 이루어진 가스터빈 연소기의 제조방법에 있어서, 상기 니켈기 합금의 열처리는 진공 중에서 1000~1200℃의 고온영역에서 용체화 처리를 행하는 단계, 상기 용체화 처리 후 곧바로 시효처리를 위한 700~900℃의 중온영역까지 1~15℃/분으로 서냉하는 단계, 상기 중온영역에서 소정의 시간 동안 유지하여 시효처리를 행한 후 열처리를 종료하는 단계로 이루어진다.Comprising a combustion liner for burning the fuel and compressed air of the present invention to achieve a high temperature and high pressure combustion gas and a transition piece for transmitting the high temperature and high pressure combustion gas to achieve the other technical problem, processing a nickel-based alloy And a heat treatment of the gas turbine combustor made by heat treatment, wherein the heat treatment of the nickel-based alloy is performed in a vacuum at a high temperature region of 1000 to 1200 ° C., and 700 to 900 for aging treatment immediately after the solution treatment. The step of slow cooling to 1 ~ 15 ℃ / min to the middle temperature zone of the ℃, the step of maintaining the predetermined temperature for a predetermined time in the aging treatment and then ending the heat treatment.

또한, 상기 가스터빈 연소기의 미세조직은 파형의 결정립계를 포함하며, 상기 파형의 결정립계에는 판상의 입계탄화물이 서로 떨어져 배치될 수 있다. 또한, 상기 파형의 결정립계 이외의 결정립 내부에는 미세한 γ′석출물이 균일하게 분포될 수 있다. In addition, the microstructure of the gas turbine combustor includes a grain boundary of the waveform, the plate-shaped grain boundary carbide may be disposed apart from each other. Further, fine γ 'precipitates may be uniformly distributed inside the grains other than the grain boundaries of the waveform.

본 발명에 의한 가스터빈 연소기 및 그 제조방법에 의하면, 가스터빈 연소기의 결정립계의 형상을 파형 모양으로 변화시켜 크리프 및 액화입계균열 손상의 저항성을 높임으로써, 보수회수를 적게 하고 가스터빈 연소기의 보수용접 전에 따로 용체화 열처리를 행할 필요가 없이 간편하게 보수용접을 행할 수 있다. 이에 따라 시간과 경제적 비용 등을 절약할 수 있다. According to the gas turbine combustor and its manufacturing method according to the present invention, by changing the shape of the grain boundary of the gas turbine combustor into a wave shape to increase the resistance to creep and liquid grain boundary crack damage, the repair frequency of the gas turbine combustor is reduced and repair welding Maintenance welding can be performed easily, without having to perform solution heat treatment separately before. This can save time and economic costs.

도 1은 가스터빈 연소기 부품을 나타내는 사시도이다.
도 2a는 가스터빈 연소기의 소재로 고려되는 니켈기 초내열합금들의 첨가원소에 따른 용접성 분류를 나타내는 그래프이다.
도 2b는 니켈기 초내열합금의 용접 시 발생하는 액화입계균열 생성을 나타내는 사시도이다.
도 3a는 종래의 열처리 방법에 의해 얻어진 가스터빈 연소기의 석출경화형 Ni-Co-Cr-Mo 합금의 미세조직을 나타내는 사진이다.
도 3b는 본 발명에 의한 열처리 방법에 의해 얻어진 가스터빈 연소기의 석출경화형 Ni-Co-Cr-Mo 합금의 미세조직을 나타내는 사진이다.
도 4a는 종래의 열처리 방법에 의해 얻어진 가스터빈 연소기의 석출경화형 Ni-Co-Cr-Mo 합금의 보론 편석을 나타내는 SIMS 사진이다.
도 4b는 본 발명에 의한 열처리 방법에 의해 얻어진 가스터빈 연소기의 석출경화형 Ni-Co-Cr-Mo 합금의 보론 편석을 나타내는 SIMS 사진이다.
도 4c는 결정립계 부근에서 보론 편석 정도를 정량적으로 나타내는 SIMS 라인 스캔 프로파일의 그래프이다.
도 5a는 종래의 열처리 방법에 의해 얻어진 가스터빈 연소기의 석출경화형 Ni-Co-Cr-Mo 합금을 1250℃까지 급가열한 후 곧바로 인장했을 때 파면을 나타내는 주사전자현미경 사진이다.
도 5b는 본 발명에 의한 열처리 방법에 의해 얻어진 가스터빈 연소기의 석출경화형 Ni-Co-Cr-Mo 합금을 1250℃까지 급가열한 후 곧바로 인장했을 때 파면을 나타내는 주사전자현미경 사진이다.1 is a perspective view showing a gas turbine combustor part.
Figure 2a is a graph showing the weldability classification according to the addition element of the nickel-based super heat-resistant alloys considered as the material of the gas turbine combustor.
Figure 2b is a perspective view showing the generation of liquefied grain boundary cracks generated when welding the nickel-based super heat-resistant alloy.
3A is a photograph showing a microstructure of a precipitation hardening type Ni—Co—Cr—Mo alloy of a gas turbine combustor obtained by a conventional heat treatment method.
Figure 3b is a photograph showing the microstructure of the precipitation hardening type Ni-Co-Cr-Mo alloy of the gas turbine combustor obtained by the heat treatment method according to the present invention.
4A is a SIMS photograph showing boron segregation of a precipitation hardening type Ni—Co—Cr—Mo alloy of a gas turbine combustor obtained by a conventional heat treatment method.
4B is a SIMS photograph showing boron segregation of the precipitation hardening type Ni—Co—Cr—Mo alloy of the gas turbine combustor obtained by the heat treatment method according to the present invention.
4C is a graph of a SIMS line scan profile quantitatively indicating the degree of boron segregation in the vicinity of grain boundaries.
5A is a scanning electron micrograph showing a wavefront when the precipitation hardening type Ni—Co—Cr—Mo alloy of a gas turbine combustor obtained by a conventional heat treatment method is rapidly heated to 1250 ° C. and immediately tensioned.
5B is a scanning electron micrograph showing a wavefront when the precipitation hardening type Ni—Co—Cr—Mo alloy of the gas turbine combustor obtained by the heat treatment method according to the present invention is rapidly heated to 1250 ° C. and immediately tensioned.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 다음에서 설명되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예들에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예들은 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The embodiments described below may be modified in various forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. Embodiments of the present invention are provided to more fully explain the present invention to those skilled in the art.

