KR102411137B1 - 강도 및 리칭성이 우수한 세라믹 코어 및 이의 제조 방법 - Google Patents

강도 및 리칭성이 우수한 세라믹 코어 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내부에 냉각유로가 형성된 터빈 블레이드를 제조하기 위한 세라믹 코어 성형체 조성물에 관한 것으로, 상세하게는 실리카(SiO2) 40 내지 60 중량%, 지르콘(ZrSiO4) 35 내지 50 중량% 및 알루미나(Al2O3) 0.1 내지 10 중량%를 포함하는 세라믹 분말 95 내지 99.9 중량%와 첨가제 0.1 내지 5 중량%로 이루어진 분말 혼합물 100 중량부; 및 왁스 및 가소제를 포함하는 바인더 혼합물 10 내지 30 중량부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 코어 성형체 조성물, 및 이를 소결시켜 제조된 세라믹 코어와 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

강도 및 리칭성이 우수한 세라믹 코어 및 이의 제조 방법 {Ceramic core with excellent strength and leaching properties, and its manufacturing method}
본 발명은 강도 및 리칭성이 우수한 세라믹 코어 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 항공용이나 발전용 가스 터빈의 고온 부품은 사용 중 고온을 냉각시켜주는 역할을 하도록 다수의 냉각유로가 형성되는데, 이러한 냉각유로들을 기계 가공으로 형성하는 것에는 한계가 있어 세라믹 코어가 필수적으로 사용되고 있다.
상기 세라믹 코어는 항공용이나 발전용 가스 터빈의 고온 부품 제조 시 몰드 내에 삽입되어 고온 부품과 함께 주조된 후 제거됨으로써 냉각유로를 형성할 수 있도록 하는 것으로, 형성하고자 하는 냉각유로 형상에 대응되는 세라믹 코어를 이용해야함에 따라 정확한 치수를 가지도록 세라믹 코어를 제조하는 것이 특히 중요하다.
뿐만 아니라, 상기 세라믹 코어는 주조 공정 시 1500℃ 전후의 용탕에 수 시간 노출되어 용융 금속 또는 부력 등에 의해 변형되거나 파손될 수 있기 때문에, 상기 주조 온도 하에서 우수한 기계적 강도 및 치수 안정성을 가져야 한다.
또한, 주조 종료 후 수산화나트륨 또는 수산화칼륨 수용액 등을 이용하여 제거(leaching)되기 때문에, 알칼리성 수용액에 대한 용이한 리칭 특성도 요구된다.
한편, 이에 대한 유사 선행문헌으로는 대한민국 등록특허공보 제10-0668574호가 제시되어 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-0668574호 (2007.01.08)
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 정확한 치수를 가지도록 제조되며, 우수한 강도 및 치수 안정성을 가져 고온 주조 시에도 쉽게 변형되거나 파손되지 않고, 리칭이 용이한 세라믹 코어 및 이의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
다만 상기 목적은 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양태는 내부에 냉각유로가 형성된 터빈 블레이드를 제조하기 위한 세라믹 코어 성형체 조성물에 있어서, 실리카(SiO2) 40 내지 60 중량%, 지르콘(ZrSiO4) 35 내지 50 중량% 및 알루미나(Al2O3) 0.1 내지 10 중량%를 포함하는 세라믹 분말 95 내지 99.9 중량%와 첨가제 0.1 내지 5 중량%로 이루어진 분말 혼합물 100 중량부; 및 왁스 및 가소제를 포함하는 바인더 혼합물 10 내지 30 중량부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 코어 성형체 조성물에 관한 것이다.
상기 일 양태에 있어, 상기 실리카는 총 실리카 중 95 중량% 이상이 용융 실리카(fused silica)일 수 있다.
상기 일 양태에 있어, 상기 첨가제는 알칼리금속 실리케이트일 수 있으며, 보다 구체적으로 상기 알칼리금속 실리케이트는 소듐 실리케이트, 포타슘 실리케이트 및 리튬 실리케이트 등으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상일 수 있다.
