초고온 금속소재 고온 속 변형 해결, 일방향 응고법·원소 첨가

Ni기 초내열합금, 온도 증가에도 강도 증가 ‘역온도 의존성’

석출 강화형 Co기 초내열합금, 합금 첨가 고온 특성 향상

■초고온 금속소재 기술 원리

(1) Ni기 단결정 초내열합금

가스터빈 고온 부품은 구동 중 터빈축에 수직 방향으로 작용하는 원심력을 고온 환경하에서 받게 되면서 크리프와 유사한 형태의 변형이 발생한다. 또, 반복적인 기동-정지에 의한 열피로와 저주기 및 고주기 피로응력 등 복잡한 형태의 응력에 노출되는데 이 과정에서 부품에 걸리는 응력과 수직한 결정립계에서 고온 균열이 빈번히 발생한다. 미국의 항공기 엔진 제작회사 프랫&휘트니(Pratt& Whitney)에서 개발한 일방향 응고법은 이러한 결정립계의 취약점을 해결할 수 있는 방안이 되었는데, 우선성장방위를 면심입방격자(face-centered cubic)에서 영율(Young’s modulus)이 가장 낮은 [001] 방위와 일치시켜 저주기 피로 특성 또한 크게 개선할 수 있었다.

이외에도, 단결정 합금의 특성상 결정립계가 없어 입계강화원소인 C, B, Zr 등의 첨가를 억제할 수 있었고, 고온 강도 향상을 위해 W, Ta, Mo와 같은 내화 원소를 다량으로 첨가할 수 있게 되었다. 단결정 합금의 고온 특성은 Re, Mo, Cr에 의한 기지의 고용 강화와 Ti, Ta, Nb, V에 의한 석출 상의 강화, W, Mo, Ta에 의한 체적확산속도 억제, γ-γ′상의 래프팅(rafting) 등이 복합적으로 작용하여 구현된다.

대부분의 금속 소재에서 온도 증가에 따라 강도 감소가 나타나지만, Ni기 초내열합금은 강도 저하가 상대적으로 작거나 오히려 강도가 증가하는 역온도 의존성을 나타내어 고온 소재로 사용해 왔다. Ni기 단결정 초내열합금은 면심입방격자 구조의 γ기지에 L1₂ 구조의 γ′상이 부피 분율로 60~70%가량 석출된 미세조직을 가지는데, 이러한 역온도 의존성은 석출 상인 γ′의 특성과 관련이 있다. 일반적으로 면심입방격자 구조에서는 전위의 움직임이 주로 발생하는 a/2<110>{111} 슬립시스템(slip system)을 갖는다. 그러나 L1₂ 구조의 경우, 버거스벡터(Burgers vector)가 a/2<110>인 전위가 이동하면 <그림 1>에서와 같이 Ni-Al 결합 대신 Ni-Ni과 Al-Al 결합이 생성되어 에너지가 높은 상태인 역위상 경계(anti-phase boundary)가 형성된다. 이때 전위는 역위상 경계 에너지가 높은 {111}면에서 낮은 {100}면으로 교차 슬립(cross slip)을 하게 되어 더이상 활주가 어려워지는데(Kear-Wilsdorf lock), 이에 따라 온도가 상승할수록 강도가 높아지는 것으로 알려져 있다. 따라서 주 강화 상인 γ′의 분율 및 형상 제어가 단결정 초내열합금의 고온 특성에 중요한 인자이다.

단결정 합금의 고온 특성을 결정하는 또 하나의 중요한 인자는 γ와 γ′의 격자상수 차이를 나타내는 격자 부정합(lattice misfit)이다. 기본적으로 γ와 γ′은 정합관계를 갖는데 격자상수의 차이로 두 상의 경계에서 변형이 발생하고 이를 구동력으로 합금원소가 확산해 육면체 형태의 γ′이 응력과 수직한 방향으로 길게 늘어진 형상을 나타내게 된다. 이 래프팅(rafting) 현상은 고온에서 응력이 존재하는 경우 시간에 따라 진행되며, 격자 부정합을 통해 래프팅을 적절하게 제어할 경우 크리프 수명 연장에 기여할 수 있다. γ와 γ′계면에 생성되는 미스핏(misfit) 전위는 변형 중 이동하는 전위와 상호작용을 통해 전위망(dislocation network)을 형성시키며 고온 특성에 영향을 미친다. 일반적으로 미스핏의 절대값이 큰 음수가 될수록 특히 고온 저응력에서의 크리프 특성이 향상되는 것으로 알려져 있다.

▲ <그림1>L12 규칙격자 γ′의 원자구조와 단결정 초내열합금의 γ′ 분포

▲ <그림2>단결정 초내열합금 크리프 실험 후 관찰되는 래프팅(rafting)과 전위망

(2) 석출 강화형 Co기 초내열합금

Co-Al-W 합금계의 미세조직은 Ni기 초내열합금과 유사하게 기지 γ상과 석출된 γ′상으로 주로 구성된다. 초기 석출 강화형 Co기 초내열합금의 γ′상은 Ni기 합금에 비해 평형 분율이 낮고 1,000℃ 이상에서 준안정상이 되어 고온 특성을 구현하기에 불리한 측면이 있어, 여러 합금 원소를 첨가하여 고온 특성을 향상시켰다. 합금 원소 Ni, Ti, Nb, Ta, V, Cr, Mn, Fe 등의 분배계수(partitioning coefficient)는 Ni기 초내열합금에서와 비슷한 경향을 보여 γ′상에 분해 경향이 강한 원소를 첨가시키면 이의 고용 온도를 상승시킬 수 있다. <그림 3>에서와 같이 Co-Al-W 합금계에 Ni이 첨가되면 γ′상 영역이 확대되며 Al이 γ′상으로 강하게 분배되고 이에 따라 γ′상으로 W의 분배가 낮아져 γ상의 고용 온도를 높이게 된다. <그림 4>에 현재까지 개발된 Co-Al-W 합금계의 γ′상 고용 온도와 상분율을 나타내었다. 이 외에도 Co-Ti-X(X=Mo, Ta, Cr 등) 합금계에서 γ-γ′ 미세조직을 안정적으로 구현할 수 있으며, 기 개발된 합금 대비 우수한 내열성 및 밀도를 얻을 수 있다고 보고되고 있다.

▲ <그림3>석출 강화형 Co-Al-W 초내열합금에서 Ni 함량에 따른 900℃ 등온 상태도 변화(左), 합금 원소에 따른 분배 계수(右)

▲ <그림4>합금 원소에 따른 Co-Al-W 합금계에서 γ′ 석출 상의 융점과 분율 변화