초합금은 원소 (철, 코발트, 니켈)를 기반으로 한 금속 재료의 한 종류를 말하며, 600 ℃ 이상의 고온에서 장시간 특정 응력 하에서 작동 할 수있는 많은 강화 원소를 추가합니다. 초합금은 고온 강도가 높고 내 산화성, 내열성, 내식성, 피로 저항성, 고온에서 우수한 조직 안정성 및 서비스 신뢰성을 가지므로 열 강도 합금, 내열 합금 또는 초합금이라고도합니다.
초합금 기본 개요
초합금은 1940년대에 개발된 새로운 유형의 항공 금속 소재입니다. 600-1100℃의 산화 및 가스 부식 조건에서 복잡한 응력을 견디고 장시간 안정적으로 작동할 수 있습니다. 초합금은 주로 항공 엔진의 핫 엔드 부품에 사용되며 항공 우주, 에너지, 운송 및 화학 산업에서도 널리 사용됩니다.
세분화 된 산업의 관점에서 볼 때 초합금 재료는 신소재 분야의 고급 금속 구조 재료에 속합니다. 그것은 우수한 종합 성능, 우수한 고온 강도 및 가소성, 우수한 내 산화성 및 내열 내식성, 우수한 내 크리프 성, 내 파괴성 및 우수한 조직 안정성을 가지고 있으며 많은 중요한 산업 분야의 발전을위한 핵심 특수 재료가되었습니다.
초합금 소재의 성능 특성:
- 뛰어난 고온 강도 및 가소성
- 우수한 내산화성 및 내열 부식성
- 우수한 내크리프성 및 내분열성
- 우수한 조직 안정성
- 변형 가공이 어려운 경우
- 우수한 가격 대비 성능
초합금의 분류
기술과 재료의 지속적인 발전으로 초합금 제품은 지속적으로 반복되고 온도 지지력이 지속적으로 개선되며 포괄적 인 성능이 지속적으로 향상됩니다. 기존의 주조 초합금 및 변형 초합금에서 변경되었습니다. 분말 초합금, 티타늄 및 알루미늄 금속 간 화합물, 산화물 분산 강화 초합금, 내식성 초합금, 분말 야금 및 나노 재료와 같은 일련의 새로운 초합금 재료가 개발되었습니다.
초합금 분류
초합금은 다양한 분류 방법에 따라 분류할 수 있습니다.
- 철 베이스 또는 철 니켈 초합금
- 니켈 기반 초합금
- 코발트 베이스 초합금
- 고체 솔루션 강화 초합금
- 강수량 강화 초합금
- 변형된 초합금
- 캐스트 초합금
- 분말 초합금
- 고온 내식성 초합금
- 저팽창 초합금
- 고수율 강도 초합금
- 터빈 블레이드용 초합금
- 터빈 가이드 블레이드용 초합금
- 연소실용 초합금
초합금 제조 기술
초합금 개발 과정에서 이 기술은 초합금 개발을 촉진하는 데 큰 역할을 합니다. 초합금의 생산 및 준비 공정은 용융, 주조 및 열처리가 주요 공정으로 복잡합니다. 생산 공정 및 기술의 안정성은 초합금 재료의 기계적 특성에 직접적인 영향을 미칩니다. 다양한 새로운 초합금 재료의 개발 및 홍보를위한 경제 및 과학 기술의 급속한 발전은 개발을위한 넓은 공간을 제공하며, 합금 특성에 대한 요구 사항이 점점 더 높아지는 경우 다양한 공정을 지속적으로 개선하고 최적화하여 다양한 공정과 초합금 재료가 변화에 적응할 수 있도록해야합니다. 공정의 지속적인 개선은 성능의 지속적인 개선, 새로운 초합금의 개발을 실현하고 관련 제품 및 산업의 발전을 촉진 할 수 있습니다.
- 제련 공정
화학 성분의 엄격한 제어는 초합금의 우수한 성능을 보장하는 기초입니다. 용융 공정은 임계 크기보다 큰 개재물을 효과적으로 제거하고 산소, 질소 및 황의 함량을 줄이며 소스에서 초합금의 순도를 향상시킬 수 있습니다. 따라서 용융 공정은 초합금 준비 공정에서 첫 번째 위치에 있습니다.