상기 일 양태에 있어, 상기 왁스는 파라핀 왁스, 마이크로크리스탈린 왁스, 폴리올레핀 왁스, 밀랍 및 카나우바 왁스 등으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상일 수 있다.
상기 일 양태에 있어, 상기 가소제는 탄소수 10 이상의 포화 지방산일 수 있으며, 보다 구체적으로 상기 가소제는 카프르산, 라우르산, 미리스트산, 팔미트산 및 스테아르산 등으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일 양태는 전술한 세라믹 코어 성형체 조성물을 소결하여 제조된 세라믹 코어에 관한 것이다.
상기 다른 일 양태에 있어, 상기 세라믹 코어는 굽힘강도(flexural strength)가 30 ㎫ 이상일 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 일 양태는 a) 실리카(SiO2) 40 내지 60 중량%, 지르콘(ZrSiO4) 35 내지 50 중량% 및 알루미나(Al2O3) 0.1 내지 10 중량%를 포함하는 세라믹 분말 95 내지 99.9 중량%와 첨가제 0.1 내지 5 중량%를 혼합하여 분말 혼합물을 준비하는 단계; b) 상기 분말 혼합물 100 중량부에 대하여 왁스 및 가소제를 포함하는 바인더 혼합물 10 내지 30 중량부를 혼합하여 혼합조성물을 준비하는 단계; c) 상기 혼합조성물을 성형하여 성형체를 제조하는 단계; 및 d) 상기 성형체를 소결하는 단계;를 포함하는 세라믹 코어의 제조 방법에 관한 것이다.
상기 또 다른 일 양태에 있어, 상기 c)단계의 성형은 80 내지 100℃의 온도 및 10 내지 50 bar의 압력 조건으로 상기 혼합조성물을 금형에 사출하여 수행되는 것일 수 있다.
상기 또 다른 일 양태에 있어, 상기 d)단계의 소결은 1100 내지 1200℃에서 1 내지 5시간 동안 수행되는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 세라믹 코어 성형체 조성물을 사용할 시 소결 전후 정확한 치수를 가진 세라믹 코어를 제조할 수 있으며, 이를 주조 공정에 활용할 시에도 쉽게 변형되거나 파손되지 않음에 따라, 정확한 치수의 냉각유로가 형성된 터빈 블레이드를 제조할 수 있다.
아울러, 리칭 시 세라믹 코어가 용이하게 제거됨에 따라 터빈 블레이드 내부의 냉각유로에 불순물이 혼입되지 않을 수 있어 좋다.
이하 본 발명에 따른 세라믹 코어 및 이의 제조 방법에 대하여 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
세라믹 코어는 항공용이나 발전용 가스 터빈의 고온 부품 제조 시 몰드 내에 삽입되어 고온 부품과 함께 주조된 후 제거됨으로써 냉각유로를 형성시키는 것으로, 냉각유로 형상에 대응되는 정확한 치수를 가져야 하며, 고온 주조 시에도 쉽게 변형되거나 파손되지 않아야 한다.
이에, 본 발명자들은 상기 목표를 달성하기 위해 거듭 연구한 끝에, 혼합 세라믹 분말과 첨가제, 바인더 혼합물을 적정 비율로 혼합하여 세라믹 코어를 제조할 시 우수한 치수 안정성, 기계적 강도 및 용이한 리칭 특성을 가짐을 발견하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
상세하게, 본 발명의 일 양태는 내부에 냉각유로가 형성된 터빈 블레이드를 제조하기 위한 세라믹 코어 성형체 조성물에 있어서, 실리카(SiO2) 40 내지 60 중량%, 지르콘(ZrSiO4) 35 내지 50 중량% 및 알루미나(Al2O3) 0.1 내지 10 중량%를 포함하는 세라믹 분말 95 내지 99.9 중량%와 첨가제 0.1 내지 5 중량%로 이루어진 분말 혼합물 100 중량부; 및 왁스 및 가소제를 포함하는 바인더 혼합물 10 내지 30 중량부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 코어 성형체 조성물에 관한 것이다.
