[논문]핵융합로 구조용 저방사화강의 용접열영향부 후열처리 균열 감수성

이진종; 문준오; 이창훈; 박준영; 이태호; 홍현욱; 조경목

doi:10.5781/jwj.2016.34.6.47

핵융합로 구조용 저방사화강의 용접열영향부 후열처리 균열 감수성
PWHT Cracking Susceptibility in the Weld Heat-Affected Zone of Reduced Activation Ferritic/Martensitic Steels 원문보기

Journal of welding and joining = 대한용접·접합학회지, v.34 no.6, 2016년, pp.47 - 54

이진종 (한국기계연구원 부설 재료연구소 철강재료연구실) , 문준오 (한국기계연구원 부설 재료연구소 철강재료연구실) , 이창훈 (한국기계연구원 부설 재료연구소 철강재료연구실) , 박준영 (한국기계연구원 부설 재료연구소 철강재료연구실) , 이태호 (한국기계연구원 부설 재료연구소 철강재료연구실) , 홍현욱 (창원대학교 신소재공학부) , 조경목 (부산대학교 재료공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Post-Weld Heat Treatment (PWHT) cracking susceptibility in the weld heat-affected zone (HAZ) of reduced activation ferritic-martensitic (RAFM) steels was evaluated through stress-rupture tests. 9Cr-1W based alloys including different C, Ta and Ti content were prepared. The coarse grained heat-affected zone (CGHAZ) samples were simulated with welding condition of 30 kJ/cm heat input. CGHAZ samples consisted of martensite matrix. Stress rupture experiments were carried out using a Gleeble simulator at temperatures of $650-750^{\circ}C$ and at stress levels of 125-550 MPa, corresponding to PWHT condition. The results revealed that PWHT cracking resistance was improved by Ti addition, i.e., Ti contributed to the formation of fine and stable MX precipitates and suppression of coarse M23C6 carbides, resulting in improvement of stress rupture ductility. Meanwhile, rupture strength increased with increasing solute C content.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

. 본 연구에서는 재료연구소에서 개발한 Ti 첨가 저방사화강(이하 Ti 첨가 강)과 Ti을 소량 첨가하여 개량한 Modified-E97강(이하 Mod-E97강)의 용접 후열처리 균열을 평가하여 그 성능을 비교 분석하였다. Gleeble simulator를 이용하여 용접 열영향부를 재현하고 Stress-rupture test를 실시하였다.

