KR20110013282A - 니켈-계 초합금, 상기 초합금으로 제조된 기계적 구성요소, 상기 구성요소를 포함하는 터보기계류 부품, 및 관련 방법 - Google Patents

니켈-계 초합금, 상기 초합금으로 제조된 기계적 구성요소, 상기 구성요소를 포함하는 터보기계류 부품, 및 관련 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 적어도, 3 내지 7 중량%의 크롬; 3 내지 15 중량%의 텅스텐; 4 내지 6 중량%의 탄탈; 4 내지 8 중량%의 알루미늄; 0.8 중량% 미만의 탄소; 및 나머지량의 니켈과 불순물들을 포함함을 특징으로 하는, 터보기계류 부품을 위한 기계적 구성요소의 제조에 특히 적합한 니켈-계 초합금에 관한 것이다.

Description

니켈-계 초합금, 상기 초합금으로 제조된 기계적 구성요소, 상기 구성요소를 포함하는 터보기계류 부품, 및 관련 방법{NICKEL-BASED SUPERALLOY, MECHANICAL COMPONENT MADE OF THE ABOVE MENTIONED SUPER ALLOY, PIECE OF TURBOMACHINERY WHICH INCLUDES THE ABOVE MENTIONED COMPONENT AND RELATED METHODS}
본 발명은 신규의 니켈-계 초합금 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 초합금으로 제조된 기계적 구성요소, 상기 구성요소가 장착된 터보기계류 부품 및 특정 적용 방법에 관한 것이다.
관련 출원과의 상호 참조
본원은 2009년 7월 29일자로 선-출원되어 계류중인 이탈리아 출원 번호 제 CO2009A000027 호를 우선권으로 주장하며, 이를 그 전체로서 본원에 참고로 인용한다.
일반적으로, 재료 기술 분야에서, 고온에서 작업하는 기계적 구성요소의 제작과 관련된 문제는 냉각 시스템 또는 열 장벽을 사용함으로써 구성 재료를 냉각시켜 이에 따라 기계적 저항성을 증가시킴으로써 해결된다. 실제로, 냉각 시스템이 제대로 설계되지 않은 경우, 고온에서 구성요소의 수명은 단축되며, 이는 구성요소의 수명을 표준 값으로 연장시키기 위해 사용 중의 온도를 낮출 필요가 있을 수 있다.
특정 용도를 기준으로, 고온에서 사용되는 경우, 높은 기계적 저항성 및 동시에 (부식, 침식 등에 대한) 화학적 저항성과 관련된 특정의 특징을 나타내는 재료를 수득하기 위해, 몇몇 원소들(이중 적어도 하나는 금속이다)의 조합인 다양한 유형의 합금이 개발되어 왔다. 보다 구체적으로, 터보기계류 구성요소의 경우, 냉각 시스템의 사용은 복잡한 제조 공정을 수반하고, 특정의 기계류 부품의 성능을 감소시키며, 이는 구성요소를 구성하는 재료의 선택이 중요함을 입증한다.
니켈 초합금은 약 1000℃의 온도에서 높은 내산화성과 함께 우수한 기계적 저항성을 갖도록 고안된, 고온에서 잘 견딜 수 있도록 개발된 특수 합금이며, 이들은 주로 항공항해 및/또는 항공우주 분야(이에 국한되지 않음)에 사용된다. 이러한 니켈-계 초합금은 매우 광범위한 금속계 합금 범주에 포함되고, 이들은 끊임없이 개선되고 연구되는 중인데, 그 이유는, 포함된 화학적 원소들이 매우 융통성있는 방식으로 양 및 개수에 따라 다르게 결합하여 원소들의 특정 조합 또는 혼합을 기준으로 단계적인 차이를 제공할 수 있기 때문이다.
따라서, 기술의 진보에도 불구하고, 현재 이러한 관점은 여전히 문제가 되며, 개선된 니켈-계 초합금을 제작할 필요성이 요구된다. 보다 비용 효율적이고 보다 우수한 성능의 기계류 부품을 제조하기 위해 보다 높은 기계적, 화학적 및 열 저항성을 갖는 초합금이 요구된다.
본 발명의 목적은 전통적인 것보다 높은 온도에서 작동하는 니켈-계 초합금을 제작하고, 동시에 기계적 및 화학적 저항성을 개선하고, 상기 언급된 문제들 중 일부를 부분적으로 극복하는 것이다.
본 발명의 추가의 목적은 상기 초합금의 제조 방법, 상기 초합금으로 제조된 기계적 구성요소, 및 상기 구성요소가 장착된 기계류 부품의 제조에 있다. 이 같은 목적 및 이점은 실제로 청구범위 제 1 항에 기초한 초합금을 통해 달성되고, 청구범위 제 6 항의 방법, 청구범위 제 8 항의 구성요소, 청구범위 제 9 항에 기초한 기계류 부품 및 청구범위 제 10 항의 특정 적용 방법을 통해 수득된다.