이를 만족하는 세라믹 코어 성형체 조성물을 사용할 시 소결 전후 정확한 치수를 가진 세라믹 코어를 제조할 수 있으며, 이를 주조 공정에 활용할 시에도 쉽게 변형되거나 파손되지 않음에 따라, 정확한 치수의 냉각유로가 형성된 터빈 블레이드를 제조할 수 있다.
아울러, 리칭 시 세라믹 코어가 용이하게 제거됨에 따라 터빈 블레이드 내부의 냉각유로에 불순물이 혼입되지 않을 수 있어 좋다.
이하, 본 발명의 일 예에 따른 세라믹 코어 성형체 조성물의 각 구성 요소에 대하여 보다 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명의 일 예에 따른 세라믹 분말은 고온 주조 시 쉽게 변형되지 않으며, 가스터빈용 블레이드에 많이 적용되는 니켈기 내열합금계의 용융 금속과 잘 반응하지 않는 것을 선택하여 사용하는 것이 바람직하다.
전술한 바와 같이, 상기 세라믹 분말은 실리카(SiO2), 지르콘(ZrSiO4) 및 알루미나(Al2O3)를 포함할 수 있으며, 이들을 혼합하여 사용함으로써 치수 정확성을 확보함과 동시에 기계적 강도 및 치수 안정성을 향상시킬 수 있으며, 리칭 특성 또한 향상시킬 수 있다.
이를 위해서는 특히 각 분말의 함량을 적절히 제어하여 주는 것이 중요한데, 본 발명의 일 예에 있어, 상기 세라믹 분말은 세라믹 분말 총 중량 중 실리카(SiO2) 40 내지 60 중량%, 지르콘(ZrSiO4) 35 내지 50 중량% 및 알루미나(Al2O3) 0.1 내지 10 중량%를 포함하는 것일 수 있으며, 보다 좋게는 실리카(SiO2) 45 내지 55 중량%, 지르콘(ZrSiO4) 40 내지 50 중량% 및 알루미나(Al2O3) 0.1 내지 5 중량%를 포함하는 것일 수 있고, 더욱 좋게는 실리카(SiO2) 48 내지 50 중량%, 지르콘(ZrSiO4) 48 내지 50 중량% 및 알루미나(Al2O3) 0.2 내지 2.0 중량%를 포함하는 것일 수 있다. 이와 같은 범위에서 치수 안정성, 기계적 강도 및 리칭 특성이 우수할 수 있다. 반면, 세라믹 분말의 조성이 상기 범위를 벗어날 시 치수 정확성이 떨어질 수 있으며, 고온에서의 기계적 강도 및 치수 안정성 역시 저하될 수 있다.
한편, 상기 실리카는 규소의 산화물로, 바람직하게는 총 실리카 중 95 중량% 이상이 용융 실리카(fused silica)일 수 있고, 더욱 바람직하게는 전량이 용융 실리카일 수 있다. 상기 용융 실리카는 진비중이 2.3 이하인 비결정성 실리카를 의미하는 것으로서, 결정성 실리카를 용융하여 만들거나 또는 다양한 원료로부터 합성된 비결정성 실리카도 포함된다. 상기 용융 실리카는 내화도가 높고 가스터빈용 블레이드에 많이 적용되는 니켈기 내열합금계의 용융 금속과 잘 반응하지 않아 세라믹 코어에 특히 적합하다.
이들 세라믹 분말의 입경이나 형상은 목표하는 제반 특성을 고려해 선정할 수 있으며, 특별히 제한되진 않으나 구체적으로 예를 들면 평균 입경은 1 내지 100 ㎛, 보다 좋게는 5 내지 50 ㎛가 적당할 수 있으며, 그 형상은 구상 등일 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 첨가제는 세라믹 코어의 기계적 강도를 보다 향상시켜 주기 위한 것으로, 상기 첨가제는 알칼리금속 실리케이트일 수 있으며, 보다 구체적인 일 예시로 상기 알칼리금속 실리케이트는 소듐 실리케이트, 포타슘 실리케이트 및 리튬 실리케이트 등으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상일 수 있다. 이를 상기 세라믹 분말과 블렌딩하여 소결할 시 용융 실리카가 결정화된 물질인 크리스토발라이트(cristobalite)가 보다 쉽게 생성될 수 있으며, 이를 통해 세라믹 코어의 고온에서의 기계적 강도가 향상될 수 있다.
