본 연구의 목적은 가장 고온, 극심한 환경에서 사용되는 Ni-base Superalloy Hastelloy X의 열화에 따른 석출물의 거동을 분석하여 그에 따른 미세조직 및 기계적 특성의 변화를 관찰하여 수명저하의 원인을 밝히는 것이 첫 번째이다. 두 번째는 통일된 규정 없이 용접사의 경력과 노하우에 의존하여 경향성이 없는 용접특성을 개선하고자 최적 용접 조건에 대한 지침을 마련하고자 하였다. 세 번째는 오랜 시간 열화로 인해 생성 및 조대화된 석출물을 고용화 열처리를 통해 제어하여 복원성능을 테스트하여 그 신뢰성을 마련하고자 하였다. Hastelloy X의 고온에서 장시간 사용에 따른 품질 저하는 열화에 의해 미세조직 중에 M6C(Mo Rich Carbide) 및 M23C6(Cr Rich Carbide)가 사용 전 0.7%에서 부위별로 15%에서 23%까지 다량으로 석출하게 되고 이들로 인한 재료의 ...
본 연구의 목적은 가장 고온, 극심한 환경에서 사용되는 Ni-base Superalloy Hastelloy X의 열화에 따른 석출물의 거동을 분석하여 그에 따른 미세조직 및 기계적 특성의 변화를 관찰하여 수명저하의 원인을 밝히는 것이 첫 번째이다. 두 번째는 통일된 규정 없이 용접사의 경력과 노하우에 의존하여 경향성이 없는 용접특성을 개선하고자 최적 용접 조건에 대한 지침을 마련하고자 하였다. 세 번째는 오랜 시간 열화로 인해 생성 및 조대화된 석출물을 고용화 열처리를 통해 제어하여 복원성능을 테스트하여 그 신뢰성을 마련하고자 하였다. Hastelloy X의 고온에서 장시간 사용에 따른 품질 저하는 열화에 의해 미세조직 중에 M6C(Mo Rich Carbide) 및 M23C6(Cr Rich Carbide)가 사용 전 0.7%에서 부위별로 15%에서 23%까지 다량으로 석출하게 되고 이들로 인한 재료의 인장강도는 800MPa에서 511MPa로, 연신률은 59.2%에서 41% 까지 급격하게 저하했다. 사용 중 다량 석출된 M6C(Mo Rich Carbide) 및 M23C6(Cr Rich Carbide)는 파단 발생의 진원지로 작용하였으며 동시에 취성파괴 양상을 촉진시킴으로서 사용 중 Shroud에 발생하는 크랙의 발생 및 성장을 더욱 촉진시키는 주요 요인으로 작용하였음을 알 수 있었다. 고온에서 장시간 사용된 Hastelloy X의 용접부 인장파단 거동은 용접비드 크기에 따라 큰 차이를 나타내었다. 용접비드 높이가 1.20mm이고 폭이2.92mm인 경우(상대적으로 입열량이 작고 용접속도가 빠른 경우)에는 인장시험시 파단은 모재부에서 발생하였다. 그러나 용접비드 높이가 1.53mm이고 폭이 4.1mm인 경우(입열량이 크고 용접속도가 느린 경우)에는 인장시험 시 파단은 용접비드와 모재의 경계부인 용융선(Fusion line) 또는 열영향부에서 발생했다. 용접비드가 높은 경우 용접비드 높이가 낮은 것과 비교시 상대적으로 노치효과로 인해 응력집중 정도가 심화되었기 때문이다. 그리고 부가적으로 입열량이 많은 경우 열영향부에서의 석출물 이동을 동반한 결정립계 이동이 보다 심화되면서 응력에 취약한 석출물들의 군집화 부위가 많이 발생하였기 때문이다. 용접사가 용접작업하기가 까다롭지 않으면서 동시에 인장시험 시 용접부 파단이 아닌 모재에서의 파단이 일어나는 건전한 용접부를 얻기 위한 적정 용접조건으로는 전압 10V, 전류 20A, 이송속도 2.5~3.3mm/sec의 조건에서 가장 이상적인 용접부를 얻을 수 있었다.. 