7가지 새로운 엔지니어링 소재: 알아야 할 사항
엔지니어링의 미래가 혁신적인 디자인뿐만 아니라 획기적인 소재에 달려 있다면 어떨까요? 데이터 전송을 혁신하는 광섬유부터 에너지 효율을 높이는 초전도 소재에 이르기까지, 최신 기술의 발전은 ...
항공기를 하늘을 날게 하는 강력한 엔진을 구성하는 소재가 무엇인지 궁금한 적이 있나요? 이 블로그 게시물에서는 고강도 합금부터 내열 세라믹에 이르기까지 항공기 엔진 소재의 매혹적인 세계를 살펴봅니다. 이러한 소재가 어떻게 극한의 비행 조건을 견디고 현대 항공의 안전과 신뢰성을 보장하기 위해 신중하게 선택되고 설계되는지 알아보세요.
항공우주 제조는 첨단 제조 기술에 속하는 제조 분야에서 첨단 기술이 가장 집약된 분야입니다.
주목할 만한 제품으로는 미국 휴렛팩커드에서 개발한 F119 엔진, 제너럴 일렉트릭의 F120 엔진, 프랑스 SNECMA사의 M88-2 엔진, 영국, 독일, 이탈리아, 스페인이 공동 개발한 EJ200 엔진 등이 있습니다.
이들은 세계에서 가장 진보된 고성능 항공 엔진을 대표하며, 신소재, 신공정, 신기술을 광범위하게 사용한다는 공통점이 있습니다. 고성능 항공 엔진에 사용되는 신소재에 대해 알아보세요.
고온 합금은 제트 엔진의 엄격한 재료 요구 사항을 충족하기 위해 개발되었으며, 군용 및 민간용 가스터빈 엔진 핫엔드 부품의 대체 불가능한 핵심 재료로 자리 잡았습니다.
현재 첨단 항공 엔진에 사용되는 소재 중 고온 합금이 차지하는 비중은 50%가 넘습니다.
고온 합금의 개발은 항공 엔진의 기술 발전, 특히 엔진 개발의 중요한 지표인 터빈 디스크 및 터빈 블레이드 재료와 엔진 핫 엔드 부품의 제조 공정과 밀접한 관련이 있습니다.
소재의 고온 저항성과 응력 견딜 수 있는 능력에 대한 요구가 높기 때문에 영국은 처음에 터빈 제트 엔진 터빈으로 사용하기 위해 Ni3(Al, Ti) 강화 Nimonic80 합금을 개발했습니다. 블레이드 재질. 또한 니모닉 합금 시리즈도 순차적으로 개발했습니다.
미국은 알루미늄과 티타늄을 함유한 분산 강화 니켈 기반 합금을 개발했는데, 각각 프랫 앤 휘트니, 제너럴 일렉트릭, 스페셜 메탈 코퍼레이션이 개발한 인코넬, 마-M, 유드밋 합금 시리즈가 그 대표적인 예입니다.
고온 합금 개발 과정에서 제조 공정은 합금 개발을 촉진하는 데 중요한 역할을 했습니다. 진공 용융 기술의 등장으로 합금에서 유해한 불순물과 가스를 제거하고, 특히 합금 조성을 정밀하게 제어함으로써 고온 합금의 성능이 지속적으로 향상되었습니다.
이후 방향성 응고, 단결정 성장, 분말 야금, 기계적 합금, 세라믹 코어 유형, 세라믹 필터링, 등온 단조 등과 같은 새로운 공정에 대한 성공적인 연구로 고온 합금의 개발이 빠르게 진행되었습니다.
이 중 방향성 응고 기술이 눈에 띄는데, 이 공정을 통해 생산된 합금(방향성 단결정 합금)은 초기 융점 90%에 가까운 온도에서 사용할 수 있습니다.
그 결과 현재 다양한 국가에서 생산되는 첨단 항공 엔진의 터빈 블레이드는 방향성 단결정 합금을 사용하여 제조되고 있습니다. 전 세계적으로 니켈 기반 주조 고온 합금으로 등축 결정, 방향성 응고 원주형 결정 및 단결정 합금 시스템이 형성되었습니다.
