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이 글에서는 가스터빈 부품/소재 분야의 현황과 국산화 방안에 대해 소개하고자 한다.

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• 연구 주제
• 연구 방법
• 연구 결과

문제 정의

• 그림 1과 같이 지난 50년에 걸쳐 가스터빈 엔진의 효율이 TET Turbin Entry Temperature)의 상승과 함께 개선된다는 개념은 터빈에 사용되는 고온 소재의 온도수용성(temperature capability)을 증가시키기 위한 고온용 초내열합금 개발과 부품의 제조공정을 개선하기 위한 기술 개발의 자극제가 되었다. 이에 따라 1940년 Whittle의 첫 가스터빈에 비해 60년에 걸쳐 TET를 약 700℃ 증가시킬 수 있게 되었다.

대상 데이터

• 일본이 이미 많은 연구개발비를 투자하여 왔지만 아직도 많은 연구개발비를 초내열합금 개발이 투입하고 있는 것에 비하면 우리는 아직 중요성조차도 인식하지 못하고 있는 걸음마 단계이다. 본 소재는 단기간에 개발하여 단기간에 실용화할 수 있는 것이 아니고, 군사적 경제적 중요성을 고려하여 국가 차원에서 반드시 개발을 지속적으로 추진해야 하는 구조용 금속재료 중 한국에서 국산화하지 못한 마지막 남은 재료이다.

성능/효과

• 결론적으로 초내열합금에 대한 국내 현황은 국산 고유 제트엔진이나 국산 고유 발전용 가스터빈이 없는 상황을 고려하면 아직 그 중요성을 느끼지 못하고 있고 정책적 입안이나 고려는 아직 요원하다고 볼 수 있다. 최근 들어 일부 독자 엔진의 개발을 추진 또는 계획 중이다.

후속연구

• 그러나 최근의 고효율 발전용 가스터빈의 경우 1단 터빈 블레이드의 단위 중량이 10kg 정도로 고가의 차세대 단결정 초내열합금(next generation single crystal superalloys: 3-6세대 단결정 합금을 의미)을 소재로 적용할 경우 개당 가격이 소재 비용만 최소 1억 원 정도로 단가가 너무 높아질 수 있다. 따라서 발전용 가스터빈의 터빈 블레이드 소재는 비록 온도수용성은 약간 차세 대에 비해 낮고 조직의 안정성과 가격이 상대적으로 저렴한 합금으로의 개발이 진행될 것으로 판단한다.
• 이는 설계에 의해 터빈 블레이드의 온도(metal temperature)를 더 이상 낮추기 어려운 경우 온도수용성이 높은 합금이 비록 비쌀지라도 사용할 수밖에 없음을 의미한다. 향후 효율과 성능이 우수한 새로운 가스터빈의 개발에 따라 터빈의 작동온도는 지속적으로 상승할 수밖에 없을 것이고 이에 따라 터빈 블레이드의 소재 온도도 지속적으로 올라갈 수밖에 없을 것이다. 그러나 최근의 고효율 발전용 가스터빈의 경우 1단 터빈 블레이드의 단위 중량이 10kg 정도로 고가의 차세대 단결정 초내열합금(next generation single crystal superalloys: 3-6세대 단결정 합금을 의미)을 소재로 적용할 경우 개당 가격이 소재 비용만 최소 1억 원 정도로 단가가 너무 높아질 수 있다.

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질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
단조가 가능한 온도구간	단조가 가능한 온도구간은?	따라서 단조를 위해서는 강화상을 재고용시켜야 한다. 단조가 가능한 온도구간(forging window)은 강화상이 고용되는 온도와 초기 용융이 일어나는 온도 구간이다. 새로운 엔진의 개발에 따라 높은 온도에서 사용될 수 있는 초내열 합금의 개발이 요구되었고 이에 따라 γ' 강화상을 보다 많이 함유한 합금이 요구되었다.
γ' 강화상	γ' 강화상을 많이 함유한 합금제조에는 어떠한 원소들이 필요한가?	새로운 엔진의 개발에 따라 높은 온도에서 사용될 수 있는 초내열 합금의 개발이 요구되었고 이에 따라 γ' 강화상을 보다 많이 함유한 합금이 요구되었다. 이는 대기 중에서 용해하여 합금을 제조할 경우 산화되기 쉬운 원소들인 Al Ti, Nb, Ta 등의 첨가가 필요하게 된다. 진공용해법 (VIM: Vacuum Induction Melting)의 도입은 γ' 강화상을 형성할 수 있는 원소의 다량 첨가가 가능하여 합금의 제작에는 제약이 없으나 강화상인 γ' 강화상이 많을 경우 고용온도가 상승하고 반대로 합금의 용융점이 낮아져 단조가 가능한 온도 구간이 극히 좁아지는 문제가 발생하였다.
진공용해법	진공용해법의 장단점은?	이는 대기 중에서 용해하여 합금을 제조할 경우 산화되기 쉬운 원소들인 Al Ti, Nb, Ta 등의 첨가가 필요하게 된다. 진공용해법 (VIM: Vacuum Induction Melting)의 도입은 γ' 강화상을 형성할 수 있는 원소의 다량 첨가가 가능하여 합금의 제작에는 제약이 없으나 강화상인 γ' 강화상이 많을 경우 고용온도가 상승하고 반대로 합금의 용융점이 낮아져 단조가 가능한 온도 구간이 극히 좁아지는 문제가 발생하였다. 따라서 단조에 의한 터빈 블레이드의 제작이 불가능하여 1950년대 진공유도용해주조법(vacuum induction melting and casting)의 도입과 함께 진공정 밀주조가 터빈 블레이드 제조공정으로 일반화되었다.

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