Effect of Initial Solidification Condition During Directional Solidification on the Grain Growth and the Tensile Properties of Superalloy CM247LC

초내열합금 CM247LC의 조직 및 인장특성에 미치는 초기 일방향응고 조건의 영향

Abstract

Initial solidification condition during directional solidification of superalloy CM247LC was controlled with various cooling methods such as insertion of alumina disc or Ni foil or inoculant, and direct pouring of melt onto chill plate. Rapid cooling with direct pouring of melt onto chill plate resulted in generation of many fine grains and precipitation of fine γ' particles, as well as small dendrite arm spacing. Tensile properties of directionally solidified superalloy CM247LC were closely related to microstructure which was governed by initial solidification conditions. Directionally solidified CM247LC with small dendrite arm spacing and fine precipitates showed good tensile properties.

일방향응고 초내열합금 CM247LC의 응고조건에 따른 조직과 기계적 특성을 고찰하기 위해 초기 응고조건을 인위적으로 변화시켜 일방향응고를 진행하였다. 초기 응고 조건은 알루미나 판의 삽입, 접종재의 삽입, Ni foil의 삽입과 냉각판에 직접 주입 등으로 조절하였으며, 이에 따라 초기 결정립의 수의 많은 차이를 보였으며 응고방향과 평행으로 성장하는 결정립의 형태 및 γ' 석출상의 크기 등에서도 많은 차이를 보였다. 냉각속도가 빠른 용탕의 냉각판에 직접 주입한 경우 많은 결정립, 미세한 γ'상 및 γ-γ'공정상 등이 나타났다. 빠른 냉각은 고체/액체 사이의 온도구배를 증가시켜 일방향응고 후 1차 수지상 간격을 미세하게 함으로써 우수한 인장특성을 갖게 하였다.

1. 서론

가스터빈의 핵심부품인 터빈 블레이드와 베인 등은 고온에서 높은 응력과 부식성 환경에서 장시간 사용된다. 특히 원심력과 열응력이 반복적으로 작용되는 터빈 블레이드와베인은 그 응력 하에서 수명을 최대화하기 위해 초내열합금으로 일방향응고 혹은 단결정 응고하여 제조하는 것이 일반적이다.

1970년대 초 Martin Metals Corporation에서 개발된 초내열합금 Mar-M247은 γ' 부피 분율이 약 62%, 내화원소 (Ta+W+ Mo) 함량이 약13.7%로 우수한 크리프 특성, 주조성, 내산화성을 가진 합금이지만 일방향응고에 따라 형성된 입계에서 균열이 발생할 수 있고 고온에서 탄화물의 안정성이 부족한 단점이 있다. 초내열합금 CM247LC는 MAR-M247을 기초로 일부 성분을 조정하여 이와 같은 단점을 보완하여 Cannon-Muskegon에서 일방향응고에 적합하도록 개량한 합금이다 [1]. 즉, 주조공정 중의 입계균열 생성을 막기 위해 Zr과 Ti 함량을 낮추고 Si과 S 등의 불순물의 최소함량을 낮추었다. 또한 C 함량을 조절하여 상온에서 중온 영역까지의 온도 범위에서 연성을 개선하였으며 W 함량을 조절하여 판상으로 생성되는 M₆C 양을 감소시켰다 [2,3].

일방향응고는 용융점 이상 고온으로 유지된 로 (furnace)에서 액체상태의 초내열합금이 채워진 주형의 하부를 냉각시켜 일정 이상의 온도구배 (thermal gradient Gv)를 형성하면서 서서히 발췌하여 결정이 주형의 길이방향으로 성장하도록 한다. 일방향응고의 원리는 하부의 냉각에 따라 열전달이 일어나고 로에서 발췌에 따라 열전달의 반대방향으로 결정이 성장하게 하는 것이다. 초기 용탕이 주형에 주입됨에 따라 응고 시작부위에 많은 결정이 생성되지만 응고의 진행에 따라 열전달방향과 결정의 성장방위가 일치하는 결정립은 지속적으로 성장하고 일치하지 않는 결정립들은 성장이 억제되어 최종적으로 주조품에는 결정의 우선 성장이 일어난 몇 개의 결정립만 길이 방향으로 성장하여 남게 된다 [4-6].