이하에서는 먼저 가스터빈 연소기의 주요 손상 원인과 이를 극복하는 방법에 대해서 살펴보고, 이어서 보수용접 시 용체화 열처리를 수행하지 않고 마모손상의 저항성을 유지시킬 수 있는 본원발명의 열처리 방법에 대하여 상세하게 설명할 것이다. 본 발명의 실시예에서는 Ni-Co-Cr-Mo 합금으로 잘 알려진 Nimonic 263 합금을 이용하여 살펴보기로 한다. Hereinafter, the main causes of damage to the gas turbine combustor and how to overcome them will be described first, and then the heat treatment method of the present invention which can maintain the resistance to abrasion damage without performing the solution heat treatment during repair welding will be described in detail. something to do. In the embodiment of the present invention will be described using the Nimonic 263 alloy, which is well known as Ni-Co-Cr-Mo alloy.

도 1은 가스터빈 연소기(30)의 부품을 나타내는 사시도이다. 도면에서의 가스터빈은 미국 GE(General Electric)사의 가스터빈 MS7001FA+e 모델의 연소기 라이너(2)와 트랜지션 피스(4)이며, 모두 메인바디로서 Nimonic 263합금을 사용하고 있다. 가스터빈 연소기 라이너(2)와 트랜지션 피스(4) 등은 니켈기 초내열합금으로 제조되며, 가스터빈의 고효율화 요구에 발맞추어 연소가스 온도를 높이기 위해 규칙격자 강화상 γ'을 일정분율 석출시키는 석출강화형 초내열 합금(예를 들어, Nimonic 263)의 사용이 확대되어 가고 있다. 1 is a perspective view showing a part of the gas turbine combustor 30. The gas turbine in the figure is a combustor liner 2 and a transition piece 4 of the gas turbine MS7001FA + e model of General Electric (GE) of the United States, all using Nimonic 263 alloy as the main body. The gas turbine combustor liner (2) and the transition piece (4) are made of nickel-based super heat-resistant alloy, and precipitate in a certain fraction of the regular lattice-reinforced phase γ 'to increase the combustion gas temperature in accordance with the gas turbine's demand for high efficiency. The use of reinforced superheat-resistant alloys (eg Nimonic 263) is expanding.

상기 연소기 라이너(2)와 트랜지션 피스(4)는 실제 사용 중에 고온, 고압, 연소진동 등에 의한 환경적 요인으로 크리프, 마모 등의 손상에 의한 균열의 발생 및 변형 등으로 일정시간 작동 후에는 반드시 보수를 행하고 있다. 그 중에서 가스터빈 연소기(30)의 주요 파단 손상은 취약한 결정립계를 따라 균열이 생성되고 전파하는 크리프 손상이다. The combustor liner 2 and the transition piece 4 must be repaired after operation for a certain time due to the occurrence and deformation of cracks caused by damage such as creep and abrasion due to environmental factors such as high temperature, high pressure and combustion vibration during actual use. Is doing. Among them, the main fracture damage of the gas turbine combustor 30 is a creep damage in which cracks are generated and propagated along a weak grain boundary.

한편, 가스터빈 연소기(30)의 균열은 용접에 의한 패딩으로 보수하고 있는데, Nimonic 263과 같은 석출경화형 초내열 합금은 Hastelloy X와 같은 고용강화형 합금에 비해 용접성이 현격히 떨어지게 되므로, 필연적으로 보수용접 전에 용체화 열처리를 행하여야 한다. 여기서, 용접성이 낮다는 것은 다시 말해 용접 시 용접부에서 고온균열의 일종인 액화균열이 생성되기 쉽다는 의미이다. 이하에서는 석출강화형 초내열 합금의 용접시 용접부에서 고온균열의 일종인 액화균열이 생성되는 과정에 대해서 살펴볼 것이다.On the other hand, the cracks in the gas turbine combustor 30 are repaired by welding padding, but the precipitation hardening type super heat-resistant alloys such as Nimonic 263 are significantly inferior in weldability compared to the solid solution type alloys such as Hastelloy X. The solution heat treatment should be performed before. Here, low weldability means that liquefied cracks, which are a kind of high temperature cracks, are easily generated in the welded portion during welding. Hereinafter, a process of generating a liquefied crack, which is a kind of high temperature crack in the welded portion, during welding of the precipitation-reinforced super heat-resistant alloy will be described.

도 2a는 가스터빈 연소기의 소재로 고려되는 니켈기 초내열합금들의 첨가원소에 따른 용접성 분류를 나타내는 그래프이고, 도 2b는 니켈기 초내열합금의 용접 시 발생하는 액화입계균열 생성을 나타내는 개략도이다.Figure 2a is a graph showing the weldability classification according to the addition element of the nickel-based super heat-resistant alloys considered as the material of the gas turbine combustor, Figure 2b is a schematic diagram showing the generation of liquefied grain boundary cracks generated when welding the nickel-based super-alloy alloy.

도 2a에서, 규칙격자 강화상 γ'을 형성시키는 원소인 Al, Ti함량이 증가할수록 니켈기 초내열 합금의 용접성이 저하됨을 알 수 있다. 특히, Al과 Ti의 총원자분율의 합이 6% 이상일 경우에는 용접하기 어려운 합금으로 분류된다. 2A, it can be seen that the weldability of the nickel-based super heat-resistant alloy decreases as the Al and Ti contents, which form the regular lattice-reinforced phase γ ', increase. In particular, when the sum of the total atomic fractions of Al and Ti is 6% or more, it is classified as an alloy that is difficult to weld.

도 2b를 참조하면, 이들 니켈기 초내열 합금(10)의 용접을 행할 경우에는 열영향부(12)는 급가열 및 급냉각의 용접 열사이클(weld thermal cycle)을 겪게 된다. 우선 급가열에 의해 편석 혹은 석출물(16)의 용해에 의한 기지와의 공정반응으로 인해 결정립계는 용융점 이하에서 이미 용융되어 액상필름을 형성하고, 이후 급냉각에 의해 γ'의 빠른 석출(14)을 동반한 수축으로 인한 용접부 인장잔류응력이 발생하게 된다. 이때, 가열시 생성하여 잔류하는 액상 결정립계는 냉각도중 찢어져서 결국 액화입계균열(18)을 생성시킨다. Referring to FIG. 2B, when the nickel-based superheat-resistant alloy 10 is welded, the heat affected zone 12 undergoes a weld thermal cycle of rapid heating and quenching. First, due to the process reaction with the matrix by segregation or precipitation of the precipitate 16 by rapid heating, the grain boundary is already melted below the melting point to form a liquid film, and then rapid cooling 14 of γ 'is formed by rapid cooling. Tensile residual stress at the weld due to constriction occurs. At this time, the liquid crystal grain boundary generated during heating is torn during cooling, and eventually generates liquid grain boundary cracks 18.

