선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 그러나, 모재/중간삽입물간의 조성차이로 인하여 취성을 갖는 2차상이 접합부 및 접합부 부근에 생성될 수 있고, 모재와 중간삽입물의 확산계수 차이가 클 경우에는 커켄달기공(Kirkendall porosity)이 접합부 근처에 생성될 수 있다는 문제점이 있다. 따라서, 본 연구에서는 중간삽입물 없이 순수 모재간 확산접합에 대한 연구를 수행하였다.
- 특히, 확산접합은 서로 맞닿은 재료들간 원자들의 열적 확산만을 이용한 접합기술로서, 접합면 부근에서 결정립 성장 및 접합면에서 결정립계 이동(grain boundary migration)이 발생하여 미세조직이 모재와 유사하고, 기계적 특성도 모재 수준으로 확보될 수 있다는 장점이 있다. 이에 본 연구에서는 산화물 분산 강화합금의 기지에 해당하는 조직 중 하나인 팽윤 저항성이 우수한 FMS강에 대해 확산접합을 수행하였다. 특히, 확산접합부의 기계적 특성을 모재 수준으로 회복하기 위해 후열처리(PBHT, post-bond heat treatment)를 적용하였고 그에 따른 미세조직과 물성의 변화를 평가하였다.
- 표에서 볼 수 있듯이, 본 연구에서는 후열처리에 앞서 불림(normalizing) 온도 범위에서 접합온도(950-1,050ºC)가 접합효율에 미치는 영향을 우선 평가하였다.
제안 방법
- 다음 절에서는 경도값에 기반하여 도출된 후열처리 조건(720ºC/(60 min)이 인장 및 크립-파단 등과 같은 기계적 특성에 어떤 영향을 미치는지에 대해 평가하였다.
- FMS강의 확산접합 과정 중 혹은 후에 생성된 마르텐사이트 조직은 일반적으로 강도 및 경도가 매우 높고, 연신율이 낮아 재료의 파괴저항성에 해당하는 인성이 작다는 특징이 있다. 따라서, 마르텐사이트 조직의 인성 회복을 위한 추가적인 열처리 여부를 판단하기 위해 비커스 경도를 측정하였다 (Table 3). 표에서 볼 수 있듯이, 열처리 되지 않은 모재의 경우에는 246±2.
- 미세조직 분석에는 광학현미경과 주사전자현미경(scanning electron microscopy)을 이용하였으며, 화학적 에칭(Vilella’s reagent; 30 mL ethanol, 3 g picric acid, 0.6 mL nitric acid, 1 mL hydrochloric acid)을 이용하여 기지 내에 분포한 마르텐사이트 조직을 관찰하고자 하였다.
- 크립시험은 판상형 시편을 이용하여 650˚C 대기환경에서 수행하였다. 앞 절에서 살펴본 인장특성 결과를 바탕으로 확산접합 및 후열처리에 사용된 시편은 1000˚C에서 확산접합된 시편에 대해 수행하였다.
- 이 때, 확산접합 이후 냉각방식은 노냉(FC; furnace cooling)과 공랭(AC; air cooling)으로 나누어 수행하였다. 앞서 언급한 바와 같이, 본 연구의 확산접합에 수행된 냉각방식은 공랭에 유사한 수준이나 실제 구조물에 확산접합을 수행할 경우 빠르게 냉각시키는데 한계가 있기에 상대적으로 느린 냉각방식에 해당하는 노냉을 함께 공정변수로 설정하였다. Table 3에서 볼 수 있듯이, 열처리된 모재시편의 경우에는 노냉의 경우 271±17.
- 확산접합 이후 증가된 경도값에 미친 공정변수를 확인하기 위해 확산접합 조건 중 하나인 1,050ºC/90min에 모재시편을 열처리를 하고 경도값을 측정하였다. 이 때, 확산접합 이후 냉각방식은 노냉(FC; furnace cooling)과 공랭(AC; air cooling)으로 나누어 수행하였다. 앞서 언급한 바와 같이, 본 연구의 확산접합에 수행된 냉각방식은 공랭에 유사한 수준이나 실제 구조물에 확산접합을 수행할 경우 빠르게 냉각시키는데 한계가 있기에 상대적으로 느린 냉각방식에 해당하는 노냉을 함께 공정변수로 설정하였다.
- 인장시험은 상온 및 고온(최대 550ºC)에서 수행하였고, 크립-파단 시험은 650ºC 대기 환경에서 수행하였다.
- 4은 모재(as-received), 확산접합(as-bonded), 후열처리(PBHT)된 시편에 대해 크립-파단 시험을 수행한 결과이다. 크립시험은 판상형 시편을 이용하여 650˚C 대기환경에서 수행하였다. 앞 절에서 살펴본 인장특성 결과를 바탕으로 확산접합 및 후열처리에 사용된 시편은 1000˚C에서 확산접합된 시편에 대해 수행하였다.
