KR20150034446A - 3단 열처리를 포함하는 단결정 초내열 합금의 접합 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 3단 열처리를 포함하는 단결정 초내열 합금의 접합 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 단결정 초내열 합금을 준비하는 준비 단계, 준비된 단결정 초내열 합금에 삽입재를 삽입하여 접합하는 접합 단계, 접합된 단결정 초내열 합금을 1250 내지 1300℃에서 5 내지 10시간 동안 열처리를 수행하는 제1 열처리 단계, 상기 제1 열처리 단계 후 1100 내지 1200℃에서 3 내지 6시간 동안 열처리를 수행하는 제2 열처리 단계 및 상기 제2 열처리 단계 후 850~900℃에서 10 내지 20시간 동안 열처리를 수행하는 제3 열처리 단계를 포함한다.
본 발명은 단결정 초내열 합금을 접합한 후 3단계의 열처리를 수행함으로써, 단결정의 성질을 유지하면서, 기계적 강도로 특히 인장 강도 및 크리프 강도의 접합 특성을 향상시킬 수 있도록 하여, 상기 단결정 초내열 합금의 적용처 중 특히 가스터빈에 있어서, 부품 손상 시 신품을 구입하지 않고, 재생하여 사용할 수 있어, 발전 원가를 획기적으로 감소시켜 전력 구입 단가 또한 절감시키는 경제적 효과를 거둘 수 있다.
본 발명은 단결정 초내열 합금을 접합한 후 3단계의 열처리를 수행함으로써, 단결정의 성질을 유지하면서, 기계적 강도로 특히 인장 강도 및 크리프 강도의 접합 특성을 향상시킬 수 있도록 하여, 상기 단결정 초내열 합금의 적용처 중 특히 가스터빈에 있어서, 부품 손상 시 신품을 구입하지 않고, 재생하여 사용할 수 있어, 발전 원가를 획기적으로 감소시켜 전력 구입 단가 또한 절감시키는 경제적 효과를 거둘 수 있다.
Description
본 발명은 3단 열처리를 포함하는 단결정 초내열 합금의 접합 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 단결정 초내열 합금의 접합 특성을 보다 향상시킬 수 있도록, 단결정 초내열 합금에 접합을 수행한 뒤, 3단 열처리를 수행하여 접합 후에도 합금의 단결정 성질뿐만 아니라 기계적 강도를 유지할 수 있도록 한다.
일반적으로, 초내열 합금이란 비교적 강도가 높고 고온에서의 사용에 잘 견디는 것을 주요 목적으로 만들어지는 합금으로, 초합금 입자분산강화합금 및 결정제어합금을 합쳐 초내열 합금이라 한다. 보통 700℃ 이상의 고온과, 고응력 환경에서 오랜 시간 견디며, 내식성을 겸비한 재료이다.
가스터빈은 고온, 고압의 연소가스로 터빈을 가동시키는 회전형 열기관에 해당하며, 일반적으로 압축기, 연소기, 터빈으로 이루어져 있고, 주로 항공 및 산업용으로 사용되고 있다. 여기서, 터빈은 움직이는 블레이드와 정지 베인으로 구성되며, 고온 및 고압의 환경에서 운전되기 때문에 부품의 손상이 쉽게 발생한다. 움직이는 블레이드에는 원심력에 의한 응력과 가스터빈 기동 및 정지 시 열 구배에 의한 응력이 복합적으로 작용하여 열 기계 피로와 고온 가스에 의한 산화 및 부식이 많이 발생하며, 정지하고 있는 베인도 기동 및 정지 시 열 구배에 의한 응력과 고온가스의 산화 및 부식이 주로 발생한다.
일반적으로 터빈의 재료로는 약 1300℃의 연소 온도를 견디기 위하여, 고온에서 기계적 특성이 우수한 초내열 합금을 사용하는데, 최근에는 고효율화 및 대용량화 추세에 따라, 재료의 조직 형상으로 구분하는 다결정 재료에서 일방향 재료 및 단결정 재료를 개발하여 사용하고 있다.
