1. 서 론
지구온난화와 기후변화로 인한 생태계 변화가 전 세계적으로 심각한 우려를 낳고 있으며, 이를 해결하기 위해 탄소배출 저감과 탄소 중립 달성을 위한 다양한 정책과 노력이 추진되고 있다. 이러한 흐름 속에서 기존 화력발전에 대한 의존도를 낮추면서 산업계의 지속적인 전력 수요를 충족시키기 위한 대체 에너지원 개발이 활발히 이루어지고 있다. 그중 핵융합 에너지는 바닷물에서 얻을 수 있는 중수소를 연료로 사용하여 친환경적일 뿐만 아니라, 태양광, 풍력 등과 달리 자연 조건에 의존하지 않고, 기존 원자력 발전에 비해 방사능 유출 위험이 적어 안전성 측면에서도 주목받고 있다. 이러한 장점으로 인해 핵융합 에너지는 전 세계적으로 활발히 연구되고 있다.
핵융합로 블랑켓의 구조재료로 검토되는 저방사화강(reduced-activation ferritic/martensitic steel, RAFM steel)은 화력발전용 소재로 사용되는 기존 9Cr 계열 내열강에서 고방사형 원소(Mo, Ni, Nb 등)를 W, V, Ta 등으로 대체하여 설계된 합금이다. 저방사화강은 노멀라이징(normalizing)과 템퍼링(tempering) 열처리를 통해 템퍼드 마르텐사이트(tempered martensite) 조직을 형성하며, lath 경계 및 구오스테나이트 결정립계(prior austenite grain boundary, PAGB)에는 Cr-rich M23C6 석출물이, 입내에는 (V, Ta, Ti) rich MC 석출물이 분포하여 우수한 강도와 인성을 나타낸다.
현재 핵융합 에너지를 연구하는 여러 국가에서는 자국의 저방사화강 개발을 진행중이며,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11) 국내에서는 한국원자력연구원과 한국재료연구원이 각각 ARAA (advanced reduced activation alloy) 강과 K-RAFM 강을 개발하여 평가하고 있다.12,13) ARAA 강은 Zr을 미량 첨가하여 설계된 반면, K-RAFM 강은 다른 저방사화강에 비해 Ti 함량이 상대적으로 높은 것이 주된 특징이다(Table 1).
Table 1.
| Country | Alloy | C | Si | Mn | Cr | W | V | Ta | Ti | N | Zr | Fe |
| EU | Eurofer971,2,3) | 0.11 | 0.05 | 0.4 | 9.0 | 1.1 | 0.2 | 0.12 | < 0.02 | 0.03 | - | Bal |
| Japan | F82H4,5,6) | 0.1 | 0.2 | 0.4 | 8.0 | 2.0 | 0.2 | 0.04 | - | 0.01 | - | Bal |
| China | CLAM7,8) | 0.1 | 0.1 | 0.4 | 9.0 | 1.5 | 0.2 | 0.2 | - | - | - | Bal |
| USA | 9Cr-2WVTa9,10) | 0.1 | 0.2 | 0.4 | 9.0 | 2.0 | 0.2 | 0.1 | - | - | - | Bal |
| India | IN-RAFM11) | 0.11 | < 0.05 | 0.5 | 9.0 | 1.4 | 0.22 | 0.07 | - | 0.03 | - | Bal |
| ROK | ARAA12) | 0.1 | 0.1 | 0.45 | 9.0 | 1.2 | 0.2 | 0.07 | 0.01 | 0.01 | 0.01 | Bal |
| K-RAFM13) | 0.1 | 0.1 | 0.4 | 9.0 | 1.0 | 0.2 | 0.1 | 0.015 | - | - | Bal |
블랑켓 적용 시에는 용접 및 접합 공정이 필수적이므로, 저방사화강의 용접재료 개발 및 용접부 특성 평가에 대한 연구도 활발히 수행되고 있다.14,15,16,17,18,19,20,21,22,23) 특히 유럽연합(EU)에서 개발한 Eurofer97의 경우, 모재와 동일한 조성의 용접재료가 RCC-MRx 코드에 등재되어 국제 핵융합실험로(international thermonuclear experimental reactor, ITER)에 적용되고 있다.19) 본 연구에서는 K-RAFM 강 모재와 동일한 성분의 용접금속을 대상으로 미세조직 및 기계적 특성을 확인하고, 그 상관관계를 분석하고자 한다. 본 연구는 K-RAFM 강의 가스 텅스텐 아크 용접(gas tungsten arc welding, GTAW) 용접재료 개발을 위한 기초 연구로, K-RAFM 강 판재를 대상으로 용접 입열량을 달리하여 GTAW를 이용한 제살용접(autogenous welding)을 수행하였으며, 용접후열처리(post-weld heat treatment, PWHT)에 따른 미세조직 및 기계적 특성 변화를 통해 K-RAFM 강의 용접 특성을 확인하고자 하였다.
