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문제 정의
- 12Cr 합금강의 내 환경 특성(corrosion resistance characteristics)을 평가하고, 수명예측 및 건전성 평가를 위한 재질 물성치 확보를 위하여 결정구조의 입자크기에 따른 응력부식강도평가를 위한 실험을 실시하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- 5wt.% NaCl수용액에서 결정립 조직에 따른 응력부식강도를 평가하였다. 실험을 위한 시편은 실제 사용된 저압단 터빈 블레이드로부터 채취하였으며, 실험온도는 저압단의 터빈 운전조건과 유산한 90℃에서 실시하였다.
- 01 l/min 로 계속해서 질소가스를 수용액에 주입하였다. 그리고 시편과 부식용액 간의 전기화학적 반응(electrochemical reaction)에 의한 화학적 평형을 고려하여 실험이 진행되는 동안 주기적으로 용액을 교환하였으며, 용액교환 시에도 동일한 방법으로 용존산소를 제거한 후 실험을 진행하였다. 부식조(corrosion cell)내의 시편에 가해지는 NaCl 수용액의 온도를 90℃ 로 일정하게 유지하기 위해서는 예열기(pre-heater)인 용액수조(solution chamber)에 히터(heater)를 부착하고 열전대(thermo Couple)로 용액의 온도를 측정하여 제어되도록 하였다.
- 그리고 시편과 부식용액 간의 전기화학적 반응(electrochemical reaction)에 의한 화학적 평형을 고려하여 실험이 진행되는 동안 주기적으로 용액을 교환하였으며, 용액교환 시에도 동일한 방법으로 용존산소를 제거한 후 실험을 진행하였다. 부식조(corrosion cell)내의 시편에 가해지는 NaCl 수용액의 온도를 90℃ 로 일정하게 유지하기 위해서는 예열기(pre-heater)인 용액수조(solution chamber)에 히터(heater)를 부착하고 열전대(thermo Couple)로 용액의 온도를 측정하여 제어되도록 하였다. 또한 부식조는 부식용액에 의한 부식작용을 방지하기 위해 아크릴(acryl)로 제작하였으며, 시험편과 부식조의 결합형태는 Fig.
- 시험편은 그립(grip)부의 나사가 부식액에 접촉하는 것을 방지하기 위하여 Fig. 3 과 같이 내부 나사로 가공하였으며, 응력집중이 발생되지 않도록 측정길이(gage length) 및 시편 전체길이를 충분히 길게 하였다.
- 실험을 위한 시편은 실제 사용된 저압단 터빈 블레이드로부터 채취하였으며, 실험온도는 저압단의 터빈 운전조건과 유산한 90℃에서 실시하였다. 실험결과를 바탕으로 블레이드 재질의 미세조직(micro-structure)에 따른 응력부식 강도를 평가하였다. 하였다.
- 0~3 사이이다. 조대입자는 결정입도의 크기에 따라 시험편을 3 단계로 나누어서 제작하였다. ASTM No.
대상 데이터
- 조대입자는 결정입도의 크기에 따라 시험편을 3 단계로 나누어서 제작하였다. ASTM No.6 이상의 조밀입자는 형 단조 블레이드로부터 채취가 불가능하였기 때문에 길이가 작은 블레이드 제작에 사용되는 평철을 이용하여 시편을 제작하였다. Table 2 에 시험편의 결정입도를 분류하였다.
- 응력부식에 의한 재료열화특성과 파단 수명(failure life)을 평가하기 위한 시험편 재료는 저압단 터빈 블레이드용 12Cr 합금강이며, 재료의 화학적 성분은 Table 1 과 같다. 시험편은 조밀입자(fine grain)과 조대입자(coarse grain)로 나누어 제작하였으며, 조대입자 시험편의 경우 실제 블레이드의 결정입도를 반영하기 위하여 형 단조가 완료된 블레이드로부터 채취하였다.
- % NaCl수용액에서 결정립 조직에 따른 응력부식강도를 평가하였다. 실험을 위한 시편은 실제 사용된 저압단 터빈 블레이드로부터 채취하였으며, 실험온도는 저압단의 터빈 운전조건과 유산한 90℃에서 실시하였다. 실험결과를 바탕으로 블레이드 재질의 미세조직(micro-structure)에 따른 응력부식 강도를 평가하였다.
- 응력부식에 의한 재료열화특성과 파단 수명(failure life)을 평가하기 위한 시험편 재료는 저압단 터빈 블레이드용 12Cr 합금강이며, 재료의 화학적 성분은 Table 1 과 같다. 시험편은 조밀입자(fine grain)과 조대입자(coarse grain)로 나누어 제작하였으며, 조대입자 시험편의 경우 실제 블레이드의 결정입도를 반영하기 위하여 형 단조가 완료된 블레이드로부터 채취하였다.
