[논문]Alloy 617 확산용접재의 고온 인장강도

사인진; 황종배; 김응선

doi:10.20466/kpvp.2018.14.1.015

Alloy 617 확산용접재의 고온 인장강도
High-Temperature Tensile Strengths of Alloy 617 Diffusion Weldment 원문보기

한국압력기기공학회 논문집 = Transactions of the Korean Society of Pressure Vessels and Piping, v.14 no.1, 2018년, pp.15 - 23

사인진 (한국원자력연구원 고온가스로개발부) , 황종배 (충남대학교 신소재공학과) , 김응선 (한국원자력연구원 고온가스로개발부)

Abstract ▼ AI-Helper

A compact heat exchanger is one of critical components in a very high temperature gas-cooled reactor (VHTR). Alloy 617 (Ni-Cr-Co-Mo) is considered as one of leading candidates for this application due to its excellent thermal stability and strengths in anticipated operating conditions. On the basis of current ASME code requirements, sixty sheets of this alloy are prepared for diffusion welding, which is the key technology to have a reliable compact heat exchanger. Optical microscopic analysis show that there are no cracks, incomplete bond, and porosity at/near the interface of diffusion weldment, but Cr-rich carbides and Al-rich oxides are identified through high resolution electron microscopic analysis. In high-temperature tensile testing, superior yield strengths of the diffusion weldment compared to the code requirement are obtained up to 1223 K ($950^{\circ}C$). However, both tensile strength and ductility drop rapidly at higher temperature due to the insufficient grain boundary migration across the interface of diffusion weldment. Best fit curves for minimum yield strength and average tensile strength are drawn from the experimental tensile results of this study.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 ASME 고온가스로와 액체금속로에 대한 실무위원회 (working group)에서 고온로(High Temperature Reactor) 적용을 목표로 코드 등재를 진행중인 초내열합금 Alloy 617을 이용하여⁽²⁰⁾확산용접재 (diffusion weldment)를 제작하고 접합계면 물성 평가를 수행하였다. 미세조직 분석을 위해 접합계면 근처에 생성된 석출물 분석을 수행하였고, 확산용접재의 고온 적용을 위해 최대 1223 K(950 ℃)까지 인장실험을 수행하였다.
상온허용응력은 인장강도와 항복강도를 통해 결정되며, 고온허용응력은 인장강도, 항복강도, 응력 파단 (stress rupture), 크립율 (creep rate)에 의해 결정된다. 본 절에서는 앞절에서 얻은 인장물성값 (항복강도, 인장강도)을 이용하여 허용응력을 구하기 위해 필요한 S_y(T)와 S_u(T)를 제안하고자 한다. 물론, 코드에서는 Alloy 617 (SB-168)에 대해948 K (G4, G29, T18) 또는 923 K (G4, G5, G29,T17) 이상의 온도에서 시간에 의존하는 허용응력이 제시되어 있다.