고온에서 장시간 사용된 Hastelloy X의 고온인장 거동을 살펴보면 시험온도 300℃에서 900℃로 올라갈수록 결정립계에 석출된 탄화물의 영향이 심화되어 입계파단의 경향이 보다 뚜렷히 나타남을 알 수 있었다. 고온에서 장시간 사용된 Hastelloy X의 적정 용접조건(10V 전압, 20A 전류, 2.5~3.3mm/sec. 용접속도)에서 용접한 시편을 고온인장 시험한 경우에는 상온인장시험과 같이 파단은 용접부 및 용접열영향부가 아닌 모재부에서 파단이 발생하였다. 그러나 용접비드가 두꺼운 시험편의 경우에는 열영향부에서 파단이 발생하였으며 이는 표면부의 심화된 노치효과 영향으로 판단되나 항복강도 및 인장강도 값은 적정 용접 조건하에서 제작된 시험편과 비교시 비슷한 값을 나타내었다. 고온에서 장시간 사용된 Hastelloy X는 미세조직 중 결정입계에 탄화물을 다량(15~23%) 석출시키면서 강도값 및 연신률 그리고 내열피로크랙성이 저하된다. 석출된 탄화물은 고온에서 고용화 열처리를 통해서 다시 기지조직 중으로 고용시켜 석출된 탄화물을 제거시킬 수 있다. 1,175℃에서 5~30분간 유지시키는 고용화 열처리를 통해 탄화물의 양을 5% 이하로 줄일 수 있다. 동시에 강도 및 연신률 또한 미사용 Hastelloy X의 90~95% 수준으로 복원력을 가질 수 있다. 고온에서 장시간 사용된 Hastelloy를 1,175℃에서 고용화 열처리 후 상온 고주기피로시험 통해 열처리 전과 비교한 결과 고용화 열처리 후 가장 우수한 피로 특성을 보였다. 부과된 최고인장값이 400~520MPa 범위에서 파단 피로 사이클 수는 열처리 전과 비교하여 열처리 후 약 두 배의 측정값을 나타내었다. 용접재의 경우 가장 열악한 피로특성을 보였는데 피로파단은 모든 시험편에서 용접부와 모재의 경계부인 노치부에서 발생하였다. 피로한계값(fatigue limit) 또한 사용한 Shroud재는 420MPa, 고용화열처리재의 경우는 460MPa 인데 비해서 용접재의 경우에는 160~200MPa로 상대적으로 낮은 값을 보였다.
본 연구의 목적은 가장 고온, 극심한 환경에서 사용되는 Ni-base Superalloy Hastelloy X의 열화에 따른 석출물의 거동을 분석하여 그에 따른 미세조직 및 기계적 특성의 변화를 관찰하여 수명저하의 원인을 밝히는 것이 첫 번째이다. 두 번째는 통일된 규정 없이 용접사의 경력과 노하우에 의존하여 경향성이 없는 용접특성을 개선하고자 최적 용접 조건에 대한 지침을 마련하고자 하였다. 세 번째는 오랜 시간 열화로 인해 생성 및 조대화된 석출물을 고용화 열처리를 통해 제어하여 복원성능을 테스트하여 그 신뢰성을 마련하고자 하였다. Hastelloy X의 고온에서 장시간 사용에 따른 품질 저하는 열화에 의해 미세조직 중에 M6C(Mo Rich Carbide) 및 M23C6(Cr Rich Carbide)가 사용 전 0.7%에서 부위별로 15%에서 23%까지 다량으로 석출하게 되고 이들로 인한 재료의 인장강도는 800MPa에서 511MPa로, 연신률은 59.2%에서 41% 까지 급격하게 저하했다. 사용 중 다량 석출된 M6C(Mo Rich Carbide) 및 M23C6(Cr Rich Carbide)는 파단 발생의 진원지로 작용하였으며 동시에 취성파괴 양상을 촉진시킴으로서 사용 중 Shroud에 발생하는 크랙의 발생 및 성장을 더욱 촉진시키는 주요 요인으로 작용하였음을 알 수 있었다. 고온에서 장시간 사용된 Hastelloy X의 용접부 인장파단 거동은 용접비드 크기에 따라 큰 차이를 나타내었다. 용접비드 높이가 1.20mm이고 폭이2.92mm인 경우(상대적으로 입열량이 작고 용접속도가 빠른 경우)에는 인장시험시 파단은 모재부에서 발생하였다. 