내열합금기반 부품 제조를 위한 정밀주조 

항공용 엔진, 발전용 가스터빈 등 정교한 금속 부품 제조 

탈탄소 흐름에 셀 소재 변화 및 자동화 기술 도입으로 효율성 강화 시도

정밀주조 산업은 군수 분야의 항공 부품의 대량 생산을 위해 본격적으로 출발했다. 현재는 자동차, 항공우주 및 방위산업, 일반산업기계, 의료분야에 폭넓게 사용되고 있다. 특히, 진공정밀주조 분야가 장기적으로 각광받으며 시장을 주도할 것으로 보인다. 중소기술정보진흥원(TIPA)의 중소기업기술로드맵(2023~2025) 자료를 토대로 국내외 정밀주조 산업 현황을 살펴봤다.  

정밀주조, 항공 엔진용 터빈 블레이드 생산으로 본격화

정밀주조(Investment Casting)는 사형, 금형 또는 다이캐스팅 대비 치수 정밀도가 높은 주조법이다. 일반적으로 납형(wax Pattern)을 활용해 만든 주형에 금속 용탕을 주입해 부품을 제조하는 방식이다.

정밀주조 방법은 크게 납형 주물 공업을 공업화한 로스트왁스법(lost wax process), 이산화탄소를 이용한 이산화탄소법 그리고 특수 내화물 주형을 이용한 쇼주조법(show process) 3가지로 구분한다.

로스트 왁스법은 세계 2차대전 당시 미국에서 항공기 엔진용 터빈 블레이드를 대량 생산하기 위해 개발됐다. 밀랍 등으로 만든 모형을 기반으로 에틸실리케이트와 모래를 배합한 사형재료로 밀랍 모형을 덮은 후, 가열해 내부 밀랍 모형을 녹여 최종 주형을 제작하는 방법이다. 항공, 발전소, 화학 분야 등과 같은 높은 수준의 물성을 요구하는 분야는 진공 또는 ‘불활성 가스 분위기’에서 정밀주조를 진행하는 것이 보편적이다. 참고로 불활성 가스 분위기는 원치 않는 화학 반응을 일으킬 수 있는 반응성 가스가 없는 통제된 환경을 의미한다.

정밀주조법은 코발트 기초내열합금에 적용된 이래 지난 70년 이상 계속 사용돼왔다. 특히 현재까지 가스터빈에 사용되는 니켈기 초내열합금 부품제조에 유일하게 사용되고 있는 방법이다.
 

가공 어려운 정교한 금속 부품 위한 특수 주조기술

초내열합금용 정밀주조는 공차가 0.0075mm 수준이며, 부품 두께가 1.25mm까지 얇은 두께가 가능하다. 공정 후 우수한 표면 상태를 제공해 준다. 또한 터빈 블레이드 같은 초내열합금 부품의 높은 물성 수준을 만족시키기 위해서는 합금 조성 뿐 아니라 정밀주조같은 정확한 미세조직 제어가 가능한 공정 기술이 반드시 동반되어야 한다.

초내열합금용 정밀주조 장치는 크게 다결정(polycrystalline or equiax) 제조용 장비와 일방향 응고(directional solidification) 또는 단결정(single crystalline) 제조용 장비로 나눌 수 있다.

정밀주조는 제조 및 가공이 어려운 정교한 금속 부품을 제조하는데 사용되는 특수 주조기술이다. 특히 가스터빈 같은 초내열합금을 사용해 부품을 제조하는 경우에는 반드시 필요한 기술이다.

정밀주조 산업은 항공 및 발전 산업 분야의 가스터빈 뿐 아니라 자동차 부품의 터보차저, 연료 및 배기 시스템 등 다양한 응용 분야에서 활용되고 있다. 파이프 내부에 난류를 발생시키는 역할을 하는 열교환기(핵심부품 및 장치) 역시 정밀주조 영역의 일부다. 후방산업으로는 동관 및 동판으로 대표되는 원재료 산업과 밸브 등의 기계부품 제조업으로 구성되어 있다.

정밀주조의 방식은 제조되는 소재 미세조직에 따른 다결정, 일방향 그리고 단결정 정밀주조로 분류한다. 주조에 활용되는 정밀 주조장치는 크게 유도가열 기반 용해부, 방향성 응고용 가열 및 이송시스템, 몰드부, 진공 시스템 및 냉각시스템으로 나눌 수 있다.

