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문제 정의
- 본 연구에서는 현재 가스터빈 블레이드용 내열재료로 널리 사용되고 있는 니 켈계 초합금 (IN738LC) 에 대하여 HIP 처리를 실행함으로써, HIP 처리 전후의 미세조직 변화를 관찰하고. 이러한 미세조직 변화가 고온 피로 수명에 미치는 영향을 조사하여 재질 재생에 있어서 HIP 처리의 유효성 여부를 확인코저 하였다.
- 관찰하고. 이러한 미세조직 변화가 고온 피로 수명에 미치는 영향을 조사하여 재질 재생에 있어서 HIP 처리의 유효성 여부를 확인코저 하였다. 이를 위하여 열처리 및 HIP 공정단계에 따른 미세조직 변화를 관찰하여 반복 HIP 처리가 주조결함의 완전 제거와 열화조직의 재생에 의하여 재료의 사용 수명을 효과적으로 연장시키는지 여부를 조사하였다.
제안 방법
- 열처리는 대기중 1120℃에서 2시간 용체화 처리한 것을 다시 845℃에서 24시간 등온시효한 후 공냉하여 조대한 입방형의 1차 / 상과 미세한 구형의 2차 / 상이 서로 혼재한 2중 / 조직을 얻었다J0 그러나 주조재와 열처리재에 1%가 넘는 높은 체 적분율의 주조결함이 내포되어 물성이 열악함에 따라, 열처리 재를 다시 HIP 처리하여 결함을 크게 제거시킨 1차 HIP 처리재를 표준 조직으로 정하였다. 1차 HIP 처리 후에는 고온 (760℃) 피로수명의 33% 수준까지 피로변형을 가한 후, 다시 동일 조건으로 반복 HIP 처리 (2차 HIP 처리 재) 하여 피로변형에 의한 재질 열화가 HIP 처리에 의해 완전히 신재 수준으로 회복되는지의 여부를 확인하였다.
- HIP 처리 후에는 대기중에서 열처리함으로써 도입될 수 있는 시편 표면 부 산화층 형성에 의한 악영향을 배제하기 위해 상기와 같은 후열처리는 행하지 않았다. 각 공정 단계별로 IN738LC 합금의 피로수명을 평가하기 위한 피로시험은 SHIMADZU의 Model H7 회전 굽힘 피로시험기를 사용하여 323MPa의 굽힘응력 조건에서 2000rpm (~33Hz) 의회전속 도로 대기중 760 ℃ 에서 수행하였다. 피로시편은 그림 1과 같은 직경이 8mm이고 평행부 길이가 15.
- 각각의 공정에 따른 Y 상, 탄화물 및 결함의 조직 변화를 관찰하기 위하여 HIP 처리 및 고온 피로변형 전후의 미세조직을 비교관찰하였다. 내부결함 제거효과 확인을 위해서 1㎛ 수준까지 다이아몬드 연마제로 기계적 연마한 것을 그대로 광학현미경으로 관찰하였다.
- 5V의 조건으로 1분 10초간 전해 에칭하였다. 결함 및 석출물의 크기와 체적분율 등을 비교 조사하기 위하여 Leica의 Quantimet 600 시스템을 이용하여 이미지 분석을 실시하였으며, 각각의 상의 크기는 측정 면적을 원으로 환산하였을 때의 환산 직경을 이용하여 비교하였다.
- 광학현미경으로 잘 관찰되지 않는 미소한 결함의 존재를 확인하기 위하여 주사전자현미 경으로 에칭전 미세조직을 관찰하였다. 그림 4는 100만 사이클 이하의 비교적 짧은 피로 수명을 보였던 1차 HIP 처리재 조직에서 관찰되는 극미량의 잔존 결함인데, 모두 시편 표면부에서만 관찰되는 것이 특징이다.