분말 고온 합금도 1세대 650°C에서 750°C 및 850°C 분말 터빈 디스크와 첨단 고성능 엔진에 사용되는 이중 성능 분말 디스크로 발전했습니다.
초고강도 강철이 랜딩으로 사용되었습니다. 기어 재질 항공기에 사용되었습니다. 2세대 항공기는 랜딩기어에 인장 강도가 1700MPa인 30CrMnSiNi2A 강철을 사용했습니다. 그러나 이 랜딩 기어의 수명은 약 2000시간으로 비교적 짧았습니다.
3세대 전투기 설계의 경우 랜딩기어의 수명은 5000시간 이상의 비행 시간이 예상됩니다. 탑재 장비의 증가와 항공기 구조 중량 비율의 감소로 인해 랜딩 기어의 선택 및 제조 기술에 대한 요구가 높아지고 있습니다.
미국과 중국의 3세대 전투기 모두 300M 강철(인장 강도 1950MPa) 랜딩기어 제조 기술을 채택하고 있습니다.
소재 적용 기술의 발전으로 랜딩기어의 수명이 더욱 연장되고 적응성이 확대되고 있다는 점도 주목해야 합니다.
예를 들어, 에어버스 A380의 랜딩 기어는 초대형 일체형 단조 기술, 새로운 대기 열처리 기술, 고속 화염 분사 기술을 채택하여 랜딩 기어의 수명이 설계 요구 사항을 충족하도록 보장합니다. 따라서 신소재 및 제조 기술의 발전은 항공기의 리뉴얼 및 업그레이드를 보장합니다.
부식성 환경에서 수명이 긴 항공기를 설계하려면 소재에 대한 더 높은 기준이 요구됩니다. 300M 강철과 비교했을 때 AerMet100 강철은 동등한 수준의 강도를 제공하지만 일반적인 내식성과 응력 부식 저항성이 더 우수합니다.
이에 수반되는 랜딩기어 제조 기술은 F/A-18E/F, F-22, F-35와 같은 첨단 항공기에 적용되었습니다. 파단 인성이 낮은 고강도 Aermet310 강철은 현재 연구 중입니다.
균열 전파 속도가 매우 느린 것으로 알려진 초고강도 AF1410 강철은 B-1 항공기의 날개 액추에이터 조인트에 사용되어 Ti-6Al-4V에 비해 무게는 10.6% 감소하고 가공성은 60% 향상되었으며 30.3%의 비용 절감 효과를 달성했습니다. 러시아 MiG-1.42에 사용된 고강도 스테인리스 스틸은 전체의 30%에 달합니다.
PH13-8Mo는 부식 방지 부품에 널리 사용되는 유일한 고강도 마르텐사이트 침전 경화 스테인리스강입니다.
국제적으로는 엔진, 헬리콥터, 항공우주 분야에서 CSS-42L 및 GearmetC69와 같은 초고강도 기어(베어링) 강재의 개발이 테스트되고 있습니다.
고성능, 고추력비 항공 엔진의 개발은 금속 간 화합물의 개발과 적용을 촉진했습니다. 오늘날 금속 간 화합물은 일반적으로 2원, 3원 또는 다원소 금속 화합물로 구성된 다양한 제품군으로 발전했습니다.
금속 간 화합물은 높은 사용 온도, 높은 비강도 및 열 전도성을 제공하여 고온 구조물 응용 분야에 상당한 잠재력을 가지고 있습니다. 특히 고온 조건에서 우수한 내산화성, 높은 내식성, 높은 크리프 강도를 자랑합니다.
금속 간 화합물은 새로운 소재 고온 합금과 세라믹 소재 사이의 간극을 메워주는 이 소재는 항공 엔진의 고온 부품에 이상적인 소재 중 하나로 자리 잡았습니다.
