1. 서 론
가스터빈 블레이드는 고온과 고압의 연소가스에 노출되어 3,600 rpm으로 회전하는 회전체로 고온에서 우수한 기계적 특성이 요구된다. 산업용 가스터빈 블레이드 소재로 사용되는 IN738LC 합금은 γ기지(Matrix)에 Ni3(Al, Ti)조성의 γ'금속간화합물을 석출시켜 고온에서 높은 강도를 나타내는 석출강화형 초내열합금이다[1,2]. 이 합금은 가스터빈 운전 중 열화로 인해 Secondary γ'이 용해되고 γ' 상이 조대화되며 MC 탄화물 분해로 인해 결정립 경계를 따라 M23C6가 생성된다. 특히, M23C6는 장시간 열화에 따라 분율이 증가하고 탄화물 주위에 γ' 필름을 형성시켜 결정립계를 취약하게 하고 Topologically closed-packed(TCP) 상을 석출시키는 자리를 제공하여 부품 수명을 감소시키는 원인이 된다[3-5]. 가스터빈 블레이드는 제작사 정비 주기에 따라 일정 등가운전시간(Equivalent Operational Hours, EOH) 또는 등가기동횟수(Equivalent Start, ES) 기준에 맞춰 부품을 정비하거나 교체하고 있다. 그러나, 가스터빈 블레이드의 경우 높은 교체 및 정비비용으로 인해 부품 수명을 설계 수명 이상으로 연장하기 위해 많은 노력이 이루어지고 있다. 블레이드의 수명 연장을 위해서는 제작사의 정비 주기까지 사용 후 부품에서 특성 평가를 통해 잔여 수명을 정확하게 예측하는 것이 중요하다. 현재까지 블레이드 수명을 평가하기 위한 실험은 가스터빈 운전 시 연소 가스에 직접 노출되는 Airfoil부가 아닌 상대적으로 낮은 온도에 노출되는 Root부에서 수명평가를 수행하였다. 블레이드의 경우 부품 냉각을 위해 내부에 냉각 유로가 존재하며, 이로 인해 Airfoil에서 부품 두께는 약 4 mm 이하로 제작되어 ASTM 표준 시편을 제작하기에 제약이 있었기 때문이다. 이러한 한계를 극복하기 위해 미소 시편을 이용하여 블레이드 수명 평가 연구 결과가 보고되고 있다[6-9]. 미소 시편을 이용한 블레이드 수명 평가의 장점으로는 가스터빈 실제 운전 환경에서 연소가스에 노출되어 운전되는 Airfoil부의 수명을 정확하게 평가할 수 있다. 본 연구에서는 가스터빈 운전 환경에서 800회 기동-정지 운전 후 블레이드를 대상으로 Airfoil부와 Root부에서 미세조직 열화 특성을 관찰하여 정량적으로 비교하였으며, 미소 시편을 이용한 인장 시험을 통해 가스터빈 운전 후 Airfoil부와 Root부에서 인장 특성을 평가하였다.
2. 실험 방법
800회 기동-정지 운전된 1350 °C급 가스터빈 1단 블레이드를 대상으로 Airfoil부와 Root부에서 미세조직과 인장 특성을 평가하였다. 표 1은 블레이드 Airfoil과 Root에서 분석한 화학조성 분석 결과로 Airfoil과 Root에 따른 조성차이는 나타나지 않았으며, IN738LC에 대한 조성 범위를 만족하는 것을 확인하였다.
