Development of New Ni-based Cast Superalloy with Low Density and High Temperature Capability for Turbine Wheel in Automotive Turbocharger

자동차 터보충전기 터빈휠용 경량 고내열 주조 Ni기 초합금의 개발

Abstract

In order to compliant the stringent exhaust emission regulations, higher fuel efficiency and cleaner exhaust gas in combustion engines have been required. To improve combustion efficiency, an exhaust gas temperature is increasing, therefore higher temperature resistance is required for components in exhaust system, especially turbine wheel in turbocharger. IN100 looks quite attractive candidate as it has high temperature properties with low density, however it has low castability due to poor ductility at high temperature. In this study, the balance of Al and Ti composition was optimized from the base alloy IN100 to improve the high temperature ductility by expanding the γ single phase region below the solidification temperature, while obtaining the high temperature strength by maintaining the volume fraction of γ' phase equivalent to IN100 around 1000℃. Furthermore, the high temperature creep rupture life increased by adding a small amount of Ta. The alloy developed in this study has high castability, low density and high specific strength at high temperature.

1. 서문

세계적으로 지구온난화대책으로서 탈탄소화가 요구되고 있고, 일본만 하더라도 「2050년 카본중립에 따른 녹색 성장 전략」을 내세워, 각 산업에서 탈탄소화 움직임이 급가속 되고 있다. 자동차산업에서는 이제까지도 CO₂ 삭감에 몰두해왔고, 더욱이 NOx나 SOx 등의 환경에 악영향을 미치는 배기가스 규제에의 대응도 필요하다. 그 규제에 대응하는 기술의 하나로서, 다운사이즈한 직분사 가솔린 엔진과 터보충전기의 조합이 광범위하게 보급되어 있다¹⁾. 더욱이 연소효율을 향상시키기 위해, 극대 연소를 지향한 개발이 행해져 와서, 배기가스 온도는 상승경향에 있다. 그 때문에 터보충전기를 포함하는 배기계 부품에는 보다 높은 내열성이 요구되고 있다²⁾. 터보충전기를 구성하는 부품 중에서도 특히 터빈휠은 고온의 배기가스를 직접 받아 고속회전을 하기때문에, 무엇보다도 높은 내열성이 요구되는 부품이다. 덧붙여, 최근에는 특히 실 주행 연비가 중시되는 경향이 있어, 가속 중 터보충전기의 대응성이 실제 연비향상에 중요하므로 회전체인 터빈휠이 밀도가 작다는 것은 저 관성에 의해 조기에 목표 토크에 도달하는 등 큰 장점이 될 것으로 생각된다.

지금까지 터빈휠에는 Ni기 주조합금인 IN713C가 광범위하게 사용되어왔지만, 터보충전기의 고온화에 따라, 보다 고온재인 Mar-M^※1,1)246의 사용이 증가하고 있다³⁾. 그러나, Mar-M246은 합금성분에 W나 Ta를 포함하기 때문에, IN713C와 비교하여 합금밀도가 높고 가격도 비싼 것이 과제이다. 한편, W나 Ta를 포함하지 않고 IN713C보다도 저밀도이면서 내열성이 우수한 IN100은 터빈휠로서 적합하다고 할 수 있지만, IN100은 주조성이 매우 나쁘고⁴⁾, 복잡하고 얇은 날개형상을 가지는 터빈휠의 주조는 어렵다.

본 개발에서는 IN100을 베이스로 고온강도를 유지하면서 주조성의 개선을 목표로 하여, Ti, Al 및 Ta의 함유량을 변화시켜 기존합금과 비교하여 저밀도, 동시에 우수한 고온특성을 가지며 주조성도 뛰어난 합금을 개발하였기에 보고한다.

