[논문]니켈기 초내열합금 IN738LC의 고온 저주기피로 거동

황권태; 김재훈; 유근봉; 이한상; 유영수

doi:10.3795/ksme-a.2010.34.10.1403

니켈기 초내열합금 IN738LC의 고온 저주기피로 거동
Low-Cycle Fatigue in Ni-Base Superalloy IN738LC at Elevated Temperature 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.34 no.10, 2010년, pp.1403 - 1409

황권태 (충남대학교 기계설계공학과) , 김재훈 (충남대학교 기계설계공학과) , 유근봉 (전력연구원) , 이한상 (전력연구원) , 유영수 (재료연구소)

초록
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니켈기 초내열합금은 고온 강도를 지속적으로 증가시키며 현재 비행기 엔진, 선박 엔진 및 발전용 가스터빈 고온 부품 등을 만드는 가장 중요한 소재로 오래전부터 사용되어져 왔다. 이러한 부품의 수명을 연장하기 위해서는 사용 환경과 유사한 조건에서의 피로수명 예측이 매우 중요하다. 따라서 본 연구에서는 가스터빈 블레이드 소재인 니켈기 초내열합금 IN738LC에 대하여 실제운전환경과 유사한 조건을 설정하여 다양한 변형률 범위와 온도에서 시험을 수행하였다. 저주기 피로수명을 예측하기 위하여 변형률 에너지 밀도와 파단 사이클과의 관계를 사용하였다. 수명의 예측은 시험결과를 토대로 변형률 에너지법과 Coffin-Manson법에 의하여 예측을 하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

For many years, high-strength nickel-base superalloys have been used to manufacture turbine blades because of their excellent performance at high temperatures. The prediction of fatigue life of superalloys is important for improving the efficiency of the turbine blades. In this study, low cycle fatigue tests are performed for different values of total strain and temperature. The relations between strain energy density and number of cycles before failure occurs are examined in order to predict the low cycle fatigue life of IN738LC super alloy. The results of low cycle fatigue lives predicted by strain energy methods are found to coincide with experimental data and with the results obtained by the Coffin-Manson method.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 가스터빈의 효율을 증대하고, 피로수명을 미리 예측함으로써 사고 및 경제적 손실을 방지하고 나아가 가스터빈 설계의 독자적 기술개발을 목표로 IN738LC 모재에 대하여 상온 및 고온 저주기피로시험을 수행하였다. 저주기 피로시험 결과는 Coffin-Manson법, 소성변형률 에너지법 및 전변형률 에너지법을 이용하여 저주기 피로수명 예측식을 산출하였다.

가설 설정

변형률 범위가 높아질수록 내부 균열이 많이 발견되었으며, 입계를 따라 반복 하중으로 균열진전에 의한 소성변형이 관찰되고 나머 지는 대부분 취성파괴를 보였다. (b) 상온에서 전변형률 범위가 1.4%인 시험편의 파면을 나타낸 것으로 시험편이 하중감소 없이 파단된 면을 나타낸 것이다. 파면은 인장시험 파면과 비슷한 양상으로 가지모양의 경로를 따라 전이된 입상형태로 진전하였으며, 완전 취성파면이었다.

제안 방법

저주기 피로시험 결과는 Coffin-Manson법, 소성변형률 에너지법 및 전변형률 에너지법을 이용하여 저주기 피로수명 예측식을 산출하였다. 또한 저주기 피로 손상 파면은 SEM을 이용하여 관찰하였다.
본 논문에서는 초내열합금 IN738LC에 대하여 상온 및 고온 저주기 피로시험을 전변형률범위 0.6%에서 1.6% 범위에서 수행하였으며, 실험 결과로부터 얻어진 결론은 다음과 같다.
4%인 시험편의 파면을 나타낸 것으로 시험편이 하중감소 없이 파단된 면을 나타낸 것이다. 파면은 인장시험 파면과 비슷한 양상으로 가지모양의 경로를 따라 전이된 입상형태로 진전하였으며, 완전 취성파면이었다.
2와 같이 시험하였다. 파형은 가스터빈의 기동 정지를 고려하여 Fig. 3과 같은 Trapezoid 파형으로 상승-유지-하강-유지를 각각 1초로 하여 주파수 0.25 Hz로 일정하게 하고, 전 변형률진폭이 0.6 ~ 1.6 % 하에서 연속 저주기 피로시험을 수행하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 재료는 가스터빈 블레이드용 소재인 IN738LC이다. 시험편은 모합금을 정밀 주조 몰드를 이용하여 직경 13 mm, 길이 150 mm로 정밀 주조하여 ASTM E 606에 준하여 Fig.
시험에 사용한 피로시험장비는 전기식 피로시험기인 INSTRON 8861로 최대 용량은 3.5톤이며, 온도조건은 상온, 870 ℃ 및 927 ℃에서 시험하였으며, 시험편의 평행부에 1 2 . 5 mm 변위측정기 (extensometer)를 부착하여 변형률 제어 방식으로 Fig.
본 연구에서 사용된 재료는 가스터빈 블레이드용 소재인 IN738LC이다. 시험편은 모합금을 정밀 주조 몰드를 이용하여 직경 13 mm, 길이 150 mm로 정밀 주조하여 ASTM E 606에 준하여 Fig. 1과 같은 피로시편으로 가공하였다. Table 1은 IN738LC의 화학조성을 나타내고 있다.

