니켈기 초내열합금 Inconel 617의 고온열화에 따른 미세구조 및 기계적 특성

Abstract

Ni 기 초내열합금은 원자력 발전설비의 열 교환기용 재료를 비롯한 발전용 가스터빈, 제트엔진, 화학공장용 튜브 및 파이프재료 등 고온 기계 강도 및 고온 내식성을 요구하는 각종 부품재에 광범위하게 이용되고 있다. Inconel 617은 수소생산용 초고온 가스 냉각로 (HTGR)의 열 교환기 (IHX)등의 고온배관용 재료에 사용이 가능한 후보재료로 알려져 있다. 이는 Ni 기지상에 Cr, Mo, W 등의 첨가물에 의한 고용 강화된 단일 오스테나이트 결정구조를 가지며, 고온에서 높은 강도를 유지할 수 있고, 동시에 크립저항성과 내부식성 및 내산화성이 우수하다. 열교환기 등의 고온 배관용 재료는 950oC 이상의 고온과 약 8 MPa의 압력 하에서 가동된다. 이는 고온에서 장시간 노출이나 반복적인 열적 이력을 겪음으로 인해 미세조직에 영향을 주게 되며, 이러한 영향들은 합금의 고온 기계적 특성에 영향을 미치게 되므로 재료의 내구한도를 결정하는 중요한 인자로 작용하게 된다. 재료의 내구한도는 산화피막의 두께, 결함의 유무, 합금의 상변화 등에 따라 달라지므로 열화에 따른 재료의 미세구조 변화, 그리고 그에 따른 재료의 기계적 특성을 평가하는 것은 매우 중요하다. 이러한 Ni 기 초내열합금의 경우 고온 열화가 재료에 미치는 영향을 관찰하기 위해 산화거동 및 미세조직에 대한 연구가 보고되고 있다. 본 연구에서는 Inconel 617의 열화에 따른 재료의 미세조직 변화 및 그에 따른 기계적 특성변화를 관찰하기 위해서 air 분위기에서, 재료의 실제 가동온도보다 높은 1050oC의 가혹한 조건하에서 열화시험을 실시하였다. 열화한 시편은 표면산화물 분석 및 석출상의 형상을 관찰하였으며, 재료의 미세조직 변화에 따른 기계적 특성을 평가하기 위하여, 경도측정과 고온압축실험을 수행하였다. 위와 같은 실험을 통하여 미세조직의 변화와 기계적 특성과의 상관 관계를 평가하고자 한다. 그 결과 Inconel 617의 주된 산화막은 Cr-oxide이며, 그 이외에 소량의 Ti-oxide가 발견되었다. 표면 산화막 아래에서는 Cr-depleted zone과 입계 (grain boundary)을 따라 Internal oxide인 Al-oxide가 나타났다. 열화에 따른 Cr-oxide은 상온으로 냉각시 기지와 산화막의 열팽창 계수 차이로 인한 산화층 박리가 일어나 두께 변화를 관찰 할 수 없었다. 하지만 Cr-oxide의 형성에 의해 Cr-depleted zone이 나타나며, 열화시간에 따른 Cr-oxide의 성장으로 인해 Cr-depleted zone 또한 성장한다. Cr-depleted zone은 열화 시간에 따라 초기 24시간에서는 약 50 ㎛에서 2000시간 열화 후 350 ㎛로 Cr-depleted zone이 증가하였다. 이로 인해 Cr-oxide 또한 열화 시간에 따라 증가된다고 판단된다. Al-oxide는 Cr-depleted zone에서 나타나며, 초기 24시간에서는 20 ㎛에서 열화 시간이 증가함에 따라 2000 h에서는 100 ㎛로 입계를 따라 성장하였다. Internal oxide의 성장은 균열 발생의 원인이 되며, 입계를 따라 전파되며, 기계적 특성에 나쁜 영향을 미치게 될 것이다. 또한 Inconel 617은 주된 carbide인 M23C6와 M6C 석출상은 열화초기 입계와 입내에 다양한 크기와 모양으로 석출되었다. 이러한 carbide는 열화시간이 증가함에 따라 조대화되고 분산되어 나타난다. 입계에 존재하는 carbide은 열화시간이 증가할수록 M6C carbide의 분율이 점점 증가하였고, 따라서 M23C6 보다 M6C가 고온에서 더 안정상으로 존재한다. 고온 열화에 따른 Inconel 617은 초기 결정립 성장이 빠르게 진행되지만 240 h 이후 결정립 성장이 급격히 저하되었다. 이는 입계에 존재하는 carbide에 의한 효과라 판단된다. 또한 열화시간에 따라 결정립이 성장하였지만, 경도와 고온압축특성의 결과에서 확인할 수 있듯이 기계적 특성저하에는 영향를 미치지 못하였다. 이러한 결과는 결정립 성장, internal oxide의 성장과 carbide의 조대화에 따른 기계적 특성 저하가 고용강화와 carbide의 석출등에 의한 열화초기의 우수한 기계적 특성을 약화시키기에는 미흡하다고 판단된다.