고급 정밀주조 기술 개발 전망

Chen Bing 씨 컬렉션에서

고급 정밀 주조 또는 항공우주, 무기, 산업용 가스 터빈 및 기타 중요한 부문과 관련된 고부가가치 정밀 주조는 야금학적 또는 외관 품질이 매우 까다롭든 간에 점차적으로 다양성, 사양을 요구합니다. 본 논문에서는 개발 역사와 동향에 대한 몇 가지 대표적인 사례만을 간략하게 소개한다.

방위산업

 1, 항공기 엔진 터빈 블레이드

현대 항공 엔진(또는 제트 엔진)의 핵심 부분은 주로 가압기, 연소실, 터빈의 세 부분으로 구성됩니다(그림 1). 정밀 주조와 밀접한 관련이 있는 것은 정적 블레이드(가이드 블레이드) 및 동적 블레이드(작업 블레이드)를 포함하여 여러 단계의 블레이드 및 터빈 블레이드 이후의 압력 엔진입니다. 항공기의 다양한 유형과 용도, 엔진 요구 사항은 동일하지 않지만 한 가지 공통점은 지속적으로 추력 대 중량 비율을 개선하고 연료 소비를 줄이는 것입니다. 이를 위해서는 열효율을 높이는 것이 핵심이며, 열효율을 높이기 위한 주요 기술적 방안은 가압기의 가압비와 터빈 전면 입구온도를 최대화하는 것이다(그림 1). 그 결과 필연적으로 전체 시스템 온도가 상승하고 관련 부품, 특히 터빈 블레이드 작동 온도가 점점 더 높아집니다. 일류 터빈 블레이드의 작동 온도는 대략 터빈 입구 온도와 동일하며, 현재 최첨단 항공기 엔진의 터빈 입구 온도는 1700℃라는 놀라운 수준으로 니켈 기반의 높은 녹는점을 초과합니다. -온도 합금은 약 300 ℃입니다.

야금의 기본 원리에 따르면 결정립계는 고온에서 약한 연결고리이므로 터빈블레이드 합금재료의 결정립계면적은 등축결정의 발달(1950S)에서 방향으로 점점 작아질 수밖에 없다. 주응력 방향과 평행한 배향된 기둥형 결정의 주응력 방향(1970S), 블레이드 작동 온도도 900~1000℃에서 1000~1100℃로 증가하고, 주조 방법도 이에 상응하여 일반 진공 용해에서 - 주조는 단결정 주조까지 방향성 응고로 발전했습니다(그림 2 및 3).

여러 나라에서 개발한 단결정 합금 화학 조성은 동일하지 않지만 미세 구조는 기본적으로 동일합니다. 즉, 니켈 기반 고용체 γ상을 기판으로 하고, 그 안에 입방체 고온 강화상 γ'가 박혀 있습니다( 그림 4). 지금까지 단결정 합금 R&D는 1세대, 2세대, 3세대를 경험했으며 현재는 4세대, 5세대, 심지어 6세대 연구 개발 단계에 진입하고 있으며 온도 1150℃ 목표를 향해 나아가고 있습니다. . 수십 년간의 끊임없는 노력에도 불구하고 합금의 관점에서만 보면 사용 온도는 아직 1150℃를 넘지 못했습니다. 그러나 최신 항공기 엔진 터빈 입구 온도 요구 사항은 1700℃에 달해 거의 600℃ 차이가 난다. 이 600℃ 격차를 어떻게 메울 것인가? 현재는 블레이드 내부의 공기 냉각과 블레이드 외부 열 차단 코팅이라는 두 가지 기술적 조치를 주로 사용하고 있습니다. 공기 냉각 효율을 지속적으로 향상시키려면 블레이드 내부 냉각 채널이 구불구불해야 하며, 이로 인해 잎 몸체 부분, 특히 흡기 및 배기 가장자리 전체에 냉각 효과가 있어야 합니다. 이로 인해 내부 공동을 형성하는 세라믹 코어의 구조 형태가 점점 더 정교해지고 복잡해집니다(그림 5). 특히 복잡한 내부 공동(냉각 채널)이 있는 거의 모든 고온 합금의 열악한 단조 및 가공 특성을 고려하여 정밀 주조는 당연히 현재까지 항공기 엔진 터빈 블레이드의 유일한 성형 방법이 되었습니다.

