1. Introduction

원자로 노심 내에 사용되는 구조재료는 높은 조사 결함 형성 환경에서도 구조적 안정성을 유지해야 한다[1-3]. Nickel 기반 초합금인 Inconel 718 내에는 γ'(Ni₃(Al, Ti)) 면심 입방(face-centered cubic) 결정 구조를 가지는 구형 석출물과 γ''(Ni₃Nb) 체심 정방(body-centered tetragonal) 결정 구조를 가지는 침상형 석출물이 강화상으로서 존재 하며, 이러한 석출물의 존재가 합금의 크리프(creep) 와 중 성자 조사에 의한 부풀음(swelling) 저항성을 향상시키는 것으로 알려져 원자로의 주요 구조재료로서 활용되고 있 다[4-6]. 특히 Inconel 718 합금은 원자로 노심 내에서 핵 연료봉들간의 일정한 간격을 유지하고 진동이나 충격을 완화하는 핵연료지지격자 재료로 사용되고 있다. 기존 핵 연료지지격자는 Inconel 718 합금의 주조와 압연 공정을 순차적으로 수행하여 450 μm 두께의 판재로 제작한 다음 판재 간 교차 조립 후 이음 부위를 점 용접(spot welding) 하는 방식을 활용하는데, 최근에는 Selective Laser Melting (SLM) 적층제조를 적용하는 사례가 보고되고 있으며 접 합부 없이 일체화하여 준정형가공(Near Net Shape)으로 제작된 핵연료지지격자가 기존 제작방식 부품보다 우수한 강성을 지녀 내진, 내충격 성능이 향상되는 것으로 알려져 있다[7]. SLM 적층제조 방식을 활용하면 핵연료봉 주위 냉각수 흐름에 DfAM(Design for Additive Manufacturing) 을 혁신적으로 적용하여 냉각효율은 높이면서 압력강하량 은 낮추는 효과를 가져올 수 있다. 기존 제작방식이 아닌 첨단적층제조된 핵연료지지격자가 원자로에 적용되기위 해서는 중성자 조사에 직접적으로 노출되는 노심 내 환경 적용성 평가가 필요하다[8]. 원자로 가동 온도가 0.3 T_m 이하일 때(T_m은 합금의 용융점), 노심 내 구조재료는 중성 자 조사로 인해 생성된 점 결함(point defect)들이 결함 클 러스터(cluster)를 형성하며, 이러한 결함 클러스터가 재료 의 조사 경화(irradiation hardening)를 유발한다[9]. 구조 재료에 중성자 조사가 가해지면, 중성자는 격자 위치에 존 재하는 원자와 충돌하며 이러한 충돌로 인해 충돌한 원자 와 주변 원자가 기존의 격자 위치에서 이탈되어 Frenkel pairs(vacancy, interstitial atom)와 같은 점 결함들이 생성 된다. 점 결함들은 결함 클러스터(cluster)를 형성하고, 결 국 재료 내에 전위 루프(dislocation loop) 등의 조사 결함 을 생성하여 재료에 조사 경화를 초래한다. 그러나 중성자 조사된 재료는 방사선을 방출하므로, 중성자를 모사한 이 온을 사용하여 재료에 조사를 시험하면 방사선을 방출하 지 않으면서도 중성자와 유사한 방식으로 점 결함을 발생 시켜 이온 조사 경화(ion irradiation hardening)를 관찰할 수 있다[10]. Inconel 718 합금은 이온 조사에 따른 금속결 정구조내 결함 발생을 γ', γ'' 석출물과 모재의 계면에서 흡 수를 함으로써 소재의 부풀음이 억제되고 기계적 특성의 취약점이 분산되므로 결과적으로 내조사성능이 향상되는 효과가 있다. 하지만 이온 조사로 인하여 석출물 자체는 장범위 규칙 결정구조를 잃어버리는 비정질화가 발생하여 미세조직적 특성에 따라 합금이 오히려 연화가 되는 효과 가 발생할 수 있다[11-13]. 본 연구에서는 적층제조된 Inconel 718 합금의 조사로 인한 경화 효과를 확인하기 위 하여 γ', γ'' 석출물 형성 방지를 열처리로 제어하였고 Inconel 718 합금의 경도 및 미세조직 특성을 평가하였다.

