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ISSN : 1225-0562(Print)
ISSN : 2287-7258(Online)
Korean Journal of Materials Research Vol.29 No.4 pp.271-276
DOI : https://doi.org/10.3740/MRSK.2019.29.4.271

Effects of Surface Treatment using Oxide-Dispersion-Strengthening on the Mechanical Properties of Zr-based Fuel Cladding Tubes

Yang-Il Jung1, Il-Hyun Kim1, Hyun-Gil Kim1, Hun Jang2, Seung-Jae Lee2
1Korea Atomic Energy Research Institute, Yuseong, Daejeon, 34057, Republic of Korea
2KEPCO Nuclear Fuel, Yuseong, Daejeon, 34057, Republic of Korea
Corresponding author E-Mail yijung@kaeri.re.kr (Y.-I. Jung, KAERI)
February 11, 2019 March 29, 2019 April 12, 2019

Abstract


Oxide-dispersion-strengthened (ODS) alloy has been developed to increase the mechanical strength of metallic materials; such an improvement can be realized by distributing fine oxide particles within the material matrix. In this study, the ODS layer was formed in the surface region of Zr-based alloy tubes by laser beam treatment. Two kinds of Zr-based alloys with different alloying elements and microstructures were used: KNF-M (recrystallized) and HANA-6 (partial recrystallized). To form the ODS layer, Y2O3-coated tubes were scanned by a laser beam, which induced penetration of Y2O3 particles into the substrates. The thickness of the ODS layer varied from 20 to 55 μm depending on the laser beam conditions. A heat affected zone developed below the ODS layer; its thickness was larger in the KNF-M alloy than in the HANA-6 alloy. The ring tensile strengths of the KNF-M and HANA-6 alloy samples increased more than two times and 20–50%, respectively. This procedure was effective to increase the strength while maintaining the ductility in the case of the HANA-6 alloy samples; however, an abrupt brittle facture was observed in the KNF-M alloy samples. It is considered that the initial microstructure of the materials affects the formation of ODS and the mechanical behavior.



산화물 분산강화 표면처리에 따른 지르코늄 피복관의 기계적 강도

정 양일1, 김 일현1, 김 현길1, 장 훈2, 이 승재2
1한국원자력연구원
2한전원자력연료

초록


    Korea Institute of Energy Technology Evaluation and Planning
    20171510101990

    © Materials Research Society of Korea. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1. 서 론

    핵연료 피복관은 원자력 발전소에서 핵연료를 감싸고 있는 부품으로서 핵연료 및 연소 중 생성된 핵분열 생 성물들의 외부 유출을 방지하는 일차 방호벽의 역할을 수행한다. 핵연료 피복관은 핵연료의 성능과 원자력 발 전소의 안전에 밀접하게 연관되며, 원자로의 정상 운전 조건에서 우수한 성능을 유지하여야 할 뿐만 아니라 예 기치 못한 사고상황에서도 그 건전성을 최대한 유지하 여야만 한다. 이러한 핵연료 피복관은 일반적으로 지르 코늄 기지의 합금이 사용되고 있다. 지르코늄의 경우 매 우 낮은 중성자 흡수단면적을 가지고 있으며, 원자로 정 상 운전 조건에서 부식저항성도 우수하다. 하지만 후쿠 시마 사고 이후 중요시 되고 있는 사고 안전성 면에서 살펴보면, 중대사고 발생 시 급격한 고온산화를 동반한 발열반응과 다량의 수소발생이 문제가 된다. 또한 고온 에서 기계적 강도를 소실하거나 용융될 우려가 있다.