그림 1a-b는 사용 후 블레이드에 나타난 손상 위치로 고온의 연소가스에 노출되는 Airfoil과 Platform에서 균열 발생이 집중되는 것을 알 수 있었다. 반면, 상대적으로 낮은 온도에서 운전되는 Root에서의 손상 흔적은 관찰되지 않았다. 가스터빈 운전 환경에서 블레이드 위치에 따라 미세 조직 변화를 평가하기 위해 블레이드 Airfoil부와 Root부에서 결정립(Grain)과 수지상(Dendrite), 탄화물(Carbide) 그리고 γ'을 분석하였다. 미세조직 관찰 후 결정립과 수지상, 탄화물 크기를 정량적으로 분석하여 블레이드 주조재의 미세조직 특성을 비교하였다. 미세조직 관찰을 위한 시편은 1 μm까지 연마 후 Kalling’s 2 etchant (2.5g CuCl2 + 50 ml Ethanol + 50 ml HCl)로 에칭하여 결정립과 수지상 크기, 그리고 탄화물을 관찰하였으며, γ' 형상 및 분포는 전해연마 후 관찰하였다. 기동-정지 800회 운전된 블레이드의 인장 특성을 평가하기 위해 Airfoil과 Root부에서 인장 시험을 수행하였다. 부품 특성 평가를 위한 인장 시험 온도는 가스터빈 제작사의 고온부품 건전성 평가 기준을 참고하여 상온과 871 °C에서 시험하였으며, 각 온도 조건에서 3회 반복 시험하여 블레이드 위치별 평균 값을 비교하였다. Airfoil과 Root부의 시편 채취 위치는 그림 1(c-e)와 같으며, 그림 1f는 부품 특성을 평가하기 위한 시편 형상으로 길이 30 mm, 평행부 지름 2 mm의 미소 시편을 제작하여 인장 특성을 평가하였다. 미소 시편을 이용한 인장 시험은 Zwick KAPPA MINI 5kN 시험장비를 사용하였다. 인장 시험은 0.5 mm/min로 파단까지 균일한 속도로 시험하였으며, 비디오 신율계를 통해 표점거리 12.5 mm에서 인장 변위를 측정하였다. 인장 시험 후 시편 파단 특성을 평가하기 위해 광학현미경(Leica DMi8 A)과 레이저현미경(VX-X260K), 그리고 주사전자현미경(JEOL JSM-IT500)을 통해 파단 특성을 분석하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 미세조직
그림 2는 사용 후 블레이드 Airfoil부와 Root부에서 관찰한 미세조직 결과로 수많은 결정립(그림 2a, e)과 전형적인 주조 응고조직인 수지상 형태(그림 2b, f)를 보여주고 있다. Airfoil부와 Root부에서 결정립과 수지상 크기를 비교해보면 Root부에서 결정립과 수지상이 조대하게 생성된 것을 알 수 있다. 가스터빈 블레이드는 진공정밀주조 공정을 통해 제작되는 부품으로 주조 시 응고 속도와 방향, 그리고 블레이드의 두께 차이로 인해 Airfoil부와 Root부에서 응고 속도 차이가 발생한다. 일반적으로 가스터빈 블레이드 제작 시 높은 강도 특성이 요구되는 Airfoil에서 Root 방향으로 응고가 진행된다. 따라서, 응고가 먼저 시작되고 두께가 얇은 Airfoil부에서는 빠른 응고 속도로 인해 결정립과 수지상 크기가 작게 형성되고 두께가 두껍고 응고가 나중에 진행되는 Root부에서는 응고 조직이 크게 생성된다[2,10]. 그림 2c, g은 탄화물의 석출 거동을 확인하기 위해 SEM으로 관찰한 결과로 탄화물의 분포는 수지상간 영역을 따라 문자형(script-type)의 탄화물이 석출된 것을 관찰할 수 있었다. 수지상 사이 석출된 탄화물은 Ta과 Ti, Nb-rich type의 MC 탄화물로 초내열합금의 주조 응고 과정에서 석출되어 나타난다[11,12]. 그림 2d, h는 수지상 중심(dendrite core) 영역에서 관찰한 γ' 형상과 분포를 보여준다. γ' 석출물의 형상을 비교해 보면 Root에서의 Primary γ'은 입방정 형상을 잘 유지하고 있지만, Airfoil에서 Primary γ'은 구형의 형태로 구상화 된 것을 관찰할 수 있다. Airfoil과 Root에서 Primary 크기는 약 1,000nm로 관찰되며, Secondary γ'가 300nm 크기로 용해되지 않고 남아있는 것을 알 수 있다. γ'은 열간 노출 시 계면에너지를 감소시키기 위해 구상화가 진행되며 Secondary γ'은 용해되어 사라지거나 입자가 성장하는 것으로 알려져 있다[5]. 열화에 인한 γ' 구상화 현상은 온도와 시간에 영향에 영향을 받는다. 따라서, 블레이드가 기동-정지 800회 시간 동안 열화에 노출되었기 때문에 γ' 형상 차이는 블레이드 위치에 따른 온도에 의한 것으로 판단할 수 있다.