한편, 단결정 초내열 합금은 기계적 특성을 향상시키기 위하여 결정입계를 제거하고 한 개의 결정만으로 제작한 것으로, 물질 특성이 우수하지만, 고가의 원소인 레늄(Re), 타이타늄(Ti), 몰리브덴(Mo), 니오븀(Nb) 등을 포함하며, 제조 시 공정 변수가 까다롭고 공정시간이 장시간 소요되어, 생산단가가 매우 높다.
이러한 단결정 부품도 고온, 고압의 가스터빈에 사용되어 기동정지와 부식 분위기 환경에 노출되면 블레이드와 베인에 손상이 발생하는데, 이 손상을 복원하기 위한 재생 기술이 연구되고 있다.
단결정 부품을 접합하기 위한 방법으로는 여러 가지 열원(플라즈마, 레이저, 아크 등)을 사용한 용융 용접 방법이 있으나, 합금 원소로 타이타늄과 알루미늄 등의 원소가 첨가되어 있어 고온 균열이 쉽게 발생하고, 용접 열원에 의해 주변 단결정 조직이 다결정 조직으로 변태되어 기계적 특성이 저하되는 현상이 발생한다.
따라서, 단결정 미세조직을 유지하면서 재생할 수 있는 기술로 천이 액상 접합 방법이 개발되었고, 이러한 접합 방법은 모재보다 녹는점이 낮은 삽입재를 사용하여 진공노에서 접합 열처리를 수행하여 모재와 삽입재에 연속적으로 단결정을 유지할 수 있도록 하고 있다.
또한, 국내 공개특허 제2012-0032108호에서는 접합 후에도 인장 강도를 유지할 수 있도록, 고온가압처리와 후열처리를 수행하고 있지만, 부품의 기계적 특성을 좌우하는 크리프 강도의 회복은 역시 어려운 실정이다.
따라서, 최근에는 접합 후에도 모재와 삽입재 간에 단결정을 유지할 뿐만 아니라, 인장 강도와 함께 크리프 강도까지 회복할 수 있는 재생 기술에 대한 지속적인 논의가 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 단결정 초내열 합금의 접합 후 3단계의 열처리를 수행함으로써, 단결정도를 유지하면서 인장 강도 및 크리프 강도의 접합 특성을 향상시킬 수 있는 단결정 초내열 합금의 접합 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 구현 예에 따르면, 단결정 초내열 합금을 준비하는 준비 단계;
준비된 단결정 초내열 합금에 삽입재를 삽입하여 접합하는 접합 단계;
접합된 단결정 초내열 합금을 1250 내지 1300℃에서 5 내지 10시간 동안 열처리를 수행하는 제1 열처리 단계;
상기 제1 열처리 단계 후 1100 내지 1200℃에서 3 내지 6시간 동안 열처리를 수행하는 제2 열처리 단계; 및
상기 제2 열처리 단계 후 850~900℃에서 10 내지 20시간 동안 열처리를 수행하는 제3 열처리 단계를 포함하는 단결정 초내열 합금의 접합 방법을 제공한다.
상기 접합 단계는 1150 내지 1300℃의 온도 및 7x10-7 내지 7x10-5 torr의 진공도에서 3 내지 6 시간 동안 수행될 수 있다.
상기 접합 단계는 접합된 단결정 초내열 합금을 불활성 가스 분위기 하에서 10 내지 20℃/min의 속도로 냉각하는 냉각 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 열처리 단계, 제2 열처리 단계 및 제3 열처리 단계 중 적어도 하나는 10 내지 20℃/min의 승온 속도로 가열하며 수행될 수 있다.
상기 제1 열처리 단계, 제2 열처리 단계 및 제3 열처리 단계 중 적어도 하나는 7x10-7 내지 7x10-5 torr의 진공도 하에서 수행될 수 있다.
