내열합금, 인코넬 합금, Ni기 초내열합금, 터빈 재료, 일방향응고

내열합금이란?

 

<기출이력 - 금속재료>

16-1-12	12. 인코넬(Inconel) 합금 구성과 용도를 설명하시오.
20-3-3	3. 열전대용 Ni 합금의 종류 3가지를 설명하시오.
24-4-5	5. 항공기 및 복합화력에 사용하는 고온 가스터빈 블레이드 재질 구비 조건, 제작 방법 및열차폐코팅(Thermalbarrier coating)기술에대하여각각 설명하시오.
23-1-5	5. 열교환기, 터빈 등 고온에서 사용되는 내열합금을 정밀주조할 때 일방향응고법으로 주조하는이유를설명하시오.
22-4-4	4. Ni계 초내열합금의특징과강도 관점에서석출상의거동에대하여설명하시오.
20-4-1	1. 초내열 합금의 강화에 적합한 강화기구를 2가지만 쓰고 그 이유를 설명하시오.
19-2-3	3. 결정입도가 고온 특성에 미치는 영향을 고려하여 Ni기 초합금 항공기용 터빈 날개(Turbine blade)를 만드는 방안을 2가지만설명하시오.
17-2-3	3. 터빈 블레이드와 같은 고온용 금속부품의 크리프 특성에 미치는 융점, 탄성 계수, 결정립크기의영향을 설명하고, 결정립 크기에 의하여 크리프 특성을 개선하기 위한 방안을설명하시오.
17-2-5	5. 내열부품으로널리사용되고있는대표적인구상흑연주철3종류에대하여설명하시오.

 

<기출이력 - 금속가공>

2023-3-2	2. 복합화력 발전설비 및 항공기 고온 터빈 블레이드(turbine blade)에 사용하는 재질, 요구사항, 제조 방법 및 열차폐코팅(thermal barrier coating)기술에 대하여설명하시오.
2022-3-5	5. 니켈기 초합금제 가스터빈 블레이드를 일반주조방식으로 제조 시 사용상의 문제점과 이를 개선하기 위한 주조기술을 설명하시오.
2019-3-5	5. Ni기 초내열합금의 고온 기계적성질을 향상하기 위한 강화기구 중 γ′상의 역할이 매우 중요하다. γ′상의 강화기구를 설명하시오.
2013-1-3	니켈기 초합금제 가스터빈 블레이드를 세라믹 주형 인베스트먼트 주조법으로 각각 일반 주조방식, 방향성 응고법, 단결정법으로 제작하였을 경우 주조조직을 바탕으로 각각의 고온수명이 큰 순서대로 나열
2022-1-7	7. 내열성이 요구되는 내열강 소재의 조직학적 종류 3가지를 쓰고 요구되는 특성을 설명 하시오.

 

 

 

1. 개요

 

1) 내열재료의 정의

 내열재료는 고온강도, 열충격 저항성, 고온 내산화성, 인성이 우수한 재료를 의미함 
또한, 제품이 좀 더 가혹한 조건(고온, 고압)에서 운행되고 이를 버티며 운행 가능함을 보증해야하기 때문에 (ex. 터빈 블레이드, 발전소 터빈 등) 열차폐코팅 (Thermalbarrier coating)등도 내열성을 위해 실시한다

점점 기계재료의 운전온도는 증대하고 있고 (제트엔진, 화력발전소 터빈 등) 이러한 문제를 해결하기위해 내열 한계온도를 높이기 위한 노력이 계속되고 있음 

사용 영역은 보일러, 증기발생기, 발전용기기, 증기터빈, 가스터빈, 고온 화학반응기기 등이 있으며, 내열재료에는 저합금강, 스테인리스강을 포함한 고합금강 등을 포함하는 철강계 재료와 비철금속계 재료로 구분됨.

내열재료에서 가장 중요한 성질은 화학적 성질과 기계적 성질로, 화학적 성질에는 내산화성, 내식성 등이 있고 기계적 성질에는 고온강도가 대표적인 요소이다.
금속재료는 기본적으로 고온에서 산화되고, 부식되어 고온 사용이 불가능한 재료가 많은데, 해당 현상에 저항하는 능력인 내산화성, 내식성이 중요한 요소이며, 또한 고온에서도 상온의 기계적 성질 (경도/고온강도 등)을 유지하는 능력이 중요하다.  
따라서, 가장 중요한 해당 두 성질을 향상시킨 재료를 내열재료라고 할 수 있는 것이다. 

