니켈계 고온합금은 니켈을 모체로 하는 고온합금(함량은 일반적으로 50% 이상)으로 650~1000℃ 범위에서 강도가 높고 내산화성 및 가스부식성이 우수합니다. Cr20Ni80 합금을 기반으로 개발되었습니다. 약 1000℃에서의 고온열강도(고온강도, 내크립성, 고온피로강도)와 가스매체에서의 내산화성, 내식성을 충족시키기 위해 W 등의 강화원소를 다수 채용 , Mo, Ti, Al, Nb, Co 등을 첨가하여 우수한 고온 성능을 보장합니다.
고온합금은 고용강화 효과 외에도 Al, Ti 등과 Ni로 형성된 금속간화합물 γ'상(Ni3Al 또는 Ni3Ti 등)의 석출강화와 입계분산에 더 의존한다. 작은 안정한 MC, M23C6 탄화물의 강화뿐만 아니라 결정립계의 B, Zr, Re 등의 정제 및 강화도 가능합니다. Cr을 첨가하는 목적은 고온 합금의 내산화성과 고온 내식성을 더욱 향상시키는 것입니다.
니켈 기반 고온 합금은 우수한 종합 특성을 가지며 항공 우주, 자동차, 통신 및 전자 산업에서 널리 사용됩니다. 니켈 기반 합금의 잠재적 성능을 탐구하면서 연구자들은 성능에 대한 더 높은 요구 사항을 제시했습니다. 국내외 학자들은 등온 단조, 압출 변형 및 외장 변형과 같은 니켈 기반 합금의 새로운 가공 기술을 개발했습니다.
니켈 기반 초합금의 응용
항공우주 엔진의 작업 조건은 600~1200℃의 고온이고 응력 효과가 복잡하며 재료에 대한 요구 사항이 엄격합니다. 니켈 기반 고온 합금은 충분히 높은 내열성, 우수한 가소성, 고온 산화 및 가스 부식에 대한 저항성, 장기적인 조직 안정성을 갖추고 있습니다. 따라서 니켈 기반 고온 합금은 주로 터빈 엔진의 고온 부품과 항공 우주 로켓 엔진의 다양한 고온 부품을 제조하는 데 사용됩니다.
항공 터빈 엔진에서 니켈 기반 고온 합금은 주로 연소실, 가이드 베인, 터빈 블레이드 및 터빈 디스크에 사용됩니다. 항공우주 로켓 엔진에서는 엔진 샤프트, 연소실 칸막이, 터빈 입구 덕트 및 스프링클러 외에도 터빈 디스크에 주로 사용됩니다.
우리나라의 산업화가 발전함에 따라 니켈 기반 고온 합금은 민간 산업의 에너지 및 전력, 운송, 석유 화학, 야금, 광업, 유리 및 건축 자재 분야에서 점차적으로 사용되고 있습니다. 현재 니켈 기반 고온 합금은 디젤 엔진 및 내연 기관 터보 차저, 산업용 가스 터빈, 내연 기관 밸브 시트, 스티어링 롤러 등에 주로 사용됩니다.
니켈계 초합금 개발 동향
사용 및 개발의 관점에서 볼 때 니켈 기반 고온 합금의 개발 추세는 고강도, 내열 부식성 및 저밀도 방향이어야 합니다.
(1) 고강도를 추구합니다. 적절한 양의 Al, Ti 및 Ta를 첨가함으로써 γ' 강화 단계의 양이 보장됩니다. W, Mo, Re 등 내화성 금속 원소를 다량 첨가하는 것도 강도를 높이는 효과적인 방법입니다. 그러나 우수한 구조적 안정성을 유지하고 σ 및 μ와 같은 유해한 상을 석출하지 않기 위해 차세대 합금에 Ru를 첨가하면 합금의 구조적 안정성이 향상됩니다.
(2) 내열부식성이 우수한 단결정 합금을 개발한다. W, Ta 등 내화성 금속을 적당량 첨가함으로써 높은 Cr 함량을 보장합니다.
(3) 저밀도 단결정 합금을 개발한다. 항공기 엔진 설계의 관점에서 볼 때, 특히 매우 큰 원심력에 적합하지 않은 움직이는 블레이드의 경우 고밀도 합금을 달성하기가 어렵습니다. 이를 위해서는 CMSX-6, RR2000, TMS-61, AM-3, ONERAM-3 등과 같은 저밀도의 단결정 고온 합금 개발이 필요하며, 그 중 RR2000 단결정 합금은 실제로 밀도가 7.87g/cm3인 IN100(K17) 합금을 기반으로 개발되었습니다.