내열합금용 정밀주조, 소재 및 공정경험 축적 요구

항공기 엔진 또는 발전용 가스터빈의 효율을 높이기 위해서는 보다 높은 온도에서 사용 가능한 소재 개발이 필요하게 됐다. 더불어 가스터빈 효율 향상을 위해서는 부품화시 소재 성능을 극대화시킬 수 있는 부품제조 장비 개발도 동반되어야 한다.

1940년대 니켈기 초내열합금이 개발됐다. 이후 지속적으로 합금 조성 및 공정 기술 개발로 가용 온도를 750℃ 수준에서 1,100℃ 수준까지 300℃ 이상 올렸다. 특히 가용 온도의 큰 진전은 브릿지만 기술(Bridgman technique)개발을 통해 가능했고, 또한 기존 다결정 구조에서 일방향 또는 단결정 구조로 전환함으로써 가능했다.

추가적으로 우수한 미세조직 확보를 위해 보다 빠른 냉각속도(온도 구배)를 얻을 수 있는 ‘Liquid Metal Cooling(LMC)’과 ‘Gas Cooling Casting(GCC)’ 같은 기술이 지속적으로 개발되고 있다 .하지만 높은 가격과 복잡한 공정 순서 등의 문제로 시장 확대에 제한이 있는 상황이다. 초내열합금의 특성은 소재 뿐만 아니라 부품 제조시 공정 조건과 장비에도 큰 영향을 받는다.

탄소 중립 시대에 대응하기 위해 에너지 효율 향상과 온실가스 배출 저감 문제는 가스터빈 시장에서 필히 해결해야 할 사항이기 때문에 관련 기술 개발이 필수적이다.

일반적으로 가스터빈 입구 온도(TIT)를 100℃ 증가시 에너지 효율은 5% 증대시킬 수 있다. 또한 온도 증대는 에너지 효율 증대와 함께 800MW기준 발전소 가동시 배출되는 CO2양을 5백만톤까지 저감이 가능한다. 5백만톤의 CO2 양은 자동차 190만대가 1년간 배출하는 CO2 양이다.

초내열합금용 정밀주조설비는 선진국 중심으로 잘 구축되어 있으나 국내에서는 도입이 늦어져 관련 분야 기술 확보가 부족한 상황이다. 초내열합금 부품 제작은 단순히 장비 수입을 통한 설비 구축만으로는 달성하기 힘든 것이 현실이다. 일정기간 소재를 포함해 장비와 공정 경험을 축적해야만 완성도가높은 초내열합금 부품을 제작할 수 있다.

국내 대다수 소재수입 후 단순가공 후 범용 부품 생산

초내열합금을 사용해 부품을 제작하는 국내 업체들은 대체로 소재를 수입해 단순가공 작업을 진행하며 주로 범용적인 조선해양, 플랜트용 부품을 주로 생산한다. 국내에서 정밀조주로를 통해 가스터빈용 블레이드 같은 고성능 부품을 생산할 수 있는 업체의 수는 매우 제한적이다.

국내 초내열 합금 정밀주조 산업은 대기업보다는 중소기업 및 연구소 중심의 연구개발 형태로 주로 진행되고 있는 실정이다. 한국 기업들의 정밀주조 공정 및 장비기술 수준은 선진국 대비 60%정도로 나타나며 매우 열악한 수준이다.

지난 20여년간 국내 정밀주조 관련 전문 중소기업들을 중심으로 총 53종의 고온 부품 개발이 시도되어 총 26종 부품이 상용화에 성공했다. 하지만 대부분 기술적 장벽이 낮은 고정체 중심의 부품들에 집중되어 있다.

항공방산으로 출발해 일반산업기계, 의료분야 등 확장

정밀주조 산업은 자동차, 항공우주 및 방위산업, 일반산업기계, 의료분야에 폭넓게 사용되고 있다. 진공정밀주조방법이 사용되는 산업은 항공우주 및 방위산업, 의료분야라고 할 수 있다.

