니켈기 단결정 초내열합금의 γ’-Rafting 메커니즘 조사

송전영(Jeon-Young Song),구지호(Ji-Ho Gu),이연수(Yeon-Soo Lee),마영화(Young-Wha Ma) 대한기계학회 2021 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2021 No.06

니켈기 단결정 초내열합금은 고온에서의 크리프, 피로, 열-기계적 피로와 같은 우수한 기계적 특성 과 안정성으로 항공 및 발전용 가스터빈 엔진의 블레이드 및 베인 소재로 사용되고 있다 ¹⁾. 이러한 니켈기 단결정 초내열합금의 우수한 기계적 특성은 γ 기지상에 cuboidal 형태로 분포한 γ' 석출물에 의한 것이며, 이러한 석출물의 역온도의존성으로 특정온도까지 우수한 기계적 특성을 나타낸다 ²⁾. 니켈기 단결정 초내열합금의 강화상인 γ' 석출물은 고온 크리프 환경에서 방향성 조대화(γ'-rafting)와 같은 미세조직의 변화를 수반하며, 이러한 석출물의 변화는 니켈기 단결정 초내열합금의 크리프 특성에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다 ³⁾. 본 연구는 니켈기 단결정 초내열합금의 크리프 특성과, 크리프 환경에서 수반되는 γ' 석출물의 형상변화를 관찰하여, 크리프 변형거동 및 잔여수명을 예측하는 모델을 개발하는데 사용하고자 한다. 다양한 온도에서의 크리프 시험을 통해 γ' 석출물의 방향성 조대화는 온도 및 응력조건에 영향을 받는 것을 알 수 있었을 뿐만 아니라, 이러한 γ' 석출물의 형상변화가 크리프 특성에 미치는 영향을 확인할 수 있었다. Nickel-based single crystal superalloys have been used for high temperature components such as blade and vane in aerospace and industries gas turbine engine because of their outstanding high temperature mechanical properties such as creep, fatigue and thermo-mechanical fatigue [1]. Their excellent high temperature mechanical properties were derived from unique microstructure consisted of disordered face-centered-cubic(fcc) gamma matrix and L1₂ ordered-Ni₃(Al, Ti) gamma prime precipitate. Turbine blade and vane were generally exposed to complex thermal and mechanical creep load. These severe environment leads to morphological evolution of gamma prime precipitate which can significantly affect the creep behavior of nickel-based single crystal superalloy. This study focuses on morphological evolution of gamma prime precipitate and their effect on creep property in first generation nickel-based single crystal superalloy.

니켈기 초합금의 분말성형 공정 절차 소개

이동엽(Dongyeop Lee),안종기(Jongkee Ahn),신동익(Dongick Shin),김기태(Kitae Kim),김동훈(Donghun Kim),홍성석(Sungsuk Hong),김홍규(Hong-Kyu Kim) 한국추진공학회 2016 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2016 No.5

니켈기 초내열합금은 석출강화와 고용강화 효과를 동시에 이용하는 내열 합금으로, 고온에서 기계적 성질이 우수하고 내식성·내마모성 등이 뛰어나 항공용 가스터빈의 Hot section용 부품에 다량 이용된다. 니켈기 초내열합금의 고온기계적 강도는 점차 향상되었으나 상대적으로 성형성은 점차 떨어지게 되었다. 따라서 분말야금 기술이 고강도 초내열합금의 응용에 적용케 되었다. 본 논문에서는 항공용 가스터빈의 디스크 제작을 위한 니켈기 초합금의 근사정형(Near Net Shape) 분말 성형 절차를 소개하고자 한다. Nickel base superalloy is using precipitation and solution hardening. It has superior mechanical property and corrosion resistance in high temperature. Many parts in hot section of aerospace gas turbine use this material. Mechanical property of the superalloy have been improved, but formability have been decreased. In order to form nickel base superalloy, powder metallurgy is applied. In this paper, near net shape forming by powder metallurgy process for gas turbine disk is introduced.