이와 같이 최종적인 일방향응고 결정립들의 수, 크기 및 방위는 초기 응고조건에 영향을 받으며, 특히 응고초기에 형성된 결정립들의 수에 따라 최종 응고 조직과 기계적 특성이 결정된다. 따라서, 최종 응고조직과 상온 및 고온 인장 특성에 미치는 영향을 고찰하기 위하여 실제 일방향응고 주형의 응고 시작 부위의 냉각을 조절하여 초기 응고 결정립을 조절하였으며, 터빈 블레이드로 주조 후 응고조직과 기계적 특성을 최적화하고자 하였다.

2. 실험방법

본 연구에 사용된 CM247LC 모합금은 미국 Cannon-Muskegon에서 제작하였으며 그 조성은 Table 1과 같다.

Bridgman방식의 일방향 진공용해주조로 (VIM: Vacuum Induction Melting and Directional Solidification)에서 상기 모합금을 용해 후 진공상태에서 일방향응고를 진행 하였다. 일방향응고는 Fig. 1과 같은 형태의 주형을 냉각판 (chill plate) 위에 장착하여 1,500ºC로 가열한 후 주형에 용탕을 주입하여 1,500ºC로 유지하면서 300mm/hr의 속도로 인출하였다. 일방향응고 중 초기 결정립을 제어하기 위해 주형과 냉각판 사이에 각각 1.0mm 두께의 알루미나 판, Ni foil, TiAl₂O₃ 접종제를 두어 주입 후 용탕이 냉각판에 의해 급속히 냉각되는 것을 인위적으로 조절하였으며 이들 결과를 용탕을 직접 냉각판에 접촉한 경우와 비교하였다.

Fig. 1. Scheme of directional solidification mold.

Table 1. Chemical composition of master ingot (wt%).

일방향응고된 시편들의 응고 시작부 (starting block) 횡단면과 종단면을 90C%HCl-10%H₂O₂ 용액에서 부식한 후 마크로 조직을 관찰하였다. 미세조직은 응고 시작부 뿐 아니라 봉상시편의 각 부분을 정밀 연마 (1um polishing)하여 Kalling 용액 (2g CuCl₂, 40ml HCl, 40ml ethanol, 40 ml H₂O)으로 부식하여 관학현미경 (Opitical Microscope: Nikon / ECLIPSE MA200) 및 주사전자현미경 (SEM: Scanning Electron Microscope: JEOL)에서 결정립 및 석출상과 응고상 등을 관찰하였다.

일방향응고 방향과 평행하게 시편을 채취하고 Fig. 2와 같이 열처리하였다. 열처리는 1×10^-4mmHg의 진공상태에서 용체화처리, 1차 시효처리, 2차 시효처리를 각각 진행하였다. 용체화처리는 용질원소들을 충분한 확산에 의해 고용시키고 초기용융(Incipient melting)을 방지하기 위해 4단계에 걸쳐 진행하였다. 봉상 시편들은 ASTM E8M에 따라 가공하여 만능시험기 (UTM, Instron 5882)에서 상온 및 고온 (760ºC)에서 인장시험을 하였다. 인장시험 후 종단면을 조직을 관찰하여 응고변수에 따른 차이점을 분석하였다.

Fig. 2. Heat treatment cycle.

3. 결과 및 고찰

3.1. 마크로 조직관찰

각 조건으로 일방향응고시킨 응고 시작부의 마크로 조직은 Fig. 3과 같다. Fig. 3의 종단면조직에서 응고방향으로 성장하는 결정립들의 차이를 확인할 수 있다. 알루미나 판을 삽입한 Fig. 3(a)는 결정립들이 아주 조대하고 성장방위가 불규칙적이다. 반면 Fig. 3(b), (c), (d)는 초기에 많은 결정들이 형성된 것은 유사하나 (c)를 제외한 다른 조건들은 결정립들이 응고방향에 평행하게 성장되지 못하고 응고의 진행에 따라 부분적으로 횡방향의 방사형으로 성장하는 것을 (b) , (d)에서 확인할 수 있다. 이는 Cu 냉각판 (chill plate)으로 충분한 열전달이 이루어지면 우선 성장 방위의 결정립들이 길이 방향으로 잘 성장하지만 (Fig. 3(c) ) , 알루미나판, Ni foil, 접종제 등에 의해 Cu 냉각판으로 열전달이 불충분하여 횡방향 주형두께 방향으로 복사에 의한 열손실이 일어나 (진공 상태에서는 대류에 의한 열전달이 없음에 따라) 주형 표면으로 결정립의 성장이 일어난 것 (Fig. 3(a), (b), (d))으로 판단된다. 특히 Cu 냉각판으로 열전달이 가장 늦은 알루미나판을 삽입한 Fig. 3(a)는 길이방향의 열전달이 상대적으로 부족하여 횡방향으로 응고가 상당히 진행되어 결정립의 성장이 일어나 조대한 결정립을 형성하고 있다.

