항공우주 엔진에 필요한 합금 재료는 무엇인가요?

항공우주 엔진의 개발 수준은 한 국가의 종합 국력, 산업 기반 및 과학기술 수준을 집중적으로 보여줍니다. 항공우주 엔진의 연구개발에는 현대 산업의 가장 첨단 기술과 산업적 성과가 집약되어 있습니다. 이 글에서는 항공우주 엔진에 사용되는 소재를 소개합니다.

1. 알루미늄 합금
알루미늄 합금은 높은 비탄성계수와 비강도, 우수한 내식성, 가공성 및 낮은 비용 등의 뛰어난 장점을 갖추고 있습니다. 따라서 항공우주 산업에서 가장 중요한 소재로 여겨집니다.
주요 적용 부위: 엔진실, 객실 구조물, 하중 지지 벽 패널, 빔, 계기 설치 프레임, 연료 탱크 등

2. 티타늄 합금
알루미늄, 마그네슘, 강철과 같은 금속 소재와 비교할 때 티타늄 합금은 높은 비강도, 우수한 내식성, 우수한 내피로성, 낮은 열전도율과 선팽창계수 등의 장점이 있습니다. 350~450℃ 이하에서 장시간 사용할 수 있으며, -196℃의 저온에서도 사용할 수 있습니다.
주요 적용 부위: 항공기 엔진의 압축기 블레이드, 케이싱, 엔진실 및 단열 패널 등

3. 초고강도강
초고강도강은 높은 인장강도와 충분한 인성을 갖추고 있으며, 용접성과 성형성도 우수합니다.
주요 적용 부위: 항공우주 엔진 하우징, 엔진 노즐, 베어링 및 변속 기어

4. 마그네슘 합금
마그네슘 합금은 가장 가벼운 금속 구조 소재로, 밀도가 낮고 비강도가 높으며 내진성이 강하고 큰 충격 하중을 견딜 수 있습니다.
주요 적용 부위: 항공우주 엔진 케이싱, 기어박스 등
복합재료
항공우주 엔진의 급속한 발전, 특히 점점 엄격해지는 온도 및 중량 요구사항으로 인해 기존 소재는 더 이상 향상되는 요구를 충족할 수 없게 되었습니다. 이에 따라 소재 과학은 새로운 체계, 즉 복합재료를 개척해야 하게 되었습니다. 각 복합재료의 특성에 따라 엔진의 서로 다른 부위에 적용할 수 있습니다.

1. 금속기 복합재료
금속기 복합재료는 주로 알루미늄(Al)과 마그네슘(Mg) 같은 경금속을 기지로 하는 복합재료를 의미합니다. 항공 및 우주 분야에서는 주로 가볍지만 독성이 있는 베릴륨을 대체하는 데 사용됩니다. 이러한 소재는 우수한 횡방향 성능, 낮은 소모량 및 뛰어난 가공성을 갖추고 있습니다. 여러 응용 분야에서 상업적 매력이 가장 높은 소재가 되었으며, 해외에서는 이미 상용화되었습니다.
주요 적용 부위: 엔진의 중온부 구성품에 적합합니다.
과학기술의 급속한 발전과 함께 일부 첨단 과학기술이 빠르게 진보하면서 소재 성능에 대한 요구도 높아졌습니다. 기존의 단일 소재로는 실제 생산 요구를 충족하기에 턱없이 부족합니다. 이러한 큰 환경 속에서 복합재료가 탄생했습니다.
항공기 엔진에 복합재료를 적용한 사례를 살펴보겠습니다. 기존 항공기 엔진 소재인 니켈 합금과 티타늄 합금은 여전히 추가 개발이 가능하지만 개발 여지가 크지 않아 미래 항공기 엔진의 더욱 엄격한 온도 및 중량 요구사항을 충족하기 어렵습니다. 오늘날 항공기 엔진의 성능은 지속적으로 향상되고 있으며, 중량은 과거에 비해 크게 감소했습니다. 일체형 블레이드, 일체형 블레이드 링, 중공 블레이드 및 역회전 터빈과 같은 새로운 구조에 의존하는 동시에, 높은 비강도, 낮은 밀도, 높은 강성 및 강한 고온 내성을 갖춘 첨단 소재가 더욱 주목받고 있습니다. 현재 수지기 복합재료, 금속기 복합재료, 세라믹기 복합재료 및 C/C 복합재료는 우수한 저온 성능으로 인해 항공기 엔진 팬과 압축기의 후보 소재가 되었습니다.

