열간등압성형 (Hot Isostatic Pressing, HIP) 공정을 이용한 주조품의 결함제거 및 기계적 특성향상 기술

1. 서론

산업의 발전에 따라 새로운 소재의 등장과 기존 소재의 특성을 향상시켜 보다 우수한 성능을 가진 소재에 대한 산업적 요구가 점차 증가되고 있다. 열간등압성형 (HIP, Hot Isostatic pressing) 기술은 이러한 시대의 요구에 맞춰 신소재 개발과 기존소재의 특성향상을 위해 적용되는 중요한 공정으로 산업적 적용 영역이 점점 넓혀지고 있다. HIP공정은 1955년 미국에서 핵연료를 제조하는 공정으로 처음 적용된 후, 유럽에서는 초경함금의 결함제거나 분말 고속도공구강 제조 기술로 확대발전 시켜왔다 [1].

이러한 HIP기술은 초창기에는 장비의 고온, 고압 특수성에 의해 가격이 비싸고, 사용되는 가스가 대부분 아르곤이며 연속생산이 가능하지 않은 batch type의 공정이기 때문에 공정비용도 많이 들기 때문에 원자력관련 소재, 금속분말 및 세라믹소재 등 특수목적용 첨단소재 제조에만 중점적으로 응용되어 왔다 [2-4]. 그러나 HIP공정 적용의 유효성이 우주항공소재, 발전소재 등 부품수명이 예측가능하고 신뢰성이 중요한 소재분야에서 점차 확대되고 있고, 관련 장비도 대형화가 가능함으로서 경제적 이점도 확보하게 되어 다양한 종류의 주조품에서도 공정 적용을 확대하고 있는 실정이다 [5-7].

본 논문에서는 HIP공정에 대한 기본개요 및 장비구성에 대해 소개하고 이 공정을 주조품제조에 적용하여 주조공정에서 발생되는 다양한 결함들을 제거하고 조직은 안정화 시켜, HI주조소재의 신뢰성과 특성향상에 미치는 영향에 대해 소개하고자 한다.

2. 본론

2.1. HIP공정 개요 및 장비 구성

HIP공정은 아르곤이나 질소와 같은 불활성가스를 통상 내열금속으로 제조된 압력용기 (pressure vessel)에 주입하고 온도를 가열하여 고압의 정수압 (isostatic pressing)상태에서 부품을 가압, 열처리하는 기술이다 [5]. 이때 압력용기 (vessel)에 가해지는 정수압은 안전 등을 고려하면 통상 200MPa이하에서 사용하며, 가열온도는 2,000℃이하에서 대부분 공정을 진행하지만, 특수한 경우에는 400MPa의 높은 정수압을 가할 수 있다.

그림 1은 HIP공정의 개략도를 나타낸다 [8]. 고온, 고압에서 견딜 수 있는 압력용기에 열과 가스로 압력을 가하면 대상부품은 고온에서 기계적 강도가 낮아지고 고압의 정수압에 의해 치밀화되어진다.

그림 1. HIP공정 개략도 [8].

그림 2는 HIP공정 중의 온도와 압력을 나타내는 그래프이다 [9]. 공정초기 온도를 가열하기 전에 가스 압축기를 사용하여 불활성가스를 미리 설정된 압력으로 가압을 한다. 이후 HIP온도까지 가열을 하면, 초기 주입된 불활성 가스는 이상기체방정식 (PV=nRT)에 의해 온도상승에 의해 자연적으로 압력이 상승하게 된다. 이후 원하는 온도 및 압력을 유지한 후 냉각을 하게 된다. 이때 냉각은 HIP장비 조건에 따라 급속냉각을 하거나, 로냉을 하여 공정을 마무리한다.

그림 2. HIP공정 시 온도와 압력과의 관계 [9].

HIP장비는 통상 그림 3에 나타낸 각각의 기기로 구성되어 있다 [1]. 주요 구성기기의 첫 번째는 앞에서 언급된 압력용기이며, 일반적으로 고압에 견딜 수 있는 금속소재의 원통과 상부 및 하부 뚜껑, 압력용기를 받치는 press frame으로 구성되어 있다. 또 내장된 로에서는 열에 의한 압력용기의 과열을 방지하기 위해 수냉의 냉각장치가 장착된다. 가열방식은 대부분 저항가열방식을 적용하고 있으며, 사용온도 및 용도에 따라 흑연이나 몰리브덴 발열체가 사용된다.

