KR101330641B1 - 균일조직을 가지는 니켈기지 초내열합금 형상링의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 균일조직을 가지는 니켈기지 초내열합금 형상링의 제조방법은, 니켈기지 초내열합금으로 이루어진 빌렛을 준비하는 소재준비단계와, 상기 빌렛을 일정 온도 범위 내에서 가열하는 소재가열단계와, 가열된 빌렛을 압축하는 업세팅단계와, 상기 빌렛의 중앙부를 천공하여 중공형 빌렛을 형성하는 빌렛펀칭단계와, 상기 중공형 빌렛을 링롤링하여 형상링을 형성하는 링롤링단계와, 상기 형상링을 열처리하여 조직을 균일화하는 조직균일화처리단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

균일조직을 가지는 니켈기지 초내열합금 형상링의 제조방법{A Manufacturing method for profiled ring of Ni-base superalloy for obtaining a uniform microstructure}

본 발명은 니켈기지 초내열합급 형상링의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 빌렛의 중앙부를 피어싱하여 형성된 가성형품을 링롤링한 후 특정 온도 조건에서 열처리하여 균일한 조직분포를 발현하고, 이에 따라 기계적 특성이 향상되도록 한 균일조직을 가지는 니켈기지 초내열합금 형상링의 제조방법에 관한 것이다.

추진기관용 핵심 성형부품의 경우 고온, 고압에 노출되어 있기 때문에 약 80% 정도가 니켈기 초내열합금을 사용하고 있으며, 이들 소재부품의 많은 수요에도 불구하고 국내 제조가 전무하여 전량 수입에 의존하고 있는 실정이다.

단련용 니켈기지 초내열합금은 고온 유동응력이 높고 작업조건이 까다로워 성형이 어려운 특성을 지니고 있어 항공기 엔진용 노즐, 플랜지 등과 같은 링제품의 제조시 기존 링 단조공정(ring forging)으로는 품질과 생산성을 충족시키기 어려움이 있다.

특히 항공기용 니켈기지 초내열합금 링부품의 세계시장은 Carlton Forge Works사와 Firth Rixton사 등 미국, 유럽의 몇 개사에 국한되어 독점적인 시장을 형성하고 있는 실정이다.

최근 국내에서는 항공기 엔진부품의 국산화를 통해 소재부품 수급기간 및 제품단가를 낮추고자 하는 확고한 의지와 요구가 있고, 국내 개발에 필요한 기술적/사회적 여건이 상당히 성숙되어 있어 국산화 성공 가능성이 높다.

또한, 정부 주도하에 항공기용 엔진 국산화사업을 추진하고 있으며, 향후 약 1,000 여억원 예산을 투자하여 민수 및 군수요를 충당하기 위한 엔진 개발사업이 진행되고 있는바, 엔진부품의 국산화시기에 일부 초내열합금 단조품의 제조가 현실화될 수 있을 것으로 예상된다.

그러나, 이러한 단조품은 작업속도가 빠르고 수율이 타공정에 비해 우수한 링 압연(ring rolling)공정에 의한 성형기술 개발이 절실히 요구되고 있으나, 단조 및 링압연기술, 정밀 비파괴 검사기술, 링 압연공정에 대한 컴퓨터 해석기술, 기계적 특성평가 기술 등의 관련기술이 종합적으로 활용되어야만 정착이 가능한 문제점이 있다.

특히 초내열합금 링부품의 제조시 부위별 변형률, 온도 및 변형속도 등의 공정변수 차이로 인해 재결정거동이 다르게 나타나, 결정립크기가 불균일하게 분포하거나 부분재결정 조직이 얻어져 기계적 성질을 저하시키는 단점이 있어 이러한 문제점을 해결하기 위한 방법이 절실히 요구되고 있다.

