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초합금

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1. 개요

초합금은 고온 환경에서 높은 강도와 내구성을 유지하도록 설계된 금속 합금으로, 다양한 원소를 첨가하여 화학적 조성을 최적화한다. 니켈, 코발트, 철을 기반으로 하며, 크리프 저항성을 높이기 위해 γ', γ'', 탄화물, TCP 상 등의 미세 구조를 갖는다. 니켈 기반 초합금은 고온 강도가 우수하며, 코발트 기반 초합금은 가스터빈의 고정 베인에 사용된다. 철 기반 초합금은 니켈 기반보다 저렴하며, 항공 우주, 에너지, 화학, 자동차 산업 등 극한 환경에서 사용된다. 단결정 초합금은 결정립계가 없어 고온 크리프 저항성이 뛰어나며, 산화 및 부식 방지를 위해 다양한 코팅 기술이 적용된다.

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초합금
합금 정보
종류금속 합금
정의높은 온도나 고압 환경에서 뛰어난 기계적 강도와 내식성을 유지하는 특수 합금
주요 특징높은 내열성, 내크리프성, 내부식성
개발 배경고온 환경에서 작동하는 부품(예: 제트 엔진 터빈 블레이드)의 성능 향상 필요성
구성 성분
주요 원소니켈, 코발트, 철
기타 첨가 원소크롬, 알루미늄, 티타늄, 몰리브덴, 텅스텐, 탄탈럼, 하프늄, 레늄, 이트륨, 붕소, 지르코늄
주요 특성
내열성고온에서 뛰어난 강도와 내구성을 유지
내크리프성고온에서 지속적인 하중에 대한 변형 저항
내부식성고온, 산화 및 부식 환경에 대한 저항
가공성냉간 및 열간 가공 가능
합금 종류
니켈 기반 합금가장 일반적인 초합금 종류
코발트 기반 합금고온 및 부식 환경에서 더 우수한 성능
철 기반 합금니켈, 코발트 기반 합금보다 낮은 성능을 가지지만 비용이 저렴
제조 공정
주요 공정정밀 주조, 분말 야금, 단조
단결정 주조터빈 블레이드 제조에 사용되는 특수 공정
사용 분야
항공 우주제트 엔진 터빈 블레이드, 로켓 엔진 부품
발전가스 터빈, 증기 터빈 블레이드
산업화학 처리 장비, 해양 장비
의료임플란트 재료
관련 기술
열처리합금의 미세 구조 및 특성을 최적화하기 위한 과정
표면 코팅내산화성 및 내부식성 향상
참고 자료
관련 학술 자료Sims, C.T. (1984). A History of Superalloy Metallurgy for Superalloy Metallurgists. In Superalloys 1984 (Fifth International Symposium) (pp. 399–419).
관련 학술 자료Carter, T.J. (2005). Common failures in gas turbine blades. Engineering Failure Analysis, 12(2), 237–247.

2. 화학적 조성 및 개발

초합금은 고온 환경에서 사용되도록 설계되었으므로, 크리프 저항성과 내산화성이 매우 중요하다. 다양한 원소(일반적인 원소 또는 희귀 원소)를 첨가하여 초합금의 특성을 어느 정도 조절할 수 있는데, 금속뿐만 아니라 준금속비금속도 포함된다. 크롬(Cr), (Fe), 코발트(Co), 몰리브데넘(Mo), 텅스텐(W), 탄탈럼(Ta), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 레늄(Re), 이트륨(Y), 바나듐(V), 탄소(C), 붕소(B), 하프늄(Hf) 등이 첨가되는 합금 원소의 예시이다.

크리프 저항성은 부분적으로 결정 구조 내에서 전위의 이동 속도를 늦추는 데 의존한다. Al, Cr, B, Y를 첨가하여 내산화성을 향상시키는데, Al과 Cr은 산화물층을 형성하여 초합금을 추가적인 산화로부터 보호하고 B와 Y는 이 산화물 층의 기판에 대한 접착력을 향상시킨다.[3] Cr, Fe, Co, Mo, Re는 γ 매트릭스에, Al, Ti, Nb, Ta, V는 γ' 석출물에 우선적으로 분배되어 각각 고용체 강화와 석출물 강화를 한다. B와 Zr은 입계 강화를 위해 선택되며, 입계 에너지를 감소시키고 입계 응집력과 연성을 향상시킨다.[4] C와 Cr, Mo, W, Nb, Ta, Ti, Hf와 같은 탄화물 형성제를 첨가하여 입계에서 탄화물 석출을 유도, 입계 슬라이딩을 감소시키기도 한다.

원소 첨가는 일반적으로 고용체 강화에 유용하지만, 원치 않는 석출을 초래할 수 있다. 석출물은 기하학적으로 밀집된(GCP), 위상적으로 밀집된(TCP), 탄화물로 분류 가능하다. GCP 상은 기계적 특성에 유익하지만, TCP 상은 해로운 영향을 미치는 경우가 많다. TCP 상은 슬립계가 거의 없고 취성이 크며, GCP 상에서 원소를 "흡수"한다. γ' 형성에 유용하거나 고용체 강화에 큰 영향을 미치는 원소들이 TCP를 석출할 수 있으므로, TCP를 피하면서 GCP를 촉진하는 적절한 균형이 필요하다.

TCP 상은 다음과 같은 이유로 약하다.[7][8]


  • 본질적으로 열악한 기계적 특성을 지닌다.
  • γ 매트릭스와 비결합적이다.
  • γ'가 없는 "고갈 영역"으로 둘러싸여 있다.
  • 일반적으로 균열을 핵생성하는 날카로운 판상 또는 침상 형태이다.


주요 GCP 상은 γ'이며, 거의 모든 초합금이 이 상 때문에 니켈 기반이다. γ'는 정렬된 L1 (L-원-투) 구조를 가지며, 니켈 기반 초합금은 일반적으로 면에 니켈을, 모서리에 티타늄 또는 알루미늄을 포함한다. 또 다른 "좋은" GCP 상은 γ''이며, γ와 결합적이지만 고온에서 용해된다.

초합금 상[7][8]
분류구조조성외관효과
γ매트릭스무질서 FCC니켈, 코발트, 철 및 고용체에 있는 다른 원소들다른 석출물의 배경매트릭스 상, 연성과 석출물을 위한 구조를 제공한다.
γ'GCPL1 (정렬된 FCC)Ni(Al,Ti)입방체, 둥근 입방체, 구형 또는 판상(격자 불일치에 따라 다름)주요 강화 상. γ'는 γ와 결합적이며, 이는 연성을 허용한다.
탄화물탄화물FCCmC, mC, 및 mC (m ⁠= ⁠금속)진주 목걸이 같은 끈 모양의 덩어리많은 탄화물이 있지만, 모두 분산 강화와 입계 안정화를 제공한다.
γ''GCPD0 (정렬된 BCT)NiNb매우 작은 원반이 석출물은 γ 결합적이다. IN-718의 주요 강화 상이지만, γ는 고온에서 용해된다.
ηGCPD0 (정렬된 HCP)NiTi세포상 또는 비드만스태튼 패턴을 형성할 수 있다.이 상은 최악은 아니지만 γ'만큼 좋지는 않다. 입계를 제어하는 데 유용할 수 있다.
δ밀집되지 않음사방정계NiNb침상(바늘 모양)이 상의 주요 문제점은 γ와 비결합적이라는 것이지만, 본질적으로 약한 것은 아니다. 일반적으로 γ''가 분해되어 형성되지만, 때로는 입계 미세화를 위해 의도적으로 소량 첨가되기도 한다.
σTCP사면체FeCr, FeCrMo, CrCo길쭉한 구상체이 TCP는 일반적으로 가장 나쁜 기계적 특성을 갖는 것으로 간주된다.[9] 기계적 특성에는 결코 바람직하지 않다.
μTCP육방정계FeNb, CoTi, FeTi구상체 또는 판상체이 상은 전형적인 TCP 문제를 가지고 있다. 기계적 특성에는 결코 바람직하지 않다.
라베스TCP마름모면체(Fe,Co)(Mo,W)거친 비드만스태튼 판상체이 상은 전형적인 TCP 문제를 가지고 있다. 기계적 특성에는 결코 바람직하지 않다.


2. 1. 니켈 기반 초합금

니켈(Ni) 기반 초합금은 독특한 γ' 석출물 덕분에 고온 강도와 크리프 저항성이 우수하다.[1][31] γ' 상은 Ni₃(Al,Ti) 형태의 금속간 화합물로, 알루미늄(Al)과 티타늄(Ti) 첨가를 통해 생성 및 제어된다. γ' 상의 크기는 정밀한 석출 강화 열처리를 통해 정확하게 조절할 수 있다. 많은 초합금은 1차 상으로 알려진 큐보이드 형태의 γ' 입자의 분산과 이들 사이에 미세하게 분산된 2차 γ'를 생성하는 2상 열처리를 사용하여 생산된다.[3]

내산화성 향상을 위해 Al, 크롬(Cr), B, 이트륨(Y) 등이 첨가된다. Al과 Cr은 표면을 수동화시키고 초합금을 추가적인 산화로부터 보호하는 산화물층을 형성하는 반면, B와 Y는 이 산화물 층의 기판에 대한 접착력을 향상시키는 데 사용된다.[3] Cr, (Fe), 코발트(Co), 몰리브데넘(Mo), 레늄(Re) 등은 γ 매트릭스에 우선적으로 분배되어 고용체 강화 효과를 제공한다. Al, Ti, 니오븀(Nb), 탄탈럼(Ta), 바나듐(V)는 γ' 석출물에 우선적으로 분배되어 석출물을 강화시킨다.

붕소(B)와 지르코늄(Zr)은 입계에 편석되어 입계 에너지를 감소시키고 입계 응집력과 연성을 향상시켜 입계를 강화한다.[4] 탄소(C)는 Cr, Mo, W, Nb, Ta, Ti, 하프늄(Hf)와 같은 탄화물 형성제를 첨가하여 입계에서 탄화물의 석출을 유도하여 입계 슬라이딩을 감소시킨다.

