Single Crystal Turbine Blades/단결정 터빈 블레이드

모든 전력 생산 분야와 마찬가지로 가스터빈은 효과적인 전력 생산을 위해 열효율에 크게 의존합니다. 산업계에서는 가스터빈 전력 사이클의 열효율을 높이는 여러 가지 방법이 있습니다. 이러한 효율 향상 방법은 거의 항상 터빈 부품의 야금학적 특성에 의해 제한됩니다. 가스터빈의 열효율은 더 높은 작동 온도를 견딜 수 있는 부품을 사용하면 크게 향상될 수 있습니다. 단결정 초합금 터빈 블레이드를 사용하면 이러한 향상이 가능합니다. 단결정 터빈 블레이드는 결정질 터빈 블레이드보다 더 높은 작동 온도에서 작동할 수 있으므로 가스터빈 사이클의 열효율을 높일 수 있습니다.

가스터빈 사이클

가스터빈 발전소는 압축기와 연결된 터빈과 그 사이에 연소실이 있는 구조로 구성됩니다. 대기 중의 공기는 압축기로 흡입된 후 압축되어 연소실로 들어갑니다. 연소실에서 공기는 연료와 혼합되어 연소됩니다. 이 과정에서 공기의 온도는 상승하고 압력은 일정하게 유지됩니다. 이제 공기는 터빈으로 들어가 팽창하면서 유용한 출력을 생성합니다. 입구 공기 온도가 높을수록 터빈에서 생성되는 유용한 일의 양도 커집니다. ^{[ 1 ]}

효율성 증가

이 열역학 사이클을 브레이튼 사이클이라고 합니다. 가스터빈의 효율은 다음 방정식으로 주어집니다^.

• 
  방정식 1: 브레이튼 사이클의 열 효율
• 
  방정식 1a: 압력비에 따른 Brayton Cycle의 열 효율

브레이튼 사이클은 종종 온도-엔트로피(TS) 다이어그램으로 표현됩니다. 이 다이어그램은 브레이튼 사이클의 각 지점에서 공기의 상태를 보여줍니다. 일반적인 TS 다이어그램의 예는 아래 그림 1에 나와 있습니다.

• 
  그림 1: 브레이튼 사이클의 TS 다이어그램
• 
  그림 1a: 압력 비율 증가
• 
  그림 1b: 최대 온도 및 압력 비율 증가

그림 1a에 표시된 TS 다이어그램에서 상대 압력비 ^W가 증가하면 시스템에 추가되는 열량이 감소하여 실제로 열 효율이 증가한다는 것을 알 수 있습니다. 이는 터빈 입구에서 발생하는 사이클의 최대 온도에 의해 제한됩니다. 이 한계는 압력비가 증가함에 따라 사이클의 전체 작업 출력이 감소하게 합니다. 증가된 상대 압력비에서 동일한 양의 출력 작업을 생성하려면 질량 유량을 증가시켜야 하며, 이는 더 크고 더 비싼 장비가 필요합니다. ^{[ 2 ]} 차량과 같이 더 작은 터빈 엔진이 필요한 많은 응용 분야가 있습니다. 터빈 입구의 공기 온도를 증가시키면 열 효율을 높이는 동시에 출력 작업 수준을 높일 수 있습니다. ^{[ 1 ]}

생성된 순일 감소가 용납될 수 없는 많은 응용 분야가 있습니다. 사이클의 최대 온도가 증가하면 효율과 생성된 총 순일량이 모두 증가합니다. 또한, 온도 증가는 압력비를 더욱 높여 높은 순일 출력을 유지하면서 효율을 더욱 향상시킬 수 있습니다. 이는 위 그림 1b에 표시되어 있습니다. 야금학적 특성은 터빈 입구 온도의 한계를 제한합니다. 터빈 블레이드가 고온 조건에서 작동할 수 있도록 여러 가지 방법이 사용됩니다. 니켈 기반 초합금으로 제작된 단결정 터빈 블레이드의 개발은 더 높은 작동 온도를 달성할 수 있게 해 줍니다.

장점

단결정 터빈 블레이드는 결정질 터빈 블레이드보다 훨씬 높은 온도에서 작동할 수 있다는 기계적 이점을 가지고 있습니다. 고온에서 터빈 효율을 높일 수 있다는 점을 고려할 때, 이러한 블레이드의 개발은 매우 유익합니다. 터빈 블레이드는 단결정 구조와 니켈 기반 초합금의 조성 덕분에 이처럼 높은 온도에서 작동할 수 있습니다.