따라서 보수용접 시 열영향부(12)의 액화균열(18)을 방지하기 위해서는 결정립계 편석 혹은 석출물(16) 등을 충분히 재용해시키는 용체화 열처리가 효과적이다. 이러한 이유로 현재까지는 보수용접 시 용체화 열처리를 사전에 필연적으로 수행하였다. 하지만, 보수 용접 시 용체화 열처리를 수행하는 경우에는, 일본특허공개 평6-288549에도 개시된 바와 같이 경제적 보수비용 부담뿐만 아니라, 연소기 라이너와 트랜지션 피스의 감합부 고경도 코팅층의 경도저하를 가져와 연소진동에 의한 마모손상이 현저하게 생기는 문제점이 있다.Therefore, in order to prevent the liquefaction crack 18 of the heat-affected portion 12 during repair welding, a solution heat treatment that sufficiently dissolves the grain boundary segregation or the precipitate 16 is effective. For this reason, until now, solution heat treatment has been inevitably performed in repair welding. However, in the case of performing solution heat treatment during repair welding, as described in Japanese Patent Application Laid-open No. Hei 6-288549, not only the economic maintenance cost burden, but also the hardness of the high hardness coating layer of the fitting portion of the combustor liner and the transition piece resulted in combustion vibration. There is a problem that wear damage caused by the remarkably occurs.

본 발명의 실시예에서는 상기 보수용접 시 발생하는 액화입계균열 생성 기구를 자세하게 고찰한 결과, 액화입계균열은 상기에서 언급한 크리프 손상과 마찬가지로 모두 취약한 결정립계를 따라 균열이 생성되어 전파된다는 것을 알았다. 따라서 입계 자체의 에너지를 낮추고, 균열진정 노정(crack propagation path)을 늘리며, 입계에 석출되는 석출상, 예컨대 탄화물의 형상과 특성을 변화시킨다면, 크리프 손상과 액화입계균열손상의 저항성을 동시에 향상시킬 수가 있다는 가능성을 파악하게 되었다. 액화입계균열손상의 저항성을 향상시킬 수 있다면, 보수용접 전에 별도의 용체화 열처리가 필요하지 않다. 이에 따라 본 발명의 실시예에서는 가스터빈 연소기의 크리프 및 액화입계균열손상의 저항성을 높이기 위해서, 파형(wave type)의 결정립계를 형성하는 것을 제안한다.In the embodiment of the present invention, the liquefied grain boundary crack generating mechanism generated during the repair welding in detail, it was found that the liquefied grain boundary cracks are formed along the vulnerable grain boundaries and propagated along the grain boundaries as well as the creep damage mentioned above. Therefore, by lowering the energy of the grain boundary itself, increasing the crack propagation path, and changing the shape and characteristics of the precipitates deposited at the grain boundary, for example, carbides, the resistance to creep damage and liquid grain boundary crack damage can be improved simultaneously. I figured out the possibility. If the resistance to liquefied grain boundary cracking can be improved, no separate solution heat treatment is required before repair welding. Accordingly, in the embodiment of the present invention, it is proposed to form a wave type grain boundary in order to increase the resistance of creep and liquid grain boundary crack damage of the gas turbine combustor.

파형의 결정립계는 다음과 같은 이유에 의해 크리프 및 액화입계균열손상의 저항성을 증대시킨다. 먼저, 결정립 간의 어긋남(misorientation) 정도를 낮추어 기지와의 결합력이 증가하고 동시에 입계를 따르는 균열의 진정 노정을 길게 한다. 또한, 결정립계에 석출되는 탄화물은 밀도가 낮고 안정된 계면에너지를 갖는 판상모양을 갖는다. 이와 더불어 입계 계면에너지가 낮아져 보론의 편석 저항성이 증대되어 쉽게 결정립계가 용해되지 않을뿐더러, 젖음성(wettability)이 낮아 액상필름이 결정립계를 통해 전파하기 어려워진다. The grain boundary of the waveform increases the resistance to creep and liquefied grain boundary cracking for the following reasons. First, the degree of misorientation between grains is lowered to increase the bonding force with the base and at the same time, to lengthen the calming path of the crack along the grain boundary. In addition, the carbide deposited at the grain boundary has a plate shape having a low density and stable interfacial energy. In addition, the grain boundary interface energy is lowered, the segregation resistance of boron is increased, so that the grain boundary is not easily dissolved, and the wettability is low, making it difficult for the liquid film to propagate through the grain boundary.

이에 대하여, 파형 결정립계에 대하여 한국특허공개 제2009-0130663호를 통해 니켈기 합금에 파형의 결정립계를 형성하여 판상의 석출물을 유도하는 열처리 공정을 제시하였다. 이 열처리 공정은 고온영역인 1000~1200℃에서 용체화 처리 직후 1~15℃/분의 속도로 700~900℃인 중온영역까지 서냉을 한 후 곧바로 동일 온도에서 시효처리 하는 것으로 구성되어 있다. 이 열처리에 의하면, 니켈기 합금의 결정립계 형상을 파형모양으로 변화시켜서 계면에너지가 낮은 저밀도의 탄화물의 석출을 유도하고 결정립계와 기지와의 결합력을 높임으로써, 크리프 및 액화균열 등 입계균열 파손에 대하여 저항성을 향상시킬 수 있다.On the other hand, through the Korean Patent Publication No. 2009-0130663 with respect to the waveform grain boundary, a heat treatment process for forming a grain boundary of the waveform in the nickel-based alloy to induce the plate-like precipitates. This heat treatment process consists of slow cooling to a medium temperature region of 700 to 900 ° C. at a rate of 1 to 15 ° C./min immediately after the solution treatment in a high temperature region of 1000 to 1200 ° C., and then aging at the same temperature. According to this heat treatment, the grain shape of the nickel-based alloy is changed into a wave shape to induce precipitation of low density carbides with low interfacial energy and to increase the bonding force between grain boundaries and matrix, thereby resisting grain boundary cracking such as creep and liquefaction cracking. Can improve.

따라서 본 발명의 실시예에서는 이 열처리 방법을 가스터빈 연소기 부품에 적용시킴으로써, 연소기 전체의 기본적인 특성은 그대로 유지한 채 크리프 특성 향상과 액화입계균열 저항성 향상을 통해 보수주기를 늘리며, 용체화 열처리가 필요 없는 간편한 보수용접 방법을 제공할 수 있는 가스터빈 연소기 열처리 방법을 제안하고자 한다.Therefore, in the embodiment of the present invention, by applying this heat treatment method to the gas turbine combustor components, while maintaining the basic characteristics of the entire combustor, the maintenance cycle is increased by improving the creep characteristics and the resistance to liquefied grain boundary cracks, and solution heat treatment is required. We propose a heat treatment method for a gas turbine combustor which can provide a simple repair welding method.

