• Journal of Welding and Joining
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• v.15 no.5
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• pp.46-55
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• 1997

This study has evaluated the liquation cracking behavior in the heat affected zone of several Ni base superalloys (Incoloy 825, Inconel 718 and Inconel 600). 304 and 310S austenitic stainless steels were also included for comparison. In addition, the mechanism of liquation cracking in the HAZ was postulated based on the extensive microstructural examinations with SEM, EDAX and TEM. The liquation cracking resistance of Ni base alloys was found to be far inferior to that of austenitic stainless steels. The liquation cracking of Incoloy 825 and Inconel 718 was believed to be closely related with the Laves-austenite(Ti rich in 825 and Nb rich in 718) and MC-austenitic eutectic phases formed along the grain boundaries by constitutional liquation and incipient melting under rapid welding thermal contraction. Further, liquation cracking resistance of the HAZ was dependent not only upon the type and amount of low melting phases but also on the grain size.

• Proceedings of the KWS Conference
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• 2008.05a
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• pp.7-7
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• 2008

• Journal of Welding and Joining
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• v.22 no.2
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• pp.59-68
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• 2004

Plasma transferred arc welding (PTAW) has been taken into consideration for repairing Ni-based superalloy components used gas turbine blades. Various cracks has been generally reported to be found in the base metal heat affected zone(HAZ) along grain boundary. Thus, hot cracking susceptibility of Ni-based superalloys was evaluated according to heat treatments. Hot ductility test was conducted on specimens with solution treated at 112$0^{\circ}C$ for 2 hours and aging treated at 845$^{\circ}C$ for 24hours after solution treatment. The results of the hot ductility test appeared that solution treated specimens were the highest ductility recovery rate among three conditions. The loss of ductility at high temperature in Ni-based superalloy was mainly controlled by the degree of pain boundary wetting due to constitutional liquation of MC carbide precipitates. Meanwhile, the highest ductility recovery rate in solution-treated alloys seems to be lack of M23C6, which can be dissolved during heating and then result in the local enrichment of Cr in the vicinity of the grain boundary.

• Proceedings of the KWS Conference
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• 2003.05a
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• pp.40-42
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• 2003

In general, nickel-base superalloy has been extensively used as land-based gas turbine blades and vanes. Plasma transferred arc welding(PTAW) has been considered as a repair welding process of nickel-base superalloy. This research evaluated the relationship between hot ductility behavior and hot cracking susceptibility in nickel-base superalloys. Ductility recovery rate of nickel base superalloys was found to be poor due to incipient melting and constitutional liquation. This seems to increase the hot cracking susceptibility.

• Proceedings of the KWS Conference
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• 2002.10a
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• pp.235-243
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• 2002

Ni-base superalloys are used extensively in industry, both in aeroengines and land based turbines. About 60% by weight of most modern gas turbine engine structural components are made of Ni-base superalloys. To satisfy practical demands, the efficiency of gas turbine engines has been steadily and systematically increased by design modifications to handle higher turbine inlet or firing temperatures. However, the increase in operating temperatures has lead to a decrease in the life of components and increase in costs of replacement. Moreover, around 80% of the large frame size industrial/utility gas turbines operating in the world today were installed in the mid-sixties to early seventies and are now 25 to 30 years old. Consequently, there are greater opportunities now to repair and refurbish the older models. Basically, there are two major factors influencing the weldability of the cast alloys: strain-age cracking and liquation cracking. Susceptibility to strain-age cracking is due to the total Ti plus AI content of the alloy; Liquation cracking is due either to the presence of low melting constituents or constitutional liquation of constituents. Though Rene 41 superalloy has 4.5wt.% total Ti and Al content and falls just below the safe limit proposed by Prager et al., controlled grain size and special heat treatments are needed to obtain crack-free welds. Varying heat treatments and filler materials were used in a laboratory study, then the actual welding of service parts was carried out to verity the possibility of crack-tree weld of components fabricated from Rene 41 superalloy. The microstructural observations indicated that there were two kinds of carbides in the FCC matrix. MC carbides were located along the grain boundaries, while M$_{23}$C$_{6}$ carbide was located both inter and intra granularly. Two kinds of filler materials, Rene 41 and Hastelloy X were used to gas tungsten arc weld a patch into the sheet metal, along with varying pre-weld heat treatments. The microstructure, hardness and tensile tests were determined. The service distressed parts were categorized into three classes: with large cracks, with medium cracks and with small or no visible cracks. No significant difference in microstructure among the specimens was observed. Specimens were cut from the corner and the straight edge of the patch repair, away from the corner. The only cracks present were found to be associated with inadequate surface preparation to remove oxidation. Guidelines for oxide removal and the welding procedures developed in the research enabled crack-free welds to be produced.d.

