KR20150116632A - Ｎｂ이 함유된 니켈기 초내열합금의 용접부 고인성을 위한 열처리 방법 및 그에 의한 용접부를 갖는 초내열합금 - Google Patents

Abstract

본 발명은 Nb이 함유된 니켈기 초내열합금의 용접부가 고인성을 갖도록 용접 후 열처리 방법 및 그에 의한 용접부를 갖는 초내열합금에 관한 것으로서, 상기 초내열합금의 용접 후 응고과정에서 불가피하게 생성하는 조대한 Laves상에 의해 충격인성의 저하가 발생하는 문제를 해결하고자 용접 후 열처리(PWHT)를 함에 있어, 본 발명의 열처리 방법은 용체화 처리를 종래와 달리하여 온도를 보다 높이고, 용체화 처리 과정에서 노냉을 하는 과정을 도입한 것이다. 더 자세하게는 용접이 완료된 합금의 용접부를 열처리 노에서 1100℃까지 올린 후 이 온도에서 5분 이상 열처리를 하고, 이후 980℃에 이를 때까지 분당 5℃의 온도를 떨어뜨리는 노냉을 실시하게 되고, 980℃까지 떨어지면 상온까지 공냉을 함으로써 용접부 내의 조대한 Laves상을 완전 용해시키거나 아주 작은 최소한의 크기로 만들고, Laves 계면에 δ상 석출을 유도하여 γ" 강화상이 석출되지 않는 γ" 디뉴드 지대(denuded zone)의 형성으로 높은 소성변형능력을 갖추도록 한다.

Description

Ｎｂ이 함유된 니켈기 초내열합금의 용접부 고인성을 위한 열처리 방법 및 그에 의한 용접부를 갖는 초내열합금{METHOD OF HEAT TREATMENT OF FUSION WELDS FOR EXCELLENT TOUGHNESS IN NICKEL-BASED SUPERALLOYS CONTAINING NIOBIUM AND SUPERALLOYS WITH WELDS THEREBY}

본 발명은 Nb이 2중량% 이상 함유된 니켈기 초내열합금의 용융 용접부에 있어서 파괴인성 개선을 위한 열처리 방법 및 그에 의한 용접부를 갖는 초내열합금에 관한 것으로, 특히 용접부 내에 취약한 유해상으로 알려진 라베스상[Laves phase, (Ni,Fe,Cr)₂(Nb,Ti)]을 제거하여 극저온에서도 용접부의 취성파괴를 억제함으로써 충격흡수에너지를 높이는 Nb이 함유된 니켈기 초내열합금 용접부의 고인성(高靭性)을 위한 열처리 방법 및 그에 의한 용접부를 갖는 초내열합금에 관한 것이다.

니켈기 초내열합금은 양호한 주조성, 가공성, 용접성 및 내식성과 더불어 극저온에서부터 고온에 이르기까지의 사용 환경에서 기계적 특성이 우수하여 발전용 가스터빈의 파워 어셈블리(assembly), 화학석유 설비의 반응지지 구조물과 같은 고온용 부품의 소재뿐만 아니라 액체로켓엔진 연소기 헤드와 같은 극저온용 부품에도 적용된다. 니켈기 초내열합금 중에서 용접성과 강도 등을 확보하고자 Nb을 2중량% 이상 첨가한 합금으로 인코넬 706, 625, 718 등이 있으며, 이들의 공통점은 응고 말기에 γ/Laves 공정상(eutectic phase)이 생성된다는 것이다. 이 중에서 Nb 함량이 5∼6중량%까지 첨가된 인코넬 718 합금은 Ni₃Nb 조성으로 기지와 정합관계를 갖는 디스크 모양의 감마더블프라임 (γ″)상을 주강화상으로 하여 강도와 용접성을 개선시킨 석출경화형 합금이다.

이러한 초내열합금들은 부품 제조시 주로 가스텅스텐 용접(Gas Tungsten Arc Welding: GTAW) 혹은 전자빔 용접(Electron Beam Welding: EBW) 등에 의해 가공되며, 용융되어 응고된 용접부(용융 용접부이며, 본 명세서의 용접부는 모두 용융 용접부를 일컬음)에는 응고 과정 중에 상기 Laves상이 불가피하게 생성하게 된다. Laves상은 Nb이 포함된 니켈기 초내열합금에 나타나는 전형적인 TCP(Topologically Closed-Packed: TCP)상으로서, 육방정계 MgZn₂형의 결정구조로 기지조직에 비해 Cr과 Nb을 많이 함유한 (Ni,Fe,Cr)₂(Nb,Ti) 조성을 갖는다.