상기 첨가제는 분말 혼합물 총량 중 0.1 내지 5 중량%로 첨가될 수 있으며, 보다 좋게는 0.1 내지 3 중량%, 더욱 좋게는 0.1 내지 1 중량%로 첨가될 수 있다. 이와 같은 범위에서 크리스토발라이트가 효과적으로 생성되어 목표하는 고온에서의 기계적 강도를 가진 세라믹 코어를 제조할 수 있다. 반면, 첨가제의 함량이 0.1 중량% 미만일 시 크리스토발라이트 생성 효과가 미미할 수 있으며, 5 중량% 초과일 시 과도한 수축이 발생하여 치수 정확성이 저하될 수 있고, 리칭성이 낮아질 수 있어 좋지 않다. 한편, 이때, 첨가제를 제외한 분말 혼합물의 잔량은 세라믹 분말이다.
다음으로, 내화물인 분말 혼합물의 성형성 및 가공용이성 등을 향상시키기 위해 첨가되는 바인더 혼합물에 대하여 설명한다.
본 발명에 따른 바인더 혼합물은 왁스 및 가소제를 포함할 수 있으며, 이들은 혼합하여 사용함으로써 왁스 바인더의 부족한 가소성을 향상시킬 수 있으며, 저압에서 압입이 가능하여 복잡한 형상의 금형에도 충진이 가능할 수 있어 우수한 성형성 및 가공용이성을 확보할 수 있다는 장점이 있다.
상기 바인더 혼합물은 분말 혼합물(세라믹 분말+첨가제) 100 중량부에 대하여 10 내지 30 중량부로 첨가될 수 있으며, 보다 좋게는 12 내지 20 중량부로 첨가될 수 있다. 이와 같은 범위에서 성형성 및 가공용이성이 우수하면서도 소결체인 세라믹 코어가 60 내지 80%의 소결밀도를 가질 수 있다. 반면, 상기 바인더 혼합물의 첨가량이 10 중량부 미만일 시 분말 혼합물과 바인더 혼합물이 균일하게 혼합되지 않을 수 있으며, 유동성이 너무 낮아 성형성 및 가공용이성이 저하될 수 있다. 아울러, 세라믹 코어의 소결밀도가 80% 초과로 증가되어 치수 정확성 및 리칭 특성이 저하될 수 있다. 반대로, 상기 바인더 혼합물의 첨가량이 30 중량부 초과일 시 수결밀도가 60% 미만으로 낮아져 세라믹 코어의 기계적 강도 및 치수 안정성이 저하될 수 있다.
나아가, 상기 바인더 혼합물은 왁스 85 내지 99 중량% 및 가소제 1 내지 15 중량%를 포함할 수 있으며, 보다 좋게는 왁스 90 내지 95 중량% 및 가소제 5 내지 10 중량%를 포함할 수 있다. 이와 같은 범위에서 특히 성형성 및 가공용이성이 우수하여 목표하는 특성, 구체적으로 우수한 치수 정확성, 치수 안정성, 기계적 강도 및 리칭 특성을 가진 세라믹 코어를 제조할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 예에 따른 왁스는 파라핀 왁스, 마이크로크리스탈린 왁스, 폴리올레핀 왁스, 밀랍 및 카나우바 왁스 등으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상일 수 있으며, 바람직하게는 파라핀 왁스 또는 밀랍 등의 저융점 왁스를 사용하는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 가소제는 가소성이 부족한 왁스의 단점을 보완하기 위한 것으로, 탄소수 10 이상의 포화 지방산을 사용할 수 있으며, 보다 구체적인 일 예시로 카프르산, 라우르산, 미리스트산, 팔미트산 및 스테아르산 등으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일 양태는 전술한 세라믹 코어 성형체 조성물을 소결하여 제조된 세라믹 코어에 관한 것으로, 이때 세라믹 코어 성형체 조성물은 전술한 바와 동일함에 따라 중복 설명은 생략한다.
