[논문]장시간 사용된 가스터빈 블레이드의 저주기피로 손상도 평가

허인강; 김재훈

doi:10.14346/jkosos.2018.33.3.8

Abstract ▼ AI-Helper

Ni-base superalloy has excellent resistance to extreme environments such as high temperatures and high stresses and are used as materials for large gas turbines. In this paper, the specimens were taken from the blade that were used for a long time, and their life span was studied by microstructure a...

Ni-base superalloy has excellent resistance to extreme environments such as high temperatures and high stresses and are used as materials for large gas turbines. In this paper, the specimens were taken from the blade that were used for a long time, and their life span was studied by microstructure analysis and avoidance of cursing. The microstructural analysis of the specimens was carried out using a OM and SEM to observe the coarsening, carbides on gamma prime. Low-cycle fatigue tests were performed on new material and airfoil of long time-used blade. The test was conducted under various deformation conditions and temperature conditions of $760^{\circ}C$ and $870^{\circ}C$. The low cycle fatigue test was carried out using the Coffin-Manson equation and the fatigue life was predicted. After the test, crack path and fracture surface were analyzed using SEM.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문은 대형 가스터빈의 소재인 Ni기 초내열합금에 관하여 피로시험을 수행하였으며, 운전하지 않은 신재와 장시간 사용된 소재로 나누어 저주기피로 수명예측과 열화에 따른 손상도를 평가하였다. 본 연구로부터 얻은 결론은 다음과 같다.
본 연구에서는 대형 가스터빈의 블레이드에 사용되는 Ni기 초내열합금에 대해 저주기 피로 시험을 수행하였다. 운전하지 않은 신재는 김진열 외⁷⁾의 논문에서 제시된 저주기 피로시험에 대한 데이터 값을 사용하였으며, 본 저자는 위의 데이터 값과 실제 장시간 운전된 블레이드부품에서 시편을 채취하여 피로 시험한 값을 비교하여 장시간 사용에 따른 손상도를 정량적으로 제시하였다.

제안 방법

3) ASTM 규정에 따라 피로수명을 예측한 결과에서 운전하지 않은 신재와 장시간 사용된 소재의 잔여수명을 비교하여 손상도를 분석하였다. 열화에 따른 손상도는 온도가 증가함에 따라 감소하고 있다.
온도는 환경식 챔버를이용하여 760℃와 870℃에서 시험을 수행하였다. 변형률 제어는 시편의 평행부에 12.5 mm 신율계(extensometer)를부착하여 수행하였다. 피로시험은 ASTM E 606에 따라 수행하였다.
본 연구에서는 760℃와 870℃의 온도조건에서 운전하지 않은 신재와 장시간 사용된 소재에 대해 저주기 피로시험을 진행하였으며, 1.4% ~ 2.0%의 전 변형률 진폭에서 시험하였다. 운전하지 않은 신재는 김진열 외 논문⁷⁾에서 제시된 1.
4는 주사식 전자현미경(SEM)을 이용하여 관찰한 시편의 사진이다. 시편은 운전하지 않은 신재와 장시간 사용된 소재로 나누어 관찰하였다. 운전하지 않은 신재에서는 크기가 약 0.
본 연구에서는 대형 가스터빈의 블레이드에 사용되는 Ni기 초내열합금에 대해 저주기 피로 시험을 수행하였다. 운전하지 않은 신재는 김진열 외⁷⁾의 논문에서 제시된 저주기 피로시험에 대한 데이터 값을 사용하였으며, 본 저자는 위의 데이터 값과 실제 장시간 운전된 블레이드부품에서 시편을 채취하여 피로 시험한 값을 비교하여 장시간 사용에 따른 손상도를 정량적으로 제시하였다. 운전하지 않은 신재에 대해서는 의 데이터를 사용하여또한 시험 전 광학현미경을 통해 각 시편의 미세구조를 비교하여 시험 후에는 파단면의 메카니즘을 관찰하였다.
운전하지 않은 신재는 김진열 외⁷⁾의 논문에서 제시된 저주기 피로시험에 대한 데이터 값을 사용하였으며, 본 저자는 위의 데이터 값과 실제 장시간 운전된 블레이드부품에서 시편을 채취하여 피로 시험한 값을 비교하여 장시간 사용에 따른 손상도를 정량적으로 제시하였다. 운전하지 않은 신재에 대해서는 의 데이터를 사용하여또한 시험 전 광학현미경을 통해 각 시편의 미세구조를 비교하여 시험 후에는 파단면의 메카니즘을 관찰하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 소재는 일방향으로 응고(directionally solidified)된 초내열합금인 GTD-111이다. 해당 소재에 대한 기계적인 특성과 화학적 성분은 각각 Table 1과 Table 2에 제시하였다.
0%의 전 변형률 진폭에서 시험하였다. 운전하지 않은 신재는 김진열 외 논문⁷⁾에서 제시된 1.4% ~ 2.0%의 저주기 피로 시험데이터를 사용하였다.
피로시험은 ASTM E 606에 따라 수행하였다. 파형은 가스터빈의 기동정지를 고려하여 주파수가 0.25 Hz인 사디리꼴파형으로 설정하였으며, Fig. 3과 같다. 전변형률진폭이 1.
피로시험에 사용된 장비는 Fig. 2에서 제시한 INSTRON8861로 기계식 피로시험기이다. 온도는 환경식 챔버를이용하여 760℃와 870℃에서 시험을 수행하였다.
1은 ASTM E 606에 따라 제작된 저주기피로시험에 사용된 시편의 형상과 실제 대형가스터빈에서 장시간 사용된 블레이드의 시편 채취 위치를 나타낸 것이다. 해당 소재는 장시간 사용된 블레이드의 Root부로 약 21000번의 작동시간과 약 1000번의 기동 정지를 한 부품이다.