현재 세계에서 초합금의 주요 용해 방법은 진공 유도 용광로(VIM), 진공 소모로(VAR), 전기 슬래그 재용해로(ESR)입니다. 최근 몇 년 동안 분말 초합금으로 대표되는 새로운 초합금의 적용이 점점 더 광범위 해지고 있으며 분말 초합금의 용융 공정은 최첨단 연구 기술이되었습니다. 국제적으로 러시아 분말 초합금은 VIM 또는 VIM+VAR 이중 용융 공정을 채택하고 미국 분말 초합금은 VIM+ESR+VAR 삼중 공정을 채택합니다. 그러나 국내 분말 초합금은 기본적으로 VIM 단일 정제 공정을 채택하여 중국 분말 초합금 소재의 순도가 외국의 선진 수준보다 낮습니다.
- 캐스팅
초합금의 정밀 주조 기술은 주로 등축 결정 형, 방향성 원통형 결정 형 및 단결정 형으로 발전한 인베스트먼트 주조입니다. 현재 초합금 주조는 복잡성, 대규모 및 고정밀 방향으로 발전하기 시작했으며, 이는 주조 공정 및 공정에 특정 도전을 제기하고 진공 제련 기술에서 비 잔류 주조 기술, 방향 응고 기술, 단결정 기술 및 기타 측면에 이르기까지 투자 정밀 주조 기술의 지속적인 발전을 촉진하고 있습니다.
주조 기술의 개선과 초합금 원료의 생산 및 제조 사이에도 직접적인 연관성이 있습니다. 초합금 재료의 특성과 주물의 사용을 결합하고, 해당 기술 모드와 메커니즘을 개선하고, 재료의 성능을 제어하고, 생산 공정의 안정성을 보장해야합니다. 현재 생산 과정에서 초합금의 조성 파라미터 및 응고 파라미터 제어에 어려움이 있으며, 방향성 응고 생산 또는 단결정 생산 중에 주근깨, 열 균열 및 느슨함과 같은 결함이 나타나기 쉬워 제품의 고온 성능에 심각한 영향을 미칩니다. 미국의 연구 과정에서 고 구배 방향 응고 기술을 사용하여 항공 엔진 블레이드를 생산하여 주근깨 발생률을 효과적으로 줄이고 각 부품 크기 조건에서 온도 구배 매개 변수를 엄격하게 제어하며 생산 최적화 및 개선에 일정한 역할을합니다.
정밀 주조의 분류: 주로 인베스트먼트 주조, 세라믹 주조, 금속 주조, 압력 주조, 손실 주조.
- 열처리
새로운 초합금 소재의 적용과 합금의 특성에 대한 높은 요구 사항으로 인해 열처리는 필수적인 공정입니다. 초합금의 열처리 공정은 초합금 소재를 고체 상태로 가열, 단열 및 냉각하여 원하는 미세 구조와 특성을 얻는 일종의 금속 열간 가공 공정을 말합니다. 최근에는 초합금에서 고용체 열처리와 시효 열처리가 체계적으로 연구되고 있습니다.
⁎ 고용체 열처리는 합금에 고르지 않은 분포를 가진 침전상이 초합금 구조에서 침전상의 총 용액 온도보다 높은 온도에서 매트릭스 상에 완전히 용해되어 고용체를 강화하고 인성 및 내식성을 개선하며 잔류 응력을 제거하여 가공 및 성형을 계속하고 후속 노화 처리에서 균일 한 분포의 침전상을 준비하는 것을 의미합니다.
⁎ 노화 열처리는 강화 상 침전의 온도 간격 내에서 일정 시간 동안 가열 및 유지하여 초합금의 강화 상이 고르게 침전되고 탄화물이 고르게 분포되어 합금을 경화시키고 강도를 향상시키는 역할을 실현하는 것을 말합니다.