니켈 기반 초합금의 조성 범위는 다음과 같다.[1][5][6]

니켈 기반 초합금 조성
원소조성 범위
(중량 %)
목적
Ni, Fe, Co50-70%초합금의 기본 매트릭스 γ 상을 형성한다. Ni는 γ' (Ni₃Al)를 형성하기 때문에 필요하다.
Fe와 Co는 Ni보다 높은 융점을 가지며 고용체 강화를 제공한다. Fe는 Ni 또는 Co보다 훨씬 저렴하다.
Cr5-20%내산화성 및 내식성에 필요하며, 보호 산화물 Cr₂O₃를 형성한다.
Al0.5-6%주요 γ' 형성 원소이다. Cr₂O₃보다 고온에서 내산화성을 제공하는 보호 산화물 Al₂O₃를 형성한다.
Ti1-4%γ'를 형성한다.
C0.05-0.2%MC 및 M₂₃C₆ (M ⁠= ⁠금속) 탄화물은 γ'가 없는 경우 강화 상이다.
B, Zr0-0.1%붕소와 지르코늄은 입계에 강도를 제공한다. 단결정 터빈 블레이드에는 입계가 없기 때문에 이것은 필수적이지 않다.
Nb0-5%저온(700°C 미만)에서 강화 상인 γ''를 형성할 수 있다.
Re, W, Hf, Mo, Ta1-10%고용체 강화(및 탄화물 형성)를 위해 소량 첨가되는 내화 금속이다. 무겁지만 융점이 매우 높다.



1929년, 소량의 Ti와 Al을 첨가한 80Ni-20Cr 합금이 표준이 되었다. 초기 금속학자들은 이미 니켈(Ni)계 초합금에서 작은 γ' 석출물을 형성하고 있었으며, 이러한 합금은 탄화물과 고용체 강화에 의해 강화된 철(Fe)계 및 코발트(Co)계 초합금을 빠르게 능가했다.

2. 2. 코발트 기반 초합금

코발트 기반 초합금은 탄화물 석출 및 고용체 강화를 통해 기계적 특성을 나타낸다. 이러한 강화 방법은 γ' (감마 프라임) 석출 강화보다는 효과가 덜하지만,[1] 코발트는 니켈보다 융점이 높고, 고온 부식 저항성과 열 피로 저항성이 우수하다.[13] 따라서 탄화물 강화 코발트 기반 초합금은 가스 터빈의 고정 베인과 같이 응력이 낮고 온도가 높은 곳에 사용된다.[13]

코발트의 γ/γ' 미세구조는 2006년 Sato 등이 다시 발견하여 발표하였다.[14] 해당 γ' 상은 Co₃(Al, W)였다. Mo, Ti, Nb, V, Ta는 γ' 상에 분포하는 반면, Fe, Mn, Cr은 매트릭스 γ에 분포한다.

2015년 Makineni 등은 텅스텐(W)이 없고 Co₃(Al,Mo,Nb)의 γ' 상을 갖는 코발트 기반 초합금 계열을 발견하였다.[15] 텅스텐(W)은 무겁기 때문에, W를 제거함으로써 코발트 기반 합금은 특히 저밀도가 중요한 항공기 터빈에서 점점 더 실용적이 된다.

가장 최근에 발견된 초합금 계열은 2017년 Nyshadham 등이 계산적으로 예측하였고,[16] 2018년 Reyes Tirado 등이 실증하였다.[17] 이 γ' 상은 텅스텐(W)이 없고 Co₃(Nb,V)와 Co₃(Ta,V)의 조성을 갖는다.

2. 3. 철 기반 초합금

철계 초합금은 니켈(Ni) 기반 초합금에 비해 가격이 저렴하면서도 비슷한 수준의 크리프 저항성과 내산화성을 제공할 수 있어 주목받고 있다. 철계 초합금은 오스테나이트(Austenite) 철(Fe)을 기반으로 하며, 감마(γ) 상과 감마 프라임(γ') 상으로 구성된다.

  • 감마(γ) 상: 오스테나이트 철(FCC) 구조를 가지는 기본 바탕(기지)이다. 합금 원소로는 알루미늄(Al), 붕소(B), 탄소(C), 코발트(Co), 크롬(Cr), 몰리브데넘(Mo), 니켈(Ni), 니오븀(Nb), 규소(Si), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 이트륨(Y) 등이 포함된다.[21] Al은 페라이트(BCC) 구조를 안정화시켜 고온 강도를 저하시키므로, 그 함량은 낮게 유지된다.[22]
  • 감마 프라임(γ') 상: 이 상은 합금의 강도를 높이는 석출물 형태로 존재한다. Al, Ni, Nb, Ti 등의 원소를 첨가하여 γ'-Ni₃Al 석출물을 형성할 수 있다.


철계 초합금은 표면에 형성되는 산화물 층에 따라 크롬(Cr) 산화물 형성형과 알루미늄(Al) 산화물 형성형으로 나뉜다.

  • 크롬 산화물 형성형: 일반적인 스테인리스강이지만, 고온, 특히 수증기가 있는 환경에서 크리프 저항성이 낮다. 수증기는 산화를 가속화하고 휘발성 크롬 산화물을 생성하여 내구성을 저하시킨다.[22]
  • 알루미늄 산화물 형성형: 강 표면에 알루미늄 산화물(Al₂O₃) 층을 형성하는 오스테나이트 철(FCC) 기반 합금이다. Al은 Cr보다 산소와 더 안정적으로 결합한다. NiAl 침전물은 Al 저장소 역할을 하여 보호 알루미나 층을 유지하고, Nb와 Cr 첨가는 NiAl 침전물의 형성을 촉진한다.[22]


알루미늄 산화물 형성형 오스테나이트(AFA) 합금은 작동 온도에 따라 다음과 같이 여러 등급으로 개발되었다.[23]

알루미늄 산화물 형성형 오스테나이트(AFA) 합금 등급
등급조성 (wt.%)작동 온도 (공기 + 10% 수증기)
AFA 등급(50-60)Fe-(20-25)Ni-(14-15)Cr-(2.5-3.5)Al-(1-3)Nb750°C - 800°C
저니켈 AFA 등급63Fe-12Ni-14Cr-2.5Al-0.6Nb-5Mn3Cu650°C
고성능 AFA 등급(45-55)Fe-(25-30)Ni-(14-15)Cr(3.5-4.5)Al-(1-3)Nb-(0.02-0.1)Hf/Y850°C - 900°C
주조 AFA 등급(35-50)Fe-(25-35)Ni-14Cr-(3.5-4)Al-1Nb750°C - 1100°C (Ni 함량에 따라)
AFA 초합금(40-50)Fe-(30-35)Ni-(14-19)Cr-(2.5-3.5)Al-3Nb750°C - 850°C



수증기가 없는 환경에서는 작동 온도가 더 높아질 수 있으며, AFA 초합금 등급은 니켈 합금 UNS N06617에 근접하는 크리프 강도를 보인다.

3. 미세 구조

초합금은 고온 환경에서 사용되도록 설계되었기 때문에, 크리프 저항성과 내산화성이 매우 중요하다. 니켈(Ni) 기반 초합금은 독특한 γ' 석출물 때문에 이러한 용도에 가장 적합한 재료이다.[1][31] 초합금의 특성을 조절하기 위해 다양한 원소(일반적인 원소 또는 희귀 원소)를 첨가할 수 있다.

현대의 니켈 기반 초합금에서 γ'-Ni₃(Al,Ti) 상은 전위의 장벽 역할을 한다. 따라서 이 γ' 금속간 화합물 상은 높은 부피 분율로 존재할 때, 그 정돈된 특성과 γ 기지와의 높은 응집성으로 인해 합금의 강도를 증가시킨다.[3]

내산화성을 향상시키기 위해 Al, Cr, B, Y가 첨가된다. Al과 Cr은 표면을 수동화시키고 초합금을 추가적인 산화로부터 보호하는 산화물층을 형성하며, B와 Y는 이 산화물 층의 기판에 대한 접착력을 향상시키는 데 사용된다.[3] Cr, Fe, Co, Mo 및 Re는 모두 γ 기지에 우선적으로 분배되는 반면, Al, Ti, Nb, Ta 및 V는 γ' 석출물에 우선적으로 분배되어 각각 기지와 석출물을 고용체 강화시킨다. 고용체 강화 외에도 입계가 존재하는 경우, B와 Zr은 입계에 편석되는 경향이 있는데, 이는 입계 에너지를 감소시키고 더 나은 입계 응집력과 연성을 가져온다.[4] 또 다른 형태의 입계 강화는 C와 Cr, Mo, W, Nb, Ta, Ti 또는 Hf와 같은 탄화물 형성제를 첨가하여 달성되는데, 이는 입계에서 탄화물의 석출을 유도하여 입계 슬라이딩을 감소시킨다.

첨가되는 원소의 종류와 목적은 다음과 같다.

니켈 기반 초합금 조성[1][5][6]
원소조성 범위
(중량 %)
목적
Ni, Fe, Co50-70%초합금의 기본 기지 γ 상을 형성한다. Ni는 γ' (Ni₃Al)를 형성하기 때문에 필요하다.
Fe와 Co는 Ni보다 높은 융점을 가지며 고용체 강화를 제공한다. Fe는 Ni 또는 Co보다 훨씬 저렴하다.
Cr5-20%내산화성 및 내식성에 필요하며, 보호 산화물 Cr₂O₃를 형성한다.
Al0.5-6%주요 γ' 형성 원소이다. Cr₂O₃보다 고온에서 내산화성을 제공하는 보호 산화물 Al₂O₃를 형성한다.
Ti1-4%γ'를 형성한다.
C0.05-0.2%MC 및 M₂₃C₆ (M ⁠= ⁠금속) 탄화물은 γ'가 없는 경우 강화 상이다.
B,Zr0-0.1%붕소지르코늄은 입계에 강도를 제공한다. 단결정 터빈 블레이드에는 입계가 없기 때문에 이것은 필수적이지 않다.
Nb0-5%저온(700°C 미만)에서 강화 상인 γ''를 형성할 수 있다.
Re, W, Hf, Mo, Ta1-10%고용체 강화(및 탄화물 형성)를 위해 소량 첨가되는 내화 금속이다. 무겁지만 융점이 매우 높다.



