슈퍼앨로이

Superalloy
니켈 슈퍼앨로이 제트 엔진(RB199) 터빈 블레이드

슈퍼 알로이 또는 고성능 합금은 용해점의 높은 부분에서 작동할 수 있는 능력을 가진 합금이다.[1]슈퍼앨로이의 몇 가지 주요 특성은 우수한 기계적 강도, 열 크리프 변형 저항성, 양호한 표면 안정성, 부식 또는 산화 저항성이다.

결정 구조는 전형적으로 얼굴 중심 큐빅(FCC) 오스테나틱이다.그러한 합금의 예로는 Hastelloy, Iconel, Waspaloy, Rene 합금, Incoloy, MP98T, TMS 합금 및 CMSX 단일 결정 합금이 있다.

초호화 개발은 화학적, 공정적 혁신 모두에 크게 의존해 왔다.슈퍼 알로이는 감마 프라임과 탄화수소 같은 2상 침전물로부터 고체 용액 강화와 강수 강화를 통해 고온 강도를 개발한다.산화 또는 부식 저항성은 알루미늄 및 크롬과 같은 원소에 의해 제공된다.슈퍼 알로이는 종종 단일 결정으로 주조되는데, 곡물 경계는 낮은 온도에서 강도를 제공하는 반면, 크리프 저항을 감소시킬 수 있다.

그러한 합금의 주요 적용 분야는 항공우주 및 해양 터빈 엔진이다.크리프는 일반적으로 가스 터빈 날개의 수명을 제한하는 요인이다.[2]

슈퍼 알로이는 초고온 공학적 기술을 많이 가능케 한 소재다.[1]

화학적 발달

이러한 합금은 고온의 용도를 위해 설계되기 때문에(즉, 용해 지점 근처의 온도에서 모양을 유지함) 크리프와 산화 저항성이 일차적으로 중요하다.니켈(Ni) 기반의 슈퍼앨로이들은 독특한 γ의 침전물들 때문에 이러한 어플리케이션의 선택 재료로 떠올랐다.[1][3][page needed]이러한 Ni 기반 슈퍼앨로이의 성질은 금속뿐만 아니라 금속, 철, 코발트, 몰리브덴, 텅스텐, 탄탈룸, 알루미늄, 티타늄, 지르코늄, 니오비움, 이티늄, 바나듐, 탄소, 보로이 등 일반적이고 이국적인 많은 원소를 첨가하여 어느 정도 맞춤화할 수 있다.n 또는 hafnium은 사용된 합금 첨가물의 일부 예다.이러한 각각의 추가는 고온 적용을 위한 특성을 최적화하는 특별한 목적을 위해 선택되었다.

크리프 저항은 부분적으로 결정 구조 내에서 탈구 운동 속도를 느리게 하는 것에 의존한다.현대의 니에 기반을 둔 슈퍼앨로이에서는 γ-Ni3(Al,Ti) 단계가 탈구운동의 장벽으로 작용한다.이러한 이유로 이 γ의 금속간 위상은 대량 분율로 존재할 때 순서가 정해진 성질과 γ 매트릭스와의 높은 일관성으로 인해 이들 합금의 강도를 급격히 증가시킨다.알루미늄과 티타늄을 화학적으로 첨가하면 γ' 단계의 생성을 촉진한다.γ' 단계 크기는 열처리를 강화하는 세심한 강수량에 의해 정밀하게 조절할 수 있다.많은 슈퍼앨로이들은 1차 상으로 알려진 입체파 입자의 분산을 생성하는 2상 열처리를 사용하여 생산되며, 이차 상으로 알려진 이들 사이의 미세한 분산을 이용한다.이러한 합금의 산화저항을 개선하기 위해 알, Cr, B, Y를 첨가한다.Al과 Cr은 표면을 통과시키고 추가적인 산화로부터 슈퍼앨로이를 보호하는 산화층을 형성하며, B와 Y는 이 산화 스케일의 기질에 대한 접착력을 향상시키기 위해 사용된다.[4]Cr, Fe, Co, Mo, Re는 preferentially 매트릭스로 우선 분할하고 Al, Ti, Nb, Ta, V는 γ의 침전물과 고체 용액은 각각 매트릭스와 침전물을 강화한다.고체 용액 강화 외에도 곡물 경계선이 존재한다면 곡물 경계 강화에 필요한 특정 요소를 선택한다.B와 Zr은 곡물 경계로 분리하는 경향이 있어 곡물 경계 에너지를 줄이고 곡물 경계 응집력과 연성을 개선한다.[5]Cr, Mo, W, Nb, Ta, Ti, Ti 또는 Hf와 같이 C와 카바이드 전자를 추가함으로써 또 다른 형태의 곡물 경계 강화가 이루어지며, 이는 곡물 경계에서 카바이드의 강수를 유도하여 곡물 경계 슬라이딩을 감소시킨다.

니에 기반한 초합체 구성[1][6][7]
요소 구성범위
(중량 %)		 목적
니·페·코 50-70% 이 원소들은 슈퍼앨로이의 기본 매트릭스 γ 단계를 형성한다.니는 또한 γ' (NiAl3)을 형성하기 때문에 필요하다.
Fe와 Co는 Ni보다 용해점이 높고 견고한 용액강화를 제공한다.Fe는 또한 니나 Co보다 훨씬 싸다.
CR 5-20% Cr은 산화 및 부식 저항성을 위해 필요하며, 산화 방지 CRO를23 형성한다.
알 0.5-6% 알은 '전자의 주요'이다.또한 CrO보다23 높은 온도에서 산화저항을 제공하는 보호산화물 AlO를23 형성한다.
티 1-4% Ti는 '을 형성한다.
C 0.05-0.2% MC와 MC236(M = 금속) 탄화물은 γ'가 없을 때의 강화상이다.
B,Zr 0-0.1% 붕소와 지르코늄은 곡물 경계에 힘을 준다.이것은 단결정 터빈 날개에 필수적인 것은 아니다. 곡물 경계가 없기 때문이다.
Nb 0-5% Nb는 700 °C 이하의 온도에서 강화 단계인 'γ'을 형성할 수 있다.
레, W, Hf, 모, 타 1-10% 고체 용액 강화(및 카바이드 형성)를 위해 소량으로 첨가된 내화 금속.그것들은 무겁지만 녹는점이 매우 높다.

적극적 연구

니에 기반한 슈퍼앨로이는 우수한 고온 재료로 매우 유용성이 입증된 반면, 코에 기반한 슈퍼앨로이는 니에 기반한 슈퍼앨로이에 비해 잠재적으로 우수한 고온 부식, 산화, 마모 저항성을 가지고 있다.이 때문에 지난 몇 년간 co 기반 슈퍼앨로이 개발에도 노력을 기울였다.그럼에도 불구하고 전통적인 Co 기반 슈퍼앨로이는 니 기반 슈퍼앨로이보다 높은 온도에서 강도가 낮기 때문에 널리 쓰이지 못하고 있다.[8]그 주된 이유는, 최근까지, 그들은 니에 기반을 둔 슈퍼 알로이의 고온 강도에 매우 중요한 γ의 강수 강화가 부족한 것으로 보였기 때문이다.2006년 L12 구조와 함께 측정 가능한 γ-Co3(Al,W) 간 금속 화합물에 대한 보고서는 전통적인 Ni 기반 슈퍼앨로이 대안으로 Co 기반 합금을 제안한다.그러나 이 종류의 합금은 1971년 C. S. Lee에 의해 박사 논문에서 보고되었다.[9]2상 미세 구조는 연속 γ 매트릭스에 내장된 입체파 γ' 침전물로 구성되며, 따라서 니 기반의 초합체에서 관찰되는 미세 구조와 형태학적으로 동일하다.니에 기반한 시스템에서와 마찬가지로, 두 단계 사이에는 높은 수준의 일관성이 있는데, 이것은 고온에서 우월한 강도를 초래하는 주요 요인 중 하나이다.