Laves상은 주조 혹은 용융 용접중 응고과정에서 최종적으로 응고될 때 γ기지와 공정반응에 의해 생성된다. 상기 Laves상은 γ기지에 비해 경도가 높은 취약한 TCP상이므로, 균열의 생성기점으로 작용하거나 혹은 균열 전파를 가속화시키므로 파괴 인성을 저하시키는 주요인으로 알려져 있다. 따라서 Nb을 포함한 니켈기 초내열합금들의 용접부에 있어서, 불안정한 취성 파단 문제점을 초래하는 Laves상을 제어하고 파괴 인성을 향상시키는 것은 제조업체, 부품가공업체 및 운영업체 모두에게 중요한 과제의 하나로 떠오르고 있다.

한편 인코넬 718 합금의 용접 후 적용되는 종래의 열처리 공정을 살펴보기로 한다. 그 방법은 통상적으로 고온영역에서 용체화 처리(954℃/5분 이상) 후에 공냉을 한다. 상기 열처리 공정은 용접직 후 γ″과 석출상 등을 용해, 고용시키고 편석을 제거시켜 미세조직을 균질화시키는 것이 그 목적이다. 이후 γ″상을 충분히 석출시키기 위한 이중 시효처리(718℃/8시간 처리 후 621℃까지 시간당 55℃ 냉각속도로 서냉을 한 후 그 온도에서 8시간 유지 후 공냉)를 한다. 상기 용체화 처리와 이중 시효처리를 행하는 열처리법 이외에도 간편하게 단순히 γ″상 석출을 위한 이중 시효처리만 하는 경우도 있다.

하지만 이러한 종래의 열처리 방법들은 용접 후 응고 중에 만들어진 Laves상을 충분히 용해시키지 못하여 용접부 충격흡수 에너지를 만족할 수준만큼 개선하지 못하고 있다. 특히, 극저온에서는 용접부가 Laves 상에 의하여 더욱 민감하게 취성 파단될 수 있으므로 Laves상을 적절히 제어하여 파괴인성을 향상시키고 경제적이며 간편한 열처리 방법이 요구되고 있다.

이러한 문제점을 해결하고자 미국의 Idaho 국립공학연구소(Idaho National Engineering Laboratory)에서는 열처리 방법을 일부 수정하였다. 즉, 1093℃/1시간 용체화 처리를 수행한 후 곧바로 시간당 55℃ 냉각속도로 718℃까지 서냉한 후, 이어서 718℃/4시간 1차 시효처리 후 621℃까지 시간당 55℃ 냉각속도로 서냉을 한 뒤 그 온도에서 16시간 동안 2차 시효처리 후 공냉한다. 상기 수정된 열처리법에 의해 파괴인성 수준이 상당히 개선되었다고 보고하고 있으나, 용체화 처리 후 상온까지 공냉을 하지 않고 시효 처리온도까지 서냉을 하여 미세 γ″상이 충분히 석출되지 못하기 때문에 강도가 종래 열처리법에 비해 최소 약 100㎫ 저하되는 단점을 포함하고 있다.

한국 등록특허공보 제10-0587911호 일본 공개특허공보 특개2000-064005

본 발명은 상기한 바와 같은 제반 문제점을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 그 목적은 Nb이 2중량% 이상 함유된 니켈기 초내열합금의 용융 용접부에 있어서, 용접 후 용체화 처리와 시효처리를 하는 열처리 과정에서 상기 용체화 처리의 방법을 적절하게 변경함으로써, Laves상을 완전히 용해시키거나 최소한의 크기로 제어하는 것으로 인해 파괴인성을 향상시키고 경제적이며 간편한 Nb이 함유된 니켈기 초내열합금 용접부의 고인성을 위한 열처리 방법 및 그에 의한 용접부를 갖는 초내열합금을 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 Nb이 함유된 니켈기 초내열합금 용접부의 고인성을 위한 열처리 방법은, Nb이 함유된 니켈기 초내열합금의 용접 후 용제화 처리 및 시효처리에 의한 열처리 방법으로서, 상기 용체화 처리는 용접 후 상기 합금을 열처리 노(furnace)에서 1100℃에서 5분 이상 열처리를 한 후, 분당 5℃/분의 속도로 980℃까지 서서히 냉각한 다음 상온까지 공냉하도록 한 것을 특징으로 하고 있다.

또 상기 니켈기 초내열합금은 Nb이 2중량% 이상 함유된 합금인 것이 바람직하다.

