[논문]열간 등압 성형된 니켈기 초내열 합금 IN 713C 분말 소결체의 특성 평가

김영무; 김은표; 정성택; 이성; 노준웅; 이성호; 권영삼

doi:10.4150/kpmi.2013.20.4.264

열간 등압 성형된 니켈기 초내열 합금 IN 713C 분말 소결체의 특성 평가
Characterization of Hot Isostatically Pressed Ni-Based Superalloy IN 713C 원문보기

한국분말야금학회지 = Journal of Korean Powder Metallurgy Institute, v.20 no.4, 2013년, pp.264 - 268

김영무 (국방과학연구소 국방소재기술부) , 김은표 (국방과학연구소 국방소재기술부) , 정성택 ((주)쎄타텍) , 이성 (국방과학연구소 국방소재기술부) , 노준웅 (국방과학연구소 국방소재기술부) , 이성호 (국방과학연구소 국방소재기술부) , 권영삼 ((주)쎄타텍)

Abstract ▼ AI-Helper

Nickel-based superalloy IN 713C powders have been consolidated by hot isostatic pressing (HIPing). The microstructure and mechanical properties of the superalloys were investigated at the HIPing temperature ranging from $1030^{\circ}C$ to $1230^{\circ}C$. When the IN 713C powder was heated above ${\gamma}^{\prime}$ solvus temperature (about $1180^{\circ}C$), the microstructure was composed of the austenitic FCC matrix phase ${\gamma}$ plus a variety of secondary phases, such as ${\gamma}^{\prime}$ precipitates in ${\gamma}$ matrix and MC carbides at grain boundaries. The yield and tensile strengths of HIPed specimens at room temperature were decreased while the elongation and reduction of area were increased as the processing temperature increased. At $700^{\circ}C$, the strength was similar regardless of HIPing temperature; however, the ductility was drastically increased with increasing the temperature. It is considered that these properties compared to those of cast products are originated from the homogeneity of microstructure obtained from a PM process.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 HIPing 공정을 통해 초내열 합금인 IN 713C 부품을 제조하기 위한 기초 연구를 수행하였으며, HIPing 조건에 따른 미세조직과 기계적 물성을 평가하였다. 미세조직의 경우, γ' 고용 온도를 기준으로 큰 차이가 있었으며, 그 온도 이상에서는 전형적인 초내열합금의 미세조직인 γ 기지상 내에 γ'상이 석출되었고 γ 결정립 계에 MC 상이 석출되어 있는 것으로 확인되었다.

제안 방법

묽은 염산으로 용기 세척 후, 합금 분말을 충진하였으며, 이 후 용기와 뚜껑을 용접하였다. 용기와 분말의 불순물을 제거하기 위해 200℃에서 약 12시간 동안 진공 상태를 유지하며 탈가스(degassing) 공정을 수행하였다. 이 후, HIPing 을 수행(Kobelco, SYS50X-SB)하였으며, 그 조건은 압력 100 MPa 하에서, 1030℃부터 1230℃까지 50℃ 간격으로 진행하였으며, 목표 온도 도달 후 2시간 동안 유지하였다.
이 후, HIPing 을 수행(Kobelco, SYS50X-SB)하였으며, 그 조건은 압력 100 MPa 하에서, 1030℃부터 1230℃까지 50℃ 간격으로 진행하였으며, 목표 온도 도달 후 2시간 동안 유지하였다.
각 압력 및 온도 일정은 그림 4와 같이, 내부 압력은 온도 증가에 따라 선형적으로 증가하였다. 이후, 기계 가공을 통해 용기를 제거하였으며, 규격에 맞게 인장 시편을 제조하여 미세조직 및 상온(ASTM E 8M 기준) 및 고온(700℃, ASTM E 21기준) 물성을 평가하였다[13, 14].