1945년 이후 정밀주조 공장은 군수품 위주의 생산을 탈피해 상업용 어플리케이션으로 전환했다. 현대 정밀주조 공정분야의 발전은 항공산업의 성장에 따른 제트 엔진 수요 증가와 산업용 가스터빈의 확산에 힘입은 바가 크다.

1950년대 진공주조 소재가 등장했고, 1970년대 일방향 응고합금도 소개됐다. 1980년대 이후 단결정 합금들이 개발되면서 진공주조에 대한 중요성이 커지고 있다. 또한 진공주조 장치에 대한 높은 품질 요구로 인해 미국, 독일 등의 선진국가에서는 장비개발이 빠르게 진행되고 있다.

단결정과 일방향 응고 기술은 필수적으로 진공주조 설비가 요구되며, 고상과 액상에 대한 온도 제어에 의해 결정을 성장시키는 기술이 중요하다.

가스터빈 입구 온도는 1,450℃이고, 효율을 높이기 위해 1,600℃ 이상이 요구된다. 30,000시간 동안 비행하기 위해서는 고품질 주조품으로 구현한 진공주조 설비가 매우 중요하다.

가스터빈 부품이나 항공기 부품에 적정한 단가 및 고품질이 요구되면서, 납기 기한을 단축시키는 3프린팅 분야에 대한 요구가 커지고 있다. 하지만 3D 프린팅의 경우 주조제품만이 갖는 설계 유연성과 품질이 아직 부족한 수준이다.

1980년대 또 하나의 이슈가 타이타늄 합금에 대한 정밀주조 기술이다. 타이타늄은 용융상태에서 산소와 반응성이 높아 진공주조로 용융하고 주조해야 한다. 그러나 진공유도용해로는세라믹 도가니를 사용해야 하는 한계가 있었다. 이후 도가니와 타이타늄 반응으로 타이타늄 산소가 높아지기에 수냉동 도가니를 활용한 진공유도용해로가 개발되어 사용되고 있다.

특히 진공유도용해장비 기술은 대부분 제3국에 기술 유출이 차단되는 분야다. 항공기 엔진은 방산사업에 속하기 때문에 진공유도용해장비 자체 또한 수출이 금지되어 있는 것으로 알려져 있다.

현재 국내 기업들의 경우 고정체 및 가용온도가 낮은 D/E급 부품 중심의 실증 경험만 보유한 실정으로, 회전체와 H급 고온부품 제조에 대한 진공 정밀 주조기술은 실증 경험도 없는 상황이다.

진공정밀주조, 가스터빈, 항공 부품 등 시장 주도 전망

전 세계가 2050년 탄소중립을 선언했다. 이산화탄소 배출을 최대한 감소시키는 전력 생산으로 가스터빈을 활용한 복합화력발전이 부각되고 있다. 탈원전을 선언한 국내의 경우 가스터빈 사업이 주목을 받고 있고, 국내 정밀주조 사업에 긍정적 영향을 미치고 있다.

2000년대 이후 산업용 가스터빈 수요가 증가하고 대형화함에 따라 정밀주조용 용융설비기술, 진공주조설비의 대형화 기술, 결함제어 안정화 기술이 절실히 요구돼 관련 장비의 교체수요가 발생하고 있다.

현재 국내에서는 항공기 부품을 제조하고 있긴 하지만, 알루미늄 합금이나 스테인리스 스틸인 경우가 대부분이다. 국내 기업이 항공기용 부품을 진공정밀주조 장치를 활용해 주조하는 경우는 거의 없다.

매년 성장해 왔던 항공기 정밀주조 산업은 2020년 발발한 코로나 펜데믹 사태 이후 침체기를 맞고 있다. 하지만 장기적 차원에서 본다면 항공기 엔진 부품, 압축기 및 기어박스 부품과 같은 첨단 부품을 제작하는 진공 정밀주조 산업이 시장을 주도할 것으로 예상된다.

중국의 경우 내수 분위기 활성화를 위해 상업용 항공기 산업을 적극적으로 육성하고 있다. 2022년 동계올림픽을 계기로 항공기 수요가 증가했으며, 2023년 5월에는 중국 최초로 자체 생산에 성공한 C919의 상업 비행이 시작되기도 했다. 향후 중국 내 정밀주조 시장은 자국 내 항공산업과 함께 꾸준히 성장할 것으로 예상된다.

