KR101872931B1 - 단결정 초내열 합금의 재생열처리 방법 - Google Patents

Abstract

단결정 초내열 합금의 재생열처리 방법이 제공된다. 단결정 초내열 합금의 재생열처리 방법은, 감마 프라임상이 완전 고용되는 온도부터 제1 설정 온도의 범위 내에서 단결정 초내열 합금을 1차 열처리하는 단계, 및 1차 열처리 단계 이후 단결정 초내열 합금의 초기 용융이 발생하는 온도부터 제2 설정 온도의 범위 내에서 단결정 초내열 합금을 2차 열처리하는 단계를 포함한다.

Description

단결정 초내열 합금의 재생열처리 방법{METHOD FOR THE RECYCLING HEAT TREATMENT OF SINGLE CRYSTAL SUPERALLOY}

본 발명은 단결정 초내열 합금의 재생열처리 방법에 관한 것이다.

니켈기 초내열 합금(Ni-based superalloy)의 개발은 다결정 합금(equiaxed crystal structure)에서 일방향 응고 합금(columnar crystal structure)을 거쳐 단결정 합금(single crystal)으로 진행되어 왔으며 이 가운데 단결정 초내열 합금은 크리프, 피로 특성이 탁월할 뿐 아니라 내산화성과 부식성 또한 우수한 것으로 알려져 있다. 이러한 특성 때문에 단결정 초내열 합금은 가스터빈 효율향상을 위하여 블레이드, 베인과 같은 고온부품에 적용되고 있다.

가스터빈 고온부품의 경우 일정기간을 사용하게 되면 검사를 거쳐 재생정비 여부를 결정하게 되는데, 재생 정비시 기계적 특성의 회복을 위해 재생열처리를 실시하게 된다.

재생열처리는 일반적으로 응력제거열처리(stress relief treatment), γ＇고용처리(solidsolution treatment), 석출처리(precipitation treatment)와 시효처리(aging heat treatment)의 4단계로 구성되는데, 이 때 부품의 표면에서 재결정(Recrystallization)이 진행되지 않도록 각별히 주의하여야 한다. 이러한 재결정은 표면에 새로운 결정립이 형성됨으로 고온 부품의 기계적 특성과 내부식성을 급격히 악화시키기 때문이다.

고온부품 표면의 재결정은 주로 가스터빈 운전 중 외부로부터 충격을 받아 변형이 발생한 곳이나 냉각유로(cooling hole) 주변에서 발생하게 된다. 따라서 재결정이 발생하지 않으면서 기계적 특성을 원상태에 최대한 가깝게 회복시키는 재생열처리 방법에 대한 연구가 필요한 실정이다.

한국공개특허 제10-1997-0072201호

상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 감마 프라임 상의 고용 영역에서 2 단계의 재생열처리를 통해 단결정 초내열합금 내 감마 프라임 상을 모두 고용시키고 탄화물과 공정상을 최소화함으로써 크리프 특성을 포함한 기계적 특성을 향상시키는 단결정 초내열 합금의 재생열처리 방법을 제공한다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따른 단결정 초내열 합금의 재생열처리 방법은, 감마 프라임상이 완전 고용되는 온도부터 제1 설정 온도의 범위 내에서 단결정 초내열 합금을 1차 열처리하는 단계, 및 1차 열처리 단계 이후 단결정 초내열 합금의 초기 용융이 발생하는 온도부터 제2 설정 온도 범위 내에서 단결정 초내열 합금을 2차 열처리하는 단계를 포함한다.

본 발명의 일 측면에서, 제1 설정 온도는 감마 프라임상이 완전 고용되는 온도(Tsol)로부터 + 5℃까지의 온도로 설정될 수 있다.

본 발명의 일 측면에서, 제2 설정 온도는 단결정 초내열 합금의 초기 용융이 발생하는 온도로부터 ―5℃까지의 온도로 설정될 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 구체적인 사항들은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술된 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.

그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 서로 다른 다양한 형태로 구성될 수 있으며, 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 하나에 의하면, 단결정 초내열 합금의 재생열처리 방법은 2단계의 열처리를 실시하여 감마 프라임상이 미고용된 영역이 존재하지 않을 뿐 아니라 탄화물과 공정상을 최소화함으로써 합금의 기계적 특성을 향상시킨다.