대상 데이터

또한 합금 분말의 조성은 AMS 5391[12]와 비교한 결과, 합금 원소 모두 기준 범위 내의 조성을 갖는 것으로 확인되었다. HIPing 용 용기는 스테인리스강(stainless steel) 으로 제작되었으며, 그 크기는 직경 30 mm, 높이 50 mm, 두께1 mm 이다. 묽은 염산으로 용기 세척 후, 합금 분말을 충진하였으며, 이 후 용기와 뚜껑을 용접하였다.
본 연구에서 사용한 원소재는 기상 분무법(gas atomization) 으로 제조된 니켈기 초내열 합금 IN 713C 분말 (H.C. Starck, GER)이며, 그 형상은 그림 3에서 보듯이 구형이다. 분말의 조성과 특성은 조성은 각각 표 1과 2에 나타내었다.

성능/효과

02 MPa로 5% 정도 감소되는 경향을 나타내었다. 그러나 연신율은 6.31%에서 11.43%으로, 단면감소율 역시 7.60%에서 13.60%으로, 약 2배 이상 증가하는 것으로 확인되었다. 이는 그림 4에서 보듯이 PPB 가 사라지면서 이에 따른 연신성 증가에 기인한 것으로 보인다.
그림 6(a)에서 보듯이 HIPing 온도와 관계없이 항복 강도는 820 MPa으로, 인장 강도는 1000 MPa 내외로 크게 변동이 없다. 그러나 연신율의 경우, 성형 온도 증가에 따라 2.5%에서 14.8%으로 거의 5배 이상 향상되었으며, 단면 감소율의 경우, 2.5%에서 16.8%로 6배 이상 증가하는 것으로 확인되었다. 이 역시 기존 주조품의 물성(항복강도: 744.
9%)에 비해 우수한 것으로 분석되었다[12]. 그러나 초내열 합금의 경우, 일반적으로 여러 석출상에 의한 강화 효과로 인해 상온 대비 고온 강도가 우수한 것으로 알려졌으나, 본 연구에서는 항복 및 인장 강도는 상온 대비 고온 강도가 유사하거나 오히려 감소하는 것으로, 연신율은 향상되는 것으로 분석되었다. 이는 향후 추가 열처리를 통해 미세조직의 개선이 필요한 것으로 보여진다.
이는 그림 4에서 보듯이 PPB 가 사라지면서 이에 따른 연신성 증가에 기인한 것으로 보인다. 또한 IN 713C 주조품의 상온 기계적 물성(항복강도: 689.47 MPa, 인장강도: 758.42 MPa, 연신율: 8%) 과 비교했을 경우[12], 거의 모든 HIPing 조건에서 위의 물성보다 우수한 것으로 판명되었다. 이는 서론에서 언급하였듯이 주조품에 비해 균질하고 미립의 미세조직에 기인한 것으로 판단된다.
이에 비해 고온 물성의 경우, 성형 온도와 관계없이 일정함을 나타내었으나, 연신성은 크게 증가하는 것으로 분석되었다. 또한 대부분의 물성은 주조품의 물성보다 우수한 것으로 확인되었으며, 이는 미세조직의 균질화 및 미립 화에 기인한 것으로 판단된다.
미세조직의 경우, γ' 고용 온도를 기준으로 큰 차이가 있었으며, 그 온도 이상에서는 전형적인 초내열합금의 미세조직인 γ 기지상 내에 γ'상이 석출되었고 γ 결정립 계에 MC 상이 석출되어 있는 것으로 확인되었다. 또한 이러한 HIPing 조건에 따른 미세조직 변화는 기계적 물성에도 영향을 미쳤으며, 상온 물성의 경우 HIPing 온도가 증가할 수록 강도는 감소하였으나, 연신성은 향상 됨을 확인하였다. 이에 비해 고온 물성의 경우, 성형 온도와 관계없이 일정함을 나타내었으나, 연신성은 크게 증가하는 것으로 분석되었다.
91 g/cm3 임을 확인하였다. 또한 합금 분말의 조성은 AMS 5391[12]와 비교한 결과, 합금 원소 모두 기준 범위 내의 조성을 갖는 것으로 확인되었다. HIPing 용 용기는 스테인리스강(stainless steel) 으로 제작되었으며, 그 크기는 직경 30 mm, 높이 50 mm, 두께1 mm 이다.