항공기 엔진에 사용되는 첨단 복합재료

팬 케이싱
기존 티타늄 합금 팬 케이싱과 비교할 때, 수지기 복합재료로 제작한 팬 케이싱은 전체 엔진의 정적 하중과 비행 하중을 견디면서 모든 기능을 수행할 수 있도록 보장하는 동시에 엔진 중량과 개발 비용을 줄일 수 있습니다.
GE의 F404 엔진은 티타늄 합금 팬 케이싱을 PMR15 복합재료 팬 케이싱으로 개선해 중량을 30%, 비용을 30% 줄였습니다. 이후 GE는 이 기술을 F414 추력 증강 엔진과 GenX 엔진에도 추가로 적용했습니다.
미국 Pratt & Whitney의 F191 및 F135 엔진과 프랑스 Snecma의 M88 엔진은 모두 수지기 복합재료로 제작한 팬 케이싱을 사용합니다. 중량 및 비용 절감 효과가 매우 뚜렷합니다.

고정자 블레이드
티타늄 합금 고정자 블레이드와 비교할 때, 수지기 복합재료 고정자 블레이드는 중량을 50%, 비용을 50% 이상 줄일 수 있습니다. 동시에 섬유 배향을 최적화하면 복합재료 고정자 블레이드의 고유 진동수를 조정해 허용 기계 및 공력 설계 공간을 넓힐 수 있습니다.
Pratt & Whitney의 PW4084 및 PW4168 엔진 팬 고정자 블레이드에는 PR500 에폭시 수지기 복합재료가 사용됩니다. 이 중 직경 3.04m의 PW4084 엔진은 중량이 39%, 비용이 38% 감소했습니다. 독일 MTU사는 PW8000 엔진 고속 저압 압축기의 입구 안내 베인과 1단 또는 2단 가변 고정자 블레이드에 PMC 복합재료를 사용합니다. 이 블레이드의 외부 손상 저항성, 진동 저항성, 내식성 및 구조적 건전성이 검증되었습니다.

로터 블레이드
복합재료의 낮은 밀도와 높은 강도 특성은 중량을 줄일 뿐 아니라 후퇴각 블레이드와 활형 블레이드 같은 3D 공력 설계 형상을 로터 블레이드에 적용할 수 있게 합니다. 복합재료 로터 블레이드는 제조 비용을 줄이는 것 외에도 탈락 사고에서 비파괴 특성을 보여 엔진 격납 요구사항을 낮출 수 있습니다.
팬 블레이드에 복합재료를 사용하면 블레이드 자체의 중량뿐 아니라 격납 시스템, 디스크 및 전체 로터 시스템의 중량도 크게 줄일 수 있습니다. 낮은 비용, 우수한 진동 저항성 및 강한 손상 저항성이 특징입니다. 현재 GE의 GenX 및 GE90-115B 엔진은 고유량 곡면 복합재료 팬 블레이드와 유기계 팬 케이싱을 사용하고 있으며, 복합재료 중공 블레이드 고압비 팬을 추가로 연구할 계획입니다.

금속기 복합재료
수지기 복합재료와 비교할 때 금속기 복합재료는 인성이 우수하고 수분을 흡수하지 않으며 상대적으로 높은 온도를 견딜 수 있습니다. 금속기 복합재료의 강화 섬유에는 스테인리스강, 텅스텐, 붕소, 니켈, 니켈-알루미늄 금속간화합물 등의 금속 섬유와 알루미나, 산화규소, 탄소, 붕소, 탄화규소 및 붕화티타늄 등의 세라믹 섬유가 포함됩니다.

