극한환경용내열재료 2004. 11
목차 제 1 장서론 1 제 2 장기술개발동향 4 기술의개요및연구개발동향 가. 제1세대단결정합금 6 나. 제2세대단결정합금 9 다. 제3세대단결정합금 11 라. 제4세대및제5세대단결정합금 14 마. 초내열합금대체재료 16 바. PGM기초내열합금 20 국내연구사례 제3장기술특성분석 27 국내외기술수준비교분석 기술경쟁력분석 분석 파급효과 최신방법소개 제4장결론및전망 37 참고문헌 40
1 극한환경용내열재료 제 1 장서론 전세계적으로사용되는구조재료중에서가장가혹한환경에노출되어있는재료중의하나는제트엔진의터빈블레이드이다 용융온도의약 에해당하는고온에서 일반적으로 이상 만 의고속회전에의한원심력하중을견디며연소실에서뿜어져나오는강한산화성분위기에노출되기때문에보통의구조재료는이러한환경에서장시간견디기어렵다 더욱이엔진의추력과효율이모두터빈입구온도 에직결되기때문에터빈블레이드의사용온도상승이끊임없이요구되고있는실정이다 이러한관점에서현재운용되고있는항공기의주력터빈블레이드재료인 기초내열합금만하더라도이미극한환경용내열재료라고볼수있다 하지만본연구에서는이보다한단계발전하여미래형초음속민항기혹은전투기등에적용될온도수용성이비약적으로높은터빈블레이드용재료를극한환경용내열재료로
2 내열합금의개발동향 분류하고자한다 차세대민항기인 및 에적용될고출력엔진재료가그예라고볼수있으며일본에서는제 세대단결정합금을적용하여일해군기적용을목표로초음속엔진프로젝트를수행하고있다 이와같이이미선진각국에서는미래형내열합금을 라고명명하여연구역량을집중하고있다 극한환경용내열재료에분류될수있는구체적인재료군에대해서는그범위가모호한점이있지만 분명한것은미래수십년이지난시점에서도 기초내열합금이완전히배제된항공기엔진은가능성이없을것이란점이다 따라서현재제 세대까지개발되고있는단결정초내열합금은미래형극한환경용내열재료의유력한첫번째후보가될수있다 다음후보로는내화성금속 세라믹 γ 금속간화합물 백금족금속간화합물 백금족금속기초내열합금등다양한 기초내열합금대안재료 를들수있다 그림 은일본 의 세기 프로젝트에서목표로하는극한내열재료들을초내열합금의역사와함께나타낸것이다 여기서 의응력하에서 시간의크리프수명을보일수있는온도를그재료의수용온도라했을때 기초내열합금으로는 이상 세라믹으로 그리고내화원소베이스초내열합금으로 급의온도수용성을기대하며이들세부류의재료들은매우중요하면서도유망한차세대극한환경용내열재료로기대를모으고있다
극한환경용내열재료 3 에대한연구의주요목적은현재의 기초내열합금의온도수용성을극복하기위한것이지만 제트엔진에서성공적으로적용되고있는대안재료가없는것도현상황이다 단결정 기초내열합금은기존의재료와미래의재료사이에훌륭한완충역할혹은과도기의역할을맡고있으며미래에도중요한극한환경내열재료의역할을수행할것이다 그림 참조 따라서본연구에서는먼저단결정초내열합금의개발사를살펴보고세대별기술개발동향을점검해볼것이다 그다음여러가지대안재료들의장단점을검토해보고이들재료의연구개발동향을소개할예정이다 국내의내열재료개발상황을점검해본후세계각국의요소기술분석과국내기술의경쟁력분석 그리고파급효과와새로운기술에대해검토해볼것이다 < 그림 1-1> 고온및초고온재료의개발
4 내열합금의개발동향 제 2 장기술개발동향 1. 기술의개요및연구개발동향 제트엔진은 년을전후하여미국의 과독일의 에의해각각독립적으로개발되어비행기의동력으로사용되었다 제트엔진을위한우수한내열재료의필요성은초창기부터제기되었지만처음에는고온강도와내식성이좋은기존의재료 예를들어 합금등 를단순히선택하여사용하는수준이었다 그이후 기초내열합금으로대표되는엔진용내열합금이엔진제작사 소재전문회사 전문연구소등에서새로이개발되기에이르렀다 보통내열합금의수용온도는 의응력에서 시간을견딜수있는온도로나타내는데 기초내열합금의경우용융온도의약 까지의수용온도를보여준다 제트엔진은크게압축기 연소기 터빈 배기노즐등으로이루어져있다 먼저대량의공기가엔진의입구로유입되면이공기들은압축기를통과하며고압공기로변하고여기에연료가혼합되어연소실에서연소되면서고온고압의가스가형성된다 이가스들은 단고압터빈 의노즐가이드베인을통과하며최적의각도와고속으로 단고압터빈의블레이드를강타하게된다 이때터빈에유입되는온도 가엔진의전체성능과효율을결정하게되고따라서일반적으로 단고압터빈에사용되는재료의온도수용성이엔진에결정적인변수가된다 그림
극한환경용내열재료 5 은엔진의각부위에사용되는재료들을색상별로나타낸것 으로서온도가가장높은터빈부위에 기초내열합금이사용됨 을알수있다 < 그림 2-1> 항공기제트엔진과사용재료 [5] 기초내열합금은초기에는단조용형태로사용되다가 년대진공용해기술이발전됨에따라합금원소첨가의자유도가한층넓어진주조용합금이사용되었고일방향응고의공정기술이개발됨에따라이러한공정에적합한 합금 단결정합금들이개발되기에이르렀다 다결정초내열합금과구분되는단결정초내열합금의조성상특징은먼저입계강화원소인 등의첨가를억제했다는점이다 또한단결정합금의기계
