[논문]표면 처리에 따른 Inconel 617 합금의 고온 특성

조현; 방광현; 이병우

표면 처리에 따른 Inconel 617 합금의 고온 특성
Thermal properties of the surface-modified Inconel 617 원문보기

한국결정성장학회지 = Journal of the Korean crystal growth and crystal technology, v.19 no.6, 2009년, pp.298 - 304

조현 (부산대학교 나노시스템공정공학과) , 방광현 (한국해양대학교 기계정보공학부) , 이병우 (한국해양대학교 재료공학과)

초록
AI-Helper

고온 열수송시스템용 구조재료인 Inconel 617의 표면 처리에 따른 고온물성 개선에 대한 연구를 수행하였다. 표면처리 방법으로는 Inconel 617 기판 상에 급속가열(RTP) 및 수열처리를 통한 균질산화물 형성과 물리적 기상증착법(Arc discharge)법에 의한 TiAlN(두께 약 $2{\mu}m$ 박막 코팅을 적용하였다. 불균질 산화물($Cr_2O_3$) 형성 억제에 미치는 표면처리의 효과 및 표면 미세구조가 물성에 미치는 영향에 대해 알아보기 위해 표면처리된 Inconel 617 시편들을 $1000^{\circ}C$, 대기중에서 열처리 하였으며, 열처리된 시편들에 대해 고온 상형성 및 미세구조를 비교 분석하였다. RTP와 수열처리를 통한 표면산화물 형성보다는 TiAlN 박막 증착을 통한 보호피막의 형성이 Inconel 617 표면에서 생성되는 불균일 $Cr_2O_3$ 막의 성장을 효과적으로 억제할 수 있어서 더 균질한 미세구조와 가장 우수한 내마모 특성을 나타내었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The effect of the surface treatments on the high temperature properties of the Inconel 617, one of the promising candidate alloys for high temperature heat-transport system, has been studied. Various surface modification methods including a rapid thermal process(RTP), a hydrothermal treatment, and a physical vapor deposition($2{\mu}m$ thick TiAlN film by an arc discharge) were applied to the Inconel 617. The morphological and the structural properties of the surface-modified Inconel 617 samples after heat treatment at $1000^{\circ}C$ in the air were compared to find out whether inhomogeneous formation of $Cr_2O_3$ crust at the surface region was suppressed or not. TiAlN-coated Inconel 617 showed homogeneous microstructure and the lowest wear loss compared to bare, RTP- and hydrothermally-treated Inconel 617 by suppressing the $Cr_2O_3$ crust formation.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

VHTR의 열수송계 핵심소재인 Ni-Cr계 Inconel 617 합금의 고온물성에 미치는 표면처리의 영향에 대한 연구하였다. 900ºC 이상의 고온에서 표면처리 되지 않은 Inconel 617 합금의 표면은 결정입계확산을 통한 과도한 불균질 Cr₂O₃층 성장이 발생함에 따라 고온물성이 저하되게 된다.
본 연구는 VHTR의 열수송계에서 핵심적인 소재인 'Inconel 617(Ni-22Cr-12.5Co-9Mo-1A1)'에 관한 기초물성 연구로써, 이 소재의 내열내식 및 내마모성 개선을 위해 순간급속가열(RTP) 및 수열처리를 이용하여 표면처리를 하였고, 공유결합성 세라믹의 보호피막의 역할을 알아보기 위해 PVD법에 의해 두께 ~2μm 정도의 TiAIN박막을 코팅하였으며, 각 표면처리 방법이 Inconel 617합금의 고온물성에 미치는 영향에 대해 조사하였다.

제안 방법

RTP법이나 수열처리법으로 표면처리 된 샘플 및 TiAIN이 코팅된 샘플들의 고온 상형성 및 안정성을 알아보기 위해 1000ºC, 공기분위기 하에서 24시간 동안 열처리 하였다.
각 시편에 대해 X-선회절 분석(X-ray diffractomerty, Cu-Kα)으로 상 분석을 수행하였으며, 표면 및 단면 형상(morphology)은 주사전자현미경(scanning electron microscopy, SEM)으로 관찰하였고 각 구성 원소들의 조성분포는 EDS(Energy Dispersive Spectroscopy)를 통해 분석하였다.
각기 다른 표면처리가 Inconel 617의 내마모 특성에 미치는 영향을 알아보기 위해 Ball on Disk형 마모시험기에서 내마모 실험을 수행하였다. 이때 시험 load는 5kg이었고 회전속도는 100rpm으로 고정하였다.
900ºC 이상의 고온에서 표면처리 되지 않은 Inconel 617 합금의 표면은 결정입계확산을 통한 과도한 불균질 Cr₂O₃층 성장이 발생함에 따라 고온물성이 저하되게 된다. 따라서 이를 억제하고 고온 내열내식 및 내마모성 개선을 위해 Inconel 합금 상에 순간급속가열(RTP) 및 수열처리를 이용한 표면처리와 PVD법에 의한 TiAIN 보호피막을 형성시켰다. RTP와 수열처리를 통해 균질한 산화물을 합금표면에 형성시켜 이후 추가적인 산소의 내부 확산과 Cr의 표면확산을 억제해 비 균질적인 결정입계를 통한 Cr₂O₃의 생성을 일부 줄일 수 있었으며, TiAIN 코팅의 경우 표면에 치밀한 TiO₂ 산화물 보호층을 형성하여 불균질한 Cr₂O₃막 형성이 현저하게 억제되어 가장 균질한 표면 미세구조를 나타내었다.
수열처리법 에서는 순수한 증류수를 이용한 autoclave에서 200ºC, 2시간 동안 수열처리하였다.
코팅 시 박막형성 온도와 압력은 각각 450ºC와 1 x 10-5 Torr였으며, 박막의 두께는 ~2μm 정도가 되도록 박막형성 시간을 조절하였다.
)을 모재 및 기판으로 사용하였다. 표면개질을 위한 산화물 피막형성을 위해 순간급속가열(RTP, Rapid Thermal Process) 및 수열처리(Hydrothermal Process)를 수행하였다. RTP법에서는 Inconel 617을 급속가열로에서 넣고 47.
표면처리되지 않은 시편과 표면처리된 시편에 대해 1000ºC, 24시간 열처리 후 비교분석 하였다.