원소 첨가는 일반적으로 고용체 강화 때문에 유용하지만, 원치 않는 석출을 초래할 수 있다. 석출물은 기하학적으로 밀집된(GCP), 위상적으로 밀집된(TCP) 또는 탄화물로 분류할 수 있다. GCP 상은 일반적으로 기계적 특성에 유익하지만, TCP 상은 종종 해로운 영향을 미친다.

초합금의 주요 상(Phase)은 다음과 같다.


  • '''γ 상 (기지)'''
  • '''γ' 상 (강화상)'''
  • '''γ'' 상'''
  • '''탄화물'''
  • '''TCP (Topologically Close-Packed) 상'''

3. 1. γ 상 (기지)

γ영어 상은 면심입방(FCC) 구조의 고용체로, 니켈(Ni), 코발트(Co), (Fe) 등이 주요 구성 원소이다. C, 크롬(Cr), Mo, W, Nb, Fe, Ti, Al, V, Ta 등의 합금 원소가 고용되어 기계적, 화학적 특성을 조절한다.[1][9][10]

니켈 기반 초합금에서 γ영어상은 합금의 기지(matrix)를 구성하며, C, Cr, Mo, W, Nb, Fe, Ti, Al, V, Ta 등의 합금 원소가 고용된 면심입방 오스테나이트 상이다.[9][10] 코발트 기반 초합금에서도 γ영어상은 기지상 역할을 하며, C, Cr, W, Ni, Ti, Al, Ir, Ta 등의 합금 원소를 포함한다.[14][18] 철 기반 초합금의 γ영어 상은 오스테나이트 철(FCC) 기지 상을 특징으로 하며, Al, B, C, Co, Cr, Mo, Ni, Nb, Si, Ti, W, Y 등의 합금 원소를 포함한다.[21]

3. 2. γ' 상 (강화상)

Gamma prime영어(γ') 상은 Ni₃(Al,Ti) 또는 Co₃(Al, W) 등의 규칙적인 L1₂ 구조를 갖는 금속간 화합물이다. γ 기지와 정합성이 우수하여 고온 강도 및 크리프 저항성을 향상시킨다.[1][31] γ' 상의 크기, 형상, 분포는 열처리를 통해 정밀하게 제어할 수 있다.

알루미늄과 티타늄을 화학적으로 첨가하면 γ' 상의 생성을 촉진한다. γ' 상의 크기는 정밀한 석출 강화 열처리를 통해 정확하게 제어할 수 있다. 많은 초합금은 1차 상으로 알려진 큐보이드 형태의 γ' 입자 분산과 그 사이에 미세하게 분산된 2차 γ'를 생성하는 2상 열처리를 사용하여 생산된다.[3]

γ'는 정렬된 L1 (L-원-투라고 발음)이며, 이는 단위 셀의 면에 특정 원자가 있고 단위 셀의 모서리에 특정 원자가 있다는 것을 의미한다. 니켈 기반 초합금은 일반적으로 면에 니켈을, 모서리에 티타늄 또는 알루미늄을 포함한다.[7][8]

순수 Ni₃Al 상에서 Al 원자는 입방 단위격자의 꼭짓점에 위치하여 A 부격자를 형성한다. Ni 원자는 면의 중심에 위치하여 B 부격자를 형성한다. 이 상은 엄격하게 화학양론적이지 않다. 한 부격자에서 공공의 과잉이 존재할 수 있으며, 이는 화학양론으로부터의 편차를 야기한다. γ' 상의 A 부격자와 B 부격자는 상당한 비율의 다른 원소들을 용해할 수 있다. 합금 원소는 γ 상에 용해된다. γ' 상은 항복강도 이상현상을 통해 합금을 강화시킨다. 전위는 γ' 상에서 해리되어 반상경계를 형성한다.[24]

고온에서 반상경계(APB)와 관련된 자유 에너지는 특정 평면에 위치하는 경우 상당히 감소하는데, 공교롭게도 이 평면은 허용된 슬립면이 아니다. APB를 경계짓는 한 세트의 부분 전위가 교차 슬립하여 APB가 저에너지 평면에 위치하게 되고, 이 저에너지 평면은 허용된 슬립면이 아니므로, 해리된 전위는 효과적으로 고정된다. 이러한 메커니즘으로 인해 γ' 상 Ni₃Al의 항복강도는 약 1000 °C까지 온도가 증가함에 따라 함께 증가한다.

3. 3. γ'' 상

이 상은 주로 Ni3Nb 또는 Ni3V로 구성되며, γ' (감마 프라임) 상보다 낮은 온도(<650 °C)에서 니켈계 초합금을 강화하는 데 사용된다. γ" 상의 결정 구조는 체심 정방(BCT)이다. 이 상은 γ (감마) 상의 {001} 면과 평행한 (001) 면을 갖는 60 nm × 10 nm 크기의 디스크 형태로 석출된다. 이러한 이방성 디스크는 BCT 석출물과 FCC 매트릭스 사이의 격자 불일치 때문에 형성된다. 이 격자 불일치는 높은 결맞음 변형을 일으키며, 이는 질서 경화와 함께 주요 강화 기구로 작용한다. γ" 상은 약 650 °C 이상에서는 불안정하다.[12]

γ" (Ni3Nb)의 결정 구조 (체심 정방)

3. 4. 탄화물

초합금에서 탄화물은 ''M''C, ''M''₂₃C₆, ''M''₆C (''M''은 금속) 등 다양한 형태로 존재하며, 입계에 석출되어 입계 이동을 억제하고 고온 안정성을 향상시킨다.[9][10] 탄화물 형성은 일반적으로 해롭지만, 니켈계 초합금에서는 고온에서 변형에 대한 재료의 구조를 안정화하는 데 사용된다.

3. 5. TCP (Topologically Close-Packed) 상

σ (시그마) 상, χ (카이) 상, μ (뮤) 상, 라베스 상 등은 복잡한 결정 구조를 갖는 위상학적으로 조밀한 상(TCP)이다. 이러한 TCP 상들은 일반적으로 취성이 강하고, γ 기지로부터 강화 원소를 고갈시켜 기계적 특성을 저하시키므로 생성을 억제해야 한다.[7][8]

TCP 상이 약한 이유는 다음과 같다.[7][8]

  • 본질적으로 열악한 기계적 특성을 지닌다.
  • γ 매트릭스와 비결합적이다.
  • γ'가 없는 "고갈 영역"으로 둘러싸여 있다.
  • 일반적으로 균열을 핵생성하는 날카로운 판상 또는 침상 형태를 형성한다.


TCP 상은 원자적으로 밀집되어 있지는 않지만 HCP 적층을 갖는 일부 밀집 평면을 갖는다. TCP 상은 매우 취성이 강하고, Cr, Co, W 및 Mo를 포함한 강화 고용체 내화 원소의 γ 매트릭스를 고갈시킨다. 이러한 상은 고온(>750 °C)에서 장시간(수천 시간)에 걸쳐 동역학의 결과로 형성된다.[12]

초합금 상[7][8]
분류구조조성외관효과
σTCP사면체FeCr, FeCrMo, CrCo길쭉한 구상체기계적 특성에 바람직하지 않다.[9]
μTCP육방정계FeNb, CoTi, FeTi구상체 또는 판상체기계적 특성에 바람직하지 않다.
라베스TCP마름모면체(Fe,Co)(Mo,W)거친 비드만스태튼 판상체기계적 특성에 바람직하지 않다.


4. 초합금의 종류

초합금은 구성 성분에 따라 니켈(Ni), 코발트(Co), (Fe) 기반 초합금으로 분류된다.


  • 니켈 기반 초합금: 크리프 저항성과 내산화성이 우수하다. 독특한 γ' (감마 프라임) 석출물 덕분에 고온 환경에 적합하다. 알루미늄(Al)과 티타늄(Ti) 첨가는 γ' 상 생성을 촉진하며, 정밀한 열처리를 통해 크기를 제어할 수 있다.
  • 코발트 기반 초합금: 탄화물 석출 및 고용체 강화를 통해 기계적 특성을 가진다. 니켈보다 융점이 높고 고온 부식 저항성과 열 피로 저항성이 우수하여 가스터빈의 고정 베인 등에 사용된다.
  • 철 기반 초합금: 니켈 기반 초합금보다 저렴하여 경제성이 중요하다. Al 산화물 형성형 오스테나이트계 스테인리스강은 수증기 환경에서 우수한 고온 내식성을 보이며, NiAl 석출물은 강도와 크리프 저항성을 높인다.


각 원소별 조성 범위와 목적은 다음과 같다.[1][5][6]

니켈 기반 초합금 조성
원소조성 범위
(중량 %)
목적
Ni, Fe, Co50-70%초합금의 기본 매트릭스 γ 상을 형성한다. Ni는 γ' (Ni₃Al)를 형성하기 때문에 필요하다. Fe와 Co는 Ni보다 높은 융점을 가지며 고용체 강화를 제공한다. Fe는 Ni 또는 Co보다 훨씬 저렴하다.
크롬(Cr)5-20%내산화성 및 내식성에 필요하며, 보호 산화물 Cr₂O₃를 형성한다.
Al0.5-6%주요 γ' 형성 원소이다. Cr₂O₃보다 고온에서 내산화성을 제공하는 보호 산화물 Al₂O₃를 형성한다.
Ti1-4%γ'를 형성한다.
탄소(C)0.05-0.2%MC 및 M₂₃C₆ (M ⁠= ⁠금속) 탄화물은 γ'가 없는 경우 강화 상이다.
붕소(B), 지르코늄(Zr)0-0.1%붕소와 지르코늄은 입계에 강도를 제공한다. 단결정 터빈 블레이드에는 입계가 없기 때문에 이것은 필수적이지 않다.
니오븀(Nb)0-5%Nb는 저온(700°C 미만)에서 강화 상인 γ''를 형성할 수 있다.
레늄(Re), 텅스텐(W), 하프늄(Hf), 몰리브데넘(Mo), 탄탈럼(Ta)1-10%고용체 강화(및 탄화물 형성)를 위해 소량 첨가되는 내화 금속이다. 무겁지만 융점이 매우 높다.