금속기 복합재료의 기지 소재에는 알루미늄, 알루미늄 합금, 마그네슘, 티타늄과 티타늄 합금, 내열 합금 및 코발트 합금이 포함됩니다. 이 중 알루미늄-탄소 합금, 티타늄 및 철 합금 기반 복합재료가 현재 주요 선택지입니다. 예를 들어 탄화규소 섬유로 강화한 티타늄 합금 기반 복합재료는 압축기 블레이드 제조에 사용할 수 있습니다. 탄소 섬유 또는 알루미나 섬유로 강화한 마그네슘 또는 마그네슘 합금 기지 복합재료는 터보팬 블레이드 제조에 사용할 수 있습니다. 또 다른 예로 니켈-크롬-알루미늄-이리듐 섬유로 강화한 니켈기 합금 기지 복합재료는 터빈과 압축기의 실링 부품 제조에 사용할 수 있습니다.

GE는 공동 기술 검증 엔진 프로그램을 위해 티타늄 기반 복합재료 저압축을 연구했습니다. 이 소재는 인코넬 합금보다 중량이 30% 가볍고, 티타늄 합금보다 강성이 40% 높으며, 수명과 내구성이 향상되었습니다. F110 엔진에 이 복합재료 축을 사용하면 중량을 68kg 줄일 수 있습니다. 가까운 미래에 금속 복합재료는 니켈 합금과 티타늄 합금을 대체하여 미래 항공기 엔진의 주요 소재가 될 것입니다.

새로운 고강도·고인성 티타늄 합금/티타늄-알루미늄 합금/가공용 내열 합금 및 복합재료
경량 엔진에 대한 수요와 함께 티타늄 합금과 티타늄-알루미늄(TiAl) 합금은 계속 발전하고 있습니다. 현재 티타늄 합금의 최고 사용 온도는 600-650℃이며, TiAl 합금의 사용 온도 범위는 650-950℃입니다. 그러나 TiAl 합금은 상온 취성 및 노치 민감성이 두드러져 내열 합금 또는 단결정 합금의 일부만 대체할 수 있습니다. 또한 엔진 각 부분의 사용 온도가 상승함에 따라 더 높은 내열성과 인성을 갖춘 새로운 가공용 내열 합금을 개발해야 합니다.
중국은 1980년대부터 독자적으로 고온 티타늄 합금을 개발해 왔습니다. 현재 합금 조성, 조직, 성능 조정 제어 및 최적화 등의 핵심 기술을 확보했습니다. 연구 및 적용 수준은 대체로 국제 선진 수준과 동등해졌지만, 조직 성능의 균일성을 더욱 향상하고 합금의 잠재력을 발굴해야 합니다. TiAl 합금의 경우 소재 설계, 제조 공정, 조직 최적화 및 제어, 소성 인성 향상 등의 핵심 기술에서 중요한 돌파구를 마련했고 여러 대표 합금을 개발했지만, 적용 범위를 확대하기 위해 고강도·고인성 조직 조정 및 저소성·저인성 소재의 적용 설계와 같은 기술에 대한 연구를 더욱 심화해야 합니다. 합금 설계 방법의 발전과 주조·단조 장비 및 공정의 개발에 따라 다양한 새로운 가공용 내열 합금이 성공적으로 적용되었지만, 합금화 정도가 높아지면서 합금 주조와 열간 가공 공정의 난도가 크게 증가했습니다. 대형 잉곳의 재용해 및 정련, 균일 변형 등의 기술적 병목을 돌파하고 균일하고 안정적인 조직 성능을 확보하며 성능, 효율 및 비용의 종합적인 균형을 달성해야 합니다. 또한 연구개발과 적용을 가속화해 향후 더 높은 성능의 가공용 내열 합금을 독자적으로 연구개발할 기반을 마련해야 합니다.
현재 저온부 로터에서 일체형 블레이드 디스크 구조의 적용은 설계 한계에 도달한 반면, 일체형 블레이드 링은 첨단 구조와 소재를 통합하고 우수한 종합 성능을 갖추며 경량화를 실현할 수 있어 차세대 엔진 경량 로터의 상징적인 선택이 되고 있습니다. SiC 섬유 강화 티타늄 기반(Ti-MMC), TiAl 기반(TiAl-MMC) 및 니켈 기반 복합재료(Ni-MMC)의 적용 추세가 빠르게 증가하고 있습니다. MTU와 Rolls-Royce는 Ti-MMC 일체형 블레이드 링(그림 1 참조), 터빈 축 및 기타 시험편을 제작해 평가를 진행했으며, 경량화 효과가 뚜렷하게 나타났습니다. 미래 엔진 소재에서 Ti-MMC가 약 30%, TiAl-MMC가 약 15%를 차지할 것으로 전망됩니다.