본 발명의 기술적 이점은 하기 기재한 청구범위에 제시된다.
본 발명의 주요 양태는 터보기계류 부품 중 고온, 대략 1200℃에서 사용되는 기계적 구성요소의 제작에 적합한 니켈-계 초합금의 제조이다. 본 발명에 나타낸 바와 같이, 이러한 초합금은 적어도 다음과 같은 원소들을 포함하며, 이때 양은 중량%로 표현된다(하기 및 첨부된 특허청구범위에 나타낸 퍼센트는 달리 나타내지 않는 한 중량을 기준으로 한다): 크롬(Cr) 3 내지 7%, 텅스텐(W) 3 내지 15%, 탄탈(Ta) 4 내지 6%, 알루미늄(Al) 4 내지 8%, 탄소(C) 0.8% 미만, 나머지 퍼센트의 니켈(Ni), 및 추가의 가능한 불순물.
본 발명의 매우 간편한 적용례는, 상기 초합금이, 초합금의 고온에서의 기계적 저항성을 개선하기 위해, 0 내지 15 부피%, 바람직하게는 0 내지 7 부피%, 더욱 바람직하게는 0 내지 6 부피%로 이트륨(III) 옥사이드(소위 "이트리아"(화학식 Y2O3)로도 지칭됨)를 포함하는 것이다.
이트륨(III) 옥사이드는, 간단히 말해, 공기 중에서 안정한 백색 계열의 고체 물질로서, 이들은 예를 들어 (고온에서 초전도체가 되는 이들의 능력으로 인하여) 초전도 금속 또는 마이크로파 필터의 제조, 또는 일부 유형의 유기금속 화합물들의 제조(이를 이트륨(III) 클로라이드, 화학식 YCl3으로 전환시킴)와 같은 다양한 기술 분야에 사용된다. 본 발명의 또 다른 간편한 적용례에서, 초합금은 0 내지 10 중량%, 바람직하게는 3 내지 7 중량%, 더욱더 바람직하게는 4 내지 6 중량%의 레늄(Re)을 포함하여, 고온에서의 기계적 저항성을 개선한다.
레늄은, 간단히 말해, 모든 원소들 중 가장 높고 단지 텅스텐 및 탄소보다 낮은 융점을 갖는, 희귀한 중질의 은백색 금속이다. 이는, 가장 밀도가 높은 금속 중 하나로서, 단지 백금, 이리듐 및 오스뮴만이 이를 능가할 뿐이다. 레늄은 가장 최근에 발견된 천연 원소이다. 일반적으로, 레늄은 분말 형태로 판매되고 수소 분위기에서 압력 또는 공극-소결(void sintering) 과정에 의해 압축될 수 있다. 레늄은 자연에서 유리(free)된 상태로 존재하지 않고, 전형적인 광물에서 발견될 수도 없다. 지구의 지각에서 발견될 수 있는 양은 약 0.001 ppm이며, 이는 말하자면 톤당 약 1 밀리그램이다. 이는 주로 일부 몰리브덴-함유 광물 및 황화구리-함유 광물의 배소에 의해 생성되는 흄(fume)으로부터 추출되며, 종종 0.002% 내지 0.2%의 레늄을 함유하며, 이는 예를 들어 고온에서 과레늄산 암모늄을 수소에 의해 환원시켜 수득될 수 있다. 정제 공정은 어렵고 비용이 많이 든다. 이 같은 원소의 주요 적용례는, 가스 생성을 위한 백금-레늄 촉매의 형성; 질량 분석기용 이온 검출기 및 필라멘트의 제조; 초전도 합금을 형성하기 위한 텅스텐 또는 몰리브덴계 합금을 위한 첨가제; 우수한 내마모성 및 내식성으로 인하여 전기 접촉을 형성하기 위한 수소화 공정용 촉매; 2200℃까지의 온도를 측정하는 열전쌍 온도계 제조시의 원소; 및 많은 기타 적용례를 들 수 있다. 본 발명의 매우 간편한 적용례에서, 이러한 초합금은, 레늄의 양에 기초하여 4 내지 6 중량%, 또는 9 내지 11 중량%의 텅스텐을 함유한다(하기 참조).
또 다른 적용례에서, 초합금은 4 내지 6 중량%의 크롬(Cr), 4.5 내지 5.5 중량%의 탄탈(Ta), 5 내지 7 중량%의 알루미늄(Al), 및 0.1 중량% 미만의 탄소 중에서 하나 이상을 갖는다. 상기 언급된 합금의 특정 적용례에서, 구체적인 적용례에 기초하여 기계적 사양을 개선하기 위해, 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr) 및 붕소(B)의 바람직한 등축(equiaxial)형 미세첨가(microaddition)가 최대 총 2%까지 수행된다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 하기 원소들이 하기 개시된 양(중량%)으로 혼합되는 단계를 포함하는, 니켈계 초합금을 생성하는 방법에 관한 것이다: 크롬(Cr) 3 내지 7%, 텅스텐(W) 3 내지 15%, 탄탈(Ta) 4 내지 6%, 알루미늄(Al) 4 내지 8%, 탄소(C) 0.8% 미만, 나머지량은 니켈(Ni), 및 추가의 가능한 불순물.