그러나 용접비드 높이가 1.53mm이고 폭이 4.1mm인 경우(입열량이 크고 용접속도가 느린 경우)에는 인장시험 시 파단은 용접비드와 모재의 경계부인 용융선(Fusion line) 또는 열영향부에서 발생했다. 용접비드가 높은 경우 용접비드 높이가 낮은 것과 비교시 상대적으로 노치효과로 인해 응력집중 정도가 심화되었기 때문이다. 그리고 부가적으로 입열량이 많은 경우 열영향부에서의 석출물 이동을 동반한 결정립계 이동이 보다 심화되면서 응력에 취약한 석출물들의 군집화 부위가 많이 발생하였기 때문이다. 용접사가 용접작업하기가 까다롭지 않으면서 동시에 인장시험 시 용접부 파단이 아닌 모재에서의 파단이 일어나는 건전한 용접부를 얻기 위한 적정 용접조건으로는 전압 10V, 전류 20A, 이송속도 2.5~3.3mm/sec의 조건에서 가장 이상적인 용접부를 얻을 수 있었다.. 고온에서 장시간 사용된 Hastelloy X의 고온인장 거동을 살펴보면 시험온도 300℃에서 900℃로 올라갈수록 결정립계에 석출된 탄화물의 영향이 심화되어 입계파단의 경향이 보다 뚜렷히 나타남을 알 수 있었다. 고온에서 장시간 사용된 Hastelloy X의 적정 용접조건(10V 전압, 20A 전류, 2.5~3.3mm/sec. 용접속도)에서 용접한 시편을 고온인장 시험한 경우에는 상온인장시험과 같이 파단은 용접부 및 용접열영향부가 아닌 모재부에서 파단이 발생하였다. 그러나 용접비드가 두꺼운 시험편의 경우에는 열영향부에서 파단이 발생하였으며 이는 표면부의 심화된 노치효과 영향으로 판단되나 항복강도 및 인장강도 값은 적정 용접 조건하에서 제작된 시험편과 비교시 비슷한 값을 나타내었다. 고온에서 장시간 사용된 Hastelloy X는 미세조직 중 결정입계에 탄화물을 다량(15~23%) 석출시키면서 강도값 및 연신률 그리고 내열피로크랙성이 저하된다. 석출된 탄화물은 고온에서 고용화 열처리를 통해서 다시 기지조직 중으로 고용시켜 석출된 탄화물을 제거시킬 수 있다. 1,175℃에서 5~30분간 유지시키는 고용화 열처리를 통해 탄화물의 양을 5% 이하로 줄일 수 있다. 동시에 강도 및 연신률 또한 미사용 Hastelloy X의 90~95% 수준으로 복원력을 가질 수 있다. 고온에서 장시간 사용된 Hastelloy를 1,175℃에서 고용화 열처리 후 상온 고주기피로시험 통해 열처리 전과 비교한 결과 고용화 열처리 후 가장 우수한 피로 특성을 보였다. 부과된 최고인장값이 400~520MPa 범위에서 파단 피로 사이클 수는 열처리 전과 비교하여 열처리 후 약 두 배의 측정값을 나타내었다. 용접재의 경우 가장 열악한 피로특성을 보였는데 피로파단은 모든 시험편에서 용접부와 모재의 경계부인 노치부에서 발생하였다. 피로한계값(fatigue limit) 또한 사용한 Shroud재는 420MPa, 고용화열처리재의 경우는 460MPa 인데 비해서 용접재의 경우에는 160~200MPa로 상대적으로 낮은 값을 보였다.
The first purpose of this study is to analyze behaviors of precipitate according to deteriorations of Ni-base Superalloy Hastelloy X, which is used under the highest temperature and the extreme environment, and reveal the reason of the life-shortening by observing the change in refined structure and...
