[논문]니켈기 초합금 소재 고온부 부품의 재생정비기술

강신호; 최희숙; 김대은

니켈기 초합금 소재 고온부 부품의 재생정비기술
Rejuvenation Technologies for Hot Gas Path Components made of Nickel Based Superalloys 원문보기

강신호 (연세대학교 대학원, 한전기공주식회사) , 최희숙 (한전기공주식회사 G) , 김대은 (연세대학교 기계공학과)

Hot gas path components, which are made of nickel based superalloys, are subject to periodic replacement due to degradation of thermomechanical properties that might bring catastrophic failure during normal operation of gas turbine units. In order to rejuvenate the metallurgical condition of the serviced components, heat treating techniques such as solution annealing and aging heat treatments have widely been employed. However, the effectiveness of those typical heat treatments is not apparent enough in terms of quantitative grounds. On the other hand the demand of the rejuvenation heat treatment and hot isostatic pressing (HIP) have constantly been raised by the end users. Therefore it is necessary to verify how the typical heat treating techniques affect to the aged and degraded material. As the result of experimental work in this study, GTD-111 and GTD-222 Ni-based superalloys were collected and analyzed quantitatively through microscopic observation, microhardness evaluation and creep test.

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문제 정의

있다. 따라서 본 논문에서는 운전수명을 훨씬 초과했거나 육박한 부품으로부터 시편을 채취하여 열처리를 수행하여 재질적인 변화상태를 분석하고, 고온수명을 판단하기 위하여 크리이프 시험을 하여 특성변화상태를 관찰하였다. 실험에 적 용된 조건 및 분석 방법은 Table 2와 같다.
어떤 소재를 쓰느냐에 따라가스터빈의 운전 성능 뿐만 아니라 부품 제조방식이 달라지고 재생수리 가능 범위가 좌우되므로 설계 당시에서부터 소재의 선택은 매우 중요한 요소라 할 수 있다. 본 논문에서는 국내에서 상용화되고 있는 니켈기 초합금 소재별로 재생정비에 요구되는 주요공정 중 용체화 열처리에 의한 재질복원 특성을 분석하고, 특히 운전주기가 과다하여 수명이 다한 재료에 대한 복원방안을 강구하고자 하였다. Table 1은 주요 니켈기 초합금 소재별로 고온부 부품을 구분 정리한 것이다.

제안 방법

그 시도로써, 운전시간이 94, 000hrs 까지 경과하여 잔존수명이 의심되는 소재로부터 시편을 채취하여 일반적인 용체화 풀림 열처리와 시효경화 처리를 한 후 조직과 크리이프 시험을 하였다.
니켈기 초합금으로 제조된 가스터빈의 회전익과 고정익류의 재생공정에 있어서 필수적인 열처리 기술에 대하여 재질복원적 관점에서 그 효과를 분석하였다. 그 시도로써, 운전시간이 94, 000hrs 까지 경과하여 잔존수명이 의심되는 소재로부터 시편을 채취하여 일반적인 용체화 풀림 열처리와 시효경화 처리를 한 후 조직과 크리이프 시험을 하였다.

성능/효과

볼 수가 있었으며, (b)와 같이 열처리를 거치고 난 후에는 감마 프라임(y’)과 카바이드가 분해되고 결정립계가 얇아져 있는 것이 확인되었다.
있음을 확인할 수 있었다. 경도값의 변화면에서도 GTD-111은 HRC₃₇ 에서 HRC₄₅ 정도로 증가하였으며, GTD-222는 부위마다 편차 보이던 것이 HRC₃₅ 정도로 균일해졌다. 또한 GTD-111 소재의 크리이프 수명에 미치는 영향을 분석한 시험에서는, 열처리를 하였을 때 크리이프 강도가 두 배 이상 증가함을 확인할 수 있었다.
그 결과, 과시효 효과로 인해 카바이드와 2 차상의 감마프라임이 결정립내와 결정경계 부근에 많이 석출되어 있던 것이, 열처리 후에는 결정 경계가 얇아지면서 불연속적으로 되거나 카바이드가 분산되어 있음을 확인할 수 있었다. 경도값의 변화면에서도 GTD-111은 HRC₃₇ 에서 HRC₄₅ 정도로 증가하였으며, GTD-222는 부위마다 편차 보이던 것이 HRC₃₅ 정도로 균일해졌다.
그러나 감마프라임이 원형으로 변형된 형태를 보이는 시편에 대한 실험에서는, 일반적인 용체화 풀림 열처리로는 효과가 미흡했으며, 재생 열처리에 의해서 초기의 모양에 근접한 입방형으로 회복되었음을 확인할 수 있었다. 보다 심각한 결함, 즉 삼차 크리이프 단계까지 진행한 재질 내부적 결함에 대해서는 재생열처리나 등방향 가압 열처리 (HIP) 등으로도 완전 회복시키는데 한계가 있는 것으로 보고되고 있으몌6, 9], 장비면에서나 경험 측면에서 미진한 국내에서는 정확한 실험적 데이터와 분석이 뒷받침이 되어야 상용화 단계에 이를 수 있을 것으로 판단된다.
경도값의 변화면에서도 GTD-111은 HRC₃₇ 에서 HRC₄₅ 정도로 증가하였으며, GTD-222는 부위마다 편차 보이던 것이 HRC₃₅ 정도로 균일해졌다. 또한 GTD-111 소재의 크리이프 수명에 미치는 영향을 분석한 시험에서는, 열처리를 하였을 때 크리이프 강도가 두 배 이상 증가함을 확인할 수 있었다.
실제로 98, 000 hrs(EOH) 동안 연속 운전에 노출된 GTD-111 소재의 블레이드의 경우, 용체화 열처리 및 시효경화 처리에 의해서 미세조직과 경도값이 개선됨을 확인하였으며, 크리이프 수명 또한 일정값 회복됨을 확인할 수 있었다. Figure 1의 (a) 는 운전되고 난 직후의 광학현미경 조직으로써 결정립 계 부근에서 카바이드가 넓게 석출되어 있음을 볼 수가 있었으며, (b)와 같이 열처리를 거치고 난 후에는 감마 프라임(y’)과 카바이드가 분해되고 결정립계가 얇아져 있는 것이 확인되었다.
변화를 관찰한 것이다. 용체화 풀림 열처리를 거친 시편보다 재생열처리를 거친 시편의 조직에 입계가 훨씬 얇아지고 감마프라임의 형상도 입방형으로 회복되었음을 확인할 수 있었다.

후속연구

하지만 고온에서 수행하는 재생열처리를 통해서 크리이프 변형에 기인한 전위나 미세 공동 부와 같은 물리적인 결함까지도 완벽하게 제거할 수 있을 지에 대해서는 좀더 연구가 필요하다. 또한 내부에 복잡한 유로를 형성하는 부품의 경우 기하학적인 변형이나 처짐 등의 결함을 초래할 수 있으므로 이 공정의 선택에는 신중할 필요가 있다.

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