4. 1. Ni 기반 초합금

Ni 기반 초합금은 1940년대부터 개발되어 현재 가장 널리 사용되는 초합금이다. 초기에는 Ni-Cr 합금을 기본으로 하여 티타늄(Ti), 알루미늄(Al)을 첨가, γ' (감마 프라임) 석출물을 형성하여 강도를 높였다.[1]

1950년대 진공유도용융 기술이 상용화되면서 고순도 합금 제조가 가능해졌다.[1] 1960년대와 1970년대에는 방향응고법이 개발되어 주상 또는 단결정 터빈 블레이드를 만들 수 있게 되었다.[1] 이러한 기술 발전으로 Ni 기반 초합금의 성능은 크게 향상되었다.

현대의 Ni 기반 초합금에서 γ'-Ni₃(Al,Ti) 상은 전위의 이동을 막는 역할을 한다. γ' 상은 높은 부피 분율로 존재할 때, 정돈된 특성과 γ 매트릭스와의 높은 응집성으로 인해 합금의 강도를 증가시킨다. Al과 Ti의 첨가는 γ' 상의 생성을 촉진하며, 정밀한 석출 강화 열처리를 통해 γ' 상의 크기를 제어할 수 있다.[3]

내산화성을 향상시키기 위해 Al, Cr, 붕소(B), 이트륨(Y)이 첨가된다. Al과 Cr은 표면을 보호하는 산화물층을 형성하고, B와 Y는 이 산화물 층의 접착력을 향상시킨다.[3] Cr, (Fe), 코발트(Co), 몰리브데넘(Mo), 레늄(Re)은 γ 매트릭스에, Al, Ti, 니오븀(Nb), 탄탈럼(Ta), 바나듐(V)은 γ' 석출물에 우선적으로 분포하여 매트릭스와 석출물을 각각 고용체 강화시킨다. B와 지르코늄(Zr)은 입계에 편석되어 입계 에너지를 감소시키고 응집력과 연성을 향상시킨다.[4] C와 Cr, Mo, 텅스텐(W), Nb, Ta, Ti, 하프늄(Hf)과 같은 탄화물 형성제를 첨가하여 입계에서 탄화물의 석출을 유도, 입계 슬라이딩을 감소시킨다.[4]

레늄(Re), 루테늄(Ru) 등의 희귀 원소 첨가를 통해 고온 특성을 더욱 개선한 2세대, 3세대 초합금이 개발되었다.

니켈 기반 초합금 조성[1][5][6]
원소조성 범위
(중량 %)
목적
Ni, Fe, Co50-70%초합금의 기본 매트릭스 γ 상을 형성한다. Ni는 γ' (Ni₃Al)를 형성하기 때문에 필요하다. Fe와 Co는 Ni보다 높은 융점을 가지며 고용체 강화를 제공한다. Fe는 Ni 또는 Co보다 훨씬 저렴하다.
Cr5-20%내산화성 및 내식성에 필요하며, 보호 산화물 Cr₂O₃를 형성한다.
Al0.5-6%주요 γ' 형성 원소이다. Cr₂O₃보다 고온에서 내산화성을 제공하는 보호 산화물 Al₂O₃를 형성한다.
Ti1-4%γ'를 형성한다.
C0.05-0.2%MC 및 M₂₃C₆ (M ⁠= ⁠금속) 탄화물은 γ'가 없는 경우 강화 상이다.
B, Zr0-0.1%붕소와 지르코늄은 입계에 강도를 제공한다. 단결정 터빈 블레이드에는 입계가 없기 때문에 이것은 필수적이지 않다.
Nb0-5%Nb는 저온(700°C 미만)에서 강화 상인 γ''를 형성할 수 있다.
Re, W, Hf, Mo, Ta1-10%고용체 강화(및 탄화물 형성)를 위해 소량 첨가되는 내화 금속이다. 무겁지만 융점이 매우 높다.


4. 2. Co 기반 초합금

코발트계 초합금은 탄화물 석출 및 고용체 강화를 통해 기계적 특성을 나타낸다. 이러한 강화 방식은 γ'(감마 프라임) 석출 강화보다 효과는 덜하지만, 코발트는 니켈보다 녹는점이 높고, 고온 부식 저항성과 열 피로 저항성이 뛰어나다. 따라서 탄화물 강화 코발트계 초합금은 가스터빈의 고정 베인과 같이 낮은 응력과 높은 온도를 견뎌야 하는 곳에 사용된다.

2006년, Sato 등이 코발트의 γ/γ' 미세구조를 다시 발견하여 발표하였다. 이 γ' 상은 Co₃(Al, W)였다. 여기서 몰리브데넘(Mo), 타이타늄(Ti), 니오븀(Nb), 바나듐(V), 탄탈럼(Ta)은 γ' 상에 분포하고, (Fe), 망가니즈(Mn), 크롬(Cr)은 매트릭스 γ에 분포한다.

2015년에는 Makineni 등이 새로운 코발트계 초합금 계열을 발견했다. 이 계열은 텅스텐(W)이 없고 Co₃(Al,Mo,Nb)의 γ' 상을 갖는다는 특징이 있다. 텅스텐은 무겁기 때문에, 이를 제거함으로써 코발트계 합금은 특히 항공기 터빈과 같이 가벼운 무게가 중요한 곳에서 더욱 유용하게 사용될 수 있다.

가장 최근에는 2017년에 Nyshadham 등이 새로운 초합금 계열을 계산으로 예측했고, 2018년에 Reyes Tirado 등이 실제로 구현하였다. 이 γ' 상은 텅스텐이 없으며 Co₃(Nb,V)와 Co₃(Ta,V) 조성을 갖는다.

  • 감마(γ): 코발트계 초합금의 기지상이다. 상업적으로 널리 쓰이지는 않지만, 탄소(C), 크롬(Cr), 텅스텐(W), 니켈(Ni), 타이타늄(Ti), 알루미늄(Al), 이리듐(Ir), 탄탈럼(Ta) 등의 합금 원소가 사용된다.[14][18] 스테인리스강처럼 크롬은 Cr₂O₃ 수동 피막(passive layer)을 형성하여 산화 및 부식 저항성을 높이는 데 사용되며(최대 20 wt.%까지), 이는 가스터빈 사용에 필수적이다. 또한 코발트와 크롬의 원자 크기 차이로 인한 고용체 강화와 MC형 탄화물 형성으로 인한 석출 경화 효과도 제공한다.[19]
  • 감마 프라임(γ'): 합금을 강화하는 석출물을 구성한다. 보통 Co₃Ti 또는 FCC Co₃Ta의 L1₂ 구조를 갖는 빽빽한 구조이지만, W와 Al도 이 입방체 석출물에 포함된다. Ta, Nb, Ti는 γ' 상에 통합되어 고온에서 안정화시킨다.[14][20]
  • 탄화물 상: 탄화물은 석출 경화를 통해 합금을 강화하지만, 저온 연성은 감소시킨다.[18]
  • 위상적으로 밀집된(TCP) 상: 일부 코발트계 초합금에서 나타날 수 있지만, 합금을 취성(깨지기 쉬운 성질)하게 만들기 때문에 바람직하지 않다.

4. 3. Fe 기반 초합금

Fe 기반 초합금은 Ni 기반 초합금보다 가격이 저렴하여 경제성이 중요한 분야에 적용된다. Al 산화물 형성형 오스테나이트계 스테인리스강은 수증기 환경에서 우수한 고온 내식성을 보여준다.[22] 이러한 강은 강 표면에 Al 산화물(Al₂O₃) 보호층을 형성하여 부식을 방지한다.

강도와 크리프 저항성을 높이기 위해 NiAl 석출물이 도입된다. NiAl은 Al 저장소 역할을 하여 보호 알루미나 층을 유지하는 데 도움을 준다. 또한, Nb와 Cr 첨가는 NiAl의 침전물 부피 분율을 증가시켜 Al₂O₃ 층의 형성과 안정화를 돕는다.[22]

공기 + 10% 수증기에서 산화 시 작동 온도에 따라 다음과 같은 등급의 알루미늄 산화물 형성형 오스테나이트(AFA) 합금이 개발되었다.[23]

AFA 합금 등급별 작동 온도 (공기 + 10% 수증기)
등급조성 (wt.%)작동 온도 (°C)
AFA 등급(50-60)Fe-(20-25)Ni-(14-15)Cr-(2.5-3.5)Al-(1-3)Nb 기준750-800
저니켈 AFA 등급63Fe-12Ni-14Cr-2.5Al-0.6Nb-5Mn3Cu 기준650
고성능 AFA 등급(45-55)Fe-(25-30)Ni-(14-15)Cr(3.5-4.5)Al-(1-3)Nb-(0.02-0.1)Hf/Y 기준850-900
주조 AFA 등급(35-50)Fe-(25-35)Ni-14Cr-(3.5-4)Al-1Nb 기준750-1100 (Ni wt.%에 따라 다름)
AFA 초합금(40-50)Fe-(30-35)Ni-(14-19)Cr-(2.5-3.5)Al-3Nb750-850



수증기가 없는 공기 중에서는 작동 온도가 더 높을 것으로 예상된다. AFA 초합금 등급은 니켈 합금 UNS N06617에 근접하는 크리프 강도를 보인다.

5. 단결정 초합금

단결정 초합금(SX 또는 SC 초합금)은 방향성 응고 기술을 변형하여 제조되며, 결정립계가 없다. 대부분의 합금은 결정립계가 존재하여 기계적 특성에 영향을 주지만, 고온에서는 크리프에 영향을 미치는 다른 메커니즘이 필요하다. 단결정 초합금은 규칙적인 금속간 화합물 상의 섬들이 무질서 상의 매트릭스에 존재하는 형태이며, 모두 동일한 결정격자를 갖는다. 이는 구조에 비정질 고체를 도입하지 않고도 결정립계의 전위 고정 거동을 흉내낸다.