The first purpose of this study is to analyze behaviors of precipitate according to deteriorations of Ni-base Superalloy Hastelloy X, which is used under the highest temperature and the extreme environment, and reveal the reason of the life-shortening by observing the change in refined structure and mechanical property. The second purpose was to prepare the guideline regarding the best welding condition in order to improve the welding properties without inclination by depending on experiences and know-how of the welder without unified regulations. The third purpose was to control precipitates created and unpolished due to deteriorations for a long time and prepare reliabilities by testing the restoration performance. In case of deteriorations in quality according to the use for a long time under the high temperature of Hastelloy X, M6C (Mo Rich Carbide) and M23C6 (Cr Rich Carbide) among the refined structures by degradation gets to extract in great quantities from 0.7% before use until 15%~23% by part, and the tensile strength of materials due to those was sharply declined into 511MPa from 800MPa and the elongation from 59.2% until 41%. M6C (Mo Rich Carbide) and M23C6 (Cr Rich Carbide) in use, which were extracted in great quantities, worked on the source of fracture occurrence. At the same time, as they promoted aspect of brittle fractures, they worked on the main factor promoting increasingly occurrences and growth of cracks. The behavior of the welding tensile fracture of Hastelloy X used under the high temperature for a long time showed a big difference according to the size of the welding bead. When the height of the welding bead is 1.20mm and the width 2,92mm, relatively the heat input are little and the welding speed is fast, the fracture at the time of the tensile test took place at the part of the basic material. But when the height of the welding bead is 1.53mm and the width 4.1mm, the heat input is large and the welding speed is slow, the fracture at the time of the tensile test took place at the fusion line, which is the boundary part between the welding bead and the basic material, or the heat-affected zone. The case of the high welding bead is because the stress concentration degree was intensified due to the notch effect relatively, comparing with the lower welding bead. And the case that the heat input is additionally great is because the grain boundary movement, which was accompanied by the precipitate in the heat-affected zone, was more intensified and the clustering part of precipitates, which is weak in the stress, took place much. It is not difficult for the welder to work the welding and at the time of the tensile test, the reasonable welding condition to gain the healthy welding part, which the fracture takes place at not the welding part but the basic material, could get the best welding part under the condition of a voltage of 10V, a current of 20A and a feed velocity of 2.5~3.3mm/sec at the same time. When I look into the behavior of the high temperature tensile of Hastelloy X used in the high temperature for a long time, I could know that the more the test temperature goes up from 300ºC into 900ºC, the more the impact of the carbide that was extracted from the grain boundary was intensified and the tendency of the intergranular fracture appeared clearly. In case of testing the high temperature tensile for specimens that welded under the reasonable welding conditions of Hastelloy X (a voltage of 10V, a current of 20A and a feed velocity of 2.5~3.3mm/sec the welding speed) used in the high temperature for a long time, the fracture took place at not the welding part and the heat-affected zone but the basic material part like the room tensile test. However, in case of the thick test specimens of the welding bead, the fracture took place at the heat-affected zone, it is considered as the impact on the intensified notch effect of the surface part, but the value of yield strength and tensile strength showed the similar values comparing with the test specimens produced under the reasonable welding conditions. As Hastelloy X used in the high temperature for a long time extracts a great deal of carbide (15~23%) in the grain boundary among the refined structures, the strength value, ductility and thermal fatigue are declined. The extracted carbide is again treated by solid solution heat with the matrix microstructure through the solution treatment under the high temperature and can delete the extracted carbide. The solid solution heat treatment maintaining for 5~30 minutes under 1,175ºC can reduce the quantity of the carbide to less than 5%. At the same time, the strength and the ductility can also have force of restoration into the level of 90~95% of the unused Hastelloy-X. As a result of comparison with before the heat treatment through the high cycle fatigue test of the room temperature after Hastelloy used in the high temperature for a long time is treated by solid solution heat, the best fatigue property appeared after a solid solution heat treatment. Within the scope of 400~520MPa of the highest tensile value imposed, the number of the fracture fatigue cycle showed about twice the measurement after a heat treatment comparing with before a heat treatment. The case of the welding material showed the weakest fatigue property, and the fatigue fracture took place at the notch part, which is the boundary part between the welding part and the basic material part, through every test specimen. The fatigue limit is also 420MPa for the used shroud material, 460MPa for the solid solution heat treatment. In comparison, the fatigue limit of the welding material is 160~200MPa and relatively showed the lower value.
