초내열합금(GTD111DS)의 미세조직분석 및 열처리조건에 관한 연구 A Study on the Microstructure Analysis and Heat Treatment Condition for High Heat-Resistance Alloy(GTD111DS)원문보기
가스터빈의 고온부품은 고온, 고압의 가혹한 환경에서 운전되기 때문에 고온 고압의 환경에서 견딜 수 있는 초내열합금을 이용하여 고온 부품을 제작하고 있다. 그러나 초내열합금을 이용하여 가스터빈의 고온부 부품을 제작하여도 고온 고압의 환경에 장시간 노출됨에 따라 재료 내부의 미세조직에 많은 변화가 일어나게 된다. 본 연구에서는 가스터빈 블레이드의 재료로 주로 사용되는 GTD 111DS로 제조된 가스터빈 블레이드의 손상에 적용되는 용접부의 전후 처리에 대한 모재와 용접부에 미치는 영향에 대해 실험을 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다. 1-1) 사용재의 미세조직은 운전시간의 변화에 따라 열화되어 γ´의 크기가 성장하고, 모양이 입방체에서 불규칙한 형태로 변화하였다. γ´의 형상을 통하여 블레이드의 냉각공 부분은 고온의 ...
가스터빈의 고온부품은 고온, 고압의 가혹한 환경에서 운전되기 때문에 고온 고압의 환경에서 견딜 수 있는 초내열합금을 이용하여 고온 부품을 제작하고 있다. 그러나 초내열합금을 이용하여 가스터빈의 고온부 부품을 제작하여도 고온 고압의 환경에 장시간 노출됨에 따라 재료 내부의 미세조직에 많은 변화가 일어나게 된다. 본 연구에서는 가스터빈 블레이드의 재료로 주로 사용되는 GTD 111DS로 제조된 가스터빈 블레이드의 손상에 적용되는 용접부의 전후 처리에 대한 모재와 용접부에 미치는 영향에 대해 실험을 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다. 1-1) 사용재의 미세조직은 운전시간의 변화에 따라 열화되어 γ´의 크기가 성장하고, 모양이 입방체에서 불규칙한 형태로 변화하였다. γ´의 형상을 통하여 블레이드의 냉각공 부분은 고온의 연소가스 영향을 적게 받는 것으로 나타났다. 운전시간에 따른 결정입계(Grain Boundary)의 두께는 석출물에 따라 변화되지만 입계크기는 변하지 않는 것을 알 수 있다. 1-2) 진공로를 이용하여 1,121℃와 1,204℃의 용접전 열처리를 실시하여 미세조직을 관찰하였으며, 1,121℃의 열처리 에서는 블레이드 재료 내에서 석출되며 성장한 M23C6카바이드, η(Eta), σ(Sigma) 등이 고용되었다. 그러나 GDT 111에서 가장 중요한 역할을 하는 γ´의 변화는 크게 일어나지 않았다. 1,204℃의 열처리에서는 GTD 111 기지 내에서 조대화된 γ´및 카바이드 등을 고용시키고 있었다. 이 두 열처리의 가장 큰 차이점은 조대화된 γ´의 고용여부로서, 1,121℃ 열처리 에서는 충분한 고용효과를 거둘 수 없었으며, 1,204℃의 열처리에서는 조대화된 γ´이 고용되므로 용접에 적합한 미세조직을 얻을 수 있다. 1-3) 1,121℃와 1,204℃로 열처리후 경도측정 결과 1,121℃로 열처리를 실시한 조건이 1,204℃에서 열처리를 실시한 조건보다 경도값이 HRc로 약 10 정도 높게나왔다. 동일 제질의 경우, 일반적으로 경도와 인장강도는 비례관계이며 인장강도와 연신율은 반비례하는 경향이 있다. 고온환경 하에서의 용접 정비에서는 온도에의한 연신이 큰 재질이 용접풀과 모재사이 등에서의 용접결함 발생율이 적다. 그러나, 이두개의 조건에서 용접한 시편의 미세조직 검사에서 두 조건에 따른 특이점은 발견하지 못하였다. 2-1) 용접후 열처리 공정중 에 완전고용 열처리(Full Solution Heat Treatment)를 통하여 규칙적인 γ´은 모두 고용이 되었으나, 크기가 비교적 크고 Ti 성분이 많은 γ´ 은 열처리 온도가 1,220℃을 넘지 않으면 고용되지 않았다. 그러나 Table 4-3에서 알 수 있듯이 부분적으로 고용되지 않은 크기가 큰 Primary γ´ 크리프 성질을 크게 저하시키지는 않는 것으로 관찰된다. Primary γ´은 고용열처리를 통해서 석출 및 성장하고, Secondary γ´은 시효 열처리를 통하여 석출 및 성장하는 것으로 관찰되었다. 2-2) 1,175℃와 1,204℃ 두 가지온도로 HIP처리를 실시하여 비교 관찰 하였다. 1,175℃의 HIP처리에서는 γ´ 의 변화가 크게 나타나지 않았으나, 1,204℃의 HIP 처리에서는 Primary γ´ 의 변화가 많이 나타났으며 같은 온도의 용접후 열처리와 같은 양상의 변화가 나타났다. HIP장비의 특성상 급냉 처리가 어려우므로 Primary γ´ 이 고용되었다가 다시 석출한 형태를 나타내고 있다. 2-3) HIP처리후 후열처리에서는 1,174℃에서 고용되지 않았던 γ´ 의 고용이 진행된다. HIP처리와 1,175℃ HIP처리와 1,204℃+1,121℃+843℃에서 열처리를 실시한 것이 미세조직은 더 좋은 것으로 관찰되었다.
