니켈기 초내열합금은 높은 강도, 피로 및 산화 저항성이 우수하여 비행기 엔진, 선박 엔진 및 발전용 가스터빈 고온 부품 등을 만드는 소재로 오래전부터 사용되어 왔다. 본 연구에서는 가스터빈 블레이드 소재인 니켈기 초내열합금 IN738LC에 대하여 실제 운전환경과 유사한 조건을 설정하여 다양한 변형률 범위와 온도에서 인장시험을 수행하였다. IN738LC 소재를 $871^{\circ}C$ 및 $982^{\circ}C$에서 각각 1,000 ~ 10,000 시간 동안 열 노출한 시편을 준비하여 기계적 특성 및 미세조직 변화를 관찰하였다. 기계적 특성 변화는 열 노출 시간에 따른 ${\gamma}$의 변화와 관련된 것을 확인하였다.
니켈기 초내열합금은 높은 강도, 피로 및 산화 저항성이 우수하여 비행기 엔진, 선박 엔진 및 발전용 가스터빈 고온 부품 등을 만드는 소재로 오래전부터 사용되어 왔다. 본 연구에서는 가스터빈 블레이드 소재인 니켈기 초내열합금 IN738LC에 대하여 실제 운전환경과 유사한 조건을 설정하여 다양한 변형률 범위와 온도에서 인장시험을 수행하였다. IN738LC 소재를 $871^{\circ}C$ 및 $982^{\circ}C$에서 각각 1,000 ~ 10,000 시간 동안 열 노출한 시편을 준비하여 기계적 특성 및 미세조직 변화를 관찰하였다. 기계적 특성 변화는 열 노출 시간에 따른 ${\gamma}$의 변화와 관련된 것을 확인하였다.
High-strength nickel-based super alloys have been widely used in aircraft engines, vessel engines, and turbine blades because of their high strength and excellent fatigue and oxidation resistance. In this study, tests were carried out to determine the total strain range and temperature for high-stre...
High-strength nickel-based super alloys have been widely used in aircraft engines, vessel engines, and turbine blades because of their high strength and excellent fatigue and oxidation resistance. In this study, tests were carried out to determine the total strain range and temperature for high-strength nickel-based super alloys. Prepared specimens of IN738LC were exposed to temperatures of $871^{\circ}C$ and $982^{\circ}C$ for 1,000.10,000 h. These specimens were subjected to tests of mechanical properties and microstructure observations. The changes in mechanical properties were related to changes in ${\gamma}$ according to the thermal exposure time.
High-strength nickel-based super alloys have been widely used in aircraft engines, vessel engines, and turbine blades because of their high strength and excellent fatigue and oxidation resistance. In this study, tests were carried out to determine the total strain range and temperature for high-strength nickel-based super alloys. Prepared specimens of IN738LC were exposed to temperatures of $871^{\circ}C$ and $982^{\circ}C$ for 1,000.10,000 h. These specimens were subjected to tests of mechanical properties and microstructure observations. The changes in mechanical properties were related to changes in ${\gamma}$ according to the thermal exposure time.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
따라서 본 논문에서는 가스터빈용 블레이드에 주로 사용되고 있는 IN738LC 소재를 이용하여 현장 운전 조건과 유사한 환경을 유지하여 재료의 기계적 특성 평가와 미세조직을 관찰 하고자 한다.
그러나 정확한 수명평가에 의한 교체 및 정비주기에 관한 기술은 전력회사가 독자적으로 확보해야 될 필수 요건이다. 따라서 운영회사 나름대로의 부품상태를 평가할 수 있는 능력을 가지고 있어야 하고 이를 확보하고자 노력하고 있다.(2)
본 연구로부터 가스터빈용 블레이드에 주로 사용되고 있는 IN738LC 재질을 사용하여 재료의 기계적 특성 평가와 미세조직을 관찰하여 얻은 결과를 정리하면 다음과 같다.
제안 방법
의 규정에 의해 수행하였다. IN738LC 소재의 표준열처리 (Standard Heat Treatment)시편 및 열 노출 시편에 대한 인장시험은 상온, 650℃, 900℃ 3종류의 온도에서 수행하였다.
미세조직 관찰은 주사전자현미경을 이용하여 표준열처리 시편과 열화 시편에 대하여 열처리 온도별로 결정립내, 결정립계, 공정조직, 탄화물에 대하여 미세조직을 비교 관찰하였다.