1차 요구 특성 : 크리프강도, 열피로강도, 고온피로강도, 연성, 내고온부식성, 융점 
2차 요구 특성 : 내력 및 인장강도, 자성, 내산화성, 내부식성
물리적 특성 : 열전도성, 열팽창성, 탄성률 및 비중, 감쇠특성 
그 외 주조성, 용접성, 피삭성, 가격 등 

(1) 화학적 성질 개선 (내산화성, 내식성)

• 합금 원소의 첨가 
• 내식성 피복 
• 부식환경의 개선

(2) 기계적 성질 개선 (고온강도)

• 합금 원소의 첨가 (Cr 등)
• 조직 개선 (강화기구의 적용) 
  • 석출강화
  • 입계강화
  • 고용강화

마르텐사이트강화, 소성가공에 의한 강화기구는 고온에서 변형과 성질의 변화 여지가 커서 고온강도 측면에서는 좋지 않다. (상온에서는 우수하고 많이 사용됨) 

 

2) 내열재료의 요구 성질

① 기계적 성질

고온에서 필요 강도와 인성을 가져야함.
(고온강도, 크리프강도, 고온경도, 고온피로강도, 내마모성 등)

② 화학적 성질

고온에서 내식성, 내침탄성, 내산화성 등 화학적 성질이 우수할 것

③ 물리적 성질

고온에서 필요한 물리적 성질 (융점, 밀도, 열팽창률, 열전도도 등)이 우수할 것

④ 제조성

제조성(가공성)이 우수할 것

(주조, 열간, 냉간, 절삭, 용접 등)

⑤ 경제성

이들을 적절히 만족하면서 가격이 적당할 것 

 

3) 내열합금의 내열성능 증대 기구 

내열합금의 내산화성, 내식성을 높이기 위해서는 합금원소를 첨가하거나, 표면에 내식성 피복을 하거나, 부식환경 자체를 개선함
내산화성을 개선시키기 위해서는 산화속도를 감소시켜야하며, 산화피막의 유지는 이를 도와주고 해당 성능을 유지하기 위해서는 표면 산화물의 밀착성이 중요하고 피막이 파괴되지 않고 유지될 수 있어야함
(승온과 강온이 반복되는 환경에서, 피막과 금속의 선팽창계수 차이는 피막의 내구성에 지대한 영향을 미침)

ex. sts304와 430은, 1000도까지 연속가열시 304가 훨씬 내산화성이 우수하나, 반복가열의 경우 430이 우수한데 이는 430의 선팽창계수가 304의 약 60%정도로 작아 피막과 선팽창계수 차가 적기 때문임

(1) 합금 원소 첨가

고온 산화와 부식을 방지하기 위해 Cr을 첨가하고 (가장 우수함) Al, Si를 보조적으로 첨가하며
내산화성을 개선하기 위해 Y, Ce, La 등을 소량첨가함
(Cr, Al등은 산화성 환경에서 먼저 산화하여 부동태 피막을 형성하여 내식성 확보)

산화피막, 흑색산화피막 (black oxide coating)

스테인리스 부동태처리 (Passivation treatment)

(2) 내식성 피복

고온강도와 인성은 모재합금에서 확보하고, 고온 내식성을 표면 코팅에서 확보
팩 코팅(pack coating)과 오버레이 코팅 (overlay coating)으로 구분됨
팩코팅은 내식성 금속의 확산침투피복처리를 실용함 (calorizing, chromizing, siliconizing 등)

금속침투법 (metallic cementation), 세라다이징, 칼로라이징, 크로마이징, 규소침투법, 보로나이징

(3) 부식환경의 개선

연료 중 Na를 수세를 통해 제거하거나, 보일러에서는 dolomite, Mg(OH)2 등을 첨가하여 고융점화합물로 바꾸어 부식 반응을 완화 

 

