[논문]MgO/Al2O3가 소결조제로 첨가된 Si3N4 세라믹스의 수열 조건에서의 부식열화 거동

김원주; 강석민; 박지연

doi:10.3740/mrsk.2007.17.7.366

[국내논문] MgO/Al2O3가 소결조제로 첨가된 Si3N4 세라믹스의 수열 조건에서의 부식열화 거동
Corrosive Degradation of MgO/Al2O3-Added Si3N4 Ceramics under a Hydrothermal Condition 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.17 no.7, 2007년, pp.366 - 370

김원주 (한국원자력연구원 원자력재료연구센터) , 강석민 (한국원자력연구원 원자력재료연구센터) , 박지연 (한국원자력연구원 원자력재료연구센터)

Abstract ▼ AI-Helper

Silicon nitride ($Si_3N_4$) ceramics have been considered for various components of nuclear power plants such as the mechanical seal of a reactor coolant pump (RCP), the guide roller for a control rod drive mechanism (CRDM), and a seal support, etc. Corrosion behavior of $Si_3N_4$ ceramics in a high-temperature and high-pressure water must be elucidated before they can be considered as components for nuclear power plants. In this study, the corrosion behaviors of $Si_3N_4$ ceramics containing MgO and $Al_2O_3$ as sintering aids were investigated at a hydrothermal condition ($300^{\circ}C$, 9.0 MPa) in pure water and 35 ppm LiOH solution. The corrosion reactions were controlled by a diffusion of the reactive species and/or products through the corroded layer. The grain-boundary phase was preferentially corroded in pure water whereas the $Si_3N_4$ grain seemed to be corroded at a similar rate to the grain-boundary phase in LiOH solution. Flexural strengths of the $Si_3N_4$ ceramics were significantly degraded due to the corrosion reaction. Results of this study imply that a variation of the sintering aids and/or a control (e.g., crystallization) of the grain-boundary phase are necessary to increase the corrosion resistance of $Si_3N_4$ ceramics in a high-temperature water.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 상용 절삭공구로 사용되고 있는 Si3N₄ 소재 중의 하나인 MgO 및 AI2O₃가 소결조제로 첨가된 Si3N₄ 소재 에 대해 300℃, 9.0 MPa, 순수 및 LiOH 첨가수 조건에서 부식 거동을 고찰하였다. 120 시간까지의 부식시험에 따른 시편의 무게 변화 및 미세구조 변화를 고찰하고 부식기구를 논하였으며 4점 곡강도법을 이용하여 부식에 따른 Si3N₄ 시편의 기계적 특성 변화를 관찰하였다.
또한 Si3N₄ 세라믹스의 고온.고압수중에서의 내부식성 향상을 위한 방안을 제안하고자 하였다.

제안 방법

0 MPa, 순수 및 LiOH 첨가수 조건에서 부식 거동을 고찰하였다. 120 시간까지의 부식시험에 따른 시편의 무게 변화 및 미세구조 변화를 고찰하고 부식기구를 논하였으며 4점 곡강도법을 이용하여 부식에 따른 Si3N₄ 시편의 기계적 특성 변화를 관찰하였다. 또한 Si3N₄ 세라믹스의 고온.
0MPam2였다. 시편은 부식 전후의 곡강도 측정이 가능하도록 3X4X45 mm의 크기로 절단하고 모든 면을 경면 연마한 후 아세톤 및 순수를 이용하여 초음파세척하였다. 부식 시 험은 내용적 이 3.
50이었다. 각 시험당 3개의 시편을 1.9 L의 순수 또는 LiOH 용액 이 담긴 autoclave에 장입하고 300℃, 9.0MPa의 조건에서 6-120 시간 동안부식시험을 행하였다. 또한 소결조제의 변화에 따른 부식거동의 차이를 살펴보기 위해 4 mol% Y2O₃ + 1 mol% SiO₂, 4 mol% Y2O₃+3mol% A12O₃, 6 mol% Y2O₃+2 mol% AI2O₃, 8 mol% Y2O₃ 등으로 소결조제를 달리한 4가지의 Si3N₄ 시편을 가스압 소결(Gas Pressure Sintering) 방법으로 제조하여 예비 부식시험을 행하였다.
0MPa의 조건에서 6-120 시간 동안부식시험을 행하였다. 또한 소결조제의 변화에 따른 부식거동의 차이를 살펴보기 위해 4 mol% Y2O₃ + 1 mol% SiO₂, 4 mol% Y2O₃+3mol% A12O₃, 6 mol% Y2O₃+2 mol% AI2O₃, 8 mol% Y2O₃ 등으로 소결조제를 달리한 4가지의 Si3N₄ 시편을 가스압 소결(Gas Pressure Sintering) 방법으로 제조하여 예비 부식시험을 행하였다.
부식시험 전후의 미세구조는 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 관찰하였으며 상분석은 X-선 회절 분석기 (XRD) 를 이용하였다. ASTM C₁₁61-94에 의한 4점 곡강도법을 이용하여 부식시험 전후의 강도 변화를 고찰하였는데 이 때 내부 및 외부 spane 각각 10mm와 30 mm였으며 crosshead의 이 동속도는 0.
이용하였다. ASTM C₁₁61-94에 의한 4점 곡강도법을 이용하여 부식시험 전후의 강도 변화를 고찰하였는데 이 때 내부 및 외부 spane 각각 10mm와 30 mm였으며 crosshead의 이 동속도는 0.5 mm/min으로 조절하였다.
따라서 입계상의 조절을 통해 수열 환경에서 Si3N₄ 의 내부식성을 개선시킬 수 있을 것으로 예상할 수 있으나 pH가 높은 고온의 염기성 수용액에서는 Si3N₄^ 사용에 제한이 따를 것으로 여겨진다. 순수에서 %N₄의 입계상 변화에 따른 부식 거동의 차이를 비교하기 위해 소결조제의 조성이 서로 다른 4 종류의 Si3N₄ 시편에 대해 360P의 고온.고압수에서 부식시험을 행하였다.
순수에서 %N₄의 입계상 변화에 따른 부식 거동의 차이를 비교하기 위해 소결조제의 조성이 서로 다른 4 종류의 Si3N₄ 시편에 대해 360P의 고온.고압수에서 부식시험을 행하였다. Fig.