6 내열합금의개발동향 적특성을최적화하기위해 와같은내화합금원소를다량으로첨가하였다 하지만단결정합금개발에있어서가장중요한첨가원소는무엇보다도 이다 합금의온도수용성을획기적으로향상시키기위해서초고가인 을첨가하였는데이는합금의원소재비 밀도 상안정성등의희생하에서이루어진것이므로그의미가더욱크다고볼수있다 일반적으로단결정합금은 이첨가되지않은제 세대단결정합금 이약 첨가된제 세대단결정합금 이약 첨가된제 세대단결정합금등으로분류된다 가장최근의합금개발에서는백금족원소 인 과 등을첨가하고있는데이러한경우를제 세대단결정합금이라고한다 가. 제 1 세대단결정합금 표 에서볼수있듯이제 세대 기초내열합금의주요합금원소는 등이다 이들원소중에서 등은 γ 기지에분배되어주로고용강화의역할을하며 특히 은 산화막의형성을촉진시켜고온내식성에결정적인역할을한다 이합금들은 구조 의 γ 을약 이상포함하는데표준열처리를거친단결정합금의미세구조는일반적으로입방형의 γ 이 γ모상에 차원적으로배열된모습이다 그림 참조
극한환경용내열재료 7 < 표 2-1> 제 1 세대 Ni 기초내열합금의화학조성 (wt%) Alloy Cr Co Mo W Al Ti Ta Nb V Hf Density (g/ cm3 ) Country Company or Institute Nasair 100 9-1 10.5 5.75 1.2 3.3 - - - 8.54 미국 C-M * CMSX-2 8 4.6 0.6 8 5.6 1 6 - - - 8.6 미국 C-M CMSX-3 8 4.6 0.6 8 5.6 1 6 - - 0.1 8.6 미국 C-M CMSX-6 9.8 5 3-4.8 4.7 2 - - 0.1 7.98 미국 C-M PWA 1480 10 5-4 5 1.5 12 - - - 8.7 미국 P&W ** SRR 99 8 5-10 5.5 2.2 3 - - - 8.56 영국 RR RR 2000 10 15 3-5.5 4 - - 1-7.87 영국 RR Rene N4 9 8 2 6 3.7 4.2 4 0.5 - - 8.56 미국 GE AM1 7.8 6.5 2 5.7 5.2 1.1 7.9 - - - 8.60 프랑스 ONERA AM3 8 5.5 2.25 5 6 2 3.5 - - - 8.25 프랑스 ONERA 는 자리에서 을치환해들어감에따라 γ 상을강화시킨다 주요 γ 형성원소인 은 의산화막을형성해더이상의산화진전을방지하는중요한역할도함께수행한다 단결정블레이드용초내열합금은기존의초내열합금에서입계강화의목적으로첨가되었던 의원소들을포함하지않는다 예를들어 은 에서입계강화원소를제거함에의해개발된합금이다 그결과합금의초기용융온도 는 에서 로높아졌고이에따라
8 내열합금의개발동향 보다높은온도에서용체화처리가가능해져주조상태에서형성되었던조대한 γ 을고상확산을통해완전히제거시킬수있었다 이는크리프강도의측면에서보았을때약 의온도수용성향상을초래하는것이었다 그이후엔진제작회사 합금전문회사 연구기관등에의해 표 과같이다양한조성의단결정합금들이개발되는데 터빈블레이드파손의주요한기구가크리프이기때문에항상크리프강도를가장중요한설계목표로염두에두고합금개발이진행되었다 과같은원소들은초내열합금의체적확산속도를현저하게감소시키는데 따라서이들원소의적절한첨가에의해 γ 석출물의조대화속도도최대한낮출수있고전위의 크로스슬립과같이확산에의해제어되는크리프메커니즘도억제할수있었다 또한이들원소들은 에비해상대적으로원자반경이크기때문에효과적인고용강화작용을한다 대표적인단결정합금으로는 에서개발된 그리고저밀도합금인 이있다 주요엔진회사에서개발된합금으로는 의 의 의 등이있다 한편프랑스의 등이공동개발한 은라팔전투기의 엔진의블레이드및베인재료로적용되었다
극한환경용내열재료 9 < 그림 2-2> γ 모상내 γ' 의 3 차원배열 나. 제 2 세대단결정합금 일련의단결정초내열합금합금개발연구에의해 을첨가하면단결정합금의크리프강도가상당히증가함이발견되었다 그원인은첫째 이 γ 의조대화속도를현저하게감소시키며 둘째 γ γ 의격자불일치 를크게음의값으로만드는데에기인하는것으로알려졌다 이때까지의연구에의해 γ γ 의격자불일치가음의값을가지면고온크리프시 γ 의형상이응력축에수직으로늘어나는 현상이발생하며이는다시크리프수명연장에기여한다고알려져있었다 실제단결정합금에 을 첨가했을경우약 의온도수용성향상을초래했는데
10 내열합금의개발동향 최초로 이첨가된이합금들은제 세대단결정합금군으로분류되며 대표적인예는 등을들수있다 이들의조성을 표 에정리하였다 < 표 2-2> 제 2 세대단결정 Ni 기초내열합금의화학조성 (wt%) Alloy Cr Co Mo Re W Al Ti Ta Nb Hf Density (g/cm 3 ) Country Company or Institute CMSX-4 6.5 9 0.6 3 6 5.6 1 6.5-0.1 8.7 미국 C-M PWA 1484 5 10 2 3 6 5.6-8.7-0.1 8.95 미국 P&W Rene N5 7 8 2 3 5 6.2-7 - 0.2 8.7 미국 GE SC 180 5 10 2 3 5 5.2 1 8.5-0.1 8.84 미국 SMP14 4.8 8.1 1 3.9 7.6 5.4-7.2 1.4-9.02 남아공 MC2 8 5 2-8 5 1.5 6 - - 8.63 프랑스 ONERA 제 세대단결정합금의주요논점은미세구조안정성 즉 고온에서장시간노출되었을경우 σ μ 상과같은 상들의형성경향이커진다는점이었다 상의존재는다결정합금인 에서밝혀진바와같이연성 충격강도 크리프강도등의기계적특성에나쁜영향을미칠수있다 일반적으로 등의내화원소들의함량이많아졌을경우 상의석출경향이다소증가하게된다 등의연구에의하면하나의제 세대단결정합금에서적어도 가지 상 μ σ 들이공존할수있으며이상들에는모두 과 의함