초합금을 하기 원소들 중 하나 이상과 혼합하는 단계가 추가로 포함될 수 있다:
- 0 내지 15%(부피), 바람직하게는 0 내지 7%(부피), 더욱 바람직하게는 0 내지 6%(부피)의 이트륨(III) 옥사이드(Y2O3);
- 0 내지 10%(부피), 바람직하게는 3 내지 7%(부피), 가장 바람직하게는 4 내지 6%(부피)의 레늄(Re);
-레늄의 양을 기준으로 4 내지 6%(중량), 또는 9 내지 11%(중량)의 텅스텐.
본 발명의 매우 간편한 적용에서, 이러한 초합금은 "융합(fusion)"을 통해 수득된다. "융합"이란 예를 들면 모래 중(소위 "모래 작업"), 금속 중(또한 소위 "쉘(shell) 중") 또는 가압 하에서("다이 캐스팅") 및 많은 다른 것에서 캐스팅 스파우트(spout)를 생성하는 소위 "주물 작업"이라 불리는 생산 과정을 의미한다.
구체적으로, 이러한 초합금은
- 생산될 구성요소의 왁스 금형을 제조하는 단계;
- 왁스 금형 주위에 특정 코팅(일반적으로 백악 또는 인산염)을 생성하는 단계;
- 일단 코팅된 생성된 금형을 고온에서 열 사이클(일반적으로 650℃ 내지 900℃)에 노출시켜 왁스를 제거하고 중공 금형을 생성하는 단계;
- 특정 붓기 채널을 통해 금형에 초합금을 붓는 단계;
- 금형 내부에서 초합금이 고형화되게 한 후, 이를 금형으로부터 꺼내는 단계
로 구성된 "탈납 미세융합"이라 불리는 주물 작업을 통해 생성될 수 있다.
고온에서의 열 사이클은 여러 가열 과정, 예를 들면 무(free)-불꽃 융합, 유도 융합, 전기 저항에 의해 가열된 기판상의 융합, 응집체내 텅스텐 전극들 사이의 아크 램프 융합 등에 따라 수행될 수 있다.
캐스팅은 중력에 의해, 합금을 밀어내는 기체를 통해, 강하를 통해, 또는 원심분리 밀어내기 등을 통해 수행될 수 있다. "탈납 미세융합"의 경우 또는 많은 다른 주물 과정에서의 고형화 과정을 제어함으로써 하기 설명되는 바와 같은 단결정, 등축 또는 방향성 고형화를 수득할 수 있다. 구체적으로, 단결정 미세융합은 산화, 기계적 및 화학적 응력에 대한 높은 저항성 및 또한 많은 다른 현상에 대한 높은 저항성을 갖는 모든 그레인 경계 현상(예컨대, 낮은 크립성(creep))에 대해 우수한 사양을 갖는 초합금을 수득하는 것을 가능하게 하지만; 한편으로 이 같은 결과를 수득하는 과정이 복잡하고 고비용이다. 한편, 등축 융합은 단결정 미세융합을 통해 수득된 것과 비교하면 더 쉽게 제조할 수 있지만, 더 낮은 저항성을 갖는 보다 비용 효과적인 초합금을 생성하는 것이다. 한편, 방향성 미세융합은 바람직한 그레인 방향에 따른 더 우수한 저항성을 보장한다. "탈납" 또는 일부 다른 유형인 주물 작업의 주된 이점은 우수한 사양을 갖는 합금을 수득하도록 냉각을 제어하는 것이 가능하면서 동시에 정교한 기계적 작업이 관여되지 않고서도 복잡한 형태를 만들어내는 것이 가능하다는 점이다. 미세다공성, 불균일성 또는 바람직하지 않은 상(phase) 침전의 존재 가능성 때문에 공정과 제품 모두를 정확하게 확인할 필요가 있다.
본 발명의 매우 간편한 적용에서, 이러한 초합금은 "분진 야금(dust metallurgy)"을 통해 수득된다. "분진 야금"은 금속(또는 세라믹) 가공 제품이 이 같은 분진의 열-기계적 처리를 통해 수득되는 제조 과정이다.