도 1은 단결정 초내열 합금의 초기 미세 조직을 나타내는 도면이다.
도 2는 열화된 단결정 초내열 합금의 미세 조직을 나타내는 도면이다.
도 3은 설정된 온도 구간의 여러 조건에서 고용 처리를 실시한 후 석출과 시효 처리를 수행한 단결정 초내열 합금의 미세 조직을 나타내는 도면이다.
도 4는 고용처리 온도 조건별 공정상 분율을 나타내는 도면이다.
도 5는 탄화물과 공정상 분율 감소를 위한 열처리 온도 조건을 나타내는 도면이다.
도 6은 탄화물과 공정상 분율 최소화를 위한 고용 처리 후의 미세 조직을 나타내는 도면이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명하도록 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 초내열 합금의 재생열처리 방법은 감마 프라임(γ') 상이 완전히 고용되는 온도(Tsol, full solution temperature)부터 Tsol + 약 5℃까지의 범위 내에서 단결정 초내열 합금을 1차 열처리하는 단계 및 초기 용융이 발생하는 온도(Tm, incipient melting temperature)부터 Tm - 약 5℃까지의 범위 내에서 단결정 초내열 합금을 2차 열처리하는 단계를 포함한다.

이하에서는 본 발명의 일 실시 예에 따른 단결정 초내열 합금의 재생열처리 방법에서 제시한 온도 조건에 대해 설명한다.

도 1은 단결정 초내열 합금의 초기 미세 조직을 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면, 단결정 초내열 합금은 초기에 감마(γ) 상(10)에 의해 약 1㎛ 이하 크기의 입방형 감마 프라임(γ')상(20)이 규칙적으로 배열된다.

도 2는 열화된 단결정 초내열 합금의 미세 조직을 나타내는 도면이다.

도 2를 참조하면, 일정기간 동안 가스터빈 운전 중 고온과 하중 조건에 노출되면 단결정 초내열 합금은 도 2와 같이 감마 프라임상(20)이 일정 방향으로 길게 연장되는 래프팅(rafting) 현상이 진행되며 기계적 특성의 열화가 진행된다.

단결정 초내열 합금의 재생열처리는 응력제거 열처리, 감마 프라임상(20) 고용 처리, 석출 처리 및 시효 처리의 단계를 거쳐 진행된다. 여기서 단결정 초내열 합금은 SX MK4HC를 사용한다. 또는, 단결정 초내열 합금은 6.5(wt.%)의 크롬(Cr), 9.7(wt.%)의 코발트(Co), 0.6(wt.%)의 몰리브덴(Mo), 6.4(wt.%)의 텅스텐(W), 6.5(wt.%)의 탄탈(Ta), 5.6(wt.%)의 알루미늄(Al), 1.0(wt.%)의 티타늄(Ti), 0.2(wt.%)의 불화수소(Hf), 3.0(wt.%)의 레늄(Re), 350ppm 탄소ㄹ, 70ppm 붕소(B) 및 나머지 니켈(Ni)로 이루어진 화학 조성을 가질 수 있다.

우선, 약 982℃의 고온에서 약 3000시간 동안 열화시킨다. 이후 약 1290℃부터 약 1335℃까지의 온도 구간의 여러 조건에서 감마 프라임상(20) 고용 처리를 약 7시간 동안 수행한다. 그리고 약 1140℃에서 약 4시간 동안 석출 처리를 수행하고, 약 870℃에서 약 16시간 동안 시효 처리를 수행한다. 그리고 각 열처리 후에 단결정 초내열 합금에 아르곤 가스 냉각을 실시한다.

도 3은 설정된 온도 구간의 여러 조건에서 고용 처리를 실시한 후 석출과 시효 처리를 수행한 단결정 초내열 합금의 미세 조직을 나타내는 도면이다.

도 3을 참조하면, 단결정 초내열 합금의 수지상정 사이영역(Interdendritic region)에서의 미세 조직을 확인할 수 있다. 수지상정 사이영역까지 모든 감마 프라임상이 고용되는 완전 고용 온도(full solution temperature)는 약 1300℃이며, 약 1290℃와 약 1295℃ 시험편에서는 수지상정 사이영역에서 감마 프라임상의 미고용 영역이 존재한다. 그리고 약 1305℃ 조건에서는 다른 온도 조건과 달리 탄화물(carbide)(50)이 상당 부분 고용되어 사라지는 것을 확인할 수 있다. 또한, 약 1315℃ 조건에서는 초기 용융으로 인한 공정상(eutectic)이 일부 확인된다.