이론/모형

본 연구에서는 가스터빈의 효율을 증대하고, 피로수명을 미리 예측함으로써 사고 및 경제적 손실을 방지하고 나아가 가스터빈 설계의 독자적 기술개발을 목표로 IN738LC 모재에 대하여 상온 및 고온 저주기피로시험을 수행하였다. 저주기 피로시험 결과는 Coffin-Manson법, 소성변형률 에너지법 및 전변형률 에너지법을 이용하여 저주기 피로수명 예측식을 산출하였다. 또한 저주기 피로 손상 파면은 SEM을 이용하여 관찰하였다.

성능/효과

(1) 온도가 증가함에 따라 유지시간의 영향에 의하여 유지시간동안 크리프 변형이 발생하여 소성변형 에너지가 증가한다.
(2) 소성변형률 에너지법으로 수명을 평가한 결과 상온이 가장 우수하며, 870℃와 927℃는 유사한 수명으로 예측된다.
(3) 전변형률 에너지법으로 수명을 평가한 결과 상온이 가장 우수하며, 변형률 범위가 작은 구간 에서는 870℃가 927℃보다 피로수명이 약간 우수하다.
(4) 저주기 파괴현상은 피로가 진행됨에 따라서 균열이 진행되며 25% 하중감소 시점까지 파괴되지 않는 형태와 하중감소 없이 취성파괴되는 두가지 형태로 나타난다.
(5) SEM을 통하여 관찰한 결과 저주기 피로 파괴 기구는 전위에 의하여 내부의 슬립밴드가 축적되고 어느 임계치가 도달하면 재료가 저항성을 상실하고 균열이 진전되어 파괴가 발생하는 것으로 사료된다.
4와 같은 히스테리시스 선도(hysteresis loop)의 면적과 같다. 본 연구에 사용한 IN738LC의 경우, 안정화된 수명 사이클인 반 수명(half cycle)에서 반복적인 히스테리시스 선도를 관찰한 결과 대칭되는 거동을 보이고 있어 본 이론을 적용하는데 적합함을 알 수 있었다. 소비되는 총 에너지는 히스테리시스 선도의 면적의 합으로 나타낼 수 있으며, 재료에 따라 에너지를 흡수할 수 있는 일정용량을 가지고 있어 이 한계치에 도달하면 재료는 파손된다.
2%에서 온도가 증가함에 따라 파단수명의 1/2 사이클에서 나타난 상온 및 고온 저사이클 피로 시험의 이력곡선을 나타낸 것이다. 온도가 증가함에 따라서 응력폭은 감소하는 경향으로 나타났으며, 소성변형량이 증가하는 경향을 보이고 있다. 상온인 경우 유지 시간(hold time)에 대한 영향이 거의 나타나지 않은 반면 870℃나 927℃에서는 유지시간동안 크리프 효과로 인해 응력이 시간에 따라 감소하는 응력완화(stress relaxation)가 발생하며, 이력곡선 내부 면적이 커져 소성변형에너지가 증가하게 된다.
Figure 10은 시험편의 파단까지의 반복 사이수와 전변형률 에너지량과의 관계를 나타낸 결과이다. 전변형률 에너지법으로 수명을 평가한 결과 상온이 가장 우수하며, 변형률 범위가 작은 구간에서는 870℃가 927℃보다 약간 피로수명이 우수하였다.
전체적으로 상온에서는 대부분의 시편이 연화현상의 일정한 부분에서 순간적으로 파괴되는 형태로 나타났으며, 870℃나 927℃에서는 870℃, Δε=1.2% 경우와 같이 연화 현상이 급격히 일어나다가 25% 하중 감소까지 가는 경향을 보였으며 일부가 25% 하중감소 시점까지 도달하지 못하고 파단이 되는 것을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전기식 피로시험기인 INSTRON 8861의 최대용량은 무엇인가?	시험에 사용한 피로시험장비는 전기식 피로시험기인 INSTRON 8861로 최대 용량은 3.5톤이며, 온도조건은 상온, 870 ℃ 및 927 ℃에서 시험하였으며, 시험편의 평행부에 1 2 . 5 mm 변위측정기 (extensometer)를 부착하여 변형률 제어 방식으로 Fig.
	니켈기 초내열합금의 활용도는 무엇인가?	니켈기 초내열합금은 고온강도, 크리프 및 피로 저항성, 내산화성, 그리고 내부식성이 우수하여 터빈블레이드 소재, 항공기의 제트 엔진부품, 핵융합 반응로 및 화학공장 등의 구조재료로 널리 이용되고 있다. IN738LC는 가스터빈의 터빈 블레이드로 사용되는 초내열 합금으로 고온에서 크리프와 피로의 복합적 손상을 받게 되며, 이 중 저주기 피로손상은 전체손상의 30%를 차지하는 매우 중요한 손상원인으로 알려져 있다.
	니켈기 초내열합금의 수명을 연장하기위해서는 무엇이 중요한가?	니켈기 초내열합금은 고온 강도를 지속적으로 증가시키며 현재 비행기 엔진, 선박 엔진 및 발전용 가스터빈 고온 부품 등을 만드는 가장 중요한 소재로 오래전부터 사용되어져 왔다. 이러한 부품의 수명을 연장하기 위해서는 사용 환경과 유사한 조건에서의 피로수명 예측이 매우 중요하다. 따라서 본 연구에서는 가스터빈 블레이드 소재인 니켈기 초내열합금 IN738LC에 대하여 실제운전환경과 유사한 조건을 설정하여 다양한 변형률 범위와 온도에서 시험을 수행하였다.

참고문헌 (12)

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표제어: PCR

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용어 설명 출처 목록 (6)

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