한국기계연구원 Korea Institute of Machinery and Materials
등록번호
TRKO200200053808
DB 구축일자
2013-04-18
초록▼
1. 가스 터빈용 터빈 블레이드 제조 기술 개발 본 연구의 3차년도인 당해년도에서는 다결정 중공형 터빈 블레이드 개발을 위한 연구와 2단계 대비 연구로서 일방향응고 및 단결정 합금특성 개선을위한 기초연구를 병행하여 수행하였다. 주요한 연구 결과를 요약하면 다음과 같다. a. 중공형 다결정 터빈블레이드 제조 기술 개발 - 세라믹 코어 성형 기술 확보 : 복잡한 곡면을 가지는 세라믹 코어를 제조하기 위해 CAD를 이용한 설계 및 CAM을 이용한 가공기술을 확보하였으며 금형 제작 기술, 사출 성형 기술을 개발하였다. 또한 소성
1. 가스 터빈용 터빈 블레이드 제조 기술 개발 본 연구의 3차년도인 당해년도에서는 다결정 중공형 터빈 블레이드 개발을 위한 연구와 2단계 대비 연구로서 일방향응고 및 단결정 합금특성 개선을위한 기초연구를 병행하여 수행하였다. 주요한 연구 결과를 요약하면 다음과 같다. a. 중공형 다결정 터빈블레이드 제조 기술 개발 - 세라믹 코어 성형 기술 확보 : 복잡한 곡면을 가지는 세라믹 코어를 제조하기 위해 CAD를 이용한 설계 및 CAM을 이용한 가공기술을 확보하였으며 금형 제작 기술, 사출 성형 기술을 개발하였다. 또한 소성 및 후처리 기술 개선으로 코어의 기계적 강도와 leachability를 향상시켰다. - 세라믹 코어를 응용한 왁스 모형 제작 기술 확보 : CAD, CAM을 이용해 모형 제작용 금형 제작 기술을 확보하였으며 모형 사출 및 세라믹 코어 안치 기술과 관련하여 코어의 손상이 없고 완전한 pattem을 사출할 수 있는 공정 조건 및 코어의 금형 내 안치 기술을 확보하였다. - 주형 및 시제품제작기술확립 : 주조 방안,주형 제작기술,주형재와 코어의 열팽창 차이에 의한 코어 손상을 방지 할 수 있는 기술을 개발하였으며 시제품 제작 및 특성 평가등을 통해 초내열 합금의 진공 용해 기술 및 용탕 주입 온도, 몰드 온도, 진공도 등 진공 정밀 주조 공정 조건을 확립하였고 현재 블레이드 품질 검사 기준 및 양산 공정 개발에 대한 연구가 진행중이다. - 후보 합금인 Mar-M247LC 합금에 대한 합금 특성 연구의 일환으로 피로 특성 및 노치를가진 시편에 대한응력-파단특성이 연구되었고 Mar-M247LC합금에서의 석출물 시효 거동에 대해 연구가 이루어졌다. b. 2단계 대비 연구 - 2단계의 생산성 향상 연구를 대비하여 반 연속식 진공 유도 용해로를 설계하여 국내 제작 및 설치를 완료하였다. - 2,3단계의 일방향응고 및 단결정 중공형 터빈 블레이드개발에 대비하여 단결정용 초내열 합금인 CMSX-2를 이용해 열처리에 따른 합금의 특성 변화를 연구하였다. - 단결정 및 다결정 블레이드의 응고 해석 연구를수행 - 단결정용 주형재 개발을 위한 기초 연구를 수행 2. 초내열 합금 설계 및 개발 본 연구의 주요 연구 결과를 요약하면 다음과 같다 - 후보 합금 산출 : 1,2 차년도에서의 연구를 토대로 탄화물, 붕화물 등 미량 첨가원소에 의하여 제어되는 석출물에 의한 추가적인 강화요인을 고려한 합금 설계를 수행하였으며 컴퓨터 프로그래밍을 이용해 6개의 후보합금을 선정하였다. - 후보합금에 대한 기계적 특성 시험 :후보 합금에 대해 고온 인장,고온 압축시험을 수행하였으며 이들 특성이 가장 우수한 후보 합금에 대해 크리프 시험을 행하였다. 크리프 시험 결과 기존의 합금보다 파단 시간에서 우수한 특성을 나타냈다. - 후보 합금중 가장 우수한 기계적 특성을 나타낸 합금에 대해 주조성 시험을 하였으며 각 합금에 대한 회수율을 구하였고 주조 결함의 종류를 파악하였다. - 후보 합금에 대해 고온산화 시험을행하였으며 실험 결과Hf이 첨가된 합금에서 비교적 우수한 산화 특성을 나타냄을 알 수 있었다. - 고온 저주기 피로 파괴시의 파괴 거동에 대해 관찰하였으며 연구 결과 시편 표면의 국부적인 산화가 균열 발생 및 입계를 통한 균열 전파에 영향을 미치는 것으로 밝혀졌다.3. 초내열 ODS MA 합금 설계 및 응용 본 연구는 ODS MA 합금의 개발을 목표로 미국의 INCO사와 공동으로 연구를 수행하였으며 연구 내용을 요약하면 다음과 같다. - 기존의 Alloy 92 합금의 성능을 더욱 보강하여 새로운 합금인 Alloy 99,102,103 합금을 개발하였다. 이들 새로운 합금에 대하여 기본적인 물성, 즉 고온 인장 시험을 행하여 기존의 MA 6000 합금과 비교하였으며 그 결과 우수한 특성을 얻었다. - 새로운 합금에 대해 열처리 경로를 변화시켜 석출물 크기,분포에 따른 인장 및 항복 강도를 조사하였으며 그 결과 석출물이 0.2um의 크기로 uniform 하게 분포하고 있을 때 가장 우수한 인장 특성을 얻을 수 있었다. - 새로 개발된 합금에 대해 다양한 annealing시험을 통해 2차 재결정 임계 온도를 구하였으며 preannealing 열처리를 행하여 압출재의 결정립 형상비를 20이상으로 증가시킴으로써 합금의 파단 수명을 100배정도 증가시켰다. - 다양한 열처리 실험을 통해 합금에 적합한 열처리 경로를 확립하였으며 열처리 경로는 1280℃/0.5-1시간/공냉+950-1050℃/2시간/공냉+850℃ /24시간/공냉으로 결정되었다.4. 가스 터빈용 초내열 부품 제조에 필수적인 코팅 기술 개발 본 연구는 대체로 4부분으로구성되어 있으며 각각의 연구결과를 요약하면 다음과 같다. a. 플라즈마 단열 코팅 공정 산출 단열 코팅층의 구성은 bond coat 및 top coat의 두층으로 형성되며 각각 NiCrAlY, CoCrAlY 및 ZrO₂-8wt%Y₂O₃를 플라즈마로 코팅하였다. 1,2 차년도와는 달리 Miller SG-100코팅 장비를 이용하여 코팅을 수행하여 코팅층의 특성을 평가하였다. bond coat 및 ceramic 층의 quality를 조사 결과 세라믹 층에서 porosity가 8-25%로 다소 많았으며 세라믹 층에서 부분적으로 globular particle이 관찰되었다. 