    본 연구에서는 기존 지르코늄 피복관의 기계적 특성을 향상시키기 위하여 레이저를 이용한 표면처리를 수행하 였다. 산화물분산강화(ODS, oxide-dispersed-strengthened) 기술은 금속 기지상에 산화물 미세입자를 분산시켜 금 속 소재의 강도를 높이는 방법이다.1-3) 따라서 ODS 처 리기술을 지르코늄 소재에 적용하면, 지르코늄 합금의 강 도를 높이고 고온 변형 및 파손에 대한 저항성을 높일 수 있다. 전통적인 ODS 제조는 합금의 제조 시작단계 에서부터 원료분말에 산화물 입자를 혼합하여 기계적 합 금화하고, 소결, 고온등방가압 등으로 성형하고 가공과정 을 통해 최종 제품을 얻는다. 일반적으로 ODS 소재는 강도가 높아지는 효과가 있는 반면에 연신율이 급격히 감소하는 단점이 있다. 최근에는 레이저를 열원으로 사 용하여 모재의 표면층에만 ODS 처리층을 형성시키는 기 술이 보고되고 있다.4-7) 벌크의 ODS 소재에 비하여 표 면처리 ODS 소재는 기술 적용성이 넓어 소재의 형상과 규모에 제약이 적고 제조 경제성도 우수한 장점이 있다. 또한 모재의 특성이 유지되므로 일반적으로 ODS 소재 에서 나타나는 취성이 크게 문제되지 않는다.

    본 연구에서는 지르코늄 합금 모재로 산업체에서 개발 한 KNF-M 합금과 HANA-6 합금 피복관을 사용하여 레 이저 ODS 표면처리 실험을 수행하고, 강도 증가에 미 치는 효과를 분석하였다.

    2. 실험방법

    실험에 사용된 핵연료 피복관은 국내 산업체에서 개발 한 KNF-M 합금과 HANA-6 합금으로서 지르코늄 함량 이 95 % 이상이며 소량의 함금 첨가원소가 포함되어 있 다. KNF-M 합금은 완전재결정 미세조직으로 최종열처 리 되었고, HANA-6 합금은 부분재결정 미세조직으로 최 종 열처리하여 제조되었다. ODS 처리층 형성을 위하여 사용된 산화물 분말은 평균입도가 20~50 nm인 Y2O3 분 말(Alfa Aesar, USA)이었다. 코팅 용액은 원료 분말을 에탄올에 분산시켜 준비하였다. 원료 분말과 에탄올은 1:1 의 무게 비율로 혼합되어, 지르코니아 볼을 이용하여, 24 시간 이상 볼 밀링을 수행하였다. 준비된 코팅 용액을 스프레이 건(LPH-50, Anest Iwata, Japan)을 이용하여, 공급압력 0.1 MPa, 분사거리 약 30 cm 조건에서 상하 2~3회 반복하여 피복관에 균일하게 도포하였다.

    산화물이 도포된 피복관은 레이저 장치(MX-K, 인스 텍, Korea)에 장착되어 ODS 처리공정이 수행되었다. 레 이저는 1,064 nm 파장의 연속파 레이저이었으며, 광학계 의 빔 크기 직경은 1.0 mm이었다. ODS 처리공정에서 빔 출력은 180W 또는 200W로 변화시켰고, 축방향 진행 속도(X_speed)와 피복관 회전속도(R_speed)를 변화시켰 다. 또한, 노즐을 통하여 불활성의 아르곤 가스가 토출 되어 시편의 산화를 억제하였다. 피복관 튜브 내부로는 냉각수를 흘려 레이저 빔에 의한 열원으로부터 피복관 을 보호하였다.

    링 인장 시험을 위한 시험편은 레이저 처리된 ODS 피 복관에서 길이 2.9~3.0 mm 크기로 절취되어 준비되었다. 피복관의 외경은 9.5 mm이었으며, 두께는 0.57 mm이었 다. 링 인장 시험은 치구 소재에 따라 인장연신에 대한 인장하중 거동이 변화되는데, 본 실험에서는 인코넬 합 금으로 제작된 치구를 사용하였다. 인장시험은 만능재료 시험기(Instron 3367, USA)를 이용하여 크로스헤드 이동 속도 1 mm/min으로 시험되었다. 연신율은 표점거리를 5 mm로 정하여 계산하였다. 인장시험은 상온과 400 ºC에 서 각각 수행하였다.