2. Experimental

2.1. 사용 재료 및 적층 제조 공정 변수

20~55 μm의 입도 범위를 가지는 Selective Laser Melting (SLM) 적층제조용 Inconel 718 원소재 분말의 조성을 Table 1에 보이고 있다. SLM 장비는 EOS M 290이 활용 되었으며, 레이저 파워 200 W 및 스캔 속도 1000 mm/s가 최적조건으로서 사용되었고 한 층당 40 μm씩 쌓아 올렸 다. 시료는 206 × 206 × 47(mm³) 크기로 제작되었으며 SLM 중 생성된 잔류응력을 제거하기 위하여 1065°C에서 90분동안 응력완화 열처리(stress relieving annealing)를 진 행하였으며, 이후 취성을 가지는 laves phase 제거를 위하 여 추가적으로 1050°C에서 22분 동안 용체화 풀림(solution annealing)을 진행하였다. 열처리를 진행한 시료 중에서 중 성자 조사 특성을 모사하기 위한 이온 조사시험 시편(8 × 2 × 0.5(mm³)을 방전 가공으로 제작하였다. 이온 조사시편 표면은 시편준비 과정중의 응력발생을 제거하기 위하여 메탄올 혼합액(10 vol% 과염소산)을 이용하여 상온에서 전해연마를 진행하였다.

Table 1

The chemical composition of Inconel 718 powder

	Chemical composition (wt%)
	Ni	Cr	Fe	Nb	Mo	Ti	Al	C
Powder	Bal.	19.13	18.79	5.17	3.04	0.87	0.61	0.05

2.2. 이온 조사 실험 조건 및 미세조직 평가 방법

금속 및 기체 이온은 중성자에 비해 전하를 띄고 있어 금속소재내 입사 후 에너지를 잃는 방식에 차이가 있기 때문에 조사 깊이와 양에서 다소 차이가 발생하나 조사시 험시 금속결정구조에 결함을 형성시켜주는 메커니즘은 유 사하다. 따라서 이온 조사시험은 중성자 조사시험의 환경 적 제약조건을 보완해주고 비교적 쉬운 제어가 가능한 실 험으로 기계적 특성 및 미세조직적 특성 평가를 정량적으 로 쉽게 수행할 수 있는 장점을 보인다. Kyoto University 에서 보유하고 있는 중이온 조사 장비인 DuET(Dual- Beam Facility for Energy Science and Technology)이 본 실험에 활용되었으며 Fe³⁺ 금속이온을 400o C에서 6.4 MeV의 가속전압으로 시편에 조사시켜 최대 100 dpa(displacement per atom)의 조사 손상을 줄 수 있도록 시험이 설계되었다. 몬테카를로 시뮬레이션 방식을 활용하는 Stopping and Range of Ions in Matter(SRIM)-2013 code를 이용하여 이온 조사에 의한 조사손상 깊이, 조사량, 금속 이온 농도를 예측하였으며, 이를 Fig. 1에 나타내었다. 원 자가 기존의 격자 위치에서 벗어나 결함이 형성되는데 필 요한 최소의 운동 에너지(displacement threshold energy (T_d))는 40 eV[ASTM Standard, E 521-96(2009)]로 적용되 었다. 조사 시험 후의 미세조직 분석시험편은 focused ion beam(FIB, FEI Helios 650 Nanolab)을 활용하여 lift-out 기 법으로 이온 조사 시편의 단면을 취하였고 FIB 작업으로 인한 시편 표면 결함을 최소화하기 위하여, Nano mill (Fischione Instruments Model 1040) 장비를 활용하였다. 이온 조사로 생긴 결함을 분석하기 위하여 Transmission Electron Microscope(TEM, Jeol JEM 2100F) 장비로 zone axis <001> 근처의 회절 벡터 g = <020>를 이용한 weak beam dark field 기법을 이용하여 미세조직을 분석하였다.

Fig. 1

The depth profile of displacement damage and 6.4 MeV Fe³⁺ ion concentration in SLM SA Inconel 718 specimen simulated by SRIM.