블레이드에서 관찰한 미세조직을 정량 분석하여 그림 3에 나타내었다. 결정립과 수지상 크기 분석 결과(그림 3a) Airfoil Tip에서는 800 μm 크기의 결정립이 생성된 것을 확인할 수 있으며, Platform과 Root부에서는 1,500 μm, 2,500 μm으로 Airfoil Tip에서 Root 방향에 따라 결정립 크기가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 블레이드 위치에 따른 수지상 크기는 Airfoil Tip에서 150 μm, Airfoil Middle은 200 μm, Platform과 Root에서는 250 μm와 300 μm로 주조 응고 방향에 따라 수지상 크기가 증가하는 것을 알 수 있다. 그림 3b는 MC 탄화물 크기 분석 결과로 Airfoil에서는 5~5.5 μm크기로 석출되며, Platform과 Root에서는 7~8 μm로 탄화물 크기 또한 증가한 것을 확인할 수 있다. MC 탄화물 크기 차이는 그림 2c, g와 같이 MC 탄화물은 주로 결정립계과 수지상 사이 영역에 석출되기 때문에 결정립과 수지상 크기가 작게 생성된 Airfoil에서는 탄화물 크기도 작게 생성되며, Root에서는 결정립과 수지상의 크게 형성됨에 따라 탄화물 크기도 증가하게 된다[13]. 반면에 주조 응고 속도에 영향을 받지 않는 MC 탄화물 분율과 γ' 입자의 크기와 분율은 블레이드 위치에 상관없이 Airfoil Tip과 Root에서 유사한 것을 알 수 있다. 블레이드 위치별 MC 탄화물의 분율(그림 3b)은 약 2%로 분석되었으며, Primary γ'의 크기는 약 1,000 nm 크기로 분석되며 분율(그림 3c)은 30~40%로 블레이드 Airfoil부와 Root부에서 차이는 나타나지 않았다.
그림 4는 블레이드 열화로 인한 M23C6를 SEM으로 분석한 결과를 보여준다. M23C6는 소재가 760~980 °C온도에 노출되었을 때 MC 탄화물과 γ기지와의 반응으로 결정립계에 형성되는 탄화물로 MC탄화물이 C를 공급하고 γ기지에서 공급받은 Cr과 결합하여 생성된다[4]. 결정립계를 따라 석출된 미세한 탄화물을 SEM-EDS로 분석한 결과 Crrich type의 M23C6로 분석되었다. 블레이드 Airfoil과 Root에서 열화로 인한 M23C6 생성 거동은 가스터빈 운전 시 상대적으로 더 높은 온도에 노출되는 Airfoil에서 약 3 μm 크기의 연속적인 필름 형태로 생성되었으며, Airfoil 대비 상대적으로 낮은 온도에서 운전되는 Root에서는 0.5 μm 이하의 미세한 M23C6가 Particle 형태로 생성된 것을 알 수 있다. 결정립계를 따라 생성된 조대한 M23C6은 균열 생성과 진전경로로 작용하여 인장 및 항복 강도를 감소시키는 것으로 알려져 있다[14].
3.2 인장 시험
사용 후 블레이드의 인장 특성을 비교하기 위해 Airfoil 부와 Root부에서 각각 미소 시편을 채취하여 상온과 871 °C에서 인장 실험을 수행하였다. 표 2는 인장 시험 결과로 3회 시험에 따른 평균값을 나타내었다. 인장 시험 온도에 따른 인장 특성 변화를 비교해보면 블레이드 Airfoil과 Root부의 항복 강도는 상온 대비 871 °C에서 4%, 6% 감소하여 변화가 크게 나타나지 않았으며, Airfoil과 Root부에서의 연신율 변화도 3회 반복 시험에 따른 데이터 편차 범위 내에서 유사한 것으로 판단된다. 인장 강도는 상온 대비 871 °C 시험에서 Airfoil과 Root부의 인장 강도가 각각 18%, 15% 감소하여 인장 시험 온도에 따라 강도 저하가 뚜렷하게 나타난다.
871 °C 인장 시험에서 강도 특성이 감소하는 원인으로는 850 °C 이상에서 전위상승(climb)의 열적 활성화로 인해 에서의 변형은 감소하고 γ에서 변형이 전체 변형을 주도하기 때문이다[15]. 그림 5는 인장 시험 중 얻어진 변형률과 응력 곡선으로 상온 인장 시험에서는 항복 이후 가공경화로 인해 인장 강도가 증가하는 반면, 871 °C 인장 시험에서는 전위상승 효과로 인해 항복 이후 인장강도 증가 폭은 크지 않은 것을 알 수 있다.
