KR100429312B1 - 균일조직을 갖는 718합금 블레이드 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 단조용 니켈기 초내열합금인 718합금의 열간 형단조를 통해 균일한 미세조직을 갖는 블레이드를 제조하는 열간단조 및 후열처리 방법에 관한 것으로서, 소재의 정확한 데이터 베이스(Data Base)와 단조부품의 부위별 결정립 조직을 예측할 수 있는 전산모사 시스템을 활용하여, 최종제품까지의 부품 단조공정을 2단계로 단축함으로써, 공정수 단축 및 금형수를 줄이고 생산성을 향상시켜 상기 부품 제조에 소요되는 비용을 절감할 수 있는 새로운 단조공정의 개발에 관한 것이며, 또한 이와 함께 최종제품의 단조 후 단시간 내의 열처리를 통해 부위별로 균일한 미세조직을 얻을 수 있는 718합금 블레이드의 후열처리 방법에 관한 것이다.

Description

균일조직을 갖는 718합금 블레이드 제조방법{Method for Manufacturing Alloy 718 Blade having Uniform Microstructure}

본 발명은 단조용 니켈기 초내열합금으로 제조되는 블레이드류의 제조방법에 관한 것으로서, 상세히는 상기 단조용 니켈기 초내열합금 중 가장 널리 사용되는 718합금의 열간 형단조 공정을 소재의 데이터 베이스와 전산모사 시스템을 활용하여 최적화 하고, 단조 후에는 열처리를 실시함으로써, 공정수의 단축 및 금형수의 감소로 인해 제조비용을 절감할 수 있음과 더불어, 균일한 미세조직을 갖는 가스터빈 압축기용 블레이드를 제조할 수 있는 방법에 관한 것이다.

가스터빈의 압축기 등에 사용되는 718합금 블레이드류는, 단조할 때 단조품의 부위별 미세조직과 기계적 특성을 균일화 시키면서 최종형상을 구현하기 위하여, 통상적으로 4단계 이상의 다단계 단조 공정을 통해 제조된다. 그러나, 공정수의 증가는 직접적으로 부품 제조비용의 증가로 연결될 뿐만 아니라, 각 단계에서의 소재 표면의 산화와 플래쉬(Flash, Burr) 제거에 따른 상기 소재의 소모로 인하여 부품 제조비용의 증가를 더욱 심하게 만들고 있다.

일반적으로 블레이드류는 도 2에 도시한 바와 같이, 중간 부위에 형성되는 플렛폼(Platform)(3) 부위와 더불어, 하부의 에어포일(Airfoil)(1) 부위와 같이 얇은 부분과, 상부의 루트(Root)(2) 부위와 같이 상대적으로 두꺼운 부분이 함께 존재하기 때문에, 균일한 직경의 초기 빌렛을 이용하여 부품을 단조할 때, 두 부분간의 온도, 변형량 및 변형속도의 차이가 심하여 균일한 미세조직을 구현하기가 매우 어렵고, 결과적으로 기계적 특성에서도 부위별로 큰 차이를 보이는 경우가 많다.

그런데, 상기 블레이드가 부위별로 균일한 기계적 특성을 갖기 위해서는 부위별 미세조직이 균일하여야 하므로, 종래의 단조공정은 초기 빌렛(Billet)의 업셋팅(Upsetting) 작업, 업셋팅 작업된 제품의 1차단조, 1차단조된 단조품을 적층 축(Stacking Axis)을 중심으로 90°회전시킨 후, 다시 2차단조하는 과정을 수차례 반복함으로써 에어포일(1) 부위와 같이 루트(2) 부위의 변형량을 크게 하여, 가능한 한 균일한 결정립 조직을 갖도록 하고, 단조 후 열처리를 통하여 최종부품의 미세조직이 부위별로 균일하도록 부품을 제작하여 왔다.

이러한 이유로 인해, 최종부품 단조까지의 공정수가 증가하고, 매 공정마다 소재의 소모가 발생하며, 고온에서의 소재 산화가 많아짐으로써 부품의 제조비용 이 높고 소재 낭비가 많을 수 밖에 없었다.

상기한 바와 같이, 열간단조를 통해 부위별로 균일한 미세조직을 갖는 718합금 블레이드류를 제조하기가 매우 어렵기 때문에, 항온단조를 통해 제조하기도 한다. 항온단조는 단조금형의 온도를 단조재의 온도와 같도록 고온으로 증가시킴으로써, 상기 단조재의 온도를 일정하게 유지하고 결과적으로 보다 균일한 미세조직을 얻을 수 있는 단조방법이다.