이것은 심각한 환경에서의 적용을 위한 새로운 종류의 하중 지지 Co-based 슈퍼앨로이 개발을 위한 길을 제공한다.[10]이러한 합금에서 W는 γ의 금속간 화합물을 형성하는 데 중요한 추가물이다. 이것은 그들을 훨씬 더 밀도 있게 만든다 (>9.6 g/cm3), Ni 기반 슈퍼합금에 비해.최근 W-Free이며 니켈-기반 슈퍼앨로이에 비해 밀도가 훨씬 낮은 새로운 등급의 코발트 기반 슈퍼앨로이가 개발되었다.[11][12][13][14]이러한 새로운 Co-based superaloys의 많은 특성들이 전통적인 Ni-based superaloys의 특성보다 더 좋을 수 있다는 사실 외에도, Co는 Ni보다 높은 용해 온도를 가지고 있다.따라서 고온 강도가 개선될 수 있다면, 새로운 Co-based superaloys의 개발로 제트 엔진 작동 온도가 상승하여 효율이 높아질 수 있을 것이다.

위상형성

새로운 요소를 추가하는 것은 견고한 솔루션 강화 때문에 대개 좋지만, 엔지니어들은 어떤 단계가 촉진되는지 주의할 필요가 있다.침전물은 기하학적으로 근접 포장(GCP), 위상학적으로 근접 포장(TCP) 또는 탄화물로 분류할 수 있다.GCP 단계는 대개 기계적 특성에 좋으나, TCP 단계는 종종 유해하다.TCP 단계는 실제로 밀접하게 포장되지 않기 때문에 슬립 시스템이 거의 없고 매우 취약하다.그들은 GCP 단계로부터 요소들을 "삭제"하기 때문에 더 나쁘다.γ' 형성에 좋거나 견고한 솔루션 강화가 큰 많은 요소들은 TCP를 촉진시킬 수 있다.엔지니어는 TCP를 피하면서 GCP를 촉진하는 밸런스를 찾아야 한다.

TCP 위상 형성이 있는 합금 영역은 다음과 같은 이유로 약할 것이다.[15][16]

  • TCP 단계는 본질적으로 기계적 특성이 나쁘다.
  • TCP 단계가 γ 행렬과 일관성이 없다.
  • TCP 단계는 γ이 없는 "삭제 구역"으로 둘러싸여 있다.
  • TCP 위상은 보통 균열을 쉽게 제거하는 날카로운 판이나 바늘과 같은 형태를 형성한다.

주요 GCP 단계는 γ'이다.거의 모든 슈퍼앨로이들은 이 단계 때문에 니에 기반을 두고 있다.γ'은 주문된 L12(L-one-2)으로, 단위 세포의 면에는 일정한 원자를, 단위 세포의 모서리에 일정한 원자를 가지고 있다는 뜻이다.니 기반의 슈퍼 알로이(superalloys)의 경우, 보통 얼굴에는 니를, 구석에는 티나 알을 의미한다.

또 다른 "좋은" GCP 단계는 'γ'이다.또한 with과 일관성이 있으나 고온에서 용해된다.

슈퍼앨로이 단계[15][16]
위상 분류 구조 구성 외관 효과
γ 매트릭스 질서 정연한 FCC Ni, Co, Fe 및 고체 용액의 기타 요소 다른 침전물의 배경 매트릭스 단계, 침전물의 연성 및 구조 제공
γ' GCP L12(명령된 FCC) 니3(알,티) 큐브, 원형 큐브, 구 또는 혈소판( 격자 불일치에 따라 다름) 주요 강화 단계.γ'은 연성이 가능한 γ과 일관성이 있다.
카바이드 카바이드 FCC mC, mC236, mC6(m = 금속) 진주 목걸이 같은 끈 같은 덩어리들 탄화물은 많지만 모두 분산 강화와 곡물 경계 안정화를 제공한다.
γ'' GCP D022(순서 BCT) 니앤비3 초소형 디스크 이 침전물은 γ'과 일관성이 있다.IN-718의 주요 강화 단계지만, γ'은 고온에서 용해된다.
η GCP D024(주문된 HCP) 니티3 셀룰러 또는 위드맨스테텐 패턴을 형성할 수 있음 국면이 최악은 아니지만 but'만큼 좋지는 않다.그것은 곡물 경계를 조절하는데 유용할 수 있다.
δ 근친상간하지 않은 정형외과적 니앤비3 아큐르(아큐르처럼 생긴) 이 단계의 주요 쟁점은 γ과 일관성이 없지만 본질적으로 약한 것은 아니라는 점이다.보통 ' decomp'을 분해하여 형성되지만, 때로는 곡물 경계 미세화를 위해 일부러 소량으로 첨가하기도 한다.
σ TCP 사면의 Fecr, FecCrMo, CrCo 길쭉한 구상체 이 TCP는 보통 최악의 기계적 특성을 가진 것으로 간주된다.[17]기계적인 특성에는 결코 바람직하지 않다.
μ TCP 육각형의 Fe2Nb, Co2Ti, Fe2Ti 구상체나 혈소판 이 단계에는 전형적인 TCP 문제가 있다.기계적인 특성에는 결코 바람직하지 않다.
라브스 TCP 방광의 (Fe,Co)7(Mo,W)6 거친 위드먼스테텐 혈소판 이 단계에는 전형적인 TCP 문제가 있다.기계적인 특성에는 결코 바람직하지 않다.

슈퍼 알로이 가문

니에 기반한 슈퍼앨로이의 역사와 발전

미국은 1905년경 가스 터빈 개발에 관심을 갖게 되었다.[1]1910년부터 1915년까지, 가스 터빈의 고온을 위해 오스테나틱(γ phase) 스테인리스 스틸이 개발되었다.1929년까지 80Ni-20Cr 합금이 표준이 되었으며, Ti와 Al이 소량 추가되었다.초기의 야금주의자들은 아직 그것을 알지 못했지만, 니에 본부를 둔 초알로이에서 작은 γ의 침전물을 형성하고 있었다.이 합금은 탄화물과 고체 용액 강화로 강화된 Fe-와 Co-기반 슈퍼 알로이를 순식간에 뛰어넘었다.

비록 Cr이 산화와 부식으로부터 700 °C까지 합금을 보호하는데 훌륭했지만, 야금학자들은 훨씬 더 높은 온도에서 산화 저항성을 가진 Al을 선호하여 Cr을 감소시키기 시작했다.Cr의 부족은 뜨거운 부식 문제를 야기시켰기 때문에 코팅이 개발되어야 했다.

1950년경에는 진공 용융이 상용화되었고, 이를 통해 금속 기술자들이 보다 정밀한 구성으로 고순도 합금을 만들 수 있었다.

60년대와 70년대에 야금주의자들은 알로이 화학에서 알로이 가공으로 초점을 바꾸었다.방향 고형화는 주상형 또는 심지어 단결정 터빈 날개가 가능하도록 개발되었다.산화분산 강화는 매우 미세한 곡물과 초플라스틱을 얻을 수 있었다.