도 4는 고용처리 온도 조건별 공정상 분율을 나타내는 도면이다.

도 4를 참조하면, 고용 처리 온도가 증가함에 따라 공정상의 분율은 감소한다. 그리고 탄화물이 고용되는 약 1305℃에서 일시적으로 증가한 후 약 1315℃까지 계속적으로 감소한다. 약 1315℃ 이후에는 용융으로 인해 공정상의 분율이 급격히 증가하게 된다. 이에 따라 약 1315℃에서 고용처리를 실시한 경우 공정상의 분율이 가장 낮은 것으로 확인된다.

기계적 특성의 향상을 위해서는 γ＇의 완전 고용과 함께 탄화물과 공정상을 최소화하는 열처리가 필요하므로, 탄화물의 상당 부분이 고용되는 약 1305℃의 온도 조건과, 공정상이 최소화되는 약 1315℃의 온도 조건에서 열처리를 실시할 경우 탄화물과 공정상의 분율이 최소화되고 기계적 특성은 향상된다.

도 5는 탄화물과 공정상 분율 감소를 위한 열처리 온도 조건을 나타내는 도면이다.

도 5를 참조하면, 감마 프라임상 완전 고용 온도(Tsol)부터 초기 용융 발생 온도(Tm)까지 단결정 초내열 합금은 감마 프라임상의 완전 고용으로 γ상을 유지하고, 초기 용융 발생 온도(Tm) 이상에서 단결정 초내열 합금은 용융 상태를 유지한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 단결정 초내열 합금의 재생열처리 방법은 감마 프라임상 완전 고용 온도(Tsol)인 약 1305℃부터 약 1310℃까지의 범위 내에서 단결정 초내열 합금을 1차 열처리하고, 초기 용융 발생 온도(Tm) 인 약 1315℃부터 약 약 1310℃까지의 범위 내에서 단결정 초내열 합금을 2차 열처리한다.

한편, 재생열처리 방법을 약 982℃에서 5000시간 열화시킨 단결정 초내열 합금(예컨대 SX MK4HC 합금)에 적용하면 도 6과 같은 미세 조직을 얻을 수 있다.

도 6은 탄화물과 공정상 분율 최소화를 위한 고용 처리 후의 미세 조직을 나타내는 도면이다.

예를 들면, 약 982℃에서 약 5000시간 열화시킨 경우 감마 프라임상이 고용되는 완전고용온도는 약 1290℃이며 초기 용융이 발생하는 온도는 약 1305℃이다. 따라서 1차 열처리는 약 1292.5℃에서 실시하고 2차 열처리는 약 1300℃에서 실시한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 초내열 합금의 재생열처리 방법은 2단계의 열처리를 실시하여 감마 프라임상이 미고용된 영역이 존재하지 않을 뿐 아니라 탄화물과 공정상을 최소화함으로써 합금의 기계적 특성을 향상시킨다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.

따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10: 감마상
20: 감마 프라임상
50: 탄화물

Claims (3)

1. 감마 프라임상의 고용 처리에 의한 단결정 초내열 합금의 재생열처리 방법에 있어서,
   감마 프라임상이 완전 고용되는 온도부터 제1 설정 온도의 범위 내에서 단결정 초내열 합금을 1차 열처리하는 단계; 및
   상기 1차 열처리 단계 이후 상기 단결정 초내열 합금의 초기 용융이 발생하는 온도부터 제2 설정 온도의 범위 내에서 상기 단결정 초내열 합금을 2차 열처리하는 단계를 포함하는 단결정 초내열 합금의 재생열처리 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 설정 온도는 상기 감마 프라임상이 완전 고용되는 온도(이하, 'Tsol' 라고함)로부터, Tsol + 5℃ 까지의 온도로 설정되는 것을 특징으로 하는 단결정 초내열 합금의 재생열처리 방법.
   
3. 제1 항에 있어서,
   상기 제2 설정 온도는 상기 단결정 초내열 합금의 초기 용융이 발생하는 온도(이하 'Tm' 이라고 함)로부터 Tm - 5℃까지의 온도로 설정되는 것을 특징으로 하는 단결정 초내열 합금의 재생열처리 방법.

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