대상 데이터

Inconel 617(Ni-22Cr-12.5Co-9Mo-1A1, High Temperature Metals Inc.)을 모재 및 기판으로 사용하였다. 표면개질을 위한 산화물 피막형성을 위해 순간급속가열(RTP, Rapid Thermal Process) 및 수열처리(Hydrothermal Process)를 수행하였다.

이론/모형

Inconel 617에 미치는 세라믹 코팅의 효과를 알아보기 위해 Inconel 617 기판 상에 물리적 기상증착법(PVD, Physical Vapor Deposition)인 Arc Discharge법에 의해 TiAIN 박막을 형성시켰다. 코팅 시 박막형성 온도와 압력은 각각 450ºC와 1 x 10^-5 Torr였으며, 박막의 두께는 ~2μm 정도가 되도록 박막형성 시간을 조절하였다.

성능/효과

1000°C에서 24시간 열처리 할 경우, 표면처리를 거치지 않은 Inconel 617의 경우 (Fig. 5(a)) Inconel peak들의 강도는 약해지고 과량의 산화물(Cr₂O₃) peak들이 생성되고 있음을 알 수 있다. 즉 RTP 및 수열처리의 경우 (Fig 5(b), (c)) Inconel 617 peak의 강도가 상대적으로 크고 산화물의 생성이 비교적 억제되고 있음을 알 수 있다.
5(a)) Inconel peak들의 강도는 약해지고 과량의 산화물(Cr₂O₃) peak들이 생성되고 있음을 알 수 있다. 즉 RTP 및 수열처리의 경우 (Fig 5(b), (c)) Inconel 617 peak의 강도가 상대적으로 크고 산화물의 생성이 비교적 억제되고 있음을 알 수 있다. 이러한 결과는 표면 처리과정에서 합금표면에 형성된 산화물이 이후 추가적인 산소의 내부 확산을 어느 정도 억제해 산소의 확산에 의해 발생하는 Cr의 반대방향(표면 쪽으로의) 확산을 억제하게 되어 결과적으로 과잉의 표면산화물의 생성 특히 비균질적인 결정입계를 통한 Cr₂O₃의 생성을 억제하게 됨을 보여주고 있다.
따라서 이를 억제하고 고온 내열내식 및 내마모성 개선을 위해 Inconel 합금 상에 순간급속가열(RTP) 및 수열처리를 이용한 표면처리와 PVD법에 의한 TiAIN 보호피막을 형성시켰다. RTP와 수열처리를 통해 균질한 산화물을 합금표면에 형성시켜 이후 추가적인 산소의 내부 확산과 Cr의 표면확산을 억제해 비 균질적인 결정입계를 통한 Cr₂O₃의 생성을 일부 줄일 수 있었으며, TiAIN 코팅의 경우 표면에 치밀한 TiO₂ 산화물 보호층을 형성하여 불균질한 Cr₂O₃막 형성이 현저하게 억제되어 가장 균질한 표면 미세구조를 나타내었다. 내마모 특성의 경우로 TiAIN가 코팅된 경우가 가장 좋았으며 이는 치밀한 미세결정의 형성 및 균질한 표면미세구조에 기인한 결과로 사료된다.
XRD 결과와 종합해 보면 1000ºC에서 열처리 시 질소(N)는 고온에서 분해되어 남아있지 않은 대신에 주로 Ti로 이루어진 산화물 층(TiO2)을 형성하고 있었으며 표면으로의 Cr 확산이 거의 일어나지 않았음을 보여주고 있다.
앞에서 제시한 결과들에서 예측할 수 있듯이 Cr₂O₃의 생성량이 상대적으로 적고 비교적 균질한 미세구조를 가지는 RTP와 수열처리를 거친 시편들이 코팅되지 않은 시편보다 우수한 내마모 특성을 보였다. 가장 좋은 결과는 TiAIN이 코팅된 경우로 앞서의 결과들에서 보였듯이 표면 코팅층의 질화물이 분해되면서 치밀한 TiO₂ 산화물 미세결정이 형성되어 Cr₂O₃층의 성장과 입계를 통한 과도한 산화물 성장이 가장 크게 억제된 결과로 여겨진다.
표면처리되지 않은 시편과 표면처리된 시편에 대해 1000ºC, 24시간 열처리 후 비교분석 하였다. 앞에서 제시한 결과들에서 예측할 수 있듯이 Cr₂O₃의 생성량이 상대적으로 적고 비교적 균질한 미세구조를 가지는 RTP와 수열처리를 거친 시편들이 코팅되지 않은 시편보다 우수한 내마모 특성을 보였다. 가장 좋은 결과는 TiAIN이 코팅된 경우로 앞서의 결과들에서 보였듯이 표면 코팅층의 질화물이 분해되면서 치밀한 TiO₂ 산화물 미세결정이 형성되어 Cr₂O₃층의 성장과 입계를 통한 과도한 산화물 성장이 가장 크게 억제된 결과로 여겨진다.
즉 RTP 및 수열처리의 경우 (Fig 5(b), (c)) Inconel 617 peak의 강도가 상대적으로 크고 산화물의 생성이 비교적 억제되고 있음을 알 수 있다. 이러한 결과는 표면 처리과정에서 합금표면에 형성된 산화물이 이후 추가적인 산소의 내부 확산을 어느 정도 억제해 산소의 확산에 의해 발생하는 Cr의 반대방향(표면 쪽으로의) 확산을 억제하게 되어 결과적으로 과잉의 표면산화물의 생성 특히 비균질적인 결정입계를 통한 Cr₂O₃의 생성을 억제하게 됨을 보여주고 있다. TiAIN을 코팅한 Fig.
Fig 6에 1000ºC, 24시간 공기분위기에서 열처리한 표면처리 되지 않은 Inconel 617합금과 TiAIN이 코팅된 합금의 표면 EDS 분석 결과를 나타내었다. 표면처리 되지 않은 합금 표면층에서는 Cr과 O가 대부분이고 Inconel 617의 주성분인 Ni이 미량 검출되었는데 이러한 결과는 합금내부에서 표면으로 Cr 확산이 일어남에 따라 두꺼운 Cr₂O₃층이 형성되었음을 명확히 보여주고 있다(Fig. 6(a)).