제안 방법

, JEM-2100F, USA)을 이용하여 미세조직 및 석출물을 관찰하였다. CGHAZ의 강도는 비커스 경도기 (FM-700A)를 이용하여 측정하였다. 한편, CGHAZ의 결정립 크기 및 석출물 크기는 이미지 분석기 (Image analyzer)를 이용하여 측정하였다.
Gleeble simulator를 이용하여 용접 열영향부를 재현하고 Stress-rupture test를 실시하였다. Stress-rupture test 후에 응력 및 온도 변화에 따른 균열 발생 거동을 규명하고 용접 열영향부에서의 석출거동 변화를 주사전자현미경 (SEM, Scanning Electron Microscopy)과 투과전자현미경 (TEM, Transmission Electron Microscopy)을 이용하여 관찰하였다.
한편, 열처리 스케쥴에 따라 재현된 CGHAZ는 주사전자현미경(SEM) 및 투과전자현미경(TEM)을 이용하여 파면, 파단면의 미세조직을 관찰하였다. TEM 미세조직 관찰을 위해서는 Thin foil 시편을 제작한 후 이를 10% 퍼크롤릭산과 90% 메탄올의 혼합용액에서 Twin jet-polishing을 이용하여 TEM 시편을 제작하였다. 석출물 분석 및 관찰을 위해서는 C extraction method를 이용하여 Replica 시편을 제작하였다.
Mod-E97강의 경우에는 문헌에서 보고된 열처리 조건을 참고하여 980℃에서 노말라이징을 실시하고 760℃에서 템퍼링 열처리 하였다⁷⁾. Ti 첨가강의 경우에 재료연구소에서 다양하게 열처리 조건을 변화시키며 물성평가를 진행하였으며⁸⁾, 이 중에 가장 최적 조건이라고 판단되는 조건 (노말라이징: 1000℃, 템퍼링: 650℃)에서 열처리를 실시하였다.
9와 같이 각 합금에 대해 용접 후열처리를 실시하였다. 그림에서 확인할 수 있듯이 후열처리 시간이 증가함에 따라 입계에석출물의 분율 및 크기가 증가하였으며 본 연구에서는 석출물 크기를 정량적으로 측정하였다. 다음의 Fig.
다음으로 용접열영향부 재현 후 일반적인 저방사화강의 용접 후열처리 온도인 650-750℃까지 가열한 다음 다양한 응력조건 하에서 Stress-rupture test를 실시하였다. 이 때, Stress-rupture test 후, 먼저 파단면의 단면적 감소율(Reduction in area (R.
본 연구에서는 Fig. 1(b)의 스케줄을 따라 용접 후열처리 중에 Stress rupture test를 실시하였으며, 그 결과를 Fig. 5에 정리하였다. Fig.
본 연구에서는 유럽에서 개발된 저방사화강에 Ti를 소량 첨가하여 개량한 Mod-E97 steel과 재료연구소에서 개발한 Ti-added steel의 용접 후열처리 균열을 평가하여 그 성능을 비교 분석하였으며 주요 결과는 아래와 같다.
또한 구오스테나이트 입계와 lath 입계를따라 조대한 석출물이 분포하고 있으며, lath 내부에는 균일하고 미세한 석출물이 분포하는 것을 확인 할 수 있다. 본 연구에서는 이러한 석출물들을 TEM을 이용하여 분석하였다. Fig.
한편, CGHAZ의 결정립 크기 및 석출물 크기는 이미지 분석기 (Image analyzer)를 이용하여 측정하였다. 석출물 크기 측정을 위해서는 25,000배의 배율 하에서 관찰한 SEM 이미지에서 각 석출물별로 200개 이상의 석출물 크기를 측정하여 이에 대한 평균값을 측정하였다.
진공용해로를 이용하여 50 kg급 잉곳을 제조하였으며, 이후 열간압연(마무리 압연온도≥950℃)을 통해 최종 13 mm의 두께를 가지는 판재를 제조하였다. 압연재에 대해서 노말라이징과 템퍼링의 2단 열처리를 실시하여 모재를 제조하였으며, Fig. 1(a)는 각 합금의 열처리 스케쥴을 보여주고 있다. Mod-E97강의 경우에는 문헌에서 보고된 열처리 조건을 참고하여 980℃에서 노말라이징을 실시하고 760℃에서 템퍼링 열처리 하였다⁷⁾.
