KR101209909B1 - Method for Durability Test of High Temperature Part for Gas Turbine - Google Patents
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Abstract
가스터빈 고온부품 내구성 평가방법을 개시한다. 가스터빈 고온부품 내구성 평가방법은 평가용 시편을 준비하는 단계, 시편에 산화 시험을 수행하는 단계 및 산화 시험을 수행한 시편으로 피로 시험을 수행하는 단계를 포함한다.A gas turbine high temperature component durability evaluation method is disclosed. The gas turbine hot part durability evaluation method includes preparing a specimen for evaluation, performing an oxidation test on the specimen, and performing a fatigue test on the specimen subjected to the oxidation test.
Description
본 발명은 가스터빈 고온부품 내구성 평가방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a gas turbine high temperature component durability evaluation method.
항공용이나 발전용 가스터빈은 시스템의 높은 열효율을 얻기 위해 터빈입구온도(Turbine Inlet Temperature: TIT) 또는 연소 온도를 1,000℃ 이상으로 운전하고 있다. 이러한 운전환경에서 고온의 연소가스와 직접 접촉하는 부품은 대부분 내열성이 강한 소재로 제작되고 있으며 1,000℃이상의 고온환경에서 장시간 운전하기 위해서는 추가적으로 코팅 작업이 수행되어야 한다.Air and power gas turbines are operating at turbine inlet temperature (TIT) or combustion temperatures above 1,000 ° C to achieve high thermal efficiency of the system. In these operating environments, parts that are in direct contact with high-temperature combustion gases are mostly made of heat-resistant materials, and additional coating must be performed to operate for a long time in a high temperature environment of over 1,000 ℃.
이러한 부품을 개발하거나 일정 시간 이상 사용된 부품을 재생 기술을 개발하기 위해서는 먼저 형상이 단순화된 모양으로 시편을 제작한다. 다음 가스터빈의 사용 환경과 유사한 조건에서 제작된 시편에 대한 고온피로 특성 및 내산화 특성 등을 평가한다. 다음 평가 결과를 토대로 부품 개발에 반영한다.In order to develop such a part or to develop a technology for regenerating parts that have been used for a certain period of time, the specimen is first manufactured in a simplified shape. The high temperature fatigue resistance and oxidation resistance of the specimens prepared under the conditions similar to those of the next gas turbine are evaluated. Based on the following evaluation results, it is reflected in the part development.
여기서 피로시험은 시편에 대한 고온 피로 특성을 평가하기 위해서 수행하는 시험이다. 피로시험은 가스터빈 부품이 고온에서 받을 수 있는 고주파 또는 저주파 진동, 원심력, 부하변동에 따른 응력 변화 등에 의한 기계적인 피로와 가스터빈의 기동정지에 수반하는 열적 응력 변화에 따른 열피로에 의한 환경을 반영한다.The fatigue test is a test performed to evaluate the high temperature fatigue characteristics of the specimen. Fatigue test is based on mechanical fatigue caused by high frequency or low frequency vibration, centrifugal force, and stress variation caused by load fluctuations that a gas turbine component can receive at high temperatures, and thermal fatigue due to thermal stress caused by stoppage of the gas turbine. Reflect.
또한, 고온 산화 시험은 고온용 소재나 소재를 보호하기 위한 코팅의 내산화 특성을 평가하기 위해 수행하는 시험이다. 고온 산화 시험은 고온의 연소 가스와 접하는 가스터빈 부품의 고온 산화 또는 부식 환경을 반영한다. 고온 산화 시험은 정적(static) 산화 시험과 동적(dynamic) 산화 시험을 포함한다. 정적 산화 시험은 고온으로 설정된 대기 환경에서 수행하고, 동적 산화 시험은 버너 리그(burner rig)를 통하여 생성된 고온의 연소 가스에 의해 수행되는 시험이다.In addition, the high temperature oxidation test is a test performed to evaluate the oxidation resistance of the coating material to protect the high temperature material or the material. The high temperature oxidation test reflects the high temperature oxidation or corrosion environment of gas turbine components in contact with hot combustion gases. The high temperature oxidation test includes a static oxidation test and a dynamic oxidation test. The static oxidation test is performed in an atmospheric environment set to a high temperature, and the dynamic oxidation test is a test performed by a hot combustion gas generated through a burner rig.