상온 및 고온 항복강도(σys)는 응력-변형률 선도로부터 스트레인을 0.2% 옵셋하여 구하였다.
02 고온노(high temperature furnace)를 사용하였다. 시편의 온도를 확인하기 위하여 K-타입 열전대를 부착하여 측정하였다. 열전대는 끝단을 T/C welder(대현테크, model: DH-TC 100)로 용접한 후 스트레인게이지 용접기(EATON, model: W1200)를 이용하여 시편에 부착하였다.
53 F- 11 고온용 익스텐소미터를 이용하여 측정하였다. 시험 하중, 변형률 및 온도는 MTS 사의 TestStarⅡs controller로 제어하였다.
주사전자현미경을 이용하여 Fig. 8과 Fig. 9 같이 표준열처리(SHT)시편과 열 노출된 시편에 대하여 열처리 온도별로 결정립내, 결정립계, 공정 조직, 탄화물에 대하여 미세조직을 비교하였다.
대상 데이터
본 실험에서 사용한 소재는 주로 가스터빈 블레이드에 사용되고 있는 IN738LC 이다. Table 1은 IN738LC에 대한 화학적 조성을 나타낸 것이다.
Table 1은 IN738LC에 대한 화학적 조성을 나타낸 것이다. 시편은 모 합금을 정밀 주조 몰드를 이용하여 직경 13 mm, 길이 150 mm로 주조한 후 인장 시편은 ASTM E 8에 따라 Fig. 1과 같이 가공하여 제작하였다.
이론/모형
고온 변형률은 시편 접촉방식의 632.53 F- 11 고온용 익스텐소미터를 이용하여 측정하였다. 시험 하중, 변형률 및 온도는 MTS 사의 TestStarⅡs controller로 제어하였다.
시편의 정확한 온도는 Microprocessor thermometer(Omega, model: HH21)를 사용하여 확인하였다.
인장실험은 ASTM E 8(4) 및 E 21(5)의 규정에 의해 수행하였다. IN738LC 소재의 표준열처리 (Standard Heat Treatment)시편 및 열 노출 시편에 대한 인장시험은 상온, 650℃, 900℃ 3종류의 온도에서 수행하였다.
또한, 탄성계수는(E)는 응력-변형률선도의 선형구간의 기울기를 이용하여 산출하였다. 하중-변형률 선도를 구하는 소프트웨어는 OriginPro 6.1를 사용하였다.
성능/효과
(1) 탄성계수와 항복강도는 온도의 증가에 따라 감소하지만, 표준열처리(SHT)시편과 871℃에서 열 노출 된 소재의 인장강도는 650℃에서 증가 후 감소하는 경향을 보이고 982℃에서 열 노출된 소재의 인장강도는 온도 증가에 따라 감소한다.
(2) 연신율은 온도의 증가에 따라 증가하고, 900℃에서 증가 폭이 커지고 있다. 한편 982℃에서 1000시간 열 노출된 소재는 감소하고 있다.
(3) 열 노출된 IN738LC 소재는 표준열처리 (SHT)시편에 비해 항복강도와 인장강도가 작아지며, 열에 노출된 온도가 같다면 시간에 관계없이 비슷한 경향을 가진다.
(4) 열 노출 시간이 증가함에 따라 γ'의 형상은 육방체에서 구형이며, γ'의 크기는 점차적으로 커지고 있다.
(5) 열 노출 된 IN738LC 소재는 열 노출 시간이 증가 할수록 항복강도가 감소한다. 이것은 탄화물 주위에는 γ'층이 형성되고 노출시간이 증가함에 따라 γ'층의 두께도 증가하며, 결정립계에 탄화물 분해과정의 속도가 빠르게 발생하여 열 노출된 시간이 증가 할수록 강도가 감소한다.
후속연구
일반적으로 터빈재료는 높은 고온에 노출되기 때문에 시간의 경과에 따라 재료의 열화가 진행 되고 이를 예측하고 적절한 시기에 보수나 교체를 해 주어야만 한다. 재료 열화의 정확한 예측 및 정밀하고 계획적인 보수교체는 가스터빈 운용비의 획기적인 절감을 가져다 줄 것이다. 가스 터빈 부품 중 가장 교체빈도가 높고 핵심 부품인 블레이드는 사용온도가 매우 높아지고 있으며 기동, 정지 시 열적 변형과 함께 기계적 변형을 동시에 받고 있어 수명에 대한 검토가 더욱 요구되고 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
니켈기 초내열합금의 장점은?