그림 3. HIP장비의 구성 [1].

압력용기에 고압가스를 공급하고 사용 후 가스를 회수하기 위해 가스압축기와 가스공급 장치가 필요하며, HIP공정 전 혹은 후에 잔존하는 공기나 가스를 배출하기 위해 진공장치도 함께 장착되어야 한다. 이외 가스, 온도, 압력을 제어할 수 있는 micro computer 장치로 공정 조건을 제어한다.

무엇보다도 HIP장비는 고압 및 고온을 동시에 적용하여 공정을 진행하기 때문에 안전장치가 매우 중요하다. 주요 안전장치로는 압력장치의 과압 (over pressure)을 방지하기 위한 안전밸브, 압력 파열판 및 과압제어장치 등 2중 혹은 3중 안전장치로 구성되어 있고 온도의 과열을 방지하기 위한 다양한 제어장치와 비상 냉각수 공급장치가 반드시 필요한 장치이다. 그리고 불활성 가스에 의한 작업자의 산소결핍 안전사고 방지를 위한 산소농도계 및 알람장치, 불의의 사고를 방지하기 위한 철근콘크리트나 강판으로된 방호벽 설치 등 부대시설이 필요하다.

냉각장치는 압력용기와 가스압축기 등에 냉각수를 공급하기 위한 장치이며, 열교환기, 펌프, 탱크 등으로 구성되어 있다. 유압유닛은 press frame이동, 뚜껑 개폐, 가스 압축기 및 각종 밸브 등을 작동시키기 위한 장치이다.

그림 4는 HIP공정을 적용한 경우 주조품에서 존재하는 기공이 제거되는 모식도를 나타낸다 [5]. 주조품에서 HIP 공정에 의해 온도와 압력이 동시에 상승하면 그림에서와 같이 주조품의 제품표면에 고압의 정수압이 가해지고, 온도상승에 의해 주조품의 기계적 강도가 약해지기 때문에 주조품 내부에 존재하는 기공들은 소겅변형이나 원자확산에 의해 점차 소멸되어 진다. 주조품 내의 기공이 소멸된 후 압착된 기공면은 원자확산에 의해 압착면의 경계가 사라지고 원소재와 동등한 미세조직을 가지게 된다.

그림 4. HIP공정에 의한 주조품의 기공제거 모식도 [5].

다음에는 주조품에서 주로 HIP공정이 적용되는 알루미늄합금, 슈퍼얼로이 및 티타늄계 소재별에서 HIP공정 적용 시 나타나는 특성에 대해 살펴보기로 한다.

