KR101373481B1 - 중공형 가스터빈 고온부품 진공정밀 주조용 세라믹 코어의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중공형 (고효율 내부 냉각 유로를 갖는) 가스터빈 고온부품 진공정밀 주조 시 필수적으로 사용되는 세라믹 코어(Ceramic core)의 제조 과정 중 강도 부족으로 인한 세라믹 코어의 파손, 특히 두께가 얇은 부분에서는 주입 성형 후 소결(sintering)과정 또는 주조 단계에서 파손되어 전체 공정의 실패를 초래하는 비용 및 시간적 소모를 방지하기 위해 세라믹 코어의 강도가 증가될 수 있도록 하는 제조 공정과 전처리 방법에 관한 것이다.

Description

중공형 가스터빈 고온부품 진공정밀 주조용 세라믹 코어의 제조 방법{Manufacturing method of ceramic core used for the gas turbine hot components having internal cooling passage}

본 발명은 중공형 가스터빈 고온부품 진공정밀 주조용 세라믹 코어의 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 세라믹 코어(ceramic core)는 임펠러(impeller)와 같이 형상이 복잡한 부품들이나 또는 가스터빈에 사용되는 복잡한 내부 냉각 유로의 중공형 부품을 진공 상태로 정밀 주조하는 과정에서 사용되는 성형품으로서, 통상 사출 성형법(injection molding) 또는 젤 케스팅법(gel casting)에 의해 제조된다. 현재 사용되는 부품의 주조 과정은 열 구배가 보다 가혹해짐에 따라 가스터빈 부품 제조 과정에서 사출 성형법이 많이 사용되고 있다.

항공용이나 발전용 가스터빈 고온부품의 생산과정의 주요공정은 금형 설계 및 제조→ 세라믹 코어 제조 → 납형(wax pattern) 제조 → 세라믹 코어를 포함하는 왁스 트리(wax tree) 제조 →쉘(shell) 제조공정 → 탈랍(dewaxing) → 번 아웃(burn out) → 쉘(shell) 예열 → 용해 및 주입 → 후처리→ 열처리 과정으로 이루어진다.

도 1과 같이 종래의 사출 성형법은 세라믹 혼합물을 상온에서 장시간 슬러리 상태로 최적의 점도를 얻기 위해 혼합하여 준비하고, 세라믹 코어 형상의 몰드 속으로 주입하여 성형한 후 몰드를 제거하는 이형 공정, 형성된 생소지(green body)를 건조하는 건조 공정, 결합제를 제거하는 제거 공정, 경화 공정(curing 또는 calcination), 및 소결 공정(sintering)의 단계를 갖는다. 이때, 사출 성형법에 사용하는 세라믹 혼합물은 세라믹 분말(ceramic powder), 에틸 알콜 같은 용매 (solvent)와, 가소제(plasticizer), 윤활제(lubricant), 왁스(wax), 레진 (resin)등을 주성분으로 하는 결합제(binder)를 적정 비율로 첨가하여 제조한 것이다.

그런데, 상기 사출 성형법에 의한 세라믹 코어의 제조 공정이 혼합 공정에서 소결 공정까지 다단계로 이루어지므로 장시간 소요될 뿐만 아니라 제조 과정에서 발생한 실수 및 파손은 처음부터 다시 제조해야 하므로 제조 단가가 높아지는 문제점이 있었다. 특히, 가스터빈의 고온부품 내부 유로가 복잡해짐에 따라 세라믹 코어의 형상이 따라서 복잡해지며 끝단(trailing edge)의 경우 두께의 변화가 크며 두께가 매우 얇아 후처리 공정, 즉 경화 공정 또는 소결 공정에서 가해지는 열에 의해 도 2와 같이 성형품의 균열 및 변형이 발생되어 대용량의 세라믹 코어와 복잡한 세라믹 코어의 제조 수율이 매우 낮게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 종래의 세라믹 코어(ceramic core) 제조 시 발생되는 기술적 문제를 해결하고자 하는 것으로 세라믹 코어 제조 공정에서 생소지(green body)의 치밀도를 향상시키고 표면에 발생한 결함 제거, 조도 개선 및 표면 강도 등을 부여하는 표면 코팅층을 형성하여 세라믹 코어가 소결 과정 및 주조 과정에서 파단되지 않고 안정적으로 정밀 주조를 수행할 수 있도록 하는데 있다.

