KR20120053645A

KR20120053645A - 고온에서의 기계적 특성이 우수한 다결정 니켈기 초내열합금

Info

Publication number: KR20120053645A
Application number: KR1020100114867A
Authority: KR
Inventors: 김인수; 조창용; 유영수; 최백규; 정희원; 서성문; 홍현욱
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2010-11-18
Filing date: 2010-11-18
Publication date: 2012-05-29
Also published as: JP5323162B2; JP2012107328A

Abstract

조성개량을 통하여 상온에서는 물론 700℃ 이상의 고온에서 인장특성과 크리프 특성이 우수한 Ni기 초내열합금을 제공한다. 중량 %로 Co: 8.0-13.0%, Fe: 0~1.0%, Cr: 18.0~25.0%, Mo: 0.1~1.5%, W: 0.1~3%, Al: 0.5~2.0%, Ti: 0.5~1.1%, Nb: 0.5~2.5%, C: 0.01~1.0%, Mn: 0~0.5% Si: 0~0.5%, B: 0~0.008%, Zr: 0~0.05%이고, 나머지는 Ni과 기타 불가피한 불순물로 이루어진다. 또한, γ 기지와 γ' 석출물의 혼합조직을 갖는다.

Description

고온에서의 기계적 특성이 우수한 다결정 니켈기 초내열합금{Polycrystal Ni base superalloy with good mechanical properties at high temperature}

본 발명은 다결정 니켈기 초내열합금에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고온에서의 기계적인 특성, 특히 인장특성과 크리프 특성이 우수한 다결정의 니켈기 초내열합금에 관한 것이다.

항공기 엔진이나 발전용으로 사용되는 산업용 가스터빈의 주요 부품인 블레이드(blade) 및 베인(vane), 연소기 등에는 니켈기 초내열합금이 널리 사용된다. 그 중에서도 연소기 합금에는 다결정 상태의 단련용 니켈기 초내열합금이 소재로 주로 사용되고 있다. 한편, 최근에는 석탄을 원료로 하는 증기터빈 발전에도 증기 온도 상승을 통한 효율향상을 위하여 터빈로터, 증기관 등 주요 부품에 니켈기 초내열합금의 사용이 증가되고 있다. 증기온도 약 670℃까지는 오스테나이트계 내열강이 사용가능하지만 증기온도가 700℃이상으로 상승할 경우 기존에 사용되던 재료로는 고온강도가 부족하기 때문에 고온에서 강도와 크리프 특성이 우수한 니켈기 초내열합금의 적용이 요구되고 있다.

이와 같이 니켈계 초내열합금은 고온 기계적 특성이 우수한 합금으로서 여러 고온 구조물에 사용되어 왔는데 가스터빈 연소기에는 Nimonic263이나 IN 617 등이 사용되어 왔고 700℃ 이상의 증기터빈에도 이들 합금의 적용이 검토되고 있다. 고온 기계적 특성을 향상시키기 위해, 니켈기 초내열합금은 석출강화원소를 첨가하여 기지(matrix) 내에 규칙격자 강화상인 γ'(L1₂ 구조) 입자를 생성시켜 고온 강도를 얻고 W, Mo, Co 등 합금원소를 첨가하여 기지 자체의 강도를 향상시킴으로서 높은 고온강도를 확보한다.

하지만, 종래의 니켈계 초내열합금은 증기온도가 700℃이상으로 상승할 경우 고온에서의 기계적인 특성, 특히 인장강도와 크리프 특성이 미흡한 점이 있다. 한편, 합금원소의 양을 조절하여 고온에서의 인장강도와 크리프 특성이 우수한 합금을 얻으려는 노력이 계속되고 있으나, 적절한 초내열합금이 아직 발견되지 못하고 있는 실정이다.

따라서 본 발명이 해결하려는 과제는 조성개량을 통하여 상온에서는 물론 700℃ 이상의 고온에서의 기계적인 특성, 특히 고온 인장특성과 고온 크리프 특성이 우수한 Ni기 초내열합금을 제공하는 데 있다.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 고온에서의 기계적인 특성이 우수한 다결정 니켈기 초내열합금은, 중량 %로 Co: 8.0-13.0%, Fe: 0~1.0%, Cr: 18.0~25.0%, Mo: 0.1~1.5%, W: 0.1~3%, Al: 0.5~2.0%, Ti: 0.5~1.1%, Nb: 0.5~2.5%, C: 0.01~1.0%, Mn: 0~0.5% Si: 0~0.5%, B: 0~0.008%, Zr: 0~0.05%이고, 나머지는 Ni과 기타 불가피한 불순물로 이루어진다. 여기서, 상기 초내열합금은 γ 기지와 γ' 석출물의 혼합조직을 가질 수 있다.