초내열합금 GTD-111의 고온 저주기피로 수명예측

양호영(Ho Young Yang),김재훈(Jae Hoon Kim),유근봉(Keun Bong Yoo),이한상(Han Sang Lee),유영수(Young Soo You) 대한기계학회 2011 大韓機械學會論文集A Vol.35 No.7

초내열합금인 GTD-111은 고온강도와 내산화성이 우수하여 가스터빈에서 사용되는 소재이다. 초내열합금의 피로 수명 예측은 가스터빈의 효율을 개선하기 위하여 매우 중요하다. 본 연구에서의 저주기 피로시험은 실제 운전 환경과 유사하게 변형률 범위, 온도를 다양하게 설정하여 시험을 수행하였다. GTD-111의 저주기 피로수명을 예측하기 위하여 변형률 에너지 밀도와 파단 사이클과의 관계를 이용하였다. 시험결과를 토대로 변형률 에너지법과 Coffin-Manson법에 의하여 피로수명을 예측하였다. The Ni-base super-heat-resistant alloy, GTD-111, is employed in gas turbines because of its high temperature strength and oxidation resistance. It is important to predict the fatigue life of this superalloy in order to improve the efficiency of gas turbines. In this study, low-cycle fatigue tests are performed as variables of total strain range and temperature. The relationship between the strain energy density and number of cycles to failure is examined in order to predict the low-cycle fatigue life of the GTD-111 superalloy. The fatigue life predicted by using the strain-energy methods is found to coincide with that obtained from the experimental data and from the Coffin-Manson method.

초내열합금 CMSX-4의 열처리에 따른 열물성에 대한 연구

송원식,김교민,김우철 대한기계학회 2024 大韓機械學會論文集A Vol.48 No.2

가스터빈의 구성품으로 사용되는 Ni기 초내열합금은 고온 극한환경에서의 기계적 부하를 견딜 수 있도록 개발되어왔다. 터빈 구성품의 수명은 모재의 온도에 올라갈수록 급격히 줄어들기 때문에, 설계 측면에서 모재의 온도를 낮게 유지하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 초내열합금 CMSX-4의 열전달과 관련된 물성치를 분석하고 연구하기 위해 열물성을 측정하고 열전도도를 도출했다. 선행 연구된 값들과 새로 측정한 값을 비교했을 때 크지 않은 차이를 보이는데 이 차이는 대부분 샘플의 열처리로 인한 미세구조의 차이에 기인하는 것으로 확인되었다. Ni-based superalloys that are generally used as components of gas turbines have been developed to withstand mechanical loads in high temperature and extreme operating environments. The temperature must be maintained low because the life of the turbine component decreases rapidly as the temperature increases. In this study, thermophysical properties were measured and thermal conductivity was derived to analyze and study the thermodynamic properties of superalloy CMSX-4. Compared with previous studies, most of the difference was related to the microstructure, that was typically owing to heat treatment, and thermal history.

일방향 응고 초내열합금 CM247LC의 방향성에 따른 열물성에 관한 연구

김교민(Kyomin Kim),김우철(Woochul Kim) 대한기계학회 2020 大韓機械學會論文集B Vol.44 No.10

가스터빈 블레이드 소재로 사용되는 Ni계 초내열합금은 고온, 고압의 환경에서 사용하기 위해 다양한 방법으로 개발되어 왔다. CM247LC는 터빈 가동 중 응력을 감소시키기 위해 원심력 방향과 수직한 방향의 결정립계의 성장을 최소화하는 일방향 응고로 사용된다. 본 연구에서는 일방향 응고 CM247LC의 방향성에 따른 열물성을 연구하기 위해 온도에 따른 열확산도와 비열을 측정하여 열전도도를 도출하였으며, 이 열전도도는 전자의 영향과 포논의 영향으로 나누었을 때 전자의 영향이 우세한 것을 확인하였다. 또한, 초내열합금의 평균 자유행로 1Å는 300μm 이상의 결정립 크기에 의해 결정립계가 열전도도에 영향을 미치지 못한 것으로 판단되며 이로 인해 방향성에 의한 열전도도의 차이는 없는 것으로 확인되었다. Nickel-based superalloys, which are used as gas turbine blade materials, have been produced using various methods for use in high-temperature and high-pressure environments. CM247LC is used in directional solidification (DS) to minimize the growth of grain boundaries in a direction perpendicular to the centrifugal force, to reduce stress during turbine operation. In this study, thermal conductivity was derived by measuring the thermal diffusivity and the specific heat as functions of temperature to study the thermal properties according to the directionality of DS CM247LC. Because the grain size was more than 300 μm, it was confirmed that the thermal conductivity of the superalloy with a mean free path of 1 Å was not affected by the grain boundaries.

