지르코늄 합금의 Nb, Fe, O 첨가에 따른 재결정 거동

Abstract

원전 선진국들은 기존 Zircaloy-4를 개선시킨 신소재 핵연료 피복관을 상용화하였음에도 불구하고 장주기 운전 및 고연소도 환경과 경제성 향상을 위해 차세대 피복관 소재를 개발하고 있다. 국내에서는 핵연료 피복관 소재인 HANA함금을 개발하였으며, 상용화를 위한 절차를 거치면 최초의 국산 피복관이 될 것이며, 국제적인 경쟁력을 갖추기 위해 기존 HANA소재 보다도 더욱 안전성이 높아진 차세대 피복관 소재가 요구되고 있다. 차세대 피복관 소재는 대체로 내식성 향상을 위해 Nb함량은 높이고 Sn 함량을 줄이려는 경향이며,크게 1.0wt% 내외의 Nb에 소량의 Sn(0.4~0.6)외 Fe 및 Cr 을 첨가한 함금과 고함량(1.5wt%이상)의 Nb외 Fe 및 Cr과 같은 미량원소를 첨가한 함금이 차세대 피복관 소재로 개발되고 있는 실정이다. 하지만 최근 개발되고 있는 고농도(1.0wt% 이상)의 Nb가 함유되고 있는 Zr-Nb계, Zr-Nb-Fe계 함금의 피복관 소재는 기계적 강도가 높아 가공성이 낮다. 또한 내식성 향상을 위해 𝞫 -Nb을 생성하는 조건의 열처리로 기존 Zircaloy-4대비 낮은 온도 영역에서 수행 되므로서 피복관의 제조가 매우 어려워지고 있는 상황이다. 따라서 본 연구는 지르코늄 합금의 재결정에 미치는 고농도 Nb, Fe 원소들의 영향을 평가하며 각 합금에 대한 재결정 온도 조건을 확립하여 열처리 공정을 최적화하기 위한 연구를 수행하였다. 또한 부식성능이 향상된 Nb, Fe첨가 합금에서 제조성을 확보 할수 있는 방안 중에 하나은 O함량을 제어하는 것이다. 고농도 Nb, Fe가 첨가된 지르코늄 합금의 낮은 열처리 공정에서 제조성 향상을 위해서는 기존 지르코늄에 첨가되는 O은 (1200~1400ppm)보다 낮은 함량으로 첨가하는 것에 대한 타당성 연구를 수행하였다. 지르코늄 합금에 Nb, Fe, O 첨가시 재결정에 미치는 영향을 조사한 결과 냉간 압연 후 Zr함금에 고농도 Nb를 첨가한 결과 Nb함량이1.0 ~ 2.0wt% 증가할수록 초기 경도 값이 증가 하였으며, 석출 강화에 의한 석출물들에 의한 피닝 현상으 로 결정립 size도 작아졌다. 함량의 증가에 따라 재결정이 빨리 일어나며 이는 초기 도입된 내부에너지가 높기 때문에 적은 힘으로도 변태를 일으킬 수 있는 활성화 에너지가 작아지며 고농도 Nb를 첨가하면 재결정 시간 즉 열처리 시간을 적게 하는 것이 효과적이다. Zr함금에 고농도 Fe를 첨가한 결과 함량이 0.2 ~ 0.4wt% 증가에 따라 초기 경도 값이 Nb만 첨가한 합금보다 크게 증가 하였으며 미세조직도 석출강화 효과로 인해 더욱 미세해 지고 더 적은 시간에 회복과 재결정이 일어나고 활성화 에너지도 Fe증가와 함게 작아지는 것을 확인할 수 있었다. 이는 Fe 가 자기확산 속도가 빠르고 초기 도입된 에너지가 크기 때문에 Nb만 첨가되었을 때 보다 더 빠른시간에 핵 성성이 일어나고 재결정 시간이 적게 드는 것을 알수 있다. Zr-Nb합금에 O함량이 0.07 ~ 0.15wt% 증가할수록 고용 강화 효과에 의해 초기경도 값이 증가 하지만 미세조직 변화가 적었으며 재결정에 필요한 활성화에너지 값이 비슷한 것을 확인할수 있었으며 O함량은 기계적 성질에는 영향을 미치지만 재결정 거동에는 영향을 미치지 않는다는 것을 알수 있다. 고농도 Nb,Fe가 첨가된 Zr함금은 아결정립 합체 및 성장에 의해 재결정이 일 어 났고, Nb, Fe함량이 증가 할수록 함금 설계시 열처리 시간을 단축 할수 있으며 재결정도에서 알 수 있듯이 경도 값으로 실험하지 않은 재결정 분율을 알수 있어 재결정도를 예측할수 있는 수단으로 활용할 수 있다.