본 발명의 고온 인장특성이 우수한 다결정 니켈기 초내열합금에 의하면, 중량 %로 Co: 8.0-13.0%, Fe: 0~1.0%, Cr: 18.0~25.0%, Mo: 0.1~1.5%, W: 0.1~3%, Al: 0.5~2.0%, Ti: 0.5~1.1%, Nb: 0.5~2.5%, C: 0.01~1.0%, Mn: 0~0.5% Si: 0~0.5%, B: 0~0.008%, Zr: 0~0.05%이고, 나머지는 Ni과 기타 불가피한 불순물로 이루어진 초내열합금을 다결정 제조함으로써, 고온 인장특성과 크리프 특성이 현저히 증가한 합금을 확보할 수 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 다음에서 설명되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예들에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예들은 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.

이하의 실시예에서는 고온에서의 인장특성과 크리프 특성이 우수한 다결정 니켈기 초내열합금을 설명할 것이다. 여기서, 고온이란 700℃ 이상의 온도를 말하며, 고온에서의 기계적인 특성 중에서 인장특성과 크리프 특성을 중심으로 설명하기로 한다.

한편, 상기 니켈기 초내열합금은 다음과 같은 주요한 특징을 갖는다. 본 발명에 의한 고온 인장특성과 크리프 특성이 우수한 다결정 니켈기 초내열합금은 Al, Ti을 첨가하여 규칙격자 강화상인 γ'(L1₂ 구조)을 γ상의 기지(matrix)에 생성시켜 고온 강도를 얻고, Co, W, Mo 등 합금원소를 첨가하여 기지를 강화시켜 얻는다. 이와 같이 합금원소의 양을 조절함으로써, 고온 기계적 특성을 극대화시키고 비교합금에 비해 향상된 고온 인장특성을 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 니켈기 초내열합금은 먼저 통상의 진공 유도용해 방법에 의해 모합금을 제작한다. 그 후, 제작된 각각의 모합금을 진공에서 재용해하여 빌렛(billet)을 만들고 열간압연공정 후에 용체화 열처리와 시효 열처리를 거친 후 시편을 제작한다. 그 열처리를 거친 시편은 γ와 γ'의 두 개의 상(phase)으로 이루어진 미세조직을 얻을 수 있다.

[합금의 조성]

본 발명의 니켈기 초내열합금은 중량 %로 다음과 같은 조성을 가지며, 여기서는 각각의 조성에 따른 수치한정 이유를 함께 설명하기로 한다. 아래의 중량 %는 니켈기 합금 전체를 100으로 하였을 때, 첨가되는 양을 중량적으로 환산한 것이다. 설명의 편의를 위하여, 니켈과 기타 불가피한 불순물에 대한 설명은 생략하기로 한다.

(1) 코발트(Co) : 8.0~13.0%

Co는 Ni 기지에 고용되어 기지를 강화하는 고용강화 역할을 한다. 그러나 Co의 양이 13%를 넘어서면 다른 합금원소들과 결합하여 금속간 화합물을 형성하여 강도를 저하시킨다. Co 양이 8% 미만일 때는 가공성과 강도가 저하된다.

(2) 철(Fe) : 0~1.0%

Fe는 열간가공성을 향상시키는 원소이기 때문에 필요에 따라 소량 첨가하지만 1.0%보다 크면 고온강도를 저하시키기 때문에 바람직하지 않다.

(2) 크롬(Cr) : 18.0~25.0%

크롬은 초내열합금에서 내식성과 내산화성을 향상시켜 주는 역할을 하는 반면, 탄화물이나 TCP(Topologically Close Packed) 상을 생성시킬 수 있다. 18.0% 보다 적게 첨가되면 내식성에 문제가 발생하고, 25.0%보다 많이 첨가되면 크리프 특성이 저하되며 고온에서 장시간 노출 시 기계적 특성에 나쁜 영향을 주는 TCP상이 생성될 수 있다.