2. 실험방법

표 1에 본 연구에서 사용한 합금의 화학조성을 나타낸다. Ti 및 Al은 γ′ 상을 구성하는 주요원소로, Ti+Al의 총량은 γ′상의 석출량에 크게 영향을 주고, Ti와 Al의 비율은 γ′상의 안정성이나 고용한계 온도에 영향을 준다. Alloy 1과 Alloy 2는 Ti+Al을 IN100과 같은 양 (16.5at%)으로 고정하고, Ti/Al비를 IN100의 0.48에서 0.38 (Alloy1) 및 0.19 (Alloy2)로 변화시켰다. Alloy 3과 Alloy 4는 Ti/Al을 IN100과 같게 (0.48) 고정하고, Ti/Al을 IN100의 16.5at%에서 15.0at% (Alloy 3) 및 13.0at% (Alloy 4)로 감소시켰다. Alloy 5 및 6은 Alloy 2를 베이스로 Ta를 각각 0.5 및 1.0wt% 첨가한 것이다. 이들 합금은 진공유도용해법 (VIM)으로 용해하여 30kg 또는 50kg의 주괴로 주조하였다. Ti, Al량의 검토에는 30kg 주괴를, Ta량의 검토에는 50kg 주괴를 이용하였다. 평가용 시편은 주괴 중심 부근의 주조 결함을 피하기 위해 주괴의 표층부근부터 잘라냈다. 최종적으로 가장 특성 및 주조성의 밸런스가 우수한 합금으로 선정한 Alloy 5와 비교용인 기존합금 IN713 및 Mar-M246은 ㈜다이도캐스팅스의 양산주조로를 이용하여 감압흡인주조법으로 실제품과 같은 터빈휠 형상 및 직경 15mm의 원형봉을 주조하여 평가용 재료로 사용하였다. 각 합금의 액상선, 고상선 또는 γ′ 고용한계는 Thermo-Calc사의 열역학평형계산 소프트웨어 “Therm-Calc^※2”를 이용하여 계산하였다. 마이크로조직은 광학현미경 (OM) 및 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 관찰하였다. 인장시험 및 크리프시험은 주조 소재에서 시험편을 채취하여 JIS 시험법에 따라 실시하였다. 인장시험은 N=2개 실시하고, 시험결과의 평균치를 기재하였다. 크리프시험은 N=1개 실시하고, 그 시험결과를 기재하였다.

표 1. 각 합금의 화학조성

3. 결과 및 고찰

3.1 Ti 및 Al의 영향

그림 1에 Thermo-Calc를 이용하여 계산한 액상선, 고상선 및 γ′ 고용한계에 미치는 Ti/Al과 Ti+Al의 영향을 나타낸다. 고상선과 액상선은 Ti/Al 및 Ti+Al의 증가와 함께 감소하지만, γ′ 고용한계는 Ti/Al 및 Ti+Al의 증가와 함께 증가하고, 고상선과 γ′ 고용한계 온도차인 γ단상역은 좁아진다. 그림 2에 동일하게 Thermo-Calc^ⓗ를 이용하여 계산한 각 합금의 1000℃에서의 γ′상의 몰 분률과 γ단상역을 표시한다. IN100의 γ단상역은 조사한 합금 중에서 가장 좁고, IN100을 베이스로 한 합금에서는 TI/Al 및 Ti+Al의 감소와 함께 γ단상역은 증가한다. γ단상역의 증가와 함께 1000℃에서 γ′상 비율이 저하하는 경향이 있지만, Ti+Al을 고정하고 TI/Al을 감소시킨 합금(Alloy 1 및 2)은 Ti/Al을 고정하고 Ti+Al을 감소시킨 합금(Alloy 3 및 4)과 비교하여 γ′상 비율이 높다.

그림 1. Thermo-Calc로 계산한 액상선, 고상선, γ′ 고용한계 온도에 미치는 (a) Ti/Al 및 (b) Ti+Al의 영향

그림 2. Thermo-Calc로 계산한 각 합금의 1000℃에서의 γ′ 몰분률과 γ단상역의 관계

IN100은 IN713C 및 Mar-M246과 비교해서 γ′상을 많이 석출시켜 높은 고온강도를 얻고 있다. 그러나, IN100은 γ단상역이 상당히 좁기때문에 고온에서 연성이 부족하고 주조시의 응고수축 등으로 발생하는 열응력에 기인한 균열 등이 발생하기 때문에, 주조성이 나쁘다고 여겨지고 있다. 따라서, γ단상역의 확보는 연성을 확보하고 주조성을 향상시킬 것으로 생각된다. 터빈휠용으로 양산제조가 가능한 합금으로서 보급하고 있는 IN713C 및 Mar-M246의 γ단상역은 IN100과 비교하여 2배 정도인 것으로부터 양산제조에 충분한 주조성을 확보하기 위해서는 이 합금들의 γ단상역에 가깝게 하는 것이 중요하다고 생각된다. 또한, 일반적으로 Ni기 초합금에서 γ′상 비율은 고온강도를 얻기 위해 중요하다는 것으로부터⁵⁾, γ′상 비율의 큰 감소를 동반하지 않고 γ단상역을 확대하는것이 가능한 Alloy 2가 제조성과 고온특성을 양립시키는 것이 가능할 것으로 기대된다.

