KR20090115925A

KR20090115925A - 니켈계 합금

Info

Publication number: KR20090115925A
Application number: KR1020090099873A
Authority: KR
Inventors: 워렌 탄 킹; 존 허버트 우드; 간지앙 펭
Original assignee: 제너럴 일렉트릭 캄파니
Priority date: 2003-05-09
Filing date: 2009-10-20
Publication date: 2009-11-10
Also published as: JP2004332116A; EP1475447A2; EP1475447A3; US20040223868A1; KR20040095712A; CN100355922C; KR101052389B1; CN1550561A; US6902633B2; JP4579573B2

Abstract

본 발명은 크롬 약 15.0 내지 약 17.0중량%, 코발트 약 7.0 내지 약 10.0중량%, 몰리브덴 약 1.0 내지 약 2.5중량%, 텅스텐 약 2.0 내지 약 3.2중량%, 콜럼븀 약 0.6 내지 약 2.5중량%, 탄탈륨 1.5중량% 미만, 알루미늄 약 3.0 내지 약 3.9중량%, 티탄 약 3.0 내지 약 3.9중량%, 지르코늄 약 0.005 내지 약 0.060중량%, 붕소 약 0.005 내지 약 0.030중량%, 탄소 약 0.07 내지 약 0.15중량%, 잔여량의 니켈 및 불순물로 구성되는 니켈계 합금에 관한 것이다. 바람직하게는, 콜럼븀은 탄탈륨보다 더 많은 양으로 존재한다. 탄탈륨은 본질적으로 합금에 존재하지 않을 수 있으며, 즉 불순물 수준으로만 존재할 수 있다.

Description

니켈계 합금{NICKEL-BASE ALLOY}

본 발명은 일반적으로 니켈계 합금에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 가스 터빈 엔진 용도에 적당한 바람직한 성질을 나타내는 주조가능하고 용접가능한 니켈계 초합금에 관한 것이다.

초합금 IN-738 및 그의 저급 탄소 버전(IN-738LC)은 산업 가스 터빈의 터빈부의 내부 슈라우드, 후반 스테이지 버켓(블레이드) 및 노즐(베인)과 같은 가스 터빈 엔진 용도에 바람직한 성질을 많이 가지고 있다. IN-738의 조성은 제조사마다 약간 다를 수 있는데, IN-738 조성물을 기재하고 있는 한 출판물에 따르면, 크롬 15.7 내지 16.3중량%, 코발트 8.0 내지 9.0중량%, 몰리브덴 1.5 내지 2.0중량%, 텅스텐 2.4 내지 2.8중량%, 탄탈륨 1.5 내지 2.0중량%, 콜럼븀(니오븀) 0.6 내지 1.1중량%, 알루미늄 3.2 내지 3.7중량%, 티탄 3.2 내지 3.7중량%(Al + Ti = 6.5 내지 7.2중량%), 지르코늄 0.05 내지 0.15중량%, 붕소 0.005 내지 0.015중량%, 탄소 0.15 내지 0.20중량%, 잔여량의 니켈 및 불순물(예: 철, 망간, 규소 및 황)이다. IN-738LC는 붕소, 지르코늄 및 탄소 함량에 있어서 다르며, 이들 성분의 적당한 범위는 붕소 0.007 내지 0.012중량%, 지르코늄 0.03 내지 0.08중량% 및 탄소 0.09 내지 0.13중량%이다.

다른 초합금의 형성에 있어서, IN-738의 조성은 바람직한 성질의 혼합을 성취하기 위하여 어떤 중요한 합금 요소의 함량이 조절된 것을 특징으로 한다. 가스 터빈 용도로의 사용에 대해서는, 이러한 성질은 고온 크리핑 강도(creep strength), 내산화성 및 내식성, 저 사이클 피로(low cycle fatigue)에의 저항성, 주조능 및 용접능을 포함한다. 초합금의 바람직한 성질중 임의의 하나를 최적화시키는 경우, 다른 성질들은 종종 불리한 영향을 받는다. 구체적인 예로는 용접능 및 크리핑 저항성(creep resistance)으로서, 둘다 가스 터빈 엔진 버켓에 대단히 중요하다. 그러나, 보다 큰 크리핑 저항성은 용접에 의한 보수가 필요한 합금의 용접을 보다 어렵게 한다.

