[논문]레이저 표면 용융공정으로 Al-Cr 코팅한 Zr합금의 미세조직 특성

김정민; 이재철; 김일현; 김현길

doi:10.3740/mrsk.2017.27.10.563

레이저 표면 용융공정으로 Al-Cr 코팅한 Zr합금의 미세조직 특성
Microstructural Characteristics of Al-Cr Coated Zr Alloy Fabricated by Laser Surface Melting Process 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.27 no.10, 2017년, pp.563 - 568

김정민 (한밭대학교) , 이재철 (한밭대학교) , 김일현 (한국원자력연구원) , 김현길 (한국원자력연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the coating of an Al-Cr layer on the surface of a Zircaloy-4 alloy was carried out through plasma pretreatment coating and a laser surface melting process. Two different conditions for laser treatment, severe or minimal surface melting of the Zr alloy substrate, were applied to form the final coating. When there was significant surface melting of the Zr alloy, the solidification microstructure of the newly formed coating layer was mainly composed of needle-shaped $Al_3Zr$, Al(Cr) and $Al_7Cr$ phases. On the other hand, the solidification microstructure of the coating layer was mainly composed of Al(Cr) and $Al_7Cr$ phases when there was minimal surface melting of Zr base in the laser process. However, when the coating was maintained at $1100^{\circ}C$ for 2 hours, significant inter-diffusion occurred between the phases in the coating. As a result, the upper part of the coating layer was observed to mainly consist of $Al_3Zr$ and $Al_8Cr_5$ phases, regardless of the laser treatment conditions.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

전술한 바와 같이 Zr합금이 고온에 노출되었을 때의 내산화성을 개선하기 위한 목적의 기초실험으로서 Al-Cr코팅층을 형성한 것이며, 고온에서의 미세조직 변화를 조사하기 위하여 코팅시편들을 1100℃에서 2시간 유지한 후 공냉하는 실험을 수행하였다. Fig.

제안 방법

)를 사용하여 기지합금의 표면만을 용융하는 레이저 표면처리를 수행하였다.⁹⁾ 레이저 파워, 시편 이동 속도 및 가스 유동 속도와 같은 레이저 코팅 공정 변수는 이전의 연구 결과^8-10)를 바탕으로 조정하여 적용하였다. 레이저 표면용융 공정을 위해 인가한 전력은 160W를 기준으로 전처리 코팅두께에 따라 조정(최고 300W이하)하였으며, 스캔 속도는 14 mm/s였다.
C의 아르곤 분위기에서 2시간 유지한 후 공냉하였다. 고온 유지 전과 후의 Al-Cr코팅시편 미세조직은 Energy Dispersive X-Ray Spectrometer(EDS)가 장착 된 주사전자현미경(SEM)을 사용하여 분석하였다.
⁷⁾ 이와 같이 Cr 코팅층 또는 Al이 일부 포함된 CrAl합금 코팅층의 산화거동과 미세조직에 대한 연구는 일부 진행되었으나,^2,7) Al에 Cr이 일부 포함된 코팅층에 대한 연구결과는 거의 보고된 바 없다. 따라서, 본 연구에서는 Cr이 소량 포함된 Al코팅층을 Zircaloy-4 합금 위에 레이저 표면 용융 공정으로 형성한 후 응고 미세조직을 관찰하였으며 고온유지 전과 후의 미세조직 차이를 조사하였다. 또한, 레이저 공정 중 Zr합금 표면의 용융 정도에 따라 전혀 다른 코팅층이 형성되므로 기지합금의 혼입이 현저한 것과 미미한 것 2가지로 공정조건을 달리하여 미세조직 특성을 비교하였다.
레이저 표면용융 공정을 위해 인가한 전력은 160W를 기준으로 전처리 코팅두께에 따라 조정(최고 300W이하)하였으며, 스캔 속도는 14 mm/s였다. 또한 공정 중 시편의 산화를 최소화하기 위해 불활성 기체인 아르곤을 시편의 표면에 연속적으로 공급하였다. 전처리 코팅에서Cr 층을 Al층 위에 적층한 것은 레이저 표면용융 과정에서 증발이 용이한Al의 손실을 줄이기 위해서이며, Al에 혼입되는 Cr함량은 Cr/Al층의 두께 비율과 증발 손실 량에 따라 다르나 약 10 at% 수준 또는 그 이하로 조사되었다.
따라서, 본 연구에서는 Cr이 소량 포함된 Al코팅층을 Zircaloy-4 합금 위에 레이저 표면 용융 공정으로 형성한 후 응고 미세조직을 관찰하였으며 고온유지 전과 후의 미세조직 차이를 조사하였다. 또한, 레이저 공정 중 Zr합금 표면의 용융 정도에 따라 전혀 다른 코팅층이 형성되므로 기지합금의 혼입이 현저한 것과 미미한 것 2가지로 공정조건을 달리하여 미세조직 특성을 비교하였다.
본 연구에서는 Zircaloy-4 합금 표면에 플라즈마 용사전처리 코팅 및 레이저 표면용융 후공정을 적용해 Al-Cr코팅층을 형성한 후 응고 미세조직을 조사하였으며, 110 °C의 고온에서 2시간 유지한 후 미세조직의 변화를 관찰한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
용사 코팅의 경우 대기 플라즈마 용사 장치를 사용하여 약 300 μm의 총 두께를 갖도록 Al과 Cr층을 차례로 적층하였다(Fig. 1).
플라즈마 용사가 완료된 코팅시편들은 Fig. 2에서 보여주는 다이오드 레이저 장치(Pwp14Y04K 모델, Yesystem Co.)를 사용하여 기지합금의 표면만을 용융하는 레이저 표면처리를 수행하였다.⁹⁾ 레이저 파워, 시편 이동 속도 및 가스 유동 속도와 같은 레이저 코팅 공정 변수는 이전의 연구 결과^8-10)를 바탕으로 조정하여 적용하였다.