니 기반 슈퍼앨로이 단계

  • 감마(γ):이 단계는 니에 기반한 슈퍼 알로이의 매트릭스를 구성한다.그것은 합금 요소의 FCC 오스테나틱 단계다.[17][18]대부분의 상용 Ni 기반 합금에서 발견되는 합금 원소는 C, Cr, Mo, W, Nb, Fe, Ti, Al, V, Ta이다.이러한 물질이 형성되는 동안, 니 알로이가 용해로부터 냉각되면서 카바이드들은 심지어 더 낮은 온도 γ' 위상 침전물에서 침전되기 시작한다.[18][19]
  • 감마 프라임(감마 프라임)': 이 위상은 합금을 강화하는데 사용되는 침전물을 구성한다.FCC L12 구조가 순서가 지정된 Ni3(Ti,Al)를 기반으로 한 금속 간 단계다.[17]γ' 페이즈는 약 0.5%의 격자 파라미터를 갖는 초합성 매트릭스와 일치한다.Ni3(Ti,Al)는 큐브 면에 Ni 원자가 있고 큐브 가장자리에 Al 또는 Ti 원자가 있는 순서 시스템이다.γ'의 입자는 골재를 침전시키면서 입체 구조를 형성하는 <100> 방향을 따라 정렬하여 에너지 상태를 감소시킨다.[18]이 위상은 600 °C에서 850 °C 사이의 불안정 창을 가지며, 그 안에서 'γ'은 HCP η 위상으로 변한다.650 °C 미만의 온도에서의 적용의 경우, "" 단계를 강화에 활용할 수 있다.[20]
γ" (NiNb3) (Body Centered Teatrangle)용 결정 구조
  • 감마 이중 프라임(double prime) : 이 위상은 일반적으로 NiNb3 또는 NiV의3 구성을 가지고 있으며, γ'에 비해 낮은 온도(<650 °C)에서 Ni 기반의 슈퍼앨로이 강화에 사용된다.γ"의 결정 구조는 체질 중심의 4각형(BCT)이며, 위상은 γ의 {001} 계열과 평행하게 00"의 (001) 평면이 60nm x 10nm 디스크로 침전된다.이러한 비등방성 디스크는 BCT 침전물과 FCC 매트릭스 사이의 격자 불일치의 결과로 형성된다.이러한 격자 불일치는 높은 일관성 변형으로 이어지며, 이는 주문 강화와 함께 일차적인 강화 메커니즘으로 구성된다.γ" 위상은 약 650 °C 이상에서 불안정하다.[20]
  • 카바이드 위상: 카바이드 형성은 일반적으로 유해한 것으로 간주되지만 Ni 기반 슈퍼앨로이에서는 고온에서 변형에 대한 재료의 구조를 안정화하는데 사용된다.탄화물은 곡물 경계에서 형성되어 곡물 경계 운동을 억제한다.[17][18]
  • 위상학적으로 밀접하게 포장된(TCP) 단계:"TCP 위상"이란 원자적으로 밀접하게 포장되어 있지 않지만 HCP 적재가 있는 일부 밀접하게 포장된 평면을 보유하고 있는 위상 계열의 구성원(,상, ,상, μ상, 라브스 위상 포함)을 말한다.TCP 단계는 br 매트릭스의 강화, 고체 솔루션 내화 요소(Cr, Co, W, Mo 포함)가 매우 취약하고 고갈되는 경향을 특징으로 한다.이러한 단계는 높은 온도(>750 °C)에서 오랜 시간(수천 시간) 후에 운동학의 결과로 형성된다.[20]

니켈 기반 슈퍼알로이 MAR-M 247은 800~900℃의 온도에서 피로 성능이 매우 좋았다.[21]

Co-based superaloys의 역사와 발전

역사적으로, Co-based superaloys는 기계적 성질을 위해 카바이드 강수와 고체 용액 강화에 의존해왔다.이러한 강화 메커니즘은 감마 프라임(γ) 강수 강화에 비해 열등하지만,[1] 코발트는 현재 유비쿼터스 니켈 기반 슈퍼앨로이보다 용융점이 높고 고온 부식 저항성과 열 피로도가 뛰어나다.그 결과 카바이드 강화 Co 기반 슈퍼 알로이가 가스 터빈의 고정 베인과 같은 저응력, 고온 적용에 사용된다.[22]

그러나 최근의 연구는 코발트가 γ의 단계를 나타낼 수 있다는 것을 보여주었다.실제로 γ'의 최초 보고된 존재는 1971년 박사학위 논문에서 일어났으나 결코 발표되지 않았다.[9]γ/γ'의 미세구조는 재발견되어 2006년 사토 외 연구진에 의해 처음 출판되었다.[8]그 γ' 단계는 Co3(Al, W)이었다.또한 γ' 페이즈에는 Mo, Ti, Nb, V, Ta 파티션, 매트릭스 γ에는 Fe, Mn, Cr 파티션도 있는 것으로 밝혀졌다.

Co 기반 슈퍼 알로이의 다음 가문은 2015년 Makineni 등이 발견했다.이 계열은 γ/γ'의 미세구조를 가지고 있지만 텅스텐이 없고 co3' 단계의 Co(Al,Mo,Nb)를 가지고 있다.[11]텅스텐은 매우 무거운 원소이기 때문에 텅스텐의 제거는 저밀도가 특히 중요한 항공기용 터빈에서 코 기반 합금의 생존성을 더욱 높여준다.

가장 최근에 발견된 슈퍼앨로이 계열은 2017년 니샤드햄 [23]외 연구소의 높은 처리량 연구에서 연산적으로 예측되었고, 2018년 레이예스 티라도 외 연구진이 실험실에서 시연했다.[14]이 γ' 페이즈는 다시 텅스텐이 없고 Co3(Nb,V)와 Co3(Ta,V)의 구성이 있다.

공동 기반 수퍼 알로이 단계

  • 감마 (γ): 니에 근거한 슈퍼 알로이와 유사하게, 이것은 슈퍼 알로이의 매트릭스의 위상이다.니 기반 슈퍼 알로이 정도까지는 상업적으로 사용되지 않지만, 연구용 코 기반 합금에서 발견되는 합금 원소는 C, Cr, W, Ni, Ti, Al, Ir, Ta이다.[8][24]크롬은 코발트 기반의 슈퍼앨로이(가솔린적으로 최대 20wt)에도 사용된다.%) 산화 및 내식성을 제공하며, 가스 터빈에서 재료 사용에 매우 중요하다.[25]
  • 감마 프라임(감마 프라임)': 니에 기반한 슈퍼 합금에서와 마찬가지로, 이 위상은 합금을 강화하는데 사용되는 침전물을 구성한다.이 경우, W와 Al 모두 이러한 입체형 침전물에 상당히 잘 통합되는 것으로 확인되었지만, 대개는 CoTi3 또는 FCC CoTa의3 L12 구조로 빽빽하게 채워진다.Ta, Nb, Ti 원소는 γ' 단계에 통합되어 고온에서 안정시키는데 상당히 효과적이다.이러한 안정성의 결여는 높은 온도에서 코에 기반을 둔 슈퍼 알로이들을 니 베이스 사촌들보다 약하게 만드는 핵심 요소들 중 하나이기 때문에 상당히 중요한 것이다.[8][26]
  • 카바이드 단계:카바이드 형성에서 흔히 볼 수 있듯이, Co-based superaloys에서 그것의 외관은 강수 경화를 제공하지만 저온 연성은 감소한다.[24]
  • TCP(Topology Close-Packed) 단계는 일부 개발 Co-based 슈퍼앨로이에서도 나타날 수 있지만, 이러한 합금을 엔지니어링하는 주요 포인트는 TCP를 피하는 것이다.

Fe 기반 수퍼 알로이 단계

초할로이 용도에 강철을 사용하는 것은 관심의 대상이다. 특정 강철 합금은 생산 비용이 훨씬 적게 들면서 니에 기반한 초할로이와 유사한 크리프와 산화 저항성을 보였기 때문이다.

감마(감마): 니에 근거한 슈퍼앨로이에서 발견되는 위상과 마찬가지로, Fe에 기반한 합금은 오스테나이트 철(FCC)의 매트릭스 위상이 특징이다.이러한 스테인리스강 합금에서 일반적으로 발견되는 합금 요소는 다음과 같다.Al, B, C, C, C, C, Cr, Mo, Nb, Si, Ti, W, Y.[27]Al은 산화 이점 때문에 도입되는 반면, Al 첨가물은 저체중 분율(wt)으로 유지해야 한다.%) 알은 초합성 마이크로구조에서 바람직하지 않은 단계인 페리틱(BCC) 1차 위상 매트릭스를 안정화시키기 때문에 오스테나틱(FCC)[28] 1차 위상 매트릭스가 나타내는 고온 강도보다 낮다.

