$\require{mediawiki-texvc}$
  • 검색어에 아래의 연산자를 사용하시면 더 정확한 검색결과를 얻을 수 있습니다.
  • 검색연산자
검색연산자 기능 검색시 예
() 우선순위가 가장 높은 연산자 예1) (나노 (기계 | machine))
공백 두 개의 검색어(식)을 모두 포함하고 있는 문서 검색 예1) (나노 기계)
예2) 나노 장영실
| 두 개의 검색어(식) 중 하나 이상 포함하고 있는 문서 검색 예1) (줄기세포 | 면역)
예2) 줄기세포 | 장영실
! NOT 이후에 있는 검색어가 포함된 문서는 제외 예1) (황금 !백금)
예2) !image
* 검색어의 *란에 0개 이상의 임의의 문자가 포함된 문서 검색 예) semi*
"" 따옴표 내의 구문과 완전히 일치하는 문서만 검색 예) "Transform and Quantization"
쳇봇 이모티콘
안녕하세요!
ScienceON 챗봇입니다.
궁금한 것은 저에게 물어봐주세요.

논문 상세정보

가스터빈 단결정 블레이드 사용품의 특성변화

Changes in Material Properties of Used Gas Turbine Blade Made of Single- Crystal Superalloy

초록

고온의 연소가스에서 운전되는 국내 가스터빈 부품들은 매일 기동정지를 반복함으로써 열사이클에 의해 재료특성에 변화가 발생한다. 최근 많은 가스터빈 고온부품들이 단결정 초내열 합금으로 제작되어 지지만 재료열화 예측을 통한 부품 교체와 정비에 대한 기준이 없어서 대부분 제작사에 의존하고 있는 실정이다. 본 연구에서는 향후 수명평가와 손상분석의 기초자료로 활용하기 위해 실제 운전된 가스터빈 1 단 블레이드의 열화상태를 조사하였다. 사용한 블레이드는 25,000 및 52,000 의 등가운전시간(EOH : Equivalent Operating Hour)을 가졌으며, 재질은 단결정 초내열합금인 CMSX-4 이다. 사용된 블레이드에서 직접 시험편을 채취하여 기계적특성 시험 및 미세조직을 관찰하였다.

Abstract

The material properties of gas turbine components change during the daily start/stop thermal cycle because of exposure to the hot combustion gas. Recently, single-crystal Ni-based superalloys have been used to manufacture many hot-gas components for gas turbines. However, the user needs to depend on the manufacturer for maintenance issues because of the lack of data required for predicting blade life and material degradation. In this study, we investigate the time-dependent degradation of first-stage blades at various operating facilities to collect the basic data for life assessment and damage analysis. The blade material is a single-crystal Ni-based superalloy, CMSX-4, and the EOH (equivalent operating hours) are 25,000 and 52,000, respectively. We prepared the test specimen directly from used blades and carried out mechanical tests and microstructural observations.

질의응답 

키워드에 따른 질의응답 제공
핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
블레이드
본 연구에서 실험에 사용된 블레이드의 스펙은 어떠한가?
단결정 니켈기 초내열합금, CMSX-4 이며, 이 가스터빈의 입구온도는 약 1200℃로 재생정비를 하지 않고 계속 사용하여 등가운전시간이 각각 25,000 및 52,000EOH 이다

본 실험에 사용된 블레이드의 재료는 단결정 니켈기 초내열합금, CMSX-4 이며, 이 가스터빈의 입구온도는 약 1200℃로 재생정비를 하지 않고 계속 사용하여 등가운전시간이 각각 25,000 및 52,000EOH 이다. 이 소재로 제작된 블레이드는 사용 후 아직 국내에서 재생정비한 실적이 없고 제작사 추천으로 1 주기(약 24,000EOH) 운전 후 대부분 새로운 부품으로 교체하고 있다.