단결정(SX) 초합금은 고유한 특성과 성능 조합으로 인해 항공 및 산업용 가스터빈 엔진의 고압 터빈 부분에 널리 사용된다. 단결정 주조 기술이 도입된 이래, SX 합금 개발은 온도 저항성을 높이는 데 초점을 맞추었으며, 합금 성능의 주요 개선은 레늄(Re)과 루테늄(Ru) 첨가와 관련이 있다.[36]

초합금 단결정의 크리프 변형 거동은 온도, 응력, 방향 및 합금에 따라 크게 달라진다. 단결정 초합금에서는 서로 다른 온도 및 응력 영역에서 세 가지 크리프 변형 모드(래프팅, 3차 크리프, 1차 크리프)가 발생한다.[37] 저온(~750 °C)에서 SX 합금은 주로 1차 크리프 거동을 보인다. Matan 등은 1차 크리프 변형 정도가 인장축과 <001>/<011> 대칭 경계 사이의 각도에 크게 의존한다고 결론지었다.[38] 850 °C 이상에서는 3차 크리프가 지배적이며 변형 연화 거동을 촉진한다.[31] 1000 °C를 초과하면, 입방체 입자가 인장 응력 하에서 평평한 모양으로 변하는 래프팅 효과가 두드러진다.[39] 래프트는 인장축에 수직으로 형성되는데, 이는 γ 상이 수직 채널에서 수평 채널로 이동하기 때문이다. Reed 등은 1105 °C 및 100 MPa에서 <001> 방향의 CMSX-4 단결정 초합금의 단축 크리프 변형을 연구했다. 그 결과, 래프팅은 크리프 수명에 유익하며 크리프 변형 진행을 지연시킨다고 보고했다. 또한 래프팅은 빠르게 발생하며 임계 변형에 도달할 때까지 크리프 변형 축적을 억제한다.[40]

초합금의 주요 강점 중 하나는 대부분의 일반 합금에 비해 우수한 크리프 저항 특성이다. 초합금은 확산 크리프를 제한하기 위해 입계를 줄이도록 결정립 구조를 조작한다.[47] 이는 주로 인가된 힘의 방향과 평행하게 배향된 단결정으로 초합금을 제조하여 수행된다.

Ni계 단결정 초합금의 경우, 크리프 저항 및 전반적인 기계적 특성을 향상시키는 10가지 이상의 다양한 합금 원소 첨가가 관찰된다.[46] 합금 원소에는 Cr, Co, Al, Mo, W, Ti, Ta, Re 및 Ru가 포함된다. Co, Re 및 Ru와 같은 원소는 적층 결함 에너지를 감소시켜 적층 결함 형성을 촉진함으로써 크리프 저항을 향상시키는 것으로 알려져 있다. 적층 결함 수가 증가하면 전위 이동이 억제된다. 다른 원소(Al, Ti, Ta)는 γ' 상의 핵 생성에 유리하게 분할되어 향상시킬 수 있다.

6. 산화

산화는 합금 원소와 산소가 화학 반응을 일으켜 새로운 산화물 상을 형성하는 과정이며, 주로 합금 표면에서 발생한다. 초합금은 고온에서 작동하고 부식성 환경에 노출되므로 산화 거동이 중요하다. 산화가 계속되면 다음과 같은 문제가 발생할 수 있다.[41][42]


  • 표면 산화, 균열, 박리로 인해 합금이 점차 부식됨.
  • 산화물 상 생성으로 표면이 취화되어 균열 형성과 피로 파괴가 쉬워짐.
  • 주요 합금 원소가 용탈되어 기계적 특성이 저하되고 성능이 떨어질 수 있음.


이러한 문제를 해결하기 위해 선택적 산화 전략이 사용된다. 특정 합금 원소의 비율을 조절하여 추가적인 산화를 막는 특정 산화물 상을 형성하는 것이다. 주로 알루미늄과 크롬이 사용되는데, 이들은 각각 얇고 연속적인 알루미나(Al₂O₃)와 크로미아(Cr₂O₃) 산화물 층을 형성한다. 이 층들은 낮은 산소 확산 계수를 가져 산소 확산을 막아 추가적인 산화를 억제한다.[41]

이상적인 산화 과정은 두 단계로 진행된다. 첫째, 과도 산화 단계에서는 여러 원소, 특히 주요 원소(예: 니켈, 코발트)가 산화된다. 둘째, 희생 원소의 선택적 산화를 통해 완전한 보호 산화막이 형성되면 과도 산화는 멈춘다.[41]

그러나 선택적 산화의 보호 효과는 약화될 수 있다. 응력에 의한 기계적 파손이나 빠른 산화 속도 때문에 산화물 층의 연속성이 깨질 수 있다. 층이 연속적이지 않으면 산소 확산 장벽으로서의 효과가 떨어진다. 붕소, 규소, 이트륨과 같은 미량 원소는 산화물 층의 접착력을 높여 박리를 줄이고 연속성을 유지하는 데 도움을 준다.[43]

7. 크리프

크리프는 높은 온도에서 일정한 하중을 받을 때 시간이 지남에 따라 재료가 변형되는 현상이다. 초합금은 이러한 크리프에 잘 견디도록 설계되어 있다.

현대의 니켈(Ni) 기반 초합금에서 γ'-Ni₃(Al,Ti) 상은 전위의 이동을 방해한다. γ' 금속간 화합물 상은 높은 부피 분율로 존재할 때, 정돈된 특성과 γ 매트릭스와의 높은 응집성으로 인해 합금의 강도를 증가시킨다. 알루미늄과 티타늄을 첨가하면 γ' 상의 생성이 촉진된다. γ' 상의 크기는 정밀한 석출 경화 열처리를 통해 제어할 수 있다. 많은 초합금은 1차 상(큐보이드 형태의 γ' 입자 분산)과 2차 γ' (미세 분산)를 생성하는 2상 열처리를 거친다.

초합금의 내산화성을 향상시키기 위해 Al, Cr, B, Y가 첨가된다. Al과 Cr은 표면을 보호하는 산화물층을 형성하고, B와 Y는 산화물 층의 접착력을 향상시킨다.[3] Cr, Fe, Co, Mo 및 Re는 γ 매트릭스에, Al, Ti, Nb, Ta 및 V는 γ' 석출물에 우선적으로 분배되어 각각 고용체 강화된다. 고용체 강화 외에도, 결정립계 강화를 위해 B와 Zr이 사용된다. 이들은 결정립계 에너지를 감소시켜 결정립계 응집력과 연성을 향상시킨다.[4] C와 Cr, Mo, W, Nb, Ta, Ti 또는 Hf와 같은 탄화물 형성제를 첨가하면 결정립계에서 탄화물이 석출되어 결정립계 슬라이딩을 감소시킨다.

결정립계가 없는 단결정 초합금은 크리프 저항성이 매우 우수하다. 단결정 초합금은 방향성 응고 기술을 사용하여 단결정으로 형성된다. 대부분의 합금은 결정립계가 존재하지만, 고온에서는 크리프에 취약해지기 때문에 단결정 초합금은 다른 메커니즘이 필요하다. 규칙적인 금속간 화합물 상의 섬들이 무질서 상의 매트릭스에 존재하며, 모두 동일한 결정격자를 갖는다. 이는 구조에 비정질 고체를 도입하지 않고도 결정립계전위 고정 거동을 흉내낸다.

단결정(SX) 초합금은 항공 및 산업용 가스터빈 엔진의 고압 터빈 부분에 널리 사용된다. SX 합금 개발은 온도 저항성 향상에 중점을 두었으며, 합금 성능의 주요 개선은 레늄(Re)과 루테늄(Ru) 첨가와 관련이 있다.[36]

초합금 단결정의 크리프 변형 거동은 온도, 응력, 방향 및 합금에 따라 크게 달라진다. 서로 다른 온도 및 응력 영역에서 세 가지 크리프 변형 모드(래프팅, 3차 크리프, 1차 크리프)가 발생한다.[37] 저온(~750 °C)에서는 SX 합금이 주로 1차 크리프 거동을 보인다. 850 °C 이상에서는 3차 크리프가 지배적이다.[31] 1000 °C를 초과하면, 래프팅 효과가 두드러진다.[39]

초합금은 γ' 강화, 격자 불일치 증가, 합금 원소 첨가, 결정립 구조 조작 등을 통해 크리프 저항성을 향상시킨다. 특히, γ' 강화 초합금은 전위 이동 시 높은 반상 경계(APB) 에너지를 생성하여 전위가 쌍으로 이동해야 하므로 크리프 저항성이 우수하다.[24] 또한, 초합금은 전위의 열 활성화 교차 슬립으로 인해 고온 크리프 저항성이 우수하다.[24]

8. 가공 기술

초합금은 1940년대 이전에는 철 기반으로 냉간 가공되었지만, 코발트 기반 합금의 투자 주조가 도입되면서 작동 온도가 상당히 높아졌다. 1950년대 진공 유도 용융 기술의 개발은 초합금의 화학적 조성을 미세하게 제어하고 오염을 줄일 수 있게 하였고, 이는 방향 응고 및 단결정 초합금과 같은 가공 기술의 혁신으로 이어졌다.[48]

초합금은 다양한 가공 기술을 통해 제조된다. 가공 방법은 각 품목에 필요한 특성에 따라 크게 달라진다. 초합금은 크리프 저항성과 내산화성이 매우 중요하며, 니켈(Ni) 기반 초합금이 이러한 용도에 가장 적합하다. 다양한 원소를 첨가하여 초합금의 특성을 조절할 수 있는데, 크롬, , 코발트, 몰리브데넘, 텅스텐, 탄탈럼, 알루미늄, 티타늄, 지르코늄, 니오븀, 레늄, 이트륨, 바나듐, 탄소, 붕소, 하프늄 등이 첨가된다.

크리프 저항성은 결정 구조 내에서 전위의 이동 속도를 늦추는 데 의존한다. 현대의 니켈 기반 초합금에서 γ'-Ni₃(Al,Ti) 상은 전위의 장벽 역할을 한다. 알루미늄과 티타늄의 화학적 첨가는 γ' 상의 생성을 촉진하며, γ' 상의 크기는 정밀한 석출 강화 열처리를 통해 정확하게 제어할 수 있다. 내산화성을 향상시키기 위해 Al, Cr, B, Y가 첨가된다. Cr, Fe, Co, Mo 및 Re는 γ 매트릭스에, Al, Ti, Nb, Ta 및 V는 γ' 석출물에 우선적으로 분배되어 매트릭스와 석출물을 각각 고용체 강화시킨다. B와 Zr은 입계 에너지를 감소시켜 입계 응집력과 연성을 향상시킨다.[4] C와 Cr, Mo, W, Nb, Ta, Ti 또는 Hf와 같은 탄화물 형성제를 첨가하여 입계에서 탄화물의 석출을 유도하여 입계 슬라이딩을 감소시킨다.