본 발명에 따른 상기 세라믹 코어는 전술한 세라믹 코어 성형체 조성물을 기 계획된 형상으로 성형한 후, 이 성형체를 일정 온도 및 시간에서 소결시켜 제조된 것일 수 있다. 구체적인 일 예시로, 상기 소결은 1100 내지 1200℃에서 1 내지 5시간 동안 수행될 수 있으며, 보다 구체적인 제조 방법은 후술하는 세라믹 코어의 제조 방법에서 설명한다.
상기 세라믹 코어는 전술한 세라믹 코어 성형체 조성물을 소결하여 제조됨에 따라 우수한 치수 정확성, 치수 안정성, 기계적 강도 및 리칭 특성을 가질 수 있으며, 구체적인 일 예시로, 상기 세라믹 코어는 굽힘강도((flexural strength)가 30 ㎫ 이상으로, 이를 주조 공정에 활용할 시 고온에서도 쉽게 변형되거나 파손되지 않음에 따라, 정확한 치수의 냉각유로가 형성된 터빈 블레이드를 제조할 수 있다는 장점이 있다. 이때, 상기 굽힘강도는 상온에서 측정한 값일 수 있다.
나아가, 본 발명의 다른 일 양태는 전술한 세라믹 코어의 제조 방법에 관한 것으로, 상세하게는 a) 실리카(SiO2) 40 내지 60 중량%, 지르콘(ZrSiO4) 35 내지 50 중량% 및 알루미나(Al2O3) 0.1 내지 10 중량%를 포함하는 세라믹 분말 95 내지 99.9 중량%와 첨가제 0.1 내지 5 중량%를 혼합하여 분말 혼합물을 준비하는 단계; b) 상기 분말 혼합물 100 중량부에 대하여 왁스 및 가소제를 포함하는 바인더 혼합물 10 내지 30 중량부를 혼합하여 혼합조성물을 준비하는 단계; c) 상기 혼합조성물을 성형하여 성형체를 제조하는 단계; 및 d) 상기 성형체를 소결하는 단계;를 포함할 수 있다.
먼저, a) 실리카(SiO2) 40 내지 60 중량%, 지르콘(ZrSiO4) 35 내지 50 중량% 및 알루미나(Al2O3) 0.1 내지 10 중량%를 포함하는 세라믹 분말 95 내지 99.9 중량%와 첨가제 0.1 내지 5 중량%를 혼합하여 분말 혼합물을 준비하는 단계를 수행할 수 있다.
이때, 각 성분의 종류 및 함량은 전술한 세라믹 코어 성형체 조성물과 동일함에 따라 중복 설명은 생략한다.
상기 a)단계의 혼합은 당업계에서 통상적으로 사용되는 방법에 의해 수행될 수 있다.
다음으로, b) 상기 분말 혼합물 100 중량부에 대하여 왁스 및 가소제를 포함하는 바인더 혼합물 10 내지 30 중량부를 혼합하여 혼합조성물을 준비하는 단계를 수행할 수 있다. 이때, 분말 혼합물과 바인더 혼합물의 균일한 혼합 및 유동성 조절을 위하여 열이 가해질 수 있으며, 예를 들면 80 내지 100℃에서 혼합 공정이 수행될 수 있다.
