Tech Trend - Ceramic Core를 활용한 일방향 응고 대형 가스터빈 블레이드 제조기술
TECH TREND는 기술을 선도하는 혁신기업으로부터 듣는 최신 기술동향입니다.
기술개발 배경
발전시장의 전망은 후쿠시마 원전사고, CO₂발생에 따른 환경 문제 및 최근의 셰일가스 양산에 따른 에너지 수급 체계의 변화에 따라 매우 민감하게 반응하고 있다.
그 결과 높은 열효율, 친환경성 및 안정성이 검증된 복합발전 수요가 전 세계적으로 증가하고 있으며, 국내 발전시장에도 많은 영향을 미치고 있다.
더불어 최근에 증가하고 있는 신재생발전의 불균일한 발전 패턴을 극복하기 위한 백업 발전시스템으로 가스터빈의 필요성 또한 증대되고 있는 실정이다.
하지만 가스터빈은 사용환경 특성상 고온부품의 정비 주기가 2년 정도인 것을 고려하면 국내 발전용 가스터빈 부품의 신품교체 시장규모가 연 2,800억원으로서 대부분 해외수입에 의존하고 있다.
이러한 가스터빈 고온 소재 및 부품의 제조 기술은 방위산업과 연계된 전략적 중요성과 첨단기술에 속하면서 시장 독과점성 때문에 선진국에서는 기술 유출을 적극적으로 제한하고 있어 기술이전 가능성이 희박하고, 기술협력도 꺼리고 있어 독자적 기술개발을 통한 기술 확보 이외에는 대안이 없으며, 국산화 시 해외 선진업체들과의 지적재산권 분쟁 등을 고려하여 자체 기술개발 프로그램을 통한 역설계 및 원천 기술 확보가 필요하다.
당사에서는 1989년도에 국내 최초로 산업용 진공유도용해로를 도입하여 Ni기 및 Co기 초내열 합금의 진공주조기술개발과 Ceramic-Core 제조기술을 연구, 개발하여 대형 가스터빈 블레이드에 적용이 가능한 Ceramic Core의 제조기술 및 일방향 응고 대형 가스터빈 블레이드 제조기술을 국산화하여 지난해 각각 신기술 인증(NET: New Excellent Technology)을 획득하였다.
가스터빈 블레이드 기술개발 Trend
가스터빈의 효율과 출력 향상을 위하여 가스터빈 입구온도가 꾸준히 상승하여 왔으며, 현재 해당 터빈의 운전온도가 내열 합금재료의 한계온도를 상회함으로써 가스터빈의 효율 향상, Lifecycle 및 안정성 제고와 고온특성 향상을 위한 일방향 응고기술 및 단결정응고 제어기술을 적용하여 터빈 블레이드 제조와 Ceramic Core를 활용한 블레이드 주조품 자체 내부 냉각 유로를 형성시켜주는 기술 및 최종 주조품 표면에 열차폐 세라믹코팅을 시행하는 기술 등을 개발하여 블레이드가 더욱 향상된 고온에서 작동, 운영될 수 있도록 하고 있다.
W501F 가스터빈은 전 세계 산업용 가스터빈의 양대 산맥인 Siemens Westinghouse의 주력 모델로써 터빈 입구온도 1,300℃급으로 복합 출력이 약 250MW인 고온 고효율 대형 가스터빈으로써 전 세계 약 250여 기가 운영되고 있으며, 국내에는 1997년 울산복합화력에 처음 도입된 이래 현재 Modify 된 모델까지 총 17기의 가스터빈이 운용되고 있다.
결정립 미세화 기술
용융금속이 평형응고온도 아래로 냉각될 때, 원자들이 열에너지를 잃게 되므로 서로 뭉쳐 더 큰 엠브리오(원자들이 서로 응집하여 생기는 매우 작은 입자)를 형성할 확률이 증가하게 되며, 액상과 고상사이의 부피 자유에너지 차이가 클수록 핵의 임계크기가 감소하면서 핵생성을 시작하여 용해온도 바로 아래로 냉각될 때, 고체의 결정구조 에너지가 액체의 에너지보다 작으므로 응고가 일어난다.
용융된 금속이 냉각됨에 따라, Dendrite가 자라기 시작하며, 이것이 모여 하나의 결정립(Grain)으로 성장하게 된다.
아래의 그림에서 보여주듯이, 다결정으로 응고하는 과정을 제어하여 결정립 미세화기술을 개발하고, 동일한 부품(형상과 재질이 동일)이라 하더라도 그 부품이 사용되는 필요환경(고온특성 등)에 따라서 결정립 미세화 등급을 선별, 적용한다.
터빈블레이드 일방향 응고 진공정밀주조기술
일방향 응고 진공정밀주조기술은 1970년대 미국에서 최초 개발 되어 현재 전 세계적으로 몇몇 기술 선진국에서 고부가가치 산업이라는 점과 전략적인 이유로 기술이전을 회피하는 대표적인 기술로써 항공기용 및 발전용 가스터빈의 핵심부품을 제작하는 데 반드시 필요한 기술이다.
일방향 응고기술은 진공용해로 내부에 있는 DS Susceptor에서 세라믹 쉘을 용융금속의 Melting Point 이상의 온도까지 상승, 예열시킨 조건하에서 용융된 금속을 주입하고 안정화한다. 주입된 금속은 수냉으로 냉각되는 Chill Plate와 맞닿는 바닥 부분(Starter Block)에서만 Grain이 생성되고 Susceptor 내부에 있는 제품 부분은 용융된 상태로 존재하게 된다.
이때, 세라믹 쉘을 Chill Plate와 같이 응력축에 평행한 방향으로 서서히 Withdrawal 시키면서 응력 파단의 원인이 되는 Grain Boundary를 응력 방향에 평행한 방향으로 길게 성장시키는 고난도 기술이다.