2.2. 알루미늄 주조품의 HIP공정 적용

알루미늄 주조품은 자동차, 우주항공 및 스포츠 등의 다양한 산업분야에서 부품 경량화를 위한 좋은 재료로 널리 응용되고 있다. 그러나 주조 후 잔존하는 기공들은 알루미늄 주조품의 피로수명에 큰 영향을 미치기 때문에 제품의 수명에 한계성을 가진다. 알루미늄 주조품에 HIP공정을 적용하면 그림 5와 같이 주조 시 생성된 대부분의 기공들은 소멸되어진다. 이러한 주조품에서의 기공제거는 최종 제품의 표면형상에도 큰 영향을 미칠 수 있다. 그림 6은 주조품과 주조 후 HIP공정을 적용한 자동차 부품 표면형상을 나타낸다. HIP공정 특성 상 표면에 잔존하는 기공들은 제거하기 어렵기 때문에 주조 후 HIP공정에 의해 표면의 조도 (roughness)를 개선하기는 어렵다. 그러나 내부에 잔존하는 기공들은 소멸되기 때문에 가공에 의해 표면기공들을 모두 제거할 수 있어 가공면의 표면조고를 향상시킬 수 있다. 그림 7은 알루미늄 주조품 (AlSi7)을 주조 후 가공한 표면과 주조 후 HIP공정을 거쳐 가공한 표면을 비교하여 나타낸다. 주조품은 주조 시에 잔존하는 내부기공에 의해 가공 후 에도 표면에 결함이 그대로 노출되어 제품의 품질을 저하시키는 반면 HIP공정을 거친 주조품은 표면에 결함이 없는 완벽한 상태의 부품으로 제조할 수 있어 상품성을 향상시킬 수 있다. 그림 8은 HIP공정 적용 전과 적용 후의 알루미늄 주조품의 피로특성을 나타낸다. 동일한 응력에서 HIP공정을 적용하여 주조품의 내부기공을 제거함으로서 피로수명이 100배 이상 증가되는 것을 확인할 수 있고 피로한 (fatigue limit)도 크게 증가함을 알 수 있다. 이러한 알루미늄 주조품에서의 HIP공정 적용 효과가 주조품의 기공제거와 피로수명 연장에 큰 영향을 미침에 따라 ASTM B998-17에서는 알루미늄 주조품의 합금 종류에 따라 적정 HIP공정에 대한 표준공정을 규정하고 있다 [12]. 표 1에서 나타난 바와 같이 알루미늄 주조품의 적정 HIP온도는 500~550℃범위에서 실시하고 적정 압력은 100MPa정도에서 공정을 실시한다.

그림 5. 알루미늄 주조품 (C354-T6)에 HIP공정을 적용하기 전 (a)과 후 (b)의 광학현미경 조직 [10].

그림 6. 알루미늄 주조품 (AlSi7) 및 주조 후 HIP공정을 거친 알루미늄 부품의 표면 형상 [11].

그림 7. 알루미늄 주조품 (AlSi7) 및 주조 후 HIP공정을 거친 부품의 가공 후 표면 형상 [11].

표 1. ASTM에 규정된 알루미늄 주조합금에 따른 표준 HIP공정 조건 [12]

그림 8. 알루미늄 주조품 (C354-T6) 및 주조 후 HIP공정을 거친 소재의 피로특성 [10].

2.3. 초내열 주조품에서의 HIP공정 적용

항공산업의 발전으로 1940년대 이후 초내열 주조소재는 항공기 터빈, 발전터빈 등 고온용 부품의 소재로 광범위하게 적용되어 왔다. 특히 이들 부품들은 사용조건이 매우 고온영역이기 때문에 고온 기계적 특성과 내부식성, 피로특성 등이 항공기나 발전장비의 수명을 좌우한다. 따라서 소재특성의 개선을 위해 그동안 많은 연구자와 소재회사들이 고온사용 영역에 적합한 합금개발, 조직제어 및 결함을 제거하기 위해 신소재와 신공정을 개발에 전념하여왔다. 하지만 주조공정의 근본적인 문제점인 내부기공, 응고수축결함 등의 결함들은 신공정의 적용에도 불구하고 완전히 해결할 수 없었고, 이러한 문제점에 의해 주조품의 사용범위를 다양한 산업영역으로 확장할 수 가 없었다 [13].

초내열소재에서도 HIP공정의 적용은 주조공정 중에 발생되는 많은 결함들을 제거할 수 있었고, 적절한 HIP공정 조건의 적용으로 미세조직도 제어할 수 있어 주조품의 신뢰도를 크게 향상시킬 수 있었다 [14].

그림 9는 니켈계 M91 초내열합금에 있어서 주조 및 주조 +HIP공정을 적용한 소재의 내부기공을 조직사진과 기공량으로 보여준다[15]. 주조 후에는 50µm에서 10µm이하의 다양한 크기의 내부기공이 존재함을 현미경 사진으로 확인할 수 있었고, HIP공정을 적용한 후에는 대부분의 기공이 소멸되었으며 SEM조직 상으로 1~2µm의 미세한 기공만이 잔류함을 확인할 수 있다. 소재에 존재하는 내부 기공량도 주조품에서는 10~15% 범위이며, HIP공정을 적용한 후에는 5%이하로 상당량 소멸되었음을 조직분석 데이터로 확인할 수 있다.