분말 혼합물과 바인더 혼합물이 충분히 혼합되면, c) 상기 혼합조성물을 성형하여 성형체를 제조하는 단계를 수행할 수 있다. 구체적으로 예를 들면 상기 성형은 80 내지 100℃의 온도 및 10 내지 50 bar의 압력 조건으로 상기 혼합조성물을 금형에 사출하여 수행되는 것일 수 있으며, 보다 바람직하게 85 내지 95℃의 온도 및 20 내지 40 bar의 압력 조건으로 사출 성형이 수행될 수 있다. 이와 같은 온도 범위에서 혼합조성물이 충분한 유동성을 가져 가공이 용이하며, 상기 압력 범위에서 목표하는 형상을 가진 세라믹 코어 성형체가 용이하게 형성될 수 있다.
성형체가 형성되면, d) 상기 성형체를 소결하는 단계를 수행할 수 있으며, 구체적으로 예를 들면 상기 소결은 1100 내지 1200℃에서 1 내지 5시간 동안 수행되는 것일 수 있다. 이와 같은 범위에서 치수 안정성 및 기계적 강도가 우수한 세라믹 코어 소결체가 효과적으로 제조될 수 있다. 반면, 소결 온도가 1200℃ 초과로 너무 높으면 과도한 수축이 발생하여 치수 정확성이 떨어지며, 소결 온도가 1100℃ 미만으로 너무 낮으면 충분한 소결이 이루어지지 않아 치수 안정성 및 기계적 강도가 현저히 떨어질 수 있다. 상기 소결은 공기 분위기에서 수행될 수 있으며, 필요에 따라 질소 또는 아르곤 가스 등 비활성 기체 분위기 하에서 소결이 수행될 수도 있다. 아울러, 세라믹 코어 성형체의 비틀림, 파손 등을 최소화하기 위하여 세라믹 코어 성형체를 카올린 등의 점토에 묻고 소결할 수 있다.
한편, 상기 소결 전 세라믹 코어 성형체를 탈지하기 위한 탈지 공정이 더 수행될 수 있다. 탈지 공정은 세라믹 코어 성형체의 바인더 혼합물을 제거하기 위한 공정으로 500 내지 600℃에서 1 내지 10시간 동안 수행될 수 있다. 이와 같은 범위에서 바인더 혼합물이 충분히 제거될 수 있다.
이하, 실시예를 통해 본 발명에 따른 세라믹 코어 및 이의 제조 방법에 대하여 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다.
또한 달리 정의되지 않은 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본원에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 실시예를 효과적으로 기술하기 위함이고 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 또한 명세서에서 특별히 기재하지 않은 첨가물의 단위는 중량%일 수 있다.
[제조예 1]
용융 실리카 49.5 중량%, 지르콘 50.4 중량% 및 알루미나 0.1 중량%를 혼합하여 세라믹 분말을 준비하고, 이 세라믹 분말 99.5 중량%와 소듐 실리케이트 0.5 중량%를 혼합하여 분말 혼합물을 준비하였다.
다음으로, 파라핀 왁스 92 중량% 및 스테아르산 8 중량%로 혼합된 바인더 혼합물을 상기 분말 혼합물 100 중량부 기준 13.5 중량부로 첨가하고 85~90℃의 온도에서 충분히 혼합하여 혼합조성물을 준비하였다.
이 혼합조성물을 88℃의 온도 및 30 bar의 압력 조건으로 금형 내에 사출한 후 냉각하여 세라믹 코어 성형체를 제조하였다.
[제조예 2 내지 6, 및 비교제조예 1 내지 7]
하기 표 1에 기재된 조성 및 함량을 만족하도록 분말 혼합물의 조성 및 함량을 달리 혼합한 것 외 모든 공정을 제조예 1과 동일하게 수행하였다.
분말 혼합물
세라믹 분말 조성 (중량%) 세라믹 분말
(중량%) 		Na 2 SiO 3
(중량%)
SiO 2 ZrSiO 4 Al 2 O 3
제조예 1 49.5 50.4 0.1 99.5 0.5
제조예 2 49.5 50 0.5
제조예 3 49.5 48.5 2
제조예 4 49.5 45.5 5
제조예 5 49.5 50 0.5 99.9 0.1
제조예 6 97 3
비교제조예 1 50 50 - 99.5 0.5
비교제조예 2 49.5 35.5 15
비교제조예 3 99.5 - 0.5
비교제조예 4 34.5 65 0.5
비교제조예 5 69.5 30 0.5
비교제조예 6 49.5 50 0.5 100 -
비교제조예 7 90 10
[제조예 7 내지 12, 및 비교제조예 8 내지 11]
하기 표 2에 기재된 조성 및 함량을 만족하도록 바인더 혼합물의 조성 및 함량을 달리 혼합한 것 외 모든 공정을 제조예 1과 동일하게 수행하였다.