상기 제1 열처리 단계, 제2 열처리 단계 및 제3 열처리 단계 중 적어도 하나는 각 열처리를 수행한 후에 불활성 가스 분위기 하에서 10 내지 20℃/min의 속도로 냉각하는 냉각 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 열처리 단계, 제2 열처리 단계 및 제3 열처리 단계 중 적어도 하나는 접합이 이루어지는 설비 내에서 수행될 수 있다.
상기 삽입재는 단결정 초내열 합금에 사용된 주원소를 포함하는 비정질 재료일 수 있다.
상기 삽입재는 단결정 초내열 합금의 용융점을 낮추어 주는 원소를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 구현 예에 따르면, 상기 접합 방법으로 제조된 단결정 초내열 합금을 제공한다.
본 발명은 단결정 초내열 합금을 접합한 후 3단계의 열처리를 수행함으로써, 단결정의 성질을 유지하면서 인장 강도 및 크리프 강도의 기계적 강도를 향상시킬 수 있어, 단결정 합금의 재생 처리에도 효과적으로 이용될 수 있고, 구체적으로 단결정 초내열 합금의 적용처 중 특히 가스터빈에 있어서, 부품 손상 시 신품을 구입하지 않고, 재생하여 사용할 수 있어, 발전 원가를 획기적으로 감소시켜 전력 구입 단가 또한 절감시키는 경제적 효과를 거둘 수 있다.
또한 본 발명은 단결정 초내열 합금의 접합 후 바로 동일한 설비 내에서 3단의 열처리를 실시할 수 있어, 긴박한 국내 전력 현실에 있어서 짧은 정비 시간 내에 접합을 완료할 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2에서 3단 열처리 공정의 수행 온도 및 시간을 그래프로 나타낸 것이다.
도 2는 실험예 1에서 실시예 1과 비교예 1의 3단 열처리 후 응력 파단 시험 결과를 그래프로 나타낸 것이다.
도 3의 (a) 내지 (d)는 실험예 1에서 실시예 1의 응력 파단 실험 후 시험편의 파면을 사진으로 나타낸 것이다.
도 4는 실시예 2에서 가스터빈 블레이드의 모재와 삽입재의 접합 개념도를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 5의 (a) 내지 (d)는 실험예 2에서 실시예 2의 3단 열처리 후 시험편의 전자 후방 산란 회절(Elctron Backscatter Diffraction, EBSD) 장비로 분석한 결과를 나타낸 것이다.
도 6은 실험예 2에서 실시예 2의 블레이드 및 접합을 수행하지 않은 블레이드 사용재의 응력파단 실험 결과를 그래프로 나타낸 것이다.
도 2는 실험예 1에서 실시예 1과 비교예 1의 3단 열처리 후 응력 파단 시험 결과를 그래프로 나타낸 것이다.
도 3의 (a) 내지 (d)는 실험예 1에서 실시예 1의 응력 파단 실험 후 시험편의 파면을 사진으로 나타낸 것이다.
도 4는 실시예 2에서 가스터빈 블레이드의 모재와 삽입재의 접합 개념도를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 5의 (a) 내지 (d)는 실험예 2에서 실시예 2의 3단 열처리 후 시험편의 전자 후방 산란 회절(Elctron Backscatter Diffraction, EBSD) 장비로 분석한 결과를 나타낸 것이다.
도 6은 실험예 2에서 실시예 2의 블레이드 및 접합을 수행하지 않은 블레이드 사용재의 응력파단 실험 결과를 그래프로 나타낸 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 단결정 초내열 합금의 접합 시, 단결정도를 유지하면서 기계적 강도로, 특히 인장 강도와 크리프 강도를 모재와 동등한 수준으로 향상시킬 수 있는 단결정 초내열 합금의 접합 방법에 관한 것이며, 구체적으로는 단결정 초내열 합금을 준비하는 준비 단계, 준비된 단결정 초내열 합금에 삽입재를 삽입하여 접합하는 접합 단계, 접합된 단결정 초내열 합금을 1250 내지 1300℃에서 5 내지 10시간 동안 열처리를 수행하는 제1 열처리 단계, 상기 제1 열처리 단계 후 1100 내지 1200℃에서 3 내지 6시간 동안 열처리를 수행하는 제2 열처리 단계 및 상기 제2 열처리 단계 후 850~900℃에서 10 내지 20시간 동안 열처리를 수행하는 제3 열처리 단계를 포함한다.