그 외에 bond coat의 porosity 및 표면 거칠기는 만족할만한 수준이었으며 globular particle도 관찰되지 않았고 세라믹 층에서도 metallic contaminants는 관찰되지 않았다. 코팅층에 대한 접착 강도 및 경도 등을 측정하여 터빈 블레이드 코팅을 위한 플라즈마 적정 코팅 공정을 선정하였다. 또한 Plasma Technik 장비를 사용한 코팅층의 연구도 병행하여 적절한 코팅 조건을 설정하였다. b. HVOF를 이용한 bond coat의 대체 가능성 조사 HVOF에 의한 bond coat용 장비로 JP-5000을 사용하였으며 코팅층에 대해 조직 및 경도실험을 행하였으며 내산화성 시험 및 열충격 시험 등을 통해 최종코팅 조건을 선정하였다. 또한 J-gun 장비를 사용하여 HVOF 코팅을 수행하였으며 JP-5000 장비를 사용한 경우와 비교하였으며 J-gun 보다는 JP-5000이 더 우수한 특성을 나타냈다. c. 로봇에 의한 코팅 자동화 연구 자유곡면의 CAD data를 컴퓨터 상에서 로보트 코팅 작업경로를 생성한뒤 이를 로봇 프로그램으로 변환하여 제어기에 전송한 후 로봇이 작업을 수행하게하는 열외(off-line)프로그래밍을 이용하여 자동 코팅이 이루어지도록 하였다. 로봇의 이동 경로는 형상 데이카와 분포도 모델링 데이카를이용하여 생성하였으며 절대 오차를 줄이기 위해 3-point보정을 이용하였으며 곡률이 심한 부분에서의 분사 경로를 정확히 설정하기 위하여 TCP(Tool Center Point)보정 알고리즘을 개발하였다. d. 실부품의 코팅 이상의 연구로부터 코팅 공정 조건 및 코팅 재료등을 이용하여 입수가 용이한 증기 터빈용 블레이드에 코팅을 수행 하였다. 코팅은 로봇에 의한 자동 코팅을 수행하였으며 코팅층에 대한 두께 산출 시험 및 조직 검사 등을 통해 코팅층을 평가하였다.5. 초내열 합금 단조품 개발(선박 엔진 밸브 단조 기술 개발) 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다. a. Nimonic 80A/x45CrSi93 간의 마찰 압접 공정 및 기계적 특성 검사 Nimonic 80A와 x45CrSi93소재를 이용하여 소재의 크기별로 여러 조건에서 마찰 압접을 시행하였으며 열영향부의 소재 특성 회복을 위하여 후열처리를 수행하였다. 마찰 압접을 시행한후 압접부에 대해 후 열처리 전후의 경도 측정 및 기계적 특성을 조사하였으며 후 열처리를 행 한 후에 접합 계면의 강도가 증가하였음을 확인 할 수 있었다. 마찰 압접재에 대해 피로 특성을 조사한 결과 입내 및 입계 파괴가 혼재된 양상을 나타냈으며 개재물이나 석출물등의 입자에서 공동이 형성되어 균열이 발생하는 것으로 판단된다. b. 선박 엔진 밸브 시제품 제작 및 특성 평가 Nimonic 80A 밸브 head 단조품과 x45CrSi93봉재를 이용하여 시제품을 제작하였다. 시제품에 대도 약 4배 정도 두껍게 관찰되었다. 그러나 상온 인장 강도는 외산 부품에 비해 높은 값을 나타내었다.
Abstract▼
1. Develpment of Manufacturing Technologies of Gas Turbine Blades. This year research, which is third year in the first stage project, is devided into two parts ; a) research for developing the polycrystal hollowed turbine blade b) basic research for improving mechanical propeties of directional an
1. Develpment of Manufacturing Technologies of Gas Turbine Blades. This year research, which is third year in the first stage project, is devided into two parts ; a) research for developing the polycrystal hollowed turbine blade b) basic research for improving mechanical propeties of directional and single crystal alloys as a prelliminary reseach for second stage project. The contents are as follows. a) Manufacture of the hollowed turbine blade o Technology for ceramic core manufacture : - CAD and CAM technologies were learned for manufacturing complicated and curved ceramic core, the injection metal mold was manufactured, and injection technology was developed. - Mechanical strength and leachability of core were improved by after treatment. o Technology for fabrication of wax patten - The metal mold was prepared using CAD and CAM. - Technologies for injecting wax patten and installing the core inside the metal mold were aquired. o Fabrication of the mold and turbine blade sample - Mold was prepared and mold design technique was learned for turbine blade. - Development of technology preventing damage from the core due to