크리프 ^W 는 터빈 블레이드의 고장의 일반적인 원인이며 실제로 수명을 제한하는 요인입니다. ^{[ 3 ]} 높은 응력을 받는 재료의 온도가 임계점까지 올라가면 크리프 속도가 빠르게 증가합니다. ^{[ 4 ]} 단결정 구조는 결정립 경계가 없기 때문에 결정립 터빈 블레이드보다 더 높은 온도에서 크리프를 견딜 수 있습니다.결정립 경계는 많은 결함과 고장 메커니즘이 시작되는 미세 구조 영역으로 크리프가 발생합니다. ^{[ 5 ]} 이러한 결정립 경계가 없으면 이런 식으로 크리프가 발생하는 것이 억제됩니다.크리프는 단결정 터빈 블레이드에서도 발생하지만 더 높은 온도에서 발생하는 다른 메커니즘 때문입니다.단결정 터빈 블레이드에는 결정립 터빈 블레이드가 있는 축 응력 방향을 따라 결정립 경계가 없습니다.이는 또한 크리프 강도를 증가시키는 데 도움이 됩니다.

니켈 기반 초합금

가능한 가장 높은 작동 온도를 견딜 수 있는 단결정 터빈 블레이드를 만들기 위해 여러 초합금이 사용되어 왔습니다. 이러한 초합금은 일반적으로 니켈 기반이며, 고온 조건에서 터빈 블레이드의 기계적 특성을 최적화하는 데 기여하는 여러 다른 원소를 포함합니다. 이러한 최적화를 위해 첨가되는 각 원소의 조성은 지속적으로 테스트되고 있습니다. 단결정 터빈 블레이드용으로 사용되는 초합금의 예로 CMSX6가 있습니다. 이 초합금의 조성은 아래 표에 나와 있습니다.

초합금의 단결정 내에는 감마 매트릭스와 감마 프라임 침전물이라는 두 가지 상이 존재합니다. 감마 프라임 상은 크리프 저항 증가를 제공하기 위해 초합금에서 50% 이상의 부피 분율로 존재해야 합니다. ^{[ 6 ]} 감마 프라임 상의 존재는 전위 운동을 방지하여 터빈 블레이드의 기계적 강도를 증가시킵니다. 감마 프라임 상은 온도가 증가함에 따라 강도가 증가하는 특이한 특성을 가지고 있습니다. 이것은 섭씨 973도까지 사실입니다. ^{[ 3 ]} 온도 증가로 인한 강도 증가로 인해 초합금은 더 높은 온도에서 작동할 수 있습니다.

터빈 블레이드에 결정립계가 없기 때문에 초합금에서 탄소나 붕소와 같이 결정립계 강화에 일반적으로 사용되는 원소의 존재를 줄일 수 있습니다. 이러한 원소는 더 높은 조성으로 존재할 경우 합금의 크리프 강도와 용융 온도를 감소시킵니다. 이러한 원소의 높은 농도가 필요하지 않기 때문에 단결정 터빈 블레이드는 강도를 유지하고 고온에서도 사용할 수 있습니다. ^{[ 7 ]}

제조 공정 및 결정 성장

단결정 터빈 블레이드를 제작하는 데 실제로 사용되는 여러 가지 제조 방법이 있습니다. 이러한 제조 방법은 모두 방향성 응고 또는 자율 방향 응고라는 개념을 사용하는데, 여기서 응고 방향이 제어됩니다. 일반적인 방법은 단결정을 성장시키는 브리지먼(Bridgman) 방법입니다. 이 방법에서는 주조로를 사용하여 결정을 성장시킵니다. 이 공정에서는 먼저 블레이드의 주형을 만들어야 합니다. 용융 왁스를 원하는 터빈 블레이드의 금속 주형에 주입하고 굳어서 터빈 블레이드의 형태를 갖도록 둡니다. 그런 다음 왁스 모형을 사용하여 단결정 터빈 블레이드 생산에 사용할 세라믹 주형을 만듭니다. 세라믹 주형이 만들어지면 가열하여 주형의 강도를 높입니다. ^{[ 8 ]} 주형이 사용하기에 충분해지면 주형 내부에서 왁스를 녹입니다. 이제 주형은 니켈 기반 초합금의 용융 형태로 채워집니다. 주형 내에 들어 있는 용융 초합금은 브리지먼 기법을 사용하는 일종의 주조로(종종 진공 유도 용해 ^W 로)에 넣습니다.