본 발명에서 단결정 초내열 합금을 준비하는 단계는 접합이 필요한 복수 개의 단결정 초내열 합금을 준비하며, 이들에 대한 접합을 수행하기에 앞서, 방전 가공으로 접합할 부분을 절단하고 접합면은 가공 중에 생성된 표면 산화층을 제거하기 위하여 연마한 후, 접합면의 불순물을 제거하는 세정 공정을 수행할 수 있다.
본 발명의 단결정 초내열합금은 당업계에서 이용 가능한 것이면 어느 것이나 사용가능하나, 바람직하게는 니켈 합금으로, CMSX-4, PWA 1480, Rene N4 등이 사용 가능하다.
본 발명에서 방전 가공(Electrical Discharge Machining, EDM)은 스파크 가공이라고도 하며, 방전 현상을 인공적으로 설정하여 그 에너지를 이용하는 가공 방법으로, 스파크 방전으로 인한 금속의 용융을 이용하는 것을 말한다.
본 발명은 단결정 초내열 합금의 준비가 완료되면, 접합이 필요한 단결정 초내열 합금의 접합면 사이에 삽입재를 첨가하여 접합하는 단계를 수행할 수 있다.
단, 본 발명에서 접합에 사용되는 삽입재는 비정질 재료가, 바람직하게는 단결정 초내열 합금에 사용된 주원소를 포함하는 비정질 재료가 사용될 수 있다. 또한, 비정질 재료는 단결정 재료의 용융점을 낮추어 줄 수 있는 것이, 이하 기재할 천이액상접합 방법에 의해 단결정도를 유지할 수 있도록 하여 바람직하다. 또한, 삽입재는 붕소, 니켈 및 크롬으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 포함하는 비정질 재료를 사용할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니며, MBF-80 또는 MBF-40 등을 사용할 수 있다.
한편, 본 발명의 접합 방법은 단결정 초내열 합금에 대한 것이므로, 접합 후에도 단결정도가 유지되는 것이 바람직하므로, 본 발명에서 수행되는 접합은 종래에 단결정의 미세조직을 유지하면서 재생할 수 있는 기술로 개발된 천이 액상 접합 방법에 의할 수 있다.
즉, 접합이 필요한 단결정 초내열 합금의 절단면의 결정방향을 같게 맞춘 뒤, 상기한 바와 같이 단결정 초내열 합금보다 용융점이 낮은 삽입재를 사용하고, 1150 내지 1300℃의 온도 및 7x10-7 내지 7x10-5 torr의 진공도에서 3 내지 6 시간 동안 접합을 수행할 수 있고, 보다 바람직하게는 1250℃에서 1x10-5 torr의 진공도 하에서 3시간 동안 수행할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 접합 단계에 후속적으로, 접합된 단결정 초내열 합금을 불활성 가스 분위기 하에서 10 내지 20℃/min의 속도로 냉각하는 냉각 단계를 더 포함할 수 있다. 본 발명에서 냉각은 불활성 가스 분위기 하에서 수행함에 따라 냉각 속도를 보다 향상시킬 수 있는 것이고, 불활성 가스 분위기의 구체적인 조성은 특별히 한정하지는 않으나, 질소, 아르곤 또는 헬륨 가스 분위기 하에서 수행될 수 있고, 가격적인 면에서 있어서는 질소 가스 분위기 하에서 수행하는 것이 가장 바람직하다.
본 발명은 접합 단계 후 3단의 열처리를 수행함으로써, 접합 후에도 합금 전체에 대하여 단결정의 성질은 그대로 유지하면서, 기계적 강도로, 특히 인장 강도 및 크리프 강도를 접합 전의 모재와 동등한 수준으로 회복시킬 수 있도록 하였다.