2. 실험 방법
Table 2는 본 연구에서 사용한 K-RAFM 강의 화학조성을 나타내며, 광학발광분석기(QSN 750-II, OBLF)를 이용하여 분석한 결과이다. 해당 조성으로 제조한 잉곳을 1,200 °C에서 재가열한 후 13 mm로 열간압연하였으며, 이어서 1,000 °C/0.5 h 유지 후 수냉 조건의 노멀라이징과 730 °C/1.5 h 유지 후 공랭 조건의 템퍼링 열처리를 통해 판재를 제작하였다. 이 판재에 대해 Table 3에 제시한 세 가지 입열량 조건, 즉 저입열(low heat input, LHI), 중입열(medium heat input, MHI), 고입열(high heat input, HHI) 조건에서 GTAW 제살용접을 수행하였다. GTAW는 전극이 음극이 되는 직류 음극극성(direct current electrode negative, DCEN) 조건에서 수행하였으며, PWHT는 730 °C/1 h 공랭 조건으로 실시하였다.
Table 2.
Chemical compositions of the K-RAFM steel used in this study (wt%).
| Alloy | C | Si | Mn | Cr | W | V | Ta | Ti | Fe |
| K-RAFM | 0.08 | 0.02 | 0.40 | 8.77 | 0.96 | 0.23 | 0.09 | 0.017 | Bal |
Table 3.
Welding process variables.
| ID | Current (A) | Voltage (V) | Travel speed (mm/s) | Heat input (kJ/mm) |
| LHI | 100 | 11.4 | 2.0 | 0.57 |
| MHI | 200 | 13.8 | 2.0 | 1.38 |
| HHI | 280 | 16.6 | 2.0 | 2.32 |
모재 및 용접금속의 미세조직은 광학현미경(optical microscope, OM, BX53MRF-S, Olympus)과 전계방사형 주사전자현미경(field emission scanning electron microscope, FE-SEM, JIB-4601F, JEOL)으로 관찰하였으며, 결정립 크기 분석을 위해 후방산란전자회절(electron back scattered diffraction, EBSD, NordlysNano, Oxford Aztec)을 이용하였다. δ-페라이트 분율은 PWHT를 수행한 시편을 대상으로, 광학현미경을 이용하여 200배율에서 촬영한 미세조직 이미지 10장을 이용하여 point counting 방법으로 측정하였다.
용접부 기계적 특성 평가는 비커스 경도기(vicker hardness test, XM8125, LECO), 계장화 압입 시험기(instrumented indentation tester, ITT, AIS3000, Frontics)를 이용하여 수행하였다. 비커스 경도는 0.5 kgf 하중으로 용접금속 중심에서 모재까지 200 µm 간격으로 측정하였다. 또한 용접부의 협소한 크기를 고려하여 미세 압입자를 이용한 계장화 압입 시험으로 용접금속의 항복강도와 인장강도를 평가하였다.
3. 결과 및 고찰
Fig. 1은 입열량에 따른 K-RAFM 강 용접부의 용입형상 변화를 보여준다. 용접 입열량이 증가함에 따라 비드 폭과 용입 깊이가 모두 증가하였으나, 폭의 증가가 상대적으로 더 커서 폭과 깊이의 비율(width-to-depth ratio)이 증가하는 경향을 보였다.
Fig. 2는 모재 및 서로 다른 입열량 조건을 가지는 3종의 용접금속에 대해, PWHT 전후의 미세조직을 광학현미경으로 관찰한 결과를 나타낸다. 용접금속에서는 모재에 비해 조대한 마르텐사이트 조직이 관찰되었으며, 모두 δ-페라이트가 형성된 것이 확인되었다. 이러한 δ-페라이트는9Cr 계열 강 용접금속에서 일반적으로 관찰되는 비평형 조직으로 알려져 있다.20,21,24)Fig. 3에 제시한 전계방사형 주사전자현미경을 이용한 관찰 결과에서도 동일한 양상을 관찰할 수 있다. As-welded 상태의 용접금속에서는 탄화물이 관찰되지 않으나, PWHT 후에는 lath 경계 및 PAGB에서 다량의 탄화물이 석출됨을 확인되었다. 한편, Fig. 4에 나타낸 후방산란전자회절 분석 결과에서는 모재 대비 조대한 용접금속의 결정립 크기를 확인할 수 있다.