극한환경용내열재료 11 량이높게나타났다 하지만단결정합금에서 상들이기계적특성에직접적인영향을미친다는증거는없으며 해로운효과는주로고용강화의역할을하는기지의내화원소들을고갈시키는작용에기인한다고알려졌다 이러한상안정성을고려하여제 세대단결정합금에서는 의함량을 정도로낮추었으며 의함량도 이하로제한하게되었다 을포함하는단결정합금의또하나의잠재적문제점은 현상이다 은단결정부품의표면에미세한입자들이그룹을지어형성되는것으로단결정부품을불량처리할수있는심각한주조결함으로알려져있다 의형성원인은주조시수지상간영역에서액상의밀도가낮아지면액상의유동이발생할수있는데 이로인해수지상가지가파손되어새로운입자들을핵생성시키는것이라고알려져있다 결함의형성가능성은액상의밀도를높여주는 원소의함량증가에의해억제할수있으며 따라서주요한제 세대단결정합금들은모두 의함량이 이상으로높게설계되어있음을발견할수있다 다. 제 3 세대단결정합금 보다최근에는 의함량을 까지증가시킴으로단결정합금의온도수용성을더욱향상시키는합금설계가이루어졌는데이들합금을제 세대단결정합금으로분류한다 전술한바와같이 은매우고가원소이기때문에 의 가격은전체합금의원소재가격의절반이상을차지하고 의 가격은전체합
12 내열합금의개발동향 금의원소재가격의 이상을차지한다 그럼에도불구하고원소재가격에매우민감한엔진제조사들이제 세대및제 세대단결정합금을개발한다는사실은합금의온도수용성향상이얼마나중요한지를역설적으로보여주는것이라고할수있다 대표적인제 세대단결정합금들은 에서개발된 의 일본 에서개발된 및 합금들 이있는데이들의화학조성을 표 에정리하였다 상형성의경향은제 세대합금에서더욱문제가될수있기때문에 의함량은약 로제한시켰다 한편 함량은제 세대단결정합금에서논쟁의대상이되고있다 은 가 상의형성경향을증가시킨다고보고 의함량을 대로억제시킨반면 등은상안정성향상을이유로 에서 의높은 함량을추천하였다 의경우 내외에서장시간노출시켰을경우 의함량이높은 상이형성됨이밝혀졌다 < 표 2-3> 제 3 세대단결정 Ni 기초내열합금의화학조성 (wt%) Alloy Cr Co Mo Re W Al Ti Ta Nb Hf Density (g/cm 3 ) Country Company or Institute CMSX-10 2 3 0.4 6 5 5.7 0.2 8 0.1 0.03 9.05 미국 C-M Rene N6 4.2 12.5 1.4 5.4 6 5.75-7.2-0.15 8.97 미국 GE Alloy 5A 4.5 12.5-6.25 5.75 6.25-7 - 0.15 8.91 미국 GE TMS-75 3 12 2 5 6 6-6 - 0.1 - 일본 NIMS TMS-80 2.9 11.6 1.9 4.9 5.8 5.8-5.8-0.1 - 일본 NIMS
극한환경용내열재료 13 한편 등에의해 의개발단계에서새로운형태의상안정성문제가제기되었다 이라고명명된이불안정성은주로알루미나이드코팅확산층에서발견되는데이것은 γ 기지에 γ 과 상이판상으로이루어진라멜라 불연속석출과같이 를말한다 은 형성에가장직접적인영향을미치는원소임이밝혀졌다 의존재는부품의단면적감소를야기시키며 의계면은 로작용하기때문에크리프파단강도에상당한악영향을미친다고알려졌다 그림 의왼쪽은 코팅층아래에서발달한전형적인 을보여주고있고 그림 의오른쪽은 생성으로인해시편의파단수명이평균이하로급감한그래프를보여주고있다 에서개발된 는이러한 의영향을감안하여 의함량을 에비해높은수준인 로설정하였다 < 그림 2-3> SRZ 미세조직과크리프파단수명에미치는영향 [29]
14 내열합금의개발동향 라. 제 4 세대및제 5 세대단결정합금 을포함하는단결정초내열합금에 이나 을첨가했을때 상의형성경향이감소한다는사실이여러연구에의해발견되었다 이나 등과같이백금족금속 이하 등의원소 가포함된경우제 세대단결정합금으로분류된다 의첨가에의해 형성경향이감소하는원인은 의 γ γ 분배를변화시켜 γ기지내에서 이풍부한 상의형성을억제한다는것으로알려졌다 제 세대단결정합금의고온크리프특성은매우우수함이밝혀졌으나 이다른특성에미치는영향에대해서는아직까지연구가계속되고있다 등은 일본의대표적제 세대합금인 에 등의 을체계적으로첨가하며이들원소가 γ 와 γ 에어떻게분배되는지에대한연구를수행했는데 그들의결과에의하면 은 γ기지에우선적으로분배되고 등은 γ 에우선적으로분배되며 은 γ γ 두상에거의고르게분배되는것으로나타났다 프랑스 의 은 과 의함량을변화시키며제 세대단결정합금개발연구를수행하여 이라는우수한특성의합금을발표하였다 그들의결과에의하면 의크리프특성은대표적인제 세대단결정합금인 과 와거의동등하며 형성에대한상안정성은매우뛰어남을보여주었다 한편일본 의 그룹에서는제 세대단결정합금인