구체적으로, 본 발명에서 접합 후 제1 열처리 단계는 1250 내지 1300℃에서 5 내지 10시간 동안 수행될 수 있고, 제2 열처리 단계는 1100 내지 1200℃에서 3 내지 6시간 동안 수행될 수 있으며, 제3 열처리 단계는 850~900℃에서 10 내지 20시간 동안 수행될 수 있다.
본 발명에서 상기 제1 열처리 단계, 제2 열처리 단계 및 제3 열처리 단계를 가스 분위기 하에서 열처리를 수행하는 경우, 상기 냉각 단계와 같이 불활성 가스 분위기 하에서 수행하더라도 폭발의 위험성이 존재하므로, 진공의 분위기 하에서 수행하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 진공도는 특별히 한정하지는 않으나, 상기 제1 열처리 단계, 제2 열처리 단계 및 제3 열처리 단계 중 적어도 하나는 7x10-7 내지 7x10-5 torr의 진공도 하에서 수행되는 것이 기계적 강도 등 단결정 초내열 합금의 재료 특성을 향상시킬 수 있어 바람직하다.
또한, 본 발명에서 상기 제1 열처리 단계, 제2 열처리 단계 및 제3 열처리 단계 중 적어도 하나는 접합이 이루어지는 설비, 즉 진공로에서 연속하여 수행되는 것이 긴박한 국내 전력 현실에 있어서 짧은 정비 시간 내에 접합을 완료할 수 있도록 하여 바람직하므로, 접합이 이루어지는 진공도 조건 하에서 수행될 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 제1 열처리 단계, 제2 열처리 단계 및 제3 열처리 단계 중 적어도 하나는 10 내지 20℃/min의 승온 속도로 가열하며 수행하는 것이 전체적인 접합 공정의 소요 시간 대비 단결정 초내열 합금의 특성을 유지시킬 수 있고, 기계적 강도를 더욱 향상시킬 수 있어 바람직하다. 단, 승온 속도가 10℃/min 미만인 경우, 합금의 재료 특성이 열위되는 문제가 있을 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 제1 열처리 단계, 제2 열처리 단계 및 제3 열처리 단계 중 적어도 하나는 각각 열처리를 수행한 후에 10 내지 20℃/min의 속도로 냉각하는 냉각 단계를 더 포함할 수 있고, 본 발명에서 열처리 후 수행되는 냉각은 접합 후 수행되는 냉각과 마찬가지로 불활성 가스 분위기 하에서 수행되는 것이 냉각 속도를 향상시킬 수 있어 바람직하다. 단, 불활성 가스 분위기의 구체적인 조성은 특별히 한정하지 않으나, 아르곤, 질소 또는 헬륨 가스 분위기 하에서 수행될 수 있고, 가격적인 면에 있어서는 질소 가스 분위기 하에서 수행하는 것이 가장 바람직하다.
본 발명의 다른 구현 예에 따르면, 상기의 접합 방법으로 접합하여 제조되는 단결정 초내열 합금을 제공한다. 본 발명의 방법으로 접합하여 제조된 단결정 초내열 합금은 접합 후 3단의 열처리를 수행함으로써, 초내열 합금 전체에서 접합 시 유지된 단결정도가 유지되면서, 접합 특성으로 인장 강도뿐만 아니라 크리프 강도 또한 접합이 수행되기 전과 동등한 수준으로 현저히 향상되었다.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예
[실시예 1]
시험에 사용된 재료는 CMSX-4(Alcoa Howmet, 미국)로 Ni이 주원소이며, Cr 6.30중량%, Co 9.59 중량%, Mo 0.6 중량%, W 6.40 중량%, Ta 6.50 중량%, Re 2.94 중량%, Al 5.74 중량%, Ti 1.00 중량% 및 Hf 0.09 중량%가 함유되어 있으며, 단결정으로 제조되었다. 단결정 봉상으로부터 직경 15mm, 길이 10mm로 방전 가공하여 2개의 시험편을 제작하였다. 2개의 시험편의 양쪽 접합면을 연마지 #240, 320, 400 및 600으로 순서대로 연마하고, 아세톤에서 10분간 2회, 에틸 알코올에서 10분간 2회의 세척을 수행하고 건조하여 준비하였다. 삽입재로는 비정질재료인 MBF-80(15.2중량% Cr, 4.0중량% B, 잔량 Ni)를 직경 15mm로 가공하여 아세톤에서 10분간 2회, 에틸 알코올에서 10분간 2회의 세척을 수행하고 건조하여 준비하였다.
