니켈 기반 합금은 650~1000℃의 고온에서 높은 강도와 산화 및 부식에 대한 특정 저항성을 갖는 합금 종류입니다. 니켈 기반 합금은 주요 특성에 따라 내열성 니켈 기반 합금, 내식성 니켈 기반 합금, 내마모성 니켈 기반 합금, 정밀 니켈 기반 합금 및 형상 기억 니켈 기반 합금으로 더 세분화될 수 있습니다. 고온 합금은 모체 재료에 따라 철 기반 고온 합금, 니켈 기반 고온 합금, 코발트 기반 고온 합금으로 분류됩니다. 니켈 기반 고온 합금은 일반적으로 간단히 니켈 기반 합금이라고 합니다.
기원과 발전
니켈 기반 합금의 연구 및 개발은 1930년대 후반에 시작되었습니다. 영국에서는 1941년에 처음으로 Nimonic 75(Ni-20Cr-0.4Ti)를 생산했습니다. 크리프 강도를 향상시키기 위해 알루미늄을 첨가하여 니켈 기반 합금 Nimonic 80(Ni-20Cr-2.5Ti-1.3Al)이 탄생했습니다. 1940년대 중반 미국, 1940년대 후반 소련, 1950년대 중반 중국에서도 잇달아 니켈계 합금을 개발했다. 니켈 기반 합금의 개발에는 합금 구성 개선과 생산 기술 혁신이라는 두 가지 측면이 포함됩니다. 예를 들어, 1950년대 초 진공 용해 기술의 개발은 알루미늄과 티타늄 함량이 높은 니켈 기반 합금을 정제할 수 있는 조건을 만들어 강도와 작동 온도를 크게 향상시켰습니다. 1950년대 후반, 터빈 블레이드의 작동 온도가 증가함에 따라 합금의 고온 강도에 대한 요구가 높아졌습니다. 그러나 강도가 높으면 변형이 어렵거나 불가능하기 때문에 정밀 주조 기술을 사용하여 고온 강도가 우수한 일련의 주조 합금이 개발되었습니다. 1960년대 중반에는 방향성 응고 및 단결정 고온 합금과 분말 야금 고온 합금의 성능이 향상되었습니다. 해양 및 산업용 가스 터빈의 요구 사항을 충족하기 위해 1960년대부터 우수한 고온 내식성과 안정적인 미세 구조를 갖춘 일련의 고크롬 니켈 기반 합금이 개발되었습니다. 1940년대 초반부터 1970년대 후반까지 약 40년에 걸쳐 니켈 기반 합금의 작동 온도는 700℃에서 1100℃로 증가했으며, 이는 연간 평균 약 10℃ 증가했습니다. 오늘날 니켈 기반 합금의 작동 온도는 1100℃를 초과합니다. 처음에는 단순한 Nimonic 75 합금부터 최근 개발된 MA6000 합금은 1100°C에서 인장 강도 2220MPa, 항복 강도 192MPa를 자랑하며 1100°C/137MPa에서 크리프 강도는 약 1000시간에 달해 항공기 엔진 블레이드에 적합합니다.
니켈 기반 합금에서 다양한 금속의 역할
특정 니켈 기반 합금의 경우 농도, 온도, 환기, 액체(가스) 유량, 불순물, 마모 및 순환 공정 조건을 포함하여 특정 환경에 다양한 변수가 존재합니다. 이러한 변수는 다양한 부식 문제를 일으킬 수 있습니다. 니켈 및 기타 합금 원소는 이러한 문제를 해결할 수 있습니다. 금속 니켈은 녹는점에 도달하기 전에 오스테나이트계 면심 입방체 구조를 유지합니다. 이는 연성-취성 전이에 대한 자유를 제공하고 다른 금속의 공존으로 인해 발생하는 제조 문제를 크게 줄입니다. 전기화학적 순서에서 니켈은 철보다 불활성이지만 구리보다 반응성이 높습니다. 따라서 환원 환경에서 니켈은 철보다 내식성이 우수하지만 구리보다 내식성이 낮습니다. 니켈에 크롬을 첨가하면 합금에 내산화성이 부여되어 환원 및 산화 환경 모두에 대해 우수한 내식성을 지닌 다양한 합금이 탄생합니다. 스테인레스강 및 기타 철 기반 합금과 비교하여 니켈 기반 합금은 우수한 야금학적 안정성을 유지하면서 고용체 상태에서 다양한 합금 원소를 수용할 수 있습니다. 이러한 특성으로 인해 니켈 기반 합금에 다양한 합금 원소를 추가할 수 있어 다양한 부식 환경에서 폭넓게 적용할 수 있습니다.
니켈 기반 합금의 일반적인 요소는 다음과 같습니다.
니켈(Ni): 금속학적 안정성을 제공하고, 열 안정성과 용접성을 향상시키며, 환원산 및 가성소다에 대한 저항성을 강화하고, 특히 염화물 및 가성소다 환경에서 응력 부식 균열에 대한 저항성을 향상시킵니다.
크롬(Cr): 내산화성, 고온 산화성, 내황화성, 공식 및 틈새 부식에 대한 저항성을 향상시킵니다.
몰리브덴(Mo): 산부식 감소에 대한 저항성을 향상시키고, 염화물 함유 수용액의 공식 및 틈새 부식에 대한 저항성을 향상시키며, 고온 강도를 증가시킵니다.
철(Fe): 내고온 침탄성을 향상시키고, 합금 비용을 절감하며, 열팽창을 억제합니다. 구리(Cu): 산성 부식(특히 황산) 감소에 대한 저항성을 향상시킵니다.