Fig. 3. Macrographs at the starting block. (a) insertion of Alumina disc 1.0mm, (b) insertion of Ni foil, (c) direct cooling to copper chill plate and (d) insertion of inoculant.

이는 Fig. 4의 초기 응고 시작부에서 결정립의 수 및 크기와도 잘 일치한다. Fig. 3 및 Fig. 4에서 용탕의 응고가 시작되는 부분에서 결정립의 수가 알루미나 삽입<접종제 삽입<Ni foil 삽입<직접 냉각 순으로 증가한다. 역으로 결정립의 크기는 감소한다. Fig. 4와 같이 용탕의 주입과 함께 과냉에 의해 초기에 형성된 여러 결정립들 중에서 열전달이 일어나는 길이방향과 평행한 <001> 방위를 갖는 결정립들만 성장하여 주상정으로 일방향응고 조직을 갖는다. 따라서 초기에 많은 수의 결정립들 중에서 직접 냉각>Ni foil 삽입>접종제 삽입>알루미나 삽입 순으로 <001>방위와 열전달방향이 일치하는 결정립 수가 많기 때문에 이와 같은 순으로 잘 정리된 일방향응고 조직을 갖는다.

Fig. 4. EBSD results at the bottom of starting block, showing difference in number of grains. (a) insertion of Alumina disc 1.0mm, (b) insertion of Ni foil, (c) direct cooling to copper chill plate and (d) insertion of inoculant.

이와 같은 초기 결정립의 수와 방위가 실제 시편부의 결정립의 수와 크기 및 방위에 큰 영향을 미친다. 뿐만 아니라 차후에 언급될 1차 수지상의 간격도 응고조건에 큰 영향을 받는다. 실제로 봉상 시편이 시작되는 부위의 결정립 수는 Fig. 4와 같이 직접 냉각>Ni foil 삽입>접종제 삽입>알루미나삽입 순으로 감소하고 있다.

응고조건이 기계적 성질에 영향을 미치는 요인 중 가장 중요한 것은 1차 수지상의 간격과 초기 응고 후 고체상태의 냉각속도라고 할 수 있다. 하부 냉각판으로 열전달이 빠를수록 고체에서의 냉각도 빨라서 γ'상의 석출물이 미세해진다. Fig. 5의 γ'상의 크기를 비교해보면 냉각속도가 빠른 직접 냉각이 가장 작고, 다음으로 Ni foil 삽입, 알루미나 디스크 삽입 순서로 커진다. 이는 용체화 처리 및 시효처리에 의한 석출물의 재고용과 미세하고 균질한 재석출이 γ'의 크기가 미세할수록 용이하기 때문이다. 또한 냉각속도가 늦으면 응고 중에 형성되는 MC 탄화물과 γ/γ'공정상도 조대하게 성장되어 기계적 성질에 나쁜 영향을 준다. Fig. 5에서 냉각 속도가 늦은 알루미나 디스크를 삽입한 것이 MC 탄화물이 가장 크고, 다음으로 Ni foil 삽입, 직접 냉각 순으로 작아진다.

Fig. 5. SEM macrographs at the starting block for each cooling condition, showing difference in γ' size in the as-cast condition. (a) insertion of Alumina 1.0mm disc, (b) insertion of Ni foil and (c) direct cooling to copper chill plate.

3.2. 기계적 성질과 응고조직의 관계

이상의 조건으로 일방향응고 주조한 CM247LC 봉상시편을 가공과 Fig. 2의 조건으로 열처리 후 상온 및 760ºC에서 인장시험하였다. 인장시험한 결과는 Fig. 6과 같다.

Fig. 6. Tensile properties of DS CM247LC with various cooling conditions. (a) Yield strength (YS), (b) Ultimate tensile strength (UTS) and (c) Fracture elongation (%).​​​​​​​

상온 항복강도 및 인장강도는 냉각속도가 가장 빠른 직접 냉각한 시편이 가장 우수하였으며 냉각이 상대적으로 늦은 알루미나 디스크를 삽입한 시편에서 상대적으로 낮은 값을 보인다 각 조건에 따라 큰 차이는 없으나 상온 강도에서 냉각속도에 따른 차이가 있음을 확인할 수 있었다.

