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작성일 : 19-03-15 11:02
[기타] 재료연 가스터빈 소재기술 및 코팅기술 개발
 글쓴이 : 노닉
조회 : 2,372  

터빈용 Re/Ru-free 단결정 초내열합금


∙ 항공엔진 고효율화를 위해 연소온도 상승 및 우수한 성능의 소재개발 필요

- 터빈입구온도(TIT1)) 100도 상승 :출력 15% 상승, 5% 연료 절감 효과

∙ 가스터빈 소재 부품의 수입대체 및 시장진출 위해 Re, Ru 등 고가원소 배제하고도 성능이 우수하여 가격 경쟁력 확보 가능한 독자 합금 개발 필요

- 2017년 기준 가스터빈 소재부품 수입액 15.7억달러 (항공기용 10.3억달러 포함)



가스터빈 블레이드용 열차폐 코팅


∙ 터빈 엔진 TIT 상승을 위해 저열전도 열차폐코팅(TBC) 기술개발 필수

- TBC 열전도도 1.0 → 0.5(W/mK) 저감시 TIT 100℃이상 향상 효과

∙ 군사용 기술의 핵심이며, 민수용 엔진의 경우에도 수출통제(E/L)로 국내 독자 기술 개발 불가피

- 7,000억원 규모 국내 열차폐코팅 시장 점유율 제고



□ ‘매우 도전적인 목표’ 선정사유


◦ 해당 개발 소재는 선진국에서 10∼50년의 장기간 연구를 통해 기술을 선점하였으며, 자국 기술안보를 위해 기술유출을 엄격히 통제하고 있는 전략소재에 해당하기에 국내 독자기술 확보가 반드시 필요하지만, 세계 최고 수준 대비 동등이상의 기술력 확보를 위한 기술개발 장벽이 높아 성과목표의 도전성이 매우 큼



【Re 2.4% 함유 2세대 합금 동등 고온 특성 구현 세계 최고 Re/Ru-free 단결정 초내열 합금】


◦ (의의) 가스터빈 효율 향상을 목적으로 고온 특성 개선을 위해 Re, Ru 등 고가※의 특수 합금원소를 첨가하여 왔으나 최근에는 Re, Ru 첨가량을 줄여 저가의 우수한 고온특성을 갖는 단결정 초내열 합금이 선진국을 중심으로 개발중임. 재료연에서는 동등 성능 이상의 독자 합금을 개발하여 가스터빈 시장에서 국산제품의 경쟁력을 제고


※ 3% Re 합금을 기준으로 소재 가격의 약 65%를 차지, 원소가격을 합금 조성에 대입하여 소재 가격 계산 (원소 가격 : 2015년 Metalprice.com 기준)


◦ (난제) Re은 고가원소이지만 1세대 합금 0%, 2세대 합금 2∼3%, 3세대 합금은 5∼6% 등 첨가 함량에 따라 세대가 구분되며, 세대에 따라 크리프 수명이 약 2.5배 (온도 수용성은 25℃) 증가※하기에 고온 특성에 필수적으로 첨가되는 원소임. 따라서 Re의 첨가 없이 높은 내열특성을 구현하는 것은 매우 도전적인 목표임


※ H. Harada, “A Story of Superalloy Development in NRIM and NIMS”, Superalloys Asia 2014


◦ (개발 방향) 재료연은 니켈합금 기지와 주 강화상인 감마프라임 사이의 계면 강화를 고려하는 타 연구와는 달리 감마프라임 자체의 강도를 극대화시켜 전위의 이동을 방해하는 차별적 방법으로 Re-free 합금을 구현하고자 함. 재료연의 Re/Ru-free 초내열 합금은 Re과 Ru을 포함하지 않으면서도 Re이 함유된 2세대 합금 중 세계 최고 특성을 나타내는 TMS82+(Re이 2.4% 포함)와 동등 수준의 크리프 성능을 확보하는데 도전



∙ 합금 개발 완료 후 후속 주요사업으로 전환하여 실용화 추진

- 상용 부품 적용 위해 필요한 기계적 특성 DB 구축

- 주조용 모합금 제조 기술 개발 추진


∙ 가격대비 성능 우수한 소재 적용에 따른 국산 가스터빈 모델의 경쟁력 확보 및 시장 진출

- 2017년 기준 세계 항공기 엔진시장 약 299억달러, 발전용 가스터빈 시장 약 166억달러



【터빈입구온도 1700℃급 가스터빈 블레이드용 세계 최고 수준 열차폐코팅】


◦ (의의) 가스터빈 운전효율 향상을 위해서는 터빈입구온도(TIT)를 상승시켜야 하며, 이를 위해 현재 국내에서 독자적으로 TIT 1500℃급 가스터빈을 개발 진행 중임. 향후 현재 세계 최고 수준인 TIT 1700℃급 가스터빈기술 개발이 필요하며 이 중 핵심 기술인 저열전도 열차폐코팅(TBC) 기술 개발을 통해 국내 가스터빈의 글로벌 경쟁력 확보에 기여


◦ (난제) 전세계적으로 가스터빈용 초내열합금의 온도수용성 향상이 한계 도달하여, TIT 1500℃이상 상승을 위해서는 비약적인 TBC 성능 개선 필수적으로 요구되고 있으나 TBC의 세라믹층 두께 증가 없이 열전도도를 낮추어 단열성능을 100℃이상 향상시키는 것은 매우 어려운 기술적 난제임


◦ (개발방향) 재료연에서는 TBC 단열성능을 좌우하는 코팅내 기공형성에 있어서, 종래 기술에서 마이크로 스케일 기공을 형성하던 수준을 벗어나, 세계 최초로 ‘서스펜션 진공 플라즈마 스프레이 코팅기술’을 적용하여 멀티(나노∼마이크로) 스케일 기공 분포 제어기술을 확립함으로써 세게 최고 수준의 저열전도 성능 목표(0.5 W/mK)에 도전



∙ 터빈입구온도 1500℃이상급 고효율 가스터빈 블레이드 열차폐 코팅 적용

- 무인항공기용 터보팬 엔진 1단 블레이드용 열차폐 코팅 적용

- 항공기 MRO 기업 대상 기술 마케팅 추진


∙ 가스터빈 소재부품 기술 자립화, 발전산업으로의 기술 파급, 연 7000억원 이상의 국내 열차폐코팅 시장 점유 확대

- 터빈입구온도 1,500℃ 이상급 차세대 발전용 가스터빈에도 적용가능



2020년까지 개발


고가의 원소인 레늄(Re) 없이 2세대급(Re 2.4%) 단결정 초내열합금과 동등한 크리프 성능을 확보하는 것이 목표.



열전도도 0.5 W/mK로 설정한 이유는 그게 기술포화점에 해당하는 수치라고 함.


NRC(캐나다) 및 국내 가스터빈 제조사 기술 자문결과 향후 5~7년 내 0.5 W/mK 이하의 특성 구현은 불가능하다고...



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댓글




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ijkljklmin 19-03-15 11:19
 
금속재료의 특성상 무슨 수퍼수퍼수퍼엘로이를 개발해도 금속 자체의 최고 사용온도는 1000 C입니다. TBC와 film cooling을 하면 개스의 온도는 올릴 수 있지만 열 손실이 발생해서 효율이 떨어집니다. 군용기야 효율 ,비용 안 따지고 쓸 수 있지만 상용발전 터빈은 그렇게 하면  열손실로 발전비용이 늘어납니다. 자체 사용온도가 높은 세라믹복합재료를 사용해서 film cooling, 냉각수cooling 없는 터빈을 개발해야 되는 이유입니다.