그러나, 항온단조의 경우 단조금형의 온도를 단조온도로 유지하여야 하기 때문에, 고가의 특수금형 소재를 사용하여야 하며, 금형의 수명이 단축되는 단점이 있고, 작업성도 매우 떨어지기 때문에 대량생산에 적용하기에는 어려움이 많다.

열간 및 항온단조를 막론하고 종래의 단조공정 설계는 주로 시행착오법에 의해 이루어졌으며, 부분적으로 금속의 유동해석만을 수행하는 유한요소 해석기술을 활용하여 수행하여 왔기 때문에, 블레이드 단조와 같이 부위별 미세조직의 변화가심한 부품의 단조는 최적의 단조공정을 설계하는데 많은 어려움이 있었으며, 결국 상기한 바와 같이 복잡한 다단계 단조공정을 통해 부품을 제조하고 있었다.

최근에는 금속의 유동해석용 컴퓨터 프로그램과 미세조직의 변화 거동을 접목하여, 단조부품의 부위별 미세조직을 예측하고 제어하기 위한 연구들이 이루어지고 있으며, 일부 블레이드 부품 단조공정의 설계에 적용하고자 하는 노력이 이루어지고 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 블레이드 단조의 문제점을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 단조공정에 대한 전산모사기술에 소재의 변형조건에 따른 결정립 조직의 변화를 예측할 수 있는 새로운 전산모사기술을 접목함으로써, 단조공정의 변수에 따른 블레이드 부품의 부위별 결정립 조직을 예측할 수 있는 시스템을 구축하고, 상기 시스템을 이용하여 종래의 다단계 공정에서 얻을 수 있었던 블레이드 부품 수준의 균일한 미세조직을 갖는 부품을 보다 단순화 된 단조공정을 통해서 얻을 수 있는 새로운 공정조건을 확립하는데 그 목적이 있다.

단조공정의 변수에 따른 블레이드 부품의 부위별 결정립 조직을 예측할 수 있는 시스템을 구축하기 위하여 먼저 소재의 변형조건과 결정립 조직 간의 정량적인 관계를 나타내는 데이터 베이스의 확립이 요구되며, 소재의 데이터 베이스를 종래의 전산모사 소프트웨어에 접목시킴으로써 부품의 부위별 결정립 조직을 예측할 수 있는 시스템을 구축하기 위하여 전산모사 소프트웨어의 응용기술 및 프로그래밍 기술이 요구된다.

도 1은 블레이드의 열간단조 및 후열처리 공정의 개략적인 순서도,

도 2는 최종 단조 후 블레이드 단면의 부위별 미세조직 사진,

도 3은 단조 후 열처리(1050℃/5분)를 수행한 후의 블레이드 단면의 부위별 미세조직 사진,

도 4는 1010℃에서 업셋팅 작업한 후 업셋팅 작업된 제품 단면의 결정립 조직(좌측) 및 전산모사 시스템을 활용하여 예측한 평균결정립 크기 분포(우측, 칼라),

도 5는 1010℃에서 최종 열간단조 후 블레이드 단면의 결정립 조직(좌측) 및 전산모사 시스템을 활용하여 예측한 평균결정립 크기 분포(우측, 칼라),

(도면 부호의 설명)

1...에어포일(Airfoil), 2...루트(Root),

3...플랫폼(Flatform).

상기 목적 달성을 위한 본 발명은, 단조작업에 의한 718합금 제품의 제조방법에 있어서, 소재의 온도를 960∼1040℃의 범위로 하고, 금형의 예열온도를 150∼400℃ 사이로 하여 업셋팅 단조하고, 상기 소재의 업셋팅 단조작업 후 상기한 온도범위에서 최종 단조작업을 실시함으로써 블레이드 형상을 구현하며, 최종 단조작업 후 냉각된 블레이드를 980∼1100℃ 사이의 온도 범위에서 3∼10분동안 열처리를 수행하는 것을 특징으로 하는 균일조직을 갖는 718합금 블레이드의 제조방법에 관한 것이다.이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 균일조직을 갖는 718합금 블레이드 제조방법에 대한 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.본 발명은 도 1에 도시한 바와 같이, 초기의 단조재로부터 업셋팅 작업, 최종 열간단조, 단조 후 열처리를 통해 균일한 결정립 조직을 갖는 압축기 블레이드를 제조하는 일련의 열간단조 및 후 열처리공정 조건에 관한 내용으로 구성되어 있다.