간단히 말해 열차폐 코팅은 지난 세기 말에야 개발된 신기술인 단열 코팅입니다. 기본 구조는 열전도율이 작은 세라믹 상층과 기판의 산화를 방지하고 단단히 결합하도록 설계된 접착층의 두 층으로 구성됩니다(그림 6). 전자는 주로 전자빔이나 플라즈마 등의 물리기상증착법에 의해 형성되는 반면, 후자는 화학기상증착법에 의해 형성된다. 코팅의 전체 열팽창 계수는 기판 재료의 열팽창 계수와 일치해야 1700°C의 고온에서 균열이 생기거나 벗겨지지 않습니다. 코팅은 기판 재료에도 적용되어야 합니다. 그림 7은 열차폐 코팅이 된 중공형 터빈 블레이드를 보여줍니다.

2, 대형 일체형 구조 구성 요소

일반적인 항공기 엔진 프로파일이 그림 8에 나와 있습니다. 케이싱은 종종 "잡지"라고 불리는 여러 개의 구획으로 구성됩니다. 연소실 이후에는 일반적으로 주조가 이루어지지 않는 반면, 매거진의 매우 복잡한 형태 중 일부의 가압 부분은 종종 성형 주조를 통해서만 이루어집니다. 가압 공기 압축기 작동 온도의 계속 증가하는 요구 사항에 대한 부스트 비율이 계속 상승하므로 이러한 탄창의 성형 방법은 알루미늄, 마그네슘 합금 사형 주조(1950년대 ~ 1960년대 스테인레스 강판 금속 개발 - 현재의 티타늄 합금에 용접됨) 또는 고온 합금 정밀 주조 그림 9는 PCC에서 생산한 대형 티타늄 합금 매거진을 보여주고, 그림 10과 11은 각각 Howmet에서 생산한 티타늄 합금 매거진과 왁스 몰드를 보여줍니다.

티타늄 합금은 다른 합금보다 비강도와 비강성이 더 높기 때문에 티타늄 합금의 크고 얇은 벽의 복잡한 구조 부품은 비행기(그림 12)와 미사일 선체(그림 13)의 대형 하중 지지 구조 부품에도 널리 사용되었습니다. ) 1970년대 이후.

3, 일체형 구조의 알루미늄 합금 정밀 주조

이러한 주물은 전자 및 통신 장비 등의 랙, 프레임, 베이스 및 라디에이터에 널리 사용됩니다. 그림 14는 몇 가지 일반적인 예를 보여줍니다. 일체형 구조를 갖춘 알루미늄 합금 정밀 주조입니다.

 산업용 가스 터빈

온실가스 배출을 줄이는 것은 인류 모두의 심각한 과제가 되었습니다. 의심할 바 없이 가장 많은 양의 이산화탄소가 전 세계 열전 발전소에서 배출됩니다. 일반적으로 화력발전은 사용되는 연료에 따라 석탄화력, 석유화력, 가스화력으로 분류됩니다. 이 세 가지 시스템에서 생산되는 열 단위당 이산화탄소 배출량은 각각 1.00, 0.76, 0.53으로 매우 다릅니다. 이는 기존 석탄 화력 발전을 모두 대체하면 이산화탄소 배출량을 약 절반으로 줄일 수 있음을 의미합니다. 가스발전으로. 우리 모두 알고 있듯이 현재 중국의 화력 발전 장비는 여전히 주로 석탄 화력 증기 터빈입니다. 발전 장비의 에너지 효율을 향상한다는 관점에서 선진국은 오랫동안 석유 또는 가스를 연료로 사용하는 가스 터빈으로 변경했습니다. 가스. 발전 장비, 선박 전력, 일부 고출력 기계식 펌프, 가압기 및 기타 장비도 가스터빈으로 구동됩니다. 따라서 거의 모든 산업화된 국가에서 가스 터빈은 정밀 주조 산업의 주요 시장 중 하나이며, 그 판매는 시장 점유율의 약 1/3을 차지합니다. 불행하게도 여러 가지 이유로 인해 지금까지 중국의 가스 터빈 산업은 터빈 블레이드를 포함하여 여전히 상당히 낮은 개발 수준에 있으며, 많은 핵심 구성 요소가 아직 개발 단계에 있으므로 정밀 주조 시장 점유율을 차지하는 비율은 무시할 수 있습니다.