thermal expension. - Melting technologies of superalloy, including pouring temperature, mold temperature, and vacuum level, were obtained, and researches for inspection and mass production are on going. o Characteristics of Mar-M247LC - Fatigue and stress rupture tests were accomplished and behavior of precipitated phases was studied with aging. b) Preliminary research for second stage project - The semi-continuous vacuum arc remelting equipment was set up. - Research on property changes with heat-treatment conditions in single crystal alloy CMSX-2. - Solidification simulation were carried out on the poly and single crystal blades - Mold materials for single and poly crystal blades were examined as a basic research.2. Alloy Design and Development of Conventional Cast Nickel-Bassed Superalloys This research is summarized as follows. o Alloy design - Trace element effects on the carbide and boride precipitates were studied. - Six candidate allloys were selected by computer programing o Mechanical tests for candidate alloys - High temperature tensile and compression tests were accomplished for candidate alloys and creep test was carried out for the most potential alloy which result in excellent porperty on the most potential alloy. o Castability test - Castability was tested for the developed alloy and production ratio was studied. - Types of casting defects were studied o High temperature corrosion test showed excellent anti-corrosion property in the Hf added alloy. o Low cycle fatigue test showed that local corrosion affects on the crack initiation and propagation.3. Alloy Design and Application of ODS MA Ni Base Superalloy Objective of this study is to develop ODS MA alloy and this work was cooperated with INCO,USA. The contents are as follows. - New alloys of Alloy 99, 102, 103 were developed by improving properties of existing Alloy 92. - Physical properties were examined and high temperature tensile test was accomplished for new alloys, and results showed excellent properties compared with MA 6000 alloy. - Tensile and yield strengths were examined with precipitate size and distribution by changing heat-treatment process, and results showed that excellent properties were obtained at the precipitate size of 0.3 um and uniform distribution condition. - Second recrystallization temperature of new alloy was obtained with various annealing conditions. - Creep-rupture time was increased 100 times by increasing aspect ratio as much as 20 times through various annealing experiments. - Optimum heat-treatment condition was set up as 1280℃/0.5-1hr./Air cooling＋950-1050℃/2hr./Air cooling + 850℃/24hr./Air cooling.4. Development of Coating Technologies for Manufacturing of Superalloy Gas Turbine Parts This study is composed of four parts and results are summarized as follows.a) Establishment of the optimum TBC condition Structure of thermal barrier coating is composed of two layers, bond coat and top coat, which are