고온 열수송용 재료로 이용되는 Hastelloy X의 표면처리에 따른 고온물성 개선에 대한 연구를 수행하였다. Hastelloy X 기판 상에 각각 PVD법인 Arc discharge 및 Sputtering을 이용하여 TiAlN 및 $Al_2O_3$박막을 표면 코팅(overlay coating) 하였고, 분위기 분말을 이용하여 Al을 금속표면을 통해 확산시키는 방법인 Pack cementation법을 이용한 Al 확산코팅(diffusion coating: aluminiding)법을 이용한 표면처리를 수행하였다. 이들 표면처리가 Ni-Cr계 합금의 고온열처리에서 생성되는 두꺼운 불균질 산화물($Cr_2O_3$)형성 억제에 미치는 효과와 조성 및 표면미세구조가 물성에 미치는 영향에 대해 알아보기 위해, 표면처리 된 Hastelloy X 샘플들을 공기 및 헬륨가스 분위기에서 $1000^{\circ}C$로 열처리 하였으며, 열처리된 전후 시편들에 대해 상형성, 미세구조 및 고온 물성 변화를 측정하였다. 이러한 실험결과를 통하여 표면코팅법에 의한 TiAlN 및 $Al_2O_3$ 박막에 비해 Al 확산코팅한 경우 두꺼운 불균질 산화물($Cr_2O_3$)형성이 억제되어 보다 균질한 미세구조와 높은 내마모성 등 높은 고온 안정성을 보여주는 것을 확인할 수 있었다.
고온 열수송용 재료로 이용되는 Hastelloy X의 표면처리에 따른 고온물성 개선에 대한 연구를 수행하였다. Hastelloy X 기판 상에 각각 PVD법인 Arc discharge 및 Sputtering을 이용하여 TiAlN 및 $Al_2O_3$ 박막을 표면 코팅(overlay coating) 하였고, 분위기 분말을 이용하여 Al을 금속표면을 통해 확산시키는 방법인 Pack cementation법을 이용한 Al 확산코팅(diffusion coating: aluminiding)법을 이용한 표면처리를 수행하였다. 이들 표면처리가 Ni-Cr계 합금의 고온열처리에서 생성되는 두꺼운 불균질 산화물($Cr_2O_3$)형성 억제에 미치는 효과와 조성 및 표면미세구조가 물성에 미치는 영향에 대해 알아보기 위해, 표면처리 된 Hastelloy X 샘플들을 공기 및 헬륨가스 분위기에서 $1000^{\circ}C$로 열처리 하였으며, 열처리된 전후 시편들에 대해 상형성, 미세구조 및 고온 물성 변화를 측정하였다. 이러한 실험결과를 통하여 표면코팅법에 의한 TiAlN 및 $Al_2O_3$ 박막에 비해 Al 확산코팅한 경우 두꺼운 불균질 산화물($Cr_2O_3$)형성이 억제되어 보다 균질한 미세구조와 높은 내마모성 등 높은 고온 안정성을 보여주는 것을 확인할 수 있었다.
Surface treatments and their effects on high temperature properties for the Hastelloy X, which is a promising candidate alloy for high temperature heat-transport system, have been evaluated. For TiAlN and $Al_2O_3$ overlay coatings, the two different PVD (physical vapor deposition) method...
Surface treatments and their effects on high temperature properties for the Hastelloy X, which is a promising candidate alloy for high temperature heat-transport system, have been evaluated. For TiAlN and $Al_2O_3$ overlay coatings, the two different PVD (physical vapor deposition) methods using an arc discharge and a sputtering, were applied, respectively. In addition, a different surface treatment method of the diffusion coating by a pack cementation of Al (aluminiding) was also adopted in this study. To achieve enhanced thermal oxidation resistance at $1000^{\circ}C$ by suppressing the inhomogeneous formation of thick $Cr_2O_3$ crust at the surface region, a study for the surface modification methods on the morphological and structural properties of Hastelloy X substrates has been conducted. The structural and compositional properties of each sample were characterized before and after heat-treatment at $1000^{\circ}C$ under air and He environment. The results showed that the Al diffusion coating showed the more enhanced high temperature properties than the overlay coatings such as the suppressed thick $Cr_2O_3$ crust formation and lower wear loss.
