고온 합금은 내열 합금이라고도 합니다. 기지 구조에 따라 철계, 니켈계, 크롬계의 세 가지 범주로 나눌 수 있으며, 제조 방식에 따라 성형 초합금과 주조 초합금으로 구분할 수 있습니다.
초합금은 항공우주 분야에서 없어서는 안 될 필수 원자재입니다. 항공우주 및 항공기 엔진의 고온 부품에 사용되는 핵심 소재이며, 주로 연소실, 터빈 블레이드, 가이드 블레이드, 압축기 및 터빈 디스크, 터빈 케이스 등의 제조에 사용됩니다. 사용 온도 범위는 600℃~1200℃이며, 사용되는 부품에 따라 응력 및 환경 조건이 다릅니다. 합금의 기계적, 물리적, 화학적 특성에 대한 요구 조건이 매우 엄격하며, 이는 엔진의 성능, 신뢰성 및 수명을 결정짓는 중요한 요소입니다. 따라서 초합금은 선진국의 항공우주 및 국방 분야에서 핵심 연구 과제 중 하나입니다.
초합금의 주요 용도는 다음과 같습니다.
1. 연소실용 고온 합금
항공 터빈 엔진의 연소실(화염관이라고도 함)은 핵심 고온 부품 중 하나입니다. 연료 분무, 오일과 가스 혼합 등의 공정이 연소실 내부에서 이루어지기 때문에 연소실 내부 최고 온도는 1500℃~2000℃에 달할 수 있으며, 연소실 벽면 온도는 1100℃까지 올라갈 수 있습니다. 동시에 열응력과 가스 응력에도 노출됩니다. 높은 추력 대 중량비를 가진 엔진들은 대부분 길이가 짧고 열용량이 큰 환형 연소실을 사용합니다. 이러한 연소실의 최고 온도는 2000℃에 도달하고, 가스막 냉각이나 증기 냉각 후 벽면 온도는 1150℃까지 올라갑니다. 각 부품 간의 큰 온도 구배는 열응력을 발생시키며, 작동 상태 변화에 따라 급격한 온도 상승과 하강이 발생합니다. 이로 인해 재료는 열충격과 열피로 하중을 받게 되고, 변형, 균열 등의 결함이 발생할 수 있습니다. 일반적으로 연소실은 판형 합금으로 제작되며, 특정 부품의 사용 조건에 따라 다음과 같은 기술 요구 사항이 요약됩니다. 고온 합금 및 가스 사용 조건에서 일정 수준의 산화 저항성 및 가스 부식 저항성을 가져야 합니다. 일정 수준의 순간 강도 및 내구 강도, 열 피로 성능 및 낮은 열팽창 계수를 가져야 합니다. 가공, 성형 및 접합을 보장하기 위해 충분한 가소성과 용접성을 가져야 합니다. 열 사이클 하에서 우수한 구조적 안정성을 갖추어 사용 수명 동안 안정적인 작동을 보장해야 합니다.
a. MA956 합금 다공성 적층재
초기 단계에서는 HS-188 합금 시트를 사진 촬영, 에칭, 홈 가공 및 펀칭 처리한 후 확산 접합하여 다공성 적층체를 제작했습니다. 내부 층은 설계 요구 사항에 따라 이상적인 냉각 채널로 만들 수 있습니다. 이러한 구조 냉각 방식은 기존 필름 냉각 방식보다 냉각 가스를 30%만 필요로 하므로 엔진의 열 사이클 효율을 향상시키고 연소실 재료의 실제 내열 용량을 줄이며 무게를 감소시키고 추력 대 중량비를 향상시킬 수 있습니다. 현재로서는 실용화를 위해서는 핵심 기술 돌파가 여전히 필요합니다. MA956으로 제작된 다공성 적층체는 미국에서 도입한 차세대 연소실 재료로 1300℃에서도 사용 가능합니다.
b. 연소실에 세라믹 복합재료를 적용하는 방법
미국은 1971년부터 가스 터빈에 세라믹을 사용하는 타당성을 검증하기 시작했습니다. 1983년에는 미국의 첨단 소재 개발 그룹들이 첨단 항공기에 사용되는 가스 터빈의 성능 지표를 다음과 같이 제시했습니다. 터빈 입구 온도를 2200℃까지 높이는 것, 화학 반응 연소 상태에서 작동하는 것, 부품에 적용되는 밀도를 8g/cm³에서 5g/cm³로 낮추는 것, 부품 냉각을 없애는 것 등이었습니다. 이러한 요구 사항을 충족하기 위해 연구된 재료에는 단상 세라믹 외에도 흑연, 금속 매트릭스, 세라믹 매트릭스 복합재 및 금속간 화합물이 포함됩니다. 세라믹 매트릭스 복합재(CMC)는 다음과 같은 장점을 가지고 있습니다.
세라믹 소재의 열팽창 계수는 니켈계 합금보다 훨씬 작아 코팅이 쉽게 벗겨지는 단점이 있습니다. 금속 펠트를 중간에 넣어 세라믹 복합재를 만들면 이러한 박리 현상을 극복할 수 있으며, 이는 연소실 소재 개발의 중요한 방향입니다. 이 소재는 10~20%의 냉각 공기와 함께 사용할 수 있으며, 금속 후면 절연체의 온도는 약 800℃에 불과하여 발산 냉각이나 필름 냉각 방식보다 내열 온도가 훨씬 낮습니다. V2500 엔진에는 주조 초합금 B1900+세라믹 코팅 보호 타일이 사용되고 있으며, 향후 개발 방향은 B1900(세라믹 코팅 포함) 타일을 SiC계 복합재 또는 항산화 C/C 복합재로 대체하는 것입니다. 세라믹 매트릭스 복합재는 추력 대 중량비가 15~20인 엔진의 연소실 개발 소재로, 사용 온도는 1538℃~1650℃이며, 화염관, 부유벽, 후연소기 등에 사용됩니다.
2. 터빈용 고온 합금
항공기 엔진 터빈 블레이드는 항공기 엔진에서 가장 가혹한 온도 부하와 최악의 작동 환경을 견뎌야 하는 부품 중 하나입니다. 고온에서 매우 크고 복잡한 응력을 견뎌야 하므로 재료 요구 사항이 매우 엄격합니다. 항공기 엔진 터빈 블레이드용 초합금은 다음과 같이 분류됩니다.
a. 가이드용 고온 합금
디플렉터는 터빈 엔진에서 열에 가장 큰 영향을 받는 부품 중 하나입니다. 연소실에서 불균일 연소가 발생하면 1단 가이드 베인의 발열량이 커져 가이드 베인 손상의 주요 원인이 됩니다. 가이드 베인의 사용 온도는 터빈 블레이드보다 약 100℃ 높습니다. 고정 부품은 기계적 하중을 받지 않지만, 가이드 베인은 급격한 온도 변화로 인해 열응력, 변형, 열피로 균열 및 국부적인 연소가 발생하기 쉽습니다. 따라서 가이드 베인 합금은 충분한 고온 강도, 영구 크리프 성능 및 우수한 열피로 성능, 높은 산화 저항성 및 열 부식 성능, 열응력 및 진동 저항성, 굽힘 변형 능력, 우수한 주조 성형성 및 용접성, 그리고 코팅 보호 성능을 갖추어야 합니다.
현재 대부분의 고성능 추력 대 중량비 엔진은 중공 주조 블레이드를 사용하며, 방향성 및 단결정 니켈계 초합금을 선택합니다. 고성능 추력 대 중량비 엔진은 1650℃~1930℃의 고온에서 작동하므로 단열 코팅으로 보호해야 합니다. 냉각 및 코팅 보호 조건 하에서 블레이드 합금의 사용 온도는 1100℃를 초과하므로, 향후 가이드 블레이드 소재의 온도 밀도 비용에 대한 새롭고 더 높은 요구 사항을 제시합니다.
b. 터빈 블레이드용 초합금
터빈 블레이드는 항공 엔진의 핵심 열 방출 회전 부품입니다. 작동 온도는 가이드 블레이드보다 50℃~100℃ 낮습니다. 회전 시 원심 응력, 진동 응력, 열 응력, 공기 흐름 침식 등 다양한 영향을 받으며, 작동 조건 또한 열악합니다. 추력 대 중량비가 높은 엔진의 고온부 부품 수명은 2000시간 이상입니다. 따라서 터빈 블레이드 합금은 사용 온도에서 높은 크리프 저항성과 파괴 강도, 고온 및 중온 종합 특성(고주기 및 저주기 피로, 냉간 및 고온 피로, 충분한 소성 및 충격 인성, 노치 감도 등), 높은 산화 저항성 및 부식 저항성, 우수한 열전도율 및 낮은 선팽창 계수, 우수한 주조 공정 성능, 장기적인 구조적 안정성, 사용 온도에서 TCP 상 석출이 없어야 합니다. 적용되는 합금은 4단계로 나뉘며, 변형 합금에는 GH4033, GH4143, GH4118 등이 있습니다. 주조 합금의 적용 분야에는 K403, K417, K418, K405, 방향성 응고 금 합금 DZ4, DZ22, 단결정 합금 DD3, DD8, PW1484 등이 있습니다. 현재는 3세대 단결정 합금까지 개발되었습니다. 중국산 단결정 합금 DD3와 DD8은 각각 중국산 터빈, 터보팬 엔진, 헬리콥터 및 선박 엔진에 사용됩니다.
3. 터빈 디스크용 고온 합금
터빈 디스크는 터빈 엔진에서 가장 큰 응력을 받는 회전 베어링 부품입니다. 추력 대 중량비가 8과 10인 엔진의 휠 플랜지 작동 온도는 650℃와 750℃에 달하며, 휠 중심부 온도는 약 300℃로 큰 온도차가 발생합니다. 정상 회전 시, 터빈 디스크는 블레이드를 고속으로 회전시키면서 최대 원심력, 열응력 및 진동 응력을 받습니다. 시동과 정지는 각각 하나의 사이클이며, 휠 중심부, 목 부분, 홈 바닥 및 림은 모두 서로 다른 복합 응력을 받습니다. 따라서 사용되는 합금은 사용 온도에서 최고의 항복 강도, 충격 인성 및 노치 민감도가 없어야 하며, 낮은 선팽창 계수, 일정 수준의 산화 및 부식 저항성, 우수한 절삭 성능을 갖춰야 합니다.
4. 항공우주용 초합금
액체 로켓 엔진에 사용되는 초합금은 추력실 연소실의 연료 분사 패널, 터빈 펌프 엘보, 플랜지, 흑연 방향타 고정 장치 등에 사용됩니다. 고온 합금인 GH4169는 터빈 로터, 샤프트, 샤프트 슬리브, 고정 장치 및 기타 중요한 베어링 부품의 재질로 사용됩니다.
미국 액체 로켓 엔진의 터빈 로터 재질은 주로 흡입관, 터빈 블레이드 및 디스크로 구성됩니다. 중국에서는 GH1131 합금이 주로 사용되며, 터빈 블레이드는 작동 온도에 따라 인코넬 X, Alloy713C, 아스트로로이, Mar-M246 등이 순차적으로 사용됩니다. 휠 디스크 재질로는 인코넬 718, 와스팔로이 등이 있습니다. 일체형 터빈은 주로 GH4169와 GH4141이 사용되며, 엔진 샤프트에는 GH2038A가 사용됩니다.