그림 9. Ni계 초내열 주조합금의 HIP공정 전 및 후의 광학현미경 (a, c), 주사전자현미경 (b, d) 조직 및 조직사진으로부터 data 화한 기공함유량 (c, f) [15].

그림 10은 K417G 니켈계 초내열합금의 주조 및 HIP온도 조건에 따른 stress rupture life와 연신율 관계를 나타낸다[16]. 주조품인 경우 약 110시간의 수명을 가지지만 HIP온도가 1175℃인 경우 약 200시간의 수명을 가진다는 것을 그림으로 확인할 수 있다. 한편으로는 HIP온도가 1195℃로 증가되면 초내열 합금 내부의 석출물 크기가 온도의 영향을 받아 증가하여 주조품과 거의 유사한 수명을 가진다. 연신율은 주조 후에는 약 3%값을 나타내지만 HIP공정 적용에 의해 5%까지 향상됨을 확인할 수 있다. 따라서 HIP공정설정에 있어서도 온도와 시간 등 공정조건이 소재의 특성에 적합하게 설정되어야 HIP효과를 얻을 수 있다는 결론을 얻을 수 있다.

그림 10. Ni계 초내열 주조합금과 HIP공정온도에 따른 stress rupture life와 연신율관계 (실험온도 760℃, 응력 645MPa) [16].

그림 11은 니켈계 초내열 단결정 주조합금과 주조 후 HIP공정도입에 따른 760℃에서의 인장특성을 나타낸다 [17]. 그림 11에서 확인할 수 있는 바와 같이 HIP 전 및 후의 항복강도 및최대 인장강도는 주조품과 거의 비슷한 수준에서 큰 변화가 없이 나타났다. 그러나 연신율에 있어서는 주조품보다 HIP공정을 거친 소재가 약45%이상 증가되었음을 확인할 수 있었다.

그림 11. Ni계 초내열 단결정 주조합금과 HIP공정에 따른 인장특성 (실험온도 760℃) [17].

2.4. 티타늄계 주조품에서의 HIP공정 적용

티타늄 소재는 비중이 낮고 기계적 특성이 우수하며, 특히 고온에서의 내산화와 내부식성이 우수하기 때문에 소재 자체의 높은 경제적 비용에도 불구하고 산업현장에서 사용영역이 점차 확대되고 있다. 대부분의 티타늄 소재는 주조 후 단조, 압연 등의 일련의 공정을 거쳐 제조되기 때문에 경제성 측면에서 주조품을 직접 부품제조에 적용하면 공정의 장점을 최대화 할 수 있다. 따라서 티타늄 주조품에 HIP공정 적용은 단조 및압연 등의 복잡한 공정단계를 거쳐 가공하여 부품화하는 것 공정보다 유리한 경제적 장점이 있다. 특히 TiAl기반의 티타늄 합금은 고온에서 우수한 기계적 특성으로 인해 기존의 니켈계 초내열합금을 대체할 수 있어서 세계적으로 많은 연구가 진행되고 있다 [18]. 이러한 TiAl소재를 주조하는데 있어서도 다른 주조공정과 마찬가지로 수축공, 가스에 의해 생성되는 기공 및 편석 등 다양한 결함을 가지게 되고 이러한 주조결함을 제거하거나 미세조직을 제어하기 위해 HIP공정을 도입하게 된다.

그림 12는 TiAl봉상을 주조 및 주조한 후 HIP공정을 적용한 소재를 X-ray조사를 이용해서 내부결함을 측정한 사진을 나타낸다 [19]. 주조 후에는 흰색으로 나타나는 다양한 크기의 수축공들이 존재하고, 수축공의 숫자도 상당히 많아 봉상 전체에 결함이 고르게 분포되어 있음을 확인할 수 있다. 그러나 HIP공정을 거친 후에는 이러한 주조 기공들은 완전히 소멸되어 x-ray측정 상으로는 결함이 발견되지 않는 완벽한 상태가 되었음을 확인할 수 있다.

그림 12. TiAl 합금을 봉상으로 주조 혹은 주조 후 HIP공정을 적용한 후 X-ray를 이용해서 결함을 측정한 사진 [19].