4) 초내열합금의 강화기구

재료에 고온강도를 주기 위해서는 1) 합금원소를 첨가하거나 2) 조직 개선의 2가지 방법이 있음
이들을 통한 강화기구로는 고용강화, 석출경화, 입계강화(결정립 미세화 강화)를 주로 사용하며 상온에서만 효과적인 마르텐사이트 변태에 의한 강화(고온에서 솔바이트로 변태), 소성가공에 의한 가공경화는 고온에서 좋지 않으며 오히려 변형을 증대시킴

내열강의 고온특성을 개선하기 위해, Fe를 50% 이하로 감소하고 Ni, Co를 주성분으로 한 고온용 합금을 초내열합금이라 함. 
구분하면 Fe기, Ni기, Co기로 구분이 되며 가공경화처리, 시효석출경화처리 등을 활용함

초내열합금은 주로 Ni기 합금이며, 𝛄'상이라 부르는 고강도의 결정을 이루고 있음 
열처리 중 𝛄'상의 미세한 석출물질이 합금 내 형성되고, 석출물은 고온에서 니켈기 합금의 크리프 저항성과 강도를 향상시킴. 
따라서 고용화 열처리 후 석출(항온열처리를 통한 석출강화)를 진행 
𝛄상은 Ni과 동일한 결정구조를 이루고 있으며, Ni원자의 위치에 여러 원자가 무질서하게 치환된 구조임
또한 𝛄'상은 Ni3Al이라는 금속간 화합물을 기본으로 규칙화된 면심입방구조 (F.C.C)를 이루고 있음 
𝛄량이 20-30%까지는 단조가 가능하지만 그보다 많아지면 소성가공이 곤란하여 주조법을 이용함 

Fe기 초내열합금은 주로 석출강화하며, 약석출형과 강석출형으로 구분됨
약석출형 합금은 기지 중 탄화물, 질화물, 시그마 상 등을 석출시킨 것이며, 냉간가공을 병용하여 강도, 인성을 향상시킴 (초기기술)
강석출형 합금은 Ni3의  𝛄'상의 석출강화를 주로 하고 이것에 탄화물, 질화물의 석출강화를 병용함. 
약석출형에 비해 고온강도가 높고 열간가공성이 우수하여 Fe기 초내열합금의 주류가 됨 

 Ni기 초내열합금은 𝛄'상의 석출에 의한 석출강화형 합금
공업용 가스터빈 부품 등 고온성질이 필요한 부재에 사용되며, 단조합금은 900도 부근, 주조합금은 1000도 부근에서 많이 사용됨
Ni 기초합금의 강화기구는 𝛄'상에 의존함 

Co기 초내열합금은 Co를 주성분으로 하여 Cr을 15-25% 첨가하고 Ni, W, Mo, Nb, Ti 등을 첨가하여 고온강도를 높인 것. 
탄화물의 석출강화를 주로 이용하며 내열피로성, 내산화성, 용접성, 주조성 측면에서 Ni 기초합금보다 우수함.

Ni3Al 다결정의 압축 항복강도의 온도 의존성, 온도가 상승할수록 그 강도가 커짐, 신금속재료학

<Ni계 내열합금의 𝛄' 相>

Ni합금은 Ni3Al을 60% 이상 함유시켜 내열성의 향상을 이루고 있음
Ni기  초내열합금은 니켈원소를 기반으로 Cr, Co, Al, W, Ta, Ti, Mo, C, Re 등을 첨가하여 고온특성을 향상시키며, 이 중 W, Mo, Re는 FCC기지에 고용되어 고용강화를 하는 고용강화원소이며, Al, Ta, Ti는 석출상인 𝛄'상을 석출시키는 석출강화원소임.
Ni3Al은 FCC의 구조를 가지고 있으며,  온도상승에 따라 강도가 커지는 특성이 있어 고온용 구조재로 이용을 하고  있는 것.

