연구 개요
21세기에 들어서면서 원자력 선진국들을 중심으로 제 4세대 (Generation IV) 원자력 시스템이 제안되었으나, 지금까지 개발되고 전력생산에 상당부분을 기여해온 가압경수로형 원자력발전소에 비하여 그 운전조건들이 훨씬 더 가혹한 조건들을 상정하고 있다. 따라서 4세대 원자력시스템들을 구현하기 위해서는 극한환경에 노출되는 핵심부품 재료가 확보되어야 한다. 특히 필요한 핵심부품 소재의 확보는 기존의 상용재료들을 일부 개선함으로써 해결하는 것이 경제적이고 유리할 수도 있을 것이며, 한편 새로운 소재개발이 불가피한 부분도 있을 수 있다. 소재개발은 다른 분야들에 비해서 연구개발 및 검증에 상당한 기간이 필요하므로 시스템 개발이 본격적으로 이루어지기 전 충분히 이른 시점에 선제적인 연구개발이 필요하다 할 것이다.
초고온가스로의 hot gas duct, intermediate heat exchanger 등의 핵심부품 재료로는 고온용 니켈기초합금이 주요 후보소재로 주목받아왔는데, 특히 초고온가스로 개발에 적극적으로 임하고 있는 일본의 경우 미국 Haynes International 사가 기 개발한 Hastelloy X를 일부 개선한 Hastelloy XR 합금을 자신들의 실험로에 적용한 바 있고, 프랑스의 경우 상기 회의 Haynes 230 합금을 1차 후보합금으로 선정하여 특성 평가 등에 매진하고 있다. 우리나라의 경우 상기 두 합금과 SMC사의 Inconel 617 합금을 비교한 결과 고온 기계적 특성이 상대적으로 우월한 것으로 평가된 Inconel 617 합금을 1차 후보합금으로 상정하고 이에 대한 고온 기계적 특성, 부식/산화 특성 등에 대하여 평가를 수행하고 있다.
그러나 우수한 특성을 가지는 니켈기초합금 조차 초고온가스로 환경에서의 장기안정성 및 크리프 수명이 충분하지 않는 것으로 판명이 되었으며, 고온 특성이 더욱 우수한 소재를 확보가 시급하다고 판단이 된다. 이에 원자력재료개발부에서는 상기 세 가지 니켈기초합금을 기지상으로 하여 분말야금공법을 통하여 나노크기의 산화물을 분산시켜 고온 안정성 및 고온 기계적 특성이 우수한 니켈기 NC (nano cluster) 강화합금을 개발하고자 한다.
최종목표
입계강화 니켈기 NC 강화 합금 개발 및 입계, 집합조직 조절 기술 확보. 초고온가스로 환경 기계적 특성 평가
주요 연구내용
- Ni-base NC(nano-cluster) 강화 합금 개발
- Ni-base 기지상에서 NC 생성기구 규명
- NC 강화 합금 시제관 제조 및 기계적 특성 평가
- 제조 방법에 따른 NC 강화 합금의 입계 및 집합조직 변화 연구
- NC 강화 합금의 초고온환경 크리프 특성 평가
- 니켈기초합금용 나노 분말 대량 합성법 개발
주요 연구성과
분말야금공법을 이용하여, alloy 617, alloy 230 및 alloy XR의 조성을 기본으로 한 NC강화 니켈기 NC 합금을 제조 하였다. Batch당 3 Kg의 합금들을 시험 제조하였으며, 기존(상용) 니켈기초합금들에 비하여 약 40% 고온 인장강도 향상이 이루어 졌다. 700°C 온도까지 우수한 고온강도를 유지 하였으며, 초고온 영역 (900°C)에서의 고온 기계적 특성도 개선될 수 있는 가능성을 확인하였다.
니켈기 나노 복합분말을 제조할 수 있는 in-situ 제조 기술을 확보하였고, 국내 특허를 등록하였다. 이는 화학공정으로서 향후 대량생산에 더욱 용이할 것으로 기대하며, 각 공정 단계별 변수들을 더욱 정밀하게 조절함으로써, 제조 나노분말의 크기분포, 특성, 등을 개선함과 동시에 대량생산 방법을 모색할 것으로 판단된다. 나노 복합분말의 대량 제조가 이루어질 경우 NC강화합금 제조의 취약점인 생산성 및 제조단가를 개선하는데 크게 유리할 것으로 기대된다. NC 강화합금의 고온 기계적 손상은 여타의 상용 고온합금에 비해서 상당히 낮고 또한 파손은 상당히 오랜 기간이 필요할 것으로 예상되어, NC 강화합금의 손상 및 수명을 평가하는 기술 개발을 위해 고온 기계적 시험 평가 방법을 개발 중에 있으며, 예비 평가 시험을 수행되었다.
그림 1. Alloy 617 합금 조성을 기반으로 한 나노클러스터 합금의 (a) HIP 성형 , (b) 열간압연, (c) 고용화 열처리 후 미세구조
참고문헌
- J. Jang et al., Proc. Eng., (2013) in press