그림 3에 IN100 및 Alloy 1~4의 마이크로조직을 표시한다. 모든 합금에서 괴상의 탄화물이 수지상 조직내에 산재하고 있다. IN100에서는 커다란 γ－γ′ 공정이 다수 관찰되는 것에 비하여, 다른 합금에서는 γ－γ′ 공정은 비교적 작고, 적다.

그림 3. (a) IN100, (b) Alloy1, (c) Alloy2, (d) Alloy3 and (e) Alloy4 에서의 주조 상태 조직의 광학현미경 사진

그림 4에 γ단상역과 γ－γ′공정면적률을 표시하지만, γ단상역의 감소에 의해 γ－γ′공정면적률은 증대한다. 특히 γ′상률이 큰 합금에 있어서 과잉 γ－γ′ 공정 형성은 크리프 파단강도를 감소시키기 때문에⁵⁾ γ단상역의 확대는 고온강도의 관점에서도 좋을 것으로 생각된다.

그림 4. 실측한 γ－γ′ 공정면적률과 Thermo-Calc로 계산한 γ단상역의 관계

그림 5에 γ′상의 SEM관찰상을 표시한다. IN100, Alloy 1 및 2에서는 입방체상의 γ′상이 관찰되는 것에 비해, Alloy 3 및 4의 γ′는 구상에 가까운 형태를 보인다. IN100, Alloy 1 및 2는 γ′체적률이 높고, 고밀도로 석출한 입방체상의 γ′상간의 간격이 좁기 때문에 고온강도가 우수할 것으로 생각되지만, Alloy 3 및 4는 γ′상의 체적률이 적고 γ′상이 구형이기 때문에 γ′상간의 거리가 비교적 커져 고온강도가 감소할 것으로 생각된다.

그림 5. (a) IN100, (b) Alloy1, (c) Alloy2, (d) Alloy3 and (e) Alloy4 에서의 주조 상태 의 조직 이차전자상

IN100 및 Alloy 1~4 합금의 1050℃에서의 인장특성과 950℃/180MPa에서의 크리프 파단수명을 각각 그림 6 및 그림 7에 표시한다. Alloy 1 및 2는 0.2% 내력, 인장강도 모두 IN100보다 높은 값을 보이고, Alloy 1이 가장 고강도였다. 한편 Alloy 3 및 4의 0.2% 내력은 IN100보다 낮고, Alloy 4는 0.2% 내력, 인장강도 모두 가장 낮았다. 인장파단연성은 모든 합금이 IN100보다 높은 값을 나타내었고, Alloy 4가 가장 연성이 높았다. 그러나 Alloy 4는 강도가 낮기 때문에, 종합적으로 판단하면 Alloy 2가 높은 강도와 연성을 양립하고 있다. Alloy 1은 IN100에 가까운 크리프 파단수명을 나타내기는 하였지만, Alloy 1에서 4의 어떤 합금도 IN100보다 파단수명은 짧았다.

그림 6. 각 합금의 1050℃에서의 0.2% 내력, 인장강도 및 연성

그림 7. 각 합금의 950℃/180MPa 에서의 크리프 수명

이러한 결과, IN100의 Ti 및 Al량을 변화시킨 합금에서 Alloy 1이 우수한 고온강도를 나타내며, Alloy 2는 고온강도, 크리프수명 모두 Alloy 1에는 약간 못 미치기는 하였지만, 우수한 연성을 가지는 것을 알 수 있었다. 또한, 그림 2의 결과로부터 Alloy 1의 γ단상영역은 IN713C와 비교하여 좁고, IN100에 가까운 값인 것으로부터, 주조성의 개선은 충분하지 않다고 짐작된다. 한편, Alloy 2는 IN713C에 가까운 γ 단상역을 가지므로, Alloy 2가 가장 특성과 주조성의 밸런스가 뛰어나다고 생각된다. 그러나, Alloy 2는 그림 7에 나타낸 것처럼 크리프 수명이 IN100 및 Alloy 1과 비교하여 저수명이었다. 이것을 개선하기 위해 Alloy 2에 강화원소의 첨가를 검토하였다.

3.2 Ta의 영향

γ′상에 고용한 합금원소의 고용강화의 효과는 지금까지 많이 알려져, Hf가 γ′상의 강화에 가장 효과적이다⁶⁾. 그러나, Hf는 굉장히 고가의 원소이고, 미량의 첨가에도 합금 원가에 커다란 증가를 불러온다. Ta도 γ′상에 높은 고용강화능력을 가지는 원소이지만, Hf와 비교하여 비교적 저렴한 가격이다. 그래서, Ta의 첨가효과를 검증하기 위해, Alloy 2에 Ta를 각각 0.5% 및 1.0% 첨가한 Alloy 5와 Alloy 6을 설계하여 평가하였다.