    3. 결과 및 고찰

    Fig. 1은 KNF-M 합금 피복관에 180W 및 200W의 레이저 빔 출력으로 ODS 처리한 시편의 미세조직 사진 이다. 튜브 시편의 축방향 단면 미세조직이며 튜브 두 께는 0.57 mm로 동일하다. 공정에 대한 축방향 진행속 도와 피복관 회전속도 변화에 대해 미세조직이 변화되는 것을 볼 수 있다. 시편의 표면에는 ODS층이 20~55 μm 두께로 형성되고, ODS층 아래로 열영향부(HAZ, heataffected zone)가 형성되었다. ODS 처리층은 뚜렷하였으 나, HAZ 형성이 매우 큰 것을 관찰할 수 있었다. ODS 처리층은 레이저 열원에 의해 소재가 직접적인 용융·냉 각의 열적 상변화를 겪은 영역에 해당하며, 표면부에 관 찰되는 얇은 층의 레이저 빔의 파형으로 구분된다.* 특 히, 레이저 처리속도가 매우 느린 경우(X=0.3, R=4)에는 모재가 모두 HAZ로 변화된 것이 관찰되었다. 회전속도 에 따라서는 회전속도가 빠를수록 HAZ 깊이가 감소하 였으며, 같은 회전속도에서는 축방향 이동속도가 느린 경 우에 HAZ 영역이 감소하였다. 이는 노즐로 분사되는 아 르곤 가스에 의한 냉각효과로 추정된다. 같은 공정조건 에서 레이저 출력이 높은 경우에는 ODS 처리층의 두께 와 HAZ 영역의 깊이가 증가하였다. 레이저 빔 출력이 200 W인 경우에는 대부분의 공정조건에서 모재가 모두 열영향 변화가 일어났음을 확인할 수 있다.

    Fig. 2는 HANA-6 합금 피복관에 180 W 및 200 W의 레이저 빔 출력으로 ODS 처리한 시편의 미세조직을 보 여준다. 튜브의 제원은 0.57 mm로 동일하다. 공정 속도 변화와 레이저 출력의 효과에 대해 관찰한 결과, 시편 의 표면에는 ODS층이 20~50 μm 두께로 형성되고, HAZ 가 크게 발달하였다. 레이저 빔 출력이 180W에서 200 W로 증가한 경우에는 ODS 처리층의 두께와 HAZ 영 역의 깊이가 증가하였다. HAZ 아래에는 모재가 원래의 미세조직을 유지하고 있는데, 이러한 열영향을 받지 않 고 모재가 유지되는 부분은 공정속도가 빠를수록 증가 되었다.

    실험에 사용된 피복관 모재의 미세조직은 KNF-M 합 금의 경우에는 완전재결정(RX) 미세조직이고, HANA-6 합금의 경우에는 부분재결정(PRX) 미세조직이었다. Fig. 3은 KNF-M 합금과 HANA-6 합금에 동일한 공정조건 (180W, X=0.4, R=5)으로 ODS 처리한 결과를 비교하여 보여준다. ODS 및 HAZ 영역의 크기가 HANA-6 합금 에 비하여 KNF-M 합금에서 더 큰 것을 확인할 수 있 다. ODS 처리층은 KNF-M 합금에서 30~55 μm 두께로 형성되었고, HANA-6 합금에서는 30~45 μm 두께로 형 성되었다. HAZ 영역의 크기 차이는 모재의 미세조직의 차이로 인하여 완전재결정 조직을 갖는 KNF-M 합금이 부분재결정인 HANA-6 보다 열영향에 민감하게 반응하 였음을 의미한다. 레이저 열원은 국부적으로 모재의 용 융을 유발한다. 용융은 순간적으로 발생하며 급속도로 냉 각이 진행되어, 지르코늄 모재의 마르텐사이트 변태를 유 발하는 것이 보고되었다.5,6) 냉각에 의한 소재의 변태과 정은 열확산의 차이와 모재의 미세조직에 의해 달라지 게 된다. 완전재결정 조직에서 HAZ가 더욱 크게 형성 되는 이유는 첫째, 열영향부의 침상조직이 완전재결정 조 직보다 부분재결정 조직에서 미세조직의 유사성이 크기 때문에 부분재결정 조직에서 HAZ 형성이 제한되고, 둘 째, 열확산의 정도가 전위밀도가 낮은 완전재결정 조직 에서 크게 나타나기 때문인 것으로 판단된다.