(3) 몰리브데늄(Mo) : 0.5~1.50%

몰리브데늄은 고용강화 원소로 초내열합금의 고온인장 특성, 크리프 특성을 향상시키는 역할을 한다. 또 탄소와 결합하여 결정립계에 M₆C형 탄화물을 형성하여 결정립 성장을 억제한다. 하지만 많은 양이 첨가되면 TCP 상이 생성되고 열간가공성이 저하될 수 있다. 0.5% 미만에서는 고용강화 효과를 기대하기 어려우며, 1.5%를 넘어서 첨가되면 열간가공성이 저하되고 TCP상이 형성되기 쉽다.

(4) 텅스텐(W) : 0.1~3.0%

텅스텐은 고용강화에 의해 고온강도와 크리프 강도를 높이는 원소이다. 하지만, 다량을 첨가하면, 인성 및 연성이 저하되며 상 안정성이 저하된다. 따라서 고온강도를 위해 0.1% 이상의 텅스텐이 첨가되며, 다량을 첨가하는 경우에 생길 수 있는 바람직하지 못한 효과를 억제하기 위해 3.0% 로 함량을 제한한다.

(5) 알루미늄(Al) : 0.5~2.0%

알루미늄은 니켈기 초내열합금의 주 강화상인 γ'의 구성 원소이므로, 고온 크리프 특성 향상에 절대적으로 필요한 원소이다. 또한, 내산화성 향상에도 기여한다. 하지만, 0.5% 보다 작을 때는 석출상 형성에 의한 강도향상 효과를 보기 어렵고 2.0% 보다 많으면 과도한 γ' 상의 석출로 연성을 저하 저하시킨다.

(6) 타이타늄(Ti) : 0.5~1.1%

타이타늄은 알루미늄과 마찬가지로 γ' 상의 구성원소로 고온 강도 향상에 도움을 주며 내식성 향상에도 기여하므로 0.5% 이상 첨가한다. 그러나 과도하게 첨가될 경우 연성이 감소하고, 불필요한 상을 생성 시킬 수 있으므로 1.1%로 제한된다.

(7) 나이오븀(Nb) : 0.5~2.5%

나이오븀은 주 강화상인 γ' 상에 고용되어 γ' 상을 강화시키는 역할을 하며, 이를 통해 고온 강도의 향상에 기여하므로 0.5%이상 첨가한다. 그러나 과도하게 첨가될 경우 연성과 인성을 저하시키므로 2.5%이하로 제한한다.

(8) 탄소(C) : 0.01~1.0%

탄소는 Ti, W, Mo, Cr 등과 결합하여 MC, M₆C 또은 M₂₃C₆형태의 탄화물을 형성하여 결정립계 미세화에 기여하며, 탄화물을 입계에 형성시킴으로써 결정립계 강도를 향상시킨다. 탄소함량이 0.01% 이하에서는 충분한 탄화물이 형성되지 않고 0.1%를 넘어서면 지나치게 많은 탄화물이 형성되어 연성, 가공성등이 저하되므로 함량을 0.01~0.1%로 정했다.

(9) 망간(Mn) : 0~0.5%

망간은 합금의 용해시 탈산재로 사용된다. 그러나 과도하게 첨가되면 가공성과 고온내산화성이 저하되므로 그 함량은 0.5% 이하로 제한한다.

(10) 실리콘(Si) : 0~0.5%

실리콘도 망간과 마찬가지로 용해시 탈산재로 사용되며, 합금의 내산화성을 향상시킨다. 그러나 과도하게 첨가되면 가공성과 인성등을 저하시키기 때문에 그 함량을 0.5% 이하로 제한한다.

(11) 보론(B) : 0~0.008%

보론은 결정립계에 편석되어 입계 강도를 향상시키고 결정립 성장을 억제시킨다. 그러나 과도하게 첨가되면 기지의 융점을 저하시켜서 열간가공성을 저하시키고, 연성이 저하되므로 0.008%이하로 함량을 제한한다.

(12) 지르코늄(Zr) : 0~0.05%

지르코늄은 결정립계에 편석하여 입계강도를 향상시킨다. 그러나 과도하게 첨가되면 합금의 인성을 저하시키기 때문에 0.05% 이하로 함량을 제한한다.

이하에서는 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.

<실시예>

표 1은 본 발명의 실시예가 적용된 다결정 초내열합금과 상기 초내열합금과 비교되는 합금의 화학조성을 제시한 것이다.

표 1에 의하면, 실험재 1은 C가 0.035 중량 %가 첨가된 니켈기 합금의 조성을 나타낸 것이고, 실험재 2는 C가 0.088 중량 %인 경우를 제시한 것이다. 이에 반해, 비교실험재들은 모두 C 양은 실험재와 동일한 범위 내에 있으나, Al, Nb, Ti, W 등의 함량이 범위 밖에서 첨가된 것이다. 비교실험재 1은 Al 함량을 줄인 합금이고, 비교실험재 2는 Nb 함량을 줄인 합금이며, 비교실험재 3은 Ti 함량을 줄인 합금이며, 비교실험재 4는 W 함량을 줄인 합금이다.