이렇게 준비된 2개의 시험편의 접합면 사이에 상기 삽입재를 삽입한 후, 점용접기로 삽입재 용융 시 상하 시편이 움직이지 않도록 고정하였고, Centorr Vacuum Industries사의 Super Ⅶ 진공노에 장입하여, 1250℃의 온도 및 1x10-5 torr의 진공도 하에서 3시간 동안 접합을 수행한 뒤, 진공노에 아르곤 가스를 주입하여, 20℃/min의 냉각 속도로 가스 냉각을 수행하였다.
접합이 이루어진 시험편에 대하여는 도 1에 나타난 조건으로, 즉 1290℃에서 7시간 동안 1단계 열처리를, 1140℃에서 4시간 동안 2단계 열처리를, 마지막으로 871℃에서 16시간 동안 3단계 열처리를 순차적으로 수행하여 실시예 1의 시험편을 제작하였다.
[비교예 1]
실시예 1과 동일한 조건으로 접합 및 냉각을 수행하되, 냉각 후에는 실시예 1과 달리 1140℃에서 6시간, 871℃에서 20시간의 2단의 열처리를 순차적으로 수행하여 비교예 1의 시험편을 제작하였다.
[실험예 1] 실시예 1 및 비교예 1의 인장특성 및 응력파단 평가
실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 시험편의 인장특성을 평가하기 위하여, 인스트론(INSTRON)사 인장시험기를 사용해 변형제어 0.5mm/min의 조건에서 실험하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었고, 상기 시험편의 응력파단 평가를 위하여 ATS사 시험기로 870℃에서 606MPa의 조건에서 시험하여 응력파단 시간을 도 2에 그래프로 나타내었고, 실시예 1의 시험편에 대하여 응력파단 시험 후 파면의 사진을 도 3의 (a) 내지 (d)로 나타내었다.
| 구분 | 인장강도(MPa) |
| 실시예 1 | 978 |
| 비교예 1 | 892 |
인장강도와 관련하여서는 상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 접합 후 2단의 열처리를 수행한 비교예 1에서는 인장강도가 892MPa인 것에 비하여, 접합 후 3단의 열처리를 수행한 실시예 1에서는 인장강도가 978MPa를 얻어, 인장강도가 86MPa가 증가한 것을 볼 수 있다.
또한, 크리프 강도의 평가, 즉 응력파단의 평가와 관련하여서는 도 2의 그래프에 나타낸 바와 같이 비교예 1에서는 응력파단 시간이 40시간 정도이나, 접합 후 3단의 열처리를 수행한 실시예 1은 108시간으로 응력파단 시간이 2배 이상 증가하여, 크리프 강도가 현저히 향상된 것을 볼 수 있다.
또한, 도 3은 실시예 1의 시험편에 대하여 응력파단 시험 후, 시험편의 파면을 사진으로 나타낸 것으로, 도 3의 (a) 내지 (d)에 따르면, 파단면의 조직이 균일하고 결함이 없어 접합 전 신재와 거의 동일한 모습을 보이는 것을 알 수 있고, 특히 도 3의 (b)에서 접합면 근처에 미세한 기공과 공정상이 형성되어, 우수한 응력파단의 특성을 나타내는 것을 알 수 있다.
따라서, 본원발명의 접합 방법은 접합 및 3단 열처리에도 불구하고, 인장강도가 접합 및 2단의 열처리를 수행한 것에 비하여 현저히 향상되는 것을 볼 수 있고, 응력파단 시간도 2배 이상으로 증가하여, 크리프 강도 또한 현저히 향상된 것을 볼 수 있다.