본 발명에 의한 중공형 가스터빈 고온부품 진공정밀 주조용 세라믹 코어의 제조 방법은 세라믹 혼합물을 준비하는 단계; 상기 세라믹 혼합물을 냉간 등방압 압축(cold isostatic press)하여 세라믹 코어를 성형하는 단계; 상기 세라믹 코어를 건조하는 단계; 상기 세라믹 코어를 하소하는 단계; 상기 세라믹 코어의 표면에 페인트를 코팅하는 단계 및 상기 세라믹 코어를 소결하는 단계를 포함한다.

또한, 상기 냉간 등방압 압축(cold isostatic press) 성형 단계는 냉간 등방압 압축(cold isostatic press) 장치로 수행될 수 있으며, 이때 상기 성형 단계는 대략 100 ㎏/㎠ ~ 5,000 ㎏/㎠의 압력에서 5~20분간 수행될 수 있다.

또한, 상기 코팅 단계에서 상기 페인트는 SiC 또는 WC를 포함할 수 있고, 코팅두께는 50~200 ㎛ 일 수 있다.

또한, 상기 페인트는 적색 또는 청색의 바인더를 더 포함할 수 있다. 하지만, 이러한 색상으로 본 발명을 한정하지 않는다.

본 발명의 중공형 가스터빈 고온부품 진공정밀 주조용 세라믹 코어 제조 방법에 의하면, 성능이 지속적으로 향상되어 내부 냉각 유로가 보다 복잡해지고 방향성 제어 주조 기술 등의 개발로 주조 시 열 구배가 가혹하여 보다 강도가 우수한 세라믹 코어의 제조기술이 요구되는 현실에 따라 필수적으로 사용되는 세라믹 코어(ceramic core)의 파단을 방지하여 세라믹 코어를 안정적으로 최종 주조 시까지 파손되지 않고 유지될 수 있는 강도를 구현할 수 있다.

도 1은 가스터빈 고온부품에 사용되는 세라믹 코어의 종래의 제조 과정이다.
도 2는 기존의 세라믹 코어 제조 과정에서 발생하는 파손 사례이다.
도 3은 본 발명에 의한 세라믹 코어의 제조 과정이다.
도 4는 냉간 등방압 압축 장치를 활용한 세라믹 코어 제조 도면이다.
도 5는 도3의 세라믹 코어 제조 과정에 의해 제조된 세라믹 코어이다.
도 6은 본 발명의 세라믹 코어를 이용한 중공형 가스터빈 부품 제조 과정이다.

이하에서 실시 예와 첨부한 도면을 통하여 본 발명의 중공형 가스터빈 고온부품 진공정밀주조용 세라믹 코어의 제조 방법에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.

가스터빈 고온부품 주조 시 가스터빈 고온부품을 냉각시켜주는 역할을 하는 내부 냉각 홀을 만드는데 필수적으로 사용되는 세라믹코어의 경우 일반적으로 Fused-SiO₂ + ZrSiO₄ + Cordierite 혹은 Fused-SiO₂ + ZrSiO₄ + Al₂O₃와 같은 조성을 가진다. 세라믹 코어는 세라믹 코어의 형태를 가지고 있는 세라믹 코어 금형으로 Fused-SiO₂ + ZrSiO₄ + Cordierite 혹은 Fused-SiO₂ + ZrSiO₄ + Al₂O₃ 와 같은 조성을 가지는 세라믹 혼합물을 주입 장치에 의해 주입하여 만들어지며, 이 후 세라믹 코어용 금형으로부터 분리하여 일정시간 건조하게 된다. 건조 시 수축되어 발생하는 비틀림을 방지하여 세라믹 코어가 안정적으로 건조 될 수 있도록 왁스로 만들어진 세터(setter)를 사용하게 된다.

일정시간 건조된 세라믹 코어는 진공정밀 주조 시 요구되는 강도를 만족하기 위해 대략 950~1100 ℃ 이상의 온도에서 대략 2~3시간동안 열처리하여 소결하는 과정을 거치게 되는데 이러한 소결 과정에서 세라믹 코어를 이루는 구성물의 상변태, 반응, 불균일 수축 등에 의한 응력 발생과 세라믹 코어 표면에서의 결함에 의한 균열 형성 등으로 파단이 발생하게 된다.

이러한 건조 및 소결 과정에서 발생하는 응력에 의해 파손되지 않도록 본 발명에서는 성형 과정에서 냉간 등방압 압축(cold isostatic press) 작업을 수행하여 성형 시 작업성을 증가시키고, 내부 치밀도를 저해하는 결합제의 사용을 저감하면서 세라믹 코어의 강도뿐만 아니라 강성(stiffness)을 증가시키고, 건조 과정 전에 표면 강도를 증가시킬 수 있도록 코팅층을 형성하여 내부의 열응력 및 잔류 응력에 의한 변형 및 파손을 획기적으로 방지한다.