동적 산화 시험에서는 가스터빈의 연소환경을 적절히 재현할 수 있지만 대부분의 시험에서 시편에 대해 피로시험에서와 같은 외부적으로 기계적인 응력을 가하지 않기 때문에 고온 산화 환경에서의 소재의 특성을 종합적으로 평가할 수 없다.Dynamic oxidation tests can adequately reproduce the combustion environment of the gas turbine, but since most of the tests do not exert external mechanical stresses on the specimens as in the fatigue test, it is possible to comprehensively evaluate the properties of the material in high temperature oxidation environments. none.
최근의 가스터빈은 그 열역학적인 효율을 높이기 위해 연소공기의 압축비와 연소온도가 지속적으로 높아지고 있으며 이에 따라 부품의 사용환경이 고온산화와 기계적 열적 응력변화에 의해 더욱더 열악해 지고 있다. 이러한 사용환경에 적합한 새로운 소재나 공정을 개발하기 위해서는 가스터빈의 사용환경을 반영하여 적절히 평가할 수 있는 소재시험이 요구되며, 경제적인 측면에서 단기간에, 적은 시험 횟수로 시험평가가 이루어져야 할 필요가 있다.
In recent years, gas turbines have been continuously increasing the compression ratio and combustion temperature of combustion air to increase their thermodynamic efficiency. As a result, the use environment of components is getting worse by high temperature oxidation and mechanical thermal stress change. In order to develop a new material or process suitable for such a use environment, a material test that can be appropriately evaluated by reflecting the gas turbine's use environment is required. .
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 가스 터빈 연소 환경에서 가스 터빈용 소재의 내구성을 효과적으로 검증 및 평가할 수 있는 가스터빈 고온부품 내구성 평가방법을 제공하는 것이다.
The problem to be solved by the present invention is to provide a gas turbine high temperature component durability evaluation method that can effectively verify and evaluate the durability of the gas turbine material in the gas turbine combustion environment.
본 발명의 일 측면에 따르면, 가스터빈 고온부품 내구성 평가방법을 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a gas turbine high temperature component durability evaluation method.
가스터빈 고온부품 내구성 평가방법은 평가용 시편을 준비하는 단계, 시편에 산화 시험을 수행하는 단계 및 산화 시험을 수행한 시편으로 피로 시험을 수행하는 단계를 포함한다.The gas turbine hot part durability evaluation method includes preparing a specimen for evaluation, performing an oxidation test on the specimen, and performing a fatigue test on the specimen subjected to the oxidation test.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 시편은 니켈기 합금으로 형성될 수 있다.According to one embodiment of the invention, the specimen may be formed of a nickel-based alloy.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 평가용 시편을 준비하는 단계는 시편의 표면에 본드 코팅을 수행하는 단계 및 본드 코팅 상에 열차폐 코팅을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present disclosure, the preparing of the test specimen for evaluation may further include performing a bond coating on the surface of the specimen and performing a heat shield coating on the bond coating.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 산화 시험을 수행하는 단계는 시편에 분출하는 화염에 유기 화합물을 첨가하여 시편 표면에 실리카 게열의 코팅을 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the step of performing the oxidation test may further include generating a coating of silica heat on the surface of the specimen by adding an organic compound to the flame ejected on the specimen.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 산화 시험은 고온 연소 및 화염 중 적어도 하나를 시편에 적용하여 수행할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the oxidation test may be performed by applying at least one of high temperature combustion and flame to the specimen.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 피로 시험은 시편에 미리 설정된 최소 응력 및 최대 응력을 반복적으로 인가하여 시편을 시험하는 일 수 있다.
According to one embodiment of the invention, the fatigue test may be to test the specimen by repeatedly applying a predetermined minimum and maximum stress to the specimen.