Mod-E97강과 Ti 첨가강모두 구오스테나이트 입계에서 void가 발생하고 변형이 증가함에 따라 void coalescence에 의해 균열이 발생하고 이러한 균열이 구오스테나이트 입계를 따라 전파된 것으로 판단된다. 앞서 설명한 바와 같이 Stress rup-ture parameter는 Fig. 5의 결과에서 파단시간이 10분일 때의 Rupture stress와 R.A.값의 곱에 의해 결정되며 따라서 파단시간 10분에 해당하는 미세조직을 관찰하기 위해 다음의 Fig. 9와 같이 각 합금에 대해 용접 후열처리를 실시하였다. 물론 Stress-rupture test 시에는 응력 하에서 석출물의 생성 및 성장이 발생하는 반면에 Fig.
앞서 언급한 바와 같이 본 연구에서는 Mod-E97강과 재료연구소에서 개발한 Ti 첨가강을 비교·평가하였다.
다음으로 용접열영향부 재현 후 일반적인 저방사화강의 용접 후열처리 온도인 650-750℃까지 가열한 다음 다양한 응력조건 하에서 Stress-rupture test를 실시하였다. 이 때, Stress-rupture test 후, 먼저 파단면의 단면적 감소율(Reduction in area (R.A, %)과 파단시간(Rupture time)을 측정하고 다음으로 측정값을 각각 외삽하여 파단시간 10분에 해당하는 파단강도(Rupture stress) 및 단면적 감소율을 측정하였으며 이들을 곱을 통해 Stress-rupture parameter (SRP지수)를 구하였다^11-14). 이 때 SRP지수가 높을수록 고온에서 우수한 Rupture strength 또는 Ductility를 가지며 이는 용접 후열처리 균열에 대한 저항성이 우수함을 의미한다.
석출물 분석 및 관찰을 위해서는 C extraction method를 이용하여 Replica 시편을 제작하였다. 이와 같이 준비된 시편에 대해 TEM (JEOL Inc., JEM-2100F, USA)을 이용하여 미세조직 및 석출물을 관찰하였다. CGHAZ의 강도는 비커스 경도기 (FM-700A)를 이용하여 측정하였다.
진공용해로를 이용하여 50 kg급 잉곳을 제조하였으며, 이후 열간압연(마무리 압연온도≥950℃)을 통해 최종 13 mm의 두께를 가지는 판재를 제조하였다.
9에서 재현한 샘플들의 경우에는 응력을 가하지 않고 열처리만 실시한 경우로써 Stressrupture test 시와는 석출 및 석출물 성장 속도가 상이할 수 있다. 하지만 본 연구에서는 응력 유무에 상관없이 합금 간의 비교는 가능할 것으로 판단하였으며 따라서 앞서 언급한 바와 같이 파단시간 10분에 해당하는 미세조직을 관찰하기 위해 다음의 Fig. 9와 같이 각 합금에 대해 용접 후열처리를 실시하였다. 그림에서 확인할 수 있듯이 후열처리 시간이 증가함에 따라 입계에석출물의 분율 및 크기가 증가하였으며 본 연구에서는 석출물 크기를 정량적으로 측정하였다.
CGHAZ의 강도는 비커스 경도기 (FM-700A)를 이용하여 측정하였다. 한편, CGHAZ의 결정립 크기 및 석출물 크기는 이미지 분석기 (Image analyzer)를 이용하여 측정하였다. 석출물 크기 측정을 위해서는 25,000배의 배율 하에서 관찰한 SEM 이미지에서 각 석출물별로 200개 이상의 석출물 크기를 측정하여 이에 대한 평균값을 측정하였다.
한편, 열처리 스케쥴에 따라 재현된 CGHAZ는 주사전자현미경(SEM) 및 투과전자현미경(TEM)을 이용하여 파면, 파단면의 미세조직을 관찰하였다. TEM 미세조직 관찰을 위해서는 Thin foil 시편을 제작한 후 이를 10% 퍼크롤릭산과 90% 메탄올의 혼합용액에서 Twin jet-polishing을 이용하여 TEM 시편을 제작하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용한 재료는 저방사화강 2종으로 그 합금성분은 Table 1과 같다. 앞서 언급한 바와 같이 본 연구에서는 Mod-E97강과 재료연구소에서 개발한 Ti 첨가강을 비교·평가하였다.