참고문헌 (11)

P.R. Sahn and M.O. Speidal, High Temperature Materials in Gas Turbines, Elsevier, New York (1974)
Next Generation Nuclear Plant Materials Research and Development Program Plan, INEELIEXT-04-02347 (2004)
M. Shindo and H. Nakajima, "Evaluation of $A1_20_3$ and TiN coating on hastelloy XR alloy under aggressive conditions ", ISH Int. 29 (1989) 793

상세보기
K.A. Gruss and R.E Davis, "Adhesion measurement of zirconium nitride and amorphous silicon carbide coatings to nickel and titanium alloys", Surf. Coat. Technol. 114 (1999) 156

상세보기
L. Jian, C.Y. Yuh and M. Farooque, "Oxidation behavior of superalloys in oxidizing and reducing environments", Corrs. Sci. 42 (2000) 1573

상세보기
B.S. Yilbas, M. Khaled and M.A. Gondal, "Electrochemical response of laser surface melted Incone1 617 alloy", Optics and Lasers in Eng. 36 (2001) 269

상세보기
T. Takeda, K. Kunitomi, M. Ohkubo and T. Saito, "Air vent in water chamber and surface coating on liner slides concerning auxiliary cooling system for the high temperature engineering test reactor", Nucl. Eng. Des. 185 (1998) 229

상세보기
H. Cho, D.M. Lee, lH. Lee, K.H. Bang and B.w. Lee, "Thermal oxidation behavior of ceramic-coated Ni-Crbase superalloys", Surf Coat. Tech. 202 (2008) 5625

상세보기
A. von Richthofen, R. Cremer, M. Witthaut, R. Domnick and D. Neuschtz, "Composition, binding states, structure, and morphology of the corrosion layer of an oxidized $Ti_{o.46}Al_{o.54}N $ film", Thin Solid Films 312 (1998) 190

상세보기
C.T. Huang and lG Dub, "Stress and oxidation behaviours ofr.f-sputtered (Ti,Al)N films", Surf. Coat. Techno!. 81 (1996) 164

상세보기
A. Mitsuo, S. Uchida, N. Nihira and M. Iwaki, "Improvement of high-temperature oxidation resistance of titanium nitride and titanium carbide films by aluminum ion implantation", Surf Coat. Technol. 103-104 (1998) 98

상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증