현재 항공 엔진의 구조 내에서 연구 개발의 주된 초점은 금속 간 화합물, 특히 티타늄 알루미늄과 니켈 알루미늄에 중점을 두고 있습니다. 이러한 티타늄 알루미늄 화합물은 티타늄과 밀도는 비슷하지만 사용 온도가 훨씬 높습니다.
예를 들어, 이들의 사용 온도는 각각 816℃와 982℃입니다. 금속 간 화합물의 강한 원자 간 결합과 복잡한 결정 구조로 인해 변형이 어렵고 상온에서 단단하고 부서지기 쉬운 특성을 나타냅니다.
수년간의 실험 연구 끝에 고온 강도와 상온 가소성 및 인성을 갖춘 새로운 합금이 성공적으로 개발되어 큰 성과를 거두었습니다. 예를 들어 미국의 고성능 F119 엔진은 엔진 케이스와 터빈 디스크에 금속 간 화합물을 사용합니다. F120 테스트 엔진의 컴프레서 블레이드와 디스크는 새로운 티타늄 알루미늄 금속 간 화합물로 만들어졌습니다.
세라믹을 떠올리면 취성이 자연스럽게 떠오릅니다. 수십 년 전만 해도 엔지니어링 분야에서 세라믹을 하중을 견디는 부품에 사용한다는 것은 상상할 수 없는 일이었습니다. 지금도 세라믹 복합재에 대해 이야기하면 세라믹과 금속은 근본적으로 관련이 없는 재료라고 생각하여 이해하지 못하는 사람들도 있습니다. 하지만 세라믹과 금속의 독창적인 결합은 세라믹 매트릭스 복합재를 탄생시키며 이 소재에 대한 인식을 근본적으로 바꾸어 놓았습니다.
세라믹 매트릭스 복합재는 항공우주 산업, 특히 항공 엔진 제조 분야에서 유망한 신소재로 각광받고 있으며, 그 고유한 특성이 점점 더 부각되고 있습니다. 세라믹 매트릭스 복합재는 가볍고 단단할 뿐만 아니라 고온에서 뛰어난 고온 저항성과 내식성을 지니고 있습니다.
현재 세라믹 매트릭스 복합 재료는 내열성을 뛰어넘어 금속 재료 고온을 견디고 우수한 기계적 특성과 화학적 안정성을 입증하여 고성능 터빈 엔진의 고온 영역에 이상적인 소재입니다.
현재 전 세계 각국은 차세대 첨단 엔진의 재료 요구 사항을 충족하기 위해 질화규소 및 탄화규소 강화 세라믹에 대한 연구에 집중하고 있으며, 상당한 진전을 이루었습니다. 일부는 이미 이러한 소재를 최신 항공 엔진에 적용하기 시작했습니다.
예를 들어, 미국의 F120 테스트 엔진은 고압 터빈 밀봉 장치와 연소실의 일부 고온 부품에 세라믹 소재를 사용합니다. 프랑스의 M88-2 엔진도 연소실과 노즐에 세라믹 매트릭스 복합재를 사용합니다.
최근 가장 주목받는 고온 내성 소재로 떠오르고 있는 탄소/탄소(C/C) 복합 소재는 현재 터빈 로터 블레이드에 사용하기 적합한 유일한 소재로 추력 대 중량비가 20을 초과하고 엔진 입구 온도가 1930~2227°C에 이르는 터빈 로터 블레이드에 사용하기에 적합한 것으로 간주됩니다.
이러한 소재는 21세기 미국의 핵심 중점 분야이자 전 세계 선진 산업 국가들이 추구하는 주요 목표입니다. C/C 복합 재료 또는 탄소섬유 강화 탄소 매트릭스 복합 재료는 탄소의 내화 특성과 탄소섬유의 고강도 및 강성을 독특하게 결합하여 부서지지 않는 고장을 유발합니다.
가벼운 무게, 높은 강도, 우수한 열 안정성, 뛰어난 열전도율로 오늘날 가장 이상적인 고온 내성 소재입니다. 특히 1000~1300°C의 고온 조건에서도 강도가 감소하지 않고 오히려 증가합니다. 1650°C 이하의 온도에서도 실온의 강도와 형태를 유지합니다. 따라서 C/C 복합 소재는 항공우주 제조 산업에서 상당한 개발 잠재력을 가지고 있습니다.
