고온합금이란?
고온 합금은 인장 강도가 800MPa인 760도 고온 재료, 1200도 고온 재료, 1500도 고온 재료의 세 가지 유형의 재료로 구분됩니다. 즉, 760--1500도 이상의 온도와 특정 조건에서 오랫동안 작동하는 고온 금속 재료를 말합니다. 그들은 우수한 고온 강도, 우수한 산화 및 고온 부식 저항성, 우수한 피로 성능, 파괴 인성 및 기타 포괄적인 특성을 가지고 있습니다. 이는 군용 및 민간용 가스 터빈 엔진의 최신 부품에 있어 대체할 수 없는 핵심 소재가 되었습니다.
고온 주합금은 터빈 블레이드, 블레이드, 터빈 디스크, 고압 가스 터빈 디스크, 항공, 해군 및 산업용 가스 터빈용 연소실과 같은 고온 부품을 제조하는 데 사용됩니다. 또한 항공우주 차량, 로켓 엔진, 원자로, 석유화학 장비 및 석탄을 제조하는 데에도 사용됩니다. 변환 및 기타 에너지 변환 장치.
개발 경로
1930년대 후반부터 영국, 독일, 미국 및 기타 국가에서 내열 합금을 연구하기 시작했습니다. 제2차 세계대전 동안 새로운 항공우주 엔진의 요구를 충족시키기 위해 내열합금의 연구와 사용이 활발하게 발전하는 시대에 들어섰습니다. 1940년대 초반 영국에서는 처음으로 80Ni-20Cr 합금에 소량의 알루미늄과 티타늄을 첨가해 강화상을 형성하고, 고온 강도가 높은 최초의 니켈 기반 합금을 개발했습니다. 같은 기간 동안 미국에서는 피스톤 항공기 엔진용 터보차저 개발 요구를 충족하기 위해 비탈륨 코발트 기반 합금을 블레이드 제조에 사용하기 시작했습니다.
또한 미국에서는 제트 엔진의 연소실을 만들기 위해 인코넬 니켈 기반 합금도 개발했습니다. 나중에 합금의 고온 강도를 더욱 향상시키기 위해 야금 학자들은 니켈 기반 합금에 텅스텐, 몰리브덴, 코발트 및 기타 원소를 추가하고 알루미늄 및 티타늄 함량을 높이고 다음과 같은 일련의 합금 브랜드를 개발했습니다. 영국의 "Nimonic", 미국의 "Mar-M" 및 "IN" 등; 코발트 기반 합금에는 니켈, 텅스텐과 같은 원소를 첨가하여 X-45, HA-188, FSX-414 등 다양한 고온 합금을 개발합니다. 코발트 자원이 부족하여 코발트 기반 초합금의 개발이 제한됩니다.
1940년대에는 철 기반 초합금도 개발되었습니다. 1950년대에는 A-286, Incoloy901과 같은 브랜드가 등장했습니다. 그러나 고온 안정성이 좋지 않아 1960년대 이후 개발이 더디게 진행됐다. 소련은 1950년경에 "ЭИ" 브랜드 니켈 기반 초합금을 생산하기 시작했고 나중에 "ЭП" 시리즈 변형 초합금과 ЖС 시리즈 주조 초합금을 생산했습니다. 중국은 1956년부터 고온 합금의 시험 생산을 시작했으며 점차적으로 이형 초합금 "GH" 시리즈와 주조 초합금 "K" 시리즈를 형성했습니다. 1970년대에 미국은 방향성 결정 블레이드와 분말 야금 터빈 디스크를 제조하기 위해 새로운 생산 공정을 사용했으며 항공기 엔진 터빈 입구 온도의 증가하는 요구를 충족하기 위해 단결정 블레이드와 같은 고온 합금 부품을 개발했습니다.
지금까지 모든 국가에서는 새로운 고온 합금을 연구하고 지속적인 혁신과 혁신을 이루며 응용 분야를 확대하고 있습니다. 현대 산업의 발전에서 그들은 분명히 없어서는 안될 합금 재료가 되었습니다.
고온 합금을 분류하는 방법
1. 행렬요소의 종류에 따라
(1) 철계 고온 합금
철계 고온 합금은 내열합금강이라고도 합니다. 그 매트릭스는 Fe 원소이며, Ni, Cr 및 기타 합금 원소가 소량 첨가되어 있습니다. 내열합금강은 표준화 요구사항에 따라 마르텐사이트, 오스테나이트, 펄라이트, 페라이트 내열강 등으로 나눌 수 있습니다.
(2) 니켈계 고온합금
니켈 기반 고온 합금은 니켈의 절반 이상을 함유하고 있으며 1000도 이상의 작업 조건에 적합합니다. 고용체 및 시효 가공을 사용하면 크리프 저항 및 압축 항복 강도를 크게 향상시킬 수 있습니다. 현재 고온 환경에서 사용되는 초합금 분석에 따르면 니켈 기반 초합금 사용 범위는 철 기반 및 코발트 기반 초합금 사용 범위를 훨씬 초과합니다. 동시에 니켈계 고온합금은 우리나라에서 생산량과 사용량이 가장 많은 고온합금이기도 합니다. 많은 터빈 엔진 터빈 블레이드와 연소실, 심지어 터보차저에서도 니켈 기반 합금을 준비 재료로 사용합니다. 반세기가 넘는 기간 동안 항공우주 엔진에 사용되는 고온 소재의 고온 성능은 1940년대 후반 750도에서 1990년대 후반 1200도로 향상되었습니다. 이 엄청난 개선은 주조 공정, 표면 코팅 등의 개선에도 촉발되었다고 할 수 있습니다. 빠른 개발이 이루어졌습니다.