파형 입계 발생에 대한 기구는 여러 가지가 있으나, 입계 스스로가 온도에 따라 총 에너지를 낮추기 위해 형상을 변화시킨다는 것이 일반적으로 알려지고 있다. 즉, 고온 영역에서는 결정립 간 어긋남보다는 표면에너지의 영향이 커서 표면적을 가능한 작게 하기 위해 직선형의 입계가 발달한다. 중간온도 영역 이하에서는 상대적으로 결정립 간 어긋남이 중요하므로 입계가 결정학적으로 유리하게 배열되도록 여러 개의 세그먼트(segment)로 분리되는 파형입계가 발생한다고 보고되고 있다. 이러한 파형 입계의 발생 기구를 고려하면, 니켈기 합금에서 파형입계를 얻기 위해서는 다음과 같은 조건들을 필수적으로 갖추어야 한다.There are many mechanisms for generating waveform boundaries, but it is generally known that the boundaries themselves change shape in order to lower the total energy with temperature. That is, in the high temperature region, a linear grain boundary develops in order to make the surface area as small as possible because the influence of the surface energy is greater than the deviation between grains. It is reported that a waveform grain boundary is divided into several segments so that the grain boundary is important to arrange crystallographically advantageously below the intermediate temperature range is relatively important. Considering the generation mechanism of the waveform grain boundaries, the following conditions are essential to obtain the waveform grain boundaries in the nickel-based alloy.

첫째로, 입계에서의 탄화물 석출은 최대한 지연되어야 한다. 왜냐하면, 탄화물은 결정립계 고정효과(pinning effect)로 입계의 움직임에 방해되고, 이미 석출된 탄화물들은 그 특성(밀도, 모양 등)을 개선하기 어렵기 때문이다. 따라서 탄소의 과포화는 최소화되어야 한다. 둘째로, 입계가 스스로 움직여서 평형상태에 근접할 수 있도록 충분한 시간과 온도를 부여해야 한다. First, carbide precipitation at the grain boundary should be delayed as much as possible. This is because carbides interfere with the movement of grain boundaries due to the graining pinning effect, and carbides that are already precipitated are difficult to improve their properties (density, shape, etc.). Therefore, supersaturation of carbon should be minimized. Second, sufficient time and temperature should be given for the grain boundary to move by itself and approach equilibrium.

따라서 위의 조건을 충족하기 위해서는 니켈기 합금을 탄화물이 용해, 고용되는 고온영역에서 일정한 시간 동안 유지한 후, 결정립 간 어긋남이 중요하게 되는 중간온도 이하까지 서냉하는 것이 바람직하다.Therefore, in order to satisfy the above conditions, it is preferable to maintain the nickel-based alloy for a predetermined time in a high temperature region where carbides are dissolved and dissolved, and then slowly cool it to an intermediate temperature at which the deviation between grains becomes important.

본 발명의 실시예에서는 여러 가지 조건의 열처리 시험을 통해 가스터빈 연소기의 결정립 크기와 입내 석출강화상(예를 들어,γ′규칙격자상) 분율 및 크기를 일정 수준으로 유지하면서 파형 입계를 유도하는 최적의 열처리 조건을 설정하였다. In the embodiment of the present invention through the heat treatment test of various conditions to maintain the grain size of the gas turbine combustor and the particle size and intra-precipitation precipitation image (e.g., γ 'regular lattice phase) while maintaining a certain level to induce the waveform grain boundary Optimum heat treatment conditions were set.

구체적으로 그 조건을 살펴보면, 용체화 처리를 위하여 고온영역(1000~1200℃)에서 소정의 시간 동안 유지한 후, 시효처리를 위한 중온영역(700~900℃)까지 1~15℃/분으로 서냉한다, 그 후, 곧바로 그 중온온도에서 소정의 시간 동안 시효처리를 실시한 후 그대로 공냉한다. 이때, 파형의 입계는 중온영역까지 1~15℃/분으로 서냉하는 과정에 형성된다. 여기서, 용체화 처리시간은 본 발명의 목적에 부합하여 상기 합금에서 균질화 처리가 충분하게 일어나는 즉, 가스터빈 연소기의 탄화물 및 입내 석출 강화상을 충분히 용해, 고용시키지만 결정립 성장은 발생하지 않을 정도의 시간을 말한다. 또한, 시효처리시간은 본 발명의 목적에 부합하여 상기 합금의 입내 석출강화상을 기지 내에 균일하게 포화 분포시키고, 탄화물들을 결정립계에 석출시켜 동일 시효처리 온도구간에서(700~900℃) 노출을 해도 조직상의 변화가 없을 정도로 시효처리가 충분하게 일어나는 시간을 말한다.Specifically, looking at the conditions, after maintaining for a predetermined time in the high temperature region (1000 ~ 1200 ℃) for the solution treatment, slow cooling to 1 ~ 15 ℃ / min to the middle temperature region (700 ~ 900 ℃) for aging treatment After that, the aging treatment is carried out for a predetermined time at the intermediate temperature immediately, followed by air cooling as it is. At this time, the grain boundary of the waveform is formed in the process of slow cooling to 1 ~ 15 ℃ / min to the middle temperature region. Here, the solution treatment time is a time sufficient for homogenization treatment in the alloy in accordance with the object of the present invention, that is, sufficient dissolution and solid solution of carbide and intragranular precipitation strengthening phase of a gas turbine combustor, but no grain growth occurs. Say In addition, the aging treatment time is uniformly saturated distribution of the intragranular precipitation strengthening image of the alloy in the matrix in accordance with the object of the present invention, and precipitated carbides in the grain boundary, even if exposed to the same aging treatment temperature range (700 ~ 900 ℃) This is the time when the aging treatment is sufficient to ensure no change in tissue.

본 발명의 실시예에 있어서, 용체화 처리 후 곧바로 시효처리 온도까지 서냉함에 있어 1~15℃/분으로 한정한다. 왜냐하면, 냉각속도가 1℃/분 미만일 경우 고온에서 노출시간이 길어지므로 결정립과 입내 석출강화상이 조대화되어 기본적인 기계적 특성이 저하될 우려가 있기 때문이다. 또한, 냉각속도가 15℃/분 초과할 경우 결정립계가 파형으로 될 수 있는 충분한 시간적 여유가 없어 탄화물이 먼저 석출되기 때문에 파형입계를 얻을 수가 없다.In the Example of this invention, in slow cooling to an aging treatment temperature immediately after the solution treatment, it limits to 1-15 degreeC / min. This is because, if the cooling rate is less than 1 ° C / min, the exposure time is increased at high temperature, the grains and intragranular precipitation-enhanced image is coarsened, and there is a possibility that the basic mechanical properties are degraded. In addition, when the cooling rate exceeds 15 ° C / min, the grain boundary cannot be obtained because there is not enough time for the grain boundary to become a waveform and carbide is precipitated first.