실제로 산업용 가스터빈의 작동 원리와 구조는 기본적으로 항공 엔진과 동일하며 핵심 부품도 가압기, 연소실, 터빈의 세 부분으로 구성됩니다(그림 15). 따라서 방향성 응고, 단결정 주조, 블레이드 냉각, 차열 코팅 등 항공 엔진에 사용되는 많은 첨단 미세 주조 기술이 가스터빈에 대량으로 이식되었습니다. 항공기 엔진과 마찬가지로 가스 터빈의 열효율은 터빈 전면의 입구 온도와 직접적인 관련이 있습니다. 예를 들어, 세계에서 널리 사용되는 전통적인 유형의 복합 사이클 발전기 세트의 경우 터빈 전면 입구 온도는 1100~1300℃이고 열 효율은 43%~48%입니다. 신형 가스터빈 전면 입구 온도는 1500℃, 열효율은 52%이다. 연구개발 과정에서 초고효율 가스터빈의 열효율 목표치는 56%~60%이며, 터빈 전면 입구 온도는 1700℃까지 더욱 높아질 예정이다.

추력 대 중량비 측면에서 산업용 가스터빈의 요구 사항은 항공기 엔진만큼 높지는 않지만 크기가 크다는 어려움이 있습니다. 그림 16은 GE의 MS9001FA 산업용 가스 터빈의 1차 및 2차 터빈 블레이드를 보여주며, 길이는 각각 43cm와 56cm, 질량은 13.5kg과 12.6kg입니다. 그림 17은 길이가 60cm이고 질량이 60kg을 초과하는 터빈 가이드 베인의 팬 섹션을 보여줍니다. 산업용 가스터빈 터빈 블레이드의 설계 길이도 90cm에 달하는 것으로 보고됐다. 그림 18은 2011년 일본 미쓰비시 중공업이 성공적으로 개발한 30cm 길이의 단결정 터빈 블레이드를 보여줍니다. 그림 19는 프레싱 과정의 왁스 몰드를 보여줍니다. 그림 20은 트리밍 중인 세라믹 코어(공백)를 보여줍니다.

 자동차 엔진 터보차저

자동차에 터보차저를 설치하는 본래의 목적은 엔진에서 나오는 배기가스를 최대한 활용하여 터보차저 터빈을 구동시켜 회전시키고, 이를 동축 압축기의 임펠러를 구동시켜 공기를 압축하여 엔진에 공급하는 것입니다. , 이에 따라 엔진 출력과 토크가 증가하여 연료 소비를 줄이고 배출 가스를 더 깨끗하게 만드는 효과를 얻습니다(그림 21 및 22).

일반적으로 승용차 디젤 엔진은 최대 약 850°C의 배기가스를 배출하는 반면, 가솔린 엔진은 최대 1050°C까지 도달할 수 있습니다. 따라서 터빈은 일반적으로 713C 또는 MarM과 같은 니켈 기반 고온 합금으로 정밀 주조됩니다. 이러한 제품을 생산하는 데에는 미국 Hitchiner Manufacturing Co., Inc.의 특허받은 반중력 주조(진공 주조) 기술(그림 23)이 가장 효율적인 방법으로 간주됩니다. 반면, 전면 압축기 임펠러는 고온에서 작동하지 않으며 일반적으로 알루미늄 합금 석고형 정밀 주조로 만들어집니다. 과급기 임펠러와 터빈은 일반적으로 크기가 작지만 회전 속도가 최대 250,000rpm 이상으로 매우 높기 때문에 이 두 임펠러에 대한 품질 요구 사항이 매우 엄격합니다. 국내에도 다수의 제조업체가 이 두 가지 임펠러를 생산하고 있지만 전체 수요에서 생산량이 큰 비중을 차지하지 않습니다.