바인더 혼합물 조성 (중량%) 바인더 혼합물
(중량부) 		분말 혼합물
(중량부)
파리핀 왁스 소듐 스테아레이트
제조예 2 92 8 13.5 100
제조예 7 85 15
제조예 8 95 5
제조예 9 99 1
제조예 10 92 8 10 100
제조예 11 20 100
제조예 12 30 100
비교제조예 8 100 - 13.5 100
비교제조예 9 80 20
비교제조예 10 92 8 5 100
비교제조예 11 50 100
[실시예 1 내지 12, 및 비교예 1 내지 11]
상기 제조예 1 내지 12 및 비교제조예 1 내지 11에서 각각 제조된 세라믹 코어 성형체를 카올린 분말에 묻은 후 550℃로 천천히 승온시켜 바인더 혼합물을 탈지시킨 후 1150℃로 온도를 올려 5 시간 동안 소결시켜 세라믹 코어를 제조하였다.
제조된 세라믹 코어는 미세균열 또는 파손이 없는지 X선 검사로 외관을 평가한 후 굽힘강도 및 리칭 특성을 평가하였으며, 그 결과는 하기 표 3에 나타내었다. 이때, 굽힘강도는 만능시험기를 이용하여 상온에서 평가하였으며, 외관 평가는 미세균열 및 뒤틀림이 없는 경우 적합, 미세균열 또는 뒤틀림이 있거나 파손된 경우 부적합으로 판정하였다. 또한, 리칭 특성은 100℃의 수산화나트륨 수용액(30 중량% 농도)에 10시간 동안 샘플을 침지시켜 완전 용해 여부로 평가하였고, 완전히 용해된 경우 ◎, 90 중량% 이상 용해된 경우 ○, 70 중량% 이상 용해된 경우 △, 그 미만은 X로 평가하였다.
외관 평가 굽힘강도
(㎫) 		리칭 특성 비고
실시예 1 적합 34.4 ◎
실시예 2 적합 35.7 ◎
실시예 3 적합 36.3 ◎
실시예 4 적합 36.9 ○
실시예 5 적합 30.3 ◎
실시예 6 적합 32.5 ○
실시예 7 적합 35.2 ◎
실시예 8 적합 35.0 ◎
실시예 9 적합 34.9 ◎ 유동성 낮음
실시예 10 적합 35.9 ○
실시예 11 적합 35.2 ◎
실시예 12 적합 34.3 ◎
비교예 1 적합 28.7 ◎
비교예 2 적합 37.8 △
비교예 3 부적합 25.6 ◎
비교예 4 적합 39.3 X
비교예 5 적합 28.5 ◎
비교예 6 적합 26.9 ◎
비교예 7 부적합 - △ 미세균열 발생
비교예 8 - - ○ 유동성 낮음, 성형 불가
비교예 9 부적합 - ◎ 미세균열 발생
비교예 10 - - ◎ 성형 불가
비교예 11 부적합 - ◎ 파손
상기 표 3에 기재된 바와 같이, 본 발명에서 제시한 조성 및 함량 범위를 만족하도록 제조된 세라믹 코어는 외관 불량(뒤틀림, 미세균열 또는 파손)이 없었으며, 굽힘강도가 30 ㎫ 이상으로 높은 강도 특성을 보였고, 리칭성 또한 우수하였다.