한편, 용체화 처리 후 그 온도에서 실온까지의 온도영역의 전 범위에서 1~15℃/분으로 서냉할 경우, 입내 강화상 석출과 고온 안정성이 미흡하여 그대로 가스터빈 연소기 부품으로 사용할 수 없고, 별도의 시효처리를 해야 하므로 시간 및 비용의 부담이 크다. 만일 용체화 처리 후 그 온도에서 본 발명의 시효처리온도가 아닌 다른 온도구간에서 1~15℃/분으로 서냉할 경우 파형 입계가 발생하지 않을뿐더러, 시효처리를 다시 해야 하는 문제점이 발생한다.On the other hand, when the solution is slowly cooled to 1 to 15 ° C./min in the entire temperature range from the temperature to room temperature after the solution treatment, precipitation of the strengthening phase in the mouth and high temperature stability are insufficient and cannot be used as a gas turbine combustor part as it is. Because of the aging treatment, the burden of time and money is high. If the solution is subjected to slow cooling at a temperature other than the aging treatment temperature of the present invention at a temperature of 1 to 15 ° C./min after the solution treatment, a waveform boundary does not occur and a aging treatment needs to be performed again.

따라서 본 발명의 실시예에 따른 가스터빈 연소기의 최종 열처리 공정은, 진공 중에서 1000~1200℃의 고온영역에서 용체화 처리 후 700~900℃ 중온영역까지 1~15℃/분으로 서냉하고, 곧바로 중온영역에서 소정의 시간 동안 유지하여 시효처리를 행한 후 열처리를 종료하는 1단계의 열처리를 행하는 데에 그 특징이 있다. Therefore, the final heat treatment process of the gas turbine combustor according to an embodiment of the present invention, after the solution treatment in a high temperature region of 1000 ~ 1200 ℃ in a vacuum, slowly cooled to 1 ~ 15 ℃ / min to 700 ~ 900 ℃ medium temperature region, immediately medium temperature It is characterized by performing one-step heat treatment in which the aging treatment is performed by holding in the region for a predetermined time and then terminating the heat treatment.

도 3a는 종래의 열처리 방법에 의해 얻어진 가스터빈 연소기의 석출경화형 Nimonic 263 합금의 미세조직을 나타내는 사진이다. 여기서, 오른쪽은 입계부근을 확대하여 나타낸 투과전자현미경 사진이다. 열처리는 1150℃/75분으로 용체화 처리하고 실온까지 수냉(50℃/초 이상)한 후, 다시 800℃/8시간으로 시효처리하여 공냉하였다. 즉, 고온의 영역에서 용체화 처리 후 실온까지 수냉하고, 다시 중온에서 시효처리를 행하는 2단계 열처리 방법을 적용하였다. 이에 따라, 도시된 바와 같이 종래의 합금의 미세조직은 직선 형태의 결정립계와 결정립계에 과립모양의 작은 탄화물이 높은 밀도로 석출됨을 알 수 있다. 이때의 결정립 크기는 120~130㎛임을 확인하였다.3A is a photograph showing a microstructure of a precipitation hardening type Nimonic 263 alloy of a gas turbine combustor obtained by a conventional heat treatment method. Here, the right side is a transmission electron micrograph showing the vicinity of the grain boundary. The heat treatment was solution solution at 1150 ° C./75 minutes, water cooled to room temperature (50 ° C./sec or more), and then aged by 800 ° C./8 hours for air cooling. In other words, a two-stage heat treatment method in which the solution was cooled to room temperature after the solution treatment in a high temperature region and aged again at medium temperature was applied. Accordingly, as shown, the microstructure of the conventional alloy can be seen that the granules of small carbide in the granular shape precipitates at a high density in a linear grain boundary and grain boundaries. At this time, it was confirmed that the grain size is 120 ~ 130㎛.

도 3b는 본 발명의 실시예에 의한 열처리 방법에 의해 얻어진 가스터빈 연소기의 석출경화형 Nimonic 263 합금의 미세조직을 나타내는 사진이다. 여기서, 오른쪽은 입계부근을 확대하여 나타낸 투과전자현미경 사진이다. 이때, 열처리는 1150℃/30분 정도로 용체화 처리하고 곧바로 시효처리 온도인 800℃까지 10℃/분으로 서냉한 후 800℃ 온도에서 8시간 유지 후 공냉하였다. 즉, 고온에서 용체화 처리한 후 중온 영역까지 서냉한 다음 그 중온영역에서 시효처리를 행한 후 열처리를 종료하는 1단계 열처리 방법을 적용하였다. 이에 따라, 도 3b로부터 알 수 있듯이 본 발명의 실시예에 의한 미세조직은 파형입계가 잘 발달되어 있으며, 결정립계에 계면에너지가 낮은 판상의 탄화물이 낮은 밀도로 석출됨을 알 수 있었다. 이때의 결정립 크기는 통상의 열처리에 의해 얻어진 조직과 유사한 110~120㎛ 이였다.Figure 3b is a photograph showing the microstructure of the precipitation hardening type Nimonic 263 alloy of the gas turbine combustor obtained by the heat treatment method according to an embodiment of the present invention. Here, the right side is a transmission electron micrograph showing the vicinity of the grain boundary. At this time, the heat treatment was subjected to a solution treatment to about 1150 ℃ / 30 minutes and immediately cooled to 10 ℃ / min to 800 ℃, the aging treatment temperature, and then air-cooled after holding at 800 ℃ temperature for 8 hours. That is, a one-step heat treatment method was applied in which the solution was subjected to a solution treatment at a high temperature and then slowly cooled to a medium temperature region, and then subjected to an aging treatment in the medium temperature region, and then the heat treatment was completed. Accordingly, as can be seen from FIG. 3b, the microstructure according to the embodiment of the present invention has a well-developed waveform grain boundary and has a low density of plate carbide having low interfacial energy at the grain boundary. Grain size at this time was 110-120 micrometers similar to the structure obtained by normal heat processing.

이처럼 본 발명의 실시예에 의한 1단계 열처리 방법에 의하면, 결정립계의 형상을 파형 모양으로 변화시켜서, 계면에너지가 낮은 저밀도의 탄화물의 석출을 유도하고 결정립계와 기지와의 결합력을 높이므로, 입계균열 파손에 대하여 저항성을 향상시킬 수 있다. 한국특허공개 제2009-0130663호에 의하면, 본 발명의 파형결정립계의 조직은 종래의 조직에 비하여 기본적인 기계적 특성은 그대로 유지하면서, 크리프 수명(760℃/295MPa 및 815℃/180MPa 조건)을 약 40% 이상 향상시켜 주고 있음을 입증하였다.Thus, according to the one-step heat treatment method according to the embodiment of the present invention, by changing the shape of the grain boundary into a wave shape, induces the precipitation of low density carbide with low interfacial energy and increases the bonding force between the grain boundary and the matrix, so that the grain boundary crack breakage The resistance can be improved. According to Korean Patent Publication No. 2009-0130663, the structure of the waveform grain boundaries of the present invention is about 40% of the creep life (760 ℃ / 295 MPa and 815 ℃ / 180 MPa conditions) while maintaining the basic mechanical properties as compared to the conventional structure It proved that the above improvement.