감마-프라임(감마-프라임)': 이 단계는 합금을 강화하기 위한 침전물로서 도입된다.니 기반 합금에서와 마찬가지로 γ'-Ni3Al 침전물은 알, 니, Nb, Ti 첨가물의 적절한 균형으로 도입할 수 있다.

Fe 기반 슈퍼앨로이의 미세구조

오스테나이트 스테인리스강에는 크롬성형 또는 알루미나성형 스테인리스강이라는 두 가지 주요 유형이 존재하며, 강철 표면에 산화층이 형성되는 것이 특징이다.크롬성형 스테인리스강은 가장 보편적인 형태의 스테인리스강이다.그러나 크로미아 형성 강철은 니에 기반한 슈퍼 알로이와 비교했을 때 높은 작동 온도, 특히 수증기가 있는 환경에서는 높은 크리프 저항을 보이지 않는다.높은 작동 온도에서 수증기에 노출되면 크로미아 형성 합금의 내부 산화가 증가하고 휘발성 Cr(옥시) 하이드록시드가 빠르게 형성될 수 있으며, 이 두 가지 모두 합금의 내구성과 수명을 줄일 수 있다.[28]

알루미나형 오스테나이트 스테인리스강은 강철 표면에 알루미나 산화물이 있는 오스테나이트 철(FCC)의 단상 행렬이 특징이다.알루미나는 색소보다 열역학적으로 산소가 안정적이다.그러나 더 일반적으로는 강도와 크리프 저항을 증가시키기 위해 침전 단계가 도입된다.알루미나 형성강에서는 NiAl 침전물이 도입되어 알루미나 보호층을 유지하기 위한 알 저수지의 역할을 한다.또한 Nb와 Cr을 첨가하면 NiAl의 급격한 부피 분율을 증가시킴으로써 알루미나 형성 및 안정화에 도움이 된다.[28]

알루미나 형성의 개발을 위한 연구 노력, Fe-base 슈퍼알로이는 공기 산화 시 다른 작동 온도 + 10% 수증기에서의 다른 작동 온도에서 적어도 5등급의 알루미나 형성 오스테나틱(AFA) 합금을 보여주었다.[29]

  • AFA 등급: (50-60)Fe-(20-25)Ni-(14-15)Cr-(2.5-3.5)Al-(1-3)Nb wt.% base
    • 공기 산화 시 750-800°C 작동 온도 + 10% 수증기
  • 낮은 니켈 AFA 등급: 63Fe-12Ni-14Cr-2.5Al-0.6Nb-5Mn3Cu wt.% base
    • 공기 산화 시 650 °C 작동 온도 + 10% 수증기
  • 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 wt.% base
    • 공기 산화 시 850-900°C 작동 온도 + 10% 수증기
  • 주조 AFA 등급: (35-50)Fe-(25-35)Ni-14Cr-(3.5-4)Al-1Nb wt.% base
    • Ni wt.%에 따라 공기 산화 + 10% 수증기에서의 750-1100°C 작동 온도
  • AFA 슈퍼앨로이 (40-50)Fe-(30-35)Ni-(14-19)Cr-(2.5-3.5)Al-3Nb
    • 750-850°C의 공기 산화 시 작동 온도 + 10% 수증기

공기 중 산화성이 있고 수증기가 없는 작동 온도는 더 높을 것으로 예상된다.또한, AFA 슈퍼앨로이 등급은 니켈 기반 합금 UNS N06617에 근접하는 크리프 강도를 보였다.

슈퍼앨로이의 미세구조

순수 NiAl3 위상 알루미늄 원자는 입방 셀의 정점에 배치되고 하위 부착물 A를 형성한다.니켈 원자는 얼굴 중앙에 위치하며 하위 요소 B를 형성한다.그 단계는 엄밀히 말하면 측정이 되지 않는다.하위 항목 중 하나에 공석이 초과되어 있을 수 있으며, 이는 확률 측정에서 편차를 초래한다.γ상 A와 B 하위 요소는 다른 원소의 상당 부분을 용해할 수 있다.합금 원소는 γ상에서도 용해된다.γ' 위상은 항복강도 이상이라 불리는 특이한 메커니즘을 통해 합금을 단단하게 한다.탈구는 γ의 단계에서 분리되어 반상경계가 형성된다.상승된 온도에서 반상경계(APB)와 관련된 자유 에너지는 특정 평면에 놓여 있으면 상당히 감소하는데, 우연의 일치로 허용된 슬립 평면이 아니다.APB 크로스 슬립을 경계로 하여 APB가 저 에너지 평면에 놓여지게 하는 한 세트의 부분 탈구. 그리고 이 저 에너지 평면이 허가된 슬립 평면이 아니기 때문에 탈구된 탈구는 현재 효과적으로 잠겨 있다.이 메커니즘에 의해 γ 상 니알의3 항복 강도는 실제로 온도가 최대 1000 °C까지 상승하여 슈퍼앨로이에게는 현재 독보적인 고온 강도를 부여한다.

가스 터빈 엔진의 블레이드 적용을 위한 초기 재료 선택은 1940년대 니모닉 시리즈 합금과 같은 합금을 포함했다.[3][page needed]초기 니모닉 시리즈는 γ' Ni3(Al,Ti) 침전물을 γ 매트릭스에 포함시켰으며, 추가적인 곡물 경계 강도를 위해 곡물 경계에서[30] 다양한 금속 탄소 카바이드236(예: CRC)를 포함시켰다.터빈 블레이드 부품은 1950년대에 진공 유도 주조 기술이 도입될 때까지 단조되었다.[3][page needed]이 공정을 통해 청결도가 현저히 향상되고 결점이 감소되었으며 재료의 강도 및 온도 능력이 향상되었다.

현대의 초호화들은 1980년대에 개발되었다.1세대 슈퍼앨로이들은 이러한 합금에서 γ의 부피 분율을 증가시키기 위해 알루미늄, 티타늄, 탄탈룸, 니오비움 함량을 증가시켰다.1세대 슈퍼앨로이의 예로는 PWA1480, 르네 N4 및 SRR99가 있다.또한 γ 침전물의 부피 분율은 곡물 경계를 주조물에서 완전히 제거할 수 있는 초합성에 대한 단일 결정 또는 단결정 고체화 기법의 출현으로 약 50~70%까지 증가하였다(브리드만 기법 참조).물질에는 곡물 경계가 없기 때문에 곡물 경계가 강화되어 탄화물은 불필요하게 제거되었다.[3][page needed]

2세대와 3세대 슈퍼앨로이들은 온도 능력 향상을 위해 약 3-6%의 레늄을 도입했다.Re는 느린 확산기로서 일반적으로 partitions 매트릭스로 분할하여 확산 속도를 감소시키고(따라서 고온 크리프) 고온 성능을 개선하며 서비스 온도를 각각 2세대와 3세대 슈퍼앨로이에서 30°C와 60°C씩 상승시킨다.[31]르는 또한 γ의 뗏목의 형성을 촉진하는 것으로 나타났다(입방형 침전물과 반대).뗏목의 존재는 (탈구 상승에 의해 제어되는) 권력법 체제에서 크리프율을 감소시킬 수 있지만, 지배적인 메커니즘이 입자 피복인 경우 잠재적으로 크리프율을 증가시킬 수도 있다.게다가, Re는 부서지기 쉬운 TCP 단계의 형성을 촉진하는 경향이 있어, Co, W, Mo, 그리고 특히 Cr을 줄이는 전략으로 이어졌다.니에 기반을 둔 슈퍼앨로이의 젊은 세대는 이러한 이유로 Cr 함량을 현저히 줄였지만, Cr의 감소로 인해 산화 저항성이 감소하게 된다.Cr 함량 감소에 수반하는 산화 저항의 상실을 상쇄하기 위해 첨단 코팅 기법이 사용되고 있다.[20][32]2세대 슈퍼앨로이의 예로는 PWA1484, CMSX-4, 르네 N5 등이 있다.제3세대 합금은 CMSX-10, 레네 N6. 제4세대, 제5세대, 심지어 제6세대 슈퍼앨로이가 개발되어 루테늄 첨가물을 포함하고 있어 이전 세대의 리-포함합금보다 여전히 비싸다.루가 TCP 단계의 추진에 미치는 영향은 잘 결정되지 않는다.초기 보고서들은 루가 매트릭스에서 Re의 초범성을 감소시켰고, 따라서 TCP 위상 형성에 대한 민감성을 감소시켰다고 판단했다.[33]더 최근의 연구들은 그 반대의 효과에 주목했다.Chen, 외 연구진은 두 합금에서 Ru의 추가가 Cr과 Re의 matrix 매트릭스에서의 분할 비율과 초범위를 모두 증가시켰고, 따라서 TCP 단계의 형성을 촉진했다는 것을 발견했다.[34]