초기빌렛은 10∼80㎛ 사이의 평균 결정립 크기를 갖는 원통형 718합금 빌렛을 사용하며, 업셋팅 작업할 때 발생할 수 있는 좌굴(挫屈)현상을 방지하고, 금형으로부터 업셋팅 작업된 부품의 추출을 용이하게 하기 위하여, 최종적으로 블레이드의 에어포일(Airfoil)(1) 끝 부분이 될 부위에 0.5°∼3°정도의 드래프트 앵글(Draft Angle)을 갖는 테이퍼(Taper)를 둘 수 있다.

엡셋팅 작업은 단조재의 온도를 960∼1040℃의 범위로 함으로써 델타상의 결정성장 제어기능을 활용하여, 가열할 때 발생할 수 있는 지나친 결정립 성장을 방지하고, 소재의 변형을 용이하게 한다. 상기 718합금 소재는 960℃ 이하로 가열되면 가단성이 나빠져 소재의 내부에 균열이 발생하기 쉽다. 또한, 상기 소재를 1040℃ 이상으로 가열하면 후열처리과정에서 준동적 재가열을 유발하기 위한 구동력이 미흡하여 조직의 미세화가 곤란하다.업셋팅 작업할 때 금형의 온도는 150∼400℃로 하여 단조할 때 단조재의 온도감소를 줄이고, 단조재와 금형 사이에 흑연(Graphite) 등 적절한 윤활제를 뿌려 단조재와 금형간의 마찰을 최소화 한다. 금형의 온도를 150℃ 이하로 하면, 단조재의 열방출이 심하여 소재 표면의 냉각이 심하다. 물론, 금형의 온도를 400℃ 이상으로도 할 수는 있으나, 이 경우 특수한 금형소재를 사용해야 하므로 바람직하지 않다.

또한, 업셋팅 작업할 때 플래쉬(또는 버)는 블레이드의 플렛폼(Platform)(3) 부위에서 발생시키며, 일부 플래쉬가 발생할 때에 트리밍(Trimming)을 통해 제거할 수 있다. 또, 업셋팅 작업할 때 대부분의 변형이 블레이드의 플렛폼(3) 부위에 집중되며, 동적 재결정에 의해 상기 플렛폼 부위의 결정립 크기가 10㎛ 이하로 매우 작아지지만, 이는 최종 블레이드의 조직에 큰 영향을 미치지 않으므로 문제가 되지 않는다.

업셋팅 작업된 단조품에 대해 트리밍을 실시한 후 최종 블레이드 단조를 수행한다. 최종 단조할 때 소재의 온도는 업셋팅 작업때와 마찬가지로 960∼1040℃의 범위로 하고, 금형의 예열온도 역시 150∼400℃의 범위로 한다. 윤활제는 업셋팅할 때 사용한 윤활제와 같은 제품을 사용하여 단조하기 전 금형에 도포한다. 단조 후 단조품은 공기 중에서 냉각시킨다. 비록 부위별 미세조직의 차이를 최소화하기 위해 단조 조건을 결정하였다 하더라도 최종단조를 수행한 직후, 소재의 미세조직은 부위별로 차이를 보인다(도 2 참조). 이러한 차이는 부위별로 변형조건이 다르기 때문이며, 최종 단조품을 다음과 같이 열처리함으로써 해결할 수 있다.

최종 단조품을 980∼1100℃ 사이의 온도에서 3∼10분 사이의 시간동안 열처리를 수행함으로써 균일한 조직을 갖는 단조품을 얻을 수 있다(도 3 참조). 열처리는 소재 내부에 준동적 재결정을 유발시키기 위한 작업으로서, 소재 내부에 잔류된 변형량이 온도가 올라가면서 소재 내부에 준동적 재결정을 발생시키며, 부품의 부위별 조직을 균일화시키게 된다. 상기 후열처리 온도가 980℃ 이하이면, 소재의 준동적 재결정을 위한 구동력이 미흡하며, 1100℃ 이상이면 재결정립의 조대화가 발생하여 블레이드의 특성이 저하된다.

마찬가지로 열처리 후 부품은 공기 중에서 냉각시킨다. 도 2에 도시한 최종단조 후 얻은 블레이드 단면 내의 부위별 불균일 미세조직은 도 3에 도시한 바와 같이, 최종단조 후 열처리를 통해 부위별 균일한 미세조직으로 변화하게 된다. 즉, 최종 열처리 동안에 블레이드의 에어포일(1) 부위에서는 재결정 입자의 성장이 일어나고, 블레이드의 플렛폼(3)과 루트(2) 부위에서는 준동적 재결정이 발생함으로써 전체적으로 균일한 미세조직을 얻을 수 있다.