또 상기한 열처리 방법에 의한 용접부를 갖는 니켈기 초내열합금을 다른 특징으로 하고 있다.

본 발명의 Nb이 함유된 니켈기 초내열합금의 용접부 고인성을 위한 열처리 방법 및 그에 의한 용접부를 갖는 초내열합금에 의하면, Nb이 포함된 니켈기 초내열합금 용접부의 기본적인 특성은 그대로 유지한 채, 취약한 Laves상을 효과적으로 제거하고, 미세한 γ″상을 충분히 석출시켜 강도, 연신율, 충격흡수 에너지 등을 모재 대비 향상시킴과 동시에 시간과 비용을 절약할 수 있는 열처리를 할 수 있는 효과가 있다.

도 1a는 인코넬 718 합금의 전자빔 용접에 의해 얻어진 용접부의 주사전자현미경 사진
도 1b는 충격인성 시험 후 파단면 직하부위에서 Laves상이 균열생성 및 전파기점 역할을 증명하는 주사전자현미경 사진
도 2a는 종래 전형적인 시효처리만 하는 용접 후 열처리 공정을 나타내는 도표
도 2b는 종래 전형적인 용체화 처리와 시효처리를 하는 용접 후 열처리 공정을 나타내는 도표
도 3은 본 발명에 따른 용접 후 열처리 방법의 공정을 나타내는 도표
도 4는 본 발명에 따른 용접 후 열처리 방법에 의해 Laves상의 제어를 보여주는 도표 및 전개도
도 5a는 종래 전형적인 시효처리만 하는 용접 후 열처리 방법에 의한 용접부 주사전자현미경 사진
도 5b는 종래 전형적인 용체화 처리와 시효처리를 하는 용접 후 열처리 방법에 의한 용접부 주사전자현미경 사진
도 6은 본 발명에 따른 용접 후 열처리 방법에 의한 용접부 주사전자현미경 사진
도 7a는 종래 전형적인 시효처리만 하는 용접 후 열처리 방법에 의한 용접부의 충격인성 시편 파면 직하 부위 주사전자현미경 사진
도 7b는 종래 전형적인 용체화 처리와 시효처리를 하는 용접 후 열처리 방법에 의한 용접부의 충격인성 시편 파면 직하 부위 주사전자현미경 사진
도 8은 본 발명에 따른 용접 후 열처리 방법에 의한 용접부의 충격인성 시편 파면 직하 부위 주사전자현미경 사진

이하, 본 발명에 따른 Nb이 함유된 니켈기 초내열합금 용접부의 고인성을 위한 열처리 방법 및 그에 의한 용접부를 갖는 초내열합금의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다. 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.

본 발명의 실시예에 있어서는 인코넬 718 합금의 전자빔 용접부를 대상으로 하였다. 전자빔 용접 후 응고과정에서 용접부에서 발생하는 편석에 의해 수지상간 계면(interdendritic area)에 조대한 Laves상이 생성되고, 이러한 Laves상이 충격인성의 저하를 가져와 이를 개선하기 위한 것으로, 이를 용접 후 열처리(PWHT:Post Welding Heat Treatment)를 통해 상기 조대한 Laves상을 완전 용해시키거나 최소한 존재하도록 한 것이다.

이에 상기 조대한 Laves상의 생성과정과 이를 완전 용해시키거나 최소한 존재하도록 하는 용접 후 열처리 방법(PWHT)에 대해서 다음과 같이 상세히 설명한다.

먼저 니켈기 초내열합금의 용접 후 용접부의 응고 과정을 보면 가장 온도가 낮은 모재 벽면에서부터 안쪽으로 점점 수지상(dendrite)을 형성하게 되고, 이 수지상 사이 영역의 부분이 가장 늦게 응고되면서 Nb의 용질원자의 농도가 높아져, 도 1a에 도시한 바와 같이, 상기 사이 영역마다 (Ni,Fe,Cr)₂(Nb,Ti) 조성을 갖는 조대한 Laves상이 존재하게 된다. 이후 종래의 열처리 방법들을 수행하면, 조대한 Laves상은 그대로 존재하게 되고, 그 주변에 제1 석출강화상 γ"가 분포한다. 이러한 용접부에 대해 충격인성 시험을 하는 동안, 도 1b에서 보듯이 취약한 Laves상이 우선 파괴되고 파괴된 Laves로부터 미세균열이 γ기지로 쉽게 전파하게 되어 충격인성 값을 낮춘다.

따라서 용접 후 합금의 응고과정에서 용접부에 형성되는 Laves상의 제어를 통한 파괴인성의 향상이 필요하다.