블레이드 위치에 따른 인장 특성을 비교한 결과 상온 인장 시험에서는 Airfoil부와 Root부의 항복과 인장강도 차이가 2% 이내로 분석되며, 871 °C 인장 시험에서도 블레이드 위치 별 강도 차이는 1%로 동일한 인장 시험 온도에서 Airfoil과 Root부의 강도 특성은 유사하게 나타났다.
니켈기 초내열합금의 경우 주조 응고 속도가 빠를수록 결정립과 수지상, 탄화물의 크기가 작게 생성되고 이는 인장 강도를 증가시키는 것으로 알려져 있다[13,16,17]. 본 연구에서 블레이드 초기 상태에서의 인장 강도는 알 수 없지만, 앞서 미세조직 분석 결과와 비교하면 Root 대비 Airfoil에서 인장 특성이 우수할 것으로 예측할 수 있다. 그러나, 사용 후 블레이드 Airfoil부와 Root에서의 인장 강도는 유사하게 나타나며, 이는 블레이드 사용에 따라 Airfoil부에서 인장 특성이 감소한 것으로 판단된다.
Airfoil부에서 인장 강도 감소 원인으로는 열화로 인한 γ' 입자변형과 M23C6의 생성으로 설명할 수 있다. 앞서 미세조직 분석 결과와 같이 열화로 인한 Airfoil부에서 γ'의 구상화와 조대화는 인장 강도를 감소시키고 연신율을 증가시키는 것으로 알려져 있으며, 조대한 M23C6의 생성 또한 인장 강도와 연신율을 감소시키는 것으로 알려져 있다[5].
그림 6은 인장 시험 후 시편 파면 분석을 통해 인장 강도에 미치는 미세조직 영향을 분석하였다. 블레이드 위치와 온도에 관계없이 주조 응고조직인 수지상 형태의 파면 형상이 나타나며, Airfoil부의 파면(그림 6a-b)에서 결정립계를 따르는 균열이 뚜렷하게 관찰된다. 또한, 모든 파면에서 탄화물 균열이 관찰되는데, 이는 기지 대비 상대적으로 취성이 높은 탄화물이 인장 변형과정에서 우선적으로 파단되기 때문이다[18]. 따라서, Airfoil부의 수많은 결정립계에 생성된 조대한 M23C6와 주강화상인 γ'의 구상화가 사용 후 블레이드에서 인장 강도를 감소시키는 원인으로 판단된다.
4. 결 론
가스터빈 운전 환경에서 기동-정지 800회 운전 후 블레이드의 수명을 평가하기 위해 Airfoil과 Root에서 미세조직 변화를 분석하고 미소 시편을 이용한 인장 특성을 평가하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
1. 블레이드 Airfoil과 Root에서 미세조직 분석 결과 블레이드 형상에 따른 두께 차이와 주조 시 응고 속도 차이로 인해 상대적으로 응고 속도가 빠른 Airfoil에서 결정립과 수지상, 탄화물의 크기가 작게 생성되었다.
2. 800ES 운전 후 블레이드 Airfoil과 Root에서 열화 특성을 비교한 결과 Root에서는 입방정의 γ' 형상이 관찰되었으나, Airfoil에서는 γ' 상의 구상화로 인한 구형의 γ'이 관찰되었다. 또한, 열화로 인한 MC 탄화물 분해로 Airfoil에서는 약 3 μm 크기의 M23C6가 결정립계를 따라 연속적으로 생성되었으며, Root에서는 0.5 μm 크기의 미세한 M23C6가 particle 형태로 생성되었다.
3. 블레이드 열화로 인한 γ' 상의 구상화와 결정립계에 생성된 M23C6는 Airfoil의 항복강도와 인장강도를 감소시키는 원인으로 판단된다.
4. 따라서, 블레이드 부품에서 잔여 수명을 정확하게 평가하기 위해서는 열화로 인해 미세조직 변화가 발생하는 Airfoil에서 부품 특성을 평가하는 것이 중요하며, 블레이드 Airfoil부의 두께 제약으로 인한 시편 채취 한계를 극복하기 위해 미소 시편을 이용한 부품 평가 방법이 대안이 될 수 있을 것으로 판단된다.
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