Inconel 718 미세조직 제어 및 열간단조 공정 개발에 대한 연구 = Study on Microstructure Control and Hot Forging Process Development of Inconel 718

국문 초록 (Abstract)

Inconel 718 은 Ni 기반 초합금으로, 우수한 고온 강도와 크리프 저항 특성으로 인해 항공우주용 터빈 디스크 및 고온 단조 부품에 널리 사용된다. 이러한 특성은 주로 γ″ （Ni₃Nb） 및 δ （Ni₃Nb） 석출 상에 기인한다. 본 연구는 최적 열처리 및 열간단조 공정 설계를 통해 미세조직 안정성을 최적화함으로써 Inconel 718 의 고온 가공성과 균열 저항성을 향상하는 데 목적이 있다. 본 연구에서는 γ″ 및 δ 상의 석출 거동을 제어하기 위해 δ 처리 （DP）, 사전 시효 열처리 （PAT）, 그리고 이 둘의 조합 （PAT-DP）의 세 가지 열처리 조건을 적용하였다. 각 조건이 변형 거동에 미치는 영향을 고온 압축시험, 전자후방산란회절, 그리고 동적재료모델 （DMM）에 기반한 소산 효율（η） 및 불안정성 지수（ξ）를 통해 변형공정지도를 평가하였다. PAT-DP 조건에서는 입내 γ″ 및 δ 상이 공존하는 미세조직이 형성되어, 가공성 향상과 불안정성 억제 간의 최적 균형을 달성하였다. 특히, 입내 δ 상은 동적 재결정을 촉진하고 결정립 크기 편차를 최소화하였으며, γ″ 상은 전위 이동을 억제하는 효과적인 장벽으로 작용하여 국부적 응력 집중과 균열 발생을 억제하였다. 고온 가공성 평가의 정밀도를 높이기 위해, 본 연구에서는 DMM 이론을 기반으로 유한요소해석 （FEA）에서 얻은 국부 변형률, 온도, 변형률 속도를 바탕으로 새로운 균열 민감도 지수 （CSI）를 제안하였다. 다양한 열처리 조건에서 균열 개시 거동을 평가하기 위해 4 종류의 노치 시편을 이용한 변형 유도 균열 개방 （strain-induced crack opening, SICO） 시험을 행하였다. 디지털 영상 상관법을 이용하여 균열의 진전 과정을 실시간으로 모니터링한 결과, PAT-DP 조건이 가장 높은 균열 개시 저항성을 보였으며, 이는 ξ–CSI 의 상관 경향과 일치하였다. 개발된 열처리의 효과를 검증하기 위해, 이를 1 차 코깅–PAT-DP 열처리–2 차 코깅으로 구성된 코깅 공정에 적용하여 잉곳 직경을 Ø 420 mm 에서 Ø 230 mm 로 감소시켰다. 최종 단조 시 국부 불안정성을 방지하기 위해 ξ, 및 CSI 의 임계값을 활용하여 기존 3 단 단조 공정에서 단일 형단조 공정을 설계하였으며, 단일 형단조 공정은 결함 없는 디스크 단조품을 성공적으로 생산하였다. 결론적으로, 본 연구는 Inconel 718 의 고온 단조 중 균열 민감도를 소산 효율과 불안정성 지수 （ξ, CSI）와 정량적으로 연계하는 공정 설계 방법론을 확립하였다. 또한, PAT-DP 열처리가 구조적 안정성과 고온 성형성을 동시에 향상함을 입증하였으며, 이는 항공우주 핵심 부품의 신뢰성 높은 제조를 위한 지침으로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Inconel 718, a Ni–based superalloy, is widely employed in aerospace turbine discs and high– temperature forged components due to its superior high–temperature strength and creep resistance, which are primarily attributed to the precipitation of γ″ （Ni3Nb） and δ （Ni3Nb） phases. This study aims to enhance the hot workability and cracking resistance of Inconel 718 by optimizing microstructural stability through tailored heat treatments and thermo–mechanical processing. By controlling grain size and precipitate distribution, the reliability of hot forging processes was significantly improved. Three distinct heat treatment strategies—delta process （DP）, pre–aging treatment （PAT）, and their combination （PAT–DP）—were applied to regulate the precipitation behavior of γ″ and δ phases. The effects of these conditions on deformation behavior were evaluated via high–temperature compression tests, electron backscatter diffraction （EBSD）, and dynamic materials model （DMM）–based processing map analysis using power dissipation efficiency （η） and instability index （ξ）. The PAT–DP condition resulted in a dual–phase microstructure with both intergranular γ″ and δ precipitates, contributing to an optimal balance between enhanced workability and suppressed instability. Specifically, intergranular δ precipitates facilitated dynamic recrystallization （DRX） and