Special 극한환경 대응 고온 세라믹 복합소재 기술 개발 동향(2)

가스터빈용 초내열합금 개발 동향

최백규_한국재료연구원 고온재료연구실 실장
김인수_한국재료연구원 고온재료연구실 책임연구원
도정현_한국재료연구원 고온재료연구실 선임연구원
정중은_한국재료연구원 고온재료연구실 선임연구원

1. 초내열합금 개요

초내열합금은 영어로 슈퍼알로이(superalloy)라고 하며 합금을 뜻하는 알로이(alloy)에 보통의 특성을 초월한다는 뜻을 가진 접두어 슈퍼(super-)가 합성된 단어이다. 특별한 능력이나 성능을 가진 사람이나 자동차를 슈퍼맨, 슈퍼카라고 부르는 것처럼 초내열합금은 탁월한 고성능을 가진 금속 소재란 의미라고 할 수 있다. 우수한 기계적 강도와 부식, 내산화성을 가진 합금인 슈퍼알로이는 이름 그대로 해석하면 초합금(超合金)이 되겠지만 특히 고온에서의 기계적 특성이 우수하기 때문에 내열성을 강조하여 일반적으로 초내열합금이라 부르고 있다.
  철강, 알루미늄, 타이타늄 등의 다른 구조용 금속 소재들이 녹는점에 가까워질수록 강도가 크게 저하된 데 비해 초내열합금은 고온에서도 강도가 비교적 잘 유지되기 때문에 그림 1과 같은 가스터빈, 항공기 엔진, 우주 발사체 등과 같이 고온에서 사용되는 시스템의 부품용 소재로 많이 사용되고 있다.

  
그림 1. (위) 발전용 가스터빈[1]과 (아래) 항공기용 터보팬 엔진[2]

  초내열합금은 주요 원소에 따라 니켈기(Ni기), 니켈-철기(Ni-Fe기), 코발트기(Co기) 로 분류될 수 있는데 산업적으로 가장 중요하고 많이 사용되는 것은 니켈기 초내열합금이다. 코발트기 초내열합금은 연성이 부족하여 가스터빈의 경우 연소기에서 연소된 가스가 가장 먼저 접촉하는 노즐과 같은 초고온의 고정 부품에 주로 사용되고, 니켈-철기 합금은 대부분 고온 강도가 니켈기에 비해 부족하므로 단조나 압연과 같은 가공공정을 거치는 단련재로서 많이 사용되며, 니켈기 초내열합금은 Ni을 기본 원소로 크롬(Cr), 코발트(Co), 텅스텐(W), 몰리브데늄(Mo), 레늄(Re), 알루미늄(Al), 타이타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 탄소(C) 등 10여 가지의 합금원소를 조합하여 고온의 기계적 특성과 내환경 특성을 최적화하여 사용하고 있다[3].
  초내열합금, 즉 슈퍼알로이라는 명칭은 2차 세계 대전 직후 사용되기 시작되었는데 초내열합금의 개발은 항공기 엔진, 그중에서도 제트 엔진의 개발과 밀접한 관련이 있다. 프로펠러를 사용하던 피스톤 엔진의 한계를 극복하기 위해 1930년대 말 영국의 Frank Whittle과 독일의 Gas von Ohain이 독립적으로 제트엔진을 개발하였으며 이를 계기로 항공엔진 기술이 비약적으로 발전할 수 있었다[4,5]. 초기 가스터빈 엔진 W1에는 다양한 종류의 스테인레스강이 사용되었으나 이후 더 높은 온도에서 사용 가능한 소재에 대한 필요성이 대두되었고 내열성이 더 우수한 나이모닉(Nimonic) 이나 인코넬(Inconel) 계열의 니켈기 합금으로 대체되었다[4,5]

그림 2. (위) W1 엔진[6]과 (아래)터보제트엔진 구조도[7]

-----이하 생략

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