상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 빌렛의 중앙부를 피어싱하여 형성된 가성형품을 링롤링한 후 특정 온도 조건에서 열처리하여 니켈기지 초내열합금 단조품의 부위별로 균일한 조직분포를 발현하고, 기계적 특성이 향상되게 한 균일조직을 가지는 니켈기지 초내열합금 형상링의 제조방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명에 의한 니켈기지 초내열합금 형상링의 제조방법은, 니켈기지 초내열합금으로 이루어진 빌렛을 준비하는 소재준비단계와, 상기 빌렛을 일정 온도 범위 내에서 가열하는 소재가열단계와, 가열된 빌렛을 압축하는 업세팅단계와, 상기 빌렛의 중앙부를 천공하여 중공형 빌렛을 형성하는 빌렛펀칭단계와, 상기 중공형 빌렛을 링롤링하여 형상링을 형성하는 링롤링단계와, 상기 형상링을 열처리하는 조직균일화처리단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 소재가열단계와, 업세팅단계 및 빌렛펀칭단계는 950 ~ 1050℃의 온도 범위에서 실시됨을 특징으로 한다.

상기 링롤링단계는, 상기 중공형 빌렛을 링롤링하여 선형링을 형성하는 선형링형성과정과, 상기 선형링의 외면에 요철을 형성하여 형상링을 형성하는 형상링형성과정으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 빌렛펀칭단계 이후에는 빌렛을 급냉하는 냉각과정이 실시됨을 특징으로 한다.

상기 링롤링단계는, 1020℃ 이하의 온도에서 실시됨을 특징으로 한다.

상기 조직균일화처리단계는, 1025 ~ 1040℃의 온도 범위에서 최대 30분 동안 유지하는 과정임을 특징으로 한다.

상기 링롤링단계는, 10^-1 ~ 1s^{- 1} 의 변형속도 범위에서 실시됨을 특징으로 한다.

위에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에서는, 니켈기지 초내열합금 단조품을 제조함에 있어서 링롤링을 적용하였으며, 링롤링 후 특정 온도 조건에서 열처리함으로써 균일한 조직을 갖도록 함과 동시에 부분 재결정 조직이 존재하지 않도록 유도하여 기계적 특성이 향상되도록 하였다.

또한, 링롤링 공정을 이용함으로써 생산성이 극대화되는 이점이 있으며, 치수 정밀도가 향상되는 이점도 있다.

뿐만 아니라, 본 발명에 따르면 에너지(발전기 부품), 교통(과급기, 엔진 등), 환경(고온 소각장치), 항공우주(가스터빈), 군수(추진기관류) 등 차세대 산업 및 기간산업용 소재부품 개발 활성화에 크게 기여할 수 있다.

도 1 은 본 발명인 균일조직을 가지는 니켈기지 초내열합금 형상링의 제조방법에 따라 제조될 형상링의 모델링.
도 2 는 본 발명에 의한 균일조직을 가지는 니켈기지 초내열합금 형상링의 제조방법을 나타낸 공정 순서도.
도 3 은 본 발명에 의한 균일조직을 가지는 니켈기지 초내열합금 형상링의 제조방법에서 일 단계인 링롤링단계를 세부적으로 나타낸 공정순서도.
도 4 는 본 발명에 의한 균일 조직을 가지는 니켈기지 초내열합금 형상링의 제조방법에서 일 단계인 소재가열단계의 최적의 가열온도 및 가열시간을 도출하기 위한 실험 결과.
도 5 는 본 발명에 의한 균일조직을 가지는 니켈기지 초내열합금 형상링의 제조방법에서 일단계인 링롤링단계 중 시간 경과에 따른 형상링의 변형 양상 및 온도 분포를 나타낸 해석결과 그림.
도 6 은 IN 718합금의 Gleeble 고온 인장시험 후 파단 형상 및 파면 관찰 결과를 나타낸 표.
도 7 은 도 6에서 얻어진 합금의 응력-변형률곡선을 나타낸 그래프.
도 8 은 본 발명에 의한 균일조직을 가지는 니켈기지 초내열합금 형상링의 제조방법에서 일단계인 링롤링단계가 완료된 반제품의 부위별 결정립 크기를 나타낸 확대 사진.
도 9 내지 도 17은 조직균일화처리단계 중 열처리온도 및 시간 변화에 따른 재결정립 크기 변화를 나타낸 전자현미경 사진.
도 18 은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조된 니켈기지 초내열합금 형상링의 조직 분석 결과.

이하에서는 첨부된 도 1을 참조하여 본 발명에 따라 제조될 형상링을 살펴보면, 상기 형상링(10)은 내부가 비어있는 링 형상을 가지며, 형상링의 내주면과 외주면은 서로 비대칭 형상을 갖거나 볼록 또는 오목한 요철(12)을 가진다.

그리고, 상기 형상링은 니켈기지 초내열합금으로 이루어진다. 본 발명의 실시예에서는 IN 718을 채택하였으며, 기계적 특성을 향상시키기 위해 링롤링공정 이후에 조직균일화처리단계를 실시함으로써 부위별 균일 조직을 갖도록 하였다.

보다 구체적으로 살펴보면, 상기 형상링은 항공기 엔진용 압축기 케이스를 구성하는 부품들로서 고온, 고압의 사용환경에 적용하기 위한 소재로 니켈기지 초내열합금이 바람직하다.

이하 첨부된 도 2를 참조하여 본 발명에 의한 니켈기지 초내열합금 형상링의 제조방법을 설명한다.

도 2에는 본 발명에 의한 니켈기지 초내열합금 형상링의 제조방법을 나타낸 공정 순서도가 도시되어 있다.

도면과 같이, 니켈기지 초내열합금 형상링(이하 '형상링(10)'이라 칭함)을 제조하는 방법은, 니켈기지 초내열합금으로 이루어진 빌렛을 준비하는 소재준비단계(S100)와, 상기 빌렛을 일정 온도 범위 내에서 가열하는 소재가열단계(S200)와, 가열된 빌렛을 압축하는 업세팅단계(S300)와, 상기 빌렛의 중앙부를 천공하여 중공형 빌렛을 형성하는 빌렛펀칭단계(S400)와, 상기 중공형 빌렛을 링롤링하여 형상링을 형성하는 링롤링단계(S500)와, 상기 형상링을 열처리하는 조직균일화처리단계(S600)로 이루어진다.

상기 소재준비단계(S100)는 니켈기지 초내열합금으로 이루어진 빌렛을 준비하는 과정으로, 지름 약 200mm의 빌렛을 채택하였다.

상기 소재준비단계(S200) 이후에는 소재가열단계(S200)가 실시된다. 상기 소재가열단계(S200)는 업세팅단계(S300) 및 빌렛펀칭단계(S400)를 위해 요구되는 과정으로, 본 발명의 실시예에서는 1050℃의 온도 범위 내에서 상기 빌렛을 가열하였다.

상기 소재가열단계(S200)가 실시되는 중에 상기 업세팅단계(S300)가 실시되며, 상기 업세팅단계(S300)의 실시에 따라 폭이 넓어지고 높이가 낮아진 빌렛은 빌렛펀칭단계(S400)에 의해 중앙부가 천공된 중공형 빌렛이 된다.

그리고, 상기 빌렛펀칭단계(S400)에 따라 제조된 중공형 빌렛은 냉각과정(S420)이 실시되며, 상기 냉각과정(S420)은 급냉이 바람직하다.

상기 중공형 빌렛은 이후 링롤링단계(S500)에 의해 형상링으로 제조되는데, 상기 링롤링단계(S500)는 1020℃ 이하의 온도에서 10^-1 ~ 1s^{- 1} 의 변형속도 범위에서 실시된다.

보다 구체적으로는 상기 링롤링단계(S500)는 형상링의 단면 형상의 복잡한 정도에 따라 첨부된 도 3과 같이 선형링형성과정(S520)과, 형상링형성과정(S540)을 순차적으로 실시할 수 있다.