니켈 기반 초합금 조성은 아래 표와 같다.[1][5][6]

니켈 기반 초합금 조성
원소조성 범위 (중량 %)목적
Ni, Fe, Co50-70%초합금의 기본 매트릭스 γ 상 형성. Ni는 γ' (Ni₃Al) 형성에 필요. Fe와 Co는 Ni보다 높은 융점을 가지며 고용체 강화를 제공. Fe는 Ni 또는 Co보다 훨씬 저렴.
Cr5-20%내산화성 및 내식성에 필요하며, 보호 산화물 Cr₂O₃ 형성.
Al0.5-6%주요 γ' 형성 원소. Cr₂O₃보다 고온에서 내산화성을 제공하는 보호 산화물 Al₂O₃ 형성.
Ti1-4%γ' 형성.
C0.05-0.2%MC 및 M₂₃C₆ (M ⁠= ⁠금속) 탄화물은 γ'가 없는 경우 강화 상.
B, Zr0-0.1%붕소와 지르코늄은 입계에 강도 제공. 단결정 터빈 블레이드에는 입계가 없으므로 필수적이지 않음.
Nb0-5%저온(700°C 미만)에서 강화 상인 γ'' 형성.
Re, W, Hf, Mo, Ta1-10%고용체 강화(및 탄화물 형성)를 위해 소량 첨가되는 내화 금속. 무겁지만 융점이 매우 높음.


8. 1. 주조 및 단조

주조단조는 야금 가공 기술로, 다결정 및 단결정 제품 생산에 모두 사용된다. 다결정 주조품은 파괴 인성이 높고, 단결정 주조품은 크리프 저항성이 높다.[48]

제트 엔진의 고압 터빈 디스크는 다결정으로 제조되며, 터빈 블레이드는 더 큰 구심력을 경험하므로 크리프 저항성이 필요하여 단결정 또는 특정 결정 방향을 가진 다결정을 채택한다.

8. 2. 정밀 주조 (Investment Casting)

금형 주조는 왁스 형태를 만들어 세라믹 금형의 주형으로 사용하는 야금 처리 기술이다. 세라믹 금형은 왁스 형태 주위에 부어 굳히고, 왁스 형태는 세라믹 금형에서 녹여낸 후, 용융 금속을 왁스가 남긴 빈 공간에 붓는다. 이는 원래 왁스 형태와 같은 모양의 금속 형태를 만든다.[48] 금형 주조는 다결정 최종 제품을 만드는데, 이는 고체 매트릭스 전체의 여러 위치에서 결정 알갱이의 핵 생성과 성장이 발생하기 때문이다. 일반적으로 다결정 제품은 우선적인 결정 방향이 없다.

8. 3. 방향성 응고 (Directional Solidification)

섬유상 고상화 개략도


방향성 응고(Directional Solidification)는 온도 기울기를 이용하여 저온 표면에서 금속 결정의 핵 생성을 촉진하고, 온도 기울기를 따라 결정을 성장시키는 방법이다. 이 방법은 온도 기울기에 따라 길쭉한 결정을 만들고, 긴 결정 방향과 평행하게 크리프 저항성을 크게 향상시킨다.[48] 다결정 터빈 블레이드에서 방향성 응고는 원심력에 평행하게 결정을 배열하는 데 사용되며, 수지상 고상화(dendritic solidification)라고도 불린다.

8. 4. 단결정 성장 (Single Crystal Growth)

단결정 성장(Single crystal growth)은 종자 결정(seed crystal)을 주형으로 사용하여 더 큰 결정을 성장시키는 방법이다.[1] 전체 공정은 길며, 단결정이 성장한 후에는 추가 가공이 필요하다.

8. 5. 분말 야금 (Powder Metallurgy)

분말야금은 금속을 먼저 분말로 만든 다음, 녹는점 이하의 온도에서 가열하여 원하는 모양으로 성형하는 현대적인 가공 기술이다. 이는 용융 금속으로 이루어지는 주조와 대조적이다. 초합금 제조는 재료 효율(일반적으로 최종 제품에서 제거해야 하는 폐기 금속이 훨씬 적음)과 기계적 합금을 용이하게 하는 능력 때문에 종종 분말야금을 사용한다. 기계적 합금은 반복적인 파괴와 용접을 통해 강화 입자를 초합금 기지 재료에 포함시키는 공정이다.[49]

소결과 열간 등방 가압은 느슨하게 채워진 "그린 바디"로부터 입자가 물리적으로 합쳐진 고체로 재료의 밀도를 높이는 데 사용되는 공정 기술이다. 소결은 녹는점 이하에서 발생하며, 인접한 입자가 경계에서 합쳐져 서로 강하게 결합하게 한다. 열간 등방 가압에서는 소결된 재료를 압력 용기에 넣고 불활성 분위기에서 모든 방향에서 (등방적으로) 압축하여 밀도를 높인다.[50]

8. 6. 적층 제조 (Additive Manufacturing)

선택적 레이저 용융(powder bed fusion으로도 알려짐)은 적층 제조 공정의 일종으로, CAD 파일을 이용하여 복잡한 형태의 제품을 만든다.[51] 먼저 제품의 모양을 설계하고 슬라이스 형태로 변환한다. 이 슬라이스들은 레이저 라이터로 전송되어 최종 제품을 출력하는데, 금속 분말층 위에 고에너지 레이저를 쏘아 입자들을 소결시켜 슬라이스 형태를 만든다. 그 후 분말층을 아래로 이동시키고 새로운 금속 분말을 덮은 뒤 다시 레이저로 소결시키는 과정을 반복하여 모든 슬라이스를 처리한다.[51] 이 과정에서 기공이 발생할 수 있으므로, 많은 경우 열처리나 열간 등방성 압축 공정을 통해 제품의 밀도를 높이고 기공률을 줄인다.[52]

9. 코팅

초합금은 고온 환경에서 산화 및 부식으로부터 보호하기 위해 코팅 처리를 한다. 크롬(Cr)은 700 °C까지 합금을 산화 및 부식으로부터 보호하는 데 효과적이었지만, 금속학자들은 더 높은 온도에서 산화 저항성을 가진 알루미늄(Al)을 사용하기 위해 크롬(Cr)의 함량을 줄이기 시작했다. 그러나 크롬(Cr)의 부족은 열 부식 문제를 야기했기 때문에 코팅 기술이 개발되었다.[1]

9. 1. 코팅 종류

초합금의 세 가지 주요 코팅 유형은 확산 코팅, 오버레이 코팅, 그리고 열 차폐 코팅(TBC)이다. 확산 코팅은 주로 알루미나이드 또는 백금-알루미나이드로 구성되며 가장 일반적이다.[54] MCrAlX 기반 오버레이 코팅(M=Ni 또는 Co, X=Y, Hf, Si)은 내식성과 내산화성을 향상시킨다.[54] 오버레이 코팅은 확산 코팅보다 비싸지만, 공기 또는 진공 플라즈마 분무(APS/VPS)[54] 또는 전자빔 물리 기상 증착(EB-PVD)[55]로 수행되어 기판 조성에 대한 의존도가 낮다. 열 차폐 코팅은 작동 온도와 코팅 수명을 훨씬 더 향상시킨다.[56]

접합 코팅은 열 차폐층을 기판에 부착시키고, 산화 방지 및 기판 원자의 외부 이동을 막는 확산 방지막 역할을 한다.[58] 5가지 주요 접합 코팅 유형은 다음과 같다.

  • 알루미나이드
  • 백금-알루미나이드
  • MCrAlY
  • 코발트-세라메트
  • 니켈-크롬


알루미나이드 접합 코팅은 기판 조성에 따라 최종 조성 및 구조가 달라지며, 750 °C 이하에서는 연성이 부족하고 열기계 피로 강도가 제한적이다.[58] 백금-알루미나이드는 백금(Pt) 층(5~10 μm)을 증착하여 산화물 접착력을 높이고 고온 부식에 기여하여 수명을 연장한다.[58] MCrAlY는 기판과 강하게 상호 작용하지 않으며, 플라즈마 분무법으로 적용되어 이차 알루미늄 산화물을 형성한다.[58] 즉, 외부 크로뮴 산화물 층과 그 아래에 이차 알루미나 층을 형성한다.[58] 크로뮴 산화물은 산화 및 고온 부식 저항성을, 알루미나는 자기 수동화에 의해 산화물 성장을 제한하여 산화 메커니즘을 제어한다.[58] 이트륨은 산화물의 기판 접착력을 향상시키고 입계 성장을 제한하며,[59] 레늄탄탈럼 첨가는 산화 저항성을 높인다.[59]

코발트-세라메트 기반 코팅은 탄탈럼 카바이드/코발트와 같은 재료로 구성되어 마모, 부식, 침식 및 열에 대한 우수한 저항성을 제공한다.[60] 보일러와 같이 온도 및 산화 손상이 심각한 상황에서 우수한 성능을 발휘하며, 카바이드의 강도로 인해 시간 경과에 따른 코팅 질량 손실이 최소화된다.[60] 니켈-크롬 코팅은 화석 연료를 사용하는 보일러, 전기 보일러 및 폐기물 소각로에서 주로 사용된다.[61] 철 또는 알루미늄을 함유한 니켈-크롬 코팅은 분무 및 레이저 유약 처리 시 더 나은 내식성을 제공하는 반면, 순수 니켈-크롬 코팅은 열 분무만 할 경우 더 나은 성능을 발휘한다.[62]

여러 코팅 공정이 사용 가능하다.

