The blades of gas turbines used in transportation, defense, and plants are the parts exposed to the highest temperature and pressure inside the turbine and are made of Ni-based superalloys. The Ni-based superalloys have excellent mechanical strength, oxidation resistance, and creep resistance above 1000°C due to the γ/γ’ microstructures. Since the 1960s, cast alloys have been developed in the order of equiaxed grains, columnar grains, and single-crystal microstructures, increasing the operating temperature of Ni-based superalloys. However, the temperature at which the Ni-based superalloy properties are guaranteed almost reached the melting temperature of Ni. Therefore, a material for higher temperature application is needed.
Since γ’ strengthened Co-Al-W superalloys were reported in 2006, a lot of studies have been actively conducted to replace the commercial Ni-based superalloys with Co-based or Co-Ni-based superalloys due to the higher melting temperature of Co than that of Ni. However, superalloys have many required properties as high-temperature materials, and to satisfy these properties, Ni-based superalloys contain more than 10 optimized alloying elements. Thus, a more efficient research method is needed to replace the Ni-based superalloys with Co-based superalloys that studied relatively shortly.
The time required for alloy development can be greatly shortened by using additive manufacturing, which has recently been spotlighted. Additive manufacturing, one of the 3D printing methods, enables near-net shape fabrication using desired materials and can reduce the time, cost, weight of parts, and consumption of materials. In particular, it is possible to rapid alloy prototyping or screening with various compositions in that multi powders can be used and the powder feed rate is easy to control, thereby dramatically reducing the time required to develop a new alloy system. However, the steep temperature gradient of additive manufacturing causes high thermal stress to the alloys, resulting in hot-cracking. Unlike Ni-based superalloys, which have been reported to induce cracking due to high Al and Ti content, the cracking mechanism of Co-based superalloys has not been reported yet.
This study focused that 1) solving the disadvantages and 2) reinforcing the strengths of additive manufacturing. The author aimed 1) the development of crack-free Co-based superalloys by revealing the cracking mechanism during the additive manufacturing process and 2) the development of a multi-component Co-based superalloy with excellent high-temperature properties by additive manufacturing.
As the first research topic, Co-Al-W superalloy, a promising candidate alloy for high-temperature applications, was deposited. After microstructure analysis, it was revealed that the Al content and the resulting oxide formation had a great effect on the printability of Co-Al-W superalloys. To prevent hot-cracking, a novel Co-Al-W alloy was designed and fabricated by adjusting the Al content. The newly developed crack-free Co-Al-W alloy exhibited comparable creep resistance to conventional cast alloys. This study showed the possibility of applying additive manufacturing to high-temperature Co-based superalloys.
As the second research topic, a new additive manufacturing method was applied to develop high-temperature Co-Ni-based superalloys. A metal 3D printer equipped with multiple powder feeder and single elemental powders were used to fabricate alloys with various compositions by adjusting the powder feed rate. Through this method, Co-Ni-Ti-Al-Mo superalloys of various compositions were deposited and an alloy screening process was performed based on high-temperature properties. The final selected alloy showed excellent thermal stability and yield stress while maintaining its γ/γ’ microstructures even after long aging heat treatment. The novel additive manufacturing method devised in this study was effective in manufacturing multi-component alloys with superior high-temperature properties.
교통, 방위 산업, 플랜트 등에 사용되는 가스 터빈의 블레이드는 터빈 내부에서 가장 높은 온도와 압력에 노출되는 부품이며 Ni계 초합금으로 제작된다. Ni계 초합금이 1000도씨 이상에서 우수한 기계적 강도, 내산화성, 크립 저항성 등을 가지는 이유는 γ/γ’ 미세구조를 갖기 때문이다. 1960 년대부터 주조 방식으로 등축 결정, 주상 결정, 단결정의 순서로 미세구조가 개발되어 Ni계 초합금이 활용될 수 있는 온도가 높아졌다. 그러나 현재는 Ni계 초합금의 고온 물성이 보장되는 온도가 Ni의 녹는점 근처에 이르러서 추가적인 증가는 어려운 상황이고 더 고온에서 활용할 수 있는 재료의 필요성이 증대되고 있다.
