니켈 기반 초합금 터빈 휠

니켈 기반 초합금은 고온 강도, 인성, 부식성 또는 산화 환경에서의 열화 저항성이 탁월하게 조합된 특별한 종류의 금속 재료입니다.

고압 터빈 디스크의 림 섹션(가스 흐름 경로 근처)의 작동 온도는 현재 온도가 760°C에 가까워지고 일부 특수 군사 응용 분야의 경우 815°C까지 높아지면서 재료 및 설계 엔지니어에게 계속해서 어려움을 겪고 있습니다.

니켈 기반 초합금은 고온 강도, 인성, 부식성 또는 산화 환경에서의 열화 저항성이 탁월하게 조합된 특별한 종류의 금속 재료입니다. 이러한 재료는 항공기, 발전 터빈, 로켓 엔진, 원자력 및 화학 처리 공장을 포함한 기타 까다로운 환경에 널리 사용됩니다.

지난 수십 년 동안 집중적인 합금 및 공정 개발 활동을 통해 1050°C의 평균 온도를 견딜 수 있는 합금이 탄생했습니다. 때때로 편위(또는 에어포일 팁 근처의 국지적 핫스팟)를 최대 1200°C(약 90%)까지 높은 온도까지 견딜 수 있습니다. 물질의 녹는점. 이러한 탁월한 특성을 가져오는 미세 구조 및 구성의 기본 측면을 여기에서 간략하게 검토합니다. 가스 터빈 엔진에 사용되는 주요 초합금 종류와 해당 생산 공정이 특징적인 기계적 및 물리적 특성과 함께 설명됩니다.

위에서 언급한 바와 같이 니켈 기반 초합금의 주요 응용 분야 중 하나는 지상 발전 및 항공기 추진을 위한 가스 터빈 엔진 디스크 부품입니다. 터빈 엔진은 높은 작동 온도와 스트레스 수준으로 인해 재료에 가혹한 환경을 조성합니다. 따라서 이 기사에 설명된 대로 이러한 엔진의 고온 터빈 섹션에 사용되는 많은 합금은 매우 복잡하고 고도로 최적화되어 있습니다.

가스 터빈은 항공기 엔진이나 육상 발전 응용 분야 모두에 사용되는 복잡한 기계입니다. 소형, 중형 및 대형 가스 터빈은 이동식 지상 기반 동력 장치 및 대형 상업용 항공기 응용 분야를 위해 빠르게 개발되고 있습니다.

이러한 유형의 발전 시스템 내의 다양한 부품에는 구체적이고 고유한 요구 사항이 있습니다. 예를 들어, 엔진의 고압 터빈 부분에 사용되는 소재는 최고 온도에 도달하므로 엔진에서 가장 큰 응력을 받는 부분 중 하나이므로 매우 특수한 니켈 기반 초합금 소재가 필요합니다. 고압 터빈 디스크의 림 섹션(가스 흐름 경로 근처)의 작동 온도는 현재 온도가 760°C에 가까워지고 일부 특수 군사 응용 분야의 경우 815°C까지 높아지면서 재료 및 설계 엔지니어에게 계속해서 어려움을 겪고 있습니다. 터빈 블레이드는 터빈 샤프트에 연결된 디스크에 부착됩니다. 항공기 엔진 디스크(그림 1)에 필요한 특성은 금속의 온도가 더 낮기 때문에 터빈의 특성과 다릅니다. 디스크는 피로로 인한 파손에 저항해야 합니다. 디스크는 일반적으로 주조된 다음 단조되어 모양이 형성되며 일반적으로 다결정입니다.

한 가지 어려움은 주조 합금이 큰 원주형 입자 구조를 가지며 상당한 화학적 분리를 포함한다는 것입니다. 후자는 최종 제품에서 완전히 제거되지 않습니다. 이로 인해 기계적 특성이 분산될 수 있습니다. 이를 극복하는 한 가지 방법은 미세하고 깨끗한 분말로 시작한 다음 굳히는 것입니다.

분말은 불활성 가스에서 원자화하여 만들어집니다. 화학적 분리 정도는 분말의 크기를 초과할 수 없습니다. 분무 후 일부 디스크는 열간 등방압으로 압축되고 압출된 후 필요한 모양으로 단조되는 분말로 만들어집니다.

예를 들어 분무 공정에 사용되는 내화물로부터 원하지 않는 입자가 유입되거나 응고 중에 불순물이 유입되는 것을 방지해야 하기 때문에 이 공정은 어렵습니다. 이러한 입자는 피로를 유발하며, 물론 항공기 엔진 터빈 디스크의 고장은 치명적일 수 있습니다.

고온 문제 외에도 현대 터빈 응용 분야의 재료는 계속 증가하는 상업적 압력에 의해 주도됩니다. 이러한 압력은 구성 요소 비용, 수명 주기 비용 및 유지 관리 비용 절감에 대한 수요가 증가함에 따라 나타날 수 있습니다. 획득 비용을 낮추기 위해 코발트를 줄인 합금이나 가공 수율을 높이는 합금과 같은 방법이 추구되고 있습니다.

수명주기 비용을 낮추기 위해 합금은 더 긴 사용 수명을 갖도록 설계되고 있습니다. 비파괴적인 방법으로 쉽게 검사하고 모니터링할 수 있는 우수한 안정성과 매우 낮은 균열 성장 속도를 갖는 합금이 필요합니다. 연료 효율성과 배출가스 역시 터빈 엔진 소재에 영향을 미치는 주요 상업 및 환경 동인입니다. 이러한 요구 사항을 충족하기 위해 최신 니켈 기반 합금은 성능과 경제성 간의 효율적인 절충안을 제공합니다. 몇 가지 일반 및 고급 니켈 기반 초합금의 화학적 특성이 표 1에 나열되어 있습니다.

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