- 내부결함 제거효과 확인을 위해서 1㎛ 수준까지 다이아몬드 연마제로 기계적 연마한 것을 그대로 광학현미경으로 관찰하였다. 기상 형상변화 관찰을 위한 주사전자현미경 (SEM) 관찰은 EDS가 장착된 Jeol JSM-5410LV를 이용하여 가속전압 20kV에서 관찰하였으며, 이를 위한 시편은 증류수 (17On0 + 질산 (23) + 빙초산 (10i) 용액으로 1.5V의 조건으로 1분 10초간 전해 에칭하였다. 결함 및 석출물의 크기와 체적분율 등을 비교 조사하기 위하여 Leica의 Quantimet 600 시스템을 이용하여 이미지 분석을 실시하였으며, 각각의 상의 크기는 측정 면적을 원으로 환산하였을 때의 환산 직경을 이용하여 비교하였다.
- 비교관찰하였다. 내부결함 제거효과 확인을 위해서 1㎛ 수준까지 다이아몬드 연마제로 기계적 연마한 것을 그대로 광학현미경으로 관찰하였다. 기상 형상변화 관찰을 위한 주사전자현미경 (SEM) 관찰은 EDS가 장착된 Jeol JSM-5410LV를 이용하여 가속전압 20kV에서 관찰하였으며, 이를 위한 시편은 증류수 (17On0 + 질산 (23) + 빙초산 (10i) 용액으로 1.
- 반복 HIP 처리가 고온 피로수명 연장에 효과적인지를 확인하기 위하여 임의 단계마다 인위적으로 피로시험을 중단한 후 HIP 처리를 수행하고 다시 잔여 피로수명을 측정하였다. As-cast 상태에서의 피로수명을 1로 놓았을 때 반복 HIP 처리에 따른 수명연장 효과를 그림 11에 비교하여 나타냈다.
- 이러한 미세조직 변화가 고온 피로 수명에 미치는 영향을 조사하여 재질 재생에 있어서 HIP 처리의 유효성 여부를 확인코저 하였다. 이를 위하여 열처리 및 HIP 공정단계에 따른 미세조직 변화를 관찰하여 반복 HIP 처리가 주조결함의 완전 제거와 열화조직의 재생에 의하여 재료의 사용 수명을 효과적으로 연장시키는지 여부를 조사하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 진공 정밀주조하여 봉상형태의 주괴 (ingot) 로 제조한 IN738LC 니 켈계 초내 열합금을 사용하였으며, 그 합금조성을 표 1에 나타냈다. 열처리는 대기중 1120℃에서 2시간 용체화 처리한 것을 다시 845℃에서 24시간 등온시효한 후 공냉하여 조대한 입방형의 1차 / 상과 미세한 구형의 2차 / 상이 서로 혼재한 2중 / 조직을 얻었다J0 그러나 주조재와 열처리재에 1%가 넘는 높은 체 적분율의 주조결함이 내포되어 물성이 열악함에 따라, 열처리 재를 다시 HIP 처리하여 결함을 크게 제거시킨 1차 HIP 처리재를 표준 조직으로 정하였다.
- 각 공정 단계별로 IN738LC 합금의 피로수명을 평가하기 위한 피로시험은 SHIMADZU의 Model H7 회전 굽힘 피로시험기를 사용하여 323MPa의 굽힘응력 조건에서 2000rpm (~33Hz) 의회전속 도로 대기중 760 ℃ 에서 수행하였다. 피로시편은 그림 1과 같은 직경이 8mm이고 평행부 길이가 15.4mm인봉상 시편을 사용하였다.
데이터처리
- 1차 HIP 처리재의 평균 피로수명의 33%에 해당하는 200만 사이클의 고온 피로변형을 가한 후 다시 동일 조건으로 2차 HIP 처리한 시편의 피로 데이터를 그림 10에 1 차 HIP 처리재 데이터와 비교하여 나타냈다. 그림에서 2 차 HIP 처리재의 피로수명이 1차 HIP 처리재와 비교하여 2배 가까이 증가하였을 뿐만 아니라 시편간의 물성치도 크게 균일해졌음을 알 수 있다.
성능/효과
- 않는다. 반복 H1P 처리가 주조결함 제거에 매우 효과적이 긴 하지만 인위적으로 결함을 도입한 시편을 대상으로 한 HIP 처리 실험""에서는 일정 크기 이상의 매우 조대한 결함의 경우, 형상과 위치에 따라 소멸 용이도가 크게 달라지는 것으로 나타났다. 즉, 동일한 환산 직 경을 가지더라도 결함의 형태가 구형보다는 한 방향으로 길죽하게늘어진 형태를 가질수록 (즉, 종횡비 (aspect ratio) 가 클수록) 소성변형에 의한 결함 내벽의 접촉이 쉽고 확산접합 (diffusion bonding) 에 의한 결함의 제거가 용이한 것으로 나타났다.