극한환경용내열재료 15 의 함량을 로높여온도수용성을한층높인 합금을개발했는데이합금을제 세대단결정합금으로분류하고있다 이들은합금의격자불일치를더욱음의값을갖도록하기위해 의함량을 에서 로높였으며 의함량을증가시킴에의해 상형성에대한안정성을향상시켰다 또한 작업을통해 γ γ 계면에형성된전위네트워크가이전보다훨씬미세하고규칙적으로발달했음을확인하였다 그림 는 과 의 조건에서의크리프곡선을 과비교한것인데 의온도수용성은 의온도수용성인 보다약 높아져서 프로젝트의초내열합금목표값인 를넘어섰음을볼수있다 대표적인제 세대단결정합금인 와 그리고제 세대단결정합금인 의조성을 표 에정리하였다 < 그림 2-4> 1,100, 137MPa 조건에서 CMSX-10, TMS-138 및 TMS-162 의크리프곡선 [29]
16 내열합금의개발동향 < 표 2-4> 제4세대 (MC-NG, TMS-138) 와제5세대 (TMS-162) 단결정 Ni기초내열합금의화학조성 (wt%) Alloy Cr Co Mo Re W Al Ti Ta Nb Hf Ru Country Company or Institute MC-NG 4-1 4 5 6 0.5 5-0.1 4 프랑스 ONERA TMS-138 2.4 5.9 2.9 5 5.1 5.8-5.6-0.05 1.9 일본 NIMS TMS-162 2.9 5.8 3.9 4.9 5.8 5.8-5.6-0.09 6.0 일본 NIMS 마. 초내열합금대체재료 차세대항공기제트엔진의극한환경내열재료로고려할수있는재료는내화금속베이스합금 금속간화합물 세라믹 기초내열합금등이다 등대부분의내화금속들은고온강도가우수하지만내산화성에문제점이있고 기합금보다밀도가현저하게높기때문에대체재료로서커다란매력이없는상황이다 반면 합금은질소취성등해결해야할문제가있지만 에비해저밀도라는장점이있기때문에 기합금의대체재료로서많은기대를모으고있다 일본 의 등은 및 원계합금에대한연구를통해이들합금이기존의 기합금을대체할수있을가능성을타진하였다 이들의결과에의하면 기합금들은 기합금에비해더욱우수한상온연성과압축강도 그리고내산화성을보여주었다 그림 참조 제트엔진의적용을심각하게고려해온금속간화합물은주로
극한환경용내열재료 17 가지범주로분류되는데첫째 γ 둘째 그리고셋째 금속간화합물이다 먼저 은여러가지공학적관점에서가장가능성있는대체엔진재료로고려되고있지만용융온도가 로비교적낮기때문에극한환경내열재료블레이드로서의응용보다는저압터빈과베인재료로서의응용에제한되고있다 년 을저압블레이드로적용한엔진테스트에서성공적인결과를보여준것을비롯해약 년간의지속적인연구개발 에도불구하고상용제트엔진에서는아직이재료가사용되지않고있다 이안고있는문제점은낮은상온연성 낮은파괴인성 피로수명의높은응력민감도 그리고높은제조비용등을들수있다 < 그림 2-5> 온도에따른 Cr 기합금과 Ni 기합금의 0.2% 항복강도 [35]
18 내열합금의개발동향 은높은용융온도 약 훌륭한열전도도 낮은밀도 내산화성등제트엔진응용을위한다수의매력을갖고있다 과같은원소를합금원소로첨가함에의해 이상의고온에서좋은기계적특성을달성할수있었다 금속간화합물을적용한핵심부품들은정밀주조 분말야금 고온압출과같은다양한공정에의해제작될수있는데 을터빈베인에적용한엔진테스트에서도성공적인결과를얻을수있었다 주로 은방향성응고에의해공정 조직을형성하거나아니면다상다결정체의형태로사용된다 하지만차세대엔진에 기초내열합금의대체재료로서적용되기위해서는상온인성과고온크리프강도가더욱향상되어야만한다 엔진용고온구조재료로연구되어온 금속간화합물은 형태 예를들어 와 형태 예를들어 등이있다 기초내열합금에비교한 금속간화합물의장점은높은용융온도 의경우약 의경우약 내산화성등이있으며단점은밀도가높다는것이다 이들재료에대한연구개발은합금원소첨가에의한강도향상및산화물분산강화 에의한밀도감소등의방향으로이루어지고있다 복합재는내산화성 파괴인성 피로저항성 충격저항성 코팅특성등에서훌륭한특성을보여주고있다 그러나고강도와내산화성을동시에만족시키는조성이아직개발되지않고있기때문에실제핵심부품에서 기초내열합금의대체재료로사용되
극한환경용내열재료 19 기에는추가적인연구가필요하다 복합재는 이상의온도에서뛰어난고온크리프강도 고온항복강도 내산화성을보여주고있다 이재료의문제점으로는제작성 피로저항성 충격저항성 파괴인성등의특성이좋지않다는점이며이들특성의향상에대한연구가필요하다 단결정은높은용융온도 상대적으로낮은밀도 훌륭한내산화성및높은열전도도로인해 기초내열합금의한계를뛰어넘을구조재료로서많은주목을받고있다 하지만 자체는저온파괴인성등에문제가있기때문에합금원소첨가에의해이러한문제점들을극복하기위한연구가진행되고있다 등은 단결정의소성변형에미치는합금원소의영향을연구하였는데그들의결과에의하면 과 은 의저온변형성을향상시키는데에효과가있고 과 는고온강도를향상시키는데효과적이라고한다 고온세라믹구조재료인 는극한환경고온재료로많은관심을받아왔고그가능성에대해많은연구가수행되었다 는주로산화물첨가제와함께소결로제조되는데이산화물은높은소결온도에서 기지와반응하여액상을형성한다 이액상은액상소결기구에의해치밀화를촉진시키며냉각시입계에서제 상을형성시킨다 따라서뛰어난고온기계적특성을가진 를제조하기위해서는입계상조절이필수적이다 첨가제로는주로희토류화합물인 혹은 등이많이사용되는데 등은 를함유한 의인장크리프특성을연구하였