가스터빈의 고온부품은 고온, 고압의 가혹한 환경에서 운전되기 때문에 고온 고압의 환경에서 견딜 수 있는 초내열합금을 이용하여 고온 부품을 제작하고 있다. 그러나 초내열합금을 이용하여 가스터빈의 고온부 부품을 제작하여도 고온 고압의 환경에 장시간 노출됨에 따라 재료 내부의 미세조직에 많은 변화가 일어나게 된다. 본 연구에서는 가스터빈 블레이드의 재료로 주로 사용되는 GTD 111DS로 제조된 가스터빈 블레이드의 손상에 적용되는 용접부의 전후 처리에 대한 모재와 용접부에 미치는 영향에 대해 실험을 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다. 1-1) 사용재의 미세조직은 운전시간의 변화에 따라 열화되어 γ´의 크기가 성장하고, 모양이 입방체에서 불규칙한 형태로 변화하였다. γ´의 형상을 통하여 블레이드의 냉각공 부분은 고온의 연소가스 영향을 적게 받는 것으로 나타났다. 운전시간에 따른 결정입계(Grain Boundary)의 두께는 석출물에 따라 변화되지만 입계크기는 변하지 않는 것을 알 수 있다. 1-2) 진공로를 이용하여 1,121℃와 1,204℃의 용접전 열처리를 실시하여 미세조직을 관찰하였으며, 1,121℃의 열처리 에서는 블레이드 재료 내에서 석출되며 성장한 M23C6카바이드, η(Eta), σ(Sigma) 등이 고용되었다. 그러나 GDT 111에서 가장 중요한 역할을 하는 γ´의 변화는 크게 일어나지 않았다. 1,204℃의 열처리에서는 GTD 111 기지 내에서 조대화된 γ´및 카바이드 등을 고용시키고 있었다. 이 두 열처리의 가장 큰 차이점은 조대화된 γ´의 고용여부로서, 1,121℃ 열처리 에서는 충분한 고용효과를 거둘 수 없었으며, 1,204℃의 열처리에서는 조대화된 γ´이 고용되므로 용접에 적합한 미세조직을 얻을 수 있다. 1-3) 1,121℃와 1,204℃로 열처리후 경도측정 결과 1,121℃로 열처리를 실시한 조건이 1,204℃에서 열처리를 실시한 조건보다 경도값이 HRc로 약 10 정도 높게나왔다. 동일 제질의 경우, 일반적으로 경도와 인장강도는 비례관계이며 인장강도와 연신율은 반비례하는 경향이 있다. 고온환경 하에서의 용접 정비에서는 온도에의한 연신이 큰 재질이 용접풀과 모재사이 등에서의 용접결함 발생율이 적다. 그러나, 이두개의 조건에서 용접한 시편의 미세조직 검사에서 두 조건에 따른 특이점은 발견하지 못하였다. 2-1) 용접후 열처리 공정중 에 완전고용 열처리(Full Solution Heat Treatment)를 통하여 규칙적인 γ´은 모두 고용이 되었으나, 크기가 비교적 크고 Ti 성분이 많은 γ´ 은 열처리 온도가 1,220℃을 넘지 않으면 고용되지 않았다. 그러나 Table 4-3에서 알 수 있듯이 부분적으로 고용되지 않은 크기가 큰 Primary γ´ 크리프 성질을 크게 저하시키지는 않는 것으로 관찰된다. Primary γ´은 고용열처리를 통해서 석출 및 성장하고, Secondary γ´은 시효 열처리를 통하여 석출 및 성장하는 것으로 관찰되었다. 2-2) 1,175℃와 1,204℃ 두 가지온도로 HIP처리를 실시하여 비교 관찰 하였다. 1,175℃의 HIP처리에서는 γ´ 의 변화가 크게 나타나지 않았으나, 1,204℃의 HIP 처리에서는 Primary γ´ 의 변화가 많이 나타났으며 같은 온도의 용접후 열처리와 같은 양상의 변화가 나타났다. HIP장비의 특성상 급냉 처리가 어려우므로 Primary γ´ 이 고용되었다가 다시 석출한 형태를 나타내고 있다. 2-3) HIP처리후 후열처리에서는 1,174℃에서 고용되지 않았던 γ´ 의 고용이 진행된다. HIP처리와 1,175℃ HIP처리와 1,204℃+1,121℃+843℃에서 열처리를 실시한 것이 미세조직은 더 좋은 것으로 관찰되었다.
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