이는 FCC격자구조의 미끄럼면인 {111}면에서의 역위상경계에너지(APB ; ANTI PHASE BOUNDARY)가 크고 미끄럼면이 아닌 {100}면에서 APB에너지가 작아서 생기는 현상으로, 저온에서 초격자전위는 {111}면을 이동하나, 온도가 높아지면 열활성화과정에 의해 APB에너지가 낮은 {110}면위에 교차 미끄럼을 일으키기 때문이다 

𝛄'상은 전위가 {111}면에서 {100}면으로 크로스슬립을 하게 되어 움직임이 어려워지는 Kear-Wilsdorf lock을 형성하기 때문임
(해당 현상이 APB에너지가 {110}면이 낮기 때문에 형성되는 것 

 

 

2. 내열재료의 종류

 

1) 개요

내열재료로는 복합소결합금의 서멧(Cermet), 분산강화형 합금이 대표적이다. 서멧은 절삭공구 등에 많이 사용되며 로켓엔진, 제트엔진 노즐 재료로 사용된다. 또한 분산강화형 합금은 미세하고 경질의 금속, 혹은 합금 기지에 고온에서도 안정한 입자를 분산시켜서 강화한 합금 (비중 낮음, 내열성 높음, 열팽창계수 작음, 전기전도도 양호, 내식성 및 내피로성 양호)

니켈 합금도 대표적인 내열합금(Ni기 합금)으로 분류된다 (하스탈로이, 인코, 인코넬, 니모닉, 일리움 등)

초내열합금은 고온에서 산화, 부식에 잘 견디고 크리프 및 열피로 현상이 발생하지 않는 재료를 의미함 
종류로는 입자분산강화합금, 결정제어합금이 있으며 1000도 이상의 고온에서 견디면 초내열합금으로 분류

저합금 내열강은 Cr계, Cr-Mo계가 있으며 약 3%이하 Cr을 함유. 
고합금 내열강은 Cr이 약 9-12% 함유된 강. Cr계 내열강으로 내열성이 충분하지 않은 경우 스테인리스강이 적용 (스테인리스도 내열강의 일종으로 볼 수 있음). 스테인리스강 중 Cr계보다 Cr-Ni계(오스테나이트계)의 내열성이 더 우수.

초내열합금 분류, HRD

 

2) 내열강

저합금 내열강은 압력용기용 강의 한 종류로, Cr계, Cr-Mo계 등이 있음 (약 3% 이하 Cr 함유)
고합금 내열강은 Cr이 9-12% 함유된 강, Cr만으로 내열성이 충분하지 않을때는 스테인리스강이 적용되며 Cr-Ni계의 내열성이 우수함
스테인리스강의 고온 사용한계는 7-800도이기에, 그 이상의 온도에서는 인콜로이(incolloy) 등의 Fe-Ni계 합금, 혹은 인코넬(inconel), 하스텔로이(hastelloy)등의 Ni기 합금이 이용됨 (Ni기 합금(Nickel-base alloy)는 Ni량이 50%를 넘는 재료를 뜻함) 

Cr을 많이 첨가하면 내산화성은 좋아지나 고온강도는 감소하는 경향이 있어, 고Cr강에서는 Mo, V, Nb 등을 첨가하여 고용강화, 석출강화를 통해 고온강도를 확보함. 
또한 Cr은 대표적인 페라이트상 안정화 원소로, 변태가 사라지게 되 열팽창계수가 작아져 산화막의 부착성 측면에서 유리하게 됨. 따라서 내산화성을 중요시할때 Cr강을 많이 사용함. 

• 스테인리스강
  • 페라이트계 
    • Ni이 없어 고온에서 S부식에 강함
    • 900-1000도 이상에서는 결정립 조대화를 일으켜 취화하므로 주의 필요
  • 마르텐사이트계
    • 13Cr-Mo-V-Nb-0.15C
    • Cr-Si-C (Si를 2-3% 첨가)
      : Si첨가로, 변태점이 높아져 결정립이 조대화하여 충격치가 낮아지는 단점이 있음
  • 오스테나이트계
    • 550도 이상에서는 페라이트계, 마르텐사이트계의 크리프 강도가 저하하기 때문에 오스테나이트계를 고온에서 사용함
    • 550도 이상에서 사용(면심입방격자, 원자밀도 ↑ → 크리프 강도 저하 X) 
    • 고용화열처리, 1000-1150도 산화를 견딜 수 있음, 고온강도/가공성/용접성 우수 
  • 석출경화계
• 저합금내열강
  • Mo강, Cr-Mo강
  • Mo-V강
  • Cr-Mo-V강
  • Cr-Ni-Mo강
  • Cr-Mo-W-V강 
• 내열주강
  • 대부분 Cr, Ni를 주 합금원소로 함유하고 C를 0.2-0.5% 함유 → 고온강도, 내산화성 등 강화 

