[논문]공정 개선에 따른 사고저항성 CrAl 코팅 피복관의 내마모성 향상

김성은; 이영호; 김대호; 김현길

doi:10.9725/kts.2022.38.4.136

공정 개선에 따른 사고저항성 CrAl 코팅 피복관의 내마모성 향상
Improved Coating Process for Enhanced Wear Resistance of CrAl Coated Claddings for Accident Tolerant Fuel 원문보기

한국트라이볼로지학회지 = Tribology and lubricants, v.38 no.4, 2022년, pp.136 - 142

김성은 (한국원자력연구원 핵연료안전연구부) , 이영호 (한국원자력연구원 핵연료안전연구부) , 김대호 (한국원자력연구원 핵연료안전연구부) , 김현길 (한국원자력연구원 핵연료안전연구부)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper investigates the enhanced wear performance of a CrAl coated accident tolerant fuel (ATF) cladding. In the wake of the Fukushima accident, extensive research on ATF with respect to improving the oxidation resistance of cladding materials is ongoing. Since coated Zr claddings can be applied without major changes to the criteria for reactor core design, many researchers are studying coatings for claddings. To improve the quality of the CrAl coating layer, optimization of the manufacturing process is imperative. This study employs arc ion plating to obtain improved CrAl coated claddings using CrAl binary alloy targets through an improved coating method. Surface roughness and adhesion are improved, and droplets are reduced. Furthermore, the coated layer has a dense and fine microstructure. In scratch tests, all the tested CrAl coated claddings exhibit a superior resistance compared to the Zr cladding. In a fretting wear test, the wear volume of the CrAl coated claddings is smaller compared to the Zr cladding. Furthermore, the coated cladding manufactured through the improved process exhibits better wear resistance than other CrAl coated claddings. Based on these results, we suggest that fine microstructure is attributed to a mechanically and microstructurally robust CrAl coating layer, which enhances wear resistance.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Effect of negative bias voltage on hardness and residual stress.
그림 Fig. 3. Scratch test instrument[14].
그림 Fig. 4. Fretting wear test instrument [14].
그림 Fig. 2. CrAl coated surface of cladding.
표 Table 1. Scratch test conditions
표 Table 2. Fretting wear test condition
그림 Fig. 5. Surface of previous coated cladding versus improved coated cladding. Optical micrograph of those coated claddings are shown in red boxes.
$Fig. 6. Electron backscatter diffraction on (a) previous CrAl coating, and (b) improved CrAl coating.$ 그림 Fig. 6. Electron backscatter diffraction on (a) previous CrAl coating, and (b) improved CrAl coating.
그림 Fig. 7. Constant load scratch test results (a) applied force versus scratch width (b) applied force versus scratch hardness.
그림 Fig. 8. Fretting wear test results (a) number of cycles versus wear volume (b) number of cycles versus maximum wear depth.
그림 Fig. 9. Worn surface after fretting wear test on uncoated Zr cladding, CrAl_P, and CrAl_A.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 한국원자력연구원에서 개발한 Cr-Al 합금 타겟을 사용하여, AIP공정개선을 통하여 제조된 코팅 층의 표면 특성 분석 및 표면 미세조직 개선에 따른 마모특성평가를 상용 Zr 피복관 및 기존 공정으로 제작 된 코팅 피복관과의 비교를 통해 진행하였다.

제안 방법

1에서와 같이 residual stress 적고 높은 강도를 지니 는 bias voltage의 범위가 있는데 이 영역은 물질에 따라 상이하다. 본 연구에서는 공정개선을 통하여 이 영역에서 코팅 공정을 진행하여 코팅 피복관을 제작하였다.
상온 에서 unlubricated 조건으로 120°cone angle 다이아몬드 팁을 사용하여 10 N 부터 50 N까지 10 N 간격으로 하중을 증가시켰고, 각각의 하중 조건에서 displacement, acceleration, drag 등을 측정하였다

대상 데이터

본 연구에서는 AIP 공정을 이용하여 Zr 피복관 외경을 CrAl 합금으로 코팅하였다. AIP 공정은 Physical Vapor Deposition (PVD), 즉, 물리적 증착법 중의 한 종류로, 불순물이 적고 치밀하며 접착력이 좋은 코팅층을 얻을 수 있는 장점이 있다.
소재와 관련하여서는 피복관 코팅 소재로 내부식성이 강한 Cr 및 Cr 합금이 고려되었는데 본 연구에서는 CrAl 합금을 사용하였다. CrAl은 정상상태 가동 조건 및 사고 조건인 고온 수증기 (~1200o C) 조건에서도 기존 Zr 대비 1000배 이상 향상된 내산화성을 보인다[8].

이론/모형

계면박리저항성 평가를 위하여 일정한 하중 하에서 피 복관 표면 코팅층의 스크래치 저항성 테스트를 Fig. 3의 장치를 사용하여 ASTM G171[13]에 맞추어 진행하였다.

성능/효과

1) 개선된 공정으로 제작된 CrAl 코팅층은 기존 코팅층 대비 우수한 미세조직을 가지고 있음을 확인하였고 표면 조도 또한 추가연마가 필요하지 않아 대량생산과정에서 우수한 경제성을 가진다.
2) 계면 박리 저항성을 평가하기 위한 정하중 스크래치 시험에서 최대 50 N의 하중에서도 코팅층 박리는 발 생하지 않았으며, CrAl 자체가 취성을 보이나 코팅층은 어느정도 소성변형을 수용하는 것으로 나타났다.
3) Zr 지지격자를 이용한 프레팅 마모 평가에서도 개선된 공정으로 제작된 CrAl 코팅 피복관이 기존 코팅 피복관에 비해 내마모 특성이 향상되었다.
6에서 확인되듯이 치밀 하지 않은 구조로 인하여 표면 연마 후에도 코팅 층 표면에서 다공성 영역이 관찰되었다. 본 연구를 통하여, AIP 공정 변수 개선을 이용한 피복관 제작 시의 상용화 공정 축소 및 경제성 향상이 가능함을 알 수 있었다.
본 연구에서는 사고저항성핵연료 적용을 위한 피복관 코팅 기술 공정 개선 후에 아크 이온 플레이팅으로 제작 된 CrAl 코팅 피복관에 대해 fretting wear 실험과 scratch wear 실험을 진행하여 기존 CrAl 코팅 피복관에 비해 향상된 결과를 얻었다.

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