대상 데이터

부식실험에 사용된 시편은 MgO와 AI2O₃가 주요 소결조제로 첨가된 절삭공구용 Si3N₄였다. 소결조제의 정확한 조성은 제조상의 비밀로 확인할 수 없었지만 EDS 분석결과로는 대략 3 mol%의 MgO와 2 mol%의 AI2O₃가 포함되어 있었다.
시편은 부식 전후의 곡강도 측정이 가능하도록 3X4X45 mm의 크기로 절단하고 모든 면을 경면 연마한 후 아세톤 및 순수를 이용하여 초음파세척하였다. 부식 시 험은 내용적 이 3.8 L인 autoclave에서 행하였는데 순수에서의 부식시험은 stainless steel로 제조한 autoclave를 사용하였고 LiOH 첨가수의 경우에는 inconel로 제조한 autoclave를 이용하였다. 부식 매질은 2차 증류한 순수와 pH 영향을 고려하기 위해 증류수에 35 ppm의 LiOH가 첨가된 용액을 사용하였는데 각각의 pH는 5.

성능/효과

7 은 4 mol% Y2O₃ + 1 mol% SiO₂(4YlS), 4 mol% Y2O₃ + 3 mol% A12O₃ (4Y3A), 6 mol% Y2O₃ + 2 mol% A12O₃(6Y2A), 8 mol% 203(8) 등을 소결조제로 첨가한 Si3N₄ 시편을 360。(3에서 168 시간 동안 부식시험을 행한 후 무게 감소량을 비교한 것이다. 여기에서 SiO₂ 가 소결조제로 첨가된 4Y1S 시편에서 가장 많은 무게감소가 일어났으며 Y2O3와 AI2O₃를 소결조제로 첨가한 경우에는 ALQ의 상대적인 양이 감소함에 따라 무게 감소량이 작아지는 경향을 보였다. 또한 Fig.

후속연구

고온용 구조소재로서 Sic 및 Si3N₄와 같은 세라믹스신소재들은 고온강도 및 산화저항성이 우수하여 일반산업 뿐만 아니라 원자력 발전소의 부품으로서도 우수한 특성을 나타낼 것으로 기대된다.L2)최근 세계적인 연구대상이 되고 있는 제4세대 원자력 시스템 중 가스냉각 고속로(Gas-Cooled Fast Reactor, GFR) 및 초고온 가스냉각로(Very High Temperature Gas-Cooled Reactor, VHTR) 등의 가스냉각형 원자로나 데모 (DEMO)형 또는 상용 핵융합로와 같은 미래형 원자력 시스템에서는 높은 온도로인하여 세라믹스 구조소재가 노내 구조물 후보재로 고려되고 있으며 더 나아가 핵연료의 피복층으로도 적용이 이루어지고 있다.
16 mg/moF로서 MgO/Al2O₃-Si3N₄°ll 비해 훨씬 우수한 내부식성을 나타내었다. 이상으로 Si3N₄ 입계상의 화학적 조성 변화를 통해 #의 수열 환경에서의 내부식성이 크게 영향을 받음을 확인할 수 있으며 입계상의 영향에 대한 보다 명확한 이해를 위해서는 입계상의 양 및 결정화도에 따른 영향, 보다 다양한 소결소제의 영향 등에 대해 추가적인 연구가 필요할 것으로 여겨진다.

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