제안 방법

미세조직 분석에는 광학현미경 (OM; optical microscopy)을 이용하였다. ASME 코드에서 제시하는 평가 절차에 따라 Fig. 1과 같이 확산용접재의 상부, 중심부, 하단부에서 각각 1개씩 채취하여 접합계면 근처의 크랙 (crack), 불완전한 접합 (incomplete bond) 또는 공극 (porosity) 유무를 조사하였다. 조직관찰을 위한 시험편 준비는 ASTM: E3-11 (R2017)표준화 절차를 준수하였다.
미세조직 분석을 위해 접합계면 근처에 생성된 석출물 분석을 수행하였고, 확산용접재의 고온 적용을 위해 최대 1223 K(950 ℃)까지 인장실험을 수행하였다. 또한, 허용응력 (allowable stress)를 도출하기 위해 코드에 명시된 절차에 따라 고온항복강도 (yield strength at temperature)와 고온인장강도 (tensile strength at temperature)를 제안하였다.
0 mm를 갖는다. 만능시험기 MTS-810을 이용하였으며, 인장변위계 (extensometer)를 표점거리 내에 부착하여 인장실험을 수행하였다. 만능시험기의 크로스-헤드 (cross-head) 속도는 파단시까지 1.
확산용접재 (diffusion weldment)를 제작하고 접합계면 물성 평가를 수행하였다. 미세조직 분석을 위해 접합계면 근처에 생성된 석출물 분석을 수행하였고, 확산용접재의 고온 적용을 위해 최대 1223 K(950 ℃)까지 인장실험을 수행하였다. 또한, 허용응력 (allowable stress)를 도출하기 위해 코드에 명시된 절차에 따라 고온항복강도 (yield strength at temperature)와 고온인장강도 (tensile strength at temperature)를 제안하였다.
본 연구에서는 인쇄기판형열교환기 제작에 필요한 핵심기술 중 하나인 확산용접을 ASME 코드 요건에 준하여 제작하였고, 코드 절차에 따라 미세조직 평가 및 인장실험을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
실험에서 얻은 인장물성을 이용하여 허용응력결정을 위해 필요한 S_y(T)와 S_u(T) 를 제안하였다. 확산용접부에 적용하는 이음 계수를 고려할 경우, 제작된 확산용접재는 코드 요건을 모두 만족하여 고온 설계가 가능함을 확인하였다.
유사한 방법으로 평균인장강도 (average tensile strength)도 결정할 수 있다. 실험을 통해 얻은 상온 및 고온 인장강도값을 상온인장강도값으로 정규화 시키고, 최소 자승 피트를 통해 R_T(T)를 구한다. 이때, R_T(T)는 모재 Alloy 617에 대한 선행연구에서 4차 다항식 (fourth polynomial)이 적절하다고 보고되었으며,21,22) 본 연구에서도 같은 경향을 보였다.
코드에서 요구하는 평가 절차에 추가적으로, 확산용접재 접합계면 근처 결정립 성장과 결정립계 이동을 관찰하기 위해 전자후방산란회절 (EBSD; electron backscatter diffraction)을 수행하였으며, 시험편 준비는 이온빔 밀링 (ion beam milling) 방법을 이용하였다. 접합부 근처의 석출물 (precipitate) 관찰을 위해 화학적 에칭 (HCl:HNO₃ = 3:1)을 이용하여 접합계면과 결정립계를 관찰하였으며, 투과전자현미경 (TEM; transmission electron microscopy, MTE30), 에너지분산형분광분석법 (EDS; energy dispersive spectrometry),전자에너지손실분광법 (EELS; electron energy loss spectroscopy)를 이용하여 접합계면에 생성된 미세한 크기의 석출물을 규명하였다. 투과전자현미경용 시험편 채취는 화학적 에칭이 수행된 시험편에 대해 집속이온빔 (FIB; focused ion beam) 방법을 이용하였다.
제한된 결정립계 이동을 설명하기 위해, 투과전자현미경을 이용하여 접합계면에 형성된 석출물을 규명하였다 (Fig. 3). 그림에서 볼 수 있듯이, 접합계면을 따라 이차상들이 석출된 것을 확인할 수 있다.
본 연구에 사용된 재료는 비철 (nonferrous) 금속임을 고려하여 ASTM: E8/E8M-16a과 ASTM: E21-17에 준하여 시험편을 제작하였다. 코드에서 요구하는 상온 인장실험에 추가적으로 고온 (최대 1223 K)에서도 인장실험을 수행하였으며, 인장물성이 가장 취약할 것으로 예상되는 접합계면에 수직인 방향에 대해 3개 이상씩 수행하였다. 인장실험에 사용한 시험편은 봉상 (round bar) 형태로 지름 6.
6 mm)를 사용하였다. 표면 마무리는 시트의 표면에 잔류하는 오염물질을 제거하기 위해 SiC 1200-grit까지 기계적 연마 (mechanical grinding)를 수행하였다. 이때, 기계적 연마는 확산용접재 제작을 위해 사용된 60장의 양면 모두 수행하였다.
한편, 확산용접을 통해 결정립 크기 변화 및 결정립계 이동을 관찰하기 위해 전자후방산란회절분석을 수행하였다 (Fig. 2). 그림에서 볼 수 있듯이, as-welded에서는 용체화 열처리 (solid solution annealing) 부근의 온도 (1150 ℃)에서 2시간 이상노출이 되었음에도 불구하고 결정립 크기는 모재수준으로 유지되고 있는 것을 볼 수 있다.
확산용접재 제작은 ASME 코드에서 제시된 요건 (크기, 층수)을 따르기 위해 물 분사 (water jet) 방법을 이용하여 Alloy 617 시트를 200×200 mm 2치수로 절단하였고, 코드에서 요구하는 최소 접합계면수 (50개의 계면)가 넘는 60장을 준비하였다.
확산용접재의 상부, 중심부, 하부에서 각각 1개씩 채취한 시험편에 대해 광학현미경을 이용하여 결함 유무를 조사하였다. 이때, 관찰한 시험편은 화학적 에칭이 수행되지 않았다.