1 단 블레이드
가스터빈의 1 단 블레이드는 무엇을 사용하며, 중요한 이유는 무엇인가?
대부분 니켈(Ni)기 초내열 합금을 사용하는데 모재의 감마프라임(γ‘)상에 대한 평가는 열화의 정도를 알 수 있게 해주는 중요한 파라미터이다

가스터빈 고온부품 중에서 다른 부품보다 운전환경이 열악한 1 단 블레이드는 대부분 니켈(Ni)기 초내열 합금을 사용하는데 모재의 감마프라임(γ‘)상에 대한 평가는 열화의 정도를 알 수 있게 해주는 중요한 파라미터이다.(3) 또한 모재 경도, 인장강도, 응력파단강도 및 열기계 피로 특성도 수명을 예측할 수 있는 파라미터로 사용되며,(4) 특히 모재를 보호하기 위해 적용된 외부 코팅은 연소가스에 의해 심하게 열화 되므로 표면손상상태를 조사하는 것도 모재의 손상을 예측하는데 있어서 매우 중요하다.

단결정 니켈기 초합금 CMSX-4
본 연구에서 운전시간이 25,000 및 52,000EOH인 단결정 니켈기 초합금 CMSX-4 블레이드를 분석한 결론은 무엇인가?
(1) 리딩에지와 상부 트레일링에지 부위 소손 및 일부 열차폐코팅층은 탈락되고 냉각홀에는 많은 균열들이 관찰 되었으며, 상부 리딩에지 그리고 상부와 중간부의 트레일링에지 영역 미세조직에서는 감마프라임의 조대화, 합체 및늘어남의 진행이 확인되었는데 운전시간 의 증가에 따라 이러한 손상들이 증가하였다.(2) 리딩에지와 트레일링에지에서 경도값이 감소하고 운전시간 증가에 따라서도 감소하였는데, 이러한 경도 감소의 경향은 대체로 리딩에지 및트레일링에지 미세조직의 열화 정도와 일치하였다. 따라서 블레이드의 열화는 상부영역에서 시작하여 하부로 진행되며, 리딩에지에서 시작하여 트레일링에지 영역으로 진행됨을 알 수 있다.(3) 에어포일에서 인장강도와 응력파단 시간은 하부에 비해 미세조직의 열화가 더 진행된 상부에서 감소폭이 다소 컸고, 운전시간에 따른 차이는 발생하지 않았다. 그러나 루트에 비해 에어포일의 강도가 높게 나타났는데, 루트에는 주조과정에서 생긴 기공들이 많이 분포되어 있으며, 에어포일은 단결정이지만 루트에서는 결정립계가 형성되었기 때문인 것으로 판단된다.(4) 일반적으로 사용품 블레이드의 열화 평가시 신재와 비교가 어려울 경우 온도와 응력의 영향을 덜 받는 루트를 건전한 부위로 보고 기준을 삼는 경우가 많은데 본 블레이드의 경우 기공이 많이 분포되어 있고 주조조직이 다른 루트를 기준으로 삼아 열화상태나 수명을 평가하는 것은 적절하지 않다.(5) 장시간 고온에서 운전함에 따라 본드 코팅층 내의 알루미늄은 표면으로 확산하여 계면산화층(TGO)을 형성하며, 코팅층 계면과 가까운 탑(top) 코팅층 내부에는 균열이 발생되어 성장하였다. 또한 운전시간의 증가에 따라 코팅층 내부 균열 밀도뿐만 아니라 깊이 또한 크게 증가하고 본드코팅층을 거쳐 모재 내로 진행한 균열의 수도 증가하였다.(6) 상기 결과를 활용하여 본 단결정 재질의 블레이드에서도 열화 및 손상이 다소 큰 52,000EOH 블레이드에 비해 25,000EOH 블레이드는 다결정이나 일방향응고 블레이드처럼 균열제거, 손상부 용접정비, 열처리 및 코팅 재실시를 통한 재생정비를 수행하여 수명연장이 가능할 것으로 판단된다.

