[논문]니켈기 초합금 레이저 용접부의 미세조직과 기계적 특성

최철

문제 정의

고응력부에 대한 재생기술로 부적합한 것으로 판단되고 있다. 이에 본 연구에서는 레이저 클래딩 방식을 이용하여 11000급 가스터빈 재료인 다 결정 니켈 기 초 합금의 손상부 재생 을 시도하고 재생부의 조직과 물성을 평가함으로써 고신뢰도 재생기술로서의 실제 적용 가능성을 확인하고자 하였다.

제안 방법

본 연구에 사용한 재료는 IN738LC 및 GTD111 석 출경화형 니켈 기 초합금으로 진공정 밀주조에 의해 판상시 편 형태로 제작하였다. IN738LC 일부를 제외한 모든 시편은 용접전에 조직연화의 목적으로 용체화 처리를 수행하였고, 용접 후에는 잔류응력 제거 및 조직제어의 목적으로 후열처리를 실시하였다. 반면에 일부 IN738LC 시편은 2중Y'조직을 가지는 완전열처 리 조건 그대로 용접 재생한 후, 별도의 후열처리 과정 없이 바로 시편 가공하여 그물성을 비교 평가하였다.
5kW CO2 레이저를 이용하여 노치의 앞뒷면을 번갈아가면서 IN738LC 분말로 육성용접하였다. 용접부의 건전성을 확인하기 위하여 광학현미경 및 SEM으로 조직을 관찰하였으며, 950°C에서 크리프와 고온인 장 실험을 실시함으로써 고온물성을 모재와 비교하였다.
조직연화된 용체화 시편을 대상으로 레이저 클래딩(Cladding)한 후, 잔류응력 제거 및 물성 회 복을 위해 후열처리를 실시하였다. 모재에 비해서 용접부의 결정립이 매우 미세하고 상대적으로 많은 입계면적을 가지는 것으로 관찰되었다 (Fig.
한쪽 용접부에서 모재를 가로질러 반대편 용접부까지 깊이 방향으로 경도값을 측정하였다. 전체적으로 경도값은 용접부와 모재사이에 뚜렷한 차이를 보이지 않았다.
용접시편의 고온인 장 특성을 표준시편과 비교하였다. Fig.
발전용 가스터빈 블레이드 재료인 IN738LC 및 GTD111 니켈 기 초합금에 대하여 레이저에 의한 재생용접 가능성을 확인하기 위하여 IN738LC 분말을 이용하여 클래딩한 후, 조직 관찰과 물성평가를 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
IN738LC 일부를 제외한 모든 시편은 용접전에 조직연화의 목적으로 용체화 처리를 수행하였고, 용접 후에는 잔류응력 제거 및 조직제어의 목적으로 후열처리를 실시하였다. 반면에 일부 IN738LC 시편은 2중Y'조직을 가지는 완전열처 리 조건 그대로 용접 재생한 후, 별도의 후열처리 과정 없이 바로 시편 가공하여 그물성을 비교 평가하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용한 재료는 IN738LC 및 GTD111 석 출경화형 니켈 기 초합금으로 진공정 밀주조에 의해 판상시 편 형태로 제작하였다. IN738LC 일부를 제외한 모든 시편은 용접전에 조직연화의 목적으로 용체화 처리를 수행하였고, 용접 후에는 잔류응력 제거 및 조직제어의 목적으로 후열처리를 실시하였다.

성능/효과

조직연화된 용체화 시편을 대상으로 레이저 클래딩(Cladding)한 후, 잔류응력 제거 및 물성 회 복을 위해 후열처리를 실시하였다. 모재에 비해서 용접부의 결정립이 매우 미세하고 상대적으로 많은 입계면적을 가지는 것으로 관찰되었다 (Fig. 1). 또한 완전열처리 시편과 달리 용접부에서 상당한 용접 균열이 발견되었다.
한편, 동일 재료에 대하여 인장하중 죽에 대한 용접부 방위의 영향을 조사한 결과, 대체로 45도 시편이 가장 열악한 강도 및 연신율을 보였으며, 용접부의 방향이 인장축과 평행인 0도시편에서 가장 우수한 물성을 보였다. 이것은 시편 단면적에 있어서 45도 시편의 용접부 면적이 가장 넓기 때문으로 사료된다.
용접시편의 크리프 수명과 연신율을 모재인 GTDU1 및 IN738LC 표준시편과 비교한 결과, 크리프 수명은 표준시편 대비 15-19% 수준으로 크게 낮은 값을 보인 반면, 연신율은 68% 수준으로 큰 차이를 보이지 않았다 (Fig. 4). 크리프 변형 속도는 표준시편 및 용접시 편 모두 IN738LC 에서 빠르게 나타나 GTD111 보다 짧은 크리프 수명을 보였으며, 각 재료별 용접 시편은 모재에 비해 3~4배 빠른 크리프 변형 속도를 나타냈다.
4). 크리프 변형 속도는 표준시편 및 용접시 편 모두 IN738LC 에서 빠르게 나타나 GTD111 보다 짧은 크리프 수명을 보였으며, 각 재료별 용접 시편은 모재에 비해 3~4배 빠른 크리프 변형 속도를 나타냈다. 완전 열처리 시편은 용체화 처리 시 편에 비해 짧은 크리프 수명을 보였으나 연신율은 오히려 높게 나타났다.
크리프 변형 속도는 표준시편 및 용접시 편 모두 IN738LC 에서 빠르게 나타나 GTD111 보다 짧은 크리프 수명을 보였으며, 각 재료별 용접 시편은 모재에 비해 3~4배 빠른 크리프 변형 속도를 나타냈다. 완전 열처리 시편은 용체화 처리 시 편에 비해 짧은 크리프 수명을 보였으나 연신율은 오히려 높게 나타났다.
1) CO2 레이저에 의하여 완전 열처리 조건에서도 용접 균열의 발생 없이 클래딩이 가능하였다. 다만 용접부가 2중丫 '상을 가지지 않으므로 별도의 후열처리 공정이 필요한 것으로 판단된다.
2)용 접재생 시편은 모재대비 97% 이상의 고온인장 강도를 가지지만 후열처리 과정에서 입계탄화물을 따라 용접균열이 발달함으로써, 모재대비 연신율은 22〜23%, 크리프 수명은 15~ 19% 수준으로 매우 열악한 값을 나타냈다.
3) 용접재생 시 편이 열악한 물성을 가지는 주원인은 부적절한 후 열처리 조건에서 비롯된 것으로 사료되며, 후열처리 과정에서의 용체화 처리온도는 재생 열처리 조건과 상이하게 조절해야 할 것으로 판단된다.
4)상기의 열악한 물성에도 불구하고 석출경화형 니켈 기 초합금의 클래딩에 있어서 레이저 용접 공정이 타 재생 공정과 비교하여 가장 신뢰도 높은 재생부를 제공하며, 양산할 경우 경제성도 확보할 수 있는 것으로 판단된다.

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