상기 링롤링단계(S500) 이후에는 조직균일화처리단계(S600)가 실시된다. 상기 조직균일화처리단계(S600)는 형상링의 부분 재결정된 necklace 조직을 균일한 등축정조직으로 변화시켜 기계적 특성을 향상시키기 위한 과정으로, 1025 ~ 1040℃의 온도 범위에서 최대 30분 동안 유지된다.

이하 본 발명의 실시예를 토대로 각 단계의 세부 조건을 제시하기로 한다.

우선 상기 소재준비단계(S100)에서 준비된 니켈기지 초내열합금 빌렛은 결정립 크기가 형상링의 기계적 특성을 결정짓는 주요 인자로 판단되었고, 결정립 크기는 가열온도 및 가열시간에 큰 영향을 받게 되므로, 첨부된 도 4a 내지 도 4c와 같이 다양한 실험을 실시하였다.

즉, 도 4a는 다수의 빌렛을 각각 800℃, 900℃, 950℃로 가열하되, 가열 시간을 증가시켰을 때 그레인의 크기 변화를 측정한 그래프이며, 도 4b 는 상기 빌렛을 1050℃, 1150℃로 각각 가열하되 가열 시간을 증가시켰을 때 그레인의 크기 변화를 측정한 그래프이다.

첨부된 도 4a 및 도 4b와 같이, 빌렛의 가열 온도가 1050℃를 초과하는 경우 그레인의 크기가 급격하게 증가하였으며, 도 4c와 같이 1025℃, 1035℃로 각각 가열한 경우 30분 이상 가열시에 그레인 사이즈가 급격하게 증가하는 것을 확인하였다.

따라서, 상기와 같은 빌렛의 특성을 기초로 하여 상기 소재가열단계(S200)를 실시하였다.

즉, 상기 소재가열단계(S200)에서 상기 빌렛은 1050℃ 이하로 가열하되, 내부까지 충분히 가열되는 30분/inch 과 30분 이내의 추가 유지 시간을 실시하였다.

상기 소재가열단계(S200) 이후에는 업세팅단계(S300)와, 빌렛펀칭단계(S400)를 순차적으로 실시하였다.

상기 빌렛펀칭단계(S400) 이후에는 첨부된 도 5과 같은 링압연장치를 이용하여 링압연단계(S500)를 실시하였다.

도 5는 시간 경과에 따른 형상링의 변형 양상 및 온도 분포를 나타낸 것으로, 링압연단계(S500)에서는 금형과의 접촉으로 온도하강이 발생된 표면부 최소온도는 약 978℃로 해석되었고, 중심부의 변형열에 의한 온도상승분은 약 38℃정도로 나타냈다.

또한, 전체형상에서의 변형불균일은 관찰되지 않으나, 변형은 형상이 주어지는 부위와 표면부에 집중되었다. 결국 이러한 부위별 온도와 변형량의 분귤인을 조직적인 불균일을 초래하게 된다.

도 6은 IN 718합금의 Gleeble 고온 인장시험 후 파단 형상 및 파면 관찰 결과를 나타낸 사진으로서, 열간 변형 재현시험기(Gleeble 3500)를 활용하여 고온인장시험이 수행되었다.

고온인장시험은 일반적인 유압프레스속도에 해당하는 1s^-1 변형속도조건에서, 온도범위는 900 ~ 1150℃의 조건에서 수행되었다. 첨부된 도면과 같이, 연성파괴의 양상으로 국부수축(necking)에 의해 파단이 발생한 것으로 관찰된다.

결국, 단면 수축율 또는 파단변형량은 성형성에 밀접한 관계를 가지는 변수로써 이 값이 클수록 성형에 유리한 조건인 것을 의미하게 된다.

도 7은 도 6에서 보여준 고온인장시험 조건들에 따른 합금의 응력-변형률곡선을 나타낸 그래프로서, 곡선상에서 거의 "0"에 해당하는 변형률을 파단변형률로 정의할 수 있다.

