▲ 차세대 고강도 초내열합금 수요확대에 따라 적층제조기술을 활용해 냉각효율을 극대화할 수 있는 중공형 가스터빈부품(左)이나 내부유로를 가지는 연소기 부품 제작이 요구되고 있다.(사진:산업부)

성일터빈·휴니드·대신강업, 가스·수소터빈·극초음속 추진기관 적층 소재부품 개발

한화에어로스페이스 수요기업 참여, 고부가 발전·항공우주 부품 시장 확대 기대

발전 및 항공우주 산업 고도화로 인해 고내열 복합형상 부품 수요가 증대되고 있는 가운데 니켈(Ni)계 초내열 적층제조(3D프린팅) 소재부품 국산화 등을 위한 대규모 연구개발(R&D)이 본격 추진된다.

업계에 따르면 산업통상자원부가 지난 8월30일 공고한 ‘2021년도 소재부품기술개발사업(패키지형)’ 과제 중 ‘니켈계열 초내열합금 복합형상용 소재·부품 제조기술개발’ 선정결과, 총괄주관기관으로 ㈜성일터빈이, 세부참여기관으로 성일터빈, 휴니드 테크놀러지스, 대신강업(주) 등이 선정됐다. 수요기업으로는 한화에어로스페이스가 참여한다.

발전 및 항공우주 산업에서는 에너지 효율 향상을 위해 600°C 이상 고온에서 작동 가능한 초내열 신소재 및 내부냉각 3차원 유로의 미세화 기술 개발에 대한 수요가 늘고 있다. 전 세계 초내열 부품시장은 연간 42억달러 규모로 연평균 9.5%씩 성장하고 있고 발전 및 항공우주 소재부품 시장에서 초내열 부품 시장은 금액 기준으로 85%에 달한다.

특히 1,700℃에서 작동되는 초고효율 가스터빈을 개발하기 위해서는 현재 고온부품 제작에 사용되는 주조기술의 한계를 넘어서, 혁신적인 냉각기술 적용이 가능한 적층제조기술을 사용해야 가능하다. 이로 인해 니켈 합금 적층제조를 통해 부품을 수리하거나 제작하는 기술과 적층제조에 필요한 니켈 합금 소재개발이 요구되고 있다.

‘니켈계열 초내열합금 복합형상용 소재·부품 제조기술개발’ 과제는 발전 및 항공우주 산업에서 요구되는 차세대 소재인 니켈계열 초내열합금 소재개발 및 내부 냉각유로, 형상 맞춤형 등 효율 향상을 위한 복합형상용 부품 제조기술 국산화를 목적으로 하고 있다.

세부과제로는 △가스터빈 블레이드 재생용 초내열 합금소재 및 레이저 클래딩 기술 개발(성일터빈, 세아창원특수강, 한국재료연구원, 창원대) △MW급 수소전소 가스터빈 고온핵심부품(1100℃급) 소재 및 측정기술 개발(휴니드 테크놀러지스, 한국생산기술연구원, 하나에이엠티) △극초음속 추진기관용 초내열합금 분산강화형 소재 및 제조기술 개발(대신강업, 한국생산기술연구원, 에스에프에스, 울산대, 부산대) 등이 추진된다.

‘가스터빈 블레이드 재생용 초내열 합금소재 및 레이저 클래딩 기술 개발’은 초내열 가스터빈 부품을 기존 TIG 용접 대신 입열량이 적은 레이저 클래딩 기술을 적용해 국내에서 수리가 가능하도록 초내열합금 소재(900℃급) 제조기술, 초내열합금 부품 재생 및 제작을 위한 레이저 클래딩 기술, 재생 가스터빈 블레이드 실증 기술 등을 개발하는 것을 내용으로 하고 있다. 이를 통해 국내 발전, 항공우주 분야에서 연간 약 2,000억원에 달하는 교체비용에 대한 절감효과와 재생정비를 통한 수명연장으로 연간 1,000억원에 달하는 정비비용 절감 효과가 기대된다.

MW급 수소전소 가스터빈 고온핵심부품(1100℃급) 소재 및 측정기술 개발은 초내열 부품의 작동 온도를 극한으로 높이기 위해 초내열소재의 국산화 및 분말 양산기술, 금속 적층제조 공정 맞춤 최적 설계 및 후공정 기술개발, 적층제조 초내열 부품 평가 및 실증기술 개발 등을 추진한다. 세계 초내열 부품시장은 42억 달러 규모로 해외 OEM사가 전체 시장을 주도하고 있어 기술개발 성공을 통해 수입대체 및 신시장 개척, 디젤 발전기 대체를 통한 국가차원의 에너지 효율 향상 및 기후변화 대응 등 효과가 기대된다.

‘극초음속 추진기관용 초내열합금 분산강화형 소재 및 제조기술 개발’은 발전·항공 산업에 사용되는 가스터빈 효율 극대화 요구에 대응해 1600℃ 이상의 초고온 환경에서 사용이 가능한 적층제조용 차세대 분산강화형 니켈계 초내열합금 미세분말 제조, 미세분말을 이용한 적층성형 및 고밀도화 기술 등을 개발하는 것을 내용으로 하고 있다. 기술개발을 통해 연간 4억달러에 달하는 국방 분야의 초내열합금 시장과 연평균 9%씩 성장하는 가스터빈 고온부품 시장에 진출할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

이들 과제의 개발기간은 2025년말까지 약 51개월로 총 264억원(정부출연금 195억 포함)이 투입될 계획이다.

3개 세부과제에는 한화에어로스페이스가 모두 참여함에 따라 발전·항공우주 분야 소재부품 실증과 함께 양산을 통한 적층제조 소재부품 활성화가 기대되고 있다.