KR20230036366A - Ti64 터빈휠 원심 주조를 위한 몰드 설계 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 TiAl 터빈힐 원심 주조를 위한 몰드 설계 설계에 관한 것으로, 보다 상세하게는 런너와 게이트의 크기 등의 다양한 변수를 적용하여 TiAl 터빈힐 주조에 적용하기 위한 몰드 디자인 및 설계 변수 확립에 관한 것이다.

Description

TiAl 터빈휠 원심 주조를 위한 몰드 설계 방법 {Mold Design Method for TiAl Turbine Wheel Centrifugal Casting}

본 발명은 TiAl 터빈휠 원심 주조를 위한 몰드 설계 설계에 관한 것으로, 보다 상세하게는 런너와 게이트의 크기 등의 다양한 변수를 적용하여 TiAl 터빈휠 주조에 적용하기 위한 몰드 디자인 및 설계 변수 확립에 관한 것이다.

최근 가솔린 엔진은 직접분사와 터보차저를 이용한 다운사이징화로 성능과 연비가 크게 개선되었으나, 환경 규제가 더욱 강화되고, 주요핵심부품에 대한 수입의존도가 높아 이의 보편화과 경쟁력 확보에 걸림돌이 되고 있다. 따라서 터보차저용 전용소재 개발 및 제품의 자립화 및 성능개선은 필수 기술이다. 가솔린터보차저의 경우, 연비 개선 기술적용을 950 ^oC이상 1050 ^oC정도까지 운용 온도 범위가 예상되고 있으며, 고 내열 소재(터빈로터, 터빈 하우징, 웨이스트게이트밸브 어샘블리)와 같은 소재기술의 확보는 제품단가 저감 및 차별화, 안정적 소재공급을 통한 안정적 사업화와 수출 측면의 자유도를 높일 것으로 기대된다. 현재 터빈 활용 소재로는 Ni계 초내열합금인 IN713C가 보편적으로 사용되고 있으나, 향후 터보차저에서 요구되는 950 ^oC ~ 1050 ^oC의 운용온도범위에 적용하는 데에는 소재 특성의 한계가 있다. 또한, 스포츠카, 고급 승용차 및 애프터 마켓 시장에서는 터보랙을 줄일 수 있는 경량 내열 타이타늄 소재인 TiAl 합금 터빈 휠의 수요가 증가하고 있다. 타이타늄 합금은 우수한 내식성 및 극한 환경에서도 기능과 성능을 발휘하여 경량화 효과를 최대한 얻을 수 있는 소재이며, 특히 전 세계적으로 친환경 자동차에 관심이 집중되면서 자동차의 경량화를 통한 연비 향상 및 환경 보호 및 터보차저 기술개발이 필수적이다.

티타늄 합금은 낮은 유동성고 높은 반응성을 가진 금속으로 산소 및 기타 불순물과의 반응이 격렬하게 발생한다. 특히, 주조에서 용탕의 주입 시간, 주입온도와 더불어 주조품의 특성에 영향을 미치는 것은 몰드이다. 몰드의 제조 원료 및 제작 설계에 따라 주조품의 특성은 완전히 달라짐으로 몰드의 제작은 주조에 있어서 가장 중요한 부분이다.

티타늄 합금을 이용한 터빈휠 주조품의 특성은 몰드의 형태에 따하 영향을 크게 받기 때문에 본 발명에서는 주조의 응고 시뮬레이션(ProCAST)을 통해 TiAl 터빈휠 주조를 위해 적합한 몰드 설계를 하는데 그 의의를 가진다.

1. 본 발명은 TiAl 터빈휠 주조를 위한 몰드 설계로 주조 몰드 트리는 용탕 주입 조건 및 런너와 게이트의 크기 등의 다양한 변수를 적용한다.

2. 또한, 최적의 몰드 디자인 확립을 위해 주조 응고 시뮬레이션 프로그램(ProCAST)을 활용한다. 또한, 일반적인 중력 주조가 아닌 원심주조 모듈로 결과를 예측하고, 기초 DB구축을 위해 몰드를 설계하여 결과를 분석한다.