    Fig. 4에는 합금 소재에 따른 상온 링 인장 시험결과 를 나타내었다. 비교를 위하여 상용 지르코늄 피복관인 Zircaloy-4 합금의 결과를 함께 제시하였다. Zircaloy-4 합금은 응력완화 미세조직을 갖고, Sn 함금원소에 의한 고용강화 효과로 상온 인장강도가 높은 특징이 있다. 링 인장 시험에서 상온 강도가 약 840 MPa로 나타났다. 이 에 비하여 HANA-6 합금과 KNF-M 합금은 상온 인장 강도가 점차 낮아지는 반면 연신율은 증가하였다. HANA-6 합금과 KNF-M 합금의 상온 인장 강도는 약 720 MPa 및 약 550 MPa이었다. 연신율은 Zircaloy-4 합금에 비하 여, HANA-6 합금과 KNF-M 합금이 각각 1.2배, 1.5배 정도 증가되었다. 다만 이러한 경향은 소재의 미세조직 에 의한 효과뿐만 아니라 합금 종류에 따른 합금 첨가 원소에 의한 석출강화, 고용강화의 효과가 복합적으로 나 타나는 현상이므로, 단순한 비교로 전체의 경향을 판단 하기에는 무리가 있다.

    본 실험의 목적은 지르코늄 합금 피복관의 강도를 증 가시키기 위하여 ODS 표면처리를 수행하는 것이다. Fig. 5에는 KNF-M 합금 피복관에서 ODS 처리에 따른 링 인 장 강도의 변화를 나타내었다. 상온[Fig. 5(a)]에서 KNFM 합금의 인장강도는 약 550 MPa이었으며, ODS 처리 한 시편은 인장강도가 980~1,000 MPa로 크게 향상되었 다. 그러나 인장 연신율이 급격히 감소하는 현상이 나 타났다. 인장강도는 거의 두 배 가량 증가한 반면에 연 신율은 1/5~1/10로 대폭 감소하여, 소재가 크게 취화된 것이 확인되었다. KNF-M 합금의 경우에는 ODS 처리 에 의하여 열영향부가 크게 발달하였다. 열영향부는 침 상의 마르텐사이트 혹은 위드만스테튼 조직이므로 모재 인 완전재결정 조직보다 강도는 크게 증가하고 연신율 은 감소하게 된다. 또한 모재 대비 HAZ 영역의 비율이 크기 때문에 취성이 더욱 두드러졌다. Fig. 5(b)는 400 ºC에서 수행한 고온 인장 시험의 결과를 보여주며, 상 온 인장 시험의 결과와 유사하게 ODS 처리된 시편에서 강도의 큰 증가와 연신율의 저하가 관찰되었다. 모재의 인장강도는 약 270 MPa이었으며, ODS 표면처리된 시편 의 인장강도는 680~720 MPa로 두 배 이상 높았다.

    Fig. 6은 HANA-6 합금 피복관에서 ODS 처리에 따 른 링 인장 강도의 변화를 보여준다. 상온[Fig. 6(a)]에 서 HANA-6 합금의 인장강도는 약 720 MPa이었으며, ODS 처리한 시편은 인장강도가 860~880 MPa로 약 20 % 향상되었다. 인장 연신율은 약 35 % 감소하였다. 인 장강도의 증가폭과 연신율의 감소폭이 KNF-M 합금에 비 하여 적었다. 이는 HANA-6 합금의 미세조직이 부분재 결정이기 때문인 것으로 판단된다. 고온 인장 시험[Fig. 6(b)]에서도 ODS 처리된 시편에서 강도의 큰 증가가 관 찰되었다. 모재의 인장강도는 약 370 MPa이었으며, ODS 표면처리된 시편의 인장강도는 575~585 MPa로 약 55 % 향상되었다. 연신율은 약 절반 수준으로 감소하였으나 취 성의 파단은 관찰되지 않았다.

    ODS 처리에 따른 취화는 상온 인장 시험에서 두드러 지고, 고온에서는 열적 회복에 따른 소재의 연화 현상 으로 파단 양상이 취성에서 연성으로 전환된다.6) 그러나 KNF-M 합금에서는 고온에서도 취성 파단이 관찰되었다. 이는 모재의 열적 회복이 충분하지 않았음을 의미한다. 반면, HANA-6 합금에서는 상온과 고온에서 유사한 수 준의 연신율이 확보되었다. HANA-6 합금의 경우에는 인 장 연신율이 급격히 줄어들며 취성 파단에 이르는 현상 이 나타나지 않기 때문에 ODS 처리 효과가 더욱 기대 된다고 할 수 있다.