minimized grain size deviation, while γ″ precipitates served as effective barriers to dislocation movement, suppressing flow localization and crack initiation. To refine the assessment of hot workability, a novel cracking susceptibility index （CSI） was proposed based on DMM theory, incorporating local strain, temperature, and strain rate fields obtained via finite element analysis. Strain–induced crack opening （SICO） tests with four types of notched specimens were performed to evaluate crack initiation behavior under various heat treatment conditions. Digital image correlation （DIC） was utilized to monitor crack evolution in real time, revealing that the PAT–DP condition exhibited the highest resistance to crack initiation, consistent with the ξ–CSI trends. To validate process applicability, the PAT–DP heat treatment was integrated into an industrial–scale cogging process consisting of primary cogging, PAT–DP heat treatment, and secondary cogging, reducing the ingot diameter from Ø460 mm to Ø230 mm. The critical limits of η, ξ, and CSI were employed to redesign forging dies, preventing local instability during final forging. The redesigned hot forging process successfully produced defect–free disk forgings. Microstructural evaluation revealed a uniform and fine grain structure. In conclusion, this study establishes a process design methodology that quantitatively links microstructure–based indices （ξ, CSI） to crack susceptibility during hot forging of Inconel 718. The results demonstrate the effectiveness of the PAT–DP heat treatment in improving structural stability and hot formability, providing a robust guideline for reliable manufacturing of critical aerospace components.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구배경 및 필요성 1
• 1.2 문헌조사 4
• 1.2.1 열간단조 공정 4
• 1.2.2 미세조직 제어 열처리 6
• 1.2.3 열간단조 결함 8
• 1.3 연구 목적 및 내용 10
• 제 2 장 Inconel 718 미세조직 제어 열처리 . 11
• 2.1 Inconel 718 열처리 개요 . 11
• 2.2 결정립 제어 열처리 설계 14
• 2.2.1 소재 및 잉곳 열처리 조건 선정 14
• 2.2.2 석출 상 제어 열처리 조건 선정 17
• 2.3 결정립 제어 열처리 실험 및 고찰. 19
• 2.3.1 열처리 조건 및 실험 19
• 2.3.2 열처리 후 미세조직 분석 22
• 2.3.3 고온 압축시험 24
• 2.3.4 고온 변형 후 미세조직 분석 32
• 제 3 장 고온 변형 모델링 및 소성 불안정성 이론 기반 균열 발생 메커니즘 분석 . 49
• 3.1 운동학적 재료 모델 기반 고온 유동 거동 특성화 . 49
• 3.2 동적 재료 모델을 통한 소성 불안정성 평가 . 59
• 3.2.1 변형 공정 지도 분석 61
• 3.2.2 균열 민감도 지수 분석 71
• 제 4 장 열간단조 균열 예측 방법론 개발. 78
• 4.1 열간단조 균열 예측 방법론의 개요 . 78
• 4.2 열간단조 균열 유도 시험 설계 80
• 4.2.1 유한요소해석 80
• 4.2.2 실험 결과 및 고찰 92
• 4.3 유한요소해석 기반 열간단조 균열 예측 . 97
• 4.3.1 유한요소해석 기반 균열 예측 모델 개발 97
• 제 5 장 열간단조 공정 균열 예측 및 실험적 검증 . 105
• 5.1 열간단조 공정 개요 105
• 5.1.1 공정 개요 105
• 5.1.2 소재 선정 및 코깅 공정 수행 107
• 5.2 소재 분석 및 균열 민감도 분석 109
• 5.2.1 코깅 소재 물성평가 109
• 5.2.2 코깅 소재 미세조직 분석 111
• 5.2.3 코깅 소재 변형 공정 지도 및 CSI 분석 121
• 5.3 열간단조 공정 설계 및 균열 예측. 126
• 5.3.1 PQ IN 718 균열 예측 모델 적용 . 126
• 5.3.2 기존 디스크 제작 공정 130
• 5.3.3 단일 형단조 공정 설계 136
• 5.3.4 단일 형단조 공정 적용 디스크 미세조직 평가 142
• 제 6 장 결론 145
• 참고문헌 147
• ABSTRACT 156