스테인리스 = 내열강으로 볼 수 있음 
페라이트계, 마르텐사이트계, 오스테나이트계, 석출경화계로 구분됨

500-600도 이상부터 페라이트계강은 강도가 급격히 낮아져 550도 이하는 저탄소강, 저합금강, 중Cr강이 사용되며 550도 이상에서는 오스테나이트계의 18-8스테인리스강, 고Cr-Ni강이 주로 사용됨 

Cr ↑ → 내산화성 ↑, 고온강도 ↓ (따라서 Mo, V, Nb등을 첨가하여 탄화물을 형성, 분산강화로 고온강도를 보강함) 
Cr ↑ → 페라이트상이 안정적으로 유지되어 열팽창계수가 적어져, 반복 가열냉각시에도 산화막이 분리되지 않아 내산화성이 우수 

13Cr강에 Mo, V를 첨가하면 내식성, 내열성이 모두 좋아진다 
 * V를 첨가할때, VC 탄화물의 형성에 의한 연화 방지, 크리프 강도를 높이기 위해 Nb을 첨가

스테인리스강의 열처리, 스테인리스강 소성가공 (가공경화), 스테인리스강 용접, 오스테나이트

스테인리스의 용접성, 용접 대책

반응형

오스테나이트계 스테인리스의 용접 대책, 슈퍼오스테나이트계 스테인리스

금속의 강화기구, 금속조직(결정립) 미세화 방안, 석출강화, 고용체강화, 가공경화

 

3) 초내열합금

스테인리스 고온 사용한계 : 700-800도
인콜로이(Fe-Ni계), 인코넬/하스텔로이(Ni기 합금) 700도 이상 
세라믹, 서멧(ceramics + metal = cermet) : 1000도 이상 

Ni기 내열합금, HRD

(1) Fe계 초내열합금

대부분 단조합금
강화기구에 따라 약석출형과 강석출형으로 구분될 수 있음 

① 약석출형 합금

탄화물, 질화물, a상 등을 석출시켜 강화한 합금.

냉간가공을 통해 강도, 인성을 향상 

• 16-25-6합금
• Incoloy 800
• N-155
• S-590

② 강석출형 합금

Ni3 (Ti, Al)의 r'상 석출강화를 주 강화기구로 이용  (+ 탄화물, 질화물 석출강화) 

고온강도가 높고 강질이 깨끗하며 열간가공성이 우수

• Discaloy
• A-286
• V-57
• Incoloy901
• Unitemp 212
• Refractaloy 26

(2) Ni계 초내열합금

대부분 니켈의 r'상 석출을 이용한 강석출강화형 합금임. (단조 - 900도, 주조합금 - 1000도 부근에서 사용 으로 구분) 
고온, 고부하 부재로 많이 사용(항공기, 공업용 가스터빈) 

가스터빈에 많이 사용

• 인코넬 W
• 인코넬 X
• 니모닉 80
• 니모닉 90
• 인코 700
• 일리움 G
• 헤스탈로이 A
• 헤스탈로이 C

<인코넬 합금>
니켈을 주체로 15% 크롬, 6-7% 철, 2.5 Ti, 1% 이하 알루미늄, 망간, 규소 등을 첨가한 내열합금 
고온에서 산화에 잘견디고 내식성이 우수해 내열 제품에 많이 이용됨

인코넬 합금의 구성, Cr, Ni, Fe가 주 성분

<열전대용 Ni합금의 종류>

열전대 : 두 가지의 각각 다른 금속선을 접속했을 때 두 개의 접점 온도가 다르면 기전력(起電力)이 생겨서 회로(回路)에 전류가 흐른다. 이 기전력을 열기전력(熱起電力)이라 부르고, 이 열기전력을 이용하기 위해서 사용하는 두가지의 금속선을 열전대(熱電對)라고 한다.