현재의 추세는 매우 비싸고 매우 무거운 요소들을 피하는 것이다.온도 범위와 화학적 저항성이 저하된 예산 재료인 Eglin steel이 그 예다.레늄이나 루테늄을 함유하지 않으며 니켈 함량이 제한되어 있다.제작 비용을 줄이기 위해 레이들(진공 도가니 내 특성 개선)에 녹도록 화학적으로 설계되었다.또한 열처리 전에 기존의 용접과 주조가 가능하다.원래 목적은 고성능의 저렴한 폭탄 케이싱을 생산하는 것이었지만, 이 재료는 갑옷을 포함한 구조 용도에 광범위하게 적용된다는 것이 입증되었다.

단결정 초할로이

단결정 슈퍼알로이(SX 또는 SC 슈퍼알로이)는 방향고체화 기법의 변형판을 이용해 단일 결정으로 형성되기 때문에 재료에 곡물 경계가 없다.대부분의 다른 합금의 기계적 특성은 곡물 경계의 유무에 따라 달라지지만 고온에서는 크리프에 참여하므로 다른 메커니즘으로 대체해야 한다.그러한 많은 합금에서, 순서가 정해진 금속간 위상의 섬들은 모두 같은 결정 격자를 가진 질서 없는 위상의 행렬에 놓여 있다.이것은 어떤 비정형 고체를 구조물에 도입하지 않고 곡물 경계의 탈구-핀 거동에 가깝다.

단일 결정(SX) 슈퍼앨로이는 특성과 성능의 독특한 조합으로 인해 에어로 및 산업용 가스 터빈 엔진의 고압 터빈 부분에 폭넓게 적용되었다.SX합금 개발은 단일 결정 주조 기술 도입 이후 온도 능력 향상에 초점을 맞추었으며, 합금 성능의 주요 개선은 레늄(Re)과 루테늄(Ru) 등 새로운 합금 원소 도입과 연관되어 있다.[35]

터빈 진입 온도가 증가함에 따라 그러한 극한 조건(높은 온도 및 높은 응력)에서 단일 결정 수퍼앨로이의 크리프 변형 시 발생하는 물리적 현상을 근본적으로 이해하는 것이 중요하다.슈퍼앨로이 단일 결정의 크리프 변형 거동은 강한 온도, 응력, 방향 및 합금에 의존한다.단일 결정 수퍼앨로이의 경우 온도 및 스트레스가 다른 시스템 하에서 3가지 다른 형태의 크리프 변형 모드가 있다:[36][page needed] 래프팅, 3차 및 1차.저온(약 750 °C)에서 SX 합금은 대부분 1차 크리프 동작을 나타낸다.마탄 외 연구진은 1차 크리프 변형 정도는 인장축과 <001>/<011> 대칭 경계 사이의 각도에 따라 크게 좌우된다고 결론지었다.[37]850 °C 이상의 온도에서는 3차 크리프가 지배하며 변형 연화 작용을 촉진한다.[3][page needed]온도가 1000 °C를 초과하면 인장응력 하에서[38] 입방 입자가 평탄한 모양으로 변하는 래프팅 효과가 만연하다 뗏목 또한 인장축에 수직으로 형성되는데, 이는 γ단계가 수직 채널에서 수평으로 운반되었기 때문이다.1105 °C 및 100 MPa에서 방향 CMSX-4 단일 결정 superalloy의 단축 크리프 변형을 수행한 후, Reed 등.래프팅은 크리프 변종의 진화를 지연시키기 때문에 생명을 소름끼치는 데 이롭다는 것을 입증했다.또한 래프팅은 빠르게 발생하며 심각한 스트레인에 도달할 때까지 크리프 스트레인의 축적을 억제할 수 있다.[39]

슈퍼앨로이의 산화

고온에서 작동하고 부식성 환경에 노출되는 슈퍼 알로이의 경우 산화 작용이 가장 중요하다.산화는 일반적으로 금속 표면에서 새로운 산화 단계를 형성하기 위해 산소와 합금 원소의 화학적 반응을 포함한다.경화되지 않은 경우 산화 작용은 다음과 같은 다양한 방법으로 합금을 저하시킬 수 있다.[40][41]

  • 표면의 순차적 산화, 균열 및 폭주로 인해 시간이 지남에 따라 합금의 침식이 발생함
  • 산화 단계 도입을 통한 표면 파괴, 균열 형성 및 피로 파괴 촉진
  • 주요 합금 요소의 고갈, 슈퍼앨로이의 기계적 특성에 영향을 미치고 성능을 저하시킬 수 있음

이러한 해로운 과정을 제한하기 위해 사용되는 일차적 전략은 선택적 산화라고 불린다.간단히 말해서, 합금은 합금 원소의 비율이 특정한 산화 단계의 형성을 촉진하도록 설계되며, 이는 이후 추가적인 산화의 장벽으로 작용할 수 있다.알루미늄과 크롬은 알루미나(AlO23)와 크로미아(CrO23)의 비교적 얇고 연속적인 산화층을 형성하기 때문에 가장 일반적으로 이 역할에 사용된다.게다가, 그것들은 낮은 산소확산성을 가지고 있어서, 효과적으로 이 층 아래의 더 이상의 산화를 중단시킨다.이상적인 경우 산화는 두 단계를 거쳐 진행된다.첫째, 과도 산화는 다양한 원소, 특히 다수 원소(예: 니켈이나 코발트)의 변환을 수반한다.과도 산화는 희생 원소의 선택적 산화가 완전한 장벽 층을 형성할 때까지 계속된다.[40]

선택적 산화의 보호 효과는 수많은 메커니즘에 의해 훼손될 수 있다.얇은 제물 산화물 층의 연속성은 스트레스로 인한 기계적 붕괴에 의해 손상되거나 산화 작용의 결과(예: 산소의 확산이 너무 빠른 경우)로 인해 붕괴될 수 있다.층이 연속되지 않으면 산소에 대한 확산 장벽으로서 그 효과가 현저하게 감소한다.산화층의 안정성은 다른 소수 원소의 존재에 의해서도 강한 영향을 받는다.예를 들어 슈퍼앨로이에 붕소, 실리콘, 이트리움을 첨가하면 산화층 접착을 촉진하여 폭음을 줄이고 보호 산화층의 건전성을 유지한다.[42]

산화는 슈퍼앨로이가 경험할 수 있는 가장 기본적인 형태의 화학적 분해일 뿐이다.보다 복잡한 부식 과정은 운영 환경이 소금과 황 화합물을 포함하거나 시간이 지남에 따라 급격히 변화하는 화학적 조건 하에서 흔히 발생한다.이러한 문제와 기본적인 산화 문제는 얇은 코팅도 종종 다루어진다.

슈퍼앨로이 가공

슈퍼앨로이 프로세싱의 역사적 발전은 슈퍼앨로이 작동 온도에 상당한 증가를 가져왔다.슈퍼 알로이는 원래 1940년대 이전에 만들어진 철제 기반이었고 차갑게 만들어졌다.1940년대에 코발트 베이스 합금의 투자 주물은 운영 온도를 크게 높였다.1950년대 진공융해의 발달로 초합금 및 단일결정 초합금(superaloy)의 화학적 구성을 매우 미세하게 제어하고 오염을 감소시켰으며, 그 결과 합금 및 단일 결정 초합금(superalalloy)의 방향 고형화 등 가공 기법의 혁명을 가져왔다.[43][page needed]

가스터빈 엔진에는 많은 형태의 슈퍼 알로이가 존재하며, 각각의 특정 부품의 필요한 특성에 따라 처리 방법이 크게 다르다.