(실시예)

다음의 실시예에서는 도 1의 공정 개략도를 따라 블레이드를 단조한 후, 부위별 미세조직의 변화를 예시한다.

먼저, 업셋팅 작업에 사용된 초기빌렛(단조재)의 평균 결정립 크기는 12㎛이고, 전체적으로 균일한 미세조직을 갖는다. 업셋팅 작업에 사용한 단조재의 모양은 끝 부분에 테이퍼(Taper)를 갖는 길이 87㎜, 직경 16㎜의 원통형 바(Bar)로서, 테이퍼의 드래프트 앵글은 1.3°로 하였다. 업셋팅 작업을 위해 단조재를 1010℃로 가열하였는데, 단조재의 장입 후 가열로의 온도가 셋팅온도인 1010℃까지 재상승한 후 단조재 내·외부의 온도를 일정하게 유지하기 위해 15분간 유지하였다.

업셋팅 작업할 때 금형의 온도는 상부 및 하부 각각 250℃로 가열하였으며, 1800톤의 스크류 프레스를 이용하여 단조를 수행하였고, 스토퍼(Stopper)와 가이드포스트(Guide Post)를 사용하여 금형의 이동을 조절하였다. 단조 후 공기 중에서 단조품을 냉각하였다.

도 4는 업셋팅 작업 후 업셋팅 작업된 단조품 단면의 부위별 결정립 조직과 전산모사 시스템을 활용하여 예측한 평균 결정립 크기를 예시한다.

업셋팅 작업할 때 발생한 플래쉬를 가공으로 제거한 후, 최종 열간단조를 위해 단조재를 1010℃로 재가열하였는데, 단조재의 장입 후 가열로의 온도가 셋팅온도까지 올라간 후 35분간 가열로에서 유지하였다. 1800톤 스크류 프레스를 이용하여 최종 열간단조할 때 상부 및 하부 금형의 온도는 각각 250℃로 하였으며, 스토퍼와 가이드포스트를 이용하여 금형의 이동을 조절하였다. 단조 후 단조품은 공기 중에서 냉각하였다.

도 5에 최종 열간단조 후 블레이드 단면의 부위별 결정립 조직과 전산모사 시스템을 활용하여 예측한 평균 결정립 크기를 예시한다.

도 5에 도시한 바와 같이, 최종 열간단조 후 블레이드의 에어포일과 루트 부위의 결정립은 각각 5∼7㎛ 및 50∼60㎛로 그 차이가 크기 때문에, 최종 열간 단조품을 1050℃에서 5분간 열처리하여 도 3에 도시한 바와 같이, 평균 결정립의 크기가 약 20㎛ 정도인 균일한 조직을 갖는 블레이드를 제조하였다.

블레이드의 에어포일과 같이 동적 재결정이 발생한 부위에서는 열처리 과정에서 재결정립의 성장이 이루어지는 반면에, 재결정이 발생하지 않은 플렛폼 및 루트 부위에서는 단조 후 열처리할 때, 잔류해 있던 변형에너지에 의해 준동적 재결정이 발생하여 결정립의 크기가 감소함으로써, 열처리 후 균일한 결정립의 크기 분포를 갖는 블레이드를 얻을 수 있다.

이상과 같은 목적과 구성으로 이루어진 본 발명의 균일조직을 갖는 718합금 블레이드 단조 및 후열처리 방법에 의하면, 종래의 방법에 비해 부품 제조 공정수를 크게 줄일 수 있고, 매 공정마다 발생하는 소재의 낭비를 감소시킴으로써, 제조시간 및 제조비용을 절감할 수 있으며, 또한 단조공정의 단축을 통해 윤활제 등의 사용을 극소화시킴으로써, 환경 오염에 대한 부담이 감소되는 등 경제적인 효과가매우 크다.

Claims (1)

1. 단조작업에 의한 718합금 제품의 제조방법에 있어서,

   소재의 온도를 960∼1040℃의 범위로 하고, 금형의 예열온도를 150∼400℃ 사이로 하여업셋팅 단조(Upsetting Forging)하고, 상기 소재의 업셋팅 단조작업 후상기한 온도범위에서최종 단조작업을 실시함으로써 블레이드 형상을 구현하며, 최종 단조작업 후 냉각된 블레이드를 980∼1100℃ 사이의 온도 범위에서 3∼10분동안 열처리를 수행하는 것을 특징으로 하는 균일조직을 갖는 718합금 블레이드의제조방법.