코발트기 초내열합금 FSX-414의 저주기 피로수명평가

허인강(Inkang Heo),윤동현(Donghyun Yoon),김재훈(Jaehoon Kim),장성용(Sungyong Chang),배시연(Siyeon Bae) 대한기계학회 2018 大韓機械學會論文集A Vol.42 No.9

가스터빈의 부품은 높은 온도와 응력, 부식과 침식 등과 같이 극한 환경에서 사용된다. 이러한 환경에 대한 저항성을 요구하는 재료로써 초내열합금이 사용된다. 본 연구에서는 코발트기 초내열합금인 FSX-414의 저주기 피로 시험을 수행하였다. 실제 작동환경을 고려하여, 760℃와 870℃의 온도조건에서 다양한 변형률의 범위로 시험을 수행하였다. 추가로 입력 파형의 경우에는 가스터빈의 기동/정지 조건을 고려하여, 사다리꼴 파형을 선택하였다. 피로 시험의 결과는 코핀-만슨 법과 에너지 법을 이용하여 예측식과 실험 결과값을 비교하였다. 피로 파단면의 경우에는 주사식 전자 현미경을 통해 분석하였다. Components of gas turbines need to be extremely resistant to elevated temperatures and stresses, corrosion, and erosive environments. The materials used under these environmental conditions are primarily cobalt-based superalloys. In this study, the low cycle fatigue of a cobalt-based superalloy, FSX-414, was examined. The total strain ranges of a gas turbine operating between 760°C and 870°C were considered the parameters representing actual gas turbine operation. In addition, fatigue tests were performed using a trapezoidal waveform to reflect the operation and stop conditions of a gas turbine with frequent shutdowns. The fatigue test results were compared with results obtained using the Manson-Coffin method and the energy method. The fractured surface was analyzed using a scanning electron microscope(SEM).

니켈기 초내열합금 IN738LC의 고온 저주기피로 거동

황권태(Kwon-Tae Hwang),김재훈(Jae-Hoon Kim),유근봉(Keun-Bong Yoo),이한상(Han-Sang Lee),유영수(Young-Soo Yoo) 대한기계학회 2010 大韓機械學會論文集A Vol.34 No.10

니켈기 초내열합금은 고온 강도를 지속적으로 증가시키며 현재 비행기 엔진, 선박 엔진 및 발전용 가스터빈 고온 부품 등을 만드는 가장 중요한 소재로 오래전부터 사용되어져 왔다. 이러한 부품의 수명을 연장하기 위해서는 사용 환경과 유사한 조건에서의 피로수명 예측이 매우 중요하다. 따라서 본 연구에서는 가스터빈 블레이드 소재인 니켈기 초내열합금 IN738LC에 대하여 실제운전환경과 유사한 조건을 설정하여 다양한 변형률 범위와 온도에서 시험을 수행하였다. 저주기 피로수명을 예측하기 위하여 변형률 에너지 밀도와 파단 사이클과의 관계를 사용하였다. 수명의 예측은 시험결과를 토대로 변형률 에너지법과 Coffin-Manson법에 의하여 예측을 하였다. For many years, high-strength nickel-base superalloys have been used to manufacture turbine blades because of their excellent performance at high temperatures. The prediction of fatigue life of superalloys is important for improving the efficiency of the turbine blades. In this study, low cycle fatigue tests are performed for different values of total strain and temperature. The relations between strain energy density and number of cycles before failure occurs are examined in order to predict the low cycle fatigue life of IN738LC super alloy. The results of low cycle fatigue lives predicted by strain energy methods are found to coincide with experimental data and with the results obtained by the Coffin-Manson method.

직류전위차법을 이용한 분말야금 니켈기 초내열합금의 피로균열진전거동 평가

나성현(Seonghyeon Na),오광근(Kwangkeun Oh),김재훈(Jaehoon Kim) 한국추진공학회 2015 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2015 No.11

분말야금 니켈기 초내열합금은 항공기 터빈 엔진의 고온용 부품으로 사용된다. 본 연구에서는 분말야금 니켈기 초내열합금의 피로균열진전 시험은 상온과 600 ℃의 온도 조건에서 수행되었다. 피로균열 진전속도에 대한 평가방법은 ASTM E647에서 제시한 직류전위차법을 이용하여 산출하였다. 이러한 결과로부터, 분말야금 니켈기 초내열합금의 피로균열 진전 속도는 응력비 0.5 일 때 더 높고, 균열은 응력비 0.1 일 때 낮은 응력확대계수부터 시작한다. 파단면 관찰은 주사전자현미경을 이용하여 분석하였다. Powder metallurgy Nickel based superalloy is used to manufacture high temperature parts of turbine engine for airplane. In this study, fatigue crack growth tests for the material are conducted by temperature conditions at room temperature and 600 ℃. Evaluation method for fatigue crack growth rate calculated using DCPD method suggested by ASTM E647. From these results, fatigue crack growth rate of the material is higher when stress ratio is 0.5. When stress ratio is 0.1, crack begins from lower stress intensity factor. Fractography was carried out by Scanning Electron Microscope(SEM).