2006년에 γ/γ’ 미세구조를 갖는 Co-Al-W 초합금이 발표된 이후 Co가 Ni에 비해 녹는점이 높기 때문에 상용 Ni계 초합금을 Co계 혹은 Co-Ni계 초합금으로 대체하기 위한 연구가 활발히 진행됐다. 그러나 초합금은 고온 재료로써 요구되는 특성들이 매우 많으며 이러한 특성들을 만족시키기 위해 Ni계 초합금은 우수한 물성을 얻기 위한 10개 이상의 최적화된 합금원소가 포함되어 있다. 따라서 상대적으로 연구 기간이 짧은 Co계 초합금으로 기존의 Ni계 초합금을 대체하기 위해서는 더 효율적인 연구 방법이 필요하다.
전통적인 주조 방식 대신에 최근에 각광받고 있는 제조 방법인 적층 제조 방식을 활용하면 합금 연구개발의 소요시간을 크게 단축할 수 있다. 3D printing 제조 방법의 한 종류인 적층 제조 방식은 원하는 재료를 사용하여 원하는 모양으로 구현이 가능하며 합금을 만들 때 소요되는 시간, 비용, 부품의 무게와 재료의 소모를 줄일 수 있다. 특히, 적층 제조는 다중 분말을 사용할 수 있고 분말 분사 속도 조절이 용이하기 때문에 새로운 합금 개발에 들어가는 시간을 획기적으로 줄일 수 있다는 점에서 신속한 합금 프로토타이핑 또는 스크리닝이 가능하다. 하지만 적층 제조 방식으로 초합금을 제작할 때 발생하는 높은 온도 구배는 합금에 열 응력을 유발하고 이로 인해 합금에 균열이 발생한다. 높은 Al과 Ti 함량이 균열 발생을 유도한다고 밝혀진 Ni계 초합금과는 달리 Co계 초합금의 균열 발생에 대해서는 아직 연구된 바가 없다.
본 연구에서는 고온용 Co계 초합금에 적층 제조 방식을 적용함에 있어서 두 가지에 집중했다. 첫째로, 적층 제조 방식으로 야기되는 단점을 해결하는 것으로, Co계 초합금의 적층 제조 후 균열 발생 원리를 밝히고 균열이 발생하지 않는 Co계 초합금의 개발을 목표로 했다. 두 번째로, 빠른 합금 개발이 가능하다는 적층 제조의 강점을 더욱 살려 다양한 조성의 합금을 제작하고 스크리닝 하여 특성이 우수한 다원계 Co계 초합금을 개발하는 것을 목표로 하였다.
첫 번째 연구주제로 기존의 Ni계 합금을 대체할 수 있는 유망한 후보 합금인 Co-Al-W 초합금을 적층하고 미세구조를 분석했다. 분석 결과, Al 함량과 그에 따른 산화물 형성이 적층성에 크게 영향을 주는 것을 밝혀냈고 고온 균열 발생 원리를 규명했다. 그 후, 고온 균열을 방지하기 위해 Al 함량을 조절했고 새로운 Co-Al-W 합금을 설계하여 균열이 발생하지 않는 합금을 개발했다. 새로 개발된 Co-Al-W 합금은 기존의 주조 합금에 비견될 만한 크립 저항성을 나타냈다. 본 연구를 통해 고온용 Co계 초합금의 적층 제조 적용 가능성을 확인했다.
두 번째 연구 주제로 기존의 적층 방식과는 다른 새로운 적층 방식을 적용하여 고온용 Co-Ni계 합금을 개발했다. 여러 개의 분말 공급장치가 장착된 금속 3D 프린터와 단일 원소 분말을 이용하여 분말 분사량을 조절해서 한 번에 다양한 조성의 합금을 제작하는 방식을 활용했다. 이 방법을 통해 다양한 조성의 5원계 Co-Ni-Ti-Al-Mo 초합금을 제작했고 고온 특성을 바탕으로 합금 선별 작업을 진행했다. 최종 선택된 합금은 장시간 열처리 후에도 미세구조가 유지되며 우수한 상 안정성 및 고온 강도를 나타냈다. 본 연구에서 새롭게 고안한 적층 제조 방식은 다원계 합금의 제작에 유효했으며 연구 개발의 효율성을 크게 증가시켜 우수한 재료의 개발을 가능하게 했다.