구체적으로, 이러한 초합금은
- 고형 입자 또는 분진 형태인 궁극적으로 레늄을 갖는 상기 언급된 초합금을 제조하는 단계;
- 궁극적으로 상기 언급된 분진을 이트륨 분진과 혼합하는 단계;
- 제조될 물체의 형태 또는 적합한 오버사이징(oversizing)을 갖는 유사한 형태를 재현하는 고압 연성 금형에 분진을 붓는 단계;
- 소결시키고 입자를 압축시키고 동시에 새로운 결정화를 유도하기 위해 압력 하에서 상기 금형을 재료의 융합 점보다 약 0.7 내지 0.9배 낮은 온도에서 가열하는 단계;
- 냉각시키고 금형을 개방하여 마무리된 구성요소를 수득하는 단계
로 주로 구성된 "소결" 과정을 통해 분말이 압축되도록 고온 압축을 통해 생성될 수 있다.
분말 야금의 주요 이점은, 연쇄 생산 요건에 부합하는 특징들로서, 기계적 작업의 필요성을 최소화하거나 제거하고, 특히 기하학적으로 복잡한 형태에 대해 비용 효율적으로 이루어지고, 재료 및 각각의 부품에 대해 우수한 마무리 및 우수한 재현성을 갖는 최종 처리에 대한 선택성이 넓다는 점이다.
반면, 단점은 주로, 융합에 의해 생성된 제품과 비교시, 마무리처리된 제품의 낮은 기계적 사양 및 낮은 치수 정확도에 기인한다. 주물 작업 및 분진 야금 둘 다의 경우, 마무리처리된 구성요소에 대한 추가의 처리, 예컨대 정류, 래핑(lapping), 연마, 교정 또는 임의의 다른 기계적 마무리처리, 및 형상을 완성하기 위한 처리(매트릭스 압축과 상용가능하지 않도록 발생하는 기하학적 제한의 경우), 또는 재료의 사양을 최적화하기 위한 열 처리, 및 많은 다른 처리를 포함하는 것이 가능하다.
또한, 보호 코팅이 목적하는 특정 용도에 기초하여 상기 초합금(또는 보다 양호하게는 상기 초합금으로 제조된 마무리처리된 제품)에 적용될 수 있다. 본 발명의 다른 관심 양태는 사용되는 동안 고온(약 1,200℃ 또는 약간 높은 온도 이하)을 견딜 수 있는 상기 초합금으로 제조된 터보기계류 부품의 기계적 구성요소의 제작이다. 본 발명의 또 다른 양태는 하나 이상의 기계적 구성요소가 상기 초합금, 예컨대 가스 터빈 등으로 생성되는 터보기계류 부품에 관한 것이다.
고온(약 1,200℃ 이하)을 견딜 수 있는 재료의 사용이 요구되거나, 높은 기계적 응력 및 산화 및/또는 부식이 수반되는 다른 적용 또는 기술 분야에 상기 초합금이 사용될 수 있음은 제외될 수 없다.
본 발명의 다른 양태는 고온에서 문제를 일으킬 수 있는 가스 터빈의 고정적 구성요소의 일부 부분을 초합금으로 제조된 부분으로 대체함으로써 가스 터빈의 성능을 개선시키기 위해 고안된 방법에 관한 것이다. 하기 기재내용을 참고한다.
본 발명에 기술된 초합금을 사용하는 이점 중 하나는, 니켈-계 초합금과 비교시, 본원에 기술된 초합금이 특별히 고안된 이의 조성에 기인하여 터보기계류 구성요소의 사용 온도를 약 1,200℃까지 높이는 기회를 제공한다는 점이다.
실제로, 이러한 초합금은 양호한 산화 저항성, 및 적어도 지시된 최고 온도까지의 높은 기계적 저항성을 나타낸다.
구체적으로, 이의 조성을 고려하면, 상기 초합금은 적어도 하기 특징의 개선을 가능하게 한다:
- 1,000℃ 초과의 온도에서의 보다 양호한 산화 저항성;
- 1,100℃ 초과의 온도에서의 보다 높은 인장 강도; 및
- 초합금에 기계적 특성을 제공하는 니켈-알루미늄(화학식 Ni3Al)내 침전물로 이루어진 감마 프라임 경화 상의 보다 양호한 안정성(약 1,300℃ 이하).
따라서, 전형적인 사용 온도를 높이거나(터보기계류 분야에서 실제 시판중인 합금으로는 불가능함), 동등한 사용 조건에 대해서 구성요소의 수명을 연장하거나, 또는 구성요소의 냉각을 현저하게 감소시키는 것이 가능하고; 결과적으로, 구성요소는 단순화되고, 열 장벽을 사용하는 보다 낮은 보호에 대한 요구가 덜하다.
고온에서의 그 사용을 가능하게 하는 사양에 의해 특징지어지는 재료를 사용함에 따른 이점은 여러 가지이고, 이들은 하기 목록으로 요약될 수 있다:
- 사용 온도 증가 가능성에 기인하는 보다 높은 성능;
- 조작에 관여되는 냉각 공기 양의 감소 가능성에 기인하는 보다 높은 성능;
- 구성요소의 보다 긴 수명; 및
- 냉각 시스템의 최적화에 기인하는 구성요소의 제조 공정 및 설계 개선.