IN-738은 가스 터빈 엔진내 특정 용도로 양호하게 수행되지만, 대체물이 요구된다. 현재 관심사는 탄탈륨의 사용을 감소시키는 것인데, 이는 비용이 많이 들기 때문이다. 탄탈륨은 명목상 IN-738의 단지 약 1.8중량%만을 구성하고 있지만, 탄탈륨의 사용을 감소 또는 제거하는 경우 사용되는 합금의 톤수의 측면에서 생산 비용에 실질적인 영향을 미치게 된다.

본 발명은 가스 터빈 엔진의 특정 요소, 특히 산업 터빈 엔진의 내부 슈라우드 및 선택된 후반 스테이지 버켓 용도에 적당하도록, 고온 강도(크리핑 저항성을 포함함), 내산화성 및 내식성, 저 사이클 피로에의 저항성, 주조능 및 용접능이 바람직한 균형을 이루는 니켈계 합금을 제공한다. 이러한 성질은 탄탈륨이 제거되거나 상대적으로 낮은 수준으로 존재하는 합금으로 성취되며, IN-738과 비교할 때 상대적으로 높은 수준의 콜럼븀이 존재한다.

본 발명에 따르면, 니켈계 합금은 크롬 약 15.0 내지 약 17.0중량%, 코발트 약 7.0 내지 약 10.0중량%, 몰리브덴 약 1.0 내지 약 2.5중량%, 텅스텐 약 2.0 내지 약 3.2중량%, 콜럼븀 약 0.6 내지 약 2.5중량%, 탄탈륨 1.5중량% 미만, 알루미늄 약 3.0 내지 약 3.9중량%, 티탄 약 3.0 내지 약 3.9중량%, 지르코늄 약 0.005 내지 약 0.060중량%, 붕소 약 0.005 내지 약 0.030중량%, 탄소 약 0.07 내지 약 0.15중량%, 잔여량의 니켈 및 불순물로 구성된다. 바람직하게는, 콜럼븀은 예컨대 1.4중량% 이상과 같은 정도로 탄탈륨보다 더 많은 양으로 존재하며, 반면 합금중 탄탈륨 함량은 더욱 바람직하게는 1.0중량% 미만이고, 합금에 본질적으로 존재하지 않을 수도 있는데, 즉 단지 불순물의 수준으로만 존재할 수 있다(예: 약 0.05중량% 이하). 본 발명의 합금은 IN-738 합금에 필적할만한, 어떠한 면에서는 보다 우수한 성질을 가진다. 결과적으로, 본 발명의 합금은 탄탈륨에 대한 요건을 감소하거나 제거함으로써 IN-738보다 우수하고 잠재적으로 저비용인 대안을 제시한다.

본 발명의 다른 목적 및 이점은 하기에서 더 자세히 설명한다.

[발명의 구성]

본 발명은 상업적으로 IN-738로 알려진 니켈계 합금에 필적할만한 성질을 갖는, 그러나 탄탈륨의 감소 또는 완전한 제거를 가능하게 하는 화학적 성질을 갖는 니켈계 합금을 개발하려는 노력의 결과였다. 다른 고온 용도가 예견가능하지만, 본 연구로 산업 터빈 엔진의 내부 슈라우드 및 선택된 후반 스테이지 버켓 용도에 특히 바람직한 성질을 갖는 니켈계 합금의 개발을 가져왔다. 특히 관심있는 용도에 대하여 필요한 성질은 고온 강도(크리핑 저항성을 포함함), 내산화성 및 내식성, 저 사이클 피로에의 저항성, 주조능 및 용접능을 포함한다. 본 연구의 접근법을 통해 콜럼븀을 증가시켜 탄탈륨의 부재를 대체하였으며, 그 결과 γ' 석출 경화 상(precipitation hardening phase)에 영향을 미치는 것으로 알려진 IN-738의 미량 합금 원소중 2개가 근본적으로 변경되었다.