  • 팩 세멘테이션(Pack cementation) 공정: 화학 기상 증착법(CVD)의 한 종류로, 코팅할 부품을 금속 분말 혼합물과 할로겐화암모늄 활성제에 담그고 용기에 밀봉하여 진행한다.[63]
  • 기상 코팅: 화학 기상 증착법(CVD)의 한 종류로, 약 1080°C의 고온에서 수행되며, 코팅 재료는 부품과 물리적으로 접촉하지 않도록 트레이에 적재된다.[63]
  • 열 분무
  • 물리 기상 증착법

9. 2. 열 차폐 코팅 (Thermal Barrier Coating, TBC)

열 차폐 코팅(Thermal Barrier Coatings, TBCs)은 가스터빈 엔진에서 부품 수명과 엔진 성능을 향상시키기 위해 널리 사용된다.[57] TBC는 초합금 표면 온도를 최대 200K까지 낮출 수 있는, 두께 약 1~200 μm의 코팅 시스템이다. TBC는 결합 코팅, 열 성장 산화물(TGO), 그리고 열 절연 세라믹 상부 코팅으로 구성된다.

대부분 결합 코팅은 MCrAlY (여기서 M=Ni 또는 NiCo) 또는 Pt 변성 알루미나이드 코팅이다. 고밀도 결합 코팅은 초합금 기판을 산화 및 고온 부식으로부터 보호하고, 접착성이 좋고 느리게 성장하는 표면 TGO를 형성하는 데 필요하다. TGO는 결합 코팅에 포함된 알루미늄의 산화에 의해 형성된다.

현재(1세대) 열 절연층은 일반적으로 100~300 μm 두께의 7wt% 이트리아 안정화 지르코니아(yttria-stabilized zirconia, 7YSZ)로 구성된다. 이트리아 안정화 지르코니아는 낮은 열전도율(완전 고밀도 재료의 경우 2.6W/mK), 비교적 높은 열팽창 계수 및 고온 안정성 때문에 사용된다. 터빈 에어포일(airfoil)에 TBC를 적용하는 데 사용되는 전자빔 직접 증착(EB-DVD) 공정은 다중 다공성 수준을 갖는 주상 미세구조를 생성한다. 주상 간 다공성은 열 순환 시 초합금 기판과의 열팽창 불일치로 인해 박리되는 것을 방지하기 위해 변형 허용에 중요하며(면내 탄성률이 낮음으로써), 이 다공성은 열 코팅의 전도율을 감소시킨다.

9. 3. 접합 코팅 (Bond Coat)

접합 코팅(Bond Coat)은 열 차폐 코팅(Thermal barrier coatings, TBCs)을 기판에 부착시키고, 산화 방지 및 확산 방지막 역할을 한다. 주요 접합 코팅 유형은 다음과 같다.[58][60][61]

접합 코팅 종류 및 특징
종류특징설명
알루미나이드750 °C 이하에서 연성 부족, 열기계 피로 강도 제한적코팅의 최종 조성 및 구조는 기판 조성에 따라 달라진다.
백금-알루미나이드산화물 접착력 향상, 고온 부식에 기여블레이드에 증착된 Pt(5~10 μm) 층을 제외하고는 알루미나이드 접합 코팅과 유사하며, 블레이드 수명을 연장한다.
MCrAlY기판과 강하게 상호 작용하지 않음, 이차 알루미늄 산화물 형성일반적으로 플라즈마 분무법으로 적용되며, 외부 크로뮴 산화물 층과 그 아래에 이차 알루미나 층을 형성한다. 크로뮴 산화물은 산화 및 고온 부식 저항성을, 알루미나는 자기 수동화에 의해 산화물 성장을 제한한다. 이트륨은 산화물의 기판 접착력을 향상시키고 입계 성장을 제한하며, 레늄과 탄탈럼의 첨가는 산화 저항성을 증가시킨다.
코발트-세라메트마모, 부식, 침식 및 열에 대한 우수한 저항성탄탈럼 카바이드/코발트와 같은 재료로 구성되며, 보일러와 같이 온도 및 산화 손상이 심각한 문제에 우수한 성능을 발휘한다. 시간이 지남에 따라 코팅 질량 손실이 최소화되는 장점이 있다.
니켈-크롬화석 연료 사용 보일러, 전기 보일러, 폐기물 소각로 등에 사용산화제와 증기 중 부식성 화합물의 위험에 대처한다. 철 또는 알루미늄을 함유한 니켈-크롬 코팅은 분무 및 레이저 유약 처리 시 더 나은 내식성을 제공하는 반면, 순수 니켈-크롬 코팅은 열 분무만 할 경우 더 나은 성능을 발휘한다.



다음과 같은 코팅 공정들이 사용 가능하다:[63]


  • 팩 세멘테이션 공정
  • 기상 코팅 (둘 다 화학 기상 증착법(CVD)의 한 종류임)
  • 열 분무
  • 물리 기상 증착법


대부분의 경우, 코팅 공정 후 부품의 표면 근처 영역은 니켈 알루미나이드 매트릭스 내에 알루미늄이 풍부해진다. 열분무는 원료 물질을 가열하여 표면에 분무하는 공정이다. 특정 기법은 원하는 입자 크기, 코팅 두께, 분무 속도, 원하는 면적 등에 따라 달라진다.[63] 열분무는 표면에 대한 접착력에 의존하므로, 초합금 표면은 적용 전에 세척 및 연마 등의 준비를 해야 한다.[64]

9. 4. 코팅 공정

팩 시멘테이션, 기상 코팅, 열 분무, 물리 기상 증착(PVD) 등 다양한 코팅 공정이 사용된다.[54][55][56] 대부분의 경우, 코팅 공정 후 부품의 표면 근처 영역은 니켈 알루미나이드 매트릭스 내에 알루미늄이 풍부해진다.

팩 세멘테이션(Pack cementation)은 널리 사용되는 화학 기상 증착법(CVD) 기법이다. 코팅할 부품들을 금속 분말 혼합물과 할로겐화암모늄 활성제에 담그고 용기에 밀봉하는 과정으로 이루어진다. 전체 장치를 용광로에 넣고 보호 분위기에서 일반적인 온도보다 낮은 온도로 가열하는데, 이는 할로겐화물 염의 화학 반응으로 인해 두 금속 사이에 공융 결합이 형성되기 때문이다. 열 확산 이온 이동으로 인해 형성된 표면 합금은 기판과 금속 결합을 이루며, 표면 합금의 감마층에서 금속간 화합물층이 발견된다.

전통적인 팩 세멘테이션은 750 °C 미만의 온도에서 다음의 네 가지 구성 요소로 이루어진다.

  • 기판 또는 부품
  • 철 및 비철 분말 합금: (Ti 및/또는 Al, Si 및/또는 Zn, B 및/또는 Cr)
  • 할로겐화물 염 활성제: 할로겐화암모늄 염
  • 비교적 불활성 충전제 분말 (Al₂O₃, SiO₂, 또는 SiC)


이 공정에는 알루미늄 도금(Aluminizing), 크롬 도금(Chromizing), 실리콘 도금(Siliconizing), 셰라다이징(Sherardizing), 붕소 도금(Boronizing), 티타늄 도금(Titaniumizing)이 포함된다.

팩 세멘테이션은 다른 화학 공정과 결합하여 금속 조합의 온도를 낮추고 표면 처리를 위해 다양한 합금 조합에 금속간 화합물 특성을 부여할 때 다시 주목받고 있다.

기상 코팅은 약 1080°C의 고온에서 수행된다. 코팅 재료는 일반적으로 코팅할 부품과 물리적으로 접촉하지 않도록 트레이에 적재된다. 코팅 혼합물에는 활성 코팅 재료와 활성제가 포함되지만, 일반적으로 열 안정제는 포함되지 않는다. 팩 세멘테이션 공정과 마찬가지로, 기체 상태의 염화알루미늄(또는 불화알루미늄)이 부품 표면으로 이동한다. 그러나 이 경우 확산은 외부로 향한다. 이러한 종류의 코팅에도 확산 열처리가 필요하다.

10. 응용 분야

초합금은 극한 환경에서 사용되는 다양한 산업 분야에 적용된다.


  • 항공기 및 발전용 가스터빈 엔진의 고온 부품 (\[\[터빈 블레이드]], 디스크, 연소기 등)
  • 우주 발사체 엔진 부품
  • 원자력 발전소 부품
  • 석유화학 플랜트 부품
  • 고성능 내연 기관 부품


현대 가스터빈에서는 표면 공학의 도움으로 터빈 입구 온도(~1750 K)가 초합금의 용융 개시 온도(~1600 K)를 초과한다.[53] 주로 알루미나이드 또는 백금-알루미나이드로 구성된 확산 코팅이 가장 일반적이다. MCrAlX 기반 오버레이 코팅(M=Ni 또는 Co, X=Y, Hf, Si)은 내식성과 내산화성을 향상시키는데, 확산 코팅에 비해 더 비싸지만 기판 조성에 대한 의존도가 낮다. 이는 공기 또는 진공 플라즈마 분무(APS/VPS)[54] 또는 전자빔 물리 기상 증착(EB-PVD)[55]로 수행되어야 하기 때문이다. 열 차폐 코팅은 작동 온도와 코팅 수명을 훨씬 더 향상시키며, 두께 300 μm의 현대 TBC는 중공 부품과 냉각 공기와 함께 사용될 경우 금속 표면 온도를 수백 도 낮출 수 있는 잠재력이 있는 것으로 추정된다.[56]

열 차폐 코팅(Thermal barrier coatings, TBCs)은 가스터빈 엔진에서 부품 수명과 엔진 성능을 향상시키기 위해 광범위하게 사용된다.[57] 약 1~200 μm 두께의 코팅은 초합금 표면의 온도를 최대 200K까지 낮출 수 있다. TBC는 결합 코팅, 열 성장 산화물(TGO), 그리고 열 절연 세라믹 상부 코팅으로 구성된 코팅 시스템이다. 대부분의 응용 분야에서 결합 코팅은 MCrAlY(여기서 M=Ni 또는 NiCo) 또는 Pt 변성 알루미나이드 코팅이다. 초합금 기판을 산화 및 고온 부식으로부터 보호하고, 접착성이 좋고 느리게 성장하는 표면 TGO를 형성하기 위해서는 고밀도 결합 코팅이 필요하다. TGO는 결합 코팅에 포함된 알루미늄의 산화에 의해 형성된다. 현재(1세대) 열 절연층은 일반적으로 100~300 μm 두께의 7wt % 이트리아 안정화 지르코니아(yttria-stabilized zirconia, 7YSZ)로 구성된다. 이트리아 안정화 지르코니아는 낮은 열전도율(완전 고밀도 재료의 경우 2.6W/mK), 비교적 높은 열팽창 계수 및 고온 안정성으로 인해 사용된다. 터빈 에어포일(airfoil)에 TBC를 적용하는 데 사용되는 전자빔 직접 증착(EB-DVD) 공정은 다중 다공성 수준을 갖는 주상 미세구조를 생성한다. 주상 간 다공성은 (면내 탄성률이 낮음으로써) 열 사이클링 시 초합금 기판과의 열팽창 불일치로 인해 박리되는 것을 방지하기 위해 변형 허용에 중요하며, 이 다공성은 열 코팅의 전도율을 감소시킨다.