- 이에 본 연구에서는 산화물 분산 강화합금의 기지에 해당하는 조직 중 하나인 팽윤 저항성이 우수한 FMS강에 대해 확산접합을 수행하였다. 특히, 확산접합부의 기계적 특성을 모재 수준으로 회복하기 위해 후열처리(PBHT, post-bond heat treatment)를 적용하였고 그에 따른 미세조직과 물성의 변화를 평가하였다.
- 표에서 볼 수 있듯이, 열처리된 모재(1,050ºC/90 min/AC)와 확산접합된(1,050ºC/6 MPa) 시편에 대해 720ºC/(5, 20, 60) min동안 후열처리를 수행하여 시간에 따른 경도값 변화를 측정하였다.
- 한편, 접합효율 평가에는 비커스 경도(Vicker's hardness), 인장 시험, 크립-파단 시험 등의 기계적 특성평가를 이용하였다.
- 핵연료 피복관 후보재료의 고상접합에 대한 기초 연구로서 기지 조직에 해당하는 페라이트/마르텐사이트강(FMS)에 대해 확산접합(950-1,050˚C) 및 후열처리(720˚C, 5-60 min)를 수행하였고, 경도시험, 인장시험, 크립-파단시험을 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 확산접합 이후 증가된 경도값에 미친 공정변수를 확인하기 위해 확산접합 조건 중 하나인 1,050ºC/90min에 모재시편을 열처리를 하고 경도값을 측정하였다.
- 확산접합 이후에 생성된 마르텐사이트 조직을 열조질 마르텐사이트 조직으로 바꾸기 위해 뜨임 열처리 조건 범위에서 후열처리(PBHT)를 수행한 다음, 경도값을 측정하였다(Table 3). 표에서 볼 수 있듯이, 열처리된 모재(1,050ºC/90 min/AC)와 확산접합된(1,050ºC/6 MPa) 시편에 대해 720ºC/(5, 20, 60) min동안 후열처리를 수행하여 시간에 따른 경도값 변화를 측정하였다.
- 확산접합(as-bonded)된 시편의 미세조직을 모재와 유사한 열조질 마르텐사이트(tempered martensite)로 만들기 위해 통상적으로 FMS에 사용되는 뜨임(tempering) 열처리 조건 범위(720ºC, 5-60 min)에서 후열처리(PBHT)를 수행하였다(Table 2).
대상 데이터
- Table 1은 본 연구에서 사용된 FMS강의 화학조성이며, Table 2는 최적 확산접합 공정변수를 도출하기 위해 수행된 실험조건이다. 통상적으로 확산접합에 사용되는 변수는 온도, 압축 하중, 시간, 표면상태, 중간삽입물(interlayer) 유무 등이다.
- 한편, 접합효율 평가에는 비커스 경도(Vicker's hardness), 인장 시험, 크립-파단 시험 등의 기계적 특성평가를 이용하였다. 인장 시험은 폭 1.2 mm, 두께 0.5mm 형상의 미소인장시편을 이용하였고, 크립 시험은 폭 3.0 mm, 두께 1.5 mm의 형상을 갖는 판상형을 이용하였다. 이 때, 확산접합부는 게이지(gauge) 영역 내 가운데에 위치하게 하였고, 인장방향은 확산접합부에 수직한 방향이다.
- 표에서 볼 수 있듯이, 본 연구에서는 후열처리에 앞서 불림(normalizing) 온도 범위에서 접합온도(950-1,050ºC)가 접합효율에 미치는 영향을 우선 평가하였다. 확산접합을 위한 표면상태는 SiC 1200-grit까지 기계적 연마만을 수행하여 준비하였다. 본 연구에 사용된 압축하중 조건(6 MPa)에서는 접합블록의 형상에 거의 변형이 없었다.
성능/효과
- 650˚C 대기환경 크립-파단 실험에서 모재에 비해 확산접합부(as-bonded 및 PBHT)의 접합효율은 낮았다. 한편, PBHT 시편이 저하중-장수명 조건에서 as-bonded 시편에 비해 파단수명이 늘어나는 경향을 보였으며, 이를 기준으로 평가한 PBHT 시편의 접합 효율은 모재의 약 80% 수준이다.
- As-bonded 시편의 상온 및 고온 인장강도가 모재보다 월등히 높으나, 후열처리를 통해 강도 및 연신율이 모재의 그것과 유사한 수준으로 회복되는 것을 확인할 수 있었다. 한편, 경도 및 인장특성을 근거로 본 연구에 사용된 FMS 합금의 최적 확산접합 온도는 1,000˚C로 평가되었다.
- 한편, 확산접합 온도 1,000˚C와 1,050˚C로 제작된 시험편들은 후열처리가 적용된 경우 인장특성이 모재와 큰 차이가 없었으며, 시편의 파단위치도 모두 모재부로 확산접합부의 건전성이 확인되었다. 따라서, 본 연구에서 사용된 FMS 합금에 대해 모재 수준의 확산접합부 특성(인장 및 경도)을 얻기 위해서는 접합온도는 1,000˚C(Fig. 3(c) 및 (d))이고, 후열처리는 720˚C/60 min(Table 3) 에서 수행하는 것이 적절한 것으로 보인다.