니켈계 초합금의 고온 강도는 γ' 상의 체적 분율과 직접적으로 관련되며, 이는 곧 존재하는 γ'-형성 원소(알루미늄, 티탄, 탄탈륨 및 콜럼븀)의 총량과 직접적으로 관련된다. 상기 관계를 바탕으로 하여, 주어진 강도 수준을 수득하기 위해 필요한 상기 원소들의 양을 추정할 수 있다. γ' 상 및 기타 2차 상(예컨대 탄화물 및 붕소화물)의 조성뿐 아니라 γ' 상의 체적 분율 또한 상기 합금의 초기 화학 및 형성되는 상에 대한 일부 기본 가설을 바탕으로 추정될 수 있다. 그러나, 터빈 엔진 슈라우드 및 버켓에 중요한 기타 특성, 예컨대 용접능, 피로 수명, 주조 능, 야금학적 안정성 및 내산화성은 상기 원소 및 합금중 존재하는 기타 원소의 양으로부터 예측될 수 없다.

본 발명은 가스 터빈 엔진 용도에 적당하도록, 고온 강도(크리핑 저항성을 포함함), 내산화성 및 내식성, 저 사이클 피로에의 저항성, 주조능 및 용접능이 바람직한 균형을 이루는 니켈계 합금을 제공한다.

본 연구를 수행하는 동안, 하기 표 1에 개시된 대략의 화학적 조성을 갖는 2개의 합금을 제형화하였다. 약 7/8×5×9inch(약 2×13×23cm) 크기의 시험편을 주조한 후 약 2050℉(약 1120℃)에서 약 2시간동안 용액을 열처리한 후, 약 1550℉(약 845℃)에서 약 4시간동안 에이징(aging)하여 제조하였다. 그 후 시편을 와이어(wire) EDM을 사용하여 절편으로 나누고 통상적인 방식으로 시편을 주형물에 맞추었다. 또한 주조능을 측정하기 위하여, 열처리 1 합금으로부터 여러 풀사이즈 가스 터빈 버켓을 주조하고 기계적 시험을 위하여 절편으로 나누었다.

상기 합금 수준은 탄탈륨을 콜럼븀으로 치환하는 효과를 평가하기 위하여 선택되었으나, 탄소(IN-738LC 수준) 및 지르코늄(IN-738LC 수준(열처리 1) 및 IN-738 수준과 IN-738LC 수준의 사이(열처리 2))의 경우를 제외하고는 IN-738 조성을 유지하도록 의도하였다.

편평한 표준 바(bar) 시편을 사용하여 상기 합금의 인장 특성을 결정하였다. 정상화된 데이터를 도 1, 2 및 3에 요약하였으며, 이 때 "738 기준선, 평균" 및 "738 기준선, -3시그마"는 특정한 특성에 대한 IN-738의 이력 평균(historical average)을 플롯팅한 것이다. 또한 열처리 1 합금으로부터 주조된 버켓으로부터 기계가공된 시편을 측정하였다. 모든 데이터는 열처리 1 및 열처리 2 시편의 인장 강도 및 항복 강도는 IN-738 기준선과 유사하거나 더 높았고 연성은 약간 향상되었음을 지시하며, 이는 상기 실험에서의 합금이 IN-738에 대한 적당한 대안이 될 수 있음을 시사한다.