[실시예 2]
실제 사용하는 가스터빈 부품에 대하여 본 발명의 접합 방법을 적용하기 위하여, 단결정 초내열 합금으로 된 가스터빈의 블레이드를 준비하였으며, 도 4에 나타낸 바와 같이, 기존의 블레이드 사용재와 루트부의 사이에 비정질 재료인 MBF-80(15.2중량% Cr, 4.0중량% B, 잔량 Ni)의 삽입재를 삽입한 뒤, Centorr Vacuum Industries사의 Super Ⅶ 진공노에 장입하여, 1250℃의 온도 및 1x10-5 torr의 진공도 하에서 3시간 동안 접합을 수행하고, 진공노에 아르곤 가스를 주입하여, 20℃/min의 냉각 속도로 가스 냉각을 수행하였다.
접합이 이루어진 블레이드에 대하여는 도 1에 나타난 조건으로, 즉 1290℃에서 7시간 동안 1단계 열처리를, 1140℃에서 4시간 동안 2단계 열처리를, 마지막으로 871℃에서 16시간 동안 3단계 열처리를 순차적으로 수행하였다.
[실험예 2] 실시예 2의 단결정도 및 응력파단 평가
실시예 2에서 접합이 이루어진 가스터빈 블레이드의 단결정도를 분석하기 위하여 전자 후방 산란 회절(Electron Back Scatter Diffraction; EBSD) 장비로 분석하여 그 결과를 도 5의 (a) 내지 (d)에 나타내었다. 이때, EBSD는 주사전자현미경 내에서 고효율의 형광판을 틸트(tilt)된 결정형 재료 전면에 장착하여 일차전자에 의해 형성되는 회절패턴을 포집하고, 이를 고감도의 카메라에서 컴퓨터로 전송하여 전자 후방 산란 패턴(electron backscattering pattern)을 분석하는 기술이다.
또한, 상기 블레이드의 응력파단 평가를 위하여 ATS사 시험기로 870℃에서 606MPa의 조건에서 시험하여 응력파단 시간을 도 6에 그래프로 나타내었고, 접합 및 열처리에 따르는 크리프 강도 향상 정도를 확인하기 위하여, 접합을 수행하지 않은 블레이드 사용재에 대하여도 상기와 동일한 조건으로 응력파단 평가를 실시하여 도 6에 함께 나타내었다.
먼저, 단결정도 평가 결과, 도 5의 (a)에서 보는 바와 같이, 전체영역에서 색의 변화가 없는 것으로 보아 동일한 방위를 가지는 단결정임을 알 수 있었다. 또한, 도 5의 (b)와 같이 수평 및 수직 방향으로 misorientation 각도를 분석한 결과, 수평 방향의 경우 (c)에서 보는 바와 같이, 3도 이하의 작은 misorientation이 확인되었고, 수직 방향의 경우 (d)에서 보는 바와 같이, 수평 방향보다 적은, 2도 이하의 매우 작은 정도의 misorientation이 확인되었다. 따라서, 실시예 2의 블레이드는 접합 및 3단의 열처리 후에도 목표하는 단결정도를 유지할 수 있는 것을 알 수 있다.
또한, 응력파단 평가 결과, 도 6에서 보는 바와 같이, 접합을 수행하지 않은 블레이드 사용재의 경우 응력파단 시험으로부터 약 60시간 후에 파단이 일어난 반면, 실시예 2에서 접합 및 3단의 열처리를 수행한 블레이드는 응력파단 시험 후 약 123시간이 도과한 후에 파단이 일어나는 것을 볼 수 있다.