이러한 기술적 양태는 각각 상응하는 경제적 이익을 수반한다.
다른 이점은, 초합금이 기계류 또는 신규 고안된 구성요소를 생성하거나, 또는 기존 기계 또는 구성요소를 개선하는 데 사용될 수 있으므로, 초합금이 매우 다양한 용도를 갖는다는 것이다. 일반적으로, 본 발명은 기계적 사양의 관점, 및 산화 및 부식 저항성의 관점 둘 다에서 고온에 대한 적절한 저항성이 요구되는 모든 분야에 사용될 수 있다. 본 발명에 개시된 상기 방법 및 장치를 적용하기 위한 더욱 적절한 사양 및 방식이 첨부된 특허청구범위에 기술되고, 일부 비-제한적 예를 참고하여 이하에서 상세히 기술된다.
실용적이고 비-제한적인 예시를 나타낸 첨부된 개략적 도면을 참고하면 본 발명의 다수의 목적 및 장점은 당해 분야의 숙련자에게 보다 명백하게 될 것이다.
도 1은 본 발명의 일부 적용예에 기초한 몇몇 초합금의 하중 및 온도의 함수로 된 크리프(creep) 저항성을 나타낸 그래프이다.
도 2 내지 6은 본 발명의 일부 적용예에 기초한 몇몇 초합금에 대해 수행된 일부 산화 시험의 결과를 현재 시판 중인 일부 합금과 비교한 그래프를 나타낸다.
도 7은 일부 상업적 합금과 비교한 본 발명의 적용예의 고온에서의 견인(traction) 저항성에 관한 그래프를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 하나의 적용예에 기초한 터보기계류 부품의 구성요소의 부분 확대 투상도를 나타낸다.
본 발명의 제 1 적용예로 제시된 제 1 초합금은 Ni29로 불리고, 적어도 하기 원소들을 포함한다: 크롬(Cr) 5%(중량); 텅스텐(W) 10%; 탄탈(Ta) 5%; 레늄 0%; 알루미늄(Al) 6%; 탄소 0.05% 및 최종적으로 이트륨(III) 옥사이드(Y2O3) 0.5 내지 2%(이 마지막 원소는 부피 기준).
본 발명의 제 2 적용예로 제시된 제 2 초합금은 Ni32로 불리고, 적어도 하기 원소들을 포함한다: 크롬(Cr) 5%(중량); 텅스텐(W) 5%; 탄탈(Ta) 5%; 레늄 5%; 알루미늄(Al) 6%; 탄소 0.05% 및 최종적으로 이트륨(III) 옥사이드(Y2O3) 0.5 내지 2%(이 마지막 원소는 부피 기준).
구체적으로, 텅스텐의 양은 역 비례로 하나의 레늄과 균형을 이룰 수 있으며, 예컨대 레늄이 5%인 경우 5%의 텅스텐으로 설정되고, 레늄이 존재하지 않는 경우 이는 10%로 설정된다. 코발트(Co)의 양은 특정 적용예에 기초하여 5%(중량) 미만으로 포함됨을 배제할 수 없다. 초합금 조성의 설명은, 특정 적용예 또는 그 적용예 자체에서 사용된 과정에 기초하여 변할 수 있기 때문에, 단지 예시적인 것이고 본 발명에 대해 비-제한적임을 유의해야 한다. 도 1 내지 9는 수행된 일부 시험의 결과를 나타낸다.
도 1은 응력 파열 시험을 통해 평가된 크리프 저항성을 나타낸 그래프로서, 이는 일정한 하중과 특정 시험 온도에서 파열이 실린더형 샘플에서 일어난 후의 시간을 평가한다. 그래프에서 하중 변화는 라슨-밀러(Larson-Miller) 파라미터(LMP)에 따른 평방 인치 당 kip(ksi)로 표시되며, 이는 본 발명에 의해 기재된 방법에 따라 생성된 일부 다른 합금과 비교된 시험 온도 및 몇몇 합금의 파열 시간의 파라미터이다. 구체적으로, 라인(1A)은 상용 코발트계 합금 FSX414에 관한 것이고; 라인(1B)은 상용 니켈계 합금 GTD222에 관한 것이고; 라인(1C)은 상용 SC 레네(Rene) N4에 관한 것이다. 라인(1D)은 단결정 과정에 의해 생성된 합금 Ni32에 관한 것이고; 라인(1E)은 단결정 과정에 의해 생성된 합금 Ni29에 관한 것이고; 곡선(1F)은 Hf과 Zr의 미세-첨가에 의한 등축 과정에 따른 합금 Ni32에 관한 것이고, 점(1G)은 분진 야금 이후 고온 압출을 통해 생성된 합금 Ni32에 관한 것이다.