도 4 및 도 5는 열처리 1 및 열처리 2 합금에 대하여 IN-738 기준선과 비교하여, 약 1400℉(약 760℃) 및 약 1600℉(약 870℃) 각각에서 저 사이클 피로(LCF) 수명을 플롯팅한 그래프이다. 상기 시험은 변형(strain)-제어된 상태 및 약 0.333Hz의 사이클 부하(cyclic loading)하에서 실시되었고, 압축 변형의 최고치에서 약 2분의 유지(hold) 시간을 가졌다. 두 시험 모두에서, ASTM 규격시험 E606에 따라 0.25inch(약 8.2mm)의 바를 크랙(crack)이 개시될 때까지 시험하였다. 본 플롯은 열처리 1 및 열처리 2 합금의 LCF 수명이 두 시험 온도에서 본질적으로 IN-738 기준선과 동일하였음을 시사한다.

도 6은 약 1200℉(약 650℃)에서 IN-738 기준선 데이터와 열처리 1 및 열처리 2 합금의 평균 고 사이클 피로(HCF) 수명을 비교하는 굿만 다이어그램(Goodman's diagram)이다. LCF 시험과 달리, HCF 시험은 변형-제어된 상태 및 약 30 내지 60Hz 사이클 부하하에서 실시되었다. 굿만 다이어그램에서의 곡선은 1천만 사이클에서의 피로 내구성 한계를 나타낸다. 도 6으로부터, 열처리 1 및 열처리 2 합금의 평균 HCF 수명이 IN-738 기준선보다 상당히 우수했음을 알 수 있다.

도 7은 약 0.5%의 변형 수준 및 약 1350℉(약 730℃)의 온도 및 약 1500℉(약 815℃)의 온도에서 열처리 1 및 열처리 2 합금 및 IN-738에 대한 크리핑 수명을 플롯팅한 그래프이다. 두 시험 온도 모두에서, 열처리 1 및 열처리 2 합금은 IN-738과 본질적으로 같은 크리핑 수명을 나타내었다.

IN-738과 여러 다른 특성들을 비교하기 위하여 열처리 1 및 열처리 2 합금에 대하여 부가적인 시험을 실시하였다. 이러한 시험은 내산화성, 용접능, 주조능, 피로 크랙 성장 및 물리적 성질을 포함하였다. 이러한 조사 모두에서, 열처리 1 및 열처리 2 합금의 특성들은 IN-738 기준선의 특징과 본질적으로 동일하였다.

상기의 내용을 바탕으로, 하기 표 2에 요약된, 넓은 조성, 바람직한 조성, 공칭 조성(중량 기준)을 갖는 합금은 IN-738에 필적할만한 특성을 갖고, 따라서 산업 가스 터빈 엔진의 내부 슈라우드 및 버켓에 대한 합금으로서의 용도 및 유사한 특성이 요구되는 기타 용도로서 적당하다고 여겨진다.

합금중 Cb+Ta 함량은 바람직하게는 γ' 상의 체적 분율을 유지하는데, 이때 콜럼븀 및 탄탈륨(알루미늄 및 티탄과 같은 기타 γ' 형성 원소뿐 아니라)은 IN-738과 유사한 수준으로 존재한다. 재료비 절감을 위하여, 콜럼븀은 탄탈륨보다 더 큰 중량으로 합금중에 존재할 수 있고, 더욱 바람직하게는 상기에서 보고된 조사의 견지에서 탄탈륨은 합금으로부터 본질적으로 제거(즉, 약 0.05% 이하의 불순물 수준으로)될 수 있다. 상기 표 2에서 정의된 합금은 전술한 처리를 통해 만족스럽게 열처리될 수 있으나, 니켈계 합금에 적용된 종래의 열처리가 사용될 수도 있다.

본 발명은 바람직한 양태에 따라 기술되었으나, 다른 형태가 당해 분야의 순련자들에게 채택될 수도 있음이 명백하다. 따라서, 본 발명의 범주는 하기 청구항에 의해서만 한정되는 것으로 한다.