따라서, 본 발명의 접합 방법은 접합 및 3단의 열처리를 수행하여도 접합 수행 전과 동일하게 단결정도가 유지되는 것을 볼 수 있고, 응력파단 시간은 일반적으로 부품의 운전 시간이 길어짐에 따라 재료의 열화가 일어나 상당히 짧아지지만, 본 발명은 접합 및 3단의 열처리를 통하여 재료의 열화된 부분이 재생 처리되기 때문에, 응력파단 시간이 접합을 수행하지 않은 사용재에 비하여 2배 이상 증가하며, 즉 크리프 강도가 현저히 향상된 것을 볼 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
Claims (10)
- 단결정 초내열 합금을 준비하는 준비 단계;
준비된 단결정 초내열 합금에 삽입재를 삽입하여 접합하는 접합 단계;
접합된 단결정 초내열 합금을 1250 내지 1300℃에서 5 내지 10시간 동안 열처리를 수행하는 제1 열처리 단계;
상기 제1 열처리 단계 후 1100 내지 1200℃에서 3 내지 6시간 동안 열처리를 수행하는 제2 열처리 단계; 및
상기 제2 열처리 단계 후 850~900℃에서 10 내지 20시간 동안 열처리를 수행하는 제3 열처리 단계를 포함하는 단결정 초내열 합금의 접합 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 접합 단계는 1150 내지 1300℃의 온도 및 7x10-7 내지 7x10-5 torr의 진공도에서 3 내지 6 시간 동안 수행되는 단결정 초내열 합금의 접합 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 접합 단계는 접합된 단결정 초내열 합금을 불활성 가스 분위기 하에서 10 내지 20℃/min의 속도로 냉각하는 냉각 단계를 더 포함하는 단결정 초내열 합금의 접합 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 열처리 단계, 제2 열처리 단계 및 제3 열처리 단계 중 적어도 하나는 10 내지 20℃/min의 승온 속도로 가열하며 수행되는 단결정 초내열 합금의 접합 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 열처리 단계, 제2 열처리 단계 및 제3 열처리 단계 중 적어도 하나는 7x10-7 내지 7x10-5 torr의 진공도 하에서 수행되는 단결정 초내열 합금의 접합 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 열처리 단계, 제2 열처리 단계 및 제3 열처리 단계 중 적어도 하나는 각 열처리를 수행한 후에 불활성 가스 분위기 하에서10 내지 20℃/min의 속도로 냉각하는 냉각 단계를 더 포함하는 단결정 초내열 합금의 접합 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 열처리 단계, 제2 열처리 단계 및 제3 열처리 단계는 접합이 이루어지는 설비 내에서 수행되는 단결정 초내열 합금의 접합 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 삽입재는 단결정 초내열 합금에 사용된 주원소를 포함하는 비정질 재료인 단결정 초내열 합금의 접합 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 삽입재는 단결정 초내열 합금의 용융점을 낮추어 주는 원소를 포함하는 단결정 초내열 합금의 접합 방법.
- 청구항 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 접합 방법으로 제조된 단결정 초내열 합금.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR20130114530A KR20150034446A (ko) | 2013-09-26 | 2013-09-26 | 3단 열처리를 포함하는 단결정 초내열 합금의 접합 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| KR20130114530A KR20150034446A (ko) | 2013-09-26 | 2013-09-26 | 3단 열처리를 포함하는 단결정 초내열 합금의 접합 방법 |
Publications (1)
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|---|---|
| KR20150034446A true KR20150034446A (ko) | 2015-04-03 |
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ID=53031261
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| KR20130114530A KR20150034446A (ko) | 2013-09-26 | 2013-09-26 | 3단 열처리를 포함하는 단결정 초내열 합금의 접합 방법 |
Country Status (1)
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|---|---|
| KR (1) | KR20150034446A (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20210025932A (ko) * | 2019-08-28 | 2021-03-10 | (주)아이에스티 | 마찰 용접을 이용한 리테이너 링, 그 제조 장치 및 방법 |
-
2013
- 2013-09-26 KR KR20130114530A patent/KR20150034446A/ko not_active Application Discontinuation
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|---|---|---|---|---|
| KR20210025932A (ko) * | 2019-08-28 | 2021-03-10 | (주)아이에스티 | 마찰 용접을 이용한 리테이너 링, 그 제조 장치 및 방법 |
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