Fe계 ODS 강의 고온강도에 미치는 Y2O3의 함량 및 입자 분포의 영향

Abstract

산화물 분산강화 (ODS, Oxide Dispersion Strengthened)합금의 초기 연구는 기존의 하이크롬 페라이트 마르텐사이트 강을 개량한 합금이고, 이러한 하이크롬 페라이트 마르텐사이트 강은 고온 부식에 대한 저항성이 높고, 열전도도가 크며, 열팽창계수가 적기 때문에 고온 크립에 매우 우수한 기계적 특성을 보이고 있고, 중성자 조사 손상 저항성이 우수하기 때문에 핵융합발전소의 제1벽, 4세대 핵분열 원자로로 응용되어 왔다. 또한 뛰어난 크립 특성 때문에 화력 발전소의 주요 부품이나 제트엔진, 원자로 연료봉 등의 다양한 산업 분야에서 상용화를 목표로 많은 연구가 진행되고 있다. 일반적으로 높은 크립 강도를 얻기 위하여 주로 solid solution, precipitation, carbide 강화 기구를 사용하는데 이러한 강화기구는 500 ~ 600℃에서 석출물에 의한 결정립의 조대화 현상과 전위에 의해 무력하게 되고, 고온에서 장기적으로 사용할 경우 고온 크립 강도가 크게 저하 되는 것을 확인할 수 있다. 이러한 문제점을 개선하기 위해 열적 안정성이 우수한 미세 산화물(Y2O3, TiO2등)을 MA 공정을 통하여 기지 내로 분산시키고, 기지내에 분산된 산화물들은 열적, 기계적으로 매우 안정하기 때문에 고온 응력 분위기에서 그레인의 성장과 전위의 이동을 방해함으로써 600℃이상에서도 우수한 고온 크립 특성을 유지하게 된다. 또한 나노스케일의 미세 산화물은 기지와의 정합 상태로 유지하기 때문에 고온에서 안정한 상태로 유지시키며 중성자 조사로 인한 void swelling 현상에 대한 저항성도 높여 주기 때문에 미국 [1], 일본 [2,3], 유럽 [4,5]에서는 차세대 핵분열 융합 프로그램으로 활발한 연구가 진행되고 있다. ODS 초내열 합금는 현재 Ni계 및 Fe계 합금으로 상용화 되어있고, Fe계 ODS 합금의 경우 Cr, Al, Ti 또는 Hf, W, Ta, Zr 이외에 Y2O3 산화물을 분산시킨 합금으로서 50 vol.% 이상의 γ´상 함량에 의한 강화효과에 Y2O3의 분상강화 효과를 이용하여 고온에서 기존의 주조용 Super Alloy 에 비해 뛰어난 고온특성을 증가시킨 합금이며, 기계적 합금화(MA, Mechanical Alloying)에 의해서 제조되고 있다. 미국 Oak Ridge National Laboratory의 상용화 ODS 합금은 Y2O3산화물 크기를 10 ∼ 40 ㎚에서 3 ∼ 5 ㎚, 전위밀도를 1015 m-2에서 1015∼16 m-2, 화물의 입자밀도(number density)를 1020∼21 m-3에서 1023 m-3으로 증가시키는 새로운 합금 및 MA공정을 적용하여 상온항복강도를 20%이상, 900 ℃에서의 인장강도를 2.5배 증가시킴으로써 ODS 합금에서 공정기술이 특성향상의 핵심기술임을 재확인시켜주고 있다 [6]. 고온 강도 및 내열 특성이 좋은 ODS 합금은 전력산업, 국방산업, 우주항공산업 및 철강산업 등의 핵심부품으로 사용되고 있는데 이러한 산업에서의 에너지효율 향상, 고온에 대한 요구특성이 급격히 높아지고 있어, 분말 야금공정으로 제조공정이 대체되고 있다. 높은 온도 및 기계적 특성에 대한 저항성을 높이기 위한 ODS, Oxide Dispersion Strengthened 합금 제조 기술은 지금 까지도 개발되고 있지만, 장시간 소요되는 MA 공정의 문제점, 나노 산화물 입자의 분산, 열간 공정의 낮은 생산성, 특성의 이방성 등의 문제점과 비교적 공적이 복잡하고 높은 공정비용으로 인해 응용분야의 사용이 제한되고 있으며, 이러한 문제점을 해결하기 위해 합금 분말의 제조 및 고밀도 성형공정의 개선 및 최적화 등에 대한 연구가 진행되고 있다 [7]. 특히 MA 과정에서 기지 내에 Y2O3 균일하고 미세하게 분산시키는 것은 매우 어려운 일이다 이는 분말의 특성과 밀링 조건에 영향을 미치고, 최적화되지 않은 경우에 Y2O3 가 균일하게 분산되어지지 못하여 기계적 특성에 안 좋은 영향을 미치는 요인으로 작용하게 된다 [8]. 이처럼 ODS 합금에서는 MA 공정이 매우 중요한 요소라고 말할 수 있다. 최근 몇 년간 ODS 합금의 연구 대다수가 MA 공정 방법에 매우 민감하다는 것을 알 수 있었고, MA 공정이 최적화된 ODS 합금의 기계적 특성의 매우 향상됨을 확인 할 수 있었다. Zoz-GmbH 사의 볼밀장비(Simoloyer)를 사용하여 미국 ORNL(Oak Ridge National Laboratory) 실험실에서는 상온 인장 강도 1800 MPa, 고온 인장 강도 500 MPa 이상 되는 14YWT 조성을 갖는 ODS 합금강을 개발하였다 [9]. 하지만 어떠한 MA 공정 및 장비 일지라도 MA 시간이 길어지면 길어질수록 오염되는 부분을 해결하지 못하는 현실이다. 본 연구에서는 ODS 합금 공정에서 Y2O3, TiO2, HfO2 등의 고가의 산화물 사용하여 장시간 MA 과정으로 인한 단가 상승의 문제점을 진공가스부분법에 의해 산화물형성 원소를 ODS 합금 분말에 고용시켜서 분말을 제조하고 분무분위기 제어에 의한 산화층을 XRF 및 TEM으로 확인하였으며, 제조된 분말의 산화처리 공정에서의 산화층 제어하고, 그리고 고에너지밀링 유성형 볼밀(Planetary milling)을 이용하여 공정에서의 산화층 제어 등의 다단계 산화물 제어공정을 통해 고가의 나노산화물의 사용을 극소화하고, 밀링시간을 최소화 하였다. 방정플라즈마소결(SPS, Spark Plasma Sintering)공정 및 열간 압연에 적용하여 고밀도 성형체의 기계적 특성에 미치는 영향을 조사하였다.