최근 유럽에서는 연료절감과 도시공기질 개선에 대한 요구가 높아지면서 자연흡기 대형엔진을 대체하기 위해 소형엔진에 터보차저를 장착하는 것이 인기있는 추세가 되었으며, 2011년을 기준연도를 기준으로 장착률은 2016년에는 슈퍼차저의 비율이 두 배 이상 증가해 전체의 76%를 차지하게 될 것입니다. 그러나 유럽 국가의 자동차 발전기는 주로 디젤 엔진이기 때문에 터보차저 설치만으로는 지속적으로 업데이트되는 EU 차량 배기가스 배출 기준을 충족하기에는 충분하지 않으며 PM2.5 및 NOx를 최소화하기 위해 흡기 및 배기 시스템도 모두 장착해야 합니다. 및 기타 유해한 배출. 시스템의 많은 부품, 대부분의 재료는 스테인레스 스틸이며 복잡한 형상, 얇은 벽 및 더 높은 특성의 치수 정확도 요구 사항을 갖추고 정밀 주조 방법을 사용한 성형에 매우 적합하므로 자동차 정밀 주조가 급속한 확장을 설명합니다. 시장점유율은 2004년 5%에서 2011년 16%로, 같은 기간 일본에서는 24%에서 43%로 뛰어올랐다. 자동차 과급기 흡기 및 배기 시스템 정밀 주조는 정밀 주조 시장의 일반적인 관점에서 볼 때 중급 제품으로만 간주될 수 있지만 시장 수요로 인해 중국 정밀 주조 산업의 발전을 위해 흔치 않은 기회. 21세기에 들어서면서 중국의 장강 삼각주, 발해 등 많은 정밀 주조 기업이 개혁 개방을 통해 정책과 지리적 이점을 제공하고 기회를 놓치지 않고 정밀 주조 분야로 만들었습니다. 이 분야의 제품은 기업 관리부터 공정 기술 및 장비에 이르기까지, 그리고 원본을 기반으로 한 단계 향상시키는 것과 동시에 새로운 제품 시장으로 정착하고 빠르게 발전했습니다. 국내 자동차 엔진은 승용차는 여전히 가솔린 엔진이 지배하고 있지만, 화물차는 디젤 엔진이 지배하고 있다는 점을 언급할 필요가 있다. 중국의 공기 품질 요구 사항이 점진적으로 개선됨에 따라 터보차저 및 해당 지원 장비는 새로운 국내 시장을 신속하게 형성하고 중국 정밀 주조 산업의 발전이 될 것이며 발전 활력의 새로운 물결을 추가할 것입니다.

과급기 회전 부품의 밀도를 줄이는 것은 엔진 효율과 과도 응답 모두에 긍정적인 영향을 미칩니다. 티타늄-알루미늄 합금(TiAl) 비중은 4.2, 니켈계 합금(713C) 비중은 7.9이므로 후자 대신 전자를 사용하면 질량이 거의 절반(47%)으로 줄어들어 무게도 줄어든다. 터빈의 관성을 감소시켜 토크 증가의 응답 시간을 단축시켜 터보차저의 과도 응답 특성을 향상시킬 수 있습니다. 일본 다이도캐스팅(Daido Casting Co.)에 따르면 현탁 용해와 진공주조를 결합해 티타늄-알루미늄 합금 터보차저 터빈을 성공적으로 주조해 양산에 돌입했다고 한다. 현탁액 용융(왼쪽) 및 용융 풀(오른쪽)의 원리는 그림 24, 현탁액 용융 - 진공 흡입 주조 장치 개략도는 그림 25입니다.

   티타늄 알루미늄합금 정밀 주조

티타늄-알루미늄 합금은 항공우주, 산업용 가스 터빈 및 자동차 산업에서 특정 고온 합금 및 기타 내열성 재료를 대체하는 데 사용할 수 있는 저밀도, 우수한 고온 기계적 특성 및 내산화성을 지닌 금속간 화합물입니다. . 기계적 성질 시험 결과, 760℃에서 높은 크리프 저항성과 우수한 피로 저항성을 갖는 것으로 입증되었습니다. 그러나 이러한 재료는 부서지기 쉽고 실온 연신율이 2% 미만이며 내충격성 및 균열 확장 성능이 좋지 않으므로 다이캐스팅이 이러한 재료를 성형하는 가장 좋은 수단이 됩니다. 지난 세기 90년대 이후 산업용 가스 터빈 블레이드(그림 26a), 전체 주조 터빈(그림 26b), 항공기 엔진 블레이드(그림 26c), 자동차 제조에 니켈 기반 고온 합금 대신 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 내연 기관 실린더 입구 및 배기 밸브 및 기타 제품.