기술내용
고온-고강도 소재 개발을 위한 세라믹과 금속의 이종 복합화 기술은 주로 물리적 방법에 의존하여 기술 개발이 이루어져 왔으나 세라믹과 금속간의 근본적 이질성 (incompatibility)이 존재함으로 인해 복합화가 상당히 어려운 것으로 알려져 있다. 이를 해결하기 위해, 분말야금 기술의 하나인, 금속 분말과 세라믹 분말을 기계-물리적 분쇄 및 혼합과정에 의해 복합화하는 기계적 합금화 (mechanical alloying) 기술이 발전하면서 일부 부품에 적용되는 시도가 되어왔으나, 기계적 합금화 기술은 근본적으로 매우 복잡한 공정, 세라믹과 금속 원료 분말의 오염 문제, 높은 생산단가, 부품 성형의 어려움 등으로 인해 다양한 부품의 실용화에 한계가 있어 왔다. 따라서, 본 연구에서는 현용 부품 소재 제조 기술인 전통적인 주조 기술을 이용하여, 공정이 단순하고 생산 비용이 저렴하여 현장 실용화가 용이하고, 특히 복잡한 형상을 갖는 부품 및 정밀 제조를 요구하는 분야에 매우 적합한 나노세라믹입자 분산강화를 이용한 직접 주조 기술을 개발하였다. 세라믹 강화재로서 이용되는 산화물, 탄화물 등의 세라믹 입자가 주조 공정 시 액상 기지 금속 내에 직접 용입될 경우 세라믹 입자들의 기지 금속과의 융화성 (compatibility) 및 젖음성 (wettability)을 향상시킬 수 있도록 하기 위해 금속에 비해 낮은 표면에너지를 갖는 (γceramic < γmetal) 세라믹 입자의 표면에너지를 높여줄 수 있는 세라믹 표면 활성화 기술이 필요하다. 이를 위해 본 연구에서는 기계적 활성화 (mechanical activation) 기술을 이용하여 세라믹 입자의 표면에 심한 결함 및 변형 구조를 형성시키고, 다양한 금속을 검토 선정하여 세라믹 입자 표면에 코팅 처리를 함으로써 세라믹 강화재의 표면을 활성화하여 금속 용탕 내로 용이하게 장입될 수 있도록 꾀하였다. 용융금속 내 분산주조용 세라믹 복합 분말을 제조하기 위해 이용된 기계적 활성화 기술은 기존의 기계적 합금화 기술과 공정원리가 유사하다. 그러나, 기계적 활성화 기술은 20G 미만의 에너지를 이용하는 기계적 합금화 기술에 비해 70G 이상의 고에너지를 이용하기 때문에 비표면적이 매우 높은 나노 분말이나 세라믹 분말의 표면 에너지를 높여주는데 매우 용이하다고 할 수 있다.
그림 1. 고에너지 유성볼밀 장비 및 나노입자 분산주조용 개량재
그림 2. 나노 TiC 입자 분산 탄소강 HR-TEM 이미지
그림 1은, 분산주조용 표면 활성화 미세세라믹 복합 분말을 제조하기 위해 본 연구팀에서 특수 제작한 고에너지 유성볼밀기 (planetary ball mill) 장비와 이를 이용하여 제조한 분산주조용 복합분말이다. 제조된 금속-나노세라믹 복합분말을 탄소강 캡슐에 넣은 후 이를 진공주조 (VIM) 방법으로 용탕 상부에 직접 장입함으로써 분산주조 기술을 확립하였다. 그 결과, 탄소강 기지 내에 수십 나노미터의 TiC 입자가 균일하게 분산되어 있는 것을 그림 2와 같이 확인할 수 있었다. 또한, 나노 TiC 입자가 분산된 탄소강의 경우 경도는 ~10% 증가하였고, 인장강도 및 연신율은 각각 ~20%, ~10% 증가하는 것을 확인하였다. 이러한 결과로부터 0.1wt% 정도 미량의 나노 TiC 입자를 기지 내에 용해주조를 통하여 분산시킴으로써 성능이 매우 우수한 소재를 제조할 수 있는 원천기술을 개발하였다.
적용분야
2차계통 배관 소재에 대한 원천기술의 확보는 상용원전의 출력증강을 위한 대형화 및 고출력화를 위한 최적의 재료규격으로 활용될 것이며, 현재 40년인 설계수명을 80년 이상 획기적으로 증가시킬 수 있는 충분한 안전여유도 확보를 통한 원전의 효율적인 운영이 가능하다. 또한, 소재 관련 원천기술 확보로 향후 후속 신형 원전 APR+와 같은 차세대 신형원전 제작 시 해외 기술이 아닌 자체 개발 기술을 적용할 수 있다.
적용사례
국내외적으로 연구가 전무한 기술 분야이며 러시아의 Institute of Solid State Chemistry & Mechanochemistry (Russian Academy of Science)에서 일부 관련 기술, 즉 기계적 방법을 이용하여 세라믹의 표면을 활성화 시키고 이를 이용하여 강 계열 합금의 기계적 성질을 향상시킴으로써 소형 임펠러에 적용한 사례가 있으나, 아직까지 적용이 제한적이다. 미세세라믹 강화재 직접분산주조 개량기술은 전통적인 주조 기술을 이용하므로 기술적 부가가치 및 실용화 가능성이 매우 높으며, 개발 기술의 소재 의존도가 없어서 상용 원자력 배관소재 부품 산업으로의 기술 파급이 가능하므로 상용화 기술 개발이 완료될 경우 다양한 산업의 부품 소재를 제조하는데 적용이 가능할 것으로 기대된다.