중국은 1990년대부터 Ti-MMC와 그 구성품의 연구개발을 시작했습니다. 지금까지 고성능 단섬유 SiC 섬유의 대량 생산, 고품질 프리커서 와이어 제조, 구성품 성형 등의 핵심 기술에서 잇달아 돌파구를 마련했고 Ti-MMC 일체형 블레이드 링의 통합 제조 기술 경로를 개척했습니다. 그러나 Ti-MMC의 장점을 충분히 발휘하려면 강화 링 코어 형상 제어와 잔류 응력 조절 등의 기술 연구를 더욱 강화해야 합니다.

새로운 단결정 합금 및 분말 합금
터빈 입구 온도가 상승함에 따라 터빈 블레이드 소재는 가공용 및 주조 내열 합금에서 방향성 및 단결정 내열 합금으로 발전했으며, 터빈 디스크 소재는 합금강과 가공용 내열 합금에서 분말 내열 합금으로 발전했습니다. 지난 50~60년 동안 터빈 입구 온도는 약 600K 상승했으며, 소재와 주조 공정이 30%~40%를 기여했습니다. Pratt & Whitney가 세계 최초의 단결정 합금 PW1480을 발명한 이후, 업계는 여러 세대의 니켈 기반 및 니켈-알루미늄(Ni3Al) 단결정 합금을 성공적으로 개발했습니다. 중국은 세계에서 비교적 일찍 단결정 합금을 연구한 국가 중 하나이며, 많은 등급의 합금이 점차 적용되고 있습니다. 그러나 엔진의 발전과 함께 현재의 단결정 합금은 내열성과 주조 가공성의 제약을 받고 있어 적용이 한계에 도달했습니다. 더 높은 초기 용융 온도, 우수한 미세조직 및 성능, 양호한 주조 및 용접 가공성, 수용 가능한 비용을 갖춘 새로운 단결정 합금의 개발이 시급합니다.
미국이 1960년대 초 분말 내열 합금 개발을 선도하고 터빈 디스크에 성공적으로 적용한 이후, 분말 합금 터빈 디스크는 여러 엔진에서 수천만 시간의 안전 운전을 축적했으며, 분말 합금은 첨단 항공기 엔진 터빈 디스크의 선호 소재가 되었습니다. 업계는 더 높은 사용 온도와 우수한 종합 성능을 갖춘 차세대 분말 합금을 개발했으며, 터빈 디스크 각 부위의 성능 중점에 따라 이중 성능/이중 합금 및 이중 스포크 터빈 디스크도 개발했습니다. 중국은 1세대와 2세대 분말 합금을 성공적으로 개발했으며, 현재 3세대와 4세대 분말 합금을 개발하고 있습니다. 그러나 엔진의 발전에 따라 고품질 분말, 이중 성능/이중 합금/이중 스포크 터빈 디스크 제조 및 저비용 공정에 대한 심층 연구가 여전히 필요합니다.

경량, 고강도, 내고온성을 갖춘 전략적·혁신적 첨단 소재와 공정은 미래 첨단 항공우주 엔진의 상징적인 선택입니다. 우리는 기초적 병목, 엔지니어링 적용, 자원 투입 및 양대 사슬의 완전성에 더욱 집중하고, 수요 견인을 강화하며, 산업 전반의 관리와 시스템 설계, 협력적 통합 및 집중 투자를 강화해야 합니다. 이를 통해 중국 특색의 엔진 소재 및 공정 분야에서 독립, 자립 및 자강의 길로 나아가야 합니다.