coated with NiCrAlY/CoCrAlY and ZrO2-8wt%Y₂O₃respectively. The coating was accomplished by Miller SG-100 equipment and characteristic of this coating layer was evaluated. Quality of the bond coat and ceramic coat was examined and results showed that porosity was found 8-25 % more at the ceramic coat and globular particles were also observed at this coat.At the bond coat, porosity and surface roughness were satisfactory and globular particle was not observed. Metallic contaminants were not observed at both layers. Optimum coating conditions for the turbine blade was set up by examining bonding strength and hardness on coating layers. Plasma Technik equipment was also used for setting optimum conditions.b) Substitute HVOF for bond coat Bond coat by HVOF was carried out by JP-5000 equipment and optimum coating condition was set up by examining microstructure and hardness of the coat layer and by conducting corrosion and thermal shock tests. HVOF coating was also accomplished by J-gun equipment and the properties by J-gun showed better than those by JP-5000.c) Coating automation by the robot Automation coating was accomplished by the off-line program of the robot where coating process was installed as a computer program. Robot moving path was formed by shape date and distribution modeling data, and 3-point correction was used to minimize error. TCP correction algorism was also developed for severely curved parts to set up exact spray path.d) Coating on the real part Coating was accomplished on the steam turbine blade using coating conditions and materials determined through this research. The robot was used for coating and coating quality was evaluated by examining thickness and milcrostructure.5. Development of Forging for Ni-Base Superalloy (Development of Forging Technique for Marine Engines) This research is summarized as follows.a) Friction welding between Nimonic 80A/x45CrSi93 and its mechanical properties Friction weldings between Nimonic 80A/x45CrSi93 were accomplished at several conditions with sample sizes, and post heat-treatment was also carried out for recovery. Mechanical properties after and before heat-treatment were examined at the friction welded part and results showed that strength increased at the welded surface after heat-treatment. Fatigue test results showed thatgranular and inter granular fractures were mixed in fractur mechanism and it was expected that fracture occured at the voids which are formed at the inclusions and precipitates.b) Evaluation of the valve sample for marine engines The valve sample was manufactured using the forged Nimonic 80A valve head and x45CrSi93 rod. Surface hardness on the Cr coated layer of the sample was a little less than that of the foreign made samples and the welded thickness was also 4 times thicker. Nevertheless, the tensile strength at room temperature was higher than that of the foreign made one.
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