열전대에는 Ni-Cr, Ni-Cu계 합금을 주로 사용. 
800도 이하에서는 Fe와 콘스탄탄, 혹은 Cu와 콘스탄탄을 사용하며 1000-1200도까지는 크로멜, 알루멜을 사용함 

 

(3) Co계 초내열합금

Co를 주성분, Cr 15-25%, Ni, Mo, Ti, W, Nb, B등을 첨가하여 고온강도 증대 
주로 탄화물의 석출강화를 이용 
내열피로성, 내산화성, 용접성, 주조성에서 Ni계보다 더 우수함
정밀주조품의 형태로, 부하응력이 작고 온도 변동이나 부식이 심한 곳에 사용됨 

• S 816
• HS 31 
• WI 52
• Mar-M 509

 

4) 기타 내열 합금

(1) 서멧(Cermet)

• 탄화물계 서멧 (TiC, Cr3C2, TaC, NbC, VC, ZrC, Mo2C, B4C 등)
• 질화물계 서멧
• 붕소화합물계 서멧
• 규소화합물계 서멧

공구 재료, 절삭 공구 재료, 공구 코팅, 구비조건, 초경합금, 소결 카바이드, 피복방법 (CVD, PVD)

(2) 분산강화형 합금 (Dispersion Strengthened Alloys)

• Al-Al2O3계 분산강화형 합금 (SAP; Sintered Aluminium Powder)

(3) 이방성 활용 합금 (성형단계)

터빈 날개와 같이 원심력이 지속 작용하는 제품의 경우, 길이방향의 인장응력이 지속적으로 가해서 길이방향에 직각인 결정립계에서 크리프 파괴가 시작되기 쉬움
이를 해결하기 위해 정밀주조시 주형의 하부로부터 냉각하여 길이방향에 평행하게 주상정을 만드는 일방향응고법을 응용하여 고온특성을 개선하고 있음 
(주상정이 길이방향으로 성장하여 결정립계에는 거의 응력이 발생하지 않아 높은 크리프 강도를 나타냄) 
혹은 단결정으로 제작하여 고온특성을 향상시킬 수 있음 

(4) 분말야금 (PM합금; Powder Metallurgy)

내열재료의 고강도화를 위해서는 편석에 의한 비균질성을 피해야함
(편석은 합금의 연성, 가공성을 악화시키고 고온 강도도 저하시킴) 
대형 제품(대형 강괴)의 경우 편석을 피할 수 없기 때문에 분말야금 적용을 지속 연구하고 있음

압연 - 조질 압연, 뤼더스밴드, stretcher strain

(5) 구상흑연주철

고온 내산화성, 내변형성, 내열균열성이 뛰어난 주철을 내열주철이라 함 
오스테나이트기지 내열 구상흑연주철 (D-5S, Ni-resist 주철), 페라이트기지 내열 구상흑연주철

오스테나이트기지 내열 구상흑연주철은 니켈 18-37wt%, 크롬 0.1-4% 함유 주철, 고온내산화성, 고온내식성, 고온강도가 요구되는 자동차 배기계 부품에 많이 사용됨, 내열온도 최대 930도, 페라이트계에 비해 높은 내열성, Ni함량이 높아 경제적으로 약점  

니켈을 첨가시 경화능이 증가하고, 오스테나이트기지 조직의 안정성이 확보되고, 페라이트기지 구상흑연주철의 저온 특성을 개선할 수 있음 

페라이트계열은 Si(4-6%)와 Mo(0.5-1%)를 첨가하여 내열성을 향상. 흑연화 조장원소인 Si가 4% 이상 함유하게 되면 페라이트 조직이 상온 안정화가 되고 치밀한 Fe-Si oxide(표면산화층)가 형성되어 내산화성을 높여줌 

Si는 페라이트에서 오스테나이트로 변태하는 A1변태점을 상승시킴. A1변태점은 페라이트기지 내열주철의 사용 상한임. 
Si는 강한 페라이트화 경향으로 탄화물이나 펄라이트 형성이 저해되어, 고온에서 이런 상들의 분해로 인한 팽창 감소 

2024.12.30 - [Mechanical Engineering Study/주조] - 구상흑연주철 (nodular/spheroidal/ductile graphite cast iron, CV주철