20 내열합금의개발동향 다 그들의결과에의하면 와 의 인장크리프시험에서 시간까지의크리프수명을보여주었다 여러가지극고온재료들의온도에따른밀도 강도를 그림 에나타내었다 < 그림 2-6> 각종극고온재료의밀도 normalized 강도 바. PGM 기초내열합금 백금족원소 는주기율표 족중에서 이 가지의원소를말한다 기초내열합금에서 의가격이고가임을앞에서도밝힌바있지만 들은그야말로금보다비싼초고가의원소들이다 따라서가격측면에서 이합금원소로첨가
극한환경용내열재료 21 된것이아니라합금의베이스로사용되는소재가항공기엔진에범용적으로사용될가능성은거의없어보인다 하지만이들의높은용융온도와특성때문에 에서 사이에사용될극한환경용내열재료를굳이만들어야만하는상황이라면이들재료가가장우수하고가능성있는후보가될수있음도부인할수없다 현재 기초내열합금에대해가장광범위하게연구하고있는그룹은일본 의 그룹이며영국 팀에서도일부의연구가수행되고있다 이들역시항공기제트엔진에 기초내열합금이광범위하게사용될것이라는기대는하지않고있지만이들합금이사용될특수한환경 예를들어우주개발 이존재함은항상염두에두고있다 일본 의 등은용융온도가 인 에 과 을합금원소로첨가한 기초내열합금에대한기초연구를수행하였다 및 합금의경우 기초내열합금과마찬가지로 γ 기지와 γ 석출물이정합관계를이루는 상구조를나타내었다 이들초내열합금은 에서매우높은압축강도를나타내었는데 항복강도가 로서 기내화합금에필적할만한값이었다 또한 기초내열합금은기존의 및 기내화합금에비해서현저하게우수한내산화성을보여주었다 또한동일한 그룹은 기합금에대해서도기초연구를수행했는데 등의합금역시 기합금과같은 γ γ 구조를보여주었다 에서 합금의
22 내열합금의개발동향 압축강도는 로서 기합금과거의동등한값을보여주었으며 에서의비강도는 을나타내었다 의용융온도는 로서 보다낮지만밀도는 로서 의 보다훨씬장점을가진다 그림 은 합금및 합금의압축강도를일부 기합금의특성과비교하여나타내고있다 앞으로이들합금에대한인장강도및크리프특성에대한추가연구가필요하지만이들합금은차세대극한환경용내열합금으로써많은가능성을갖고있다고판단된다 한편영국 대학및 공동연구팀은 등의합금계에서주로미세구조및상분석연구를수행하였는데 기초내열합금과같이격자불일치가적은 미세구조를발견하였으며 상은 의조성을갖고있음을확인하였다 2. 국내연구사례 한국기계연구원 에서는 년대 를중심으로시작되었던합금설계방식에일본의계산설계방법을접목시켜 년대후반새로운조성의초내열합금개발연구를진행시켰다 먼저문헌에발표된회귀식과새로운통계학적모델링을바탕으로일본 그룹의합금설계프로그램과거의동등한소프트웨어를보유하게되었다
극한환경용내열재료 23 < 그림 2-7> Rh, Ir 및 Ni 합금의압축강도 [2] 100 80 60 Ir-15at%Nb Ir-15at%Ti Rh-15at%Nb Rh-15at%Ti Rh 15at%Ta MarM247 Measured MarM247 Ni-Al-Cr, 40%Y 40 20 0 0 500 1000 1500 2000 Temperature, 또한 년간에걸친영국 사와의공동연구에서는입계결함수용성이향상된단결정합금개발을통해초내열합금개발의경험과노하우를축적하게되었다 입계결함수용성향상단결정합금개발의배경은항공기제트엔진의온도수용성을향상시키기위한노력의일환으로노즐가이드베인의단결정화가추진되고있는데 제조공정중에불가피하게도입되는입계결함때문에베인부품의심각한수율문제가발생한다 이를해결하기위해서한영공동연구에서는입계강화원소가첨가된단결정초내열합금을개발하고자하였다 단결정 기초내열합금의개발은합금설계 진공용해 정밀주조 일방향응고 열처리시험 기계적시험 환경적시험 시험결과분석및평가등의일련의과정이포함되는방대한프로젝트이다 또한
24 내열합금의개발동향 각단계하나하나가까다로운공정혹은시험이기때문에국내의역량으로단독으로수행하기에는경험이나비용 성공가능성등의측면에서보았을때어려운점이많은사업이었다 이에한영공동연구사업에서 와공동으로합금개발사업을수행하게되었으며이러한공동연구를통해합금개발의실제적인측면을물론 전술한각공정및시험에대한 의연구역량향상을이룩하였다 구체적으로는합금설계기법으로단결정합금의 결함억제를위한 의경험적기준과 일방향응고단결정제작에관한많은노하우를습득하였으며단결정시험편의기계적시험에대한 의인증을 에서획득하였다 한영공동연구사업단결정합금개발연구의주요결과로 그림 과같이 이큰고각입계에서입계강도가베이스합금보다우수한개량합금들을개발하였는데이는입계강화원소인 등의함량을최적화함에의해얻을수있었다 또한 로부터합금개발재료데이터베이스를제공받아이를데이터모델링함에의해합금설계컴퓨터프로그램을개선하였는데기존다중회귀분석의한계를극복하기위해인공지능의개념을가진 을도입하였다 데이터의학습을통해차후의새로운데이터에대한예측능력을향상시키는 방법으로초내열합금의기계적특성 특히단결정크리프파단수명예측을모델링하였다 이연구에서는 에러바제시등의문제점을극복하기위해