브리지먼로에서의 결정 성장

용광로는 용융 온도보다 높은 고온 영역과 히터로 제어되는 용융 영역보다 낮은 저온 영역으로 구성되며, 고체-액체 계면이 발생하는 경사 영역이 있습니다. 초합금은 처음에는 용융된 형태로 고온 영역 내에 완전히 존재합니다. 그런 다음 초합금은 시간당 약 몇 인치의 속도로 매우 느리게 하강하여 고체-액체 계면이 금형 위로 천천히 올라갑니다. 초합금은 바닥에서 위로 응고됩니다. 응고 속도가 느리기 때문에 결정립이 금형을 용광로에서 빼내는 방향으로 수지상 결정 ^{W 로 성장합니다. [ 8 ]} 수지상 결정은 구성적 과냉각 효과로 인해 한 방향으로만 기둥 형태로 형성됩니다. 고체가 형성되기 시작하면 고체-액체 계면 바로 앞에서 다양한 용질 농도가 발견됩니다. 액체 전체의 용질 변화는 평형 응고 온도의 변화를 일으킵니다. 이 시점에서 액체의 온도는 평형 응고 온도보다 낮아져 과냉각 효과가 발생합니다. 과냉각은 열이 고체 돌출부에서 액체로 전달되어 수지상 결정 성장을 촉진합니다. ^{[ 9 ]} 수지상 결정이 성장하는 속도는 존재하는 과냉각의 양과 직접적으로 관련됩니다. 각도로 정렬된 수지상 결정은 더 직접적이고 수직적인 방향을 취하는 수지상 결정과 보조를 맞추기 위해 더 빨리 성장해야 합니다. 더 빨리 성장하려면 더 많은 과냉각이 필요하며, 이는 이러한 각진 수지상 결정이 고체-액체 계면에서 더 뒤로 성장한다는 것을 의미합니다. ^{[ 8 ]} 결국 더 유리한 수직 수지상 결정이 더 뒤에 있는 각진 수지상 결정을 추월합니다. 터빈 블레이드에서 결정립 경계를 제거하기 위해 왁스 몰드 바닥에 입자 선택기가 부착됩니다. 입자 선택기는 단일 수지상 결정립보다 크지 않은 나선형 튜브입니다. 수직 수지상 결정이 몰드 바닥에서 성장함에 따라 하나의 수지상 결정만 나선형을 통과하여 결국 터빈 블레이드 몰드에 들어갈 수 있습니다. 따라서 응고가 완료되면 터빈 블레이드는 전적으로 하나의 결정립으로 만들어지고 단일 결정 터빈 블레이드가 됩니다.

방법

브리지먼법의 문제점은 원하는 제품을 생산하기 위해 복잡하고 값비싼 주조로가 필요하다는 것입니다. 샘플을 천천히 주조로에서 꺼낼 필요성을 없애는 또 다른 제조 방법이 만들어졌습니다. 이를 통해 공정이 간소화되고 속도가 빨라져 비용 효율성이 높아집니다. 응고가 더 빨라져 샘플 사이의 분리량이 줄어들어 기계적 특성도 향상됩니다. ^{[ 10 ]} _{이 공정에서는 핵 생성을 억제하는 층으로 코팅된 Al 2} O ₃ 세라믹 으로 만든 금형을 사용합니다 . 샘플은 바닥에 설치된 수냉식 냉각판으로 완전히 용융 상태를 유지하도록 가열이 제어되도록 설정됩니다. 이 방법에서는 나선형 입자 선택기를 같은 방식으로 사용합니다. 가열을 끄고 용광로가 식으면서 응고가 시작됩니다. 금형 층은 상당한 양의 과냉각이 생성될 때까지 핵 생성이 발생하는 것을 지연시킵니다. ^{[ 10 ]} 이 지점에서 핵 생성이 샘플 바닥에서 시작되고 수지상 결정이 같은 방식으로 형성됩니다. 단일 수지상 결정이 입자 선택기를 통과하면 단결정 터빈 블레이드가 생성됩니다. 바닥에서 제어된 가열 및 냉각량은 기계적 특성을 최적화하기 위해 변경될 수 있습니다. ^{[ 10 ]}

참고문헌