접합 코팅은 열 차폐층을 기판에 부착시키며, 산화 방지 기능을 제공하고 기판 원자가 환경으로 이동하는 것을 막는 확산 방지막 역할을 한다. 5가지 주요 접합 코팅 유형은 알루미나이드, 백금-알루미나이드, MCrAlY, 코발트-세라메트 및 니켈-크롬이다. 알루미나이드 접합 코팅의 경우, 코팅의 최종 조성 및 구조는 기판 조성에 따라 달라진다. 알루미나이드는 750 °C 이하에서는 연성이 부족하고 열기계 피로 강도가 제한적이다. 백금-알루미나이드는 블레이드에 증착된 Pt(5~10 μm) 층을 제외하고는 알루미나이드 접합 코팅과 유사하며, 백금은 산화물 접착력을 높이고 고온 부식에 기여하여 블레이드 수명을 연장한다. MCrAlY는 기판과 강하게 상호 작용하지 않는다. 일반적으로 플라즈마 분무법으로 적용되는 MCrAlY 코팅은 이차 알루미늄 산화물을 형성한다. 즉, 코팅은 외부 크로뮴 산화물 층과 그 아래에 이차 알루미나 층을 형성한다. 이러한 산화물 형성은 초합금이 일반적으로 접하는 온도 범위의 고온에서 발생한다.[58] 크로뮴 산화물은 산화 및 고온 부식 저항성을 제공한다. 알루미나는 자기 수동화에 의해 산화물 성장을 제한하여 산화 메커니즘을 제어한다. 이트륨은 산화물의 기판 접착력을 향상시키고 입계 성장을 제한하여(코팅 박리로 이어질 수 있음)[59] 산화 저항성을 높인다. 레늄과 탄탈럼의 첨가는 산화 저항성을 증가시킨다. 코발트-세라메트 기반 코팅은 탄탈럼 카바이드/코발트와 같은 재료로 구성되어 마모, 부식, 침식 및 열에 대한 우수한 저항성으로 사용될 수 있다.[60] 이러한 세라메트 코팅은 보일러와 같이 온도 및 산화 손상이 심각한 문제가 되는 상황에서 우수한 성능을 발휘한다. 코발트 세라메트의 고유한 장점 중 하나는 카바이드의 강도로 인해 시간이 지남에 따라 코팅 질량 손실이 최소화되는 것이다. 전반적으로 세라메트 코팅은 기계적 요구 사항이 화학적 요구 사항과 동일한 상황에서 유용하다. 니켈-크롬 코팅은 산화제와 증기 중 부식성 화합물의 위험에 대처해야 하는 화석 연료를 사용하는 보일러, 전기 보일러 및 폐기물 소각로에서 가장 자주 사용된다.[61] 분무 코팅의 특정 방법은 코팅 조성에 따라 달라진다. 철 또는 알루미늄을 함유한 니켈-크롬 코팅은 분무 및 레이저 유약 처리 시 더 나은 내식성을 제공하는 반면, 순수 니켈-크롬 코팅은 열 분무만 할 경우 더 나은 성능을 발휘한다.[62]

내열피복의 파손은 일반적으로 박리로 나타나는데, 이는 주변 온도와 작동 조건 사이의 열 순환 중에 발생하는 온도 기울기와 기판과 코팅의 열팽창 계수 차이와 관련이 있다. 코팅이 완전히 파손되는 경우는 드물며, 일부는 온전하게 남아 있고, 동일한 조건에서 시험을 반복하면 파손 시간에 상당한 편차가 관찰된다.[31] 여러 가지 열화 메커니즘이 내열피복에 영향을 미치며,[67][68] 파손이 최종적으로 발생하기 전에 이러한 메커니즘 중 일부 또는 모두가 작동해야 한다.

  • 내열피복과 하부 결합 코팅의 계면에서의 산화;[69]
  • 산화[70] 및 기판과의 확산으로 인한 결합 코팅에서의 알루미늄 고갈;[71]
  • 열팽창 계수 불일치로 인한 열응력과 열 성장 산화물 층 형성으로 인한 성장 응력;[72]
  • 열 성장 산화물 층 근처의 불완전성;[73][74][75]
  • 엔진 작동 중 발생하는 기타 여러 가지 복잡한 요인.[76][77][78][79][80]


또한, TBC 수명은 사용된 재료(기판, 결합 코팅, 세라믹)와 공정(EB-PVD, 플라즈마 스프레이)의 조합에 민감하다.

니켈 기반 초합금은 일반적인 합금계 중 가장 높은 동종 온도(Tm = 0.9 또는 녹는점의 90%)를 요구하는 하중 지지 구조물에 사용된다. 구조 재료에 대한 가장 까다로운 응용 분야 중 하나는 터빈 엔진의 고온부(예: 터빈 블레이드)이며, 이는 고급 항공기 엔진 무게의 50% 이상을 차지한다. 터빈 엔진에서 초합금의 광범위한 사용과 터빈 엔진의 열역학적 효율이 터빈 입구 온도 증가의 함수라는 사실은 초합금의 최대 사용 온도를 높이려는 동기의 일부를 제공했다. 1990년부터 2020년까지 터빈 에어포일 온도 성능은 연평균 약 2.2 °C 증가했다.

고온 재료는 에너지 변환 및 에너지 생산 응용 분야에서 중요한 역할을 한다. 이러한 응용 분야에서는 카르노 순환에 따라 최대 에너지 변환 효율이 요구된다. 카르노 효율은 고온부와 저온부의 온도 차이에 의해 제한되므로, 작동 온도가 높을수록 에너지 변환 효율이 증가한다. 하지만 작동 온도는 초합금에 의해 제한되어 약 1000°C~1400°C 정도로 제한된다. 에너지 응용 분야에는 다음이 포함된다.[81]

  • 태양열 발전소 (가열된 물을 포함하는 스테인리스강 봉)
  • 증기 터빈 (터빈 블레이드 및 보일러 하우징)
  • 원자로 시스템용 열교환기


알루미나 형성 스테인리스강은 용접이 가능하며 고온 배기관 및 열 포집 및 재사용과 같은 자동차 응용 분야에 사용될 수 있는 잠재력을 가지고 있다.

11. 연구 개발 동향

샌디아 국립연구소는 초합금 제조를 위한 방사선 분해 연구를 진행하고 있다. 나노입자 합성을 이용하여 합금과 초합금을 만드는 이 공정은 보편적인 나노입자 형성 방법으로서 가능성을 지닌다. 기본적인 재료 과학에 대한 이해를 발전시킴으로써 초합금의 다른 측면에 대한 연구를 확장할 수 있을 것이다. 방사선 분해는 다결정 합금을 생성하는데, 이는 용납할 수 없는 수준의 크리프 현상을 겪는다.

스테인리스강 합금은 생산 비용 절감과 수증기 환경에서 고온 내식성을 갖는 오스테나이트계 스테인리스강의 필요성 때문에 여전히 연구 대상이다. 연구는 니켈 기반 초합금과 경쟁하기 위해 고온 인장 강도, 인성 및 크리프 저항성을 향상시키는 데 중점을 두고 있다.[23]

오크리지 국립 연구소는 오스테나이트계 합금을 연구하여 니켈 기반 초합금을 포함한 다른 오스테나이트계 합금과 유사한 800°C에서의 크리프 및 내식성을 달성했다.[23] 35wt% 니켈 기반 AFA 초합금의 개발은 1100°C 이상의 작동 온도에서 사용될 가능성을 보여주었다.[23]

샌디아 국립연구소, 에임스 국립연구소, 아이오와 주립대학교 연구진은 알루미늄 42%, 티타늄 25%, 니오븀 13%, 지르코늄 8%, 몰리브덴 8%, 탄탈럼 4%로 구성된 3D 프린팅 초합금을 개발했다고 보고했다. 대부분의 합금은 하나의 주요 원소를 기반으로 소량의 다른 원소들을 첨가하여 제조되는 반면, 다주원소 초합금(MPES)은 세 가지 이상의 원소를 상당량 포함하고 있다.[82]

이러한 합금은 고온 응용 분야에서 강도-중량비, 파괴 인성, 내식성, 방사선 저항성, 내마모성 등을 개선할 것으로 기대된다. 연구진은 경도-밀도 비율이 1.8~2.6 GPa·cm³/g에 달한다고 보고했는데, 이는 금속간 화합물, 티타늄 알루미나이드, 내열성 다주원소 초합금, 기존의 니켈계 초합금을 포함한 모든 알려진 합금을 능가하는 수치이다. 이는 측정된 최대 경도 4.5 GPa와 밀도 8.2 g/cm³(0.55 GPa·cm³/g)를 기준으로 인코넬 718보다 300% 향상된 것이다.[82]

이 소재는 800°C에서 안정적이며, 이는 일반적인 석탄 기반 발전소에서 발견되는 570°C 이상의 온도보다 높다.[82]

연구진은 3D 프린팅 공정으로 대형 부품을 제조할 때 미세 균열이 발생할 수 있으며, 원료에 포함된 금속으로 인해 비용에 민감한 응용 분야에서는 적용이 제한될 수 있다는 점을 인정했다.[82]

참조

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[4] 논문 Ductility Enhancement by Boron Addition in Co–Al–W High-temperature Alloys
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[6] 논문 A Review on Superalloys and IN718 Nickel-Based INCONEL Superalloy http://pen.ius.edu.b[...] 2015-00-00
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