• Proceedings of the KWS Conference
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• 2010.05a
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• pp.73-73
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• 2010

합금원소가 다량 첨가된 고합금강, 스테인리스강, Ni기 초내열합금 등은 용접시 혹은 후열처리 동안 열영향부 (HAZ: heat-affected-zone)에서 결정립계를 따라서 액화균열이 종종 발생한다. 이러한 액화균열은 급속한 가열시 HAZ의 결정립계가 국부적으로 용융되어 액상필름을 형성하고, 냉각시 수축으로 인한 인장구속응력에 의해 필름을 따라서 균열이 발생하여 생성된다. HAZ 결정립계 액화는 탄화물, 황화물, 인화물, 보론계 화합물 등이 급가열시 기지와의 반응에 의해 표피 액상을 형성하는 조성적 액화 (constitutional liquation)에 의한 액상의 결정립계 침투로 설명되거나, 결정립계 자체의 용융점을 상당량 낮추는 보론(B), 인(P), 황(S)등의 편석에 의한 국부적 입계 용융으로 주로 연관 지어 해석한다. HAZ 액화균열은 고온 입계균열 현상이므로, 결정립계의 특성에 따라 크게 영향을 받으며 결정립계 character 설계에 의해 액화균열 저항성을 개선시킬 수 있음을 유추할 수 있다. 한편, 본 연구자들은 최근 Ni기 초내열합금에 있어 입계 serration 현상을 새롭게 발견하였으며, 이론적 접근법을 통해 serration을 위한 특별한 열처리 방법을 개발하였다. 형성된 파형입계는 결정학적인 관점에서 조밀 {111} 입계면을 갖도록 분해 (dissociation)되어 낮은 계면에너지를 갖게 됨을 확인하였으며, 입계형상 변화뿐만 아니라 탄화물 특성변화까지 유도하여 크리프 수명을 기존대비 약 40% 정도 향상시킴을 확인하였다. 본 연구에서는 이러한 직선형 입계 대비 'special boundary'로 간주되는 파형입계가 도입될 경우, 보론 편석 및 HAZ 액화거동에 미치는 영향을 고찰하고자 하였다. SIMS (secondary ion mass spectrometry)를 이용하여 열처리 직후 결정립계 보론편석 정도를 비교하였다. 파형입계 시편의 경우, 일반직선형 시편에 비해 결정립계에 보론편석 저항성이 우수함을 확인할 수 있었다. 재현 HAZ 열사이클 시험을 통해 미세조직을 정량적으로 분석하였다. 파형입계 시편 및 일반직선형 시편 모두 최고온도 $1060^{\circ}C$이상부터 입계 탄화물이 기지내로 완전 용해되고 입계가 액화되기 시작하였다. 최고온도별로 입계액화비율을 정량적으로 비교한 결과, 파형입계가 직선입계 대비 훨씬 낮음을 확인할 수 있었으며, 때때로 액화된 필름이 입계를 따라 전파되지 않고 부분적으로 단락되어 있음이 관찰되었다. 액화시험 후 투과전자현미경을 이용한 EDS (energy dispersive spectrometry) 분석을 통해 결정립계 액화의 주요원인은 입계 $M_{23}C_6$의 조성적 액화반응 보다는 보론 편석 (원자 및 $M_{23}(CB)_6$)으로 인한 결정립계 국부용융이 더 유력함을 유추할 수 있었다. 따라서 상기 결과로부터 입계구조가 안정되어 계면에너지가 낮은 파형입계가 보론편석에 대한 저항성이 우수하였으며, 이러한 결과는 액화 저항성에 대응되어 영향을 미침을 알 수 있었다. 게다가 파형입계에 액상 필름이 생성되더라도 낮은 계면에너지에 의해 비롯된 상대적으로 낮은 적심성 (wettability)에 의해 필름이 쉽게 전파되지 않음을 'Smith 입계 wetting 이론'을 이용하여 해석할 수 있었다.