Fig. 5의 전계방사형 주사전자현미경 고배율 관찰 결과, PWHT 후 용접금속의 lath 경계와 PAGB에서 조대한 Cr-rich M23C6 탄화물이 석출되었으며, lath 내부에는 MC 탄화물이 분포하는 것이 확인되었다. M23C6 및 MC 탄화물은 Fig. 6의 열역학 계산 결과에서 확인되듯이 모두 안정상으로 존재한다. 그러나 용접금속의 빠른 냉각속도로 인해 as-welded 상태에서는 관찰되지 않았으며, PWHT 후에는 후열처리 효과에 의해 석출되는 것으로 나타났다. 또한 충분한 열처리 시간을 갖는 모재와 비교할 때, 용접금속의 탄화물 크기는 전체적으로 더 미세하였다.
Fig. 7은 용접 입열량에 따른 용접금속 내 δ-페라이트 분율 측정 결과이다. 용접 입열량이 작을수록 δ-페라이트 분율이 더 높게 관찰되었다. 이는 낮은 입열량 조건에서 빠른 냉각속도로 인해 δ-페라이트가 오스테나이트로 변태되지 못하고 다량 잔류한 것으로 해석된다.
Fig. 8은 PWHT 전후 용접금속 중심에서 모재까지의 경도 분포를 나타낸 것이다. PWHT 전 용접금속은 입열량과 관계없이 모재 대비 두 배 이상 높은 경도를 보였으며, 이는 용접금속에 발달한 fresh 마르텐사이트 조직에 기인한다. PWHT 후에는 템퍼링 효과로 다량의 탄화물이 석출하면서 기지(matrix)가 연화되어 용접금속의 경도가 큰 폭으로 감소하였고, 이에 따라 모재와의 경도 차이도 크게 줄어들었다. 한편, 열영향부(heat-affected zone, HAZ)에서는 모재보다 경도가 낮은 영역이 관찰되는데, 이는 과도한 템퍼링을 받은 오버 템퍼드 열영향부(over-tempered HAZ, OTHAZ)에 해당하며, 석출물 조대화 및 lath 회복에 의해 연화가 발생하는 것으로 다른 연구에서도 여러 차례 보고된 바 있다.18,20,21)
본 연구에서는 제한된 용접금속 체적에서의 인장특성 평가를 위해 계장화 압입시험을 수행하였다. 계장화 압입시험은 하중-변위 곡선으로부터 항복강도와 인장강도를 추정하는 기법으로, 압입경도와 인장물성 간의 상관관계에 기반한다. 이 방법은 좁은 영역에서도 인장특성 평가가 가능하다는 장점이 있어, 소재의 국부 기계적 성질 평가에 널리 활용되고 있다.25) 모재 및 용접금속의 인장특성 평가 결과를 Fig. 9에 제시하였다. PWHT 전 용접금속의 항복강도와 인장강도는 경도 측정 결과와 유사하게 fresh 마르텐사이트 조직의 영향으로 모재 대비 매우 높게 나타났다. 그러나 PWHT 후에는 큰 폭으로 감소하여 모재와의 차이가 크게 줄어들었다. 용접금속의 강도는 용접 입열량이 증가할수록 소폭 상승하는 경향을 보였으며, 이는 기지에 비해 상대적으로 낮은 경도를 갖는 δ-페라이트 분율이 감소한 데 기인한 것으로 해석된다.
4. 결 론
본 연구에서는 용접 입열량이 저방사화강 용접금속의 미세조직과 기계적 특성에 미치는 영향을 평가하였다. 주요 결과는 다음과 같다.
(1)입열량과 관계없이 용접금속에서는 모재에 비해 조대한 마르텐사이트 조직이 발달하였으며, 소량의 δ-페라이트가 형성되었다. 또한 입열량이 낮을수록 δ-페라이트 분율이 증가하는 경향을 보였다. 이는 낮은 입열량 조건에서 빠른 냉각속도로 인해 δ-페라이트가 오스테나이트로 변태되지 못하고 다량 잔류한 결과로 해석된다.
(2)PWHT 후 용접금속의 lath 경계와 PAGB에서는 조대한 Cr-rich M23C6 탄화물이, lath 내부에서는 MC 탄화물이 석출되었다. 그러나 용접금속의 빠른 냉각속도로 인해 as-welded 상태에서는 이러한 탄화물이 거의 관찰되지 않았으며, PWHT 시 템퍼링 효과에 의해 석출되는 것으로 확인되었다.
(3)PWHT 전 용접금속의 항복강도와 인장강도는 fresh 마르텐사이트 조직의 영향으로 모재보다 매우 높았으나, PWHT 후에는 템퍼링 효과로 인해 큰 폭으로 감소하여 모재와의 차이가 줄어들었다. 또한 용접금속의 강도는 입열량 증가에 따라 소폭 상승하였으며, 이는 상대적으로 연질상인 δ-페라이트 분율 감소에 기인한다.
