[논문]Inconel 617의 고온열화에 따른 미세구조 및 고온 기계적 특성

조태선; 이승호; 김길수; 김세훈; 김영도

doi:10.3740/mrsk.2007.17.5.268

Inconel 617의 고온열화에 따른 미세구조 및 고온 기계적 특성
Effect of High Temperature Degradation on Microstructure and High Temperature Mechanical Properties of Inconel 617 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.17 no.5, 2007년, pp.268 - 272

조태선 (한양대학교 신소재공학과) , 이승호 (한양대학교 신소재공학과) , 김길수 (한양대학교 신소재공학과) , 김세훈 (한양대학교 신소재공학과) , 김영도 (한양대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Inconel 617 is a candidate tube material for high temperature gas-cooled reactors(HTGR). The microstructure and mechanical properties of Inconel 617 were studied after exposure at high temperature($1050^{\circ}C$). The dominant oxide layer was Cr-oxide. The internal oxide and Cr-depleted region were observed below the Cr-oxide layer. The depth of Cr-depleted zone and internal oxide increased with exposure time. The major phases of carbides are $M_{23}C_6\;and\;M_6C$. The composition of $M_{23}C_6\;and\;M_6C$ were determined to be Cr-rich and Mo-rich, respectively. $M_6C$ carbide is more stable than $M_{23}C_6$ at high temperature. From the results of high temperature compression test, there were no significant changes in hardness and yield strength upon increasing exposure time.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 Inconel 617의 고온열화에 따른 미세구조와 기계적 특성과의 상관관계를 고찰하고자 하였으며 그 결과는 다음과 같다.
본 연구에서는 Inconel 617의 열화에 따른 재료의 미세조직 변화 및 그에 따른 기계적 특성변화를 관찰하기 위해서 air 분위기에서, 재료의 실제 가동온도보다 높은 1050℃ 의 가혹한 조건하에서 열화시험을 실시하였다. 열화한 시편은 표면산화물 분석 및 석출상의 형상을 관찰하였으며, 재료의 미세조직 변화에 따른 고온기계적 특성을 평가하기 위하여, 경도측정과 열화온도와 동일한 온도인 1050℃ 에서 고온압축실험을 수행하였다.
열화한 시편은 표면산화물 분석 및 석출상의 형상을 관찰하였으며, 재료의 미세조직 변화에 따른 고온기계적 특성을 평가하기 위하여, 경도측정과 열화온도와 동일한 온도인 1050℃ 에서 고온압축실험을 수행하였다. 위와 같은 실험을 통하여 미세조직의 변화와 기계적 특성과의 상관관계를 평가하고자 한다.

제안 방법

경도를 측정하였다. 경도 측정은 산화막 형성의 영향이 미치지 않는 시험편의 중간부분을 측정하였으며, 각각 5회씩 측정하여 평균값으로 경도값을 나타내었다.
고온 열화한 시편의 성분 분석을 하기 위해 Fig. 2에서는 24시간 동안 열화한 시편의 단면을 EDS 분석을 하였다. 시편 표면의 산화막은 대다수 Cr-oxide가 형성되었으며, 그 이외 소량의 Ti-oxide 가 발견되었다.
시편의 온도는 R-type 열전대에 의해 측정하였으며, ±rc 범위 내로 시편온도를 유지시키면서 실험을 수행하였다. 변형조건은 열화온도와 동일한 온도인 1050℃에서 변형속도는 1x10-3 s-1로 30% 압축변형을 하였다. 압축 실험결과는 Gleeble 3200에서 자동으로 계산된 응력-변형곡선의 형태로 얻었다.
압축 시의 승온속도는 10℃/s로 하였고, 시편이 균일하게 가열될 수 있도록 1050℃ 에서 10초 동안 유지시킨 후 압축 변형하였다. 시편의 온도는 R-type 열전대에 의해 측정하였으며, ±rc 범위 내로 시편온도를 유지시키면서 실험을 수행하였다. 변형조건은 열화온도와 동일한 온도인 1050℃에서 변형속도는 1x10-3 s-1로 30% 압축변형을 하였다.
열화한 시편은 표면산화물 분석 및 석출상의 형상을 관찰하였으며, 재료의 미세조직 변화에 따른 고온기계적 특성을 평가하기 위하여, 경도측정과 열화온도와 동일한 온도인 1050℃ 에서 고온압축실험을 수행하였다. 위와 같은 실험을 통하여 미세조직의 변화와 기계적 특성과의 상관관계를 평가하고자 한다.
열화한 시편의 고온 기계적 특성은 고온압축 실험을 통하여 확인하였다. 고온압축 실험은 Gleeble 3200를 사용하였으며, 5xl(f5torr의 진공분위기에서 실시하였다.
이 시편은 1050℃ 에서 1000시간까지 열화시험을 실시하였다. 열화한 시편의 단면을 광학 및 주사전자현미경 관찰을 위해 HCl(100 ml) + C₂H₅OH(100 m/) + CuC₁₂(5 g)의 용액에서 각각 10초, 30초 동안 화학 에칭을 실시하였다.')
입계에 존재하는 석출물을 분석하기 위해 BSE image를 관찰하였고, 이를 Fig. 5에 나타내었다. 그 결과 입계에는 M23C₆와 M6C 석출물이 같이 존재하고 있음을 확인하였다.

