소재강국 실현을 위한 FRONTIER. 재료 전문 종합연구기관.

금속재료연구본부

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실장 서성문

연구실 소개

고온재료연구센터는 고온 구조재료의 첨단 고성능화 및 내환경성 향상을 위한 소재 및 공정개발을 목표로 고온용 초내열합금 개발, 제조공정 최적화, 특성 및 손상원인 분석 등의 연구를 수행하고 있음. 주 응용 분야는 산업/발전용 가스터빈, 우주항공용 엔진, 국방소재 등으로 특히 미래 에너지플랜트 분야인 원자력, 수소플랜트, 차세대 화력발전 등에서도 고온 구조재료의 중요성이 부각되어 응용분야는 점차 확대되고 있음.

055-280-3325

주요 실적

Re 저감 단결정 초내열합금 및 열차폐코팅 관련 국내외 특허 출원 4건, 등록 1건, 논문 4건 게재
에너지플랜트용 초내열합금 소재 관련 국내특허 출원 1건, 등록 1건, 논문 2건 게재
차세대 발전소재 및 초내열합금 심포지엄 (10/25, 대구 컨벤션센터)
가스터빈 클러스터 소재/제조분과 워크샵 (5/17, 창원 컨벤션센터)

주요 연구분야

희유원소 저감 단결정 초내열합금 개발
고효율 에너지플랜트용 내환경 초내열합금 개발
초내열합금 3D 프린팅 기술 개발
J 급 가스터빈용 단결정 초내열합금 개발

향후 연구계획

  • Re-free 저비용 고성능 단결정 초내열합금 개발
  • 발전용 가스터빈 고온 부품용 소재 물성 시험 인프라 및 DB 구축
  • 니켈기 초내열합금의 3D 프린팅 및 후처리 공정기술 개발
  • 에너지플랜트용 초내열합금 : 현안문제 해결을 위한 실용화 요소기술 연구

연구개발 추진실적

가스터빈용 희유원소 저감 다목적 고온 소재 및 열차폐코팅 공정 기술 개발

[과제 소개]

  • Re (레늄) 등 희유 전략원소의 함량을 2세대 단결정 초내열합금 대비 절반으로 줄이면서 고온 크리프 특성과 피로 특성이 우수한 단결정 초내열합금 개발

[기술개발 내용 및 특징, 성과]

  • Re을 1.5%로 저감하면서 상용 3% Re 합금과 크리프 특성과 피로특성이 대등한 우수한 특성의 단결정 초내열합금 개발
  • 고온에서의 장시간 열간노출 후에도 TCP상의 생성이 상용합금 대비 적어서 열적 안정성이 우수하였음.
  • 개발 단결정 합금과 상용 본드 코팅과의 계면에서 상용합금 보다 좁은 계면 반응층 두께를 나타내어 계면 적합성이 우수하였음.
상용합금(CMSX-4)와 개발합금의 크리프 특성
고온 크리프 시험 후 개발합금 미세조직

고효율 에너지플랜트용 니켈기 초내열합금 개발

[과제 소개]

  • 주증기온도 760℃급 고효율 스팀터빈의 핵심부품 적용을 위해 반복산화 및 스팀산화와 같은 내환경성이 우수하면서 크리프 특성이 우수한 석출강화형 단련용 니켈기 초내열합금 및 공정기술 개발을 목표로 함.

[기술개발 내용 및 특징, 성과]

  • 스팀산화 저항성과 반복산화 저항성이 벤치마킹 합금인 Haynes 282에 비해 각각 121%, 125% 우수할 뿐만 아니라 760℃-100,000시간 크리프 강도가 124% 우수한 니켈기 초내열합금을 개발하였음.
  • 1130℃ 이상의 성형온도에서 1/s 이상의 변형률 속도로 결함 없이 성형할 수 있는 우수한 열간 성형성을 가짐.
고효율 에너지플랜트용 개발 합금의 반복산화 및 스팀산화 저항성과 크리프 특성 비교

1600℃급 가스터빈 핵심부품용 초내열합금 개발

[과제 소개]

  • 고효율 발전을 위한 미래 국내 주종 가스터빈으로 예상되는 1600도 급 J 클래스 가스터빈의 고온부에 적용될 금속 소재인 단결정 초내열합금 개발. 합금온도 수용성 1100℃ 달성과 내산화성 CMSX-4 이상을 최종 목표로 함.