도 2a에 도시한 바와 같이, 인코넬 718 초내열합금의 용접 후 전형적인 열처리는 718℃에서 8시간 열처리한 후 시간당 55℃의 속도로 621℃까지 떨어뜨린 다음 이 온도에서 8시간 동안 다시 열처리를 하고, 마지막으로 상온까지 공냉을 하여 γ″상의 석출을 위한 시효처리를 하거나, 또 다른 전형적인 열처리로 도 2b에 도시한 바와 같이, 954℃에서 1시간 동안 열처리를 하고 상온까지 공냉하는 용체화 처리를 거쳐 상기한 바와 같은 시효처리를 하고 있다. 그러나, 이러한 전형적인 시효처리, 또는 용체화 처리 후 시효처리의 경우 상기한 바와 같이 조대한 Laves상이 용해되지 않고 여전히 존재하는 것이 문제였다.

그러므로 본 발명에 따른 니켈기 초내열합금의 열처리 방법에서는 도 3에 도시한 바와 같이, 용접 후 시효처리는 상기한 전형적인 열처리에서와 같이 동일하게 이루어지나, 조대한 Laves상을 완전히 용해시키거나 최소한의 크기로 하기 위해 용체화 처리에 있어서는 다른 방법으로 한다. 즉 용접이 완료된 합금을 열처리 노에서 1100℃까지 올린 후 이 온도에서 5분 이상 열처리를 하고, 이후 980℃에 이를 때까지 분당 5℃의 온도를 떨어뜨리는 노냉을 실시하게 되고, 980℃까지 떨어지면 상온까지 공냉을 함으로써 용접부 내의 조대한 Laves상을 완전 용해시키거나 아주 작은 최소한의 크기로 만든다.

용접 직 후 조대한 Laves상이 본 발명의 열처리 방법에 의해 완전 용해되거나 아주 작은 최소한의 크기로 되는 과정을 도 4를 참조하여 각 단계별로 살펴보면, ①과 같이 용접 직후, 수지상(dendrite)의 사이 영역에 조대한 Laves상이 생성되지만, 1100℃에서 5분 이상 용체화 처리를 수행하면 ②와 같이 Laves상이 대부분 용해되거나, 아주 작은 최소한의 크기로 잔류하게 된다. 이후 980℃까지 분당 5분의 냉각속도로 노냉을 하게 되면, 용해되지 않고 남아있는 작은 Laves상 계면에 δ상이 석출을 하게 되고(③), 성장하게 된다(④). 즉, 980℃까지 노냉을 하는 과정의 목적은 혹시 용체화 처리과정에서 제거되지 않은 Laves가 있다면, 그 계면에 δ상 석출을 유도하여, γ/Laves 계면 면적을 최소화하려는 것이다. 이후 ⑤와 같이 상온까지 공냉을 하게 되면, Nb원자들이 γ 기지 내에 과포화되고, ⑥과 같이 통상의 시효처리에 의해 미세한 γ"상과 γ'상이 석출한다. 이때, Laves상 근처에 γ"과 γ' 강화상이 존재하게 되면, γ기지는 연성이 저하되어 Laves로부터 쉽게 균열이 전파할 것이다. 하지만, Laves 계면에 δ상이 존재하면, δ상은 γ"상과 조성이 같기 때문에 δ상 계면 근처에는 γ" 강화상이 석출되지 않는 γ" 디뉴드 지대(denuded zone)가 형성된다. γ" 강화상이 석출되지 않는 γ기지는 연성이 상당히 높기 때문에 균열이 존재하더라도 이 영역에서 정지될 수 있을 정도의 높은 소성변형능력을 갖게 된다. 종래 전형적인 열처리 방법에 의한 합금의 용접부에서는 조대한 Laves상이 우선 파단된 후 균열이 γ″석출로 경화된 기지 내로 쉽게 전파하여 인성을 저하하게 된다. 그러나, 상기와 같이 본 발명의 열처리 방법에 의해 설계된 용접부 미세조직으로부터 용접부의 충격 파단시 거동을 예측해보면, 균열기점으로 작용하는 파괴된 Laves상이 없거나, 상기 Laves상이 있다 하더라도 미세하고 주변에 δ상의 석출에 의한 γ″디뉴드 지대(denuded zone)로 micro-plasticity의 증가로 기지 내로 균열의 전파가 억제된다.