2025.01.02 - [Mechanical Engineering Study/열처리 | 금속재료] - 주철의 성질, 주조성, 흑연화 조장 원소, 흑연화 저해 원소, 주철 기지조직, 규소의 영향

주철의 종류, 주철 명칭 KC규격, 합금성분의 성질, 주철형성과정, 주철의 성장, 주철의 수축

 

3. 고찰

 

1) 열차폐코팅 (Thermal barrier coating)

세라믹 등은 내식성이 좋고, 열전도도가 작아 합금표면에 plasma로 피복처리하여 사용중 금속온도의 상승을 막고 내식성을 확보할 수 있음. (세라믹 재료 : ZrO2가 대표적) 
해당 재료가 1100도에서 변태하여 체적 변화를 일으키는 것을 막고 고온상을 안정화하기 위해 MgO, CaO 등을 첨가하여 사용함 

최근 내열합금의 성능 요구사항이 점점 증대하여, 확산처리에 의한 코팅으로는 대응하기 어렵기에 코팅용 합금을 따로 개발하여 이를 모재에 오버레이코팅을 하는 추세임. 
이를 위해 사용되는 합금은 Ni-Cr-Al-Y계, Co-Cr-Al-Y계 등이 있음 
해당 합금들은 기존 확산처리 코팅의 원리와 같이 Al에 의한 내산화성을 NiAl, CoAl 등의 금속간 화합물 형성에 의해 이루는데, 이와 더불어 내부식성, 인성, 열팽창계수, 확산계수 등에서 우수한 특성이 있음 

 

2) 고온 가스 터빈 블레이드의 구비조건, 재질 및 제작방법, 일방향응고법 주조 

초내열합금은 주로 Ni기 합금이며, 𝛄'상이라 부르는 고강도의 결정을 이루고 있음 
𝛄상은 Ni과 동일한 결정구조를 이루고 있으며, Ni원자의 위치에 여러 원자가 무질서하게 치환된 구조임
또한 
𝛄'상은 Ni3Al이라는 금속간 화합물을 기본으로 규칙화된 면심입방구조 (F.C.C)를 이루고 있음 
𝛄량이 20-30%까지는 단조가 가능하지만 그보다 많아지면 소성가공이 곤란하여 주조법을 이용함 

터빈 날개와 같이 고속으로 회전하는 부품의 경우, 원심력이 길이 방향으로 인장응력을 발생시키고, 따라서 고온과 응력이 동시해 가해져 길이방향에 직각인 결정립계가 크리프 파괴의 기점이 될 가능성이 높음 
이를 해결하기 위해 정밀주조시 주형의 하부로부터 냉각하여 길이방향에 평행한 주상정을 형성하는 일방향응고법을 활용하는데, 이를 통해 고온특성을 개선시키며, 단결정을 만들어 고온특성을 개선시키기도 함 
주상정이 <001>방향으로 성장하여, 해당 방향에 응력이 걸리는 상태에서는 결정립계에 거의 응력이 걸리지 않아 높은 크리프 강도를 나타나게 되며 터빈 날개에 일방향 응고법이 주로 사용되는 이유다. 

<결정입도가 고온 특성에 미치는 영향>

미세한 결정립은 변형을 억세하는 능력이 높아 강도는 향상된지만, 크리프 변형은 빠르게 진행됨.
반면 조대한 결정립은 크리프 저항성이 향상되어 고온 환경에서 재료의 수명이 길어짐

고온에서는 원자의 확산이 결정립 경계를 따라 활발히 발생하고, 이에 따라 미세 결정립을 가지고 있는 재료는 경계가 많아 원자의 확산이 촉진되어 고온 강도을 약화시킨다. 

하지만 결정입도가 크면 기계적 성질을 악화시키므로 적절한 결정립 크기를 유지하는 것이 중요하다. 

 

3) 크리프 특성, 크리프 강도

크리프(Creep), 크리프 시험(creep test), 크리프 한도, 크리프 곡선

 

4. 참고 자료

https://romanticdeer.tistory.com/entry/크리프현상Creep

가단주철 (malleable cast iron)

비정질금속 (Amorphous metals)

 

금속의 결정 구조, BCC, FCC, HCP