데이터처리

7은 해당온도에서 Coffin-Manson 방법을 이용하여 운전하지 않은 신재와 장시간 운전한 소재에 대한 파단수명에서의 전변형률, 탄성변형률, 소성변형률을 나타낸 것이다. 시험 결과는 log scale로 피팅하여, 회귀분석을 통해 산출하였다.

이론/모형

따라서 피로시험동안에 탄성 변형률이 지배적이다¹⁰⁾. Coffin-Manson법을 이용하여 예측한 피로수명식은 Table 3에 제시하였다.
피로수명은 ASTM E 606에서 규정하고 있는 CoffinManson 방법을 사용하였다. Coffin-Manson 방법은 전 변형률, 탄성변형률, 소성변형률을 각각 파단수명으로 표현하며, 그 식은 다음과 같다.
5 mm 신율계(extensometer)를부착하여 수행하였다. 피로시험은 ASTM E 606에 따라 수행하였다. 파형은 가스터빈의 기동정지를 고려하여 주파수가 0.

성능/효과

1) 운전하지 않은 신재와 비교하여 장시간 사용된 소재는 열화에 따라 $\gamma$′상의 조대화와 TCP상이 관찰된다.
2) 피로시험 온도가 증가함에 따라 소성변형, 크리프의 효과가 확실히 나타나며, 피로수명은 감소한다.
4) 주사식 전자현미경을 이용하여 시편의 파단면을 관찰하였으며, 균열의 경로는 탄화물을 따라 진전하며, 피로파면에서 다수의 2차 균열이 관찰된다.
두 소재에서 비슷한 파단면의 형상이 관찰되었다. 또한, 일반적으로 피로 파단면에서 스트라이에이션이 관찰되지만 본 논문에서 사용된 소재는 소성변형이 매우 적어 스트라이에이션이 잘 관찰되지 않았으며, 다수의 2차 균열이 관찰되었다

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Ni기 초내열합금의 주요 성분과 그 특성은?	따라서 대형 가스터빈의 블레이드 소재는 Ni 초내열 합금이 사용된다. Ni기 초내열합금은 주요 성분으로 Ni을 함유하고 있고, 많은 양의 크롬을 함유하고 있으며 이는 내산화성을 증가시킨다. 또한, 소량의 알루미늄, 티타늄, 나이오 비움, 몰디브덴이 강도와 내부식성을 증가시키기 위해 첨가된다.
	저주기피로 손상에 의한 피로 수명을 예측하기 위해 사용한 방법에는 어떤 것이 있는가?	특히 저주기피로에 대한 손상은 전체 손상의 약 1/3을 차지하고 있다2). 이렇게 저주기피로 손상에 의한 피로 수명을 예측하기 위해 유재환3)은 저주기피로시험의 변형률 파형을 변화에 따른 피로수명을 예측하였으며, 양호영외4)는 가스터빈 노즐부에 사용되는 Co기 초내열합금의 피로수명을 Cofffin - Manson법과변형률 에너지법을 통해 예측하였다. 그 외에도 연성소모법, Ostergren법을 이용한 피로수명예측에 대한 연구가 이루어지고 있다5).
	대형 가스터빈의 블레이드 소재로 Ni 초내열 합금을 사용하는 이유는?	발전용 대형 가스터빈은 고온에서 운영되고 있으며 가스터빈의 효율을 증대를 위해 가스터빈 입구의 온도를 높이고 있다. 이렇게 높은 하중과 고온 등과 같이 가혹한 조건에서 운용되는 가스터빈은 고온강도, 부식과 산화에 대한 저항성이 요구된다. 따라서 대형 가스터빈의 블레이드 소재는 Ni 초내열 합금이 사용된다.