- 1) IN738LC 초합금 주조재에 포함된 주조결함은 단순 열처리에 의해서는 거의 제거되지 않고, 국부 응력집중 점으로 작용함으로써 고온 피로수명을 극도로 단축시키는 요인으로 작용했다.
- 2) 고온등압압축 공정은 as-cast 및 열처리재에 내포된 다량의 주조결함을 효과적으로 제거하고 열화된 조직을 회복시킴으로써, HIP 처리전과 비교하여 고온 피로수명이 수십 배 연장되고 조직이 균일화되는 경향을 보였다.
- 3) 시편 표면과 연결된 결함은 HIP 처리에 의해서 제거되지 않고 피로수명 단축의 주 원인으로 작용하였으며, 시편 표면부에 존재하는 열린 구조의 결함까지 제거하기 위해서는 표면코팅과 같은 전처리가 선행되어야 할 것으로 판단된다.
- 4) 결함의 크기, 형상 및 위치에 따라 한번의 HIP 처리에 의해 제거되지 못하고 잔존하는 결함이 관찰되었는데, 형상은 종횡비가 증가할수록, 크기는 50㎛ 미만으로 미세할수록 그리고 시편의 표면부보다는 중심부에 위치할수록 HIP 처리에 의한 결함의 제거가 용이한 것으로 나타났다.
- 5) 일정 변형률 간격으로 HIP 처리를 반복 수행함으로써 고온 피로변형재의 피로수명을 1차 HIP 처리재 대비 최소한 3배 이상 연장시키는 것이 가능하였으며, HIP 처리 효과의 극대화 및 경제성 확보를 위해서는 적절한 HIP 처리 적용 시점의 선정이 매우 중요한 것으로 판단된다.
- As-cast 및 열처리재와는 대조적으로 HIP 처리한 시편에서는 피로수명이 수십배 증가한 것으로 나타났다. 1차 HIP 처리재의 경우, 표면부에 결함이 존재함으로써 10만 사이클 미만의 비정상적 피로수명을 보인 18% 정도의 시편들을 제외한 나머지 시편들에 대하여 평균 피로수명을 계산한 결과, 대략 600만 사이클의 피로수명을 보였다(그림 6).
- 이것은 HIP 처리가 수백 /an 수준으로 매우 조대한 내부결함 제거에 효과적으로 적용할 수 있음을 의미한다. 그러나 결함이 시편의 표면부에 집중된 경우에는 그림 3과 같이 HIP 처리의 효과가 전혀 나타나지 않았으며, 이로 인하여 전체 시험편의 약 18%는 H1P 처리 후에도 10만 사이클 미만의 매우 짧은 피로수명을 나타냈다.
- 나타냈다. 그림으로부터 as-received 주조재와 열처리재에서 직경 100㎛ 전후의 조대한 내부결함이 평균 1.04 ~ 1.55%의 매우 높은 체적분율로 존재하는 반면, HIP 처리후에는 내부결함이 거의 완전히 제거 스0.0037%) 되어 광학현미경 수준에서 쉽게 관찰되지 않음을 알 수 있다. 주조재 및 열처리재에서 발견되는 결함은 모두 주조공정에서 도입된 주조결함", 으로 각각의 크기는 일부를 제외하고는 보통 100/zm 미만이지만 합금원소의 편석과 마찬가지로 수지상 가지 사이에 작은 결함들이 집중 분포함으로써 거시적으로는 수백 ㎛ 수준의 보다 큰 결함의 역할을 하였다.
- 38/zm 정도로 주조조직에서보다 다소 증가하였는데, 이는 부분적으로 HIP 처리후의 냉각속도(< 100 ℃/min) 잉곳의 응고 속도보다 느린 것에 기 인하는 것으로 사료된다. 또한 / 상의 형상이 보다 입방형에 접근하고 체적분율이 대략 78%로, 주조재 (83%)보다 치밀도가 낮게 나타났다. 그러나 1차 HIP 처리재를 대상으로 76CTC에서 피로수명의 33%에 해당하는 고온 피로변형 (323MPa에서 200만 사이클)을 가한 시편의 변형조직은 상기 열처리 조직과 거의 동일한 2중 / 상 구조를 보인다 (그림 5(h)).
- 그림으로부터 주조재를 HIP 처리하여 조직을 치밀화시켰을 때 피로수명이 평균 25배 정도 증가하며, 이후 변형 재를 대상으로 일정 변형률 간격으로 HIP 처리를 반복할 때마다 초기 수준 이상으로 피로수명이 회복됨을 알 수 있다. 또한 HIP 처리 적용 시점의 영향을 비교조사하기 위하여 2차 HIP 처리의 경우 각각 1차 HIP처리재 평균 피로 수명의 25% (그림 11의 2nd HIPed-I), 40% (2-II) 선에서, 3차 H1P 처리의 경우에는 2차 HIP 처리재 평균 피로 수명의 50%(그림 11의 3rd HIPed-I) 와 90% (3-11) 수준에서 각각 피로시험을 중단하고 HIP 처리하였는데, HIP 처리 수행 시점에 따라 다소 다른 경향을 보였다. 즉, 평균 피로 수명의 대략 절반 이내에서 HIP 처리를 수행했을 경우에는 피로변형 정도에 무관하게 초기 조직보다 28% 정도 증가한 피로수명이 관찰되었다.
- 이것은 피로현상 외에도 크리프 변형이 중요하게 작용하는 실제 터빈 블레이드에 있어서도 수명연장을 위한 H1P 처리 적용 시점의 선정이 매우 중요할 것임을 의미한다. 전체적으로는 H1P 처리 적용 시점에 무관하게 HIP 처리를 반복함으로써 총 피로수명을 1차 HIP 처리 재 수명의 최소 3배 이상 연장하는 것이 가능하며, 이를 통하여 고욘구조재의 사용 수명 연장에 있어 HIP 처리가 매우 유용하게 사용될 수 있음을 확인하였다.
- 반복 H1P 처리가 주조결함 제거에 매우 효과적이 긴 하지만 인위적으로 결함을 도입한 시편을 대상으로 한 HIP 처리 실험""에서는 일정 크기 이상의 매우 조대한 결함의 경우, 형상과 위치에 따라 소멸 용이도가 크게 달라지는 것으로 나타났다. 즉, 동일한 환산 직 경을 가지더라도 결함의 형태가 구형보다는 한 방향으로 길죽하게늘어진 형태를 가질수록 (즉, 종횡비 (aspect ratio) 가 클수록) 소성변형에 의한 결함 내벽의 접촉이 쉽고 확산접합 (diffusion bonding) 에 의한 결함의 제거가 용이한 것으로 나타났다. 그러나 HIP 처리에 의한 결함제거 효과는 곡률반경을 결정하는 결함의 형상외에도 표면 에너지에 영향을 미치는 결함 내면의 청정도와 분위기 및 결함내부의 가스압 등이 복합적으로 작용하기 때문에 아직까지 정확한 기구 규명이 이루어지지 않고 있다.
- 또한 HIP 처리 적용 시점의 영향을 비교조사하기 위하여 2차 HIP 처리의 경우 각각 1차 HIP처리재 평균 피로 수명의 25% (그림 11의 2nd HIPed-I), 40% (2-II) 선에서, 3차 H1P 처리의 경우에는 2차 HIP 처리재 평균 피로 수명의 50%(그림 11의 3rd HIPed-I) 와 90% (3-11) 수준에서 각각 피로시험을 중단하고 HIP 처리하였는데, HIP 처리 수행 시점에 따라 다소 다른 경향을 보였다. 즉, 평균 피로 수명의 대략 절반 이내에서 HIP 처리를 수행했을 경우에는 피로변형 정도에 무관하게 초기 조직보다 28% 정도 증가한 피로수명이 관찰되었다. 이것은 앞의 미세조직 관찰로부터 확인한 바와 마찬가지로 H1P 처리에 의하여 피로변형에 의한 조직 열화가 대부분 회복되었을 뿐만 아니라 잔존해 있던 미소결함까지 추가 소멸되는 것에 기인하는 것으로 판단된다.
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