    4. 결 론

    국내 산업체에서 개발한 지르코늄 피복관인 KNF-M 합 금 및 HANA-6 합금 피복관에 대해 레이저 ODS 처리 하여, 피복관의 기계적 강도를 향상시키는 연구를 수행 하였다. 스프레이 분사된 Y2O3 산화막에 레이저 빔 조 사를 통하여 20~55 μm 두께의 ODS 처리층을 형성하였 다. ODS 층 아래로 형성되는 HAZ는 모재의 특성에 영 향을 받는 것으로 관찰되었으며, KNF-M 합금 피복관이 HANA-6 피복관에 비하여 HAZ가 더 크게 형성되었다. 모재의 기계적 특성은 KNF-M 합금에 비해 HANA-6 합 금이 더 높은 인장강도를 나타내었고, 연신율은 반대 양 상이었다. ODS 처리에 따라 인장강도는 크게 증가하였 는데, KNF-M 합금 피복관의 강도 증가가 현저하였다. KNF-M 합금은 ODS 처리에 의해 인장강도가 두 배 이 상 증가하였다. 반면에 연신율이 급격히 저하되어 취성 의 파단이 관찰되었다. HANA-6 합금 피복관의 경우에 는 상온에서 20 %, 고온(400 ºC)에서 55 % 강도 증가가 관찰되었고, 소재 취화에 의한 연신율의 감소도 크지 않 았다. 합금 모재의 미세조직에 따라 ODS 표면처리의 양 상과 기계적 특성의 거동이 달라지므로 ODS 처리를 위 한 모재의 초기 미세조직의 선정이 중요한 요소가 될 것 으로 판단된다.

    Acknowledgement

    This work was supported by the National Institute of Energy Technology Evaluation and Planning (KETEP) funded by the Korea government (MOTIE) (No. 20171510101990).

    Figure

    MRSK-29-4-271_F1.gif

    Cross-sectional microstructures of ODS surface-treated KNF-M alloy tubes with respect to various laser processing conditions. The thickness of the tubes is 0.57 mm.

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    Cross-sectional microstructures of ODS surface-treated HANA-6 alloy tubes with respect to various laser processing conditions. The thickness of the tubes is 0.57 mm.

    MRSK-29-4-271_F3.gif

    Microstructures of (a) KNF-M and (b) HANA-6 alloy tubes ODS-treated at 180 W laser beam power: substrate annealing conditions for the KNF-M and HANA-6 alloys were RX(recrystallized) and PRX(partial recrystallized), respectively.

    MRSK-29-4-271_F4.gif

    Stress–strain curves of several zirconium-based alloys (Zircaloy-4, HANA-6, and KNF-M) in a ring tensile test at room temperature.

    MRSK-29-4-271_F5.gif

    Stress–strain curves of fresh and ODS KNF-M samples in a ring tensile test at (a) room temperature (RT) and (b) 400°C, respectively.

    MRSK-29-4-271_F6.gif

    Stress–strain curves of fresh and ODS HANA-6 samples in a ring tensile test at (a) room temperature (RT) and (b) 400°C, respectively.

    Table

    Reference

    1. W. H. Meiklejohn, R. E. Skoda, Acta Metall. Mater., 8, 773 (1960).
    2. B. Reppich, Acta Mater., 46, 61 (1998).
    3. L. Proville and B. Bako, Acta Mater., 58, 5565 (2010).
    4. Y.-I. Jung, H.-G. Kim, I.-H. Kim, S.-H. Kim, J.-H. Park, D.-J. Park, J.-H. Yang and Y.-H. Koo, Mater. Des., 116, 325 (2017).
    5. Y.-I. Jung, H.-G. Kim, H.-U. Guim, Y.-S. Lim, J.-H. Park, D.-J. Park and J.-H. Yang, Appl. Surf. Sci., 429, 272 (2018).
    6. Y.-I. Jung, D.-J. Park, J.-H. Park, H.-G. Kim, J.-H. Yang and Y.-H. Koo, Nucl. Eng. Technol., 50, 218 (2018).
    7. H.-G. Kim, I.-H. Kim, Y.-I. Jung, D.-J. Park, J.-H. Park, J.-H. Yang and Y.-H. Koo, Addit. Manuf., 22, 75 (2018).