도 1 내지 3은 본 발명의 범위내에서 니켈계 합금에 대하여 인장 강도, 항복강도 및 신장률(%) 대 온도를 플롯팅한 그래프이다.

도 4 및 5는 도 1 내지 3에서 나타낸 동일한 합금에 대하여, 각각 1400℉ 및 1600℉에서의 저 사이클 피로 수명(low cycle fatigue life)을 플롯팅한 그래프이다.

도 6은 도 1 내지 3에서 나타낸 동일한 합금에 대하여, 1200℉에서의 고 사이클 피로 수명을 플롯팅한 그래프이다.

도 7은 도 1 내지 3에서 나타낸 동일한 합금에 대하여, 1350℉ 및 1500℉에서의 크리핑 수명(creep life)을 플롯팅한 그래프이다.

Claims

주조가능하고 용접가능한 니켈계 합금으로서,

크롬 15.0 내지 17.0중량%, 코발트 7.0 내지 10.0중량%, 몰리브덴 1.0 내지 2.5중량%, 텅스텐 2.0 내지 3.2중량%, 콜럼븀 0.6 내지 2.5중량%, 탄탈륨 1.5중량% 미만, 알루미늄 3.0 내지 3.9중량%, 티탄 3.0 내지 3.9중량%, 지르코늄 0.005 내지 0.060중량%, 붕소 0.005 내지 0.030중량%, 탄소 0.07 내지 0.15중량%, 잔여량의 니켈 및 불순물로 구성되는 주조가능하고 용접가능한 니켈계 합금.
제 1 항에 있어서,

상기 합금중 콜럼븀 함량이, 중량을 기준으로, 상기 합금중 탄탈륨 함량보다 더 큰 주조가능하고 용접가능한 니켈계 합금.
제 1 항에 있어서,

상기 콜럼븀 함량이 1.4중량% 이상인 주조가능하고 용접가능한 니켈계 합금.
제 1 항에 있어서,

상기 콜럼븀 함량이 1.85중량%인 주조가능하고 용접가능한 니켈계 합금.
제 1 항에 있어서,

상기 탄탈륨 함량이 1.0중량% 미만인 주조가능하고 용접가능한 니켈계 합금.
제 1 항에 있어서,

주물의 형태인 주조가능하고 용접가능한 니켈계 합금.
제 6 항에 있어서,

상기 주물이 가스 터빈 엔진 구성요소인 주조가능하고 용접가능한 니켈계 합금.
제 7 항에 있어서,

상기 가스 터빈 엔진 구성요소가 슈라우드, 노즐 및 버켓으로 구성된 군에서 선택된 주조가능하고 용접가능한 니켈계 합금.
제 1 항에 있어서,

크롬 15.7 내지 16.3중량%, 코발트 8.0 내지 9.0중량%, 몰리브덴 1.5 내지 2.0중량%, 텅스텐 2.4 내지 2.8중량%, 콜럼븀 1.4 내지 2.1중량%, 탄탈륨 1.5중량% 미만, 알루미늄 3.2 내지 3.7중량%, 티탄 3.2 내지 3.7중량%, 지르코늄 0.015 내지 0.050중량%, 붕소 0.005 내지 0.020중량%, 탄소 0.09 내지 0.13중량%, 잔여량의 니켈 및 불순물로 구성되는 주조가능하고 용접가능한 니켈계 합금.
제 9 항에 있어서,

크롬 16.3중량%, 코발트 8.6중량%, 몰리브덴 1.7중량%, 텅스텐 2.5중량%, 콜럼븀 1.85중량%, 탄탈륨 0.05중량%, 알루미늄 3.5중량%, 티탄 3.4중량%, 지르코늄 0.02중량%, 붕소 0.016중량%, 탄소 0.10중량%, 잔여량의 니켈 및 불순물로 구성되는 주조가능하고 용접가능한 니켈계 합금.