용접 후 열처리에 따른 용접부의 미세조직을 비교해 보면, 도 5a에 도시한 바와 같이, 종래 용접 후 열처리 방법으로 전형적인 시효처리만 하는 합금의 용접부위의 용융부에는 수지(dendrite)상 사이 영역에 조대화 된 Laves상이 5.4%의 면적 비율로 존재한다. 또한, 도 5b에 도시한 바와 같이, 또 다른 종래 용접 후 열처리 방법으로 전형적인 용체화 처리와 시효처리를 하는 합금의 용접부위의 용융부에는 침상형 모양의 δ상 중심에 조대한 Laves상이 4.8%의 면적비율로 존재한다.

반면에, 도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명의 용접 후 열처리 방법에 의해 Laves상은 대부분 용해되어 없어지고, 대신 작은 크기의 NbC만 존재하는 것을 보여준다.

다음의 표 1을 참조하여 종래 전형적인 용접 후 열처리에 의한 용접부와 본 발명의 열처리에 의한 용접부의 -196℃의 극저온 기계적 특성을 비교한다. 인장시험용 시편은 게이지 지름 6mm, 게이지 길이 25mm로 전자빔 용접부가 시험편 게이지 중앙에 오도록 기계 가공하였다. Charpy 충격시험용 시편은 가로 10mm, 세로 10mm, 길이 55mm의 표준시편을 사용하였으며, 노치가 용접부 중앙에 위치하고 용접선 길이 방향을 향하도록 하였다.

용접후 열처리(PWHT) 조건		종래 시효처리	종래 용체화처리 및 시효처리	본 발명의 열처리	모재
인장시험 결과 (-196℃)	YS(0.2%)	1177㎫	1068㎫	1183㎫	1046㎫
	UTS	1310㎫	1368㎫	1457㎫	1313㎫
	연신율	8.7%	13.8%	22.6%	11.9%
	파괴된 위치	Base metal	Base metal	Base metal	Base metal
Charpy 충격 인성에너지 (-196℃)		14.9J	14J	51J	30.2J

*YS : 항복강도, UTS : 최대 인장강도

상기 표 1에 의하면 극저온 인장특성에 있어 본 발명에 의한 용접 후 열처리 방법에 의한 용접부는 종래 전형적인 용접후 열처리 방법에 의한 용접부보다 강도 및 연성이 훨씬 우수하다는 것을 알 수 있고, 심지어 모재보다 우수하다. 극저온 충격인성의 특성에 있어서도 종래 전형적인 용접 후 열처리 방법에 의한 용접부는 모재 대비 절반 이하의 충격인성 값을 나타내지만, 본 발명의 용접 후 열처리 방법에 의한 용접부는 종래 전형적인 용접 후 열처리 방법에 의한 합금보다 3.4배, 모재보다는 1.7배 우수한 충격인성 값을 나타낸다.

이러한 충격인성 시편의 파면 직하 부위를 관찰하여 비교해 보면, 도 7a 및 도 7b에 도시한 바와 같이, 종래 용접 후 열처리 방법으로 전형적인 시효처리만 하는 합금의 용접부 또는 종래 용접 후 열처리 방법으로 전형적인 용체화 처리와 시효처리를 하는 합금의 용접부는 Laves상을 기점으로 미세균열이 생성되어 전파하는 것이 관찰되지만, 도 8에 도시한 바와 같이, 본 발명의 용접 후 열처리 방법에 의한 합금의 용접부는 미세균열의 생성이 전혀 관찰되지 않았고, 이로부터 충격인성이 향상되는 것으로 유추할 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 따른 Nb이 함유된 니켈기 초내열합금의 용접부 고인성을 위한 열처리 방법 및 그에 의한 용접부를 갖는 초내열합금에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.

Claims (3)

1. Nb이 함유된 니켈기 초내열합금의 용접 후 용제화 처리 및 시효처리에 의한 용접부 열처리 방법으로서,
   상기 용체화 처리는 용접 후 상기 합금의 용접/부를 열처리 노에서 1100℃에서 5분 이상 열처리를 한 후, 분당 5℃의 속도로 980℃까지 서서히 냉각한 다음 상온까지 공냉하도록 한 것을 특징으로 하는 Nb이 함유된 니켈기 초내열합금의 용접부 고인성을 위한 용접부 열처리 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 니켈기 초내열합금은 Nb이 2중량% 이상 함유된 인코넬 합금인 것을 특징으로 하는 Nb이 함유된 니켈기 초내열합금의 용접부 고인성을 위한 열처리 방법.
3. 제1항 또는 제2항의 용접부 열처리 방법에 의한 용접부를 갖는 니켈기 초내열합금.

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