The first purpose of this study is to analyze behaviors of precipitate according to deteriorations of Ni-base Superalloy Hastelloy X, which is used under the highest temperature and the extreme environment, and reveal the reason of the life-shortening by observing the change in refined structure and mechanical property. The second purpose was to prepare the guideline regarding the best welding condition in order to improve the welding properties without inclination by depending on experiences and know-how of the welder without unified regulations. The third purpose was to control precipitates created and unpolished due to deteriorations for a long time and prepare reliabilities by testing the restoration performance. In case of deteriorations in quality according to the use for a long time under the high temperature of Hastelloy X, M6C (Mo Rich Carbide) and M23C6 (Cr Rich Carbide) among the refined structures by degradation gets to extract in great quantities from 0.7% before use until 15%~23% by part, and the tensile strength of materials due to those was sharply declined into 511MPa from 800MPa and the elongation from 59.2% until 41%. M6C (Mo Rich Carbide) and M23C6 (Cr Rich Carbide) in use, which were extracted in great quantities, worked on the source of fracture occurrence. At the same time, as they promoted aspect of brittle fractures, they worked on the main factor promoting increasingly occurrences and growth of cracks. The behavior of the welding tensile fracture of Hastelloy X used under the high temperature for a long time showed a big difference according to the size of the welding bead. When the height of the welding bead is 1.20mm and the width 2,92mm, relatively the heat input are little and the welding speed is fast, the fracture at the time of the tensile test took place at the part of the basic material. But when the height of the welding bead is 1.53mm and the width 4.1mm, the heat input is large and the welding speed is slow, the fracture at the time of the tensile test took place at the fusion line, which is the boundary part between the welding bead and the basic material, or the heat-affected zone. The case of the high welding bead is because the stress concentration degree was intensified due to the notch effect relatively, comparing with the lower welding bead. And the case that the heat input is additionally great is because the grain boundary movement, which was accompanied by the precipitate in the heat-affected zone, was more intensified and the clustering part of precipitates, which is weak in the stress, took place much. It is not difficult for the welder to work the welding and at the time of the tensile test, the reasonable welding condition to gain the healthy welding part, which the fracture takes place at not the welding part but the basic material, could get the best welding part under the condition of a voltage of 10V, a current of 20A and a feed velocity of 2.5~3.3mm/sec at the same time. When I look into the behavior of the high temperature tensile of Hastelloy X used in the high temperature for a long time, I could know that the more the test temperature goes up from 300ºC into 900ºC, the more the impact of the carbide that was extracted from the grain boundary was intensified and the tendency of the intergranular fracture appeared clearly. In case of testing the high temperature tensile for specimens that welded under the reasonable welding conditions of Hastelloy X (a voltage of 10V, a current of 20A and a feed velocity of 2.5~3.3mm/sec the welding speed) used in the high temperature for a long time, the fracture took place at not the welding part and the heat-affected zone but the basic material part like the room tensile test. However, in case of the thick test specimens of the welding bead, the fracture took place at the heat-affected zone, it is considered as the impact on the intensified notch effect of the surface part, but the value of yield strength and tensile strength showed the similar values comparing with the test specimens produced under the reasonable welding conditions. As Hastelloy X used in the high temperature for a long time extracts a great deal of carbide (15~23%) in the grain boundary among the refined structures, the strength value, ductility and thermal fatigue are declined. The extracted carbide is again treated by solid solution heat with the matrix microstructure through the solution treatment under the high temperature and can delete the extracted carbide. The solid solution heat treatment maintaining for 5~30 minutes under 1,175ºC can reduce the quantity of the carbide to less than 5%. At the same time, the strength and the ductility can also have force of restoration into the level of 90~95% of the unused Hastelloy-X. As a result of comparison with before the heat treatment through the high cycle fatigue test of the room temperature after Hastelloy used in the high temperature for a long time is treated by solid solution heat, the best fatigue property appeared after a solid solution heat treatment. Within the scope of 400~520MPa of the highest tensile value imposed, the number of the fracture fatigue cycle showed about twice the measurement after a heat treatment comparing with before a heat treatment. The case of the welding material showed the weakest fatigue property, and the fatigue fracture took place at the notch part, which is the boundary part between the welding part and the basic material part, through every test specimen. The fatigue limit is also 420MPa for the used shroud material, 460MPa for the solid solution heat treatment. In comparison, the fatigue limit of the welding material is 160~200MPa and relatively showed the lower value.
주제어
#heat treatment precipitation welding Ni base superalloy
학위논문 정보
저자
최상규
학위수여기관
영남대학교 대학원
학위구분
국내석사
학과
신소재공학 신소재공학
지도교수
백응률
발행연도
2012
키워드
heat treatment precipitation welding Ni base superalloy
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