상기 그래프의 관찰 시 상이한 형태의 본 발명이 최선의 상용 제품에 거의 대등한 기계적 저항성의 사양을 보여줌과 동시에 보다 우수한 산화 저항성을 얼마나 나타내는지에 유의해야 한다(또한 하기 도면 참조). 또한, 프로젝트의 특정 필요성에 기초하여, 제조 공정을 간단히 변형하여, 예컨대 단결정, 등축 공정 등으로 합금의 사양을 증진시킬 수 있다. 기계적 특성을 증진시키기 위해, 본 발명을 미세융합 단결정 형태로 생성시키는 것이 바람직하다.
도 2는 몇몇 합금에 대한 일련의 사이클 산화 시험으로 수행된 사이클 횟수에 기초한 단위 면적당 중량 변화(g/㎠)를 측정하여 평가된 산화 저항성을 나타낸 그래프이고, 이들 사이클 중 각각 하나의 사이클은 1시간 동안 1250℃까지 가열하는 단계 및 15분 동안 실온으로 냉각시키는 단계를 포함한다. 구체적으로, 라인(2A)은 분진 야금을 통해 수득되고 0%의 Y2O3를 갖는 Ni29 합금의 면적당 중량 변화를 나타내고; 제 2 라인(2B)은 분진 야금을 통해 수득되고 5%의 Y2O3를 갖는 Ni29 합금에 관한 것이고; 제 3 라인(2C)은 상용 CMSX10(등록상표)에 관한 것이고; 제 4 라인(2D)은 상용 합금 PM2000에 관한 것이고; 제 5 라인(2E)은 상용 합금 MA6000에 관한 것이고; 제 6 라인(2F)은 2%(부피)의 Y2O3를 함유하는 합금 Ni20에 관한 것이다.
이 같은 그래프로부터, 본 발명에 의해 수행되는 절차를 따라 생성된 합금이 고온에서 상용 합금(고온에서 매우 낮은 기계적 사양을 갖는 합금 PM2000은 제외)보다 얼마나 높은 산화 저항성을 나타내는가를 알 수 있다.
도 3은 도 2에 나타낸 그래프와 유사하게 여러 합금에 대한 일련의 사이클 산화 시험으로 수행된 사이클 횟수를 기초로 한 단위 면적당 중량 변화(g/㎠)를 나타낸 그래프이고, 이들 사이클 중 각각 하나의 사이클은 1시간 동안 1,200℃까지 가열하는 단계 및 15분 동안 실온으로 냉각시키는 단계를 포함한다. 구체적으로, 제 1 라인(3A)은 등축 합금 Ni29의 성능을 나타내고; 제 2 라인(3B)은 등축 합금 Ni32의 성능을 나타내고; 제 3 라인(3C)은 단결정 합금 Ni29의 성능을 나타내고; 제 4 라인(3D)은 단결정 합금 Ni32의 성능을 나타내고, 제 5 라인(3E)은 분진 야금을 통해 수득된 합금 Ni32의 성능을 나타내고; 제 6 라인(3F)은 분진 야금을 통해 수득된 합금 Ni29의 성능을 나타낸다.
이 같은 그래프로부터, 특정 제조 기술이 산화 저항성에 영향을 미침이 분명한 듯하다. 구체적으로, 기계적 특성을 과도하게 손상시키지 않으면서 산화 저항성을 최적화하기 위해 분진 야금을 통해 본 발명을 제조하는 것이 바람직하다.
도 4는 도 3에 나타낸 그래프와 유사하게 미세융합을 통해 제조한 여러 합금에 대한 일련의 사이클 산화 시험으로 수행된 사이클 횟수를 기초로 한 단위 면적당 중량 변화(g/㎠)를 나타낸 그래프이고, 이들 사이클 중 각각 하나의 사이클은 1시간 동안 1,200℃까지 가열하는 단계 및 15분 동안 실온으로 냉각시키는 단계를 포함한다.