IN 718 초내열합금(도 9의 좌측 그래프)의 응력-변형량곡선에서 관찰되는 바와 같이 주어진 온도조건에서 1000℃가 가장 높은 파단변형량값을 나타내는 것을 관찰할 수 있으며, 1100℃의 온도는 파단변형량이 급격하게 낮아지기 시작하여 1150℃의 경우 0.1이하의 파단변형량을 나타내었다.

또한, 낮은 온도에서는 900℃부터 파단변형량이 급격히 낮아짐을 관찰할 수 있다.

결국, 이러한 변형량-응력곡선으로부터 가장 적합한 성형온도구간은 다음과 같이 요약할 수 있다.

즉, IN 718 초내열합금의 열간성형공정은 950 ~ 1050℃ 구간의 온도범위로 관리해야 함이 바람직하다.

이하에서는 첨부된 도 8 내지 도 17을 참조하여 상기 조직균일화처리단계(S600)에서의 열처리 온도 및 유지 시간 변화에 따른 재결정립 크기를 살펴본다.

도 8은 본 발명에 의한 균일조직을 가지는 니켈기지 초내열합금 형상링의 제조방법에서 일단계인 링롤링단계가 완료된 반제품의 부위별 결정립 크기를 나타낸 확대 사진이다.

도면과 같이, 표면부는 완전재결정된 fine 하고, 균일한 결정립 크기가 형성된 것을 알 수 있다. 그러나 중심부로 이동함에 따라 부분재결정에 의해 초기결정립 부근에 재결정된 결정립과 재결정되지 않은 부분이 혼재되어 있는 necklace 구조를 나타내고 있다.

이러한 경향은 링압연공정에서 형상이 주어지는 표면부에 변형이 집중되면서 동적재결정이 표면부에 활발이 일어나며 중심부는 상대적으로 변형량이 적어, 부분재결정이 발생한 것으로 판단된다.

이러한 부분재결정에 의한 부위별 결정립의 불균일함을 해결하기 위해서 상기 조직균일화처리단계(S600)가 요구된다.

도 9 내지 도 17은 조직균일화처리단계를 실시한 경우 재결정립 크기를 나타낸 것으로, 954℃에서 1시간 동안 열처리 한 후 공냉한 경우 도 9와 같이 부분재결정에 의한 necklace구조를 보이며, 5.74㎛의 재결정립된 결정립 크기를 나타내었다.

982℃에서 1시간 동안 열처리 한 후 공냉한 경우 도 10과 같이 necklace구조를 보이며, 7.26의 재결정된 결정립 크기를 나타내었으며, 1010℃에서 1시간 동안 열처리한 후 공냉한 경우 도 11과 같이 여전히 necklace 구조를 보이며, 18.3㎛ 의 재결정된 결정립 크기를 나타내었다.

1025℃에서 1시간 동안 열처리 한 후 공냉한 경우 도 12와 같이 완전재결정된 등축정조직을 보이며, 91.75의 평균 결정립크기를 나타내었고, 1040℃에서 1시간 동안 열처리한 후 공냉한 경우 도 13과 같이 등축정조직을 보이며, 105.22㎛의 평균결정립 크기를 나타내었다.

한편, 열처리 조건을 변경하여 1025℃에서 2시간 동안 열처리한 후 공냉한 경우 도 14와 같이 등축정조직으로 100.86㎛의 평균 결정립 크기를 나타내어 동일온도에서 1시간 동안 열처리한 도 12의 결과보다 결정립 크기가 증가하였다.

또한, 1040℃에서 30분간 열처리한 후 공냉한 경우에는 도 15와 같이 등축정조직의 79.73평균 결정립 크기를 나타냈으며, 도 13과 비교할 때 열처리 시간이 30분 단축된 경우 결정립 크기가 상대적으로 작아지는 것을 확인하였고, 항공규격에서 요구하는 "ASTM #4 (~90㎛) or finer"조건을 잘 만족하였다.