도 4a는 종래의 열처리 방법에 의해 얻어진 가스터빈 연소기의 석출경화형 Nimonic 263 합금의 결정립계 보론 편석 정도를 나타내는 사진이고, 도 4b는 본 발명의 열처리 방법에 의해 얻어진 가스터빈 연소기의 석출경화형 Nimonic 263 합금의 결정립계 보론 편석 정도를 나타내는 사진이다.Figure 4a is a photograph showing the grain boundary boron segregation degree of the precipitation hardening type Nimonic 263 alloy of the gas turbine combustor obtained by the conventional heat treatment method, Figure 4b is a precipitation hardening type Nimonic 263 alloy of the gas turbine combustor obtained by the heat treatment method of the present invention The photograph shows the degree of grain boundary boron segregation.

보론은 액화입계균열 생성에 주요한 역할을 하는 것으로, 편석 정도에 따라 용융점을 150~200℃까지 낮추는 원소로 알려져 있으며, 결정립계에 많이 편석될 경우 용접 동안 급가열시 결정립계가 녹아 쉽게 액화균열이 생성된다. 여기서, 보론편석은 SIMS(secondary ion mass spectrometry)를 활용한 것으로, primary ion 16 keV Cs+를 시험편에 조사하고 반응하여 나온 secondary ion 11B16O-(원자량 27)을 이미징(imaging)하여 편석정도를 비교하였다. Boron plays a major role in the formation of liquefied grain boundary cracks, and it is known as an element that lowers the melting point to 150 ~ 200 ℃ according to the degree of segregation.In case of large segregation in the grain boundary, liquefied cracks are easily formed because the grain boundary melts during rapid heating during welding. . Here, the boron segregation utilizes secondary ion mass spectrometry (SIMS), and the degree of segregation by imaging secondary ion 11 B 16 O − (atomic weight 27) obtained by irradiating the primary ion 16 keV Cs + on the test specimen and reacting it. Was compared.

도 4a 및 도 4b는 각각 종래의 열처리 방법에 의해 얻어진 직선형 결정립계와 본 발명의 열처리에 의해 얻어진 파형의 결정립계에 대한 보론 편석을 나타내는 SIMS 사진이다. 보론이 많이 편석된 곳은 secondary ion 11B16O- 이 많이 방출되어 이미지로 형상화하므로, 강도(intensity)가 높아 밝은색으로 보인다. 반면, 보론 편석이 덜 한 곳은 강도가 낮아 상대적으로 어둡게 보인다. 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 본 발명의 열처리에 의해 얻어진 파형의 결정립계가 종래의 열처리 방법에 의해 얻어진 직선형 결정립계보다 11B16O- 의 강도가 낮아서 보론 편석의 정도가 낮은 것을 알 수 있다. 이에 따라 본 발명의 열처리에 의해 얻어진 파형의 결정립계가 종래의 직선형 결정립계보다 보론의 편석에 대한 저항성이 훨씬 우수함을 알 수 있다. 4A and 4B are SIMS photographs showing boron segregation of grain boundaries of a linear grain boundary obtained by a conventional heat treatment method and a waveform obtained by heat treatment of the present invention, respectively. Where boron is segregated, secondary ion 11 B 16 O - is released and formed into an image, and thus high intensity appears to be bright. Whereas less boron segregation tends to be relatively dark due to lower strength. 4A and 4B, it can be seen that the grain boundaries of the waveforms obtained by the heat treatment of the present invention have lower strengths of 11 B 16 O − than the linear grain boundaries obtained by the conventional heat treatment method, and thus the degree of boron segregation is lower. Accordingly, it can be seen that the grain boundary of the waveform obtained by the heat treatment of the present invention is much more resistant to segregation of boron than the conventional linear grain boundary.

도 4c는 결정립계 부근에서 보론편석 정도를 정량적으로 나타내는 SIMS 라인 스캔 프로파일(line scan profile)의 그래프이다. 여기서, ■은 종래의 열처리에 의해 얻어진 보론 편석의 강도를 나타낸 것이고, ▲은 본 발명의 열처리에 의해 얻어진 보론 편석의 강도를 나타낸 것이다. 4C is a graph of a SIMS line scan profile quantitatively indicating the degree of boron segregation in the vicinity of grain boundaries. Here, ■ shows the strength of the boron segregation obtained by the conventional heat treatment, and ▲ shows the strength of the boron segregation obtained by the heat treatment of the present invention.

도 4c로부터, 본 발명의 파형의 결정립계가 종래의 직선형 결정립계보다 보론편석 강도가 월등히 낮을 뿐만 아니라, 편석되는 결정립계 폭(width) 역시 작음을 알 수 있다. 이로부터 파형의 결정립계가 종래의 직선형 결정립계보다 보론 편석 저항성이 우수하여, 용접 동안 급가열시 결정립계가 쉽게 녹기 어려워 액화균열저항성이 우수할 것으로 유추할 수 있다.It can be seen from FIG. 4C that the grain boundary of the waveform of the present invention is not only significantly lower in boron segregation strength than the conventional linear grain boundary, but also has a smaller grain boundary width. From this, it can be inferred that the grain boundary of the waveform is better in boron segregation resistance than the conventional linear grain boundary, and the grain boundary is hard to be easily melted during rapid heating during welding.

한편, 용접 시 발생하는 액화입계균열에 대한 감수성을 정량적으로 평가하는 대표적인 실험방법 중의 하나가 바로 고온연성시험(hot ductility test)이다. 고온연성시험의 개념은 실제용접 시 발생하는 액화입계균열이 소재의 고온연성과 깊은 관련이 있고, 이러한 고온연성은 용접 시 인장구속응력에 대한 수용능력을 나타내므로, 고온연성이 높을수록 액화입계균열에 대한 저항성이 높다는 것을 내포한다. On the other hand, one of the representative test methods to quantitatively evaluate the susceptibility to liquefied grain boundary cracks generated during welding is the hot ductility test. The concept of the high temperature ductility test is that the liquefaction grain boundary crack generated during actual welding is closely related to the high temperature ductility of the material, and this high ductility shows the capacity for tensile binding stress during welding. It implies a high resistance to.

고온연성시험은 실제용접 시 실제 열영향부가 겪는 열이력과 같이 급가열 및 급냉각하면서 연성을 측정하는 방식으로 이루어져 있다. 가열 온도가 상승하여 결정립계가 액상필름으로 거의 채워져 연성이 없어지는 온도를 NDT(nil-ductility temperature)라고 정의한다. 이 온도 이상부터는 실제 소재의 연성은 zero이다. The high temperature ductility test consists of measuring the ductility during rapid heating and rapid cooling, such as the thermal history experienced by the actual heat affected zone during actual welding. NDT (nil-ductility temperature) is defined as the temperature at which the heating temperature rises so that the grain boundary is almost filled with the liquid film and the ductility disappears. Above this temperature, the actual material ductility is zero.

