단련용 Ni기 초내열합금에서 고용강화 합금원소가 미세조직과 특성에 미치는 영향

Abstract

최근 석탄화력 발전의 효율향상을 위해 증기의 온도를 높이려는 추세에 있고 이에 따라 700℃ 이상의 고온에서는 Ni기 합금의 사용이 고려되고 있다. 이에 적용될 수 있는 Ni기 초내열합금은 단조, 압연 또는 압출 공정 및 일련의 열처리 공정에 의하여 합금의 특성과 미세조직을 제어하는 단련용 합금(wrought alloy)으로 상용 Ni기 초내열합금 중에는 Haynes230 등이 후보소재로 연구되고 있으며, 여러 나라에서 새로운 합금을 개발해왔다. Haynes230은 Ni-Cr-W-Mo계 고용강화형 합금으로 장시간 우수한 열적 안정성을 가지고 M6C, M23C6 탄화물들이 포함된 미세조직을 가진다. 본 연구에서는 Haynes 230을 기반으로 초내열합금의 합금원소의 함량에 따른 열간 가공 공정 후 미세조직과 기계적 특성의 변화를 고찰하고자 하였다. 고용강화원소인 W과 Mo의 함량에 변화를 주어 합금 조성을 설계 후, VAR장비를 이용하여 150g의 버튼 시편을 주조하고 균질화 열처리 후 열간 가공 공정을 모사하여 고온에서 압축실험을 수행하였다. 그 후 용체화 처리, 시효 처리 등의 열처리 과정을 거쳤고 열처리 후 미세조직을 관찰하고 비커스 경도를 측정하였다. 미세조직 관찰에는 OM, SEM, TEM을 이용하였다. 동일한 열처리 후 W과 Mo의 함량이 증가하면 결정립은 균질 해지고 미세해졌으며, W의 경우가 Mo보다 더 큰 영향을 나타냈다. 이들 합금원소는 조대한 탄화물 형성에도 영향을 주었는데 함량이 늘어남에 따라 더 많은 조대한 탄화물들을 생성하였고, W의 경우가 Mo보다 더 많은 조대한 탄화물들을 형성하였다. 시효처리 후 입내에 미세한 M23C6 탄화물이 석출되었고 결정입계에는 불연속 석출물(discontinuous precipitation)들이 관찰되었다. 불연속 석출물은 W을 첨가한 합금에서 더 잘 관찰되었으며 입내의 미세한 M23C6 탄화물은 Mo를 첨가한 합금에서 더 많이 생성되는 것으로 관찰되었다. 경도측정 결과 시효 처리 후에 입내의 미세한 탄화물의 생성으로 인해 경도 값이 용체화 처리 후보다 증가하였으며 Mo를 첨가한 합금이 W보다 더 큰 경도 증가를 나타내었다. W이나 Mo 함량이 일정량을 넘는 경우에는 시효처리 전에 생성된 조대한 M6C 나 M23C6 로 인해 고용된 C의 함량이 감소되어 시효처리 시 입내의 미세한 M23C6 탄화물 형성이 적어지므로 경도 증가의 효과가 적은 것으로 나타났다.

In order to increase the efficiency and to reduce the CO2 emission, pressure and temperature of steam for coal-fired power generation is increasing. If the temperature of the steam is over 700℃, Ni-base superalloys should be used in hot components of next generation power generation system. Therefore, some commercial wrought superalloys are being studied as candidate materials and new alloys which have good high temperature properties are also being developed to apply into this system. Haynes 230 which has excellent long time thermal stability is one of the candidate alloys. The alloy is a solid solution hardening Ni-Cr-W-Mo alloy with some carbide such as M23C6, M6C carbide. In this study, the effects of solid solution hardening elements, W and Mo, on microstructure and properties of wrought Ni-base superalloys on the basis of the composition of Haynes 230 were investigated. Button specimens of 150g with various amounts of W and Mo were cast by using non-consumable electrode vacuum are remelting furnace. After homogenization treatment, compressive tests at high temperature were carried out to simulate thermo-mechanical process. Then, thermal treatment composed of solution treatment and aging treatment were given to the specimens. After heat treatment, microstructural observation and measurement of Vickers hardness were conducted. The alloy has more homogeneous fine grains as increasing of the content of W and Mo. These alloying elements also promoted the formation of coarse carbide, M23C6 and M6C. More W and Mo generated more coarse carbides. The effects of W on formation of coarse carbide and homogeneous microstructure are more significant than those of Mo. Fine M23C6 carbides precipitated within the grains during aging treatment in all of the alloys. While more fine M23C6 carbides were observed in the alloys with Mo, discontinuous precipitations on the grain boundary were observed more in the alloy containing W. The aged specimens have higher hardness than solution treated ones due to formation of fine intragranular M23C6 during aging. The specimen with W shows lower hardness than the alloy containing Mo due to more coarse carbides and discontinuous precipitations. More coarse carbide reduced supersaturated carbon contents of matrix, which led to lower volume fraction of intragranular carbides and discontinuous precipitation after aging.