본 발명에서 확립된 몰드 설계를 통해 Ti64가 적용된 터빈휠 주조품을 제작할 수 있다.

또한, 본 발명은 국산 터보차저 경쟁력뿐만 아니라, 국내 자동차 산업의 경쟁력 확보에 중용한 역할을 수행할 것이다.

또한, 본 발명은 해외 전량 수입에 의존하는 티타늄계 핵심 소재의 국산화 자립이 기대된다.

도 1은 본 발명의 Ti64 터빈휠 주조를 위한 원심주조 몰드로 설계된 기초 몰드 디자인이다.
도 2는 실시예 1의 주조 응고 시뮬레이션 결과이다.
도 3은 실시예 2의 주조 응고 시뮬레이션 결과이다.
도 4는 실시예 3의 주조 응고 시뮬레이션 결과이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 구성요소 등이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 구성요소 등이 존재하지 않거나 부가될 수 없음을 의미하는 것은 아니다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1은 Ti64 터빈휠 주조를 위해 설계된 원심주조 몰드의 기초 디자인이다. 최적의 공정 디자인을 확립하기 위해 주조 응고 시뮬레이션 프로그램(ProCAST)을 활용하였다. ProCAST는 몰드, 원심력, 용해온도, 주입온도 등의 다양한 변수를 적용할 수 있으며, 주조 공정 중 용탕이 몰드에 충전되고 응고하여 최종제품의 내부결함을 확인할 수 있는 프로그램이다. 따라서, 200 rpm의 원심력, 1100 ^oC의 몰드 예열온도, 1700 ^oC의 용탕 주입온도, 5 초의 주입시간의 주조 조건을 변수로 한다. 또한, 본 발명에서는 일반적인 중력 주조가 아닌 원심 주조 모듈로 결과를 예측하였다.

이하, 도 1의 몰드 디자인을 적용하여 TiAl 터빈휠을 주조하기 위해 최적의 몰드 설계를 위한 변수를 구체적으로 설명하고자 한다. 도 2~4에서 화살표로 표시된 보라색 부분은 시뮬레이션 결과 주조 시 기공이 발생하는 부분으로 주조품에 생성되는 기공은 제품의 내부결함으로 야기되어 주조품의 특성을 저하시킴으로 기공의 생성이 억제되는 변수를 적용시켜 몰드를 설계해야 한다.

[실시예 1]

주조 응고 시뮬레이션 프로그램(ProCAST)을 사용하여 주조 변수로는 용탕을 80% 충전한 후 몰드를 회전하거나 충전과 동시에 회전시키는 두가지 방안으로 시뮬레이션 한다.

두 방안 모드 제품 내부에 결함이 발견되었고, 특히 충전 후 회전했을 시 터빈휠 내부결함이 현저히 많은 것으로 해석되었다. 이는 용탕이 몰드에 충전되고 이후 급속도로 온도가 감소하여 용탕의 유동도가 나빠졌기 때문에 박육부인 터빈휠 날개 사이에 결함들이 발생한 것으로 판단하여, 이 결과를 토대로 용탕은 회전과 동시에 주입하는 것으로 확립한다.

도 2는 주조 변수를 용탕 80%를 충전한 후 회전, 동시에 회전 및 충전을 하는 두가지 방안으로 해석한 주조 응고 시뮬레이션 결과이다.

[실시예 2]

주조 응고 시뮬레이션 프로그램(ProCAST)을 사용하여 주조 변수로는 터빈휠 내부결함을 해결하기 위해 런너와 게이트의 크기를 제어하였다. 많은 용탕이 한 번에 터빈휠로 주입될 수 있도록 원심력을 최대화시키기 위해 런너를 줄이는 방안과 게이트를 넓히는 방안으로 진행하였다.

용탕이 제품 자체에 빠르게 충전될 수 있도록 게이트를 넓혀서 분석한 결과는 여전히 터빈휠 제품 내부에 결함이 발견되었고, 이는 용탕이 게이트를 통해 유동이 원활한 부분과 그렇지 못한 부분에 따른 열간섭으로 판단된다. 런너를 줄인 결과에서는 터빈휠 내부에서 결함이 발견되지 않아 런너를 줄이는 방안으로 몰드를 설계한다.