따라서, 상기 조직균일화처리단계(S600)는 1025 ~ 1040℃의 범위 내에서 최대 30분의 유지시간에서 실시됨이 바람직하다.

도 16과 도 17은 1050℃, 1060℃에서 1시간 동안 열처리한 후 공냉하였을 때 시료의 광학 현미경 사진으로, 결정립 크기가 점차 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 두 조건 모두 항공규격에서 벗어남을 알 수 있다.

도 18 은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조된 니켈기지 초내열합금 형상링의 조직 분석 결과로서, 대부분의 영역이 균일한 결정립분포를 보이고 있으며, 모든 부위에서 ASTM#4.0 이상의 결정립분포를 나타내었다.

이러한 결과는 결국, 열간 링롤링단계(S500) 이후 조직균일화처리단계(S600)를 실시함으로써 정적재결정이 효과적으로 유도되었음을 입증하는 것이다.

이러한 본 발명의 범위는 상기에서 예시한 실시예에 한정되지 않고, 상기와 같은 기술범위 안에서 당업계의 통상의 기술자에게 있어서는 본 발명을 기초로 하는 다른 많은 변형이 가능할 것이다.

예를 들어 본 발명의 실시예에서, 링롤링단계는 선형링형성과정과 형상링형성과정으로 분리 구성하였으나, 선형링형성과정 또는 형상링형성과정 중 어느 하나만 선택적으로 실시할 수도 있음은 자명하다.

10. 형상링 12. 가열로 S100. 소재준비단계 S200. 소재가열단계
S300. 업세팅단계 S400. 빌렛펀칭단계
S420. 냉각과정 S500. 링롤링단계
S520. 선형링형성과정 S540. 형상링형성과정
S600. 조직균일화처리단계

Claims (7)

1. 삭제
2. 니켈기지 IN 718 초내열합금으로 이루어진 빌렛을 준비하는 소재준비단계와,
   상기 빌렛을 950 ~ 1035℃ 범위 내에서 가열하는 소재가열단계와,
   가열된 빌렛을 950 ~ 1050℃의 온도 범위에서 압축하는 업세팅단계와,
   950 ~ 1050℃의 온도 범에서 상기 빌렛의 중앙부를 천공하여 중공형 빌렛을 형성하는 빌렛펀칭단계와,
   상기 중공형 빌렛을 1020℃ 이하의 온도에서 10^-1 ~ 1s^-1 의 변형속도 범위로 링롤링하여 형상링을 형성하는 링롤링단계와,
   상기 형상링을 1025 ~ 1040℃의 온도 범위에서 최대 30분 동안 열처리하여 조직을 균일화하는 조직균일화처리단계로 이루어지며,
   상기 조직균일화처리단계는 링롤링단계에서 제조된 형상링의 부분 재결정된 necklace 조직을 등축정조직으로 변화시키는 과정임을 특징으로 하는 균일조직을 가지는 니켈기지 초내열합금 형상링의 제조방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 링롤링단계는,
   상기 중공형 빌렛을 링롤링하여 선형링을 형성하는 선형링형성과정과,
   상기 선형링의 외면에 요철을 형성하여 형상링을 형성하는 형상링형성과정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 균일조직을 가지는 니켈기지 초내열합금 형상링의 제조방법.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 빌렛펀칭단계 이후에는 빌렛을 급냉하는 냉각과정이 실시됨을 특징으로 하는 균일조직을 가지는 니켈기지 초내열합금 형상링의 제조방법.
5. 제 2 항에 있어서, 상기 조직균일화처리단계를 거친 형상링은 79.73㎛의 평균 결정립 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 균일조직을 가지는 니켈기지 초내열합금 형상링의 제조방법.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 소재가열단계는 빌렛의 전체두께에 대하여 inch 당 30분씩 실시 시간이 증가하며, 30분 이내의 추가 시간이 유지됨을 특징으로 하는 균일조직을 가지는 니켈기지 초내열합금 형상링의 제조방법.
   
7. 삭제

Images