대상 데이터

열화시편 및 고온압축시편은 각각 12mmx 9 mm X 5 mm와 師 x 12 mm의 크기 로 준비 하였으며 , 시편은 1177℃ 에서 열처리한 상용판재이다. 이 시편은 1050℃ 에서 1000시간까지 열화시험을 실시하였다.

이론/모형

열화에 의한 경도값 변화를 확인하기 위해 Rockwell B 경도를 측정하였다. 경도 측정은 산화막 형성의 영향이 미치지 않는 시험편의 중간부분을 측정하였으며, 각각 5회씩 측정하여 평균값으로 경도값을 나타내었다.

성능/효과

1. Inconel 617의 주 산화막은 Cr-oxide 이며 그 이외에 소량의 Ti-oxide가 발견되었다. 주 산화막 아래에서 Cr 고갈영역과 Al-oxide가 확인되었다.
7는 열화시간에 따른 응력-변형 곡선의 소성변형영역을 보여주고 있다. 120시간 열화 한 시편의 항복강도는 115 MPa이며, 열화시간 증가에 따라 항복강도는 아주 미세한 변화를 나타내었으며, 1000시간 열화 한 시편의 경우 112 MPa을 나타내었다. 이러한 항복강도의 결과는 경도변화와 매우 흡사한 경향을 보여주고 있으며, 고온압축특성 또한 그다지 큰 변화를 보이지 않았다.
')이는 니켈 기지상에 Cr, Mo, W 등의 첨가물에 의한 고용 강화된 단일 오스테나이트 결정구조를 가지며, 고온에서 높은 강도를 유지할 수 있고, 동시에 크립저항성과 내부식성 및 내산화성이 우수하다.2) 열교환기 등의 고온 배관용 재료는 950℃ 이상의 고온과 약 8 MPa의 압력 하에서 가동된다. 이는 고온에서 장시간 노출이나 반복적인 열적 이력을 겪음으로 인해 미세조직에 영향을 주게 되며, 이러한 영향들은 합금의 고온 기계적 특성에 영향을 미치게 되므로 재료의 내구 한도를 결정하는 중요한 인자로 작용하게 된다.
3. M23C₆와 M6C 석출상은 열화초기 입계와 입내에 다양한 크기와 모양으로 석출되었다. 열화 시간이 증가할수록 M6C 석출물이 M23C6보다 더 안정상으로 나타난다.
4. 열화시간에 따라 결정립이 성장하였지만, 입계에 존재하는 석출물이 분산되어 나타나면서 경도변화에 큰 영향을 미치지 못하였다.
5. 고온압축실험 결과 120시간 열화한 시편의 항복응력은 115 MPa을 나타냈으며, 1000시간 후의 열화 시편은 112 MPa을 나타내었다. 이 결과는 산화거동과 미세조직의 변화에 의한 영향이 기계적 특성에 큰 영향을 주지 못하였기 때문이라고 판단되어진다.
4은 열화 시편의 단면을 광학현미경으로 관찰한 사진이다. Inconel 617의 주된 안정상은 다양한 형태와 크기로 M23C₆ (Cr-rich)와 M6C (Mo-rich)가 입 계와 입내에서 석출되어 있는 것을 확인할 수 있었다.')한편 열화 초기 독립적으로 유지되던 석출물들이 열화가 진행됨에 따라 입내의 존재하던 석출물이 입계로 이동하였고, 입계의 석출물은 조대화되면서 점점 분산되는 것을 확인할 수 있었다.
5에 나타내었다. 그 결과 입계에는 M23C₆와 M6C 석출물이 같이 존재하고 있음을 확인하였다.')또한 초기 열화한 시편보다 열화 시간이 증가할수록 입계에 존재하는 M6C 석출물의 분율이 증가하였다.

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