구체적으로, 제 1 라인(4A)은 등축 합금 Ni29의 거동을 나타내고; 제 2 라인(4B)은 등축 합금 Ni32의 거동을 나타내고; 제 3 라인(4C)은 탄소를 덜 함유하는(약 0.005%) 합금 Ni29의 거동을 나타내고; 제 4 라인(4D)은 탄소를 덜 함유하는(약 0.005%) 합금 Ni32의 거동을 나타내고; 제 5 라인(4E)은 고온 정압 프레싱(HIP)을 거친 미세융합된 등축 합금 Ni29의 거동을 나타내고; 제 6 라인(4F)은 HIP을 거친 미세융합된 등축 합금 Ni32의 거동을 나타내고; 제 7 라인(4G)은 단결정 미세융합된 합금 Ni29의 거동을 나타내고; 제 8 라인(4H)은 단결정 미세융합된 합금 Ni32의 거동을 나타낸다. 이 같은 그래프에서, 본 발명에 언급된 간격 내에서의 다소 상당한 화학 조성의 변화 및 미세융합 과정의 차이가 사이클 산화 과정을 거치는 경우 얼마나 상이한 사양을 생성시키는가를 유의해야 한다. 도 5는 본 발명의 여러 가능한 적용을 기초로 한 분진 야금을 통해 제조한 여러 합금에 대한 일련의 사이클 산화 시험으로 수행된 사이클 횟수를 기초로 한 단위 면적당 중량 변화(g/㎠)를 나타낸 그래프이고, 이들 사이클 중 각각 하나의 사이클은 1시간 동안 1,200℃까지 가열하는 단계 및 15분 동안 실온으로 냉각시키는 단계를 포함한다. 구체적으로, 제 1 라인(5A) 및 제 2 라인(5B)은 0%의 Y2O3을 함유하는 합금 Ni29의 거동을 나타내고; 제 3 라인(5C) 및 제 4 라인(5D)은 0.5%의 Y2O3을 함유하는 합금 Ni29의 거동을 나타내고; 제 5 라인(5E)은 1%(부피)의 Y2O3을 함유하는 합금 Ni29의 거동을 나타내고; 제 6 라인(5F) 및 제 7 라인(5G)은 1%(부피)의 Y2O3을 함유하는 합금 Ni32의 거동을 나타내고; 제 8 라인(5H)은 0.5%(부피)의 Y2O3을 함유하는 합금 Ni32의 거동을 나타내고; 제 9 라인(5I)은 1%(부피)의 Y2O3을 함유하는 합금 Ni32의 거동을 나타낸다. 이 같은 그래프는 본 발명에 기술된 과정 이후 분진 야금을 통해 제조한 초합금에서 이트륨(III) 산화물의 농도가 산화 저항성과 얼마나 밀접하게 관련되어 있는가를 명확히 보여줌에 유의해야 한다.
도 6은 본 발명에 기술된 과정들 중 하나에 기초한 소결 과정을 거친 여러 종류의 합금 Ni29에 대한 일련의 사이클 산화 시험으로 수행된 사이클 횟수를 기초로 한 단위 면적당 중량 변화(g/㎠)를 나타낸 그래프이고, 이들 사이클 중 각각 하나의 사이클은 1시간 동안 1,200℃까지 가열하는 단계 및 15분 동안 실온으로 냉각시키는 단계를 포함한다.
구체적으로, 제 1 라인(6A)은 합금 Ni29의 거동을 나타내고; 제 2 라인(6B)은 2%(부피)의 Y2O3을 함유하는 합금 Ni32의 거동을 나타내고; 제 3 라인(6C)은 5%(부피)의 Y2O3을 함유하는 합금 Ni32의 거동을 나타내고; 제 4 라인(6D)은 10%(부피)의 Y2O3을 함유하는 합금 Ni32의 거동을 나타내고; 제 5 라인(6E)은 20%(부피)의 Y2O3을 함유하는 합금 Ni32의 거동을 나타내고; 제 6 라인(6F)은 40%(부피)의 Y2O3을 함유하는 합금 Ni32의 거동을 나타낸다. 20%를 초과하는 고농도의 이트륨(III) 산화물이 산화 저항성을 얼마나 감소시키는가 유의해야 한다. 도 7은 본 발명에서 기술된 과정 이후 생성된 합금들과 상용 합금들의 견인 시험에 대한 결과를 비교하여 나타낸 그래프이다.
구체적으로, 제 1 라인(7A)은 합금 MA754의 거동을 나타내고; 제 2 라인(7B)은 합금 MAR-M200의 거동을 나타내고; 제 3 라인(7C)은 합금 MA956의 거동을 나타내고; 제 4 라인(7D)은 합금 HA188의 거동을 나타내고; 제 5 라인(7E)은 합금 PM1000의 거동을 나타내고; 제 6 라인(7F)은 합금 PM2000의 거동을 나타내고; 제 7 라인(7G)은 합금 MA758의 거동을 나타낸다. 점(7H)은 단결정 Ni20에 의해 달성된 결과를 나타내고, 점(7I)은 단결정 Ni32에 의해 달성된 결과를 나타내고(그래프에서는 거의 중첩된다); 점(7L)은 분진 야금 이후 고온 압출을 통해 생성된 합금 Ni29를 나타내고, 점(7M)은 등축 합금 Ni29를 나타낸다. 고온에서의 기계적 특성은, "단결정" 경우, 우수한 사양을 나타내는 상용 합금의 기계적 특성과 유사하다는 점에 유의한다. 도 8은 내벽(112)과 외벽(114)에 의해 분리 및 함유된 두 개의 병렬 노즐(111) 사이에 생성된 수개의 공기역학적 빈 공간으로 구성된 터빈의 기계 시스템(100)의 부분 투상도를 나타낸 것이다. 터빈 내 이러한 노즐과 이들의 지지체 고안은 적어도 부분적으로 고온 가스에 의해 유발된 변형을 보정하고 가스 경로에 정확히 정렬시켜 유지시키는 것을 목표로 한다.