초합금 적용
글로벌 초합금 시장은 계속 성장하고 있으며, 중국이 주요 시장으로 부상하고 있습니다. 중국 초합금 시장에서는 변형 초합금과 니켈 기반 초합금이 가장 큰 비중을 차지합니다. 제조 공정에 따라 변형 초합금이 전체 초합금 시장의 약 70%를 차지하고 주조 초합금(20%)과 분말 초합금(10%)이 그 뒤를 잇고 있습니다. 합금의 매트릭스 원소에 따르면 니켈 기반 초합금은 약 80%, 니켈-철 초합금 및 코발트 기반 초합금은 각각 약 14% 및 6%를 차지합니다.
초합금의 가장 큰 응용 시나리오는 항공우주 분야로, 수요 점유율이 55%에 달합니다. 초합금 소재는 항공우주 엔진 제조에 중요한 원료입니다. 주로 엔진 연소실, 가이드, 터빈 블레이드, 터빈 디스크, 테일 노즐, 케이싱 및 기타 구성 요소에 사용됩니다. 둘째, 초합금은 고온 저항성 및 내식성과 같은 우수한 특성을 가지고 있으며 가스 터빈, 석유 화학, 산업 및 자동차 분야에서도 널리 사용됩니다.
1) 에어로엔진
초합금은 항공 엔진이 탄생할 때부터 적용되어 왔습니다. 최신 항공 엔진에서 초합금 소재는 주로 연소실, 가이드 챔버, 터빈 블레이드 및 터빈 디스크의 네 가지 주요 핫 엔드 구성 요소와 케이싱, 링 부품, 애프터버너 및 테일 노즐에 사용됩니다.
2) 자동차 터보차저
자동차 배기가스 과급기 터빈도 초합금 소재의 중요한 응용 분야입니다. 오늘날 우리나라 터보차저 제조업체의 대부분은 니켈 기반 초합금 터보차저로, 와류 샤프트와 압축기 임펠러로 로터를 형성합니다. 차량 10,000 대당 터보 차저의 초합금 소비량은 약 3.5 톤이며, 자동차 생산 산업은 2021 년에 약 9,128.7 톤의 초합금 재료가 필요하며 시장 규모는 약 18 억 3 천만 위안입니다. 향후 자동차 대수 증가와 중국 내 조립률을 고려할 때 향후 연평균 5%의 성장률을 가정하면 2030년까지 중국 자동차 시장의 초합금 소재 총 수요량은 약 106,000톤이 될 것으로 추정됩니다.
3) 원자력
원자력용 초합금에는 연료봉 피복재, 구조재, 연료봉 포지셔닝 그리드, 고온 가스로용 열교환기 등 다른 재료로 대체하기 어려운 소재가 있습니다.
세계 원자력 에너지 협회가 발표한 핵연료 보고서에 따르면 전 세계 원자력 발전 용량은 연간 2.6%씩 증가하여 2040년까지 전 세계 원자력 발전 용량은 6억 1,500만 킬로와트에 달할 것으로 예상되며, 설치 용량 증가는 주로 중국, 러시아 및 기타 국가에서 이루어질 것으로 전망됩니다. 2022년 1월 푸칭 원자력 발전소 6호기가 전력망에 연결되면서 중국 본토의 전력망 연결 원자력 발전소 수는 53개, 총 설비용량은 5,463만 6,695㎾로 미국과 프랑스에 이어 세계 3위를 차지했습니다. 국가에너지국은 2030년 중국의 원자력 발전 설비용량이 1억 2,000만~1억 5,000만㎾에 달할 것으로 예상하고 있어, 중국은 2030년까지 약 8,000만㎾의 신규 원자력 발전소를 완공할 것으로 추정됩니다. 60만㎾급 원전 1기당 약 600톤의 초합금 소재가 필요하므로 총 초합금 소재 수요량은 약 8만톤에 달한다. 국내 원전 건설 생산량이 약 80%인 점을 감안하면 향후 초합금 국내 연평균 수요량은 약 7,111톤이 될 것으로 예상됩니다.
4) 기타 영역
초합금 재료는 유리 제조, 야금, 의료 기기 및 기타 분야에서도 널리 사용됩니다.
