내열 합금 또는 초합금이라고도 알려진 고온-합금은 고온 환경과 특정 응력 하에서 -장기간 작동할 수 있는 금속 재료의 한 종류입니다.- 이 소재는 고온-산화 및 고온 부식에 대한 탁월한 저항성과 우수한 고온 강도, 피로 강도 및 크리프 파괴 인성을 나타냅니다. 이 합금은 주로 항공우주, 에너지, 해양 터빈 엔진에 사용됩니다.
고온-합금 분류
1. 매트릭스 재료에 따라 철- 기반, 니켈- 기반, 코발트- 기반의 세 가지 범주로 나눌 수 있습니다.
(1) 철-계 고온-합금은 내열합금강이라고도 합니다.- 내열-합금강은 정규화 요구사항에 따라 마르텐사이트, 오스테나이트, 펄라이트, 페라이트 내열-강 등으로 나눌 수 있습니다. 철-기반 고온-온도 합금은 작동 온도가 상대적으로 낮지만(600~850도) 중간{13}}기계적 특성이 우수하여 유사한 니켈 기반 합금과 동일하거나 더 우수합니다.- 또한 가격이 저렴하고 열간 가공 시 쉽게 변형됩니다. 이는 일반적으로 터빈 디스크, 케이싱 및 샤프트와 같이 작동 온도가 낮은 엔진 부품에 사용됩니다.
(2) 니켈- 기반- 온도 합금은 가장 높은 작동 온도(약 1000도)를 가지며 항공 제트 엔진 및 터빈 블레이드, 가이드 베인, 터빈 등과 같은 다양한 산업용 가스 터빈의 가장 뜨거운 부품 제조에 널리 사용됩니다.
(3) 코발트-계 고온-합금은 주조성과 용접성이 좋아 700~1050도의 고온에서 사용할 수 있습니다. 코발트가 주를 이루고 있으며 대표적인 것이 코발트 함량이 58% 이상인 K610이다. 코발트는 가격이 비싸고 부족하기 때문에 국내외에서는 거의 사용되지 않습니다. 기존 브랜드로는 K640, K644, GH188 등이 있습니다.
2. 준비 공정에 따라 변형 고온-온도 합금, 주조 고온-온도 합금, 분말 고온-합금으로 나눌 수 있습니다.
(1) 변형된 고온-온도 합금
변형 고온-합금은 잉곳을 냉간 및 열간 가공하여 다양한 프로파일이나 부품 블랭크로 만들고 마지막으로 핫엔드 부품으로 만드는-고온 합금을 의미합니다. 핵심은 합금 잉곳이 형성될 수 있다는 것입니다. 주조 고온-온도 합금과 비교할 때 변형 고온-합금은 합금화 정도가 낮습니다. 따라서, 융점이 높고, 열간 가공 온도의 상한이 높으며, 합금 재결정 온도가 낮고, 열간 가공 온도의 하한이 낮다. 따라서 변형된 고온-온도 합금의 열간 작동 범위는 주조 고온 합금의 고온 작동 범위보다 넓습니다.- 다양한 매트릭스 요소에 따라 변형된 고온-온도 합금은 철-기반 변형 고온-합금, 니켈-기반 변형 고온-합금, 코발트-기반 변형 고온-합금으로 나눌 수 있습니다.
(2) 고온- 합금 주조
고온 합금 주조는-합금 잉곳을 재용해한 후 부품으로 직접 주조하거나 특정 방향으로 응고시키는 공정입니다. 그들의 개발은 1940년대에 시작되었습니다. 고온-온도 합금 주조에서는 더 이상 단조 변형 성능을 고려하지 않습니다. 정밀 주조 방법 또는 방향성 응고 공정을 사용하여 모양이 복잡하고 내부 구멍이 막히지 않은 속이 빈 얇은{6}}벽 블레이드를 주조할 수 있습니다. 따라서 주조 초합금의 총 원소 양은 변형 초합금의 원소 양보다 상당히 높습니다. 고용강화원소에는 Re, Ru 등이 포함되며, 내화금속 W의 함량이 증가합니다(일부 합금에서는 10% 초과). 석출-강화 합금 원소에는 Al 및 Ti 외에 Nb, Ta, Hf 및 V도 포함됩니다.