항공 엔진에 C/C 복합 소재를 적용하는 데 있어 가장 큰 문제는 내산화성이 떨어진다는 점입니다. 그러나 최근 몇 년 동안 미국은 일련의 공정 조치를 통해 이 문제를 점차적으로 해결하고 새로운 엔진에 점진적으로 적용하고 있습니다.
예를 들어 F119 엔진의 애프터버너 테일파이프, F100 엔진의 노즐과 연소실 덕트, F120 검증 엔진의 연소실 특정 부품은 현재 C/C 복합재로 제작되고 있습니다. 마찬가지로 프랑스의 M88-2 및 미라지 2000 엔진도 애프터버너 연료봉, 열 차폐막, 덕트 등에 C/C 복합재를 사용하고 있습니다.
항공 터보팬 엔진에 수지 기반 복합 소재를 적용하기 위한 연구는 1950년대에 시작되었습니다. 60여 년의 개발 끝에 GE, PW, RR, MTU, SNECMA와 같은 기업들은 이러한 소재의 연구 개발에 상당한 노력을 기울여 상당한 진전을 이루었습니다. 이들은 이러한 복합재를 항공 터보팬 엔진용으로 성공적으로 설계했으며, 그 사용 범위가 더욱 확대되는 추세에 있습니다.
수지 기반 복합 재료의 사용 온도는 일반적으로 350°C를 넘지 않습니다. 따라서 이러한 소재는 주로 항공 엔진의 콜드 엔드에 사용됩니다. 해외 첨단 항공 엔진에서 수지 기반 복합 소재의 주요 적용 분야는 다음과 같습니다.
팬 블레이드: 엔진 팬 블레이드는 터보팬 엔진의 대표적인 핵심 부품으로 성능과 밀접한 관련이 있습니다. 다음에 비해 티타늄 합금 팬 블레이드에 비해 레진 기반 복합 팬 블레이드는 무게 감소 효과가 매우 뚜렷합니다. 뚜렷한 무게 감소 외에도 레진 기반 복합 팬 블레이드가 팬 케이스에 부딪힌 후 팬 케이스에 미치는 충격이 적어 팬 케이스의 밀폐 기능을 향상시키는 데 유리합니다.
현재 해외에서 상용화된 복합재 팬 블레이드의 대표적인 예로는 B777용 GE90 시리즈 엔진, B787용 GEnx 엔진, 중국상용항공기의 C919용 LEAP-X 엔진 등이 있습니다.
1995년 레진 기반 복합재 팬 블레이드가 장착된 GE90-94B 엔진이 공식적으로 상업 가동에 들어가면서 최신 고성능 항공 엔진에 레진 기반 복합재가 공식적으로 공학적으로 적용되기 시작했습니다. GE는 공기역학, 고주기 및 저주기 피로도와 같은 요소를 고려하여 후속 GE90-115B 엔진에 사용할 새로운 복합재 팬 블레이드를 개발했습니다.
21세기에 접어들면서 항공 엔진의 고내손상성 복합재에 대한 강력한 수요로 인해 복합재 기술이 더욱 발전하고 있습니다. 그러나 탄소 섬유/에폭시 수지 프리프레그의 인성을 지속적으로 개선하여 높은 내손상성 요건을 충족하는 것이 점점 더 어려워지고 있습니다. 이러한 맥락에서 3D 직조 구조의 복합재 팬 블레이드가 등장했습니다.
팬 케이스: 팬 케이스는 항공 엔진에서 가장 큰 고정 부품입니다. 무게 감소는 엔진의 추력 대 중량 비율과 효율성에 직접적인 영향을 미칩니다. 따라서 외국의 첨단 항공 엔진 OEM은 항상 팬 케이스의 무게 감소와 구조 최적화에 전념해 왔습니다. 외국 선진 항공 엔진의 팬 케이스 개발 동향은 그림에 나와 있습니다.