(3) 코발트계 고온합금
코발트 기반 고온 합금은 코발트를 모체로 사용하며 코발트 함량은 약 60%를 차지합니다. 동시에 내열합금의 내열성을 향상시키기 위해 Cr, Ni 등의 원소를 첨가해야 합니다. 이 고온 합금은 내열성이 더 우수하지만 여러 국가로 인해 코발트 자원 생산량이 상대적으로 적고 가공이 어려워 양이 많지 않습니다. 일반적으로 고온 조건(600~1000도) 및 항공기 엔진의 작동 블레이드, 터빈 디스크, 연소실의 고온 부품, 항공 우주 엔진. 더 나은 내열성을 얻으려면 정상적인 조건에서 우수한 내열성과 피로 저항을 보장하기 위해 준비 중에 W, MO, Ti, Al 및 Co와 같은 원소를 첨가해야 합니다.
2. 합금강화형
합금 강화의 유형에 따라 고온 합금은 고용 강화 고온 합금과 시효 석출 강화 합금으로 나눌 수 있습니다.
(1) 고용체 강화형
소위 고용 강화 유형은 철, 니켈 또는 코발트 기반 고온 합금에 일부 합금 원소를 추가하여 단상 오스테나이트 조직을 형성하는 것입니다. 용질 원자는 고용체 매트릭스 격자를 왜곡하여 고용체의 미끄럼 저항을 증가시키고 강화시킵니다. 일부 용질 원자는 합금 시스템의 적층 결함 에너지를 감소시키고, 전위 분해 경향을 증가시키며, 크로스 슬립을 어렵게 만들고, 합금을 강화하여 고온 합금 강화 목적을 달성할 수 있습니다.
(2) 노화 석출 강화
소위 시효 석출 강화는 합금 가공물이 고용체 처리, 냉간 소성 변형을 거쳐 그 특성을 유지하기 위해 더 높은 온도 또는 실온에 배치되는 열처리 공정입니다. 예: GH4169 합금은 650도에서 최대 항복 강도가 1000MPa이고 블레이드를 만드는 합금 온도는 950도에 도달할 수 있습니다.
3. 재료 성형방법
재료 성형 방법으로 구분 : 주조 고온 합금 (일반 주조 합금, 단결정 합금, 방향성 합금 등 포함), 변형 고온 합금 및 분말 야금 고온 합금 (일반 분말 야금 및 산화물 분산 포함) 강화된 고온 합금).
(1) 고온 합금 주조
주조 방법을 사용하여 부품을 직접 준비하는 합금 재료를 주조 고온 합금이라고 합니다. 합금 매트릭스의 구성에 따라 철 기반 주조 초합금, 니켈 기반 주조 초합금 및 다이아몬드 기반 주조 초합금의 세 가지 유형으로 나눌 수 있습니다. 결정화 방법에 따라 다결정 주조 초합금, 방향성 응고 주조 초합금, 방향성 공융 주조 초합금 및 단결정 주조 초합금의 네 가지 유형으로 나눌 수 있습니다.
(2) 변형된 고온 합금
항공우주 엔진에 여전히 가장 일반적으로 사용되는 재료이며 국내외에서 널리 사용되고 있습니다. 우리나라의 연간 이형초합금 생산량은 미국의 약 1/8이다[2]. GH4169 합금을 예로 들면 국내외에서 가장 많이 사용되는 주요 품종입니다. 우리나라에서는 터보샤프트 엔진의 볼트, 컴프레서 및 휠, 오일슬링팬 등을 주요 부품으로 주로 사용하고 있다. 다른 합금 제품이 점점 성숙해짐에 따라 고온에서 변형이 발생합니다. 합금의 사용은 점차 감소할 수 있지만 향후 수십 년 동안 계속해서 지배적인 역할을 할 것입니다.
(3) 새로운 고온 합금
분말 고온 합금, 티타늄-알루미늄 금속간 화합물, 산화물 분산 강화 고온 합금, 내식성 고온 합금, 분말 야금 및 나노재료 및 기타 제품 부문이 포함됩니다.
① 3세대 분말 초합금의 합금도가 개선되어 1세대 2세대의 장점을 고려하여 강도는 높이고 손상은 낮췄습니다. 분말 초합금의 생산 공정은 점점 더 성숙해지고 있습니다. 미래에는 분말 준비, 열처리 공정, 컴퓨터 시뮬레이션 기술, 이중 성능 분말 디스크 등의 측면에서 개발될 수 있습니다.
②티타늄-알루미늄 금속간 화합물은 4세대까지 개발되었으며, 점차 다원소 미세원소와 대원소 미세원소 두 가지 방향으로 확대되고 있습니다. 독일 함부르크 대학, 일본 교토 대학, 독일 GKSS 센터는 모두 티타늄에 대한 광범위한 연구를 수행했습니다. 알루미늄 금속간 화합물은 현재 조선, 생물의학, 스포츠 용품 분야에서 사용되고 있습니다.
③산화물 분산 강화 초합금은 분말 초합금의 일부입니다. 약 20여종의 제품이 생산 및 개발 중에 있습니다. 고온 강도가 높고 응력 계수가 낮으며 가스 터빈, 첨단 항공 우주 엔진 등의 내열 및 산화 방지 부품에 널리 사용됩니다. 석유 화학 반응기 등;
④ 내식성 고온 합금은 주로 건설 및 항공 우주 분야의 내화물 및 내열강을 대체하는 데 사용됩니다.