주조 초합금은 응고 방법에 따라 등축 주조 초합금, 방향성 응고 원주 초합금, 단결정 초합금의 세 가지 범주로 분류될 수 있습니다. 새로운 유형의 초합금인 단결정 초합금은 방향성 응고를 통해 모든 결정립 경계를 제거하여 형성됩니다. 금속은 개별 결정으로 구성되므로 단결정-초합금이라는 이름이 붙습니다. 결정립계는 다양한 왜곡, 결함 및 불순물이 축적되는 금속 내의 영역입니다. 결정 내부보다 실온에서 더 강하지만 고온에서는 미끄러지기 쉽습니다. 고온에서 결정립계의 강도가 감소하면 금속의 강도도 감소합니다. 따라서 방향성 응고를 통해 결정립 경계를 제거하면 우수한 성능을 갖는 단결정{8}}초합금이 생성됩니다. 현재 거의 모든 고급 엔진은{10}단결정 합금 터빈 블레이드 또는 가이드 베인을 사용합니다.
(3) 분말형 고온-온도 합금
내열합금의 가공 온도가 점점 높아짐에 따라 합금의 강화 요소 수가 증가하고 구성이 더욱 복잡해지며, 일부 합금은 주조 상태에서만 사용할 수 있고 열간 가공으로는 변형할 수 없습니다. 또한, 합금 원소의 증가는 응고 후 니켈{2}} 기반 합금에서 심각한 성분 분리를 유발하여 구조와 성능이 고르지 않게 됩니다. 고온-온도 합금을 생산하기 위해 분말 야금 기술을 사용하면 위의 문제를 해결할 수 있습니다. 분말 입자가 작고 분말 제조 시 냉각 속도가 빠르기 때문에 편석 현상이 없어지고 열간 가공성이 향상됩니다. 주조만 가능한 합금을 열간가공이 가능한 고온-합금으로 변화시켜 항복강도와 피로특성을 향상시켰습니다. 분말 고온-합금은 더 높은 강도의 합금을 생산하는 새로운 방법을 만들어냈습니다. 분말 고온-합금은 주로 고급 항공기 엔진에 대한 높은 추력-용 터빈 디스크를 제조하는 데 사용되며, 고급 항공기 엔진용 압축기 디스크, 터빈 샤프트, 터빈 배플과 같은 고온 핫엔드 부품을 생산하는 데에도 사용됩니다.
고온 합금의 적용 분야
1. 항공우주
(1) 연소실
연소실은 모든 엔진 구성 요소 중 작동 온도가 가장 높은 영역입니다. 연소실의 가스 온도가 1500-2000도에 도달하면 연소실 벽 합금의 온도는 800-900도에 도달할 수 있으며 국지적으로는 최대 1100도에 도달할 수 있습니다. 최근 연소실에 사용되는 내열합금은 대부분 고용강화된 합금이다. 합금에는 W, Mo, Nb와 같은 고용 강화 원소가 다량 함유되어 있습니다. 그들은 고온 강도와 우수한 성형 및 용접 특성을 가지고 있습니다. 대표적인 등급으로는 GH1140, GH3030, GH3039, GH3333, GH3018, GH3022, GH3044, GH3128, GH3170 등이 있습니다.
(2) 가이드 베인
가이드 베인은 연소실에서 나오는 가스의 흐름 방향을 조정하는 구성 요소입니다. 가이드 베인이라고도 합니다. 이는 가장 큰 열충격을 받는 터빈 엔진의 부품 중 하나입니다. 특히 연소실의 연소가 고르지 않거나 작동이 불량한 경우 가이드 베인에 더 큰 열 부하가 가해집니다. 고급 터빈 엔진의 가이드 베인의 작동 온도는 1100도에 도달할 수 있습니다. 국내 가이드 베인 합금의 작동 온도는 1000~1050도에 도달할 수 있습니다. 대표적인 고온- 합금 정밀 주조 합금으로는 K214, K233, K406, K417, K403, K409, K408, K423B 등이 있습니다.
(3) 터빈 블레이드
터빈 블레이드는 항공기 엔진에서 가장 가혹한 작동 조건을 갖는 부품입니다. 작업 환경 온도가 높습니다. 고온-온도 합금 재료의 일반적인 등급에는 GH4033, GH4037, GH4143, GH4049, GH4151, GH4118, GH4220 등이 있으며 750{13}}950도 환경에서 사용할 수 있습니다. 새로운 엔진을 개발하고 기존 모델을 개조할 때 주조 고온 합금을 사용하여 터빈 블레이드를 제조합니다. 주조 합금의 일반적인 등급에는 K403, K417, K417G, K418, K403, K405, K4002 등이 있습니다.