고온 항복강도 및 인장강도 역시 냉각속도가 가장 빠른 직접 냉각 시편에서 가장 우수하였고 알루미나 판을 사용하여 인위적 냉각속도를 늦춘 경우가 가장 낮았다. 이는 응고 후 조직과 관련이 있을 것으로 판단된다. 일반적으로 고온 기계적 특성은 결정립이 조대한 경우가 결정입계의 면적이 상대적으로 적어 우수한 것으로 알려져 있으나 냉각 속도가 늦은 경우 결정립은 크지만 오히려 기계적 특성이 낮은 것을 확인할 수 있다. 이는 일반적으로 결정립도와의 관계에서 많은 결정립을 갖는 단련용 (wrought) 소재에서 적용이 가능하지만, 이와 같이 주조하여 결정립이 상대적으로 조대한 경우 결정립도의 영향보다는 오히려 미세 조직이 더 많은 영향을 미친 것으로 사료된다. 특히 응고조직에서 언급한 바와 같이 응고조건에 따라 MC 탄화물, γ' 상의 크기, γ/γ'공정상 크기 및 1차 수지상의 간격 등이 기계적 특성에 중요한 역할을 할 수 있다.

따라서 인장 파단 후 시편을 응력과 평행하게 절단하여 그 조직의 차이를 Fig. 7과 같이 관찰하였다. 종단면 조직에서 결정립의 크기는 직접 냉각<Ni foil 삽입<접종제 삽입 <알루미나 디스크 삽입 순으로 큰 것을 확인할 수 있다. 결정립의 크기와 인장특성의 명확한 관계를 찾을 수 없다 이는 위에서 언급한 바와 같이 주조소재는 결정립이 크기 때문에 큰 영향이 없었던 것으로 판단된다. 반면 1차 수지상간격 (Primary dendrite arm spacing: PDAS)은 직접냉각<Ni foil 삽입<접종제 삽입<알루미나 디스크 삽입 순으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 일반적으로 일방향응고 또는 단결정 초내열합금 소재에서 1차 수지상의 간격 (PDAS)은 응고조건에 크게 영향을 받는다. 즉, 응고속도가 빠르고 고체/액체 계면에서 온도구배 (Termal gradient)가 높으면 수지상의 간격이 줄어들고, 따라서 상대적으로 균일하고 미세한 조직이 된다 [4]. 본 연구에서 응고속도는 일정하게 (300mm/hr) 유지하였지만 온도구배는 인위적으로 조절하여 각 조건마다 다르게 한 것이 이와 같은 1차 수지상 간격의 차이를 일으킨 것으로 사료된다. 수지상 간격이 좁을수록 기계적 성질이 우수하다. 따라서 이와 같은 인장 강도의 차이는 수지상 간격에서 기인된 것으로 사료된다.

Fig. 7. Micrograph parallel to the solidification direction (stress direction) after room temperature tensile fracture. (a) insertion of Alumina disc 1.0mm, (b) insertion of Ni foil, (c) direct cooling to copper chill plate and (d) insertion of inoculant.​​​​​​​

4. 결론

실제 주조공정에서 발생할 수 있는 경우를 모사하기 위하여 일방향응고 중 초기 응고조건을 조절하여 결정립의 성장과 인장특성을 조사하였으며 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

1) 용탕이 직접 냉각판에 주입되는 경우가 초기에 많은 결정립의 생성과 함께 응고방향으로 결정립들이 잘 성장되었다.

2) 냉각을 늦춘 응고조건에서는 MC 탄화물과 γ 상 등이 과도하게 성장되어 최종 기계적 특성을 저하시킨 것으로 사료된다.

3) 냉각을 늦춘 응고조건에서 열처리 후 상온 및 고온 인장강도가 낮게 나왔으며 이는 온도구배의 감소로 인해 수지상 간격이 넓음 것에 기인한 것으로 판단된다.

4) 일방향응고에서 용탕을 직접 냉각판에 주입하는 것과 같이 온도구배를 높이는 주조조건의 조직과 기계적 특성이 가장 우수하였다.

감사의 글

이 논문은 2021~2022년도 창원대학교 자율연구과제 연구비 지원으로 수행된 연구결과임.