• Proceedings of the KWS Conference
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• 2009.11a
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• pp.43-43
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• 2009

단련용 다결정 Ni기 초내열합금은 우수한 가공성, 내산화성, 고온특성 등으로 가스터빈 연소기, 디스크, 증기발생기 전열관 등 발전용 고온부품 소재에 널리 적용되고 있다. 최근 발전설비의 고효율화를 꾀하기 위해 작동 온도를 현격히 증가시키는 기술방향으로 발전하고 있고, 소재측면에서는 기존의 초내열합금 대비 고기능성을 확보할 수 있는 차세대 Ni기 초내열합금 개발이 유럽, 미국, 일본, 중국 등을 중심으로 활발히 이루어지고 있다. 이러한 소재의 고온강도 (온도수용성)를 향상시키기 위해서는 통상 규칙격자 금속간화합물인 $Ni_3(Al,Ti)-{\gamma}'$상의 분율을 증가시킬 수 있지만, ${\gamma}'$상분율이 증가할 경우 용접 및 후열처리 동안 용접열영향부 (HAZ)에서 액화균열이 발생할 가능성이 높아진다. 결정립계를 따라 발생하는 HAZ 액화균열은 입계특성에 의해 크게 영향을 받을 것으로 판단된다. 한편, 본 연구자들은 최근 입계 serration 현상을 단련용 합금에 도입시키는 특별한 열처리를 이론적 접근법을 통해 개발하였다. 형성된 파형입계는 결정학적인 관점에서 조밀 {111} 입계면을 갖도록 분해 (dissociation)되어 낮은 계면에너지를 갖게 됨을 확인하였으며, 입계형상 변화뿐만 아니라 탄화물 특성변화까지 유도하여 크리프 수명을 기존대비 약 40% 정도 향상시킴을 확인하였다. 이러한 직선형 입계 대비 'special boundary'로 간주되는 파형입계가 도입될 경우, HAZ 결정립크기 변화 및 액화거동에 미치는 영향을 고찰하고, 아울러 입계특성 제어가 용접성/용접부 품질 향상에 기여할 수 있는 가능성도 토의하고자 하였다. 본 연구에서는 재현 HAZ 열사이클 시험을 통해 미세구조를 정량적으로 비교하였다. 상대적으로 입계구조가 안정된 파형입계의 이동속도가 高계면 에너지를 갖는 직선형 입계보다 느려 HAZ 결정립 성장이 효과적으로 억제됨을 확인할 수 있었다. 입계 액화거동을 살펴보면, 두 시편 모두 $M_{23}C_6$, MC 등 입계탄화물 계면이 빠른 승온중 액화반응 (constitutional liquation)에 의해 입계가 액화되었으며, 이후 급냉에 의해 입계에 액상막이 존재한 흔적이 발견되었다. 최고온도별로 입계액화 폭/비율을 정량적으로 비교한 결과, 파형입계가 직선입계 대비 대체로 낮음을 확인할 수 있었으며, 때때로 액화되지 않고 잔존하는 입계 탄화물이 관찰되었다. 재현 HAZ 미세조직을 통해 Hot ductility 시험 결과를 유추하자면, 파형입계가 직선입계 보다 좁은 취성온도영역 (Brittle Temperature Range)을 나타낼 것으로 예상되어, 입계특성제어에 의해 Ni기 초내열합금의 용접성을 향상 가능성을 확인하였다.