주조 및 단조

주조와 단조는 다결정성 제품과 단결정성 제품을 모두 생성하는 데 사용할 수 있는 전통적인 야금 처리 기법이다.다결정 깁스는 파단 저항성이 높은 반면, 모노크리스탈린 깁스는 크리프 저항성이 높은 편이다.

제트 터빈 엔진은 그들의 개별적인 강점을 이용하기 위해 폴리 및 모노 결정성 요소를 모두 사용한다.엔진의 중앙 허브 근처에 있는 고압 터빈의 원반은 다결정질이다.엔진 하우징 안으로 방사상으로 확장되는 터빈 블레이드는 훨씬 더 큰 구심력을 경험하기 때문에 크리프 저항이 필요하다.결과적으로 터빈 날개는 일반적으로 선호하는 결정 방향을 가진 단결정 또는 다결정질이다.

인베스트

투자주조는 세라믹 몰드의 템플릿으로 왁스 형태를 제작해 사용하는 야금 처리 기법이다.간략하게 세라믹 몰드를 왁스 형태 주위에 붓고, 세라믹 몰드에서 왁스 형태를 녹여내고, 왁스가 남긴 빈 공간에 쇳물을 붓는다.이것은 원래의 왁스 형태와 같은 모양의 금속 형태로 이어진다.수정 알갱이의 핵화와 성장이 고체 매트릭스 전체에 걸쳐 수많은 장소에서 발생하기 때문에 투자 주물은 다결정 최종 제품으로 이어진다.일반적으로 다결정질 제품은 선호하는 곡물 방향이 없다.

방향고체화

방향 고체화 도식

방향 고형화는 열 경사를 이용하여 저온 표면의 금속 입자의 핵화를 촉진하고 온도 경사를 따라 금속 입자의 성장을 촉진한다.이것은 온도 구배를 따라 곡물이 길어지고 긴 곡물 방향에 평행하게 훨씬 더 큰 크리프 저항으로 이어진다.다결정 터빈 블레이드에서 방향 고형화는 곡물이 구심력에 평행하게 방향을 잡는 데 사용된다.그것은 또한 덴드리트ic 고체화라고도 알려져 있다.

단결정성장

단일 결정 성장은 더 큰 결정의 성장을 형상화하는 데 사용되는 씨앗 결정으로 시작한다.전체적인 공정은 장황하며, 단일 결정체를 배양한 후에는 가공에 의한 추가 처리가 필요하다.

파우더 야금

분말 야금학은 금속을 먼저 분말 형태로 변환한 후 용해점 이하에서 가열하여 원하는 모양으로 형성하는 현대 가공 기법의 일종이다.용해된 금속과 함께 발생하는 주물과는 대조적이다.슈퍼앨로이 제조는 종종 분말 야금을 채용하는데, 그 이유는 재료 효율 때문에(일반적으로 폐금속은 최종 제품에서 기계로 가공해야 하는 경우가 훨씬 적으며) 기계적 합금 작업을 용이하게 하는 능력 때문이다.기계적 합금은 반복적인 파단 및 용접에 의해 보강 입자가 슈퍼앨로이 매트릭스 재료에 통합되는 과정이다.[44][failed verification]

가늘고 뜨거운 등축 누름

가늘고 뜨거운 이소스타틱 압착은 느슨하게 포장된 "녹색 몸체"에서 물질들을 물리적으로 병합된 곡물로 고체 물체로 압축하는 데 사용되는 처리 기법이다.소결은 용해점 이하에서 발생하며, 인접한 입자가 그 경계에서 합쳐지게 하여 이들 사이에 강한 결속력을 갖게 한다.고온 이등분압에서는 소결된 물질을 압력 용기에 넣고 불활성 대기에서 모든 방향(이등분)에서 압축하여 밀도에 영향을 준다.[45]

적층 제조

선택적 레이저 용해(Powder Bed Fusion이라고도 함)는 CAD 파일에서 복잡한 세부 형태를 만드는 데 사용되는 적층 제조 절차다.CAD에서 모양은 설계되고 조각으로 변환된다.이 조각들은 최종 제품을 인쇄하기 위해 레이저 작가에게 보내진다.간단히 말해서, 금속 분말의 침대가 준비되고, CAD 디자인의 첫 번째 조각은 고에너지 레이저가 입자를 함께 섞어서 가루 베드에 형성된다.이 첫 슬라이스가 생성된 후, 파우더 베드는 아래로 이동하며, 새로운 금속 파우더가 슬라이스 윗부분 위로 롤링된다.그런 다음 레이저로 두 번째 레이어를 소결하고 CAD 파일의 모든 슬라이스가 처리될 때까지 과정을 반복한다.[46]많은 적층 제조 공정의 특성상 선택적 레이저 용해로 만들어진 제품에는 다공성이 존재할 수 있다.많은 제품은 제품 밀도를 높이고 다공성을 감소시켜 균열을 유발할 수 있는 열처리 또는 뜨거운 이등분압 절차를 거치는 경우가 많다.[47]

따라서 이러한 용도에 대한 적층 제조는 특히 어렵다.

슈퍼앨로이 코팅

현대의 가스 터빈에서는, 터빈 진입 온도(~1750K)가 표면 공학의 도움을 받아 초경기의 초경기의 녹는 온도(~1600K)를 초과했다.그러한 극단적인 작업 조건 하에서 코팅의 자격은 필수적이 된다.[48][page needed]

다른 종류의 코팅

역사적으로, 확산 코팅, 오버레이 코팅, 열 차단 코팅의 세 가지 "세대"가 개발되었다.주로 알루미늄이나 백금 알루미네이드로 구성된 확산 코팅은 여전히 표면 보호의 가장 흔한 형태다.부식 및 산화 저항성을 더욱 높이기 위해 MCrAlX 기반 오버레이 코팅(M=Ni 또는 Co, X=Y, Hf, Si)을 슈퍼앨로이 표면에 침전시킨다.확산 코팅에 비해 오버레이 코팅은 기질 구성에 덜 의존하지만 공기 또는 진공 플라즈마 살포(APS/VPS)[49][page needed] 또는 다른 전자 빔 물리적 증기 증착(EB-PVD)에 의해 수행되어야 하기 때문에 비용이 더 많이 든다.[50]열 장벽 코팅은 작업 온도와 코팅 수명에 있어 단연 최고의 향상 효과를 제공한다.300μm 두께의 현대식 TBC는 속이 빈 구성품 및 냉각 공기와 함께 사용할 경우 금속 표면 온도를 수백도 낮출 가능성이 있는 것으로 추정된다.[51]

열 장벽 코팅

부품 수명과 엔진 성능을 높이기 위해 상용 및 군사용 가스 터빈 엔진의 슈퍼앨로이 표면에서 열 차단 코팅(TBC)이 광범위하게 사용된다.[52]약 1-200µm의 코팅은 슈퍼앨로이 표면의 온도를 최대 200K까지 낮출 수 있다.TBC는 실제로 본드코트, 열성장 산화물(TGO), 열절연 세라믹 탑코트로 구성된 코팅 시스템이다.대부분의 용도에서 본드 코트는 MCrAlY(M=Ni 또는 NiCo) 또는 Pt 개조 알루미늄 코팅이다.산화 및 고온 부식 공격으로부터 초합성 기질을 보호하고 표면에서 지속적이고 느리게 성장하는 TGO를 형성하기 위해 밀도 높은 본드 코트가 필요하다.TGO는 본드 코트에 들어 있는 알루미늄의 산화에 의해 형성된다.전류(1세대) 열절연층은 7wt % yttria 안정화 지르코니아(7YSZ)로 구성되며, 대표적인 두께는 100~300µm이다.이트리아 안정화 지르코니아는 열전도율이 낮기 때문에 사용된다(2.6).완전 밀도 재료의 경우 W/mK), 상대적으로 높은 열팽창 계수 및 양호한 고온 안정성.터빈 에어포일에 TBC를 적용하는 데 사용되는 전자 빔 방향 증기 증착(EB-DVD) 공정은 몇 가지 수준의 다공성을 가진 기둥 미세 구조를 생성한다.기둥 사이의 다공성은 초합성 기질과의 열팽창 불일치로 인한 열 순환 시 회전하기 때문에 매우 낮은 평면 계수를 통해 변형률 내성을 제공하는 데 매우 중요하다.기둥 내 다공성은 코팅의 열전도도를 감소시킨다.

