[논문]Hastelloy X 주조재의 열간 노출에 따른 미세조직 및 인장 특성 변화

최백규; 김인수; 도정현; 정중은; 정인용; 홍현욱; 조창용

doi:10.7777/jkfs.2017.37.5.139

Abstract ▼ AI-Helper

Microstructural evolution of cast Hastelloy X during thermal exposure has been investigated. OM, SEM, and TEM microscopy were carried out on the as-cast, the standard heat treated, and the thermally exposed conditions. Tensile tests were also conducted to understand the effect of microstructural evo...

Microstructural evolution of cast Hastelloy X during thermal exposure has been investigated. OM, SEM, and TEM microscopy were carried out on the as-cast, the standard heat treated, and the thermally exposed conditions. Tensile tests were also conducted to understand the effect of microstructural evolution on the degradation of tensile properties. Coarse $M_6C$ and fine $M_{23}C_6$ carbides were found in as-cast Hastelloy X with fine carbides on sub-boundary. Some of $M_{23}C_6$ carbide dissolved into the matrix during solution heat treatment and dislocation network formed at the interface between the carbide and the matrix due to the misfit strain. There was no significant microstructural difference between the exposed specimens at $400^{\circ}C$ and the solution heat treated specimen. A large amount of $M_{23}C_6$ carbides precipitated along and near grain boundaries and sub-boundaries after exposure at $650^{\circ}C$. Exposure at $870^{\circ}C$ of the alloy caused precipitation of $M_6C$ and ${\mu}$. The strength increased and the elongation decreased by thermal exposure at $650^{\circ}C$ and $870^{\circ}C$ because carbides interfere with the movement of the dislocation. It was found that the precipitation of carbide gave significant effects on the tensile properties of Hastelloy X.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

주조 합금의 경우 주조조직, 편석 등으로 인해 단련용 합금과는 다른 미세조직 변화 거동을 보일 것으로 예상되기 때문에 Hastelloy X로 주조된 고온 부품의 안정적인 활용을 위해서는 Hastelloy X의 고온에서의 상변화에 대한 이해가 필요하다. 본 연구에서는 주조된 Hastelloy X 합금에서 열처리 및 열간 노출에 따른 미세조직 변화에 대해 고찰하였으며 이러한 미세조직 변화가 소재의 대표적인 기계적 특성인 인장특성에 어떠한 영향을 미치는지에 대하여 고찰해 보고자 하였다.

제안 방법

열간노출에 따른 미세조직 변화 분석을 위하여 용체화처리한 시편을 400^oC, 650^oC, 870^oC에서 각각 5000시간 까지 열간노출 시켰다. 미세조직은 주조상태의 시편, 용체화처리후의 시편, 그리고 열간노출한 시편들을 대상으로 관찰하였으며 광학현미경, 주사전자현미경(SEM, Scanning Electron Microscope), 투과전자 현미경(TEM, Transmission Electron Microscope)을 사용하였다. 광학현미경과 SEM을 이용한 미세조직 관찰을 위하여는 시편을 기계적 연마후 Kalling's II (2 g CuCl 2 +40ml HCl+80ml Ethanol)액으로 부식시키거나 크롬산(chromic acid)을 이용하여 전해 에칭한후 미세조직을 관찰하였으며 TEM 관찰을 위해서는 twin jet polisher로 직경 3 mm의 시편을 90% 에탄올과 10% perchloric산을 섞은 용액을 사용하여 −30^oC/20V 조건에서 전해연마 후 관찰하였다.
광학현미경과 SEM을 이용한 미세조직 관찰을 위하여는 시편을 기계적 연마후 Kalling's II (2 g CuCl 2 +40ml HCl+80ml Ethanol)액으로 부식시키거나 크롬산(chromic acid)을 이용하여 전해 에칭한후 미세조직을 관찰하였으며 TEM 관찰을 위해서는 twin jet polisher로 직경 3 mm의 시편을 90% 에탄올과 10% perchloric산을 섞은 용액을 사용하여 −30^oC/20V 조건에서 전해연마 후 관찰하였다. 열간노출에 따른 기계적 특성 변화를 고찰하기 위한 인장실험은 상온에서 2 × 10⁻³ /sec 의 변형속도로 수행하였다.