도 3은 터빈휠 내부결함을 해결하기 위해 런너와 게이트의 크기 변수가 주어진 주조 응고 시뮬레이션 결과이다.

[실시예 3]

주조 응고 시뮬레이션 프로그램(ProCAST)을 사용하여 주조 변수로는 터빈휠과 런너 연결부의 방향성을 확인하기 위해 역방향 시뮬레이션하였다.

게이트를 넓힌 결과에서 정방향보다 역방향에서 더 크고 많은 내부 결함이 발견되었고, 런너를 줄인 결과에서는 터빈휠 내부결함이 없었다. 터빈휠을 정"?향으?* 설계한 결과와 역방향으로 설계한 후 게이트를 넓힌 경우보다 런너를 줄인 결과에서 터빈휠 내부 결함이 없었다.

도 4는 실시예2의 설계를 영방향으로 몰드 설계한 주조 응고 시뮬레이션 결과이다.

금속은 액체에서 고체로 변할 때 밀도가 변하면서 수축 제품 외 내부에 결함이 나타날 수 있다. 현재의 주조기술에서는 시행착오를 줄이기 위해 응고 시뮬레이션을 필수적으로 행하고 있으며 주조 용해간 다양한 변수인 용탕 주입 방법, 용탕 온도, 몰드 예열온도 등을 고려하고 유체 흐름 및 열전달, 응고 거동, 수축공 등 결함을 예상하여 주조 변수를 확립하였다. 따라서, 본 발명에서 확립한 몰드 설계를 기반으로 하여 몰드를 제작하여 TiAl 터빈휠 주조에 적용할 수 있다

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위, 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (12)

1. 주조 응고 시뮬레이션 프로그램(ProCAST)을 활용하여 용탕주입 방법, 몰드 제작 조건을 변수로 하는 것을 특징으로 하는, TiAl 터빈힐 원심 주조를 위한 몰드 설계 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 몰드는 카본 몰드를 사용하는 것으로 설계하는 것을 특징으로 하는, TiAl 터빈힐 원심 주조를 위한 몰드 설계 방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 카본 몰드는 1100^oC에서 예열하는 것으로 설계하는 것을 특징으로 하는, TiAl 터빈힐 원심 주조를 위한 몰드 설계 방법.
4. 제1항에 있어서,
   용융금속은 상기 몰드로의 주입과 주조를 동시에 하는 것을 특징으로 하는, TiAl 터빈힐 원심 주조를 위한 몰드 설계 방법.
5. 제4항에 있어서,
   원심 주조를 하는 것으로 설계하는 것을 특징으로 하는, TiAl 터빈힐 원심 주조를 위한 몰드 설계.
6. 제5항에 있어서,
   원심 주조의 원심력은 200 rpm으로 설계하는 것을 특징으로 하는, TiAl 터빈힐 원심 주조를 위한 몰드 설계.
7. 제1항에 있어서,
   용융금속은 상기 몰드로의 주입과 주조를 동시에 하는 것을 특징으로 하는, TiAl 터빈힐 원심 주조를 위한 몰드 설계 방법.
8. 제7항에 있어서,
   용융금속의 주입온도는 1700 ^oC에서 하는 것으로 설계하는 것을 특징으로 하는, TiAl 터빈힐 원심 주조를 위한 몰드 설계 방법.
9. 제7항에 있어서,
   용융금속의 주입시간은 5 초로 하는 것으로 설계하는 것을 특징으로 하는, TiAl 터빈힐 원심 주조를 위한 몰드 설계 방법.
10. 제1항에 있어서,
    상기 몰드에서 런너의 크기를 작게 하는 것을 특징으로 하는, TiAl 터빈힐 원심 주조를 위한 몰드 설계 방법.
11. 제10항에 있어서,
    상기 몰드에서 역방향 설계도 가능한 것을 특징으로 하는, TiAl 터빈힐 원심 주조를 위한 몰드 설계 방법.
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 TiAl 터빈힐 원심 주조를 위한 몰드 설계 방법에 의해 설계된 몰드를 적용하여 주조된 주조품.

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