2.3. 나노압입시험

나노압입시험(nano-indentation)은 iNano Nanoindenter (KLA-Tencor) 장비를 활용하였다. 20 nm의 지름을 가지는 diamond Berkovich tip을 이용하여 깊이에 따른 경도 값을 측정하는 continuous stiffness measurement 방법을 이용하 였다. 전해연마된 시편에 최대 힘은 50mN 및 strain rate 는 0.05 s^-1의 조건으로 수행되었다. 나노압입을 진행하기 전 fused silica로 보정작업을 수행하여 측정치의 정확도를 높였다. 50 μm의 간격을 두어 총 7번의 압입을 수행하였 으며 나노 경도 데이터는 Oliver & Pharr 방법으로 분석되 었다[14].

3. Results and Discussion

3.1. 이온 조사로 인한 경도 변화 나노압입시험 결과

Selective Laser Melting(SLM) 방식으로 적층제조된 Inconel 718 시편에 용체화 풀림(solution annealing) 열처 리를 진행한 후 이온 조사(ion irradiation) 깊이에 따른 나 노압입 시험값을 평가하여 이를 Fig. 2와 Fig. 3에 나타내 었다. Fig. 2는 조사 전후에 대한 SLM SA Inconel 718 시 편의 displacement vs load curve를 나타내며, 조사된 시편 의 최대 압입 깊이(h_max)가 739 ± 10 nm로 측정되었다. 이 값은 조사되지 않은(unirradiation) 시편의 최대 압입 깊이 인 789 ± 11 nm 보다 더 낮음을 확인할 수 있으며, 결과적 으로 이온 조사로 인하여 경화가 발생함을 확인할 수 있 다. 나노압입 깊이가 증가할수록 경도 값이 감소하는 Indentation Size Effect(ISE)가 나타남을 Fig. 3를 통하여 확인할 수 있다. Fig. 3(a)와 Fig. 3(b)를 비교하면 조사 후 시편의 나노압입 시험값이 조사 전 시편보다 높게 나타나 이온조사로 인하여 Inconel 718 시편에 경화가 일어남을 알 수 있으며 이는 기존 Ni 기반 합금관련 시험에서 일반 적으로 보고되는 사항으로 볼 수 있다[12, 13, 15]. 조사 경화는 높은 에너지를 가지는 입자(이온 혹은 중성자)가 재료에 조사될 때, 격자에 존재하는 원자가 제 위치에서 벗어나 생성되는 vacancy와 interstitial atom 점 결함들이 클러스터하여 전위 루프(dislocation loop) 결함을 이루어 발생하게 된다. 100 nm 이하의 압입 깊이에서는 Berkovich tip의 표면 영향으로 인하여 유의미한 데이터를 얻을 수 없으며 또한 압입시험 깊이가 이온 조사 최대 깊이인 2 μm의 10%인 200 nm 보다 깊어지면 이온 조사특성과는 관련이 없는 기판 효과[16, 17] 가 영향을 줄 수 있으므로, 압입 깊이 150 nm에서 나노압입 시험값을 측정하고 경화 율을 얻었으며 이를 Tab le 2에 정리하였다.

Fig. 2

The displacement vs load curves of SLM SA Inconel 718 specimens with maximum load 50 mN and strain rate 0.05 s^-1.

Fig. 3

Indentation depth profiles of SLM SA Inconel 718 specimens nanohardness: (a) ion irradiated, (b) unirradiated.

평균 나노압입시험 값을 Fig. 4에 나타내었다. 조사 전 경도는 4.84 ± 0.3 GPa에서 조사 후 6.99 ± 0.35 GPa로 약 44.4% 증가함을 알 수 있다. 본 연구에서 제작된 SLM SA Inconel 718 시편의 100 dpa에서의 경화율(hardening rate) 은, 최대 조사 결함 100 dpa에서 약 50%의 경화율을 보이 는 주조 및 압연된 SA Inconel 718[12] 보다 6% 가량 낮 다. 이는 SLM 공정 시 매우 빠른 냉각 속도로 인하여 전 위가 뭉쳐 소경각 입계들이 생성되어 이 소경각 입계로 인하여 이온 조사 전 SLM SA Inconel 718 합금이 주조 및 압연된 SA Inconel 718 보다 높은 경도 값을 가진다고 볼 수 있다. 또한 이온 조사후 SLM SA Inconel 718 시편 은 기 생성된 소경각 입계들이 이온 조사 시 발생하는 vacancy 및 interstitial atom 등의 점 결함들을 좀더 흡수하 여 주조 및 압연된 SA Inconel 718 합금보다 낮은 조사 경화율을 보인다고 볼 수 있다.