노즐용 냉각 시스템이 또한 제공될 수 있고, 이는 냉각 기체를 구성요소의 내부로부터 외부로 순환시켜 구성요소 자체의 수명을 연장시키도록 하는 일련의 홀(hole)(116)로 구성된다. 본 발명에 언급된 과정에 기초하여, 몰딩된 삽입체(118)는 도 8의 확대도로 나타낸 장치에 포함된다. 이는 본 발명에 언급된 과정에 따라 생성된 합금으로 제조되고, 구성요소의 중대한 영역인, 노즐의 진입 구역(100I) 및 출구 구역(100U)에 고정된다. 몰딩된 삽입체의 존재는 구성요소의 수명을 연장시킬 것이다.
삽입체(118)는 새로운 구성요소의 프로젝트에 포함되거나, 다르게는, 사용된 구성요소에 장착되어 그의 수명을 연장시킬 수 있다.
기계 시스템(100)은 명백히 예시로 나타낸 것이고, 본 발명에 기술된 합금은 특정 용도 및 필요에 따라 다른 구성요소 또는 다른 기계 시스템을 생성하는 데 적합하다.
상기 예시는 단순한 지침이고, 여하한 방식으로든, 항상 본 발명 자체의 기초 토대에 적절한 형태 및 방식 면에서 다양할 수 있는 본 발명의 가능성을 제한하는 것이 아님은 물론이다. 특허청구범위에서 참조기호가 존재하는 경우, 이는 상기 상세한 설명 및 첨부된 도면을 참조로 해석의 용이를 위한 것이고, 여하한 방식으로든, 보호 범위를 제한하는 것은 아니다.

Claims (10)

  1. 적어도, 3 내지 7 중량%의 크롬; 3 내지 15 중량%의 텅스텐; 4 내지 6 중량%의 탄탈; 4 내지 8 중량%의 알루미늄; 0.8 중량% 미만의 탄소; 및 나머지량의 니켈과 불순물들을 포함함을 특징으로 하는, 터보기계를 위한 기계적 구성요소의 제조에 특히 적합한 니켈-계 초합금.
  2. 제 1 항에 있어서,
    0 내지 15 부피%; 바람직하게는 0 내지 7 부피%; 더욱 바람직하게는 0 내지 6 부피%의 이트륨 옥사이드를 포함하는, 초합금.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    0 내지 10 중량%; 바람직하게는 3 내지 7 중량%; 더욱 바람직하게는 4 내지 6 중량%의 레늄을 포함하는, 초합금.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 텅스텐이, 상기 레늄의 양에 따라, 4 내지 6 중량%, 또는 9 내지 11 중량%의 양으로 존재하는, 초합금.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    4 내지 6 중량%의 크롬; 4.5 내지 5.5 중량%의 탄탈; 5 내지 7 중량%의 알루미늄; 및 0.1 중량% 미만의 탄소를 포함하는, 초합금.
  6. 3 내지 7 중량%의 크롬; 3 내지 15 중량%의 텅스텐; 4 내지 6 중량%의 탄탈; 4 내지 8 중량%의 알루미늄; 0.1 중량% 미만의 탄소; 및 나머지량의 니켈과 불순물들을 혼합하는 단계를 포함하는, 니켈-계 초합금의 제조 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    - 0 내지 15 부피%; 바람직하게는 0 내지 7 부피%; 더욱 바람직하게는 0 내지 6 부피%의 이트륨 옥사이드;
    - 0 내지 10 중량%; 바람직하게는 3 내지 7 중량%; 더욱 바람직하게는 4 내지 6 중량%의 레늄; 및
    - 상기 레늄의 양에 따라 4 내지 6 중량%; 바람직하게는 9 내지 11 중량%의 텅스텐
    중 하나 이상을 혼합하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 5 항에 따른 니켈-계 초합금 및/또는 제 6 항 또는 제 7 항에 따른 방법에 의해 제조된, 터보기계를 위한 기계적 구성요소.
  9. 하나 이상의 제 8 항에 따른 기계적 구성요소를 포함하는 것을 특징으로 하는, 터보기계.
  10. 고온과 관련하여 중대한(critical) 고정자(stator) 구성요소의 하나 이상의 부분을, 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 따른 니켈-계 초합금의 삽입체(insert)로 대체하는 단계를 포함하는, 가스 터빈 성능의 개선 방법.
KR1020100072850A 2009-07-29 2010-07-28 니켈-계 초합금, 상기 초합금으로 제조된 기계적 구성요소, 상기 구성요소를 포함하는 터보기계류 부품, 및 관련 방법 KR101767676B1 (ko)

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