액체 금속 냉각 방법

방향성 응고에서 온도 경사를 더욱 개선하기 위해 연구원들은 빠른 냉각 방법을 기반으로 한 액체 금속 냉각 방법을 개발했습니다. 이 방법은 열전도율이 높고 끓는점이 높으며融점이 낮은 액체 금속(주로 Sn 사용)에 주조물을 담가 냉각하는 것입니다(그림 1(b) 참조). 이를 통해 냉각 효과를 증대시킬 수 있습니다. 액체 금속 냉각 방법은 주조물의 냉각 속도와 고체-액체 경계면의 온도 경사를 향상시켜 최대 200 K/cm까지 도달할 수 있으며, 안정적인 온도 경사를 유지하여 결정화 과정을 안정시키고, 덩어리 간격을大幅히 줄이고 다양한 응고 결함의 발생 확률을 감소시킬 수 있습니다. 그러나 액체 금속 냉각 방법에는 몇 가지 제한 사항이 있습니다. 예를 들어, 해당 방법에 필요한 장비는 복잡하며 실제 운영에서는 충분히 간단하지 않습니다. 또한 냉각 매체인 Sn은 유해한 요소이며, 주조물을 낮은融점의 금속인 Sn과 같은 액체에 담글 경우 Sn 액체가 침투하여 주조물을 오염시키기 쉽습니다. 최근에는 껍질 준비 측면에서 공정을 최적화하고 액체 금속 냉각 공정의 단점을 보완하여 항공 엔진용 단결정 터빈 블레이드와 지상 가스 터빈용 대형 단결정 터빈 블레이드 생산에 적용되었습니다.

또한 온도 경사를 증가시키는 새로운 방법들이 끊임없이 연구되고 있으며, 예로 들면: 가스 냉각 주조 방향 고정화 기술, 전자기 제약 성형 방향 고정화 기술, 과냉각 방향 고정화 (SDS), 레이저 급속 고정화 (LRM), 유동층 급냉 방향 고정화 기술, 이차원 방향 고정화 기술 (양방향 고정화, BDS), 얇은 껍질 주조 방향 고정화 기술 등이 있습니다. 그러나 이러한 새로운 기술들은 아직 완전하지 않으며, 가스 터빈 날개의 방향 고정화에 적용되지는 않았습니다.

액체 금속 분무 강화 냉각 방법

주조물을 액체 금속 냉각제에 의해 오염될 수 있고 액체 금속 냉각 방식에서 주조 결함이 쉽게 형성되는 문제를 극복하기 위해 우리 연구팀은 액체 금속 분무 냉각(LMSC: Liquid Metal Spray Cooling) 방향 고정 기술을 개발하였으며, 산업용 방향 고정 장비도 개발하였다. LMSC 방향 고정로의 설계 구조와 목적은 그림 2에 나타나 있다. LMSC 기술은 원래의 액체 금속 냉각(LMC: Liquid Metal Cooling) 기술에서 껍질과 주조물을 직접 액체 금속 용액에 담가 냉각하는 방식에서, 액체 금속 용액을 사용하여 껍질과 주조물을 분무 냉각하는 방식으로 발전된 기술이다. 이 기술은 강력한 열 방산 능력, 균일한 냉각 및 단열 구역과 냉각 구역 사이의 우수한 단열 특성을 가지고 있다. LMSC 기술은 LMC 기술의 강력한 냉각 능력을 유지하면서도 LMC 기술의 단점을 해결하였다. 분무되는 액체 금속의 유량을 제어하고, 철회 속도를 조절함으로써 구조가 양호하고 더 작은 가지결정 간격을 가진 주상 결정이나 단일結晶을 얻을 수 있으며, 초합금에서의 응고 결함 형성을 줄이거나 심지어 피할 수 있게 된다. LMSC 방향 고정 기술은 초합금의 개발과 산업 생산에 매우 중요하다.