[기술개발 내용 및 특징, 성과]

  • 인공지능기법 (반응표면법과 인공신경망)을 이용한 컴퓨터 계산에 의한 합금설계
  • 1100℃/137MPa 크리프 수명 – 표준개발합금 대비 167%
  • 950℃ 저주기 피로수명 – 목표합금 대비 175%
1100 ℃ 크리프 곡선
950 ℃ 저주기피로 특성

연구개발 성공사례

가스터빈용 희유원소 저감 다목적 고온소재 및 열차폐코팅 공정 기술 개발

[과제 정보]

  • 연구책임자 : 김인수 박사
  • 전화 : 055)280-3327
  • E-mail : 이메일 확인
  • 연구기간/비용 : 2016.04.01. ~ 2017.12.31. / 752,000 천원
  • 참여기관 : 재료연구소, 창원대학교

[기술의 핵심]

  • 레늄 (Re) 등 희유 전략원소의 함량을 2세대 단결정 초내열합금 대비 절반으로 줄이면서 고온 크리프 특성과 피로 특성이 우수한 단결정 초내열합금을 개발하고, 수직 적층형 미세구조를 구현할 수 있는 플리즈마 서스펜션 스프레이 열차폐코팅 공정을 개발하였음.

[기술 개발 내용 및 특징]

  • Re을 1.5%로 저감하면서 크리프 특성과 피로 특성이 우수한 단결정 초내열합금 개발
  • 고온에서의 장시간 열간노출 후에도 TCP상의 생성이 상용합금 대비 적어서 열적 안정성도 우수하였음
  • 개발 단결정 합금과 상용 본드코팅과의 계면에서 상용합금 보다 좁은 계면 반응층 두께를 나타내어 계면 적합성이 우수하였음
  • 기존의 APS 공정과 유사한 수준의 열전도도를 보이면서 수명이 향성된 플라즈마 서스펜션 스프레이 열차폐 공정기술 개발
상용합금(CMSX-4)와 개발합금의 크리프 특성
고온 크리프 시험 후 개발합금 미세조직

[상용화 실적 및 산재권/논문실적]

  • 국내특허 등록 : 1건 (17-1796731)
  • 국내특허 출원 : 3건 (2017-0155963외 3건)
  • 해외특허 출원 : 1건 (PCT/KR2017/013605)
  • 국내외 논문게재 : 4건 (B.G. Choi et al., “Effect of Ti content on creep properties of Ni-base single crystal superalloy, Met. & Mater. Intl. (2017)외 3건)
  • 국내외 학술회의 발표 : 20건

[기술효과 및 활용분야]

  • 개발된 합금은 상용합금 대비 Re 함량을 크게 낮춰 가격 경쟁력을 확보하였고, 크리프 특성 및 상안정성 또한 상대적으로 우수한 것으로 미루어보아 향후 다양한 특성에 대한 D/B가 구축되면 국산 고유모델 발전용 가스터빈 및 항공기 엔진 개발과 연계하여 활용 가능함.
  • 단결정 초내열합금과 상용 열차폐코팅 층의 계면반응을 분석하여 계면 안정성이 높은 단결정 초내열합금 설계를 위한 기초 데이터를 마련하였음.
  • 고효율, 고성능 엔진기술의 핵심요소 기술로서 고온작동 환경용 고내구성 코팅 소재, 공정 및 평가기술 확보를 통해 차세대 산업용 가스터빈 등 여러 산업 분야에 활용 가능