본드 코트

본드 코트는 열 장벽 코팅을 초합성 기질에 부착한다.또한, 본드 코트는 산화 방지 기능을 제공하며 환경을 향한 기질 원자의 움직임에 대한 확산 장벽의 역할을 한다.본드코트는 알루미늄, 백금알루미늄, MCrAlY, 코발트-세르메트, 니켈크롬 등 5가지 주요 종류가 있다.알루미늄 결합 코팅의 경우 코팅의 최종 구성과 구조는 기질 구성에 따라 달라진다.알루미늄은 또한 750 °C 미만의 연성이 부족하며 열역학 피로 강도에 의해 제한된다.Pt-알루미늄은 블레이드에 퇴적된 Pt(5~10μm) 층을 제외하고 알루미늄 본드 코트와 매우 유사하다.Pt는 산화물 접착에 도움을 주고 뜨거운 부식의 원인이 된다고 여겨진다.Pt 도금 비용은 블레이드 수명의 증가로 정당화된다.MCrAlY는 최신 세대의 본드 코트로 기판과 강하게 상호작용하지 않는다.일반적으로 플라즈마 분무에 의해 적용되는 MCrAlY 코팅은 2차 알루미늄 산화제 포머다.이는 코팅이 산화크롬(크롬)의 외층 및 그 아래 2차 산화알루미늄(알루미나) 층을 형성한다는 것을 의미한다.이러한 산화물은 슈퍼홀로이가 보통 마주치는 범위의 고온에서 발생한다.[53]크로미아는 산화 및 고온 부식 저항성을 제공한다.알루미나는 산화성장을 스스로 통과시켜 제한함으로써 산화 메커니즘을 제어한다.이트리움은 기질에 대한 산화물의 부착력을 향상시키고 곡물 경계의 성장을 제한한다(코팅이 벗겨질 수 있음).[54]조사 결과 레늄과 탄탈룸을 첨가하면 산화저항이 높아진다는 결과가 나왔다.텅스텐 카바이드/코발트 등의 재료로 구성된 코발트-세르메트 기반 코팅은 마모, 부식, 침식, 열에 대한 내성이 뛰어나 사용이 가능하다.[55][full citation needed]이러한 세르메트 코팅은 보일러와 같이 온도 및 산화 손상이 심각한 상황에서 잘 작동한다.코발트 세르메트 코팅의 고유한 장점 중 하나는 혼합물 내 카바이드 강도로 인해 코팅 질량의 최소 손실이 시간 경과에 따라 발생한다는 것이다.전체적으로 Cermet 코팅은 기계적 요구가 슈퍼앨로이의 화학적 요구와 동일한 상황에서 유용하다.니켈크롬 코팅은 화석 연료, 전기 용해로, 폐기물 소각로가 공급하는 보일러에서 가장 많이 사용되는데, 여기서 증기의 산화제 및 부식성 화합물의 위험성을 다루어야 한다.[56]스프레이 코팅의 구체적인 방법은 코팅의 구성에 따라 다르다.철이나 알루미늄을 함께 함유한 니켈크롬 코팅은 분무 및 레이저 유약을 발랐을 때 (부식 저항성 측면에서) 훨씬 성능이 좋은 반면 순수 니켈크롬 코팅은 열분사 전용으로 발랐을 때 성능이 더 좋다.[57]

공정코팅방법

높은 작업 온도 및 부식성 대기(제트 엔진의 고압 터빈 영역 등)에 노출되는 슈퍼 알로이 제품은 다양한 코팅으로 코팅된다.팩 시멘트 공정, 가스상 코팅(둘 다 화학 증기 증착(CVD)의 일종), 열 분무 및 물리적 증기 증착 등 여러 종류의 코팅 프로세스가 적용된다.대부분의 경우 부품의 표면 부근에 있는 코팅 공정이 알루미늄으로 농축된 후 코팅의 매트릭스는 니켈알루미늄이다.

팩 시멘트 공정

팩시멘트란 금속 분말 혼합물과 암모늄 할로겐화 활성제에 코팅할 성분을 담가 재봉합하는 화학증기 증착 기술을 말한다.두 금속 사이에 공극 결합을 일으키는 할로겐화염 화학반응으로 인해 전체 기구를 용광로 안에 두고 정상 온도보다 낮은 온도에서 가열하여 확산이 이루어지도록 한다.열 확산 이온 이동으로 형성된 새로운 표면 합금은 표면 기질에 대한 야금 결합과 새로운 표면 합금의 감마층에서 발견된 진정한 금속 간 층이 있다.

기존 팩은 다음 4가지 구성 요소로 구성되며,

기질 또는 부품-철 및 비철 분말 합금(Ti 및/또는 Al, Si 및/또는 Zn, B 및/ 또는 Cr) 할리드 소금 활성제- 암모늄 할리드 소금(Al2O3, SiO2 또는 SiC) 온도가 750 °C 미만임이 프로세스에는 다음이 포함되지만 이에 국한되지는 않는다.

알루미늄크롬화 실리콘화 쉐라드화 보로니화 티타늄화

팩 시멘토레이션은 금속 조합의 온도를 더욱 낮추기 위해 다른 화학 공정과 결합하고 표면 처리를 위해 다른 합금 조합에 금속 간 성질을 부여하기 때문에 지난 10년 동안 부활했다.

열분사

열분사는 전구물질의 공급원료를 가열해 표면에 분사해 코팅 작업을 하는 공정이다.원하는 입자 크기, 코팅 두께, 분사 속도, 원하는 면적 등에 따라 다른 구체적인 기법이 사용된다.[58][full citation needed]그러나 어떤 종류의 열 분무에 의해 적용되는 코팅은 표면의 접착력에 의존한다.따라서 열코팅을 적용하기 전에 슈퍼앨로이의 표면을 닦고 보통 광택을 내어야 한다.[59]

플라즈마 분사

다양한 열분무 방식 중 슈퍼앨로이 코팅에 가장 이상적이고 일반적으로 사용되는 기법 중 하나가 플라즈마 분무법이다.이는 사용 가능한 코팅의 다용성과 플라즈마 스프레이 코팅의 고온 성능 때문이다.[60]플라즈마 스프레이는 다른 기술보다 훨씬 더 광범위한 물질을 수용할 수 있다.용해온도와 분해온도 차이가 300Kelvin 이상이면 플라즈마 분무를 통해 소재를 녹여 코팅으로 적용할 수 있다.[61][page needed]

가스상코팅

이 과정은 약 1080 °C의 고온에서 수행된다.코팅 재료는 일반적으로 코팅할 부품과 물리적으로 접촉하지 않고 특수 트레이에 적재된다.코팅 혼합물은 활성 코팅 재료와 활성제를 포함하지만 일반적으로 열 밸러스트를 포함하지 않는다.팩 시멘트화 공정에서와 같이 기체 염화알루미늄(또는 불소화)이 부품의 표면으로 전달된다.그러나, 이 경우 확산은 바깥쪽이다.이러한 종류의 코팅은 확산 열처리도 필요하다.