니켈기 초내열합금은 높은 강도, 피로 및 산화 저항성이 우수하여 비행기 엔진, 선박 엔진 및 발전용 가스터빈 고온 부품 등을 만드는 소재로 오래전부터 사용되어 왔다. 본 연구에서는 가스터빈 블레이드 소재인 니켈기 초내열합금 IN738LC에 대하여 실제 운전환경과 유사한 조건을 설정하여 다양한 변형률 범위와 온도에서 인장시험을 수행하였다.
니켈을 기지로 하는 초합금은 무엇을 주 목적으로 개발되어 왔는가?
니켈을 기지로 하는 초합금은 가스터빈 재료처럼 고온에서 사용될 목적으로 주로 개발되어 왔다. 특히 산업과 과학이 발달할수록 이러한 재료들이 사용되는 환경은 열악해지고 있으며 열효율을 높이기 위해 더욱 높은 온도를 요구하고 있다.
IN738LC 재질을 사용하여 재료의 기계적 특성 평가와 미세조직을 관찰한 결과는?
(1) 탄성계수와 항복강도는 온도의 증가에 따라 감소하지만, 표준열처리(SHT)시편과 871℃에서열 노출 된 소재의 인장강도는 650℃에서 증가 후 감소하는 경향을 보이고 982℃에서 열 노출된 소재의 인장강도는 온도 증가에 따라 감소한다.
(2) 연신율은 온도의 증가에 따라 증가하고, 900℃에서 증가 폭이 커지고 있다. 한편 982℃에서 1000시간 열 노출된 소재는 감소하고 있다. 이것은 취성이 강하여 균열이 발생할 경우 파단속도가 빨라 발생되는 현상이다.
(3) 열 노출된 IN738LC 소재는 표준열처리 (SHT)시편에 비해 항복강도와 인장강도가 작아지며, 열에 노출된 온도가 같다면 시간에 관계없이 비슷한 경향을 가진다.
(4) 열 노출 시간이 증가함에 따라 γ'의 형상은 육방체에서 구형이며, γ'의 크기는 점차적으로 커지고 있다. 또한, 871℃대비 982℃에서 열 노출된 시편의 γ' 증가 속도가 크다.
(5) 열 노출 된 IN738LC 소재는 열 노출 시간이 증가 할수록 항복강도가 감소한다. 이것은 탄화물 주위에는 γ'층이 형성되고 노출시간이 증가함에 따라 γ'층의 두께도 증가하며, 결정립계에 탄화물 분해과정의 속도가 빠르게 발생하여 열 노출된 시간이 증가 할수록 강도가 감소한다.
참고문헌 (8)
Hwang, K. T., Kim, J. H., Yoo, K. B., Lee, H. S. and Yoo, Y. S., 2010, "Low Cycle Fatigue Behavior of Ni-Base Superalloy In738LC at Elevated Temperature," 2010 Spring Annual Meeting of KSME, pp.77-83.
Kim, D. S., Yang, K. M. and Kim, K. M., 1999, "Oxidation and Sulfidation Behavior of IN738 and IN738LC at High Temperature," 1999 Fall Annual meeting of KISE, pp. 43-44.
Fleury, E., Ha, J. S., Hyun, J. S., Jang, S. W. and Jung, H., 2000, "Thermo-Mechanical Fatigue of the Nickel Base Superalloy IN738LC for Gas Turbine Blades," 2000 Spring Annual meeting of KSME, pp. 188-193.
ASTM E 8, 2008 "Standard Methods of Tension Testing of Metallic Materials," pp. 1-25
2009, "Standard Test Methods for Elevated Temperature Tension Tests of Metallic Materials," pp. 1-8
Poursaeidi, E., Aieneravaie, M. and Mohammadi, M. R., 2008, "Failure analysis of a Second Stage Blade in a Gas Turbine Engine," Engineering Failure Analysis 15, pp. 1111-1129.
Pampana, M. S., 2004, "Study of Characteristics of Plasma Nitriding and Oxidation of superalloy IN738LC," Jawaharlal Nehru Technological University, Hyderabad, India 2001.
Roy, I., 2002, "Precipitate Growth Features in the Duplex Size ${\gamma}'$ Distribution in the Superalloy IN738LC," 2002 ME Graduate Student Conference.
AI-Helper
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.