- 뜨임 열처리가 수행되는 동안 확산 접합된 시편의 경도값은 모재보다 더 급격하게 감소하는 것을 볼 수 있으며, 본 연구에서 수행한 최종후열처리 시간(60 min) 이후에는 열처리된 모재와 확산접합된 경우가 각각 251±2.6 HV0.5와 243±2.5HV0.5로서 모재 경도값(246±2.6 HV0.5)와 유사한 수준으로 회복된 것을 확인할 수 있었다.
- 확산접합(as-bonded 및 PBHT)된 시편의 경우에는 모재에 비해 크립 강도가 크게 감소한 것을 볼 수 있다. 앞 절에서 살펴본 고온(550˚C) 인장특성의 경우에는 모재와 유사하였기에 높은 접합효율(joint efficiency)을 예상하였으나, 크립-파단 실험 온도인 650˚C에서의 접합효율은 모재에 크게 못 미침을 확인할 수 있었다. 크립-파단 위치도 as-bonded 및 PBHT 시편 모두 접합부였으며, 이는 650˚C에서 접합부의 크립-파단 특성이 모재에 비해 다소 취약한 때문으로 판단된다.
- 표에서 볼 수 있듯이, 열처리 되지 않은 모재의 경우에는 246±2.6 HV0.5를 갖는데 반해, 확산접합된 시편의 경우에는 421-425 HV0.5 범위의 매우 높은 경도값을 보임을 알 수 있다.
- 650˚C 대기환경 크립-파단 실험에서 모재에 비해 확산접합부(as-bonded 및 PBHT)의 접합효율은 낮았다. 한편, PBHT 시편이 저하중-장수명 조건에서 as-bonded 시편에 비해 파단수명이 늘어나는 경향을 보였으며, 이를 기준으로 평가한 PBHT 시편의 접합 효율은 모재의 약 80% 수준이다.
- As-bonded 시편의 상온 및 고온 인장강도가 모재보다 월등히 높으나, 후열처리를 통해 강도 및 연신율이 모재의 그것과 유사한 수준으로 회복되는 것을 확인할 수 있었다. 한편, 경도 및 인장특성을 근거로 본 연구에 사용된 FMS 합금의 최적 확산접합 온도는 1,000˚C로 평가되었다.
- 단, 접합온도 950˚C는 후열처리 이후에도 상온 인장시험 수행시 접합부에서 파단이 발생하며 접합온도로서 적절하지 않다고 판단되며, 접합온도 1,000˚C 이상이 요구된다고 볼 수 있다. 한편, 확산접합 온도 1,000˚C와 1,050˚C로 제작된 시험편들은 후열처리가 적용된 경우 인장특성이 모재와 큰 차이가 없었으며, 시편의 파단위치도 모두 모재부로 확산접합부의 건전성이 확인되었다. 따라서, 본 연구에서 사용된 FMS 합금에 대해 모재 수준의 확산접합부 특성(인장 및 경도)을 얻기 위해서는 접합온도는 1,000˚C(Fig.
- 확산접합과 후열처리 시편에 대한 상온 및 고온 인장결과를 미루어 볼 때,접합온도가 증가할수록 인장특성에 긍정적으로 영향을 미침을 알 수 있다. 단, 접합온도 950˚C는 후열처리 이후에도 상온 인장시험 수행시 접합부에서 파단이 발생하며 접합온도로서 적절하지 않다고 판단되며, 접합온도 1,000˚C 이상이 요구된다고 볼 수 있다.
- 후열처리(720˚C/60 min)를 통해 실험온도 550˚C까지 확산접합부의 낮은 연신율을 모재 수준으로 회복시킬 수 있었다.
후속연구
- 그러나, 저하중-장수명 크립 조건에서는 높은 전위 밀도가 빠르게 회복되기 때문에 짧은 크립-파단 수명을 갖는다고 알려져 있다.(10) 본 연구에서 나타난 as-bonded시편의 크립-파단 거동도 이러한 경향을 따르는 것으로 보이며, 이는 실제 확산접합부가 운전되는 저하중-장수명 조건에서 우수한 크립-파단 강도를 확보하기 위해서는 후열처리가 필요함을 나타내고 있다.
- 이에 대한 정량적 평가를 위해서는 불림온도/압축하중(6 MPa) 조건에 노출시킨 모재의 경도 측정이 요구된다. 본 연구에서는 이 부분에 대한 실험은 따로 수행되지 않았으나, 불림 온도조건에서 압축/인장 하중이 가해지는 경우에 전위 밀도에 변화를 일으켜 기계적 물성에 영향을 미칠 수 있을 것으로 사료된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.