열 장벽 코팅 시스템의 고장 메커니즘

열 장벽 코팅의 고장은 일반적으로 담금화로 나타나는데, 이는 주변 온도와 작업 조건 사이의 열 순환 중 온도 구배와 기질 및 코팅의 열팽창 계수 차이에서 발생한다.코팅이 완전히 고장나는 경우는 드물며, 일부 부품은 손상되지 않고 동일한 조건에서 시험을 반복할 경우 고장 시간 내에 상당한 산란이 관찰된다.[3][page needed]열 장벽 코팅에는 다양한 열화 메커니즘이 있으며,[62][63]이들 중 일부 또는 전체가 작동해야 최종 고장이 발생할 수 있다.

  • 열 장벽 코팅 및 기초 본드 코팅 인터페이스에서의 [64]산화
  • 기질과의 산화[65] 및 확산으로 인한 본드 코팅 내 알루미늄 [66]고갈
  • 열성장 산화물 [67]층 형성에 따른 열팽창계수 불일치 및 성장응력
  • 열적으로 성장한 산화층 부근의 [68][69][70]결함
  • 엔진 작동 [71][72][73][74][75]중 기타 여러 가지 복잡한 요인

또한 TBC 수명은 사용되는 재료(하사, 본드 코팅, 세라믹)와 공정(EB-PVD, 플라즈마 스프레이)의 조합에 따라 매우 달라진다.

적용들

니켈 기반 슈퍼 알로이는 모든 공통 합금 시스템의 가장 높은 균질 온도(Tm = 0.9 또는 용해점의 90%)까지 하중 지지 구조물에 사용된다.구조 재료의 가장 까다로운 적용 분야로는 터빈 엔진의 고온 섹션에 있는 것이 있다.슈퍼앨로이의 우수성은 현재 첨단 항공기 엔진 중량의 50% 이상을 차지하고 있다는 사실에 반영된다.터빈 엔진에서 슈퍼앨로이의 광범위한 사용은 터빈 흡기 온도가 증가함에 따라 터빈 엔진의 열역학적 효율이 증가한다는 사실과 함께 부분적으로 슈퍼앨로이의 최대 사용 온도를 증가시키는 동기를 제공했다.실제로 지난 30년 동안 터빈 에어포일 온도 능력은 연평균 약 4°F(2.2°C)씩 증가했다.이러한 증가를 가능케 한 두 가지 주요 요인은 다음과 같다.

  1. 합금 청결을 개선(신뢰성 향상)하거나 방향성 강화 또는 단결정 소재와 같은 맞춤형 미세구조물 생산을 가능하게 하는 첨단 가공 기술
  2. 주로 Re, W, Ta, Mo와 같은 내화 요소의 첨가를 통해 보다 높은 사용온도의 재료가 되는 합금 개발.

사용온도 상승의 약 60%는 진보된 냉각 개념으로 인해 발생했으며, 40%는 재료 개선으로 인해 발생하였다.최첨단 터빈 날개 표면 온도는 2,100 °F(1,150 °C)에 가깝고, 응력과 온도의 가장 심한 조합은 1,830 °F(1,000 °C)에 근접하는 평균 벌크 금속 온도에 해당한다.

니켈 기반 슈퍼앨로이는 1800 °F(980 °C)에 가까운 온도에서 상당한 강도를 유지하지만 반응성 합금 원소(고온 강도를 제공하는)가 존재하기 때문에 환경 공격에 취약한 경향이 있다.표면 공격에는 산화, 고온 부식, 열 피로 등이 포함된다.터빈 블레이드나 베인과 같이 가장 까다로운 용도에서는 슈퍼 알로이(superaloy)를 코팅하여 환경 저항을 개선하는 경우가 많다.[17]

일반적으로 에너지 전환과 에너지 생산 응용을 위해서는 고온 재료가 필요하다.이러한 에너지 애플리케이션에서는 Carnot 사이클에서 설명한 작동 온도를 높임으로써 달성할 수 있는 최대 에너지 변환 효율이 필요하다.카노트 효율은 고온저수지와 저온저수지의 온도차에 의해 제한되기 때문에 가동온도가 높을수록 에너지 전환 효율성이 높아진다.작동 온도는 오늘날의 슈퍼앨로이의 성능에 의해 제한되며, 현재 대부분의 애플리케이션은 약 1000 °C-1400 °C에서 작동한다.에너지 애플리케이션 및 그 슈퍼앨로이 구성 요소는 다음과 같다.[76]

  • 가스 터빈(터빈 블레이드)
  • 태양열 화력발전소(온수 함유 Stainless강재봉)
  • 증기 터빈(터빈 블레이드 및 보일러 하우징)
  • 원자로 시스템용 열교환기

알루미나 형성 스테인리스강은 보다 일반적인 강철의 생산과 유사하게 용해 및 레이들 주조를 통해 처리할 수 있다.진공 주조 공정에 비해 레이들 주조 공정이 훨씬 저렴하다.또한 알루미나 형성 스테인리스강은 용접이 가능한 것으로 나타났으며 고온 배기 배관 및 열 포집 및 재사용과 같은 고성능 자동차 용도에 사용할 가능성이 있다.

새로운 슈퍼앨로이의 연구 및 개발

지난 수십 년 동안 슈퍼 알로이들이 이용 가능했기 때문에 터빈 진입 온도는 꾸준히 증가해왔으며, 이러한 추세는 계속될 것으로 예상된다.산디아 국립 연구소는 전파분해라고 알려진 슈퍼앨로이들을 만드는 새로운 방법을 연구하고 있다.나노입자 합성을 통해 합금과 초합금을 만드는 완전히 새로운 연구 분야를 소개한다.이 과정은 나노입자 형성의 보편적인 방법으로써의 가능성을 가지고 있다.이러한 나노입자 형성 뒤에 숨겨진 기초 물질과학에 대한 이해를 발전시킴으로써, 초합성의 다른 측면으로 연구를 확대하는 것이 가능할지도 모른다는 추측이 있다.

이 방법으로 합금을 만들면 상당한 단점이 있을 수 있다.슈퍼앨로이 사용의 약 절반은 서비스 온도가 합금의 용해 온도에 가까운 용도에 사용된다.그러므로 단일 결정체를 사용하는 것은 흔한 일이다.위의 방법은 다결정합금을 생산하는데, 다결정합금은 받아들일 수 없는 수준의 크리프를 겪는다.

향후 합금 개발 패러다임은 합금의 강도를 유지하면서 중량을 줄이고 산화 및 부식 저항성을 개선하는 데 초점을 맞출 것으로 예상된다.게다가, 발전용 터빈 날개에 대한 수요가 증가함에 따라, 합금 설계의 또 다른 초점은 초합금 비용을 줄이는 것이다.

수증기가 있는 환경에서 고온 부식 저항성을 가진 오스테나이트계 스테인리스강의 필요성뿐만 아니라 이러한 합금 생산 비용이 낮아 새로운 스테인리스 합금의 연구와 개발이 지속적으로 이루어지고 있다.니에 본사를 둔 슈퍼알로이들과 경쟁하기 위해 고온의 인장 강도, 강인성, 크리프 저항성을 높이는 데 연구가 집중되고 있다.[29]

더 나은 처리 기술은 더 순수한 합금을 산출하고 있으며, 연구자들은 텅스텐이나 몰리브덴과 같은 내화 원소를 점점 더 많이 도입하고 있다.[77]

오크리지 국립 연구소에서 고온 용도에 사용하기 위해 새로운 종류의 알루미나형 오스테나이트 스테인리스 스틸이 활발하게 개발되고 있다.초기 연구에서는 니에 기반한 수퍼 알로이를 포함한 다른 오스테나틱 합금의 800 °C에서 유사한 크리프와 내식성을 보였다.[29]

35 wt.% Ni-base의 AFA 슈퍼앨로이 개발은 1,100 °C 이상의 작동 온도에서 사용 가능성을 보였다.[29]

참고 항목

참조

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참고 문헌 목록

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외부 링크

  • "Superalloys". Cambridge University. 광범위한 서지학 및 링크.