팬 카울: 팬 카울은 주요 하중을 견디는 부품이 아니기 때문에 항공기 엔진에서 복합 소재로 만들어진 최초의 부품 중 하나였습니다. 팬 카울에 이러한 소재를 사용하면 더 가벼운 무게, 간소화된 결빙 방지 구조, 우수한 내식성 및 더 나은 피로 저항성을 얻을 수 있습니다.
현재 롤스로이스의 RB211 엔진과 프랫 앤 휘트니의 PW1000G 및 PW4000 엔진의 팬 카울 제작에 수지 기반 복합 소재가 사용되고 있습니다.
항공기 엔진 본체에 비해 수지 기반 복합재는 그림과 같이 짧은 엔진 카울링에 더 광범위하게 적용됩니다. 자료에 따르면 해외 제조업체들은 숏 카울링 공기 흡입구, 페어링, 스러스트 리버서 및 소음 감소 라이닝에 레진 기반 복합재를 광범위하게 사용하고 있습니다.
레진 기반 복합재는 팬 흐름 가이드 베인, 베어링 씰, 커버 플레이트 등 항공기 엔진의 다른 부품에도 자원에 따라 다양하게 적용됩니다.
금속 매트릭스 복합재는 수지 기반 복합재에 비해 인성이 우수하고 습기를 흡수하지 않으며 상대적으로 높은 온도를 견딜 수 있습니다. 금속 매트릭스 복합재의 보강 섬유에는 스테인리스강, 텅스텐, 니켈과 알루미늄의 금속 간 화합물과 같은 금속 섬유와 알루미나, 실리카, 탄소, 붕소, 탄화규소와 같은 세라믹 섬유가 포함됩니다.
금속 매트릭스 컴포지트의 매트릭스 재료에는 알루미늄이 포함됩니다, 알루미늄 합금알루미늄, 마그네슘, 티타늄 및 티타늄 합금, 내열 합금 등이 있습니다. 현재 알루미늄-마그네슘 합금, 티타늄 및 철 합금을 기반으로 한 복합재가 주로 사용되고 있습니다. 예를 들어 실리콘 카바이드 섬유 강화 티타늄 합금 복합재는 컴프레서 블레이드를 제조하는 데 사용할 수 있습니다.
탄소 섬유 또는 알루미나 섬유 강화 마그네슘 또는 마그네슘 합금 복합재는 터빈 팬 블레이드를 생산하는 데 사용할 수 있습니다. 니켈-크롬-알루미늄-이리듐 섬유 강화 니켈 합금 복합재는 터빈 및 컴프레서용 씰을 제조하는 데 사용할 수 있습니다.
해외에서는 팬 케이스, 로터, 컴프레서 디스크와 같은 다른 부품도 금속 매트릭스 복합재로 생산되는 사례가 있습니다. 그러나 이러한 복합재의 가장 큰 문제 중 하나는 강화 섬유와 기본 금속이 반응하여 취성 상을 형성하는 경향이 있어 재료 속성.
이는 특히 고온에서 장기간 사용할 때 두드러지게 나타납니다. 현재 해결책으로는 계면 반응을 늦추고 복합 재료의 신뢰성을 유지하기 위해 다양한 섬유와 매트릭스를 기반으로 섬유 표면에 적절한 코팅을 적용하고 금속 매트릭스를 합금하는 방법이 있습니다.
MachineMFG의 창립자인 저는 10년 넘게 금속 가공 산업에 종사해 왔습니다. 폭넓은 경험을 통해 판금 제조, 기계 가공, 기계 공학 및 금속용 공작 기계 분야의 전문가가 될 수 있었습니다. 저는 이러한 주제에 대해 끊임없이 생각하고, 읽고, 글을 쓰면서 제 분야에서 선두를 유지하기 위해 끊임없이 노력하고 있습니다. 저의 지식과 전문성을 귀사의 비즈니스에 자산으로 활용하세요.
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