대상 데이터

기지소재로는 대표적인 상용 Zr합금 중의 하나인 Zircaloy-4 (Zr-1.38%Sn-0.2%Fe-0.1%Cr, wt%)를 사용하였으며, 샌드 블라스팅 및 초음파 세척 후에 그 표면에 플라즈마 용사 전처리 코팅을 하였다. 용사 코팅의 경우 대기 플라즈마 용사 장치를 사용하여 약 300 μm의 총 두께를 갖도록 Al과 Cr층을 차례로 적층하였다(Fig.
1). 아르곤과 수소를 혼합하여 플라즈마 가스로 사용하였고 분말 캐리어 가스로는 아르곤을 사용하였다. 아르곤의 가스 압력은 100MPa, 수소가스 압력은 6MPa, 용사 거리는 100 mm로 하였다.

성능/효과

1) 레이저 표면용융 공정 중 Zr기지의 혼입이 일어나면 새로 형성된 코팅층의 미세조직은 주로 침상형태의 Al₃Zr, Al(Cr) 및 Al₇Cr(Al₁₃Cr₂)상 등으로 구성된 것으로 조사되었다.
2) 반면, 레이저 공정 중 Zr기지의 혼입이 없으면 코팅층의 응고 미세조직은 주로 Al(Cr) 및 Al₇Cr(Al₁₃Cr₂)상으로 구성된 것으로 나타났다.
3) 1100℃에서 2시간 유지하는 경우 코팅층 내부의 상들 사이에서 상호확산이 활발하게 일어났으며, 결과적으로 고온 노출 후 코팅층 상부는 Zr기지의 혼입 여부와 상관없이 Al₃Zr기지에 Al₈Cr₅상이 형성된 미세조직 특징을 나타내었다.
예를 들어, Al₂Zr은 활발한 상호확산을 통한 Zr의 농도증가로 인해 Al₃Zr₂상으로 변태된 것으로 생각된다. 또한, Fig. 7에서 알 수 있듯이 코팅층 전반에 걸쳐 침상형태로 존재하던 Al₃Zr상은 사라졌으나 Al₃Zr조성과 유사한 기지를 형성하였고 그 중간에 Al₈Cr₅상들이 분포하는 모습을 관찰할 수 있었다.¹⁴⁾
8에 나타내었다. 여기서 주목할 만한 특징은 기지로부터 코팅층 방향으로의 Zr확산이 상당하였다는 것으로서 코팅층의 상부에서도 Zr함량이 상당히 높게 측정되었다. 고온노출 전에는 Zr합금기지와 Al-Cr코팅층 사이에 중간상이 거의 관찰되지 않았으나 노출 후 미세조직에서는 Al₂Zr₃ 및 Al₃Zr₂상이 형성된 것을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Zircaloy-4 합금 표면에 Al-Cr코팅층을 형성한 후 응고 미세조직을 조사하고 고온에서 2시간 유지한 후 미세조직의 변화를 관찰했을 때의 결과는?	1) 레이저 표면용융 공정 중 Zr기지의 혼입이 일어나면 새로 형성된 코팅층의 미세조직은 주로 침상형태의 Al3Zr, Al(Cr) 및 Al7Cr(Al13Cr2)상 등으로 구성된 것으로 조사되었다. 2) 반면, 레이저 공정 중 Zr기지의 혼입이 없으면 코팅층의 응고 미세조직은 주로 Al(Cr) 및 Al7Cr(Al13Cr2)상으로 구성된 것으로 나타났다. 3) 1100℃에서 2시간 유지하는 경우 코팅층 내부의 상들 사이에서 상호확산이 활발하게 일어났으며, 결과적으로 고온 노출 후 코팅층 상부는 Zr기지의 혼입 여부와 상관없이 Al3Zr기지에 Al8Cr5상이 형성된 미세조직 특징을 나타내었다.
	Zr합금의 장단점은?	Zr합금은 원자로 가동조건에서의 내식성이 우수하고 중성자흡수 단면적이 작으며 기계적 성질도 양호하므로 원자력산업을 중심으로 핵연료피복관 등에 널리 사용되고 있으나 후쿠시마 원전사고에서 나타났듯이 고온의 수증기 분위기에서는 급격히 산화되어 수소가스를 발생하기 때문에 원전사고저항성이 낮다는 단점이 대두되고 있다.1-2) 이러한 문제를 해결하기 위해서 Zr합금 자체를 다른 소재로 완전히 또는 부분적으로 대체하려는 등의 연구들이 진행되고 있으나 단기적으로는 Zr합금의 고온 내산화성을 높여 사고저항성을 개선하는 것이 현실적이고 효율적인 방법으로 주목 받고 있다.
	Zircaloy-4 합금의 표면에 Cr을 레이저 코팅하면 고온에서의 내산화성이 향상되는데 그 이유는?	최근 핵연료피복관용 재료인 Zircaloy-4 합금의 표면에 Cr을 레이저 코팅하면 고온에서의 내산화성이 현저히 향상된다는 보고가 있었으며,2) 그 원인은 Cr코팅층의 형성으로 인해 산소가 외부로부터 Zr기지 내부로 혼입되는 것이 방해를 받기 때문인 것으로 보인다. 한편, CrAl 합금 코팅층을 형성하면 보다 효과적으로 고온 내산화성을 높일 수 있다는 연구결과가 보고되었는데, Cr과 Al의 비율을 조절하여 Cr2O3와 Al2O3가 동시에 형성되는 조건이 바람직한 것으로 알려졌다.