또한, 가열 온도가 더욱 상승하여 결정립계가 액상필름으로 완전히 채워지고 기지조직이 일부 녹아 강도가 전혀 없게 되는 온도를 NST(nil-strength temperature)라고 정의한다. 이후 NDT/NST를 지나 최고가열온도(peak temperature, Tp)까지 온도를 올린 다음 다시 급냉각을 하게 되는데, 냉각 중에 다시 연성이 제로(zero)에서 일정수준까지 회복되는 온도 개시점을 바로 DRT(ductility recovery temperature)라고 정의한다. 이때, 최고 온도까지 가열중 연성이 zero구간인 온도영역(TL-NDT)을 ZDTR (zero-ductility temperature range)라고 하며, TL은 소재 용융되기 시작하는 용용점을 나타낸다. 또한, 최고온도인 NST까지 가열한 이후 DRT까지 즉, 냉각시 연성이 zero인 온도영역을 LTR(liquation temperature range)라고 정의한다. In addition, the temperature at which the heating temperature is further increased so that the grain boundary is completely filled with the liquid film and the matrix tissue is partially melted and there is no strength at all is defined as NST (nil-strength temperature). After the NDT / NST, the temperature is raised to the peak heating temperature (Tp) and then quenched again. During cooling, DRT (ductility) starts at the temperature starting point where ductility recovers from zero to a certain level. recovery temperature). At this time, the temperature range (T L -NDT) where the ductility is zero section during heating to the maximum temperature is called ZDTR (zero-ductility temperature range), and T L represents the melting point at which the material starts to melt. In addition, the temperature range where the ductility is zero during cooling after heating up to NST, which is the highest temperature, is defined as LTR (liquation temperature range).

이상에서 살펴보듯이 고온연성시험을 통해 액화입계균열이 생성될 수 있는 온도 구간(즉, 고온연성이 zero이 온도구간)인 ZDTR, LTR으로부터 균열감수성을 정량적으로 예측할 수 있다. 다시 말해, ZDTR 및 LTR이 작을수록 액화입계균열 감수성이 작아 용접성이 우수하다는 의미를 내포한다. As described above, it is possible to quantitatively predict crack susceptibility from ZDTR and LTR, which are temperature ranges (ie, high temperature ductility is zero) where liquefied grain boundary cracks can be generated. In other words, the smaller the ZDTR and LTR, the smaller the liquid grain boundary cracking susceptibility.

표 1은 종래의 열처리방법과 본 발명의 열처리방법에 의한 액화입계균열의 감수성을 정량적으로 표현한 고온연성시험 결과를 나타낸다. Table 1 shows the results of the high temperature ductility test that quantitatively expresses the susceptibility of liquefied grain boundary cracks by the conventional heat treatment method and the heat treatment method of the present invention.

NDT
(℃)NDT
(℃) NST
(℃)NST
(℃) DRT
(℃)DRT
(℃) TP
(℃)T P
(℃) ZDTR
(TL-NDT)ZDTR
(T L -NDT) LTR
(NST-DRT)LTR
(NST-DRT) TL T L 종래방법
(직선형 입계)Conventional method
(Linear grain boundary) 12551255 13111311 12501250 12801280 105℃105 ℃ 61℃61 ℃ 13601360 본발명
(파형 입계)Invention
(Waveform boundary) 12701270 13041304 12501250 12801280 90℃90 ° C 54℃54 ℃ 13601360

표 1에 의하면, 본 발명에 의해 얻어진 파형의 결정립계가 종래의 직선형 결정립계보다 ZDTR 및 LTR가 약 15℃ 정도 좁아짐을 알 수 있다. 이는 파형 결정립계를 통해 액화입계균열에 대한 저항성이 상당히 향상된다는 것을 의미한다. 즉, 본 발명에 의해 얻어진 파형의 결정립계 생성으로 액화입계균열 발생 빈도가 상당량 적어질 수 있으므로, 용접성을 감안한 용체화 열처리를 보수용접 전에 별도로 수행하지 않아도 된다는 것을 의미한다. According to Table 1, it can be seen that the grain boundaries of the waveforms obtained by the present invention are about 15 DEG C narrower than the conventional linear grain boundaries. This means that the resistance to liquefied grain boundary cracks is significantly improved through the waveform grain boundaries. That is, since the generation frequency of liquefied grain boundary cracks can be significantly reduced by the generation of grain boundaries of the waveform obtained by the present invention, it means that the solution heat treatment considering weldability does not have to be performed separately before repair welding.

도 5a 및 도 5b는 고온연성 시험 후 파단면을 관찰한 주사전자현미경 사진을 나타낸다. 도 5a는 종래의 열처리 방법에 의해 얻어진 가스터빈 연소기의 석출경화형 Nimonic 263 합금을 1250℃까지 급가열한 후 인장시험을 했을 때 파면을 나타내고, 도 5b는 본 발명에 의한 열처리 방법에 의해 얻어진 가스터빈 연소기의 석출경화형 Nimonic 263 합금을 1250℃까지 급가열한 후 인장시험을 했을 때 파면을 나타낸 사진이다.5A and 5B show scanning electron micrographs of the fracture surface after the high temperature ductility test. FIG. 5A shows a wavefront when the precipitation hardening type Nimonic 263 alloy of a gas turbine combustor obtained by a conventional heat treatment method is subjected to a tensile test after rapid heating to 1250 ° C., and FIG. 5B shows a gas turbine obtained by the heat treatment method according to the present invention. This is a picture showing the wavefront when the precipitation hardening Nimonic 263 alloy of the combustor is subjected to a tensile test after rapid heating to 1250 ℃.

도 5a 및 도 5b에서, 종래의 열처리 방법에 의해 얻어진 가스터빈 연소기의 Nimonic 263 합금의 직선형 결정립계는 입계면이 별다른 소성 변형이 없이 취약하게 분리되어 파단 되었음을 확인할 수 있었다. 반면에, 본 발명의 열처리 방법에 의해 얻어진 파형 결정립계는 입계면에 딤플(dimple) 및 전단(shearing) 흔적 등이 관찰되었다. 이는 본 발명의 합금이 파단 직전까지 충분한 소성변형을 거쳐 파단되었음을 의미한다. 다시 말해, 본 발명의 파형 결정립계는 기지와의 결합력이 종래의 직선형 입계에 비해 상대적으로 높아서, 보론 편석에 대한 저항성이 우수하고, 입계가 쉽게 액상필름을 형성하지 않는다는 것을 의미한다. 이러한 결과는 표 1에서의 액화입계균열에 대한 저항성 향상을 가져오는 요인 중에 하나로 판단할 수 있다.5a and 5b, it can be seen that the grain boundaries of the Nimonic 263 alloy of the gas turbine combustor obtained by the conventional heat treatment method were weakly separated and fractured without any plastic deformation. On the other hand, in the waveform grain boundaries obtained by the heat treatment method of the present invention, dimples and shearing traces were observed at grain boundaries. This means that the alloy of the present invention has been broken through sufficient plastic deformation until immediately before fracture. In other words, the waveform grain boundary of the present invention has a relatively high binding force with a known linear grain boundary, which means that the boron segregation is excellent in resistance and the grain boundary does not easily form a liquid film. These results can be judged as one of the factors that lead to improved resistance to liquefied grain boundary cracks in Table 1.