현재 티타늄소재에서 산업적으로 가장 널리 사용되고 있는Ti6Al4V합금의 주조에 있어서도 HIP공정을 적용해서 주조 시 발생된 기공을 제거할 수 있다. 그림 13은 주조 후와 HIP공정 적용에 따른 수축공의 변화를 HIP온도별로 나타낸다 [20]. 주조상태에서는 매우 큰 크기의 수축공이 존재하고, 결정립의 크기도 부위별로 매우 불균일하다는 것을 미세조직으로부터 확인할 수 있다. 그러나 HIP공정을 적용함으로서 미세조직상 결정립의 크기도 매우 균일해지고, HIP온도 920℃와 950℃에서는 주조 시 존재하던 수축공이 완전히 소멸되었다는 것을 확인할 수 있다. 또한 미세조직상으로 수축공이 소멸된 부분에서는 결정립이 국화꽃 형상으로 나타나는데, 이는 주조 수축공이상대적으로 높은 HIP온도와 압력에 의해 소성변형이 일어나 소멸되었음을 의미한다.

그림 13. Ti6Al4V 주조합금에서 생성된 수축공의 HIP전 및 HIP온도에 따른 형상변화 [20].

앞서 언급된 알루미늄이나 초내열합금에서와 같이 티타늄합금에서도 주조결함의 존재유무는 기계적 특성 중 특히 피로특성에 큰 영향을 준다. 그림 14는 TiAl주조합금에서 결함의 크기가 피로수명에 미치는 영향을 나타낸다 [18]. 그림 14에서와 같이 주조결함의 크기가 작을수록 피로수명은 log함수에 직선적으로 증가하기 때문에 TiAl합금에서는 그 영향이 매우 크다는 것을 알 수 있다. 따라서 이러한 주조결함을 HIP공정 적용에 의해 최소화함으로서 종래 주조품의 가장 큰 문제점이었던 결함에 의한 부품의 수명과 신뢰도를 크게 향상 시킬 수있을 것으로 예상된다.

그림 14. TiAl0 주조합금에서 결함의 크기에 따른 피로수명 변화 [18].

3. 결론

HIP공정 1950년대 핵연료 제조공정으로 처음 개발된 이후, 현재는 다양한 산업분야에서 응용되고 있다. 특히 고압과 고온을 동시에 적용하는 공정이라 개발 초기에는 다수의 안전문제가 대두되었지만, 기술의 발전으로 이러한 안전문제는 거의 해소되었다. 지금까지는 HIP장비의 특수성으로 인해 공정비용이 많이 들고 batch type의 공정으로 생산성에 한계를 가졌지만 HIP장비의 대형화와 급속냉각시스템의 도입 등의 도입으로 공정시간도 크게 단축되었다. 현재는 미국, 유럽 등 HIP공정관련 선진국에서는 HIP공정을 적용하는 50%이상의 부품이 항공.발전 및 해양부품에 연관된 주조품에 적용되고 있다. 주조품의 HIP공정 적용은 다음과 같은 장점이 있다.

1) 주조품의 조직제어 및 결함제거에 의한 기계적 특성의 균질성을 향상시킨다.

2) 주조품의 피로강도, 연신율 및 파괴인성을 향상시킨다.

3) 대량제조 시 주조품 간의 특성편차를 최소화 시켜 제품의 수명과 신뢰도를 향상시킨다.

4) 제품 내부의 기공을 제거하고 가공 후 표면조도를 향상시킨다.

이러한 HIP공정 적용의 장점에 의해 국내에서도 2023년에는 대형 HIP (내부공간 Ø 1m × H 2.5m급)이 설치 운용될 예정으로 있으며, 지금까지 국내에서 가동 중인 중형 HIP으로 처리할 수 없었던 대형 주조품도 HIP공정의 적용이 국내에서 가능해졌다. 이를 계기로 국내 주조산업분야에서도 고급 주조품에 HIP공정을 적극적으로 적용하여 부품의 수명과 신뢰도를 향상시켜, 주조품의 품질을 지금보다 한 단계 향상시켜 부가가치가 높임으로서 중국이나 후발기술국들과의 가격과 품질 경쟁력에서 우위를 점유할 필요가 있다.