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핵심기술
고효율 가스터빈의 설계 및 가동중 효율적인 유지/보수에 필요한 핵심소재의 재료물성 및 사용품의 물성변화 상태 분석
최종목표
고효율 가스터빈의 설계 및 가동중 효율적인 유지/보수에 필요한 블레이드, 베인 및 압축기 소재로 사용 중인 Co기 초내열합금, 다결정 Ni기 초내열합금, 일방향응고(DS) 및 단결정(SC) 소재에 대한 재료물성 평가와 Data Base 개발
개발내용 및 결과
O 본 과제에서는 고효율 가스터빈의 설계 및 가동 중 효율적인 유지/보수에 필요한 핵심소재의 재료물성 및 사용품의 물성

핵심기술
고효율 가스터빈의 설계 및 가동중 효율적인 유지/보수에 필요한 핵심소재의 재료물성 및 사용품의 물성변화 상태 분석
최종목표
고효율 가스터빈의 설계 및 가동중 효율적인 유지/보수에 필요한 블레이드, 베인 및 압축기 소재로 사용 중인 Co기 초내열합금, 다결정 Ni기 초내열합금, 일방향응고(DS) 및 단결정(SC) 소재에 대한 재료물성 평가와 Data Base 개발
개발내용 및 결과
O 본 과제에서는 고효율 가스터빈의 설계 및 가동 중 효율적인 유지/보수에 필요한 핵심소재의 재료물성 및 사용품의 물성변화 상태를 평가하여 Data Base를 구축 함.
O 평가 주요 핵심소재로는 국내에서 운용중인 가스터빈의 1, 2, 3단 블레이드와 1, 2단 베인에 적용된 6개 소재, Ni기 다결정 - GTD111EQ, IN738LC, 일방향 응고 - DS GTD111, DS CM247LC, 단결정 - SC CMSX4, Co기 - ECY768과 압축기 블레이드용 2개 소재, GTD450 및 AISI403Cb+임.
O 주요 연구개발 수행 및 평가항목은 다음과 같음.
- 소재확보, 정밀주조시험편 제작 및 표준열처리
- 평가시스템 구축(크리프시험기 등 평가장비 구축 및 교정), 각 기관별 Round Robin Test 시행
- 국내, 외 데이터베이스 확보(EPRI, NIMS 등 해외 자료, 국내 기존 연구결과 및 손상분석 데이터)
- 기초 열물성 특성 시험(성분, 열전도도, 비중, 열팽창계수, 고온열분석 등)
- 장, 단시간 기계적 특성 시험(상, 고온 인장특성, 고주기피로, 크리프, 상, 고온 저주기피로, 크리프파단 및 균열전파 특성) 및 분석
- 재질열화 특성 시험 (무응력 상태에서 온도 및 열간노출 시간에 따른 미세조직, 인장 및 응력파단 특성 평가))
- 국내 사용품 블레이드, 베인 및 기타 부품 평가(미세조직, 기계적특성, 코팅층)
- 기타 미소시험편을 이용한 기계적특성 평가 등
기술개발 배경
O 발전용 가스터빈을 안정적, 효율적으로 운용하기 위해서는 가스터빈재료의 Data Base 구축이 필수적임. 일반적으로 터빈재료는 고온에 노출되기 때문에 시간이 경과함에 따라 재료의 열화가 진행되며, 따라서 적절한 시간에 보수나 교체를 해 주어야만 함. 재료 열화의 정확한 예측 및 정밀하고 계획적인 보수교체는 가스터빈 운용비의 획기적인 절감을 가져다 줄 것이며, 이러한 과정은 가스터빈 소재의 특성에 대한 광범위한 Data Base가 확보되었을 경우에만 가능함.
O 가스터빈 소재물성 DB는 메이커에서는 red-book으로 취급되므로 해외 도입이 불가능한 상태이며, 국내에서는 발전소 overhaul 시의 평가자료, 대학 및 연구기관의 특정 조건에서 수행한 기초연구자료, 일부 공개 자료 등으로 단편적인 재료물성 자료만 확보 가능한 상황으로 종합적이고 체계적으로 생성, 수집된 형태의 DB는 없음.
O 가스터빈의 운용, 정비뿐만 아니라 설계 및 제작 기술독립을 위해서는 독자적인 재료물성 Data Base를 자체적으로 확보하는 것이 필수적이며, 장시간, 대규모 연구비가 필요한 국가 기반산업의 물성DB 구축에 관한 것으로 선진국에서는 이미 오래전부터 추진해온 연구 분야임.
핵심개발 기술의 의의
고온재료 Data Base의 확보는 핵심부품 국산화시 재료의 선정 및 개발에 있어서도 필수적임. 현재 가스터빈 시장은 과거의 GE - ABB - Westinghouse big3 체제에서 합병으로 인한 시장재편성이 진행 중인데 Siemens가 Westinghouse를 인수하여 Siemens의 V94 급 터빈은 50Hz 시장에, WH 501 은 60 Hz 시장에 진출하고 있음. 재료기술의 재편성이 명확함. 일본의 MHI는 시장에 독자모델을 내놓고 있으므로 자체적인 재료개발 혹은 새로운 선정이 불가피해 보임. 여전히 GE 는 50 Hz 및 60 Hz 시장 모두에서 재료기술에 대한 주도권을 확보하고 있음. 이러한 복잡한 상황에서 가스터빈 전반에 대한 재료기술 및 Data Base를 확보하는 것은 한국내에서 독자적인 가스터빈기술을 구축하는데 있어서 매우 중요한 요소가 될 것임.
적용 분야
모든 시험평가 자료 및 외부입수자료는 DBMS을 통하여 관리하고, 발전회사, 제작사, 엔지니어링사, 대학/기연구기관 등에서 Network로 접근하여 각 목적에 따라 활용