대상 데이터

Table 1은 본 연구에서 사용된 초내열합금 Alloy617 의 화학조성으로 실험에 사용된 판재 및 시트모두 ASTM: B168-11 (R2016)에 제시된 UNSN06617의 화학조성을 만족함을 볼 수 있다. Alloy617은 Ni-Cr-Co-Mo 합금의 일종으로 우수한 고온 산화/부식 저항성을 위해 약 22 wt.
본 연구에 사용된 재료는 비철 (nonferrous) 금속임을 고려하여 ASTM: E8/E8M-16a과 ASTM: E21-17에 준하여 시험편을 제작하였다. 코드에서 요구하는 상온 인장실험에 추가적으로 고온 (최대 1223 K)에서도 인장실험을 수행하였으며, 인장물성이 가장 취약할 것으로 예상되는 접합계면에 수직인 방향에 대해 3개 이상씩 수행하였다.
ASME 코드에서는 확산용접의 용접절차시방서(WPS; welding procedure specification)에 모재 등급(base metal grade), 표면 마무리 (surface finish), 용가재 (filler metal), 용접 후열처리 (PWHT; post weld heat treatment)의 온도 (temperature), 용접 후열처리의 시간 (time), 용접 후열처리의 냉각속도률 (cooling rate), 노 분위기 (furnace atmosphere), 사전조립 세척(preassembly cleaning), 블록 압축 (block compression),용접 시간 또는 온도 (welding time or temperature)를 제시하고 있다. 본 연구에서는 이를 규격을 따라, 모재등급은 ASTM: B168-11 (R2016) 을 만족하는 Alloy617 시트 (두께: 1.6 mm)를 사용하였다. 표면 마무리는 시트의 표면에 잔류하는 오염물질을 제거하기 위해 SiC 1200-grit까지 기계적 연마 (mechanical grinding)를 수행하였다.
연신율 (elongation)의 경우, ASME 코드에서 따로 제시하지 않아 본 연구에서 실험을 통해 얻은 모재 Alloy 617 값을 함께 나타내었다. 앞서 실험절차에서 기술한 바와 같이, 실험에 사용한 모재 (1개 또는 2개)와 확산용접재 (3개)는 상온과 고온에서 수행되었다.
표면 마무리는 시트의 표면에 잔류하는 오염물질을 제거하기 위해 SiC 1200-grit까지 기계적 연마 (mechanical grinding)를 수행하였다. 이때, 기계적 연마는 확산용접재 제작을 위해 사용된 60장의 양면 모두 수행하였다. 용가재는 물리적으로 접촉된 동종 합금간의 표면근처 원자들의 확산에 비해 화학조성구배 (chemical gradient)를 형성하여 우수한 접합효율을 기대할 수 있으나, 모재와의 화학조성 차이를 일으켜 취성(brittleness)을 갖는 2차상 (secondary precipitate)이 계면 및 계면 근처에 형성될 수 있어 본 연구에서는 사용하지 않았다.
코드에서 요구하는 상온 인장실험에 추가적으로 고온 (최대 1223 K)에서도 인장실험을 수행하였으며, 인장물성이 가장 취약할 것으로 예상되는 접합계면에 수직인 방향에 대해 3개 이상씩 수행하였다. 인장실험에 사용한 시험편은 봉상 (round bar) 형태로 지름 6.0 mm, 표점 거리 (gaugelength) 30.0 mm를 갖는다. 만능시험기 MTS-810을 이용하였으며, 인장변위계 (extensometer)를 표점거리 내에 부착하여 인장실험을 수행하였다.
표에서 볼 수 있듯이, 확산용접재 제작 및 평가를 위해 Alloy 617 시트 (Heat No. XX4516UK)를 사용하였으며 확산용접재의 고온 인장물성을 모재와 비교를 위해 Alloy 617 판재 (Heat No. 8617 5 8893)를 사용하였다. 확산용접재 제작은 ASME 코드에서 제시된 요건 (크기, 층수)을 따르기 위해 물 분사 (water jet) 방법을 이용하여 Alloy 617 시트를 200×200 mm 2치수로 절단하였고, 코드에서 요구하는 최소 접합계면수 (50개의 계면)가 넘는 60장을 준비하였다.

