연구개요
제 4세대 미래 원자력시스템인 초고온가스로의 주요 후보소재로 alloy 617, alloy 230 및 alloy XR 세 가지 니켈기 초합금들이 주목받고 있다. 이들은 모두 니켈에 크롬을 약 22% 함유하며 코발트, 철, 몰리브데늄 등을 서로 다른 비율로 함유하고 있는 고온용 초합금들인데 1000°C 부근의 초고온 영역에서 다른 합금들에 비하여 고온 강도 및 내산화성 등의 특성이 탁월한 것으로 알려져 있다. 하지만 원자력 구조부품의 경우 수 십년에 이르는 긴 시스템 설계수명에 걸쳐서 구조적으로 그리고 기계적으로 안정성을 유지할 수 있어야하는 매우 엄혹한 요구조건을 만족시킬 수 있어야 한다. 이러한 조건을 고려하면 기존의 금속소재들 가운데 상기 세 니켈기 초합금이 비교적 우수한 후보소재로 고려될 수 있지만, 향후 초고온가스로를 충분히 경쟁력을 갖는 시스템으로 개발하고 상용화까지 이르려면 훨씬 우수한 소재가 개발되어야 할 것으로 판단된다.
니켈기 NC 강화 합금 개발
기존의 상용 니켈기 초합금 세 가지를 기지상으로 하여 나노크기의 이트리윰 산화물입자를 분산시켜 시험제조한 니켈기 NC강화합금을 준비하였다. 이는 원소 금속분말 소재를 기계적합금법 (MA; Mechanical Alloying)을 이용하여 MA 합금분말을 준비한 후 HIP (Hot Isostatic Pressing) 및 열간압연을 통하여 시편을 준비하고 700°C에서 인장특성을 평가하였다 (그림 1 참조). 전반적으로 연성이 상당히 줄어들고 인장 및 고온강도는 기존의 상용 니켈기 초합금에 비하여 30%이상 증가한 것을 확인할 수 있어서 향후 공정조건 등을 최적화함으로써 충분한 연성을 갖는 후보소재를 개발하며, 또한 900°C영역에서의 인장 및 크리프 파단을 포함한 기계적 특성을 확보할 계획이다.
그림 1. 니켈기 NC강화 시험합금의 700°C 인장시험 결과