데이터처리

07 nm로 기지인 오스테나이트 격자상수의 3배 정도로 알려져 있다[5,6]. Ni기 초내열합금의 기지인 γ상의 격자상수는 상온에서 0.3585~0.3594 nm 정도로 보고되고 있는데[7] Hastelloy X의 경우 격자상수에 대한 보고를 찾기 어려워 상용 프로그램인 JMatPro를 이용하여 이를 계산하였다. TTNi8 database를 이용하여 JMatPro에서 Table 1의 Hastelloy X 조성을 입력한 후 몰부피(molar volume)를 확인할 수 있으므로 이를 활용해 격자상수를 계산하면 0.

성능/효과

1에 나타내었는데 Fig. 1(c)에서 볼 수있듯이 입계에서 관찰되는 석출물의 경우 [110] 방향에서의SADP (Selected Area Diffraction Pattern) 분석 결과 M₂₃C₆탄화물인 것을 알 수 있었으며 많은 양의 미세한 탄화물이 입계를 뒤덮고 있는 것을 확인할 수 있다. Fig.
1) 주조된 Hastelloy X 시편에서는 조대한 M₆C와 입계및 조대한 탄화물 주변에서 M₂₃C₆ 탄화물이 관찰되었으며 아결정립계에서도 M₂₃C₆ 탄화물이 관찰되었다.
2) 용체화처리 후에는 주로 M₂₃C₆ 탄화물이 고용되었으며 탄화물과 기지사이의 계면에서 전위망을 관찰할 수 있었다. 탄화물 주변의 전위밀도가 높은 것이 관찰되었는데 이는 특별한 방향관계를 갖는 기지와 M₂₃C₆ 탄하물의 계면에서 야기되는 부정합변형(misfit strain) 때문인 것으로 사료된다.
3) 400^oC에서 열간 노출한 경우 미세조직 상의 큰 차이를 나타내지 않았으나 650^oC에서 열간노출한 경우는 입계와 아결정립계를 따라 많은 양의 M₂₃C₆ 탄화물이 석출됨을 확인할 수 있었고 노출 시간이 길어짐에 따라 더 많은 양의 탄화물이 석출하였다. 870^oC에서 열간 노출한 경우는 M₂₃C₆과 함께 서로 다른 방향관계를 갖는 M₆C와 μ의 석출이 관찰되었다.
4) 인장실험 결과 탄화물이 생성되면 강도가 증가하고 연신율이 감소하는 것을 알 수 있는데 이는 탄화물들이 전위의 이동을 방해하여 강도가 증가하고 변형의 집중으로 인해 연신율이 감소하는 것으로 판단되었다.
M₂₃C₆ 의 경우 Cr 함량이 높으며 일부 W과 Mo가 Cr을 대체하는데 일반적으로 MC, M₆C, M₂₃C₆ 순으로 고온에서 안정한 것으로 알려져 있다. Hastelloy X의 경우는 Table 1에서와 같이 Cr이 21.9%로함량이 높고 Mo가 8.79% 함유되어 있으며 MC 탄화물을 생성할 수 있는 합금원소의 부재로 관찰되는 대부분의 탄화물들이 M₆C 또는 M₂₃C₆ 인 것으로 나타났다.
또한 탄화물의 파괴가 발생한 이후에는 전위의 이동이 상대 적으로 자유로우므로 이러한 영역에서 변형이 집중되기 때문에 전체적으로 연신율이 저하되는 것으로 생각할 수 있다. 한편, 400^oC에서 열간노출된 시편과 650^oC에서 열간노출된 시편의 경우도 파단된 탄화물들이 관찰되는 것으로 보아 탄화물들이 전위의 이동을 방해하는 것으로 고려될 수 있는데 상대적으로 탄화물의 밀도가 적은 400^oC 노출 시편의 강도가 제일 낮고 연신율이 높은 것으로 나타나 Hastelloy X의인장특성에는 탄화물의 석출이 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Hastelloy X가 사용되는 곳은?	Hastelloy X는 Haynes 사에서 개발된 Ni-Cr-Fe-Mo 계내열합금으로 가스터빈 연소기 부품, 석유화학 분야, 공업용로 등의 소재로 사용된다. 이 합금의 경우 γ’과 같은 강화상이 석출되지 않고 Cr, Mo 등이 고용강화 효과를 나타내는 고용강화형 합금이다.
	고온부품의 안정화를 위해 주조된 Hastelloy X를 사용하는 이유는?	이 합금의 경우 γ’과 같은 강화상이 석출되지 않고 Cr, Mo 등이 고용강화 효과를 나타내는 고용강화형 합금이다. 보통 단련용 소재로 사용되기도 하고 주조용 소재로 사용되기도 하는데 단련용은 판상, 환봉, 파이프 등의 여러 형태로 가공되어 사용되지만 주조용 합금의 경우 부품의 형태로 직접 주조 하여 사용되며 가스터빈의 버너나 heat shield segment 등의 고온부품에 적용된다. Hastelloy X의 경우 고온에서 사용되기 때문에 사용 중 미세조직 및기계적 특성 변화가 발생할 가능성이 높은데 단련용 Hastelloy X의 경우 고온에서의 시간에 따른 미세조직 변화에 대한 보고가 있으나[1-4] 주조된 Hastelloy X의 경우 고온에서 사용중 또는 열간노출에 의한 미세조직 변화에 대한 보고는 찾기 어렵다.
	Hastelloy X란?	Hastelloy X는 Haynes 사에서 개발된 Ni-Cr-Fe-Mo 계내열합금으로 가스터빈 연소기 부품, 석유화학 분야, 공업용로 등의 소재로 사용된다. 이 합금의 경우 γ’과 같은 강화상이 석출되지 않고 Cr, Mo 등이 고용강화 효과를 나타내는 고용강화형 합금이다. 보통 단련용 소재로 사용되기도 하고 주조용 소재로 사용되기도 하는데 단련용은 판상, 환봉, 파이프 등의 여러 형태로 가공되어 사용되지만 주조용 합금의 경우 부품의 형태로 직접 주조 하여 사용되며 가스터빈의 버너나 heat shield segment 등의 고온부품에 적용된다.

참고문헌 (11)

Tawancy HM, J. Mater. Sci., "Long-term ageing characteristics of Hastelly Alloy X", 18 (1983) 2976-2986.

상세보기
Zhao JC, Larsen M and Ravikumar V, Mater. Sci. Eng. A, "Phase precipitation and time-temperature-transformation diagram of Hastelloy X", A293 (2000) 112-119.
Lai, GY, Metall. Trans. A, "An investigation of the thermal stability of a commercial Ni-Cr-Fe-Mo alloy (Hastelloy Alloy X)", 9A (1978) 827-833.
Matthews, SJ, "Thermal stability of solid solution strengthened high performance alloys", Superalloys 1976, 215-226.
Li XM, Zou Y, Zhang ZW and Zou ZD, Mater. Trans, "Microstructure evolution of a novel super304H steel aged at high temperatures", 51 (2010) 305-309.

상세보기
Kitaguchi H, "Metallurgy - Advances in materials and processes", Intech, Rijeka (2012) 19-42.
Pyczak F, Devrient B and Mughrabi H, "The Effects of defferent alloying elements on the thermal expansion coefficients, lattice constants and misfit of nickel-Based superalloys investigated by X-Ray diffraction", Superalloys 2004 (Edited by Green KA, Pollock TM, Harada H), TMS (2004) 827-836.
M. Durand-Charre, The microstructure of superalloys, gordon & breach science publisher, Amsterdam (1997).
Beckitt FR and Clarck BR, Acta Metall., "The shape and mechanism of formation of $M_{23}C_6$ carbide in austenite", 15 (1967) 113-129.

상세보기
Choi BG, Kim IS, Do J, Jung JE and Jo CY, J. Korea Foundary Society, "Variation of alloying element distribution and microstructure due to microsegregation in Ni-base superalloy GTD 111", 35 (2015) 170-177.

원문보기 상세보기
Liu JL, Jin T, Yu JJ, Sun XF, Guan HR and Hu ZQ, Mater. Sci. Eng. A, "Effect of thermal exposure on stress rupture properties of a re bearing Ni Base single crystal superalloy", A527 (2010) 890-897.

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