이론/모형

미세조직 분석에는 광학현미경 (OM; optical microscopy)을 이용하였다. ASME 코드에서 제시하는 평가 절차에 따라 Fig.
1과 같이 확산용접재의 상부, 중심부, 하단부에서 각각 1개씩 채취하여 접합계면 근처의 크랙 (crack), 불완전한 접합 (incomplete bond) 또는 공극 (porosity) 유무를 조사하였다. 조직관찰을 위한 시험편 준비는 ASTM: E3-11 (R2017)표준화 절차를 준수하였다.
코드에서 요구하는 평가 절차에 추가적으로, 확산용접재 접합계면 근처 결정립 성장과 결정립계 이동을 관찰하기 위해 전자후방산란회절 (EBSD; electron backscatter diffraction)을 수행하였으며, 시험편 준비는 이온빔 밀링 (ion beam milling) 방법을 이용하였다. 접합부 근처의 석출물 (precipitate) 관찰을 위해 화학적 에칭 (HCl:HNO₃ = 3:1)을 이용하여 접합계면과 결정립계를 관찰하였으며, 투과전자현미경 (TEM; transmission electron microscopy, MTE30), 에너지분산형분광분석법 (EDS; energy dispersive spectrometry),전자에너지손실분광법 (EELS; electron energy loss spectroscopy)를 이용하여 접합계면에 생성된 미세한 크기의 석출물을 규명하였다.
접합부 근처의 석출물 (precipitate) 관찰을 위해 화학적 에칭 (HCl:HNO₃ = 3:1)을 이용하여 접합계면과 결정립계를 관찰하였으며, 투과전자현미경 (TEM; transmission electron microscopy, MTE30), 에너지분산형분광분석법 (EDS; energy dispersive spectrometry),전자에너지손실분광법 (EELS; electron energy loss spectroscopy)를 이용하여 접합계면에 생성된 미세한 크기의 석출물을 규명하였다. 투과전자현미경용 시험편 채취는 화학적 에칭이 수행된 시험편에 대해 집속이온빔 (FIB; focused ion beam) 방법을 이용하였다.

성능/효과

현재 ASME Section VIII Code Case에서는 확산용접재의 이음계수 (joint factor)로 방사선투과검사 (radiographic examination)를 수행되지 않은 용접부에 적용하는 값 (0.7)을 제시하고 있으며, ²³⁾ 이 값을 고려할 경우 확산용접 기술은 고온 설계 및 제작이 가능함을 알 수 있다.
3(a)와 3(b)의 검은색)임을 확인할 수 있었다. 경량 원소 분석을 위해 수행된 전자에너지손실분광법 결과, Cr-rich 석출물에 대해 574 eV에 해당하는 Cr L_2,3와 모재 대비 강한 C 피크가 확인되었으며, Al-rich 석출물에 대해 532 eV에 해당하는 O K피크가 확인되었다. 미량 (0.
접합계면 근처에서 크랙, 불완전한 접합과 공극은 관찰되지 않았으나, 미세한 크기의 Cr-rich 탄화물과 Al-rich 산화물이 접합계면을 따라 형성되었다. 석출된 이차상들은 접합계면 (결정립계) 이동을방해하여 접합계면 근처의 미세조직이 모재와 차이를 보였다.
또한, 현재 ASME (2017년판) 코드에서 요구하는 확산용접재에 대한 인장물성은 모재의 최소규정인장강도 이상만 요구하고 있다. 즉, 본 실험을 통해 얻은 확산용접재의 상온 인장강도는 3개 시험편 모두에서 700 MPa 이상으로 ASME 코드에서 요구하는 단조 (forging) Alloy 617의 상온 인장강도(655 MPa)보다 높아 제작된 확산용접재가 현재 코드에서 요구하는 규격을 만족함을 알 수 있다.
이때, 관찰한 시험편은 화학적 에칭이 수행되지 않았다. 코드에서 요구하는 50배와 100배 관찰 결과, 해당 배율에서 접합계면근처에서 불완전한 접합이나 공극은 관찰되지 않았다. 이는 수행된 확산용접 조건에서 높이 방향으로 약 3.
항복강도는 모든 실험 온도 범위에서 코드에 제시된 값에 비해 월등히 우수하였으나, 인장강도는573 K (300 ℃) 이상의 온도 범위에서 코드에서 제공 또는 제공 예정인 값에 비해 낮거나 유사한 수준에 그쳤다. 873 K (600 ℃) 이하의 실험 온도 범위에서는 30% 이상의 우수한 연신율을 유지하였으나, 973 K (700 ℃) 이상의 실험 온도 범위에서 연신율이 급격하게 감소하였다.
(T) 를 제안하였다. 확산용접부에 적용하는 이음 계수를 고려할 경우, 제작된 확산용접재는 코드 요건을 모두 만족하여 고온 설계가 가능함을 확인하였다.