Surface treatments and their effects on high temperature properties for the Hastelloy X, which is a promising candidate alloy for high temperature heat-transport system, have been evaluated. For TiAlN and $Al_2O_3$ overlay coatings, the two different PVD (physical vapor deposition) methods using an arc discharge and a sputtering, were applied, respectively. In addition, a different surface treatment method of the diffusion coating by a pack cementation of Al (aluminiding) was also adopted in this study. To achieve enhanced thermal oxidation resistance at $1000^{\circ}C$ by suppressing the inhomogeneous formation of thick $Cr_2O_3$ crust at the surface region, a study for the surface modification methods on the morphological and structural properties of Hastelloy X substrates has been conducted. The structural and compositional properties of each sample were characterized before and after heat-treatment at $1000^{\circ}C$ under air and He environment. The results showed that the Al diffusion coating showed the more enhanced high temperature properties than the overlay coatings such as the suppressed thick $Cr_2O_3$ crust formation and lower wear loss.
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문제 정의
VHTR의 열수송계(IHX) 핵심소재인 Ni-Cr계 Hastelloy X 합금의 공기 및 헬륨분위기 하 고온물성에 미치는 표면처리의 영향에 대한 연구하였다.
본 연구는 이러한 표면처리를 통한 소재물성증진을 위한 기반연구로 IHX용 합금인 Hastelloy X 상에 내열세라믹 박막 및 Al 확산코팅층을 형성시켜 고온 공기 및 헬륨 분위기 하 열처리 후 물성을 측정하였다. 고온 장기사용 시 문제가 될 수 있는 고온에서의 코팅막 변화 및 모재의 조직변화 등 미세구조와 상(phase) 형성, 마모특성, 고온 부식 및 그에 따른 손상 등 기초적이며 핵심적인 연구들을 수행하였다.
제안 방법
각기 다른 표면처리가 고온합금들의 내마모 특성에 미치는 영향을 알아보기 위해 ball on disk형 마모시험기에서 내마모 실험을 수행하였다. 이때 시험 load는 5 kg이었고 회전속도는 100 rpm으로 고정하였다.
본 연구는 이러한 표면처리를 통한 소재물성증진을 위한 기반연구로 IHX용 합금인 Hastelloy X 상에 내열세라믹 박막 및 Al 확산코팅층을 형성시켜 고온 공기 및 헬륨 분위기 하 열처리 후 물성을 측정하였다. 고온 장기사용 시 문제가 될 수 있는 고온에서의 코팅막 변화 및 모재의 조직변화 등 미세구조와 상(phase) 형성, 마모특성, 고온 부식 및 그에 따른 손상 등 기초적이며 핵심적인 연구들을 수행하였다.
층의 성장이 발생함으로 고온물성이 저하되게 된다. 따라서 이를 억제하고 고온 내열, 내식 및 내마모성 개선을 위해 Hastelloy 합금 상에 PVD법에 의한 TiAlN 및 Al2O3 보호피막을 형성시켰으며, pack cementation에 의한 Al 확산코팅 시편을 제조하였다. 질화물인 TiAlN 박막의 경우 고온에서 Cr2O3의 생성을 막지 못했으며, 내마모성 면에서도 코팅되지 않은 시편보다 좋은 물성을 보이지 않았다.
역시 PVD법의 하나인 sputtering 법을 통해 Al2O3 박막을 형성시켰으며, 이때 타겟으로는 Al2O3, 코팅 시 Ar/O2 = 3 혼합가스를 사용하였으며 박막형성 온도와 압력은 각각 750°C와 2 × 10−2 Torr 였다.
열처리 전 후 각 시편에 대해 XRD(X-ray diffractometer, Cu-Kα)로 상 분석을 수행하였으며 표면 및 단면 형상(morphology)은 SEM(scanning electron microscope)으로 관찰하였고 각각 원소들의 조성분포는 EDX(energy dispersive X-ray spectroscopy)를 통해 분석하였다.