도 3은 본 발명에 의한 세라믹 코어의 제조 과정이고, 도 4는 냉간 등방압 압축 장치를 활용한 세라믹 코어 제조 도면이고, 도 5는 도 3의 세라믹 코어 제조 과정에 의해 제조된 세라믹 코어이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 중공형 가스터빈 고온부품 진공정밀 주조용 세라믹 코어의 제조 방법은 혼합 단계(S1), 겔화 단계(S2), 이형 단계(S3), 냉간 등방압 압축(cold isostatic press) 성형 단계(S4), 건조 단계(S5), 하소 단계(S6), 코팅 페인트 적용 단계(S7), 및 소결 단계(S8)를 포함한다.
구체적으로, 세라믹 분말, 결합제 및 분산제를 혼합하고(S1), 겔화하여(S2), 슬러리를 주형에 주입하여 성형하고, 몰드를 제거하는 이형 단계(S3)를 거치고, 치밀화 및 강도를 부여하기 위해 냉간 등방압 압축(cold isostatic press)성형 단계(S4)를 진행한다. 상기 냉간 등방압 압축(cold isostatic press) 성형 단계(S4)는, 도 3 내지 도 4를 참조하면, 냉간 등방압 압축 장치(100)의 프레스 내부에 비압축성 작동유체(101)를 채우고 세라믹 코어 성형체(104)를 라텍스(102) 또는 성형체와 작동 유체의 직접적인 접촉을 막아주며 자유롭게 변형되는 박막의 고무재질 매개체(102)로 감싸고, 입구 막음용 매듭(105)으로 매듭지은 후, 세라믹 코어 고정 지지대(103)에 고정하고 고압 (예를 들면, 100 ㎏/㎠ ~ 5,000 ㎏/㎠)으로 압축하여 수분 (예를 들면, 5분에서 20분)동안 유지하여 성형체가 완전히 치밀하게 충진되어 강도가 개선되도록 해 준다.
이후 건조 단계(S5) 및 하소 단계(S6)를 진행하고, SiC 또는 WC 등의 코팅용 페인트를 세라믹 코어의 표면에 대략 150㎛ 내외의 두께로 일정하게 도포 및 건조시켜(S7) 노(Furnace)에 넣고 1000 ℃ 이상의 온도에서 가열하여 소결(S8)을 진행하면, 도 5에서와 같이 두께의 변화가 심한 부위나 두께가 얇은 부위에서의 파손이 크게 줄어든 세라믹 코어를 얻을 수 있다.

상기 냉간 등방압 압축(cold isostatic press)을 진행하고, 건조 및 하소 후 표면에 SiC 또는 WC 코팅 페인트를 도포하면 표면 조도를 크게 개선시키고 표면에 형성된 코팅층이 추가적인 높은 강도를 부여하여 소결 과정에서 발생하는 잔류 응력과 주조 과정에서 발생하는 급격한 열 충격에 의한 세라믹 코어의 파손을 개선할 수 있다. 또한 표면 개선을 통하여 소결 과정 중 세라믹 코어가 셋터(setter)의 표면과의 접착력을 제거시켜 소결 후 세라믹 코어가 셋터(setter)로부터 쉽게 분리될 수 있도록 하여 취급에 의한 파손 위험성도 줄일 수 있다.

본 발명의 세라믹 코어 성형체의 냉간 등방압 압축 (cold isostatic press) 성형에 사용되는 장치는 대략 10,000 ㎏/㎠까지 압축이 가능하나, 이로서 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

상기 비압축성 작동유체는 물이나 작동유일 수 있으나, 이로서 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

상기 코팅 페인트는 수용성 세라믹 분말 (예를 들면, 평균 입도 1~5㎛), 세라믹 첨가제, 수용성 수지 및 용매로 구성되며, 도포 두께는 대략 50~200㎛ 정도가 적당하다. 그러나, 이로서 코팅 페인트의 조성물 및 도포 두께가 한정되는 것은 아니다.

또한 세라믹 코어 성형체는 형상을 지닌 구조체이므로 프레스 내부에 스탠드 고정 장치를 설치하여 압축에 따른 움직임에 의한 손상을 방지할 수 있다.

실시예에서 종래의 방법으로 수행된 세라믹 코어에서 이형 후 성형체의 충진 밀도는 대략 55~65%를 보여주며, 소결 후 강도는 대략 4.8~20.7MPa의 범위를 보여준다. 또한 최종 주조 후 수율은 대략 50~55%의 성공률을 보여준다. 본 실시예는 대략 1300 ℃급, 또는 F class로 구분되는 가스터빈 1단 버켓의 주조에 적용된 예일 수 있다.

