초록 ▼

$900^{\circ}C$이상 초고온 환경에서 사용되는 VHTR의 열수송용 구조재료로 가장 가능성이 큰 Inconel 617 및 Hastelloy X 상에 균질산화물 박막층을 형성시켜 소재의 표면을 개질하고 Chemical Vapor Deposition(CVD) 및 Physical Vapor Deposition(PVD)에 의한 나노 및 마이크로 내산화 초내열 코팅을 수행하였다. 또한 열적 및 기계적으로 안정성 높은 재료의 개발을 위해 원 소재 및 표면처리 된 소재의 고온 물성변화 재료설계 재료가공 시험평가 등의

$900^{\circ}C$이상 초고온 환경에서 사용되는 VHTR의 열수송용 구조재료로 가장 가능성이 큰 Inconel 617 및 Hastelloy X 상에 균질산화물 박막층을 형성시켜 소재의 표면을 개질하고 Chemical Vapor Deposition(CVD) 및 Physical Vapor Deposition(PVD)에 의한 나노 및 마이크로 내산화 초내열 코팅을 수행하였다. 또한 열적 및 기계적으로 안정성 높은 재료의 개발을 위해 원 소재 및 표면처리 된 소재의 고온 물성변화 재료설계 재료가공 시험평가 등의 연구를 통하여 기존소재의 결점을 보완하고 내열 내식성 및 내마모에 있어 우수한 특성을 개발하여 고도의 기능 및 구조특성을 실현시킨 소재의 개발에 대해 연구하였다.
현재까지 수행한 15개 정도의 공유결합성 세라믹과 산화물들에 대해 조성적, 열적, 기계적 및 미세구조적 연구를 통해 VHTR용 열수송계 소재에 대한 많은 자료들을 확보할 수 있었다. 본 연구를 통해 기본적이고 핵심적인 data들을 얻음으로써 코팅을 통한 소재의 보호특성은 물론 그 열화특성 까지도 해석이 가능하게 되었다. 현 단계에서 실용화 가능한 VHTR용 열수송계 코팅소재로는 TiAlN이 가장 적합하다고 여겨진다. TiAlN은 He 분위기에서는 공유결합성 세라믹의 특성상 corrosion이 거의 발생하지 않으며, 가장 내마모성이 큰 소재로 극한 산화 조건인 공기분위기에서 $600^{\circ}C$ 이상에서 분해되나, 분해되어 체적감소로 인한 표면균열을 형성하는 다른 공유결합성 코팅 층들과는 달리 Al이 내부로 확산되어 Cr과 함께 치밀한 산화물 고용체를 형성함으로써 내부를 보호하게 된다. 이러한 이유로 추가적인 산소의 침투를 억제하게 된다. 열처리 후 내마모성 또한 우수함이 판명되었다.

Abstract ▼

For the advanced nuclear energy systems it is important to develop very effective heat transport systems suitable for high temperature range operation ($950^{\circ}C$). To date two different approaches, developing either new high temperature alloys or refractory ceramic coatings for conve

For the advanced nuclear energy systems it is important to develop very effective heat transport systems suitable for high temperature range operation ($950^{\circ}C$). To date two different approaches, developing either new high temperature alloys or refractory ceramic coatings for conventional high temperature alloys, have been made to achieve heat transport system fit for very high temperature reactors (VHTRs) of helium-gas-cooled reactor. In the field of nuclear technology, attention has been paid to coatings that can protect high temperature alloys against surface reactions such as carburization, oxidation, sulphidation, etc,, but much work has not been done on refractory ceramic coatings for Inconel 617 and Hastelloy X(R), ones of the promising alloys for heat transport systems of VHTRs. Inconel 617 and Hastelloy X(R) alloys have superior high temperature properties and finds application in thermal systems such as gas-turbine engine and heat exchanger for the gas-cooled nuclear reactor. Recently, surface modification (physical vapor deposition, PVD, and chemical vapor deposition, CVD) on Inconel 617 and Hastelloy X(R) by refractory coating receives much attention due to the increased high temperature stability against corrosion and wear.
In the present work, TiN, TiCN, TiAlN, BCN, BN and C (diamond) coating layers were deposited on Inconel 617and Hastelloy X(R) by arc discharge and r.f. sputtering, and $TiO_2$ and $Al_2O_3$ layers were deposited by metal-organic (solution) deposition (MOD). Comparative study on the morphological and structural property of each ceramic coating layer and its effect on the wear and thermal oxidation resistance of Inconel 617 and Hastelloy X(R) has been conducted.
The structural and compositional properties of each sample were characterized by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), and energy dispersive spectroscopy (EDS) before and a(ter heat-treatment at $1000^{\circ}C$ for $24{\sim}48h$. Wear resistance of as-deposited and heat-treated ($1000^{\circ}C$ for $24{\sim}48h$) samples was measured using ball on disk type wear testing system under the condition of test load 5 kg, rotation speed 100 rpm. Thermal cyclic oxidation test was conducted at $1000^{\circ}C$ for up to 48 h and thermal cycle was given at 12 h-intervals. After each cycle, surface morphology, near surface composition and mass change per unit area were examined by SEM-EDS and electronic balance
TiAlN and $Al_2O_3$ coatings showed lower wear loss than bare Inconel 617/Hastelloy X(R) and the enhanced thermal oxidation resistance at $1000^{\circ}C$ by suppressing the inhomogeneous formation of $Cr_2O_3$ at the surface region through the reaction between oxygen and grain boundary-diffused Cr, one of the main component of Inconel 617 alloy, while TiN and TiCN coatings showed poor temperature stability at the temperature region above $600^{\circ}C$.

목차 Contents

• 표지...1
• 제출문...2
• 보고서 초록...3
• 요약문...4
• SUMMARY...9
• CONTENTS...11
• 목차...12
• 제 1 장 연구개발과제의 개요...13
• 1-1. 연구개발의 목적...13
• 1-2. 연구개발의 필요성 및 범위...13
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황...17
• 2-1. 외국의 경우...17
• 2-2. 국내의 경우...21
• 2-3. 연구개발사례에 대한 자체분석 및 평가결과(기술개발 위치)...22
• 제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과...24
• 3-1. 순간급속가열(RTP) 및 수열합성에 의한 균일 표면산화물(보호피막)층의 형성을 통한 표면개질...24
• 3-2. CVD 및 PVD를 이용한 나노 및 마이크로 초내열(세라믹박막) 코팅...31
• 3-3. 원 소재 및 표면처리 된 소재에 대한 기계적물성 연구 및 고온 열처리한 후 물성분석...40
• 3-4. 결론...65
• 제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도...66
• 제 5 장 연구개발결과의 활용계획...68
• 제 6 장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보...70
• 제 7 장 참고문헌...72