- 일반적으로 결정입도가 작을수록 기계적 성질이 우수한 것으로 알려져 있지만, 본 실험에서는 비록 제조 공정이 상이할지라도 동일한 기계적 성질을 갖는 재질을 선정하였다. 시편 제작에 사용된 재질의 기계적 성질을 Table 3 에 정리하였다.
- 전위측정 오차를 최소화하기 위해 시험편에 부착되는 전위측정용 와이어(wire)는 백금 와이어(Pt wire)를 사용하였고, 전위측정 시간 동안 일정전류를 공급하기 위해 정류기(AVR)를 사용하였으며, 전위측정은 나노 볼트메타(nano-volt meter)를 사용하였다.
- 1 은 형 단조 블레이드로부터 조대입자 시험편 채취 위치와 상황을 나타낸 것이다. 조밀입자 시험편은 평철(flat bar) 형태의 원 소재(raw material)로부터 시험편을 채취하고 가공하였다. 평철은 고온 롤링(hot rolling)으로 제작한 후 블레이드 제작에 적당한 크기로 절단하여 열처리를 실시한 재료이다.
이론/모형
- 금속재료가 부식성 환경에 놓이게 되면 전기화학적 부식작용에 의해 재료표면에는 부식 생성물인 보호피막이 피복되어 있기 때문에, 부식 피트 발생, 피트로부터 균열의 발생 및 성장거동 등 재료표면 상황을 육안으로 관찰하기 어렵다. 따라서, 본 연구에서는 비파괴측정법인 직류전위차법(DCPD method)을 사용하여 응력부식균열 발생 수명 측정을 시도하였다. DCPD법은 도체인 시험체에 전류(current)가 흐르도록 한 후, 시험체 중에 형성된 전위(electric potential) 분포를 계측해서 표층부의 결함이나 두께변화 등을 감지하는 방법으로 전기저항법(electric resistance method) 이라고도하며, DCPD법의 회로는 Fig.
- 시험편의 결정입도 기준은 ASTM E112 를 적용하였다. 조밀입자의 경우 ASTM No.
성능/효과
- (1) 약 17,976 시간의 응력부식균을 실시한 결과 상대적으로 낮은 하중인(0.7~0.8)σy 영역의 6 개의 시편이 파단되지 않았다.
- 2 년) 이내에 발생하는 것으로 파악되고 있어, 부식(corrosion)의 영향이 매우 큰 것으로 밝혀지고 있다.(1) 저압단 터빈 블레이드 (turbine blade) 재료로 사용되는 12Cr 합금강은 증기(vapor)가 고 순도인 경우 내식성(corrosion resistance)에 대해서는 신뢰성(reliability)이 높은 것으로 평가된다. 그러나 증기터빈에 유입되는 증기를 면밀히 분석한 결과에 의하면, 유입증기는 실제로 순수한 증기가 아니고, 각 종의 불순물들이 포함되어 있으며, 특히 염화물(chlorides)과 황화물(sulfides)이 부식피로강도 및 응력부식강도를 저하시키는 주된 환경인자로 평가되고 있다.
- (3) 부식용액의 농도 변화에 따른 파단수명 해본 결과, 조밀입자나 조대입자 공히 농도 변화에 따른 수명의 차이를 발견할 수 없었다.
- (4) 파단면의 미세조직 분석결과, 조대입자의 응력부식균열 거동은 주 오스테나이트 (primary austenite) 결정 입계가 아닌 서브 입계(sub grain boundary)를 따라 진전하였다. 이것은 조밀입자와 동일한 균열진전 특성을 나타내는 것으로서, 실험 결과, 응력부식균열 파단 수명에 큰 차이를 보이지 않는 이유로 추정된다.
- 그러나 부하응력이 높은 경우는 단시간에 파단 되는 결과를 보였는데, 이 경우의 파단면은 정상적인 응력부식작용의 결과로 파단된 것이 아니고, 단순히 부하응력에 의해 전단(shear)되었음을 확인할 수 있었다.
- % 저 하중 영역에서 차이가 발생되었지만, 차이 값이 미소하여 모두 95% 신뢰수준에 포함되었다. 따라서, 실험 결과로 볼 때 12Cr 합금강의 결정입도는 응력부식균열 파단 수명에 큰 영향이 없는 것으로 판단된다.
- 총 37 개의 시험편에 대하여 최대 약 17,976 시간 시험을 실시한 결과 21 개의 시험편이 파단 되었으며, 상대적으로 낮은 하중에 있는 16 개의 시험편은 파단이 발생하지 않았다. 2.
- 파단된 시편을 가로 방향으로 절단하여 파단면을 관찰해 보면 조대입자의 경우 응력부식균열의 진전이 결정입계(grain boundary)를 따라 진전하지 않고 입내로 진전하고 있음을 확인할 수 있었다. 이는 조대입자 내에 존재재하는 서브입계(sub grain boundary)에서 초기 균열이 생성되기 때문인 것으로 판단된다.
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