극한환경용내열재료 25 방법을사용하였으며 이방법론에서나타나는고차원적분문제는 를이용하여해결하였다 데이터변환 아키텍쳐등의변수효과를분석함에의해최적의모델링이이루어지는시스템을성공리에구축하였는데미리보관해둔실험데이터로모델의성능을파악해본결과약 이상의정확성을보여주었다 < 그림 2-8> misorientation 이큰고각입계에서입계강도가베이스합금보다우수한개량합금의 BX stress rupture life Creep Rupture Life for Bi Crystals 100 BX stress rupture life (hrs) 10 1 BASE Mod A Mod B Mod C Mod D 950 o C/290MPa 0.1 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Misorientation Angle (degrees) 의재료데이터베이스와 의 알고리즘으로완성된 는이후업데이팅을거치며 의 년기관고유사업 고효율발전설비핵심부품개발 중일부로서단결정합금개발을수행하였는데 를이용하여대표적인제 세대단
26 내열합금의개발동향 결정합금인 의크리프특성보다우수한제 세대단결정합금을개발하였다 그림 참조 이로써세계최초로 기법이단결정초내열합금의개발에실제로유용하게사용될수있음을입증하였고현재는 기법을인장특성 열역학특성등다른주요특성의모델링에적용하여보다완성도가높은합금설계프로그램에대한연구가진행중이다 또한크리프특성뿐만아니라상안정성 내산화성 열피로저항성등을함께고려한새로운단결정합금개발연구가 계산재료설계에의한미래형단결정초내열합금개발 이라는제목의기본연구로진행중이다 < 그림 2-9> CMSX-4 과 KIMM 개발합금의크리프특성 [45]
극한환경용내열재료 27 제 3 장기술특성분석 1. 국내외기술수준비교분석 미국의 는가스터빈엔진및내열합금개발의역사상에서항상중심의역할을해왔다 그것은항공기엔진제작사의이른바빅 그리고 와산업용가스터빈제작사의빅 에 가모두공통으로포함된다는사실로서짐작할수있다 현재전세계의가스터빈및제트엔진시장에서가장영향력이큰나라가미국이며 미국에서가장영향력이큰업체가 라고할수있다 따라서동분야 의기술력은세계에서최고라고말할수있으며항상전세계의업체및연구기관의주요목표가되고있다 의내열합금연구개발은뉴욕주 에소재하는 센터에서기계적특성및미세구조조절등의연구가주로수행되고있고 의 등에의해합금개발연구가진행되었다 특히 은 등 시리즈의 합금을개발해왔으며제 세대합금에서 를발견하는등현재초내열합금관련분야에서세계적으로가장활발하게연구를진행시키고있다 미국의항공기엔진제작사빅 중의다른하나인 사는제 세대단결정합금이개발될때까지만하더라도 와거의대등한입장에서경쟁관계를유지해왔으나최근엔진
28 내열합금의개발동향 분야세계시장점유율수축과함께차세대합금개발분야에서는연구개발이위축되고있는분위기이다 하지만역사적으로 는단결정부품제작을위한일방향응고의공정에서주도적역할을해왔으며 및 등의뛰어난연구자들에의해우수한단결정합금들이 제 세대합금 제 세대합금 등 개발되었다 한편미국의 은순수소재전문회사로서현재 기초내열합금소재만을고려했을때세계에서가장기술력이뛰어나며영향력이큰업체라고할수있다 특히단결정합금개발분야에서는 및 의주도하에제 세대단결정합금인 제 세대단결정합금인 제 세대단결정합금인 등이개발되어왔으며이들은차세대단결정합금개발에서도주도적인역할을하고있다 현재전세계적으로가장신뢰성이높고많이사용되고있는단결정합금이바로 사에서개발한제 세대단결정합금 이다 따라서 기초내열합금분야에서 의물성및특성향상에관한수많은연구들이전세계적으로수행되고있으며새로운합금을개발할때에도많은경우에 가목표합금으로설정되고있다 영국에서는세계 대항공기엔진제조사의하나이며현재시장점유율을점차증대시키고있는 를중심으로핵심부품및합금개발의연구가주도되고있다 는 년기준연매출이 억파운드에달하는등확실한세계 위의엔진제작사로자리잡고있다 에서는합금개발분야에서제 세대
극한환경용내열재료 29 단결정합금인 및 을비롯하여제 세대단결정합금인 을개발하였으며최근에는 등의주도하에입계강화원소가첨가된단결정합금개발 백금족원소베이스초내열합금개발의연구가진행되고있다 특히 의 기초내열합금연구는 대학우수한연구력에의해뒷받침되고있으며 소재 단결정주조담당 소재 모합금제조담당 등과긴밀한협력관계를유지하고있다 프랑스의연구기관인 에서는프랑스의라팔전투기용 엔진및헬리콥터용 엔진등에사용되는초내열합금들을개발해왔다 주로 과 을중심으로진행된합금개발연구에서제 세대합금인 제 세대합금인 그리고차세대합금으로 가개발되는등견고한기술력을보유하고있다 일본에서는 에의해주도되는 의그룹이현재내열합금및극한내열합금분야에서전세계적으로도가장활발하게연구를수행하는연구팀으로볼수있다 그룹은 년대후반부터최초의계산설계방법인 를개선하여실험데이터를회귀분석한초내열합금의계산설계방법을초내열합금개발에적용시키고있다 그결과 시리즈의우수한합금들을개발하여실제일본에서제작되는가스터빈및젯트엔진에적용시키고있다 또한 등컴퓨터계산에의한방법을 기초내열합금분야