참고문헌 (14)

D. J. Park, H. G. Kim, J. Y. Park, Y. I. Jung, J. H. Park and Y. H. Koo, Corr. Sci., 94, 459 (2015).

상세보기
H. G. Kim, I. H. Kim, Y. I. Jung, D. J. Park and J. Y. Park, J. Nucl. Mater., 465, 531 (2015).

상세보기
A. S. Kuprin, V. A. Belous, V. N. Voyevodin, V. V. Bryk, R. L. Vasilenko, V. D. Ovcharenko, E. N. Reshetnyak, G. N. Tolmachova and P. N. V'yugov, J. Nucl. Mater., 465, 400 (2015).

상세보기
K. A. Terrani, C. M. Parish, D. Shin and B. A. Pint, J. Nucl. Mater., 438, 64 (2015).
D. Jin, F. Yang, Z. Zou, L. Gu, X. Zhao, F. Guo and P. Xiao, Surf. Coat. Technol., 287, 55 (2016).

상세보기
C. Chen, J. Zhang, C. Duan, X. Feng and Y. Shen, J. Alloys Compd., 660, 208 (2016).

상세보기
J. M. Kim, T. H. Ha, I. H. Kim and H. G. Kim, Metals, 7, 59 (2017).

상세보기
J. M. Kim, T. H. Ha, J. S. Park and H. G. Kim, Trans. Nonferrous Met. Soc. China, 26, 2603 (2016).

상세보기
T. H. Ha, M. S. Thesis, Applied Mater. Eng., p. 21-22, Hanbat National University, Daejeon, Korea (2017).
H. G. Kim, I. H. Kim, Y. I. Jung, D. J. Park, J. Y. Park and Y. H. Koo, Proceedings of the LWR Fuel Performance Meeting, Charlotte, NC, USA, 840 (2013).
PANDAT. CompuTherm, LLC, Madison, WI, USA. Available online: http://www.computherm.com
T. M. Yue, H. Xie, X. Lin and H. O. Yang, J. Alloys Compd., 509, 3705 (2011).

상세보기
H. Okamoto, Phase Diagrams for Binary Alloys, ASM Desk Handbook, Materials Park, OH, USA, (2000). p.29.
M. Zhang, B. Xu and G. Ling, App. Surf. Sci., 331, 1 (2015).

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저자의 다른 논문 :

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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