반면, 세라믹 분말의 조성 및 함량이 본 발명에서 제시한 범위를 벗어난 경우 굽힘강도가 30 ㎫ 미만으로 저하되거나 리칭성이 저하되는 단점이 있었다. 또한 첨가제의 함량이 본 발명에서 제시한 범위를 벗어나는 경우에도 굽힘강도가 저하되거나 미세균열이 발생하는 문제가 있었다.
아울러, 바인더 혼합물 중 가소제를 첨가하지 않은 경우 유동성이 너무 낮아 사출 성형에 어려움이 있었으며, 가소제를 너무 과량 첨가한 경우 소결 후 세라믹 코어에 미세균열이 발생하였다. 또한, 바인더 혼합물이 분발 혼합물 대비 너무 소량 첨가된 경우 유동성이 너무 낮아 성형이 불가하였으며, 바인더 혼합물이 너무 과량 첨가된 경우 소결 시 세라믹 코어가 파손되는 문제가 발생하였다.
이상과 같이 특정된 사항들과 한정된 실시예를 통해 본 발명이 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (12)

  1. 내부에 냉각유로가 형성된 터빈 블레이드를 제조하기 위한 세라믹 코어 성형체 조성물에 있어서,
    실리카(SiO2) 45 내지 55 중량%, 지르콘(ZrSiO4) 40 내지 50 중량% 및 알루미나(Al2O3) 0.1 내지 5 중량%를 포함하는 세라믹 분말 95 내지 99.9 중량%와 첨가제 0.1 내지 5 중량%로 이루어진 분말 혼합물 100 중량부; 및
    왁스 및 가소제를 포함하는 바인더 혼합물 10 내지 30 중량부;를 포함하는 것을 특징으로 하며,
    상기 첨가제는 알칼리금속 실리케이트인, 세라믹 코어 성형체 조성물.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 실리카는 총 실리카 중 95 중량% 이상이 용융 실리카(fused silica)인, 세라믹 코어 성형체 조성물.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 알칼리금속 실리케이트는 소듐 실리케이트, 포타슘 실리케이트 및 리튬 실리케이트로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상인, 세라믹 코어 성형체 조성물.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 왁스는 파라핀 왁스, 마이크로크리스탈린 왁스, 폴리올레핀 왁스, 밀랍 및 카나우바 왁스로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상인, 세라믹 코어 성형체 조성물.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 가소제는 탄소수 10 이상의 포화 지방산인, 세라믹 코어 성형체 조성물.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 가소제는 카프르산, 라우르산, 미리스트산, 팔미트산 및 스테아르산으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상인, 세라믹 코어 성형체 조성물.
  8. 제1항, 제2항, 및 제4항 내지 제7항에서 선택되는 어느 한 항의 세라믹 코어 성형체 조성물을 소결하여 제조된 세라믹 코어.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 세라믹 코어는 굽힘강도가 30 ㎫ 이상인, 세라믹 코어.
  10. a) 실리카(SiO2) 45 내지 55 중량%, 지르콘(ZrSiO4) 40 내지 50 중량% 및 알루미나(Al2O3) 0.1 내지 5 중량%를 포함하는 세라믹 분말 95 내지 99.9 중량%와 첨가제 0.1 내지 5 중량%를 혼합하여 분말 혼합물을 준비하는 단계;
    b) 상기 분말 혼합물 100 중량부에 대하여 왁스 및 가소제를 포함하는 바인더 혼합물 10 내지 30 중량부를 혼합하여 혼합조성물을 준비하는 단계;
    c) 상기 혼합조성물을 성형하여 성형체를 제조하는 단계; 및
    d) 상기 성형체를 소결하는 단계;를 포함하며,
    상기 첨가제는 알칼리금속 실리케이트인, 세라믹 코어의 제조 방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 c)단계의 성형은 80 내지 100℃의 온도 및 10 내지 50 bar의 압력 조건으로 상기 혼합조성물을 금형에 사출하여 수행되는 것인, 세라믹 코어의 제조 방법.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 d)단계의 소결은 1100 내지 1200℃에서 1 내지 5시간 동안 수행되는 것인, 세라믹 코어의 제조 방법.
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