30 내열합금의개발동향 에적용시켰다 최근에는 프로젝트를수행하며백금족원소베이스초내열합금등 및 급극한내열재료개발을선도하고있다 한국에서는 년대 를중심으로시작되었던합금설계방식에일본의계산설계방법을접목시켜 년대중반부터 에서는초내열합금개발연구를진행시켰다 특히 년간에걸친영국 사와의공동연구를통해초내열합금개발의경험과노하우를축적하였다 한편데이터모델링분야의획기적인방법으로등장한 모델링을활용하고 의풍부한재료데이터베이스를공급받아 을개발하였다 의 기관고유사업 고효율발전설비핵심부품개발 중일부로서단결정합금개발을수행하였는데이 를이용하여계산설계한합금의크리프특성이대표적인제 세대단결정합금인 의크리프특성보다우수함을확인하였다 현재 기본연구를통해 계산재료설계에의한미래형단결정초내열합금개발 이라는주제로제 세대및제 세대단결정합금의개발을진행시키고있다 2. 기술경쟁력분석 (SWOT 분석 ) 국내 의내열재료연구팀의극한환경내열재료연구분야 의강점은첫째 우수한성능의합금설계프로그램의보유이다 알고리즘을이용하고 의신뢰성있는
극한환경용내열재료 31 재료물성데이터를혼합시킨 는 의합금설계프로그램보다한단계진보된것임을인정받았고실제실험을통해서정확성을확인하였다 둘째 단결정제작능력이다 수십년간축적된일방향응고공정의노하우와신뢰성있는독일 장비로단결정시험편및부품 이하급 을양산수준으로제작할수있는능력을보유하고있다 셋째 단결정을포함한 기초내열합금의기계적시험수준은 등의인증을받아세계일류수준의테스팅시스템을갖추고있다 넷째 수십년간의초내열합금미세구조에대한연구로재료의특성에미치는주요상들의형상변화와같은미세구조연구가세계일류수준이다 단점은모합금제작시각합금원소함량의조절능력과미량원소제어능력이선진국에비교해크게떨어진다는점이다 따라서현재미래형단결정합금개발프로젝트의경우 모합금제작은외국에주문제작함에의해해결하고있다 역시이와맞물린문제점이지만제조된합금의화학성분분석능력이선진국에비해많이떨어지고있다 이또한외주에의해서해결할수있는부분이지만궁극적으로는자체적으로이러한기반기술을갖추어야할것으로보인다 기회는동분야연구에서활발한국제적인 연구인력 네트워크를갖추고있다는점이다 특히긴밀한협력관계를보유하고있는연구팀들은영국의 프랑스의 일본의 중국의 미국의 등을들수있다 영국 와는 년부터 년까지내열재료에대한공동연
32 내열합금의개발동향 구를실제로수행했으며 중국의 과는공동세미나개최등을통하여양국의최신연구동향을교류하고있다 일본의 의 와는가까운장래에공동연구를수행할것으로합의가되었으며 의 의 로부터는수시로초내열합금의핵심기술에대해자문을받고있다 또하나의기회라면 내열재료연구팀이고온초내열합금및핵심부품연구분야에서국내대표적인국내연구팀이라는점이다 이때까지국내연구진에의해단편적인내열합금연구는있어왔지만합금설계 단결정제작 기계적시험과같이전과정의시스템을구축한경우는없었다고볼수있다 위협요소는먼저국내시장의취약성을들수있다 초내열합금및고온핵심부품의거의유일한국내시장은한전이라고볼수있는데그나마이때까지는가스터빈및핵심부품을선진국에서수입해사용하는데에국한되었고국산화에대한노력이최근에일부이루어지고있는실정이다 둘째 앞의요인과긴밀한관계를갖고있지만국내산업체의취약성을들수있다 국내에서터빈블레이드등의제트엔진핵심부품을제작하는업체는 개정도로극히제한되어있고단결정부품은현재개발단계의수준이다 셋째 합금개발을위한원소재의공급문제이다 현재연구개발용으로는전략원소나고가원소의사용에큰제약이없으나자체의특허를가지고선진국에경쟁할수있을정도의합금제작이가능해지면이러한원소재공급문제가하나의위협요인이될수있다 그림 에이들 분석을차트로나타내었다
극한환경용내열재료 33 < 그림 3-1> 극고온재료연구개발용 SWOT 분석차트 3. 파급효과 제트엔진의효율및성능이터빈입구온도에의존하므로극한환경내열재료개발에의해핵심부품의온도수용성이높아지면보다고성능의가스터빈엔진이가능해질것이다 이러한핵심소재기술은산업용가스터빈의경우에도그대로적용될수있어서국내발전산업의획기적인도약을기대할수있다 또한합금개발단계에서적용하고있는인공신경망기법은초내열합금의제반특성 기계적특성 물성특성 산화특성 뿐만아니라모든소재 모든특성에적용가능한방법이며 공정변수를모델링하여공정최적화에도적용가능하다 재료공학나아가서는공학전반에걸쳐무궁무진한응용가능성이있는높은파급효과의접근방법으로볼수있다 이러한소재개발의시스템을보유함에의해원소재비용이저렴
