아크 이온 플레이팅 시의 증착변수가 Cr 코팅된 Zircaloy-4 합금의 고온산화 특성에 미치는 영향

Abstract

본 논문에서는 원자력 발전에 사용되는 Zircaloy-4 합금에 대하여 고온 내산화 저항성을 향상 시키기 위해 Arc Ion Plating법으로 Cr 을 코팅하였으며 증착변수에 따른 Cr coated Zircaloy-4의 고온산화 거동을 조사하였다. 증착 된 Cr 코팅층의 성장과 구조에 영향을 미치는 코팅시간과 Bias 전압을 증착 변수로 하여 Cr 코팅층의 미세구조 변화 및 고온산화 거동에 대해 조사한 결과 다음과 같다. Arc Ion Plating법을 이용하여 원자력 발전에 사용되는 핵연료피복관인 Zircaloy-4 에 고온에서 우수한 특성을 가지는 Cr 을 1µm, 10µm, 30µm, 50µm 로 코팅하였다. 코팅층의 단면을 관찰한 결과 Crack 이나 Pore 등의 결함 없이 균질한 박막을 형성하였다. 고온산화 실험 결과 코팅층의 두께가 증가할수록 무게 증가량이 감소하는 것을 관찰하였으며 30µm 와 50µm 코팅한 시편의 무게증가량이 비슷한 거동을 보인 결과 30µm 이상 코팅하는 것은 경제성이 떨어지므로 적정 코팅층의 두께는 30µm 정도로 하는 것이 적당하다는 것을 알 수 있었다. 하지만 50V 에서 코팅한 시편에서 Oxygen stabilized-α 층이 관찰되었고 이는 지르코늄 합금의 기계적 특성을 저하 시키는 요인으로써 Oxygen stabilized-α 층의 형성을 분석하기 위해 증착변수중 Bias 전압을 변화시켜 Cr 코팅층의 구조적 변화를 분석해 보았다. Arc Ion Plating 공정변수 중 Bias 변화를 주어 Cr 코팅층의 구조적 변화를 관찰해 보았다. Bias 전압은 25V, 50V, 75V, 100V 로 나누어 실험을 진행하였고 각 Bias 에 따른 고온산화 실험 결과 낮은 Bias 전압에서는 코팅층과 모재간의 박리현상이 일어나고 Oxygen Stabilized-α 층이 관찰 되었지만 Bias 전압이 증가할수록 코팅층과 모재가 잘 접착 되어 있었으며 Oxygen Stabilized-α 층이 관찰되지 않았다. Bias 전압이 증가할수록 코팅층의 경도와 정상부식결과도 낮은 Bias 전압에서 코팅한 시편에 비해 우수한 거동을 보였다. 코팅층의 구조를 분석하기 위해 25V 에서 코팅한 시편과 높은 Bias 전압에서 코팅한 100V 의 시편에 대해서 EBSD 분석을 진행한 결과 25V 의 시편의 결정립의 크기가 100V 의 시편에 비해 크기가 크고 Columnar 구조로 성장한 것을 관찰하였다. 결정립이 클 경우 고온산화 시 산소이온이 결정립계를 따라 침투하기가 쉽기 때문에 Oxygen Stabilized-α층을 쉽게 형성하였다. 하지만 100V 의 경우 높은 Bias 에서 코팅됨에 따라 코팅 시 Ion bombardment 현상이 일어나고 Sputtered 된 이온들이 Scattering 되어 주변에 Random 하게 증착 됨으로써 결정립이 작고 치밀한 코팅층을 형성하였다.