Fig. 4

Indentation depth profiles of average nanohardness of SLM SA Inconel 718 specimens.

3.2. 이온 조사 후 미세조직 분석 결과

이온 조사 후 형성된 결함을 확인하기 위하여 Transmission Electron Microscope(TEM)의 weak beam dark field (WBDF) 기법을 활용하여 이온 조사 후 SLM SA Inconel 718 시편의 미세조직을 분석하였고 이를 Fig. 5에 나타내 었다. WBDF에 사용된 two b eam 조건은 zone axis <001> 근처의 회절 벡터 g = <020>를 이용하였으며, 이 g는 Ni 기반 합금에서 전위 루프 등의 결함 분석 시 많이 사용되 는 조건이다[18, 19]. Fig. 5(a)에서는 조사로 인해 생성된 다수의 전위 루프를 관찰할 수 있었다. 또한 Fig. 5(b)에서 는 이러한 전위 루프들이 Ma Kan et al.의 연구에서 보고 된 Ni 기반 합금에 이온 조사 후 생성된 Frank partial dislocation loop[19] 와 유사한 형상을 가지는 Frank particle dislocation loop(burgers vector = a_o<111>)임을 확인할 수 있다. Ni 기반 합금은 원자로 가동 온도에서 (0.3 T_m 이하, T_m은 합금의 용융온도) 이온 조사 후 Frank partial dislocation loop와 같은 조사 결함이 생성된다[6, 12, 13, 15, 20, 21]. 이온 조사에 의해 재료의 격자에서 원 자가 이탈하여 Frenkel pair(vacancy, interstitial atom) 점 결함들이 생성되며, 이러한 vacancy는 cluster 되어 void 조사 결함을 형성하고 interstitial atom은 cluster 되어 dislocation loop 조사 결함을 형성한다. 그러나, 0.4 T_m 이 하의 온도에서는 vacancy의 열적 이동성(thermal mobility) 이 낮아 vacancy가 cluster 하여 생성되는 void의 형성이 제한적이다[22, 23]. 따라서 본 연구에서는 TEM 이미지에 서 이온 조사 후 Frank partial dislocation loop가 대부분 관찰되었으며, vacancy cluster void는 관찰되지 않았다.

Fig. 5

Weak beam dark field TEM images of dislocation loops after ion irradiation of SLM SA Inconel 718 specimen: (a) low and (b) high magnification. The white arrows indicate the diffraction vector g near <001> zone axis. The yellow circles and arrows indicate dislocation loops.

Table 2

The relative hardness and hardening rate at contact depth 150 nm

	Nanohardness (GPa)		Hardening rate (%)
	Irradiated	Unirradiated
Measurement	6.99 ± 0.35	4.84 ± 0.3	44.4

4. Conclusion

본 연구에서는 적층 제조로 제작된 후 용체화 풀림 (solution annealing, SA)를 진행한 Inconel 718 합금의 이 온 조사 경화 효과를 확인하기 위하여 나노 경도와 미세 조직의 분석을 수행하였다. 나노압입 시험값은 압입 깊이 150 nm에서 조사 전 약 4.84 ± 0.3 GPa, 조사 후 6.99 ± 0.35 GPa로 약 44% 정도 나노압입 시험값 증가를 확인하 였다. 이는 TEM으로 관찰된 침입형 Frank partial dislocation loop의 증가가 재료의 경화에 기인한 것으로 확인 하였다.

Acknowledgements

Acknowledgement

이 연구는 한국원자력연구원 기본사업(524480-23)의 지 원 하에 수행되었습니다.

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