그림 8에 나타낸 것처럼, 1050℃에서 0.2% 내력, 인장강도에 미치는 Ta첨가의 명확한 영향은 보이지 않는다. 한편, 그림 9에 나타낸 것처럼, 크리프 파단수명 및 파단연성은 0.5%의 Ta 첨가에 의해 향상되는 것이 확인되었다. 그러나 1.0%의 Ta를 함유하는 Alloy 6은 인장파단연성, 크리프 파단수명 및 크리프파단연성이 크게 저하한 것으로부터, Ta의 최적 첨가량은 0.5%부근이라고 생각된다. 이러한 결과로부터 최종적으로 Alloy 5를 후보합금으로 선정하였다.

그림 8. 1050℃에서의 Alloy2 의 0.2% 내력, 인장강도 및 연성에 미치는 Ta의 영향

그림 9. 950℃/180MPa 에서의 Alloy2 의 크리프 파단시간 , 연성에 미치는 Ta의 영향

3.3 개발합금의 특성

Alloy 5를 양산주조로에서 직경 15mm의 원형봉시편 및 실제품의 터빈휠로 주조하였다. 터빈휠 형상에 주조 균열 등의 결함이 발생하지 않고, 거의 IN713C와 동등한 주조성을 가지는 것이 확인되었다.

표 2에 Alloy 5와 비교용인 기존합금, IN713C와 Mar-M246의 밀도를 표시한다. Alloy 5의 밀도는 IN713C보다도 약간 작지만, Mar-M246과 비교하면 약 9% 작다. 고속으로 회전하는 터빈휠에서는 자중에 의해 발생하는 원심력이 주요한 발생 응력이므로 밀도가 작은 것은 터빈휠 각부분에 발생하는 응력자체를 저감하는 효과가 있을 것으로 생각된다. 그림 10에 Alloy 5, IN713C 및 Mar-M246의 1050℃에서의 0.2% 내력 및 인장강도를 각각의 합금 밀도로 나눈 비응력으로 표시한다. Alloy 5의 0.2% 내력을 비응력으로 환산하면 Mar-M246과 거의 같고 인장강도를 비응력으로 환산한 값은 IN713C과 Mar-M246의 거의 중간 정도이다. 그림 11에 각 온도에서의 크리프 파단시간을 라슨밀러지수 (C=20)으로 계산한 값을 가로축에, 그때의 부가응력을 밀도로 나눈 비응력을 세로축으로 그린그래프를 표시한다. Alloy 5의 크리프 수명은 어떤 비응력에서도 IN713C보다 고수명이고, 비응력이 낮은 영역에서는 Mar-M246보다 약간 저수명이지만, 비응력이 높은 영역에서는 Mar-M246과 거의 동등하다.

표 2. 각 합금의 밀도.

그림 10. 1050℃에서의 각 합금의 비강도

그림 11. 각 합금의 비응력 환산 한 크리프과단수명

4. 결론

IN100의 특성에 영향을 미치는 Ti, Al 및 Ta의 영향을 조사한 결과, Ti+Al을 유지한 채 Ti/Al비를 변동시킨 Alloy 2에서 고온연성과 고온강도의 좋은 밸런스를 얻을 수 있었다. 더욱이 이 합금에 Ta를 적량 첨가한 Alloy 5는 크리프 특성이 개선되고, 저밀도이면서 Mar-M246에 필적하는 고온특성을 가지는 합금을 개발하였다.

본 합금은 W를 포함하지 않는 Ni기 초합금으로서는 밀도가 작기 때문에, 경량으로 저관성인 터빈휠의 제조가 가능하다. 밀도가 작으므로 고속회전 시에 발생하는 원심응력을 낮출수 있고, 고유진동수가 높아 터빈의 상한회전수를 높힐 수 있어, 고속·고부하시의 터보 효율 향상에 공헌할 수 있을 것으로 생각된다. 나아가, 경량이기에 엑셀의 온/오프에 대한 응답성이 좋고, 가속 중 연비성능의 향상에도 공헌할 것으로 기대된다. 이상으로, 본 합금은 앞으로의 터보 충전기의 고온화 및 고성능화에 대응 가능할 것으로 기대된다. 본 합금은 ㈜다이도캐스팅의 등록상표인 「Licaloy^ⓗ」 라는 터빈휠제품으로서 제품화가 진행되고 있고, 현재 터보메이커에서 실용화를 향한 평가가 진행되고 있다.

본 보고는, 다이도특수강기보 「전기제강」⁷⁾에 투고한 내용을 수정하여 옮겨 기재한 것이다.