가스터빈 산업의 경우 북미, 유럽 및 일본 기업들이 가스터빈 초내열합금 정밀주조품을 독점 생산하면서 성장세를 보이고 있으나, 타 국가들의 성장은 제한적인 상황이다. .

내연기관 자동차 부품은 매년 증가세를 보였으나, 친환경 자동차의 보급 확산으로 터보차저 등의 수요가 감소 추세다. 의료용 인공관절 산업은 인건비가 저렴한 국가에서도 진공정밀주조를 하고 있으며, 원가절감 경쟁이 치열한 상황이다.

수요처 요구, 환경 요인 등 정밀주조 기술 진화 시도

정밀주조 기술은 항공용 엔진과 발전용 가스터빈 분야의 요구를 만족시키기 위해 발전되어 왔다. 그 결과 블록(blok) 몰드가 셀(shell) 몰드로, 부품 제작은 대기 주조로, 솔리드(solid)형 부품에서 진공 주조로 복잡한 중공(hollow) 에어포일 형태로 변화하고 있다.

환경규제가 심해짐에 따라 셀 주형 결합재의 변화(hydrolised ethyl sillicate(HES)→실리카졸)와 함께 정밀주조 부품의 성능 향상에 대한 요구에 따라 셀 재료에 대한 개발도 지속적으로 이루어지고 있다.

결합재 변경으로 인해 발생한 3가지 주요 이슈(탈왁스 시 셀 균열 방지, 기존 HES 주형과 동일한 치수 일치성, 주조결함(균열, 개재물, 표면상태)이 발생하지 않는 셀 제조)들은 폴리머 개발이나 건조 조건 제어를 통해 어느 정도 해결되고 있다. 하지만 치수 일치성 문제는 여전히 개선의 여지가 많이 남은 상태라고 할 수 있다.

셀 주형의 투과성 향상을 위해 유기 또는 폴리머 섬유을 도입하는 등 여러 기술들이 개발 중에 있다. 여전히 셀 두께 등 셀 주형 투과성 향상을 위한 셀 주형 최적화에 많은 연구가 필요한 실정이다.

자동차 및 의료 부품산업이 정밀주조 분야의 주요한 시장으로 성장함에 따라 비용을 절감할 수 있는 방안들이 요구되고 있다. 초내열합금 부품은 원소재 가격에 큰 영향을 받기 때문에 원소재 가격의 75% 수준인 스크랩을 6(원소재)/4(스크랩) 비율로 혼합해 합금을 제조하거나 또는 스크랩만을 사용하여 마스터잉곳을 제조하는 방안이 시도되고 있다.

제조 비용 절감을 위해 셀 주형 소재에 대한 재활용 방안도 지속적으로 연구 중이며, 저가 소재 사용도 고려되고 있다. 하지만 고성능 부품시장 특성상 고객사는 기존에 사용하고 있는 소재에 대한 변경을 꺼리는 실정이다.

셀 주형 제작 및 주조 부품 마무리 공정에 대한 자동화 기술 개발도 제조 비용을 줄이는 방안으로 많이 시도 중이다. 최근에는 왁스 조립에도 자동화 장비가 적용되고 있다.

품질을 만족시키며 제조 시간을 단축하는 방안으로 급속 패턴 제작(Direct Rapid Prototypig) 기술이 관련 소재 개발과 함께 사용되고 있다.

2007년에 미국에서는 이미 정밀주조 생산품의 약 50% 수준인 10만개 이상의 패턴들이 급속 패턴 제작방식으로 제조됐다. 급속 패턴 제작 방식이 도입됨에 따라 왁스 소재 역시 친환경 소재를 적용한 저가형 패턴 왁스들이 개발되고 있고 지속적으로 성능을 향상시키고 있다.

유럽에서는 ‘Castform’이라는 이름으로 SLS(Selective Laser Sintering) 방식이 널리 보급되어 있다. SLS 방식에 사용되는 분말들의 입도를 나노 크기로 줄여 표면 상태와 치수 정확도를 높이는 연구가 진행 중이다. 이와 더불어 CAD 도면으로부터 바로 왁스 패턴을 제작할 수 있는 다양한 방법들이 고안되고 있다.