θ투영법을 이용한 초내열합금 크리프 거동 평가

사인진(Injin Sah),김상지(Sang Ji Kim) 대한기계학회 2021 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2021 No.4

고온로 구조재료로 Ni-Cr-Co-Mo 초내열합금이 고려되고 있다.^(1,2) 크리프 변형 및 파단은 고온 운전 조건에서 구조재료 수명을 결정하는 주요 요인이다.^(3-7) 본 연구에서는 θ투영법을 이용하여 초내열합금의 크리프 거동을 평가하였다. 고온 응력-파단 실험 데이터에 비선형최소자승법을 적용하여 θ투영법 매개변수들을 도출하였다. 손상허용인자(λ) 값을 2.0 로 지정하여 3 차크리프 거동을 평가하였다. 비선형최소자승법으로 계산된 매개변수들은 응력 함수에서 선형성을 가졌다. 계산된 최소크리프율은 실험 데이터 범위 내에 포함되는 것으로 나타났다. 설계 관점에서 낮은 응력 수준에서 크리프 곡선들을 제안하였다. Ni-Cr-Co-Mo superalloy is expected to be used as a structural material in high-temperature reactors (HTRs).^(1,2) Creep deformation and rupture is a dominant factor in determining lifetime of structural material at high temperature operating condition.^(3-7) In this study, theta (θ) projection method was employed to characterize creep behavior of a superalloy. Parameters in the theta projection method were derived by applying nonlinear least square fitting (NLSF) method to experimental data of stress-rupture test at high temperatures. Damage tolerance factor (λ) of 2.0 was assigned to evaluate tertiary creep stage. Calculated parameters from NLSF had a good linearity as a function stress. It was revealed that calculated minimum creep rate falls within a range of experimental data. Creep curves at low stress levels were proposed for design aspect.

항공기 터빈 디스크용 니켈기 초내열 분말야금 합금의 고온 피로균열진전 거동 비교 평가

윤동현(Dong Hyun Yoon),나성현(Seong Hyeon Na),김재훈(Jae Hoon Kim),김홍규(Hongkyu Kim),김동훈(Donghoon Kim) 대한기계학회 2017 大韓機械學會論文集A Vol.41 No.8

항공기 터빈 디스크에 사용될 수 있는 니켈기 초내열 분말야금 합금의 피로균열진전 거동이 실제운전 환경을 고려하여 상온 및 650℃에서 연구되었다. ASTM E647에서 제시하는 직류전위차법을 이용하여 실시간으로 균열의 진전을 측정하였다. 또한 피로균열진전 시험은 응력비 0.1과 0.5의 두가지 조건에서 수행되었다. 시험결과들은 응력비와 온도 조건 모두 피로균열진전 거동에 영향이 있음을 보여주었으며, 응력비와 온도가 증가함에 따라, 니켈기 초내열 분말 야금 합금의 피로균열성장 속도는 증가하게 관찰되었다. 본 연구에서 사용된 니켈기 초내열 분말 야금 합금은 현재 개발 중인 소재로써 보다 정량적인 시험결과의 분석을 위해, 본 연구의 피로균열진전 시험결과와 기존에 연구된 Inconel-100 소재의 피로균열진전거동에 대한 상호 비교분석이 수행되었다. 피로균열진전 파단면의 분석은 SEM 촬영을 통하여 수행하였다. The behavior of fatigue crack growth of nickel-based powder metallurgy superalloy that could be used in aircraft turbine disc is investigated at room temperature, and 650℃ considering real operating conditions. The direct current potential drop(DCPD) method was used to measure the crack length of material in real time according to ASTM E647. Tests were performed with various stress ratios (0.1 and 0.5). Experimental results show that stress ratio, and temperature all affect the behavior of fatigue crack growth. As the stress ratio and temperature increase, the fatigue crack growth rate of nickel-based powder metallurgy superalloy also increases. Results were compared and reviewed with fatigue crack growth rates of other nickel-based superalloy materials (Inconel-100) that were studied in previous papers. Fractography analysis of the fractured specimens was performed using as SEM.