여기에 복합적으로 수반되는 Grain 성장을 위한 Wax-Pattern 조립 기술, 고온에서 견딜 수 있는 세라믹 쉘 제작 기술, 예열 및 주입 온도제어 기술, 열전달 및 응력제어, 냉각능 향상 등의 주요 요소 기술이필요하며, 또한 본 개발품과 같이 내부 Cooling Passage를 형성 그림 4 응고속도와 온도구배에 따른 결정조직하기 위한 세라믹코아를 사용하는 경우 모재의 합금성분, 세라믹코아 및 세라믹 쉘 재료와의 Reaction을 제어할 수 있는 기술개발이 추가된다.
대형 가스터빈에 사용하는 1단 터빈 블레이드는 터빈 입구온도가 1,300℃에 달하는 연소가스와 직접 접촉되기 때문에 고온에서 강도와 내식성이 우수한 Ni기 초내열 합금을 사용하여 제작한다.
이러한 초내열 합금에는 고온 특성을 부여해주는 Ti, Al, Nb 등 활성이 큰 원소들이 다량 함유되어 있어 이들 합금을 이용하여 터빈 블레이드를 제조할 경우에는 반드시 진공정밀주조기술이 수반되어야 하며, 그렇지 않을 경우 고온 특성을 부여해 주는 원소들이 대기와의 반응으로 소실될 수 있어 초내열 합금 본연의 특성을 잃어버릴 수가 있으므로 진공(10-3~10-4mTorr) 중에서 보호성 분위기를 제공하여 Master Ingot을 용해하여 부품을 제작하는 진공정밀주조기술이 필요하다.
본 제품의 경우 고온 특성(내산화성, Creep, Thermal Fatigue 등)을 더욱 우수하게 하기 위하여 결정립(Grain)을 가스터빈의 주 응력 축에 평행하게 성장시키는 일방향 응고 진공정밀주조기술을 개발하여 중공형 터빈 블레이드를 제작하는 데 성공하였다.
Ceramic Core 제조기술
터빈효율과 파워 향상을 위하여 매년 30~50℃의 터빈입구 온도 향상이라는 전제목표를 달성하기 위한 터빈설계는 Aerodynamic Design, Heat-Transfer, Vibration, New Superalloy 개발과 최대 냉각 효과를 달성키 위한 터빈 냉각 유로를 설계하게 되었으며 특히, 블레이드 외형 Design과 매치되면서 사람의 미세혈관과 유사한 환상적인 블레이드 냉각유로 형상은 기계가공 기술로는 한계에 도달, 이를 위한 해결방안으로 세라믹코아 기술이 대두하였다.
이는 초내열 합금보다 용융점이 높은 내화 세라믹으로 Core를 제작하여 터빈블레이드 자체 내부에 냉각 유로(Cooling Passage)를 형성시켜 주는 핵심 제조기술 중의 하나이다.
당사는 내화세라믹 Fine and Granular 분말 재료에 바인더를 혼합시켜주는 Blending and Mixing 장비와 Process를 개발하였으며, 이를 거친 세라믹 원재료를 금형에 사출하여 고온에서 소결한 후, 강도를 향상하기 위한 함침처리를 하였다.
이와 같은 과정을 거친 소성 세라믹 코아를 터빈 블레이드의 모형제작을 위한 왁스패턴 금형에 안치 후 사출하여 모형의 내부에 세라믹코아가 자리 잡을 수 있도록 했다.
세라믹코아를 함유한 왁스 패턴은 조립 및 세라믹 쉘 코팅공정을 거친 뒤 진공용해로에서 일방향 응고 주조를 하면 내부에 냉각유로의 형상을 가진 세라믹코아가 터빈블레이드 내부에 존재하게 된다.
이 후 터빈블레이드를 세라믹 리칭 오토클레이브 설비에서 화학적인 방법으로 세라믹코아를 제거하면 블레이드 내부에 Cooling Passage가 형성된다.
국내 최초로 당사에서 가스터빈 고온 부품의 국산화 기술개발을 위해 Ceramic Core 제작 설비를 자체적으로 구축하여 단순형상의 Core로부터 본 개발품과 같은 복잡한 형상의 대형 가스터빈용 Ceramic Core 제작 기술을 개발하여 터빈 블레이드제작에 적용하였다.
1단 블레이드용 Ceramic Core의 경우 일방향 응고에 적합한 고온특성을 갖도록 Core를 제조하였으며, 501F 2단 블레이드의 경우 대형(430mm)부품에 따른 변형과 Crack을 제어할 수 있는 Ceramic Core 제조기술 개발에 성공하였다.
대형 가스터빈 터빈 블레이드 국산화 기술개발 파급 효과
기술적 측면에 있어서 선진국 일부업체들만이 독점하고 있는 일방향 응고 중공형 터빈 블레이드 제조 기술을 국내기술로 확보함으로써, 향후 한국형 대형 가스터빈 독자모델 개발과 연계하여 부품 국산화를 위한 기술기반이 마련되었으며, 전략적 항공/방위산업 가스터빈 부품개발 분야에 기술적용이 가능하므로 가스터빈 소재기술의 애로사항을 극복하여 선진국 첨단산업기술 종속에서 탈피할 수 있으며, 경제적 측면으로는 그동안 수입에 의존하던 년 간 약 2,700억원으로 추산되는 국내 가스터빈 고온 터빈부품의 수입물량에 대한 대체와 해외 부품공급업체와의 구매협상을 통한 수입부품 단가인하 및 이에 따른 경비 절감이 가능하며, 또한 해외 가스터빈 고온부품 교체시장으로의 수출이 가능할 것으로 기대된다.