후속연구

물론, 코드에서는 Alloy 617 (SB-168)에 대해948 K (G4, G29, T18) 또는 923 K (G4, G5, G29,T17) 이상의 온도에서 시간에 의존하는 허용응력이 제시되어 있다. 즉, 고온 허용응력을 구하기 위해서는 응력 파단과 크립율 실험 결과가 필수적이나, 이는 향후에 확산용접재에 대한 크립 실험을 통해 보다 정확한 허용응력을 얻을 수 있을 것으로 기대된다.
473 K (200 ℃) 이하의 실험 온도에서는 코드에서 제공하는 값에 비해 높으나, 573 K (300 ℃) 이상의 실험 온도에서는 코드에서 제공 또는 제공 예정인 값에 비해 낮거나 유사한 수준으로 확산용접재의 고온 적용에 주의가 필요하다. 현재 코드에서 제공 또는 제공 예정인 인장강도는 모재 Alloy 617에 해당하는 것으로 확산용접재에 대한 많은 실험결과를 통해 여유도(margin)가 확보된 감소 계수 (reduction factor)를 통해 확산용접재의 고온 적용도 가능할 것으로 기대된다. 또한, 현재 ASME (2017년판) 코드에서 요구하는 확산용접재에 대한 인장물성은 모재의 최소규정인장강도 이상만 요구하고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	모재 Alloy 617에서 온도에 따른 여유도의 차이가 생기는 이유는 무엇인가?	모재 Alloy 617의 경우, 저온영역에서 여유도가 크나, 고온영역에서는 여유도가 줄어든다고 보고된바있다.(21,22) 이러한 차이는 인장결과가 최대 1223 K(950 oC)의 데이터를 이용하여 피팅을 수행하였기 때문으로 보이며, 보다 높은 온도 범위의 인장실험결과를 통해 개선이 요구된다. 유사하게, 모재Alloy 617의 평균인장강도도 저온영역에서 여유도가 크나, 고온영역에서 여유도가 줄어든다고 보고된바 있으나,(21,22) 확산용접재는 취약한 접합계면미세조직으로 인하여 모든 실험 온도 범위에서 여유도가 크지 않은 것을 볼 수 있다.
	초고온가스로 대량 생산을 목표로 하는 것은 무엇인가?	차세대원자로 노형 중 하나인 초고온가스로(VHTR; very high temperature gas-cooled reactor)는 850 oC/70 기압 이상의 조건에서 생산된 고온의 열을 이용하여 일차 에너지원인 전기의 효율적인 생산과 이차 에너지원인 수소의 대량 생산을 목표로 한다.(1-3) 원자로 노심에서 생산된 고온의 열은 냉각재인 헬륨 기체(helium gas)를 이용하여 2차 계통으로 전달된다.
	원자로 노심에서 생산된 고온의 열은 어디로 전달되는가?	차세대원자로 노형 중 하나인 초고온가스로(VHTR; very high temperature gas-cooled reactor)는 850 oC/70 기압 이상의 조건에서 생산된 고온의 열을 이용하여 일차 에너지원인 전기의 효율적인 생산과 이차 에너지원인 수소의 대량 생산을 목표로 한다.(1-3) 원자로 노심에서 생산된 고온의 열은 냉각재인 헬륨 기체(helium gas)를 이용하여 2차 계통으로 전달된다. 이때, 기체 냉각재의 효율적인 열전달을 위해 우수한 건전성이 확보된 중간열교환기 (IHX; intermediate heat exchanger)의 설계 및 제작 기술 개발이 요구된다.

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ASME Section VIII Code Case 2621-1, 2015 Edition.

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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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