본 발명의 실시 예에 따른 가스터빈 고온부품 내구성 평가방법은 연소가스를 이용한 고온 산화 시험을 거친 시편을 이용하여 고온 피로 시험을 수행하므로 고온 산화에 의한 열화 상태를 정확히 반영하여 가스터빈의 운전 조건에 보다 적합한 평가 결과를 얻을 수 있다. 또한, 고온 피로 시험시 표면 특성을 효과적으로 반영함으로써 시험 시간을 단축할 수 있어 경제적이다.In the gas turbine high temperature component durability evaluation method according to an embodiment of the present invention, since the high temperature fatigue test is performed using a specimen subjected to a high temperature oxidation test using combustion gas, the gas turbine operating conditions of the gas turbine accurately reflect the deterioration state due to the high temperature oxidation. More suitable evaluation results can be obtained. In addition, it is economical because the test time can be shortened by effectively reflecting the surface properties during the high temperature fatigue test.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 가스터빈 고온부품 내구성 평가방법은 가스터빈에서 수행하는 연소 조건의 변화에 따른 부품의 표면이나, 코팅과 모재 간 계면의 변화를 정확히 추적할 수 있으므로 새로운 연료 조건의 적용, 새로운 코팅재료 및 방법 등에 신속히 대처할 수 있다.
In addition, the gas turbine high temperature component durability evaluation method according to an embodiment of the present invention can accurately track the change of the surface of the part or the interface between the coating and the base material according to the change of combustion conditions performed in the gas turbine, so It can quickly cope with applications, new coating materials and methods.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고온부품 내구성 평가방법을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스터빈 고온부품 내구성 평가방법에서 고온 산화 시험을 수행하는 장치를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스터빈 고온부품 내구성 평가방법에서 고온 산화 시험을 수행하는 장면을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스터빈 고온부품 내구성 평가방법에서 고온 피로 시험을 수행하는 장면을 나타낸 도면이다.1 is a view showing a high temperature component durability evaluation method according to an embodiment of the present invention.
2 is a view showing an apparatus for performing a high temperature oxidation test in the gas turbine high temperature component durability evaluation method according to an embodiment of the present invention.
3 is a view showing a scene of performing a high temperature oxidation test in the gas turbine high temperature component durability evaluation method according to an embodiment of the present invention.
4 is a view showing a scene of performing a high temperature fatigue test in the gas turbine high temperature component durability evaluation method according to an embodiment of the present invention.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.As the inventive concept allows for various changes and numerous embodiments, particular embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the written description. It should be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, numerals (e.g., first, second, etc.) used in the description of the present invention are merely an identifier for distinguishing one component from another.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예들에 따른 고온부품 내구성 평가방법에 관하여 상세히 설명한다.
Hereinafter, a high temperature component durability evaluation method according to embodiments of the present invention with reference to the accompanying drawings will be described in detail.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고온부품 내구성 평가방법을 나타내는 도면이다.1 is a view showing a high temperature component durability evaluation method according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 고온부품 내구성 평가방법은 시편을 준비하는 단계(S10), 시편을 이용하여 산화 시험을 수행하는 단계(S20) 및 산화 시험을 수행한 시편을 이용하여 피로 시험을 수행하는 단계(S30)을 포함한다.Referring to Figure 1, the high temperature component durability evaluation method according to an embodiment of the present invention comprises the steps of preparing a specimen (S10), performing an oxidation test using the specimen (S20) and the specimen subjected to the oxidation test And performing a fatigue test using the step S30.
구체적으로 단계 S10에서는 시편을 준비한다. 구체적으로 고온 산화 시험 및 고온 피로 시험에 적합한 형상의 시편을 마련한다. 예를 들어, 시편은 고온 산화 시험과 고온 피로 시험을 위한 시험 장치에 체결되는 부분과 시험이 시행되는 부분이 서로 다른 직경으로 형성된다. 이때, 시험이 시행되는 부분은 체결되는 부분보다 작은 직경의 원통형으로 형성될 수 있다.Specifically, in step S10 a specimen is prepared. Specifically, a specimen having a shape suitable for the high temperature oxidation test and the high temperature fatigue test is prepared. For example, the specimens are formed with different diameters between the part fastened to the test apparatus for the high temperature oxidation test and the high temperature fatigue test and the part to be tested. At this time, the portion to be tested may be formed in a cylindrical shape having a smaller diameter than the portion to be fastened.
여기서 시편은 니켈기 합금으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 시편(100)은 니켈초합금인 IN738LC로 이루어질 수 있다.The specimen may be made of a nickel-based alloy. For example, the
단계 S20에서는 시편을 이용하여 연소 기체에 의한 고온 산화 시험을 수행한다. 여기서 고온 산화 시험은 동적 산화 시험이다. 이하에서 단계 S20은 도 2 및 도 3을 더 참조하여 설명한다.In step S20, a high temperature oxidation test with combustion gas is performed using the specimen. The high temperature oxidation test here is a dynamic oxidation test. Hereinafter, step S20 will be described with reference to FIGS. 2 and 3.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스터빈 고온부품 내구성 평가방법에서 고온 산화 시험을 수행하는 장치를 나타낸 도면이다. 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스터빈 고온부품 내구성 평가방법에서 고온 산화 시험을 수행하는 장면을 나타낸 도면이다.2 is a view showing an apparatus for performing a high temperature oxidation test in the gas turbine high temperature component durability evaluation method according to an embodiment of the present invention. 3 is a view showing a scene of performing a high temperature oxidation test in the gas turbine high temperature component durability evaluation method according to an embodiment of the present invention.
도 2 및 도 3을 참조하면, 단계 S20에서는 고온 산화 시험 장치(200)에 시편(100)을 설치한다. 고온 산화 시험 장치(200)는 모터(205), 버너 리그 케이스(220), 회전판(210) 및 화염 발생부(300)를 포함한다.2 and 3, in step S20, the
모터(205)는 전원을 공급받아 동력을 발생시킨다. 버너 리그 케이스(220)는 모터(205)와 회전판(210)을 연결한다. 버너 리그 케이스(220)는 모터(205)의 동력을 전달받아 회전판(210)을 회전시킨다. 회전판(210)은 일면이 버너 리그 케이스(220)와 결합된다. 회전판(210)은 타면에 시편(100)을 지지한다. 회전판(210)은 모터(205)에 의해 회전하여 시편(100)을 회전시킨다. 화염 발생부(300)는 연료를 공급받아 화염을 발생시킨다. 화염 발생부(300)는 시편(100)을 향해 화염을 방사한다.The
이러한 고온 산화 시험 장치(200)는 회전판(210)으로 시편(100)을 회전시키고 시편(100)의 시험 부위에 화염을 방사하여 가스터빈의 연소 환경과 유사한 고온의 연소 또는 화염에 시편(100)의 심각한 손상이 발생하기 전까지 시험 시간 동안 고온 산화 시험을 수행한다. 여기서 시험 시간은 일정 주기 또는 시간으로 설정된다. 이러한 고온 산화 시험을 통하여 표면의 산화, 계면의 열화 등의 특성 변화가 시편의 내피로 특성에 반영된다.The high temperature
이에 따라 고온 산화 시험에서 시험 시간 및 연소 온도를 달리하면 시편의 표면과 모재와의 계면에서 발생하는 열화 정도의 차이를 얻을 수 있다. 또한, 이러한 차이에 따르는 영향을 고온 피로 시험에서 반영할 수 있다.Accordingly, by varying the test time and combustion temperature in the high temperature oxidation test, it is possible to obtain a difference in the degree of deterioration occurring at the interface between the surface of the specimen and the base material. In addition, the effects of these differences can be reflected in the high temperature fatigue test.
여기서 고온 산화 시험은 가스터빈의 온도에 따라 고온부품의 시험 조건을 다르게 설정하여 수행할 수 있다.In this case, the high temperature oxidation test may be performed by setting different test conditions of the high temperature component according to the temperature of the gas turbine.
약 900℃ 미만의 낮은 연소 온도를 이용하는 가스터빈, 예컨대 마이크로 가스터빈에서 사용되는 고온부품일 경우에는 아무런 처리를 하지 않은 니켈기 합금으로 시편(100)을 제작한다. 시편(100)을 이용하여 고온 산화 시험을 수행할 경우에는 금속의 산화로 표면에 산화물이 생성될 수 있다. 따라서, 고온 산화 시험 이후의 고온 피로 시험에서는 표면에 생성된 산화물의 성분과 형상 및 두께 등이 반영되어 연소 조건에 따르는 부품의 내구성을 효과적으로 측정할 수 있다. 이때, 연소 조건은 가스터빈의 운전 조건 및 연소 환경일 수 있고, 내구성은 내산화 특성 및 내피로 특성을 포함할 수 있다.In the case of gas turbines using low combustion temperatures of less than about 900 ° C., such as high temperature components used in micro gas turbines, the
또한, 약 900℃ 이상의 높은 연소 온도를 이용하는 가스터빈, 예컨대 대형 가스터빈에서 사용되는 고온 부품일 경우에는 니켈기 합금으로 시편을 제작한다. 여기서, 시편의 내산화 특성을 높이기 위해 시편의 표면에 NiCrAlY, CoCrAlY 또는 NiCoCrAlY 등의 코팅 재료를 이용하여 수십 μm 이상의 본드 코팅을 실시한다. 이에 따라 시편의 표면에는 본드 코팅층이 형성된다.In addition, in the case of high temperature parts used in gas turbines, such as large gas turbines, which use high combustion temperatures of about 900 ° C. or more, the specimens are made of nickel-based alloys. Here, in order to increase the oxidation resistance of the specimen, the surface of the specimen is subjected to bond coating of several tens of μm or more using a coating material such as NiCrAlY, CoCrAlY, or NiCoCrAlY. As a result, a bond coating layer is formed on the surface of the specimen.
또한, 시편의 표면에 형성된 본드 코팅층 위에 이트리아 안정화 지르코니아(Yittria Stabilized Zirconia: YSZ) 등의 코팅 재료를 이용하여 약 100μm 이상의 열차폐 코팅을 추가로 실시한다. 이에 따라 시편은 본드 코팅층 상에 열차폐 코팅층이 더 형성된다.In addition, a thermal barrier coating of about 100 μm or more is further performed on the bond coating layer formed on the surface of the specimen using a coating material such as Yittria Stabilized Zirconia (YSZ). Accordingly, the specimen is further formed with a thermal barrier coating on the bond coating layer.
한편, 내산화 특성을 높이기 위해 시편의 표면에 모재와 다른 성분의 코팅이 입혀지면, 시편의 동적 산화 시험시 표면의 산화 또는 기계적인 마모뿐만 아니라 코팅층과 모재 사이의 계면에서도 일정한 변화가 발생한다. 예를 들어, 시편의 표면에서는 본드 코팅층과 열차폐 코팅층 사이의 열 성장 산화물(Thermally Grown Oxide: TGO) 또는 본드 코팅층과 모재 사이의 계면 변화 등이 발생할 수 있다.On the other hand, if the coating of the base material and other components is coated on the surface of the specimen to increase the oxidation resistance, a constant change occurs at the interface between the coating layer and the base material as well as oxidation or mechanical wear of the surface during the dynamic oxidation test of the specimen. For example, a thermally grown oxide (TGO) between the bond coating layer and the thermal barrier coating layer or an interface change between the bond coating layer and the base material may occur on the surface of the specimen.
따라서, 고온 산화 시험에서 연소 온도 및 시험 시간 등을 달리하여 계면의 변화를 제어하면 후속하는 고온 피로 시험에서는 연소 조건에 따르는 부품의 내구성을 효과적으로 측정할 수 있다.Therefore, if the change of the interface is controlled by varying the combustion temperature, the test time and the like in the high temperature oxidation test, the durability of the component according to the combustion conditions can be effectively measured in the subsequent high temperature fatigue test.
단계 S30에서는 고온 산화 시험을 수행한 시편을 이용하여 고온 피로 시험을 수행한다. 여기서는 도 4를 더 참조하여 고온 피로 시험을 설명한다.In step S30, a high temperature fatigue test is performed using the test piece subjected to the high temperature oxidation test. Here, a high temperature fatigue test is demonstrated further with reference to FIG.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스터빈 고온부품 내구성 평가방법에서 고온 피로 시험을 수행하는 장면을 나타낸 도면이다.4 is a view showing a scene of performing a high temperature fatigue test in the gas turbine high temperature component durability evaluation method according to an embodiment of the present invention.
단계 S30에서는 도 4에 도시된 바와 같이 고온 산화 시험을 거친 시편(100)을 고온 피로 시험 장치(400)의 제1 시험부(410)와 제2 시험부(420) 사이에 설치하고, 시험 주기(이하, 사이클이라 통칭함) 동안 시편(100)에 최소 응력(stress)과 최대 응력을 반복하여 인가하는 고온 피로 시험을 수행한다.In step S30, the
여기서 최소 응력은 시편을 최소 인장시키기 위한 힘이다. 또한, 최대 응력은 시편을 최대 인장시키기 위한 힘이다. 예를 들어, 최소 응력은 약 280 MPa(메가파스칼)로 설정될 수 있다. 최대 응력은 약 350 MPa로 설정될 수 있다. 시험 주기는 총 72000 사이클까지 수행하도록 설정될 수 있다. 이때, 한 사이클은 최소 응력과 최대 응력을 초당 2회(즉, 주파수=2Hz) 반복 인가하여 수행할 수 있다.Where minimum stress is the force for minimum tensioning of the specimen. In addition, the maximum stress is the force for maximum tensioning the specimen. For example, the minimum stress can be set at about 280 MPa (megapascals). The maximum stress can be set at about 350 MPa. The test cycle can be set to run up to a total of 72000 cycles. In this case, one cycle may be performed by repeatedly applying the minimum stress and the maximum stress twice per second (that is, frequency = 2 Hz).
고온 피로 시험에서는 정상 주파수로 작동된 후에 예정된 하중이 정확하게 걸리고 있는가를 확인한다. 예를 들어, 고온 피로 시험 장치(400)에 디지털 피크 지시계(digital-peak indicator)를 설치하여 하중을 관찰한다.
The high temperature fatigue test verifies that the intended load is correctly applied after operating at normal frequency. For example, a digital peak indicator is installed in the high temperature
이하의 실시 예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 단 실시 예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로 본 발명의 이들 실시 예에 한정되는 것은 아니다.
The present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the embodiments are only for illustrating the present invention and are not limited to these embodiments of the present invention.
실시 예 1Example 1
실시 예 1에서는 니켈초합금인 IN738LC로 이루어진 복수의 시편을 준비한다. 여기서 복수의 시편을 제1 그룹 및 제2 그룹으로 나누어 구분한다. 제1 그룹은 도 3에 도시된 바와 같이 고온 산화 시험 장치(200)에 설치하여 회전판(210)을 회전시키며 온도가 약 1150℃ ~ 약 1350℃인 화염에 30분 동안 노출시킨다. 화염에 노출된 후 제1 그룹의 시편을 도 4에 도시된 바와 같이 고온 피로 시험 장치(400)에 설치하여 약 900℃의 고온 상태에서 피로 시험을 수행한다. 제2 그룹은 고온 산화 시험 장치(200)를 이용한 고온 산화 시험 과정을 거치지 않고 고온 피로 시험 장치(400)에 설치하여 약 900℃의 고온 상태에서 피로 시험을 수행한다.In Example 1, a plurality of specimens made of IN738LC, a nickel superalloy, were prepared. Here, the plurality of specimens are divided into a first group and a second group. As shown in FIG. 3, the first group is installed in the high temperature
여기서 피로 시험은 약 280MPa의 최소 응력과 약 350의 최대 응력을 반복 인가하도록 설정한다. 이때, 초당 2회 반복하여 총 72,000 사이클까지 수행하도록 설정한다.The fatigue test is set here to repeat the application of a minimum stress of about 280 MPa and a maximum stress of about 350. At this time, it is set to perform a total of 72,000 cycles by repeating twice per second.
시험 결과, 제2 그룹의 시편들은 모두 20,000 사이클에서 파단이 발생하였다. 이때, 제2 그룹의 시편에서 측정된 연신율은 약 20% ~ 약 21%이다. 한편, 제1 그룹의 시편들은 모두 100 사이클 이내에서 파단이 발생하였다. 제1 그룹과 제2 그룹의 시험 결과를 비교하면 고온 산화 시험을 통해 시편의 표면의 상태 변화에 따라 시편의 피로 특성이 현저히 변화했음을 확인할 수 있다. 즉, 고온 부품의 내구성이 현저히 단축되었음을 확인할 수 있다.
As a result of the test, the second group of specimens all broke at 20,000 cycles. In this case, the elongation measured from the second group of specimens is about 20% to about 21%. On the other hand, the specimens of the first group all broke within 100 cycles. Comparing the test results of the first group and the second group, it can be seen that the fatigue characteristics of the specimens were significantly changed according to the state change of the surface of the specimen through the high temperature oxidation test. That is, it can be confirmed that the durability of the high temperature component is significantly shortened.
실시 예 2Example 2
실시 예 2에서는 니켈초합금인 IN738LC로 이루어진 복수의 시편을 준비한다. 여기서 복수의 시편을 제1 그룹 및 제2 그룹으로 나누어 구분한다.In Example 2, a plurality of specimens made of IN738LC, a nickel superalloy, were prepared. Here, the plurality of specimens are divided into a first group and a second group.
실시 예 2에서 제3 그룹과 제4 그룹의 시편들은 NiCrAlY를 약 150 μm의 두께로 코팅하여 표면에 본드층을 형성하고 본드층 상에 YSZ를 약 400 μm의 두께로 코팅하여 열차폐층을 형성한다. 이때, 본드층과 열차폐층은 플라즈마 용사법을 이용하여 형성한다.In Example 2, the specimens of the third group and the fourth group were coated with NiCrAlY to a thickness of about 150 μm to form a bond layer on the surface, and coated with YSZ on a bond layer to a thickness of about 400 μm to form a heat shield layer. . At this time, the bond layer and the heat shield layer are formed by using a plasma spray method.
제3 그룹은 도 3에 도시된 바와 같이 고온 산화 시험 장치(200)에 설치하여 회전판(210)을 회전시키며 온도가 약 1150℃ ~ 약 1350℃인 화염에 30분 동안 노출시킨다. 이때, 시편 표면에 추가로 실리카 계열의 코팅이 생성되도록 화염에 실리콘 유기화합물의 일종인 TEOS(Tetraethylorthosilicate)를 첨가한다. 다음, 화염에 노출된 후 제3 그룹의 시편을 도 4에 도시된 바와 같이 고온 피로 시험 장치(400)에 설치하여 약 900℃의 고온 상태에서 피로 시험을 수행한다.The third group is installed in the high temperature
제4 그룹은 고온 산화 시험 장치(200)를 이용한 고온 산화 시험 과정을 거치지 않고 고온 피로 시험 장치(400)에 설치하여 약 900℃의 고온 상태에서 피로 시험을 수행한다.The fourth group is installed in the high temperature
여기서 피로 시험은 약 280MPa의 최소 응력과 약 350의 최대 응력을 반복 인가하도록 설정한다. 이때, 초당 2회 반복하여 총 72,000 사이클까지 수행하도록 설정한다.The fatigue test is set here to repeat the application of a minimum stress of about 280 MPa and a maximum stress of about 350. At this time, it is set to perform a total of 72,000 cycles by repeating twice per second.
시험 결과, 제4 그룹의 시편들 중 일부는 65,000 사이클에서 파단이 발생하였고, 시편들에서 측정된 연신율은 약 20% ~ 약 21%이다. 또한, 제4 그룹의 시편들 중 나머지는 피로 시험이 종료될 때까지 파단이 발생하지 않았고, 시편들에서 측정된 연신율은 약 25%이다.As a result of the test, some of the fourth group of specimens failed in 65,000 cycles, and the elongation measured in the specimens was about 20% to about 21%. In addition, the rest of the fourth group of specimens did not break until the fatigue test was completed, and the elongation measured in the specimens was about 25%.
한편, 제3 그룹의 시편들은 모두 피로 시험이 종료될 때가지 파단이 발생하지 않았다. 이때, 제3 그룹의 시편들에서 측정된 연신율은 약 18% ~ 약 20%이다. 따라서, 시편의 표면에 실리카 계열을 추가로 코팅한 후 고온 산화 시험을 수행하면 시편의 표면의 상태 변화에 따라 시편의 피로 특성이 현저히 변화했음을 확인할 수 있다. 변화 정도는 시편들의 파손 사이클 및 연신율의 차이로 확인할 수 있다.
On the other hand, all of the specimens of the third group did not break until the fatigue test was completed. In this case, the elongation measured in the third group of specimens is about 18% to about 20%. Therefore, when the silica coating is further coated on the surface of the specimen and then subjected to a high temperature oxidation test, it can be seen that the fatigue characteristics of the specimen have changed significantly according to the state change of the surface of the specimen. The degree of change can be determined by the difference in fracture cycle and elongation of the specimens.
본 발명의 실시 예에 따른 가스터빈 고온부품 내구성 평가방법은 연소가스를 이용한 고온 산화 시험을 거친 시편을 이용하여 고온 피로 시험을 수행하므로 고온 산화에 의한 열화 상태를 정확히 반영하여 가스터빈의 운전 조건에 보다 적합한 평가 결과를 얻을 수 있다. 또한, 고온 피로 시험시 표면 특성을 효과적으로 반영함으로써 시험 시간을 단축할 수 있어 경제적이다.In the gas turbine high temperature component durability evaluation method according to an embodiment of the present invention, since the high temperature fatigue test is performed using a specimen subjected to a high temperature oxidation test using combustion gas, the gas turbine operating conditions of the gas turbine accurately reflect the deterioration state due to the high temperature oxidation. More suitable evaluation results can be obtained. In addition, it is economical because the test time can be shortened by effectively reflecting the surface properties during the high temperature fatigue test.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 가스터빈 고온부품 내구성 평가방법은 가스터빈에서 수행하는 연소 조건의 변화에 따른 부품의 표면이나, 코팅과 모재 간 계면의 변화를 정확히 추적할 수 있으므로 새로운 연료 조건의 적용, 새로운 코팅재료 및 방법 등에 신속히 대처할 수 있다.
In addition, the gas turbine high temperature component durability evaluation method according to an embodiment of the present invention can accurately track the change of the surface of the part or the interface between the coating and the base material according to the change of combustion conditions performed in the gas turbine, so It can quickly cope with applications, new coating materials and methods.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
The above description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and those skilled in the art to which the present invention pertains may make various modifications and changes without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are intended to illustrate rather than limit the scope of the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas falling within the scope of the same shall be construed as falling within the scope of the present invention.
100: 시편 200: 고온 산화 시험 장치
205: 모터 210: 회전판
220: 버너 리그 케이스 300: 화염 발생부
400: 고온 피로 시험 장치 410: 제1 시험부
420: 제2 시험부100: specimen 200: high temperature oxidation test apparatus
205: motor 210: rotating plate
220: burner league case 300: flame generating unit
400: high temperature fatigue test apparatus 410: first test part
420: second test unit
Claims (6)
(a) 평가용 시편을 준비하는 단계;
(b) 회전판에 설치된 상기 시편을 회전시키며 상기 시편에 화염을 방사하여 산화 시험을 수행하는 단계; 및
(c) 상기 산화 시험을 수행한 시편으로 피로 시험을 수행하는 단계를 포함하되,
상기 (a)에서는 상기 시편의 표면에 내산화 특성을 높이는 본드 코팅을 수행한 후 상기 본드 코팅 상에 열차폐 코팅을 수행하고,
상기 (b)에서는 상기 시편으로 방사하는 화염에 실리콘 유기 화합물을 첨가하여 상기 시편의 표면에 실리카 계열의 코팅을 생성시키고,
상기 (c)에서는 설정된 사이클까지 미리 설정된 최소 응력과 최대 응력을 초당 2회 반복 인가하여 파단의 발생을 확인하거나 상기 시편의 연신율을 측정하여 상기 (b) 및 상기 (c)의 조합에 따른 상기 가스터빈의 운전환경의 영향을 평가하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 고온부품 내구성 평가방법.
In the method for evaluating the durability of the parts of the gas turbine,
(a) preparing an evaluation specimen;
(b) rotating the specimen installed on the rotating plate and radiating a flame to perform the oxidation test; And
(c) performing a fatigue test with the test piece subjected to the oxidation test,
In (a), after performing a bond coating to increase the oxidation resistance on the surface of the specimen, and performing a heat shield coating on the bond coating,
In (b), the silicon organic compound is added to the flame radiated to the specimen to produce a silica-based coating on the surface of the specimen,
In (c), the minimum and maximum pre-set stresses are repeatedly applied twice per second to confirm the occurrence of breakage or to measure the elongation of the test piece, and the gas according to the combination of (b) and (c). A gas turbine high temperature component durability evaluation method characterized by evaluating the influence of the turbine operating environment.
상기 시편은 니켈기 합금으로 형성되는 것을 특징으로 하는 가스터빈 고온부품 내구성 평가방법.
The method according to claim 1,
The specimen is a gas turbine high temperature component durability evaluation method, characterized in that formed of a nickel-based alloy.
상기 산화 시험은 고온 연소 및 화염 중 적어도 하나를 상기 시편에 적용하여 수행하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 고온부품 내구성 평가방법.
The method according to claim 1,
The oxidation test is a gas turbine high temperature component durability evaluation method, characterized in that performed by applying at least one of the high temperature combustion and flame to the specimen.
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