미세조직의 경우, γ' 고용 온도를 기준으로 큰 차이가 있었으며, 그 온도 이상에서는 전형적인 초내열합금의 미세조직인 γ 기지상 내에 γ'상이 석출되었고 γ 결정립 계에 MC 상이 석출되어 있는 것으로 확인되었다.
분말의 평균 분말 입도는 표 2에서 보듯이 50.88 μm 이며, 그 밀도는 피코노미터(pyconometer, AccuPyc®II1340)로 측정한 결과, 7.91 g/cm3 임을 확인하였다.
그림 5에서는 HIPing 온도에 따른 미세 조직의 변화 형상을 보여주고 있다. 우선 모든 성형 조건에서의 소결 밀도는 이론밀도 대비 99.9%이상으로 완전 치밀화 된 것으로 분석되었다. 성형 온도에 따라 미세조직의 큰 차이가 보여지고 있으며, 특히 1180℃ 를 기준으로 큰 변화가 분석되었다.
또한 이러한 HIPing 조건에 따른 미세조직 변화는 기계적 물성에도 영향을 미쳤으며, 상온 물성의 경우 HIPing 온도가 증가할 수록 강도는 감소하였으나, 연신성은 향상 됨을 확인하였다. 이에 비해 고온 물성의 경우, 성형 온도와 관계없이 일정함을 나타내었으나, 연신성은 크게 증가하는 것으로 분석되었다. 또한 대부분의 물성은 주조품의 물성보다 우수한 것으로 확인되었으며, 이는 미세조직의 균질화 및 미립 화에 기인한 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	HIPing시 치밀화를 위한 구동력은?	열간 등압 성형(Hot isostatic pressing, 이하 HIPing)은 소재의 기공을 제거하는데 그 목적이 있으며, 그 응용 분야는 주조품의 기공 제거, 용기에 충진된(encapsulated) 분말 및 예비 소결체의 완전치밀화, 이종소재의 확산접합 (diffusion bonding) 등 이 있다[1]. HIPing 시, 치밀화를 위한 구동력(driving force)은 기공의 표면에너지를 감소 시키는 것에 있다[2]. HIPing 원리는 그림 1에서 보듯이 특정온도에서 분위기 가스의 개개의 원자에 의한 ‘열간단조 (hot forge)’와 유사하다[2].
	열간 등압 성형의 목적은?	열간 등압 성형(Hot isostatic pressing, 이하 HIPing)은 소재의 기공을 제거하는데 그 목적이 있으며, 그 응용 분야는 주조품의 기공 제거, 용기에 충진된(encapsulated) 분말 및 예비 소결체의 완전치밀화, 이종소재의 확산접합 (diffusion bonding) 등 이 있다[1]. HIPing 시, 치밀화를 위한 구동력(driving force)은 기공의 표면에너지를 감소 시키는 것에 있다[2].
	열간 등압 성형의 장점은?	HIPing 원리는 그림 1에서 보듯이 특정온도에서 분위기 가스의 개개의 원자에 의한 ‘열간단조 (hot forge)’와 유사하다[2]. 따라서 기존 일방향 압축 (uniaxial pressing)공정 과는 달리 금형 등에 의한 마찰은 없으며, 정수압에 의해 소재의 균질성을 확보할 수 있는 장점이 있다. 또한 가압으로 인한 소결 에너지 감소로 인해 비정상 결정립 성장을 억제할 수 있으며, 활성 원소 (additives) 첨가에 의한 제 2상 생성도 방지하여, 그 물성을 향상시킬 수 있다. HIPing 공정은 주조 공정에 비해 우수한 특성(균질한 미세조직으로 인한 뛰어난 기계적 물성) 을 확보할 수 있다는 장점이 있다[3]. 이러한 성형 공정은 용기(container) 설계 및 제조, 분말 충진, HIPing, 용기 제거, 최종 열처리 혹은 기계가공 순으로 진행된다[3].

참고문헌 (16)

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동의어: Packet Collision Rate

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