(1) 리딩에지와 상부 트레일링에지 부위 소손 및 일부 열차폐코팅층은 탈락되고 냉각홀에는 많은 균열들이 관찰 되었으며, 상부 리딩에지 그리고 상부와 중간부의 트레일링에지 영역 미세조직에서는 감마프라임의 조대화, 합체 및늘어남의 진행이 확인되었는데 운전시간 의 증가에 따라 이러한 손상들이 증가하였다. (2) 리딩에지와 트레일링에지에서 경도값이 감소하고 운전시간 증가에 따라서도 감소하였는데, 이러한 경도 감소의 경향은 대체로 리딩에지 및트레일링에지 미세조직의 열화 정도와 일치하였다. 따라서 블레이드의 열화는 상부영역에서 시작하여 하부로 진행되며, 리딩에지에서 시작하여 트레일링에지 영역으로 진행됨을 알 수 있다. (3) 에어포일에서 인장강도와 응력파단 시간은 하부에 비해 미세조직의 열화가 더 진행된 상부에서 감소폭이 다소 컸고, 운전시간에 따른 차이는 발생하지 않았다. 그러나 루트에 비해 에어포일의 강도가 높게 나타났는데, 루트에는 주조과정에서 생긴 기공들이 많이 분포되어 있으며, 에어포일은 단결정이지만 루트에서는 결정립계가 형성되었기 때문인 것으로 판단된다. (4) 일반적으로 사용품 블레이드의 열화 평가시 신재와 비교가 어려울 경우 온도와 응력의 영향을 덜 받는 루트를 건전한 부위로 보고 기준을 삼는 경우가 많은데 본 블레이드의 경우 기공이 많이 분포되어 있고 주조조직이 다른 루트를 기준으로 삼아 열화상태나 수명을 평가하는 것은 적절하지 않다. (5) 장시간 고온에서 운전함에 따라 본드 코팅층 내의 알루미늄은 표면으로 확산하여 계면산화층(TGO)을 형성하며, 코팅층 계면과 가까운 탑(top) 코팅층 내부에는 균열이 발생되어 성장하였다. 또한 운전시간의 증가에 따라 코팅층 내부 균열 밀도뿐만 아니라 깊이 또한 크게 증가하고 본드코팅층을 거쳐 모재 내로 진행한 균열의 수도 증가하였다. (6) 상기 결과를 활용하여 본 단결정 재질의 블레이드에서도 열화 및 손상이 다소 큰 52,000EOH 블레이드에 비해 25,000EOH 블레이드는 다결정이나 일방향응고 블레이드처럼 균열제거, 손상부 용접정비, 열처리 및 코팅 재실시를 통한 재생정비를 수행하여 수명연장이 가능할 것으로 판단된다.

질의응답 정보가 도움이 되었나요?

저자의 다른 논문

참고문헌 (6)

  1. Swaminathan, V. P., Cheruvu, N. S., Klein, J. M. and Robinson, W. M., 1998, "Microstructure and Property Assessment of Conventionally Cast and Directionally Soilidified Buckets Refurbished After Long-Term Service,” International Gas Turbine & Aeroengine Congress & Exhibition Proceedings, 98-GT-510, Sweden. 
  2. Lvov, E. and Norsworthy, D., 2000, "Influence of Previous Service History on the Microstructure of Rejuvenated Superalloy Gas Turrbine Blades After Their Return to Service,” 4th International RRAC Conference, Welding and Repair Technology for Power Plants, Florida. 
  3. Sajjadi, S. A., Nategh, S. and Guthrie, R. I. L., 2002, "Study of Microstructure and Mechanical Properties of High Performance Ni-Base Superalloy GTD-111,” Material Science Engineering A, 325, pp. 484-489. 
  4. Viswanathan, R., 1989, "Damage Mechanisms and Life Assessment of High-Temperature Components,” ASM International, pp. c. 
  5. Kameda, J., Bloomer, T. E., Sugita,Y., Ito, A. and Sakurai, S., 1997, "High Temperature Environmental Attack and Mechanical Degradation of Coatings in Gas Turbine Blades,” Material Science Engineering A, 229, pp. 42-44. 
  6. Yoo, K. B. and Lee, H. S., 2009, "Degradation Characteristics of CMSX-4 Gas Turbine Blade with Operation Hours,” Proc. of the 23rd Conference on Advanced Structural Materials, pp. 296-307. 

문의하기 

궁금한 사항이나 기타 의견이 있으시면 남겨주세요.

Q&A 등록

원문보기

원문 PDF 다운로드

  • ScienceON :

원문 URL 링크

원문 PDF 파일 및 링크정보가 존재하지 않을 경우 KISTI DDS 시스템에서 제공하는 원문복사서비스를 사용할 수 있습니다. (원문복사서비스 안내 바로 가기)

이 논문 조회수 및 차트

  • 상단의 제목을 클릭 시 조회수 및 차트가 조회됩니다.

DOI 인용 스타일

"" 핵심어 질의응답