34 내열합금의개발동향 하면서도동등한특성을가진합금개발이가능해지며 고효율의엔진및가스터빈으로연료및운용비용절감효과를기대할수있다 또한우수한특성의합금을개발하여국제특허를취득할경우선진국과해당분야기술적 가가능할것으로보인다 국내에서는보령화력의 가스터빈과같은발전용가스터빈분야에서단결정핵심부품이필요한 급가스터빈에국산개발합금적용이기대되고있다 4. 최신방법소개 년대이전에초내열합금의설계에주로사용된방법은 에의한다중선형회귀분석 이었다 다중선형회귀분석은입력변수와출력변수사이의특정한비선형함수관계를모를때가장손쉽게이들의상관관계를찾아낼수있는방법이다 하지만다중선형회귀분석은실제있을수있는입력변수와출력변수사이의비선형관계를모델링할수없다는점 그리고입력변수사이의커플링현상을설명할수없다는점등의한계점을가지고있다 이문제를해결하기위해보다일반적이고유연한형태의비매개회귀분석 이필요하게되었다 이러한데이터모델링을위해가장유망한방법중의하나가 년대에최초로그개념이도입되었고 년대에이르러널리응용되고있는인공신경망 이하 방법이다
극한환경용내열재료 35 은인간의두뇌구조와유사한계산구조를갖고있는데가장독특한특징중의하나가바로데이터에의한학습 혹은 이다 이그래픽데이터로학습을하게되면패턴인식과같은분야에활용될수있고 사운드데이터로학습을하게되면음성인식과같은분야에활용될수있으며 수치데이터로학습을하게되면본문제와같이회귀나분류등의데이터모델링에활용될수있다 이때네트워크출력값이연속적인변수이면회귀 모델링을하는것이고출력값이정해진몇개의값중에서하나를선택하는형태가되면분류 모델링을하는것이된다 은일반적으로 그림 와같이 로이루어진구조 를가진다 일반적인 의학습과정은먼저각 에난수 를배정하고입력층의노드에입력값을넣은후 내부계산에의해각층의노드값을계산한다 계산된노드값은다시다음층의입력과같은역할을하며계속앞으로나아가최종적으로출력층의노드즉 출력값을계산한다 이렇게계산한출력값은실제출력값과당연히차이를보이게된다 이차이를정보로하여다시출력층부터입력층으로거슬러올라가며파라미터들을갱신해나아간다
36 내열합금의개발동향 < 그림 3-2> nodes, weights and biases 로구성된 NN 구조 [44] 의학습 즉파라미터의갱신에가장널리사용되는방법은에러의역전파 라고도불리는 방법이다 의예측성능은네트워크의아키텍처에크게의존한다 일반적으로아키텍처가복잡해질수록즉 중간층의수가많아지고각층의노드수가많아질수록손실함수로표현되는모델의예측성능은향상된다 하지만네트워크모델이너무복잡해지면실험데이터의노이즈까지모델링을하게되어우리가원하는데이터의일반화 는달성하기어려워진다 이것을 이라고한다 모델링은항상 의위험성을내포하고있으므로이점을항상염두에두고가능한한이를방지해야한다 기존의인공신경망의또하나의문제점은모델의예측값
극한환경용내열재료 37 을하나의값으로만나타낸다는점에있다 실제데이터를대표하는데이터모델링에서는예측값이이와같이하나의정답으로나타날수없는것은분명하다 즉 어떠한모델이예측하는예측값의불확실성혹은에러바를반드시제시해주어야만하는데이를위해서는예측값을주어진데이터의조건부확률로처리해줄수있는확률적추론 방법이필요하다 데이터모델링에응용할될수있는확률적추론법중에서가장적절한방법이바로 인데 와 은이러한 를 에도입하여 의기틀을마련하였다 확률적추론법으로우리가 에서구하고자하는것은주어진데이터하에서 의조건부확률 인데 에의해구해진다 에서사용하는 는주로 이지만경우에따라서는 등의다른가능성을시도할수도있다 이와같은입력데이터를일련의처리를통해 에대한 을얻을수있으며 이 으로부터가장가능성있는 값이나그에따른불확실성도계산할수있다 제 4 장결론및전망 제트엔진의핵심부품에관련된소재및공정기술들은그특성상 미국등의선진국들이기술이전을극도로회피하고있는분야이다
38 내열합금의개발동향 그것은민항기엔진및산업용가스터빈과같이고부가가치산업을통해국가경제에기여한다는측면도있지만전투기엔진과같이국가의군사력에직접적인영향을주는분야이기때문에기술이전을회피하는것은충분히이해가가는사항이다 따라서국내에서항공산업및가스터빈산업의기술자립화를위해서는국내독자의내열합금개발에대한연구가반드시이루어져야한다 현재국가적인대형 사업들은조기에제품양산으로연결될수있는산업화가능분야에만집중되고있는실정이다 하지만극한환경내열재료개발과같이민군양측에서국가의경쟁력을극대화할수있는연구분야에대해서는국가가장기적인비전과철학을가지고 를주도해야만한다 미국 영국 프랑스등선진국의초내열합금의개발경험과역사를감안했을때국내의연구개발상황은매우열악하다고할수있다 연구비는물론연구인력과경험 인프라모든면에서경쟁이되지않으며이러한상황에서는언제까지나선진국에수십년뒤진연구만수행할수밖에없을것이다 이러한현실에서가장유효한연구개발전략은선진국들이거쳐갈수밖에없는미래의 분야의기술을우리가선점하여기술적인주도권을갖추는것이다 내열재료분야에서그대표적인예가극한환경용내열합금개발이될수있으며이미일본 에서는이러한전략으로발빠르게움직여이미일부의 재료연구분야에서주도권을확보하고있다 국내에서도늦은감은있지만일본의 프로젝트와같은
극한환경용내열재료 39 체계로 급이상의온도수용성을갖는극한환경용내열재료개발에착수하여미래기술의주도권을확보한다면 기존기술에대한 의역할을할수있을뿐만아니라동등한관계에서국제공동연구를수행하여가까운장래에선진국과의기술격차를좁히는데크게기여하게될것이다
40 내열합금의개발동향 참고문헌
참고문헌 41
42 내열합금의개발동향
참고문헌 43 日本金屬學會誌
44 내열합금의개발동향
참고문헌 45