합금	C	Al	Si	Ti	Cr	Mn	Fe	Co	Zr	Nb	Mo	W	B	Ni
실험재 1	0.035	1.52	0.04	0.98	22.82	0.011	0.09	9.98	-	2.09	0.67	1.87	0.002	Bal
실험재 2	0.088	1.54	0.13	0.98	22.87	0.150	0.32	10.02	0.024	1.96	0.71	1.84	0.005	Bal
비교재 1	0.040	0.18	0.13	1.06	23.02	0.067	0.33	9.91	-	2.06	1.03	1.86	-	Bal
비교재 2	0.043	1.54	0.14	0.97	22.65	0.048	0.32	10.10	-	0.28	0.91	1.86	0.004	Bal
비교재 3	0.029	1.51	0.14	0.21	22.46	0.043	0.34	9.95	-	1.98	0.97	1.89	0.003	Bal
비교재 4	0.044	1.47	0.13	0.95	22.50	0.061	0.37	9.84	-	1.93	0.68	0.05	-	Bal

상기 실험재들과 비교실험재들은 먼저 통상의 진공 유도용해 방법에 의해 모합금을 제작한 후, 열간압연에 의하여 판재로 제작한 다음 용체화열처리(solution heat treatment)와 시효열처리(aging heat treatment)에 의하여 γ와 γ'의 두 개의 상(phase)으로 이루어진 미세조직을 얻었다.

표 2는 상기 실험재와 비교재의 합금들을 상온(25℃)과 750℃에서 인장실험을 수행하여 항복강도, 인장강도와 연신율을 나타낸 것이다.

합금	25℃			750℃
합금	항복강도 (MPa)	인장강도 (MPa)	연신율 (%)	항복강도 (MPa)	인장강도 (MPa)	연신율 (%)
실험재 1	782	1181	37.1	677	812	18.1
실험재 2	767	1191	31.2	670	794	13.8
비교재 1	399	852	53.7	258	412	91.5
비교재 2	602	1041	37.3	529	674	13.5
비교재 3	558	985	46.4	467	656	12.4
비교재 4	685	1098	40.5	595	711	6.3

표 2에서 알 수 있듯이, 상온과 750℃에서의 인장시험결과 본 발명의 화학조성 범위에 있는 니켈기 합금 시료인 실험재 1과 실험재 2가 비교재 1에서부터 비교재 4보다 우수한 항복강도, 인장강도 및 연신율 값을 나타내는 것을 알 수 있다.

표 3은 760℃/280MPa 조건에서 상기 실험재와 비교재의 크리프 특성을 나타낸 것이다.

760℃/280MPa 조건에서 실험재와 비교재의 크리프 특성 비교
합금	크리프 수명 (시간)	연신율 (%)
실험재 1	435	7.6
비교재 1	101	9.8
비교재 2	173	14.0
비교재 3	114	6.2

표 3에서 알 수 있듯이, 760℃/280MPa 조건에서 실험재의 크리프 파단 시간은 435시간 이었고 비교재의 크리프 파단 시간은 101~173시간이었다. 상대적으로 크리프 특성이 우수한 비교재를 본 발명의 실험재와 비교하여 살펴보더라도, 본 발명의 실험재 1은 비교실험재 3보다 두 배 이상의 크리프 파단 시간을 나타내는 것을 알 수 있었다.

이상, 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

Claims

중량 %로 Co: 8.0-13.0%, Fe: 0~1.0%, Cr: 18.0~25.0%, Mo: 0.1~1.5%, W: 0.1~3%, Al: 0.5~2.0%, Ti: 0.5~1.1%, Nb: 0.5~2.5%, C: 0.01~1.0%, Mn: 0~0.5% Si: 0~0.5%, B: 0~0.008%, Zr: 0~0.05%이고, 나머지는 Ni과 기타 불가피한 불순물로 이루어진 고온인장 특성이 우수한 다결정 니켈기 초내열합금.
제1항에 있어서, 상기 초내열합금은 γ 기지와 γ' 석출물의 혼합조직을 갖는 것을 특징으로 하는 고온인장특성이 특성이 우수한 다결정 니켈기 초내열합금.