코팅 시 박막형성 온도와 압력은 각각 450°C와 1 × 10−5 Torr였으며, 박막의 두께는 ~2.5 µm 정도가 되도록 박막형성 시간을 조절하였다.
표면처리 되지 않은 시편과 처리된 시편에 대해 1000°C, 40시간 열처리 후 측정하였다.
표면처리 된 샘플들의 고온 상형성 및 안정성을 알아보기 위해 공기 및 헬륨분위기 하 1000°C에서 40시간동안 열처리 하였다.
대상 데이터
두께 0.8 mm Hastelloy X(Ni-22Cr-18Fe-9Mo-1.5Co-1Mn-1Si, Haynes International Inc.)를 모재 및 기판으로 사용하였다. Hastelloy 합금소재에 미치는 세라믹 코팅의 효과를 알아보기 위해 합금 기판 상에 물리적 기상합성법(PVD)인 Arc discharge법에 의해 TiAlN 박막을 형성시켰다.
이론/모형
)를 모재 및 기판으로 사용하였다. Hastelloy 합금소재에 미치는 세라믹 코팅의 효과를 알아보기 위해 합금 기판 상에 물리적 기상합성법(PVD)인 Arc discharge법에 의해 TiAlN 박막을 형성시켰다. 코팅 시 박막형성 온도와 압력은 각각 450°C와 1 × 10−5 Torr였으며, 박막의 두께는 ~2.
성능/효과
Fig. 5(b)는 Hastelloy X 기판에 코팅된 질화물 TiAlN 박막의 공기 및 헬륨 분위기 하 고온 상형성 결과를 보여주고 있으며 공기 분위기에선 TiAlN 이 TiO2 및 Al-O 종으로 분해하고 다량의 Cr2O3가 생성되는데 비해 비활성 가스인 헬륨 분위기 하에서는 TiAlN 박막이 일부 유지되고 있었으나 상당량의 Cr2O3 및 NiCr2O4도 생성되었음을 확인할 수 있다.
Fig. 3(b)와 (c)의 TiAlN 및 Al2O3 세라믹 코팅의 경우 열처리 후에도 비교적 균일한 미세구조를 보임을 확인할 수 있었다. 특히 2.
TiAlN 및 Al2O3 의 경우 각각 2.5 및 3 µm 두께의 박막이 형성되었음을 확인할 수 있었으며, Al 확산코팅의 경우 시편제조 온도인 850°C에서 Al의 활발한 확산이 발생하여 15 µm까지 깊이로 Al이 침투해 들어가며 Al의 활발한 반응성으로 인해 Ni과 쉽게 치밀한 합금을 이루는 것을 알 수 있다.
전술한 바와 같이 고온에서 발생하는 표면으로의 과잉의 Cr 확산은 세라믹 특유의 취성을 가지는 두꺼운 Cr2O3 막의 형성과 Cr의 고온 휘발도 발생하여 표면구조를 약화시키게 된다. 따라서 TiAlN 코팅에 비해 Al2O3 표면코팅이 두꺼운 Cr2O3 막의 형성을 억제할 수 있는 유용한 표면처리 방법으로 여겨지며, 또한 이들 표면코팅 보다는 Al 확산코팅이 보다 효과적인 표면처리 방법으로 고려된다.
질화물인 TiAlN 박막의 경우 고온에서 Cr2O3의 생성을 막지 못했으며, 내마모성 면에서도 코팅되지 않은 시편보다 좋은 물성을 보이지 않았다. 산화물 Al2O3 박막의 경우엔 산소의 내부 확산과 Cr의 표면확산을 억제해 과도한 Cr2O3의 생성을 일부 줄일 수 있었으며, 비교적 균질한 미세구조와 코팅되지 않은 합금에 비해 약간 우수한 정도의 내마모 특성을 보였다. Al 확산코팅의 경우 표면 및 표면내층에 치밀한 에 치밀한 AlxNi1−x 합금층이 형성되어 과도한 Cr2O3 막의 형성이 가장 크게 억제되었으며 가장 우수한 마찰마모 특성을 보여 초고온 열수송계 응용에 가장 적합한 표면처리 방법으로 여겨진다.