이론/모형

본 연구에서는 재료연구소에서 개발한 Ti 첨가 저방사화강(이하 Ti 첨가 강)과 Ti을 소량 첨가하여 개량한 Modified-E97강(이하 Mod-E97강)의 용접 후열처리 균열을 평가하여 그 성능을 비교 분석하였다. Gleeble simulator를 이용하여 용접 열영향부를 재현하고 Stress-rupture test를 실시하였다. Stress-rupture test 후에 응력 및 온도 변화에 따른 균열 발생 거동을 규명하고 용접 열영향부에서의 석출거동 변화를 주사전자현미경 (SEM, Scanning Electron Microscopy)과 투과전자현미경 (TEM, Transmission Electron Microscopy)을 이용하여 관찰하였다.
TEM 미세조직 관찰을 위해서는 Thin foil 시편을 제작한 후 이를 10% 퍼크롤릭산과 90% 메탄올의 혼합용액에서 Twin jet-polishing을 이용하여 TEM 시편을 제작하였다. 석출물 분석 및 관찰을 위해서는 C extraction method를 이용하여 Replica 시편을 제작하였다. 이와 같이 준비된 시편에 대해 TEM (JEOL Inc.

성능/효과

1) 노말라이징과 템퍼링 열처리에 의해 모재는 템퍼드 마르텐사이트 기지조직으로 구성되어 있으며 입계와입내에 각각 M₂₃C₆, MX 탄화물이 석출되어 있는 것을 확인하였다.
2) Stress rupture test결과, Ti-added steel이 Mod-E97 steel에 비해 우수한 후열처리 균열 저항성을 보이는 것으로 평가되었으며 이는 Ti-added steel이 Mod-E97 steel에 비해 상대적으로 Rupture strength가 낮음에도 불구하고 R.A값이 매우 높기 때문인 것으로 확인되었다.
3) 용접 열영향부는 고온의 열처리 및 급랭 사이클에 의해 마르텐사이트 조직으로 구성되어 있으며, Mod-E97 steel이 Ti-added steel에 비해 용접열영향부 및 후열처리시에 높은 강도를 나타내었다. 이러한 결과는 Mod- E97steel에서 Rupture strength가 높은 결과와 일치하며 이는 Ti-added steel에 비해 Mod-E97 steel 기지에 고용 탄소함량이 높기 때문으로 분석되었다.
4) Mod-E97 steel의 경우, Ti-added steel 대비 상대적으로 높은 탄소함량 및 불안정한 MX 탄화물의 고용에 따라서 Ti-added steel과 비교하여 조대한 M₂₃C₆ 탄화물이 구오스테나이트 입계에 생성되며 이로 인해 낮은 R.A값을 갖는 것으로 확인되었다.
6은 Table 2의 결과를 통해서 측정한 Stress rupture index (SRI 지수)로서 각 온도에서 가장 높은 SRP지수를 기준으로 각각의SRP지수를 백분율로 나타낸 값을 나타낸다. Fig. 6에서 확인할 수 있듯이 Ti 첨가강은 Mod-E97강에 비해 전반적으로 용접 후열처리 균열에 대한 저항성이 우수한 것으로 평가되었다.
A(%)값이 감소할 것으로 판단된다. 결과적으로 Ti 첨가강의 경우, 입계에 생성되는 M₂₃C₆ 탄화물의 분율(이 낮고 크기가 미세하며 이로 인해 Fig. 5에서 확인할 수 있듯이 Mod-E97강에 비해 R.A값이 높은 것으로 판단된다.
즉, 입내는 미세한 MX 탄화물의 석출에 따라 강화되고, 입계의 경우에는 M₂₃C₆탄화물 석출에 의한 C-depleted zone의 발생에 의해입계 주위는 약해짐으로써 stress-rupture test 시에구오스테나이트 입계를 따라 균열이 발생하게 되는 것으로 판단된다. 즉, 시험 합금의 용접 후열처리 균열감수성은 구오스테나이트 입계에 생성되는 조대한 M₂₃C₆탄화물의 석출거동과 밀접한 관계가 있는 것으로 보이며, 입계 M₂₃C₆석출물의 분율 및 크기가 증가할수록 파단 시 입계에 응력이 집중되고 이에 따라 R.A(%)값이 감소할 것으로 판단된다. 결과적으로 Ti 첨가강의 경우, 입계에 생성되는 M₂₃C₆ 탄화물의 분율(이 낮고 크기가 미세하며 이로 인해 Fig.
5에서 보듯이 온도가 증가할수록 파단강도는 감소하며, 단면적 감소율은 증가하는 경향을 보인다. 한편, 각각의 시험온도 하에서 Mod-E97강은 Ti 첨가강에 비해 용접 열영향부에서 높은 Rupture strength를 가지는 반면에 Ti 첨가 강은 Mod-E97강에 비해 높은 R.A값을 가지는 것으로 확인되었다. Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	핵융합로를 구성하는 블랑켓 구조재 후보 재료에는 무엇이 있는가?	핵융합로를 구성하는 주요 부품 중 하나인 블랑켓(Blanket)은 핵융합 발전 시에 플라즈마와 인접하는 핵심부품으로써 높은 중성자 속 및 열속 환경에서 우수한 성능 유지가 필요하다. 블랑켓 구조재 후보재료로는 저방사화(Reduced ActivationFerritic/Martensitic, RAFM)강, 산화물 분산강화(Oxide Dispersion Strengthened, ODS)강, 바나듐 합금, 텅스텐 합금 등이 검토되고 있으나 이중에 대량생산, 생산단가 등을 고려할 때, 저방사화강이 가장 유력한 블랑켓 구조재 후보재료로 연구되고 있다. 또한, 페라이트-마르텐사이트계 저방사화강은 오스테나이트계 강에 비해 열전도도가 우수하고, 열팽창계수가 낮아 핵융합로 블랑켓용 구조재로 사용하기에 적합한 것으로 평가되고 있다1).
	핵융합로를 구성하는 블랑켓은 어떤 특성이 필요한가?	이에 따라 전 세계적으로 핵융합 발전을 위한 많은 연구들이 진행되고 있다. 핵융합로를 구성하는 주요 부품 중 하나인 블랑켓(Blanket)은 핵융합 발전 시에 플라즈마와 인접하는 핵심부품으로써 높은 중성자 속 및 열속 환경에서 우수한 성능 유지가 필요하다. 블랑켓 구조재 후보재료로는 저방사화(Reduced ActivationFerritic/Martensitic, RAFM)강, 산화물 분산강화(Oxide Dispersion Strengthened, ODS)강, 바나듐 합금, 텅스텐 합금 등이 검토되고 있으나 이중에 대량생산, 생산단가 등을 고려할 때, 저방사화강이 가장 유력한 블랑켓 구조재 후보재료로 연구되고 있다.
	페라이트-마르텐사이트계 저방사화강은 어떤점에서 핵융합로 블랑켓용 구조재로 사용하기 적합한가?	블랑켓 구조재 후보재료로는 저방사화(Reduced ActivationFerritic/Martensitic, RAFM)강, 산화물 분산강화(Oxide Dispersion Strengthened, ODS)강, 바나듐 합금, 텅스텐 합금 등이 검토되고 있으나 이중에 대량생산, 생산단가 등을 고려할 때, 저방사화강이 가장 유력한 블랑켓 구조재 후보재료로 연구되고 있다. 또한, 페라이트-마르텐사이트계 저방사화강은 오스테나이트계 강에 비해 열전도도가 우수하고, 열팽창계수가 낮아 핵융합로 블랑켓용 구조재로 사용하기에 적합한 것으로 평가되고 있다1).

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Kiduck Park, PWHT cracking susceptibility in the welds of new ferritic steels(TP23 and 91) for power plant applications, Master's dissertation, Hanyang University, (2010), 21 (in Korean)

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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].

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