상술한 바와 같이, 본 발명의 열처리 방법에 의하면, 가스터빈 연소기의 미세구조는 파형의 결정립계를 갖게 되므로, 크리프 및 입계균열에 의한 파손에 대한 저항성을 높일 수 있다. 이에 따라 보수 용접시 용접열영향부에서 주로 발생하는 액화입계균열에 대한 저항성을 높여서 보수 용접 전에 별도로 용체화 처리를 행할 필요가 없이 간편하게 보수용접이 가능한 가스터빈 연소기를 제조할 수 있다. As described above, according to the heat treatment method of the present invention, since the microstructure of the gas turbine combustor has a waveform grain boundary, the resistance to breakage due to creep and grain boundary cracking can be improved. Accordingly, it is possible to manufacture a gas turbine combustor that can be easily repaired and repaired without the need for a separate solution treatment before repair welding by increasing the resistance to liquefied grain boundary crack mainly generated in the welding heat affected zone during repair welding.

이상, 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but many variations and modifications may be made without departing from the scope of the present invention. It is possible.

2; 연소기 라이나 4; 트랜지션 피스
10; 용접금속 12; 열영향부
14; γ′석출상 16; 입계석출물
18; 액화균열 30; 가스터빈 연소기2; Combustor liner 4; Transition Piece
10; Weld metal 12; Heat affected zone
14; γ ′ precipitated phase 16; Grain boundary precipitate
18; Liquefied crack 30; Gas turbine combustor

Claims (7)

연료와 압축공기를 연소시켜 고온 및 고압의 연소가스를 만드는 연소기 라이너; 및
상기 고온 및 고압의 연소가스를 전달하는 트랜지션 피스를 포함하는 가스터빈 연소기에 있어서,
상기 가스터빈 연소기는,
파형의 결정립계를 포함하는 미세조직을 갖는 니켈기 합금으로 이루어지며, 보수 용접 전에 별도의 용체화 처리를 하지 않고 곧바로 용접 패딩이 가능한 것을 특징으로 하는 보수용접이 간편한 가스터빈 연소기.A combustor liner that combusts fuel and compressed air to produce combustion gases of high temperature and pressure; And
In the gas turbine combustor comprising a transition piece for transmitting the combustion gas of the high temperature and high pressure,
The gas turbine combustor,
Easily repair welding gas turbine combustor made of a nickel-based alloy having a microstructure including a grain boundary of the waveform, the welding padding is possible immediately without a separate solution treatment before repair welding. 제1항에 있어서, 상기 파형의 결정립계에는 판상의 입계탄화물이 서로 떨어져 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 보수용접이 간편한 가스터빈 연소기.2. The gas turbine combustor according to claim 1, wherein plate-shaped grain boundary carbides are disposed apart from each other at the grain boundaries of the waveform. 제1항에 있어서, 상기 파형의 결정립계 이외의 결정립 내부에는 미세한 γ′석출물이 균일하게 분포되는 것을 특징으로 하는 보수용접이 간편한 가스터빈 연소기.The gas turbine combustor according to claim 1, wherein fine γ 'precipitates are uniformly distributed in grains other than the grain boundaries of the waveform. 연료와 압축공기를 연소시켜 고온 및 고압의 연소가스를 만드는 연소기 라이너; 및
상기 고온 및 고압의 연소가스를 전달하는 트랜지션 피스를 포함하며, 파형의 결정립계를 갖는 니켈기 합금을 가공 및 열처리하여 이루어진 가스터빈 연소기의 제조방법에 있어서,
상기 파형의 결정립계를 갖는 니켈기 합금의 열처리는,
진공 중에서 1000~1200℃의 고온영역에서 용체화 처리를 행하는 단계;
상기 용체화 처리 후 곧바로 시효처리를 위한 700~900℃의 중온영역까지 1~15℃/분으로 서냉하는 단계;
상기 중온영역에서 소정의 시간 동안 유지하여 시효처리를 행한 후 열처리를 종료하는 단계로 이루어지는 보수용접이 간편한 가스터빈 연소기의 제조방법.A combustor liner that combusts fuel and compressed air to produce combustion gases of high temperature and pressure; And
In the manufacturing method of the gas turbine combustor comprising a transition piece for transmitting the high-temperature and high-pressure combustion gas, and processing and heat treatment of the nickel-based alloy having a grain boundary of the waveform,
The heat treatment of the nickel-based alloy having a grain boundary of the waveform,
Performing a solution treatment in a high temperature region of 1000 to 1200 ° C. in a vacuum;
Immediately cooling to 1 to 15 ° C./min to a medium temperature region of 700 to 900 ° C. for ageing immediately after the solution treatment;
A method of manufacturing a repair gas turbine combustor, which comprises the step of maintaining heat treatment in a middle temperature region for a predetermined time and ending the heat treatment. 제4항에 있어서, 상기 가스터빈 연소기의 미세조직은 파형의 결정립계를 포함하는 것을 특징으로 하는 보수용접이 간편한 가스터빈 연소기의 제조방법.5. The method of claim 4, wherein the microstructure of the gas turbine combustor comprises a grain boundary of waveforms. 제4항에 있어서, 상기 파형의 결정립계에는 판상의 입계탄화물이 서로 떨어져 배치되는 것을 특징으로 하는 보수용접이 간편한 가스터빈 연소기의 제조방법.5. The method of claim 4, wherein the plate-shaped grain boundary carbide is disposed apart from each other at the grain boundaries of the waveform. 제4항에 있어서, 상기 파형의 결정립계 이외의 결정립 내부에는 미세한 γ′석출물이 균일하게 분포되는 것을 특징으로 하는 보수용접이 간편한 가스터빈 연소기의 제조방법. The method of claim 4, wherein fine γ ′ precipitates are uniformly distributed in the grains other than the grain boundaries of the waveforms.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH1143732A (en) 1997-07-24 1999-02-16 Hitachi Ltd High temperature service member for gas turbine
JP2003034853A (en) * 2001-07-24 2003-02-07 Mitsubishi Heavy Ind Ltd HEAT TREATMENT METHOD FOR Ni-BASED ALLOY

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