4에 1000°C, 40시간 공기분위기에서 열처리한 시편들의 단면 SEM 미세구조와 EDX를 통한 조성분포 분석 결과를 나타내었다. 표면처리 되지 않은 Hastelloy X 합금의 경우 표면층엔 Cr과 O가 대부분이고 합금의 주성분인 Ni이 미량 검출되는 결과를 보이며 이는 Cr의 합금내부에서 표면으로의 확산과 두꺼운 Cr2O3층의 성장을 명확히 보여주고 있다(Fig. 4(a)).
) 피막으로는 기계적 구조물을 보호하는데 한계가 있으므로 이를 보완하기 위해 본 연구와 같은 표면처리를 통한 물성증진이 필요하다. 현 단계까지의 내열, 내식성 및 내마모성에 대한 실험을 종합한 결과, 질화물인 TiAlN, 산화물인 Al2O3 표면코팅 보다는 Al 확산코팅이 비교적 우수한 결과를 보였다.
후속연구
초고온에서 장기간 사용되는 열교환기용 부품으로써 Hastelloy X는 자연적으로 형성되는 취성을 가지는 두꺼운 산화물(Cr2O3) 피막으로는 기계적 구조물을 보호하는데 한계가 있으므로 이를 보완하기 위해 본 연구와 같은 표면처리를 통한 물성증진이 필요하다. 현 단계까지의 내열, 내식성 및 내마모성에 대한 실험을 종합한 결과, 질화물인 TiAlN, 산화물인 Al2O3 표면코팅 보다는 Al 확산코팅이 비교적 우수한 결과를 보였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
중간열교환기의 형식은 무엇인가?
최근 에너지 효율 증진을 위해 원자력을 포함한 많은 산업분야에서는 최근 작동기기의 고온화, 고압화가 이루어지고 있다. 특히 2020년 이후 제4세대 원자로의 개발계획에서 추진 중인 초고온가스로(Very High Temperature Reactor, VHTR)의 경우, 중간열교환기(Intermediate Heat Exchanger, IHX)의 형식은 헬륨가스(He-gas)가 고온(~900°C) 및 고압(~8 MPa)으로 사용될 He-to-He(1차측 대 2차측) 방식이 예상되고 있다[1, 2].
Arc discharge법에 의한 TiAIN 박막 형성시 온도와 압력은 어떠한가?
Hastelloy 합금소재에 미치는 세라믹 코팅의 효과를 알아보기 위해 합금 기판 상에 물리적 기상합성법(PVD)인 Arc discharge법에 의해 TiAlN 박막을 형성시켰다. 코팅 시 박막형성 온도와 압력은 각각 450°C와 1 × 10−5 Torr였으며, 박막의 두께는 ~2.5 µm 정도가 되도록 박막형성 시간을 조절하였다.
IHX용 열교환 소재의 물성이 갖추어야 할 특징으로는 무엇이 있는가?
IHX용 열교환 소재의 물성은 불순물이 포함된 고온고압 헬륨 가스 하 안정성을 갖추어야 하며 혹시 일어날 수 있는 중대사고를 예방하기 위해 공기중에서의 안정성도 갖추어야 한다. 특히 헬륨 가스에 포함된 불순물들의 양은 미량이지만 고온에서 동작하기 때문에 장기 운전 시 그 영향은 상당히 클 것으로 예상되고 있으며 각종 구조물 및 소재에 포함된 불순물 가스의 장기 사용 중 혼입이 예상되고 있다.
참고문헌 (11)
Next Generation Nuclear Plant Materials Research and Development Program Plan, INEEL/EXT-04-02347 (2004).
T. Takizuka, "Reactor technology development under the HTTR project", Progress Nucl. Energy 47(1-4) (2005) 283.
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.
A. von Richthofen, R. Cremer, M. Witthaut, R. Domnick and D. Neuschutz, "Composition, binding states, structure, and morphology of the corrosion layer of an oxidized $Ti_{0.46}Al_{0.54}N$ film", Thin Solid Films 312 (1998) 190.
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.
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