목차 Contents

• 표 지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 기술개발사업 최종보고서 초록 ... 3
• 기술개발사업 주요 연구성과 ... 8
• 목 차 ... 17
• 표 목 차 ... 19
• 그 림 목 차 ... 23
• 제 1 장 서론 ... 35
• 제 1 절 개발기술의 중요성 및 필요성 ... 35
• 제 2 절 국내·외 관련 기술의 현황 ... 37
• 제 3 절 기술개발 시 예상되는 기술적·경제적 파급 효과 ... 40
• 제 2 장 기술개발 내용 및 방법 ... 41
• 제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 ... 41
• 제 2 절 단계 목표 및 평가 방법 ... 45
• 제 3 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 47
• 제 3 장 결과 및 사업화 계획 ... 50
• 제 1 절 연구개발 최종결과 ... 50
• 1. 연구개발 추진 일정 ... 50
• 2. 연구개발 추진 실적 ... 53
• 가. 연차별 연구개발 수행 내용 ... 53
• 나. 세부 연구개발 결과 ... 57
• 1) 국내, 외 데이터베이스 확보 및 시험조건 설정 ... 57
• 가) 국내, 외 자료 확보 ... 57
• 나) 시험조건 도출 ... 62
• 2) 소재확보, 평가장비 구축 및 정밀주조 시험편 제작 ... 64
• 가) 소재확보 ... 64
• 나) 평가장비 구축 및 Round Robin Test(RRT) ... 64
• 다) 정밀주조시험편 제작 ... 66
• 라) 열역학물성 계산 ... 82
• 3) 기초물성 및 기계적특성 평가 ... 86
• 가) GTD111EQ ... 98
• 나) Inconel 738LC ... 120
• 다) ECY768 ... 142
• 라) DS GTD111 ... 161
• 마) DS CM247LC ... 170
• 바) SX CMSX4 ... 181
• 사) GTD450 ... 198
• 아) AISI403cb+ ... 210
• 4) 재질열화특성 평가 ... 222
• 가) GTD111EQ ... 223
• 나) Inconel738LC ... 244
• 다) ECY768 ... 257
• 라) DS GTD111 ... 269
• 마) DS CM247LC ... 280
• 바) SX CMSX4 ... 292
• 5) 사용품 평가 ... 305
• 가) GT24 부품 ... 319
• 나) 7FA+e 부품 ... 445
• 다) 501F 부품 ... 476
• 라) 501D5 부품 ... 493
• 6) 코팅층 및 미소시험편을 이용한 평가 ... 506
• 가) 코팅층 평가 ... 506
• 나) 소형펀치크리프시험 ... 512
• 3. 기술개발 결과의 유형 및 무형 성과 ... 517
• 제 2 절 연구개발 추진 체계 ... 526
• 제 3 절 시장 현황 및 사업화 전망 ... 530