본 실시예에 따라 세라믹 코어를 제조하면 세라믹 코어에서 이형 후 성형체의 충진 밀도는 대략 75~90%를 보여주며, 소결 후 강도는 대략 30.0~50.4MPa의 범위를 보여준다. 코팅 페인트를 적용하면, 우선 페인트 적용에 의해 균열의 유무를 페인트의 도포 형상을 보고 판별할 수 있다. 도포 후 세라믹 코어의 표면 조도가 확연하게 개선되고 소결 후 최종 성형물의 강도가 대략 3.0MPa 정도 개선되고, 제조 과정에서의 취급 또는 열 충격에 따른 파손의 확률이 대략 30% 이상의 감소를 보여준다. 따라서 전체적으로 세라믹 코어의 제조 과정 및 부품 주조 과정에서 세라믹 코어의 수율을 대략 80%로 높일 수 있다.

도 6은 본 발명의 세라믹 코어를 이용한 중공형 가스터빈 부품 제조 과정이다.

도 6을 참조하면, 금형 설계 및 제조 과정은 제조하고자 하는 가스터빈 고온부품을 최종 주조품과 같은 형태를 가질 수 있도록 설계하여 납형(wax pattern)용 금형과 세라믹 코어용 금형을 기계가공을 통하여 제조한다. 먼저 세라믹 코어용 금형을 이용하여 세라믹 코어를 제조하고, 그 후 가스터빈 고온부품의 내부 냉각 홀을 만들 수 있는 세라믹 코어를 앞서 만든 금형에 고정시키고 왁스를 주입하여 납형(wax pattern)을 제조한다. 이렇게 제조된 납형(wax pattern)은 주조 시 용탕이 흘러들어갈 수 있는 게이트(gate)를 만들기 위하여 왁스 트리(wax tree)형태로 제조된 후 미분의 내화물과 점결제가 포함된 슬러리에 코팅하고 말리는 작업을 반복하여 쉘(shell)을 만들고 내부에 존재하는 왁스를 탈랍(dewaxing)시킨다. 또한 쉘(shell)이 충분한 강도를 가질 수 있도록 번 아웃(burn out) 작업을 거치며 진공정밀 주조기기에 쉘(shell)을 넣어 예열한 후 주조하고자 하는 재질의 잉곳(ingot)을 용해하여 주입하고 냉각시킨 후 세라믹 코어를 화학적 리칭(leaching) 방법으로 제거한 후 주조품이 건전한 조직을 가질 수 있도록 최종 열처리를 하여 제품을 생산하게 된다. 필요 시 제품 생산 후 추가적인 정밀기계가공 과정을 거칠 수도 있다.

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정·변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.

100: 냉간 등방압 압축 장치
101: 비압축성 작동유체
102: 라텍스 또는 박막의 고무 재질
103: 세라믹 코어 고정 지지대
104: 세라믹 코어 성형체
105: 입구 막음용 매듭

Claims (7)

1. 세라믹 혼합물을 준비하는 단계;
   상기 세라믹 혼합물을 냉간 등방압 압축(cold isostatic press)하여 세라믹 코어를 성형하는 단계;
   상기 세라믹 코어를 건조하는 단계;
   상기 세라믹 코어를 하소하는 단계; 및
   상기 세라믹 코어를 소결하는 단계를 포함하고,
   상기 세라믹 코어의 표면에 페인트를 코팅하는 코팅 단계를 더 포함하며,
   상기 코팅 단계는 상기 하소 단계의 다음 단계에 수행되고, 코팅 두께는 50~200 ㎛인 것을 특징으로 하는 중공형 가스터빈 고온부품 진공정밀주조용 세라믹 코어의 제조방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 냉간 등방압 압축(cold isostatic press) 성형 단계는 100 ㎏/㎠ ~ 5,000 ㎏/㎠의 압력에서 5~20분간 수행됨을 특징으로 하는 중공형 가스터빈 고온부품 진공정밀주조용 세라믹 코어의 제조방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 냉간 등방압 압축(cold isostatic press) 성형 단계는 냉간 등방압 압축(cold isostatic press) 장치로 수행됨을 특징으로 하는 중공형 가스터빈 고온부품 진공정밀주조용 세라믹 코어의 제조방법.
4. 삭제
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 페인트는 SiC 또는 WC를 포함함을 특징으로 하는 중공형 가스터빈 고온부품 진공정밀주조용 세라믹 코어의 제조방법.
7. 제1항에 있어서
   상기 페인트는 적색 또는 청색의 바인더를 더 포함함을 특징으로 하는 중공형 가스터빈 고온부품 진공정밀주조용 세라믹 코어의 제조방법.

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