참고문헌 (13)

C. T. Sims and W. C. Hagel, John Wiley and Sons, Superalloy II. New York, 1987.
J. C. Runkle and R. M. Pellous, Fatigue Mechanisms, ASTM STP 675, 1978.
J. H. Yoo, "A Study of Strain Waveform Effect on Fatigue Life in High Temperature Low Cycle Fatigue Test", J. Korean Soc. Saf., Vol. 14, No. 1, pp. 41-48, 1999.
H. Y. Yang, J. H. Kim, J. S. Ha, K. B. Yoo and G. C. Lee, "Low Cycle Fatigue Behavior of Cobalt-Base Superalloy ECY768 at Elevated Temperature", J. Korean Soc. Saf., Vol. 28, No. 3, pp. 18-22, 2013.
S. P. Zhu, H. Z., Huang, H. Li, R. Sun and M. J. Zuo, "A New Ductility Exhaustion Model for High Temperature Low Cycle Fatigue Life Prediction of Turbine Disk Alloys", International Journal of Turbo and Jet Engines, Vol. 28, No. 2, pp. 119-131, 2011.
S. H. Yang, M.. Y. Kim, S. Y. Park and S. H. Kim, "Effect of Heat Treatment on Microstructure and Mechanical Properties of the Nickel Base Superalloy GTD111DS", Journal of the Korean Society for Precision Engineering, Vol. 26, No. 3, pp.19-24, 2009.
J. Y. Kim, D. H. Yoon, J. H., Kim, S. Y. Bae, S. Y. Chang and S, H. Chang, "Life Prediction of Low Cycle Fatigue for Ni-base Superalloy GTD 111 DS at Elevated Temperature", Transations of the Korean Society of Mechanical Engineers A, Vol. 41, No. 8, pp.765-770, 2017.
L. J. Chen, P. K. Liaw, Y. H. He, M. L. Benson, J. W. Blust, P. F. Browning and D. L. Klarstrom, "Tensile Hold low-cycle Fatigue Behavior of Cobalt-based $HAYNES^{(R)}$ 188 superalloy", Scripta materialia, Vol. 44, No. 6, pp. 859-865, 2001.

상세보기
B. H. Choe, J. H. Lee, H. M. Kim and H. C. Lee, "Low Cycle Fatigue Properties of Polycrystalline and Directionally Ssolidified CM247LC Superalloy", Korean Journal of Metals and Material Vol. 29, No. 6, pp. 618-625, 1991.
J. A. Bannantine, J. J. Comer and J. L. Handrock, "Fundamentals of Metal Fatigue Analysis", Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, 1990.
D. Hollander, D. Kulawinski, A. Weidner, M. Thiele, H. Biermann and U. Gampe, "Small-scale Specimen Testing for Fatigue Life Assessment of Service-exposed Industrial Gas Turbine Blades", International Journal of Fatigue, Vol. 92, pp.262-271, 2016.

상세보기
J. Reuchet and L. Remy, "High Temperature Low Cycle Fatigue of MAR-M 509 Superalloy I: The Influence of Temperature on the Low Cycle Fatigue Behaviour from 20 to $1100^{\circ}C$ ", Materials Science and Engineering A, Vol. 58 pp. 19-32, 1983.
M. Reger and L. Remy, "High Temperature, Low Cycle Fatigue of IN-100 Superalloy I: Influence of Temperature on the Low Cycle Fatigue Behaviour", Materials Science and Engineering A, Vol. 101 pp. 47-54, 1988.

상세보기

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

장시간 사용된 가스터빈 블레이드의 저주기피로 손상도 평가
Evaluation of Low Cycle Fatigue Damage of Gas Turbine Blades Used for a Long Time 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

질의응답

참고문헌 (13)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

장시간 사용된 가스터빈 블레이드의 저주기피로 손상도 평가 Evaluation of Low Cycle Fatigue Damage of Gas Turbine Blades Used for a Long Time 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

질의응답

참고문헌 (13)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

김재훈 (143)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

장시간 사용된 가스터